Modello muscoloscheletrico specialistici per lo studio della deformazione dell'osso durante il movimento dinamico

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di creare un modello muscoloscheletrico specifico per l'analisi della deformazione ossea. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo dell'ingegneria biomedica, come la quantificazione della deformazione ossea umana durante il movimento dinamico. Il vantaggio principale di questa tecnica è che viene implementato un approccio non invasivo per studiare la forza ossea durante le attività fisiche dinamiche.

A dimostrare la procedura saranno Marisa Loo e Kerstyn Hall, studentesse laureate del mio laboratorio. Per iniziare questa procedura eseguire la TAC e la misurazione antropometrica sul soggetto. Successivamente, posiziona dei pennarelli riflettenti da 14 mm sul corpo dei partecipanti come indicato nel protocollo di testo.

Posizionare piastre di plastica semirigide con quattro gruppi di marcatori sulle cosce e sui gambi dei partecipanti. Dopo aver inserito le informazioni dei soggetti nel programma di motion capture, chiedi loro di stare immobili al centro della stanza calibrata con i piedi alla larghezza delle spalle. Quindi chiedi loro di estendere lateralmente gli arti superiori in modo che tutti i marcatori riflettenti siano ben esposti alle telecamere.

Nella finestra principale del programma, aprire il riquadro degli strumenti, fare clic sulla scheda Preparazione soggetto. Nella sezione Acquisizione soggetto, fare clic su Avvia per registrare una prova di movimento di tre secondi come prova di calibrazione statica. Per iniziare a determinare il centro funzionale dell'articolazione dell'anca, chiedere al partecipante di stare in piedi su una gamba mentre estende completamente l'altra gamba leggermente in avanti.

Istruire il partecipante a muovere anteriormente la gamba estesa attorno all'articolazione dell'anca e tornare in posizione neutra. Anteriormente lateralmente e ritorno in neutro. E poi lateralmente e tornare in folle.

Successivamente, chiedi al partecipante di muovere la stessa gamba attorno all'articolazione dell'anca posteriormente lateralmente e di tornare in posizione neutra. Posteriormente e tornare in posizione neutra. E poi in un movimento di cirduzione.

Nella finestra principale del programma, aprire il riquadro degli strumenti, fare clic sulla scheda di acquisizione, quindi nella sezione di acquisizione fare clic su Avvia per registrare una prova di movimento per ogni movimento funzionale dell'anca. Per iniziare a determinare il centro funzionale dell'articolazione del ginocchio, chiedere al partecipante di stare in piedi su una gamba mantenendo un'iperestensione dell'anca di 30 gradi dell'altra gamba. Successivamente, istruire il partecipante a eseguire una flessione del ginocchio di 45 gradi con la gamba non portante.

Chiedi loro di ripetere l'operazione cinque volte. Nella sezione di acquisizione del riquadro degli strumenti, fare clic su Avvia per registrare una prova di movimento per ogni movimento funzionale del ginocchio. Posiziona la scatola di legno regolata in altezza su un'area del pavimento coperta da un tappetino di gomma, assicurandoti che si trovi a circa 11 cm dai bordi delle piastre di forza.

Quindi, chiedi al partecipante di stare in cima alla scatola. Chiedi al partecipante di estendere il piede dominante direttamente davanti alla scatola, quindi chiedigli di spostare il peso in avanti e di scendere dalla scatola. Entrambe le gambe dei partecipanti devono atterrare a terra contemporaneamente con ciascun piede che colpisce una piastra di forza separata, chiedere al partecipante di rimanere in piedi fino al completamento del motion capture della prova.

Ripeti il motion capture tre volte per raccogliere tre prove di movimento per ogni altezza. Innanzitutto, apri un programma software di motion capture. Nella finestra principale, vai al pannello delle comunicazioni, fai clic sulla scheda Gestione dati e seleziona una delle prove di movimento registrate.

Apri i dati della versione di prova nel programma. Nel riquadro degli strumenti fare clic sulla scheda della pipeline. Dall'elenco della tubazione corrente, selezionare la tubazione di ricostruzione, fare clic sul pulsante Esegui per avviare il processo di ricostruzione e ottenere traiettorie tridimensionali dei marcatori riflettenti.

Passare al riquadro degli strumenti e fare clic sulla scheda di modifica dell'etichetta, nella sezione di etichettatura manuale selezionare i nomi dei singoli marcatori ed etichettare le traiettorie 3D corrispondenti. Al termine dell'etichettatura, fare clic sul pulsante Salva sulla barra degli strumenti. Per iniziare a creare un modello scheletrico della parte inferiore del corpo, aprire il programma software di simulazione dinamica multi-corpo con il plug-in di modellazione del corpo umano installato.

Nella schermata iniziale, fare doppio clic sull'icona del nuovo modello per aprire il pannello di controllo della costruzione del modello, nella sezione della libreria del database antropometrico del pannello di modellazione principale, scegliere il corpo generico dall'elenco a discesa, specificare la massa corporea, l'altezza corporea, il sesso e l'età. Nella sezione di configurazione del corpo del pannello di modellazione principale fare clic sul pulsante di opzione della parte inferiore del corpo, nell'elenco a discesa delle unità selezionare mm, kg, Newton; Fare clic sul pulsante Applica nella sezione Crea tabella di misurazione del corpo per accettare le misure del corpo. Continuare a fare clic sul pulsante Applica nella sezione Crea segmento umano per creare un modello di base scheletrico della parte inferiore del corpo.

Per iniziare a modellare i giunti della parte inferiore del corpo, aprire l'elenco a discesa del menu principale nel pannello di modellazione principale e selezionare i giunti per aprire il pannello di configurazione del giunto. Nella sezione dell'elemento di rotazione del giunto del pannello di configurazione del giunto, fare clic sul pulsante Avanti per preparare il modello con la registrazione dei giunti. Nella sezione delle proprietà degli smorzatori delle molle e dei limiti dei giunti, inserire i parametri per la rigidezza nominale del giunto, lo smorzamento nominale del giunto e la rigidezza di arresto del giunto, come mostrato qui.

Continuare a selezionare la gamba sinistra e la gamba destra selezionando i pulsanti di opzione corrispondenti, fare clic sul pulsante Applica per accettare le configurazioni dei giunti. Successivamente, apri l'elenco a discesa del menu principale nel pannello di modellazione principale e seleziona il flusso di lavoro, nell'elenco a discesa dei sottomenu seleziona l'andatura e calibra, nella sezione dei dati del centro articolare inserisci il file centrale dell'articolazione inferiore del corpo dei partecipanti. Quindi fare clic sul pulsante di carico per importare i dati e modificare le posizioni dei centri del giunto, nella sezione di prova statica del carico accedere alla prova di acquisizione del movimento di calibrazione statica.

Fare clic sul pulsante di caricamento per importare il file e parametrizzare il modello scheletrico della parte inferiore del corpo. Per iniziare a modellare i muscoli scheletrici, apri il menu a discesa principale nel pannello di modellazione principale e seleziona i tessuti molli, dopodiché apri il menu a discesa secondario e seleziona crea set di tessuti di base. Nella sezione dell'elemento del riquadro della contrazione muscolare, fare clic su Prepara modello con la registrazione degli elementi muscolari.

Successivamente, nella sezione delle proprietà muscolari dell'elemento di registrazione globale, fare clic sul pulsante di opzione corrispondente al set di muscoli 45 aggiornato, quindi accettare le impostazioni predefinite per le proprietà muscolari come mostrato qui. Controllare i pulsanti di opzione per la gamba sinistra e la gamba destra per le assegnazioni muscolari, quindi fare clic sul pulsante Applica per accettare le configurazioni. In questo studio, viene utilizzato un metodo non invasivo per determinare la deformazione della tibia durante le attività ad alto impatto.

L'accuratezza della simulazione dinamica diretta viene verificata confrontando gli angoli di articolazione della parte inferiore del corpo dalla simulazione con gli angoli di articolazione corrispondenti misurati per i dati di motion capture. Questi confronti sono completati per l'angolo della caviglia, l'angolo del ginocchio e l'angolo dell'anca a tutte e tre le altezze di caduta in cui le linee verticali rappresentano i momenti di impatto. Come si può vedere, la simulazione e i dati sperimentali concordano in gran parte, dimostrando che la simulazione stessa ha un alto grado di precisione.

Il software di analisi statistica viene quindi utilizzato per calcolare i coefficienti di correlazione incrociata tra gli angoli del giunto sperimentale e di simulazione a ritardo zero. Le deformazioni di picco nella regione antero-mediale della diafisi tibiale media vengono registrate mentre il soggetto atterra da tre diverse altezze. La condizione di atterraggio di 52 cm dimostra le deformazioni di taglio massime di picco, massime massime e massime di picco.

Si osserva inoltre che le deformazioni principali massime di picco aumentano all'aumentare dell'altezza di caduta. Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo dell'ingegneria biomedica, per esplorare i meccanismi delle lesioni da stress osseo negli atleti e nei tirocinanti militari.