Name: サブジェクト固有筋骨格モデル動的モーションの間に骨の歪みを勉強のため (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-11T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 32 s
Description: 学ぶ被験者固有筋骨格モデルと有限要素解析を用いた動的モーション中の脛骨歪み計測法。この非侵襲的手法は、運動時の骨強度と応力性骨折メカニズムの理解に貢献します。

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部の軍 #W81XWH-08-1-0587、#W81XWH-15-1-0006。ボール州立大学 2010年熱望するグラント。

<ol><li>Brukner, P., Bennell, K., Matheson, G. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBrukner%2C+P+%22Stress+fracture%22">Stress fracture</a>. , Blackwell Science. Victoria, Australia. (1999).</li>
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<li>Matheson, G. O., Clement, D. B., McKenzie, D. C., Taunton, J. E., Lioyd-Smith, D. R., Maclntyre, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stress+fractures+in+athletes.+A+study+of+320+cases%5BTitle%5D)+AND+%22Am+J+Sports+Med%22%5BJournal%5D)">Stress fractures in athletes. A study of 320 cases.</a> Am J Sports Med. 15, 46-58 (1987).</li>
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<li>Milgrom, C., Giladi, M., Stein, M., Kashtan, H., Margulies, J. Y., Chisin, R., Stenberg, R., Aharonson, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stress+fractures+in+military+recruits.+A+prospective+study+showing+an+unusually+high+incidence%5BTitle%5D)+AND+%22J+Bone+Joint+Surg+Br%22%5BJournal%5D)">Stress fractures in military recruits. A prospective study showing an unusually high incidence.</a> J Bone Joint Surg Br. 67, 732-735 (1985).</li>
<li>Almeida, S. A., Williams, K. M., Shaffer, R. A., Brodine, S. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Epidemiological+patterns+of+musculoskeletal+injuries+and+physical+training%5BTitle%5D)+AND+%22Med+Sci+Sports+Exerc%22%5BJournal%5D)">Epidemiological patterns of musculoskeletal injuries and physical training.</a> Med Sci Sports Exerc. 31, 1176-1182 (1999).</li>
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<li>Jones, B. H., Thacker, S., Gilchrist, J., Kimsey, C. D., Sosin, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prevention+of+lower+extremity+stress+fractures+in+athletes+and+soldiers%3A+a+systematic+review%5BTitle%5D)+AND+%22Epidemiol+Rev%22%5BJournal%5D)">Prevention of lower extremity stress fractures in athletes and soldiers: a systematic review.</a> Epidemiol Rev. 24, 228-247 (2002).</li>
<li>Voloshin, A., Wosk, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+in+vivo+study+of+low+back+pain+and+shock+absorption+in+the+human+locomotor+system%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">An in vivo study of low back pain and shock absorption in the human locomotor system.</a> J Biomech. 15, 21-27 (1982).</li>
<li>Burr, D. B., Milgrom, C., Fyhrie, D., Forwood, M., Nyska, M., Finestone, A., Hoshaw, S., Saiag, E., Simkin, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+measurement+of+human+tibial+strains+during+vigorous+activity%5BTitle%5D)+AND+%22Bone%22%5BJournal%5D)">In vivo measurement of human tibial strains during vigorous activity.</a> Bone. 18, 405-410 (1996).</li>
<li>Ekenman, I., Halvorsen, K., Westblad, P., Fellander-Tsai, L., Rolf, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+reliability+and+validity+of+an+instrumented+staple+system+for+in+vivo+measurement+of+local+bone+deformation.+An+in+vitro+study%5BTitle%5D)+AND+%22Scand+J+Med+Sci+Sports%22%5BJournal%5D)">The reliability and validity of an instrumented staple system for in vivo measurement of local bone deformation. An in vitro study.</a> Scand J Med Sci Sports. 8, 172-176 (1998).</li>
<li>Lanyon, L. E., Hampson, W. G., Goodship, A. E., Shah, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bone+deformation+recorded+in+vivo+from+strain+gauges+attached+to+the+human+tibial+shaft%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Orthop+Scand%22%5BJournal%5D)">Bone deformation recorded in vivo from strain gauges attached to the human tibial shaft.</a> Acta Orthop Scand. 46, 256-268 (1975).</li>
<li>Ekenman, I., Halvorsen, K., Westblad, P., Tsai, L. F., Rolf, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Local+bone+deformation+at+two+predominant+sites+for+stress+fractures+of+the+tibia%3A+an+in+vivo+study%5BTitle%5D)+AND+%22Foot+Ankle+Int%22%5BJournal%5D)">Local bone deformation at two predominant sites for stress fractures of the tibia: an in vivo study.</a> Foot Ankle Int. 19, 479-484 (1998).</li>
<li>Milgrom, C., Finestone, A., Levi, Y., Simkin, A., Ekenman, I., Mendelson, S., Millgram, M., Nyska, M., Benjuya, N., Burr, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Do+high+impact+exercises+produce+higher+tibial+strains+than+running%3F%5BTitle%5D)+AND+%22Br+J+Sports+Med%22%5BJournal%5D)">Do high impact exercises produce higher tibial strains than running?</a> Br J Sports Med. 34, 195-199 (2000).</li>
<li>Milgrom, C., Finestone, A., Simkin, A., Ekenman, I., Mendelson, S., Millgram, M., Nyska, M., Larsson, E., Burr, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In-vivo+strain+measurements+to+evaluate+the+strengthening+potential+of+exercises+on+the+tibial+bone%5BTitle%5D)+AND+%22J+Bone+Joint+Surg+Br%22%5BJournal%5D)">In-vivo strain measurements to evaluate the strengthening potential of exercises on the tibial bone.</a> J Bone Joint Surg Br. 82, 591-594 (2000).</li>
<li>Al Nazer, R., Rantalainen, T., Heinonen, A., Sievanen, H., Mikkola, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flexible+multibody+simulation+approach+in+the+analysis+of+tibial+strain+during+walking%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">Flexible multibody simulation approach in the analysis of tibial strain during walking.</a> J Biomech. 41, 1036-1043 (2008).</li>
<li>Al Nazer, R., Klodowski, A., Rantalainen, T., Heinonen, A., Sievanen, H., Mikkola, A. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21302163">A full body musculoskeletal model based on flexible multibody simulation approach utilised in bone strain analysis during human locomotion.</a> Comput Method Biomec. 14, 573-579 (2011).</li>
<li>Johnson, M. A., Moradi, M. H., Crowe, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aJohnson%2C+MA+%22PID+control%3A+new+identification+and+design+methods%22">PID control: new identification and design methods</a>. , Springer. New York. 543(2005).</li>
<li>Craig, R. R., Bampton, M. C. C. <a target="_blank" href="https://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/3.4741">Coupling of substructures for dynamics analysis.</a> American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal. 6, 1313-1319 (1968).</li>
<li>Wasfy, T. M., Noor, A. K. <a target="_blank" href="http://appliedmechanicsreviews.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1397819">Computational strategies for flexible multibody systems.</a> Appl Mech Rev. 56, 553-613 (2003).</li>
<li>Kadaba, M. P., Ramakrishnan, H. k, Wootten, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+lower+extremity+kinematics+during+level+walking%5BTitle%5D)+AND+%22J+Orthop+Res%22%5BJournal%5D)">Measurement of lower extremity kinematics during level walking.</a> J Orthop Res. 8, 383-392 (1990).</li>
<li>Schwartz, M. H., Rozumalski, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+method+for+estimating+joint+parameters+from+motion+data%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">A new method for estimating joint parameters from motion data.</a> J Biomech. 38, 107-116 (2005).</li>
<li>Devita, P., Skelly, W. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+landing+stiffness+on+joint+kenetics+and+energetic+in+the+lower+extremity%5BTitle%5D)+AND+%22Med+Sci+Sports+Exerc%22%5BJournal%5D)">Effect of landing stiffness on joint kenetics and energetic in the lower extremity.</a> Med Sci Sports Exerc. 24, 108-115 (1992).</li>
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<li>Schileo, E., Taddei, F., Malandrino, A., Cristofolini, L., Viceconti, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Subject-specific+finite+element+models+can+accurately+predict+strain+levels+in+long+bones%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">Subject-specific finite element models can accurately predict strain levels in long bones.</a> J Biomech. 40, 2982-2989 (2007).</li>
<li>Pattin, C. A., Caler, W. E., Carter, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cyclic+mechanical+property+degradation+during+fatigue+loading+of+cortical+bone%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">Cyclic mechanical property degradation during fatigue loading of cortical bone.</a> J Biomech. 29, 69-79 (1996).</li>
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</ol>

著者は、彼らは競合する金銭的な利益があることを宣言します。

本研究の目的は、高負荷活動期の脛骨の変形を決定する非侵襲的な方法を開発するでした。衝撃荷重により脛骨ひずみ分布の定量化は、脛骨疲労骨折のより良い理解に します。この研究では、サブジェクト固有の筋骨格モデルを開発したとコンピューター シミュレーションは実験室の設定で実行されるドロップ着陸の動きを複製する実行されました。ドロップ着陸高さの脛骨のひずみに及ぼす影響を検討しました。本研究では我々 がドロップ着陸として観測高さ増加、ピーク最大主ひずみも 。また、3 つの着陸条件の中で 52 cm 条件は最高ピーク最大主、最小のプリンシパル、および最大せん断ひずみで起因しました。
限られた生体内でデータがドロップ-着陸脛骨ひずみの影響について文献で利用できます。ミルグロムら、報告 (26, 39、52 cm) 3 種類の高さから着陸時 896 1,007 µstrain に至る最大主ひずみ14。Ekenmanらは、45 cm 高さ13から着陸時に...

ストレス骨折などの骨のストレス傷害、深刻な過剰使用の傷害の回復の長い期間を必要とする、重要な医療コスト1,2を発生させず。ストレス骨折は一般的な運動および軍事集団の両方。すべてのスポーツ関連傷害、ストレス骨折合計3の 10% を占める。特に、陸上競技選手の高い傷害率 204の顔します。兵士はまたストレス骨折率が高いを経験します。例えば、米陸軍1に対して 6% 負傷率が報告された、イスラエルの軍隊5で 31% 負傷率が報告されました。すべての報告されたストレス骨折の中では、脛骨疲労骨折は最も一般的な 1 つ6,7,8です。
スポーツと脛骨疲労骨折のリスクが高いと身体トレーニングは、高地の影響 (例えば、ジャンプ、着地、切削) に通常関連付けられます。移動中に足が地面に当たったとき体に地面の衝撃が適用されます。筋骨格系及び履物にてこの衝撃を消散します。骨格系は、地面の影響9を吸収する力を適用する筋肉をできるようにレバーのシリーズとして提供しています。脚の筋肉は十分に地面への影響を減らすことはできません、下半身のボーンは残留力を吸収する必要があります。骨の構造は、この過程での変形を経験します。残留への影響力の吸収を繰り返し、骨の microdamages が蓄積し、疲労骨折になる可能性があります。日付、骨に関連した情報を外部地上衝撃力への反作用は制限されています。脛骨骨が動的な運動の中に高い衝撃力で導入する機械負荷に応答する方法を研究することが重要です。脛骨疲労骨折のメカニズムの理解につながる可能性高負荷活動中に脛骨骨変形を調べるします。
骨変形体内測定する従来技術は、インストルメント化されたひずみゲージ10、11,12,13,14,15に依存します。骨表面にひずみゲージを移植する手術が必要です。侵襲により生体内での研究は、ボランティアの小さなサンプルによって制限されます。また、ひずみゲージのみ骨表面の小さな領域を監視できます。最近では、骨の歪みを分析してコンピューター シミュレーションを利用した非侵襲的な方法は、導入された16,17だった。この方法論は、筋骨格系のモデル化と計算機シミュレーションを結合する能力、人間の動きの間に骨の歪みを勉強するには
筋骨格系モデルは骨格や骨格筋によって表されます。スケルトンは、剛体または非変形体である骨セグメントで構成されます。骨格筋は、プログレッシブ ・積分・微分 (PID) アルゴリズムを使用してコント ローラーとしてモデル化されます。3 項の PID 制御は、出力精度18を改善するために推定でエラーを使用します。本質的に、筋肉を表す PID コント ローラーは、時間をかけて筋肉の長さ変化をもたらすに必要な力を開発することによって身体の動きを複製しようとします。PID コント ローラーは、長さ/時間カーブの動きを再現するため力を変更するのにエラーを使用します。このシミュレーションでは、スケルトンを移動し、体の動きを作り出すのために協力するすべての筋肉を調整するための実現可能な解を作成します。
骨格筋骨格モデルに 1 つまたは複数のセグメントは、変形の測定を許可するように、柔軟な体としてモデル化できます。例えば、脛骨骨は要素とノードの数で構成される有限数の要素に分けることが。有限要素 (FE) の分析を通して、柔軟な脛骨の力学的負荷の影響を調べることができます。有限要素解析では、時間をかけて個々 の要素の読み込み応答を計算します。骨の要素およびノードの増加の数、有限要素解析の計算時間が大幅に増加します。
柔軟な体変形の正確な評価と計算コストを減らすためには、モーダル解析が開発し、自動車や航空宇宙産業19,20の内で使用されます。個々 の FE 要素のレスポンス時間領域における機械的負荷を分析する代わりにこのプロシージャは周波数の異なる振動周波数に基づいてオブジェクトの力学的応答を評価します。このメソッドは変形20の正確な測定を提供しながら, 計算時間の大幅な削減の結果します。モーダル解析は、自動車、航空宇宙の分野で機械的疲労研究に広く使用されています、このメソッドのアプリケーション非常に限定されている人間の動き科学。アル Nazerら、二足歩行運動中の脛骨の変形を調べるため、モーダルの有限要素解析と結果16,17を奨励することを報告します。ただし、その方法でした; シミュレーションを駆動する実験から限られた運動学的データのみを使用して影響を大幅実がない地面の影響力のシミュレーションを支援するために使用します。このアプローチは歩行など負荷の少ない遅い動きの勉強のための合理的かもしれませんが、負荷の動きは高地を研究する実行可能なソリューションではありません。したがって、高衝撃活動中に下半身の骨反応を調べるためにそれは以前に報告したメソッドに関連付けられている制限に対処するための革新的なアプローチを開発することが欠かせません。具体的には、正確な実験的運動学的データと実を利用する方法地面衝撃力を開発する必要があります。したがって、本研究の目的は、インパクト活動中に脛骨の歪みを調査するモーダル FE 解析マルチボディの動的シミュレーションを実行するサブジェクト固有の筋骨格モデルを開発することでした。メソッドをテストするさまざまな高さからドロップ着陸によって表される動的衝撃運動が選ばれました。

<table><tbody><tr><td>CTスキャナー</td><td>GEメディカルシステム</td><td>N/A</td><td>光速VCT.脛骨CTスキャンを行うため。</td></tr><tr><td>モーションキャプチャーシステム</td><td>Vicon Inc</td><td>N/A</td><td>Vicon FX40 ハイスピードカメラ。3Dモーションキャプチャを実行します。</td></tr><tr><td>フォースプレート</td><td>AMTI Inc</td><td>N/A</td><td>3D地面反力の収集</td></tr><tr><td>Vicon Nexus</td><td>Vicon Inc</td><td>N/A</td><td>モーションキャプチャソフトウェアプログラム。視覚的なマーカーの軌跡データの処理用。</td></tr><tr><td>Visual 3D</td><td>C-Motion Inc</td><td>N/A</td><td>バイオメカニクス分析ソフトウェア。人間の動きの3Dキネマティクスとキネティクスの計算に。</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>Mathworks Inc</td><td>N/A</td><td>コンピュータプログラミングソフトウェア。生データのフィルタリング、データ変換、およびデータ処理を実行します。</td></tr><tr><td>ADAMS 2012</td><td>MSC Software Inc</td><td>N/A</td><td>マルチボディ動的コンピューターシミュレーションプログラム。</td></tr><tr><td>LifeMOD</td><td>Lifemodeler Inc</td><td>N/A</td><td>ADAMSのソフトウェアプラグイン。人体の筋骨格モデルの構築に。</td></tr><tr><td>MIMICS 13</td><td>Materialise Inc</td><td>N/A</td><td>画像処理プログラム。画像データを処理するための3Dモデリングツール。CTスキャンから3D脛骨モデルを作成します。</td></tr><tr><td>MARC 2012</td><td>MSC Software Inc</td><td>N/A</td><td>有限要素解析ソフトウェア。ボリュームメッシュの実行、脛骨FEモデルの生成、およびモーダルFE解析の実行。</td></tr><tr><td>SPSS 19</td><td>IBM Inc</td><td>N/A</td><td>統計分析ソフトウェア。</td></tr></tbody></table>

サブジェクト固有筋骨格モデル動的モーションの間に骨の歪みを勉強のため

Subject-specific Musculoskeletal Model for Studying Bone Strain During Dynamic Motion

骨ストレス傷害、スポーツや軍事訓練。トレーニング中に繰り返し大規模な地面の影響力が原因であります。下半身の骨の変形骨ストレス傷害のメカニズムを理解する力の高地の効果を決定することが不可欠です。従来のひずみゲージの測定は脛骨変形生体内での研究に使用されています。このメソッドは、プロシージャの侵襲性、少数の被験者と小さな骨表面積から限られた歪みデータの関与などの制限に関連付けられます。現在の研究は、高衝撃荷重条件下における脛骨骨歪みの研究への新しいアプローチをご紹介する予定です。健康な男性 (19 年、80 kg、1,800 mm) を表す件名固有の筋骨格系モデルが作成されました。柔軟な有限要素脛骨モデルは、被験者の右脛骨のコンピューター断層撮影 (CT) スキャンに基づいて作成されました。研究所モーション キャプチャを行った (26, 39、52 cm) 高さが異なるからドロップ着陸の運動学と地盤の反力を得る。ドロップ着陸中の脛骨の歪みを数値化する柔軟な脛骨のモーダル解析と組み合わせて多動的なコンピューター シミュレーションを行った。計算脛骨ひずみデータ以前生体内研究とよく一致しました。脛骨疲労骨折の傷害メカニズムの理解を深めることにつながる大規模コホートのインパクト活動中に脛骨の骨の歪みを勉強するこの非侵襲的アプローチを適用できることは明らかです。

健康な白人男性 (19 歳、高さ 1,800 mm、質量 80 kg) 研究のために志願しました。データ収集の前に件名レビュー、および、研究に参加する前に大学制度検討委員会によって承認された同意書をサインします。ヘルシンキ宣言の下で実験を行った。実験は次のプロトコルに基づいて行われました。
順方向の動的シミュレーションの精度を検証するためにシミュレーションから下半身の関節角度は対応する関節角度のバイオメカニクス解析プログラムによって処理されたモーション キャプチャ データから測定と比較されました。統計解析ソフトウェアは、比較の相関係数を計算する使用されました。相互相関計算は、正と負の方向に 10 遅れを許可しました。各 lag に対応した時間ステップ前方の動的シミュレーション (0.01 秒)。最大の相関係数が確認されました。
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着陸時に下半身の骨は大きな機械的負荷を経験し、変形します。骨の変形の影響に関連付けられている骨ストレス傷害のメカニズムを理解するための測定が不可欠です。対象特定筋骨格モデリングと有限要素解析を統合する手法は、ダイナミックな動きの中に脛骨の歪みを測定する使用されます。

Bone stress injuries are common in sports and military trainings. Repetitive large ground impact forces during training could be the cause. It is ...

この手順の全体的な目標は、骨ひずみ解析のための被験者固有の筋骨格モデルを作成することです。この方法は、動的運動中の人間の骨の変形を定量化するなど、生物医学工学分野の重要な質問に答えるのに役立ちます。この手法の主な利点は、動的な身体活動中の骨の強度を研究するために非侵襲的なアプローチが実装されていることです。その手順を実演するのは、私の研究室の大学院生であるMarisa LooとKerstyn Hallです。この手順を開始するには、被験者のCTスキャンと人体測定を行います。この後、テキストプロトコルに概説されているように、参加者の体に14mmの反射マーカーを配置します。参加者の太ももとシャンクに4つのマーカークラスターが付いた半硬質プラスチックプレートを置きます。モーションキャプチャープログラムに被験者の情報を入力した後、キャリブレーションされた部屋の中央に足を肩幅に開いて動かないように立ってもらいます。次に、すべての反射マーカーがカメラに十分に露出するように、上肢を横方向に伸ばすように依頼します。メインプログラムウィンドウで、ツールペインを開き、サブジェクト準備タブをクリックします。[Subject capture] セクションで、[Start] をクリックして、静的キャリブレーション試行となる 3 秒間のモーション試行を記録します。機能的な股関節の中心を決定するには、参加者に片方の足で立ち、もう一方の足を少し前に完全に伸ばすように依頼します。伸ばした脚を股関節の周りで前方に動かし、ニュートラルに戻るように参加者に指示します。前方に横方向に移動し、ニュートラルに戻ります。そして横方向にニュートラルに戻ります。この後、参加者に同じ脚を股関節の周りを横方向に動かしてもらい、ニュートラルに戻します。後方に、中立に戻ります。そして、迂回運動をします。メインプログラムウィンドウで、ツールペインを開き、キャプチャタブをクリックしてから、キャプチャセクションで開始をクリックして、各機能的な股関節モーションのモーショントライアルを記録します。機能的な膝関節の中心を決定するには、参加者に片方の足で立って、もう一方の脚の股関節過伸展を 30 度維持するように依頼します。次に、体重がかかっていない脚で45度の膝の屈曲を行うように参加者に指示します。これを5回繰り返してもらいます。ツール ウィンドウのキャプチャ セクションで、[開始] をクリックして、機能的な膝の動きごとにモーション トライアルを記録します。高さ調整された木製のボックスを、ゴムマットで覆われた床の領域に置き、フォースプレートの端から約11cm離れていることを確認します。次に、参加者にボックスの上に立ってもらいます。利き足をボックスの真正面に伸ばし、体重を前方に移動してボックスから降りるように参加者に指示します。参加者の両方の脚が同時に地面に着地し、各足が別々のフォースプレートにぶつかり、試行のモーションキャプチャが完了するまで参加者に立ったままになるように依頼します。モーションキャプチャを3回繰り返して、高さごとに3つのモーショントライアルを収集します。まず、モーションキャプチャソフトウェアプログラムを開きます。メインウィンドウで、通信ペインに移動し、データ管理タブをクリックして、記録されたモーショントライアルの1つを選択します。プログラムで試用版データを開きます。ツール ウィンドウで、パイプライン タブをクリックします。現在のパイプラインリストから再構築パイプラインを選択し、実行ボタンをクリックして再構築プロセスを開始し、反射マーカーの3次元軌道を取得します。ツールペインに移動してラベル編集タブをクリックし、手動ラベリングセクションで個々のマーカー名を選択し、対応する3D軌道にラベルを付けます。ラベル付けが完了したら、ツールバーの保存ボタンをクリックします。下半身の骨格モデルの作成を開始するには、人体モデリングプラグインがインストールされているマルチボディダイナミックシミュレーションソフトウェアプログラムを開きます。スプラッシュ画面で、新しいモデルアイコンをダブルクリックしてモデル構築コントロールパネルを開き、メインモデリングパネルの人体測定データベースライブラリセクションで、ドロップダウンリストから一般的なボディを選択し、体重、身長、性別、年齢を指定します。メインモデリングパネルのボディ構成セクションで、下半身のラジオボタンをクリックし、ユニットドロップダウンリストでmm、kg、Newtonを選択します。「ボディ測定テーブルを作成」セクションの「適用」ボタンをクリックして、ボディ測定を受け入れます。[Create Human Segment] セクションの [Apply] ボタンを続けてクリックし、下半身の骨格ベース モデルを作成します。下半身ジョイントのモデリングを開始するには、メインモデリングパネルのメインメニュードロップダウンリストを開き、ジョイントを選択してジョイント設定パネルを開きます。ジョイント設定パネルのジョイント回転要素セクションで、録音ジョイントを使用したモデルの準備の横にあるボタンをクリックします。スプリングダンパーとジョイント制限のプロパティセクションで、ここに示すように、公称ジョイント剛性、公称ジョイント減衰、およびジョイントストップ剛性のパラメータを入力します。対応するラジオボタンをチェックして左脚と右脚を選択し続け、適用ボタンをクリックしてジョイント構成を受け入れます。この後、メインモデリングパネルでメインメニューのドロップダウンリストを開き、ワークフローを選択し、サブメニューのドロップダウンリストで歩行とキャリブレーションを選択し、関節中心データセクションで参加者の下半身関節中心ファイルを入力します。次に、ロードボタンをクリックしてデータをインポートし、ジョイントセンターの位置を変更し、[ロード静的トライアル]セクションで静的キャリブレーションモーションキャプチャトライアルを入力します。読み込みボタンをクリックしてファイルをインポートし、下半身の骨格モデルをパラメータ化します。骨格筋のモデリングを開始するには、メインモデリングパネルのメインメニュードロップダウンを開いて軟組織を選択し、その後、サブメニューのドロップダウンを開いてベース組織セットの作成を選択します。[muscle contract tile element] セクションで、[study model with recording muscle elements] をクリックします。次に、グローバル記録要素の筋肉のプロパティセクションで、更新された45筋肉セットに対応するラジオボタンをクリックし、ここに示すように筋肉プロパティのデフォルト設定を受け入れます。左脚と右脚のラジオボタンで筋肉の割り当てを確認し、適用ボタンをクリックして設定を受け入れます。この研究では、非侵襲的な方法を使用して、高衝撃活動中の脛骨の変形を決定します。前方ダイナミック シミュレーションの精度は、シミュレーションからの下半身の関節角度と、モーション キャプチャ データで測定された対応する関節角度を比較することで検証されます。これらの比較は、垂直線が衝撃の瞬間を表す3つの落下高さすべてで、足首の角度、膝の角度、および股関節の角度について完了します。このように、シミュレーションデータと実験データはほぼ一致しており、シミュレーション自体の精度が高いことが示されています。次に、統計解析ソフトウェアを使用して、実験とシミュレーションのジョイント角度の間の相互相関係数をゼロラグで計算します。脛骨幹中部の前内側領域のピークひずみは、被験者が 3 つの異なる高さから着地している間に記録されます。52cmの着地条件は、最大ピーク最大主ひずみ、ピーク最小主ひずみ、ピーク最大せん断ひずみを示しています。ピーク最大主ひずみも、液滴の高さが増加するにつれて増加することがわかります。開発後、この技術は、生物医学工学の分野の研究者が、アスリートや軍の訓練生の骨ストレス損傷のメカニズムを探求する道を開きました。

subject-specific-musculoskeletal-model-for-studying-bone-strain

Research

JoVE Journal

Bioengineering

バイオエンジニアリング（生体工学）

現在の研究では、ソフトバイオマテリアル（脳、肝臓、腱、脂肪等 ）の一軸動的機械的応答を得るために、結合実験、有限要素シミュレーション方法を規定します。なぜなら、試料の生じた多軸の実験結果は、生体材料の有限要素解析の反復最適化を介して刺激されたとき一軸真応力 - ひずみ挙動にレンダリングされたスプリット·ホプキンソン圧力棒の試験から得られ膨らみました。...

ソフトバイオマテリアルの高ひずみ速度機械的応答を評価するための結合実験、有限要素モデリング手法

このプロトコルでは大腿骨表面系統はデジタル画像相関法による破壊のテスト中に推定されます。メソッドの目新しさには、大腿骨表面、慎重に指定された照明、高速ビデオ キャプチャ、およびひずみの計算のためのデジタル画像相関解析にコントラストの高い確率スペックル...

破壊を使用してデジタル画像相関法を試験中に死体大腿骨皮質系統を推定する方法

このプロトコルでは、大腿骨の骨折は、癒しのマウスにおける軟骨内骨を分析するための標準化された安定化髄内ねじを用いた低侵襲骨接合法について説明します。...

癒しの標準化された生体力学的条件下でマウスの軟骨破壊を分析する低侵襲モデル

このプロトコルの目的は、全身力学を特徴付けるための機能解剖学的および生体力学的モデリングに使用できる、馬の現実的で全身の骨格モデルの作成方法を記述することです。...

コンピュータ断層撮影データを用いたリアルな全身3次元馬骨格モデルの構築

このプロトコルは、大容量のマイクロCTスキャン、カスタムメイドの圧縮ステージ、および高度な画像処理ツールを組み合わせることにより、近位ヒト大腿骨全体の骨微細構造の変形とその靭性の測定を可能にします。...

ヒト股関節の微細構造破壊機構のイメージング

げっ歯類の骨の機械的試験は、骨の骨折しやすさに関する情報を抽出するための貴重な方法です。適切な実践的理解を欠いていると、結果が過剰に解釈されたり、妥当性に欠けたりする可能性があります。このプロトコルは、機械的試験が正確に実施され、有効で機能的なデータを提供するためのガイドとして機能します。...

げっ歯類の骨の全骨曲げ試験を含む研究の設計、実施、および解釈に関する実践的な考慮事項

このプロトコルは、標準化された縫合糸拡張マウスモデルと3D視覚化方法を示し、引張力負荷下での縫合糸の機械生物学的変化と骨のリモデリングを研究します。...

縫合糸拡張マウスモデルにおける骨リモデリングのための3次元可視化技術

このプロトコルは、酷使誘発性腱炎の 生体内 モデルのために、ラットアキレス腱に定量化可能で制御された疲労損傷を誘発するために使用される試験システムを提示します。この手順は、ラットの足首を、カスタム記述のMATLABスクリプトで受動的な足首背屈を実行する関節アクチュエーターに固定することで構成されます。...

使いすぎ誘発性腱鞘炎の in vivo モデルのための受動的足関節背屈試験システム

本研究では、内固定・外固定を用いない荷重負荷条件下で骨代替材料の機械的および骨生成的性能を評価するために、ラット大腿半分節欠損モデルを確立しました。...

ラットにおける半節骨幹骨欠損モデル:荷重を支える領域における骨代替物の性能評価

このプロトコルでは、我々は技術がベースとなっている垂直方向に変位の記事のマイクロアクチュエータアレイの製作、そしてどのようにこの基盤技術は2次元と3次元の両方の文化の中でハイスループット機械的にダイナミックな細胞培養を実施するように変更することができますを示していますパラダイム。...

機械的にダイナミックな細胞培養のための微細加工プラットフォーム

学ぶ被験者固有筋骨格モデルと有限要素解析を用いた動的モーション中の脛骨歪み計測法。この非侵襲的手法は、運動時の骨強度と応力性骨折メカニズムの理解に貢献します。

サブジェクト固有筋骨格モデル動的モーションの間に骨の歪みを勉強のため

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