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

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。