동적 동작 중 뼈 변형 연구 주제 관련 근 골격 계 모델

이 절차의 전반적인 목표는 뼈 변형 분석을 위한 주제별 근골격계 모델을 만드는 것입니다. 이 방법은 동적 모션 중 인간 뼈 변형을 정량화하는 것과 같은 생물 의학 공학 분야의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 역동적인 신체 활동 중 뼈의 강도를 연구하기 위해 비침습적 접근 방식이 구현된다는 것입니다.

이 절차를 시연하는 사람은 제 연구실의 대학원생인 Marisa Loo와 Kerstyn Hall입니다. 이 절차를 시작하려면 피험자에 대해 CT 스캔 및 인체 측정 측정을 수행합니다. 그런 다음 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 참가자의 몸에 14mm 반사 마커를 놓습니다.

4개의 마커 클러스터가 있는 반강성 플라스틱 플레이트를 참가자의 허벅지와 정강이에 놓습니다. 모션 캡쳐 프로그램에 피험자의 정보를 입력한 후, 보정된 방의 중앙에 발을 어깨 너비로 벌리고 움직이지 않고 서 있게 합니다. 그런 다음 모든 반사 마커가 카메라에 잘 노출되도록 상지를 측면으로 확장하도록 요청하십시오.

기본 프로그램 창에서 도구 창을 열고 주제 준비 탭을 클릭합니다. 피사체 캡처 섹션에서 시작을 클릭하여 정적 보정 시도가 될 3초 모션 시도를 녹화합니다. 기능적 고관절 중심을 결정하기 시작하려면 참가자에게 한쪽 다리로 서면서 다른 쪽 다리를 약간 앞으로 완전히 뻗도록 요청하십시오.

참가자에게 뻗은 다리를 고관절 주위로 앞쪽으로 움직이고 중립으로 돌아가도록 지시합니다. 앞쪽 측면으로 그리고 중립으로 돌아갑니다. 그런 다음 측면으로 중립으로 돌아갑니다.

그런 다음 참가자가 같은 다리를 고관절 주위로 후방 또는 측면으로 이동하고 중립으로 돌아갑니다. 후방으로 중립으로 돌아갑니다. 그런 다음 곡식 동작으로.

기본 프로그램 창에서 도구 창을 열고 캡처 탭을 클릭한 다음 캡처 섹션에서 시작을 클릭하여 각 기능적 엉덩이 동작에 대한 모션 트라이얼을 기록합니다. 기능적 무릎 관절 센터를 결정하기 시작하려면 참가자에게 다른 쪽 다리의 고관절 과신전을 30도 유지하면서 한쪽 다리로 서도록 요청하십시오. 다음으로, 참가자에게 체중을 지탱하지 않는 다리로 45도 무릎 굴곡을 수행하도록 지시합니다.

이것을 다섯 번 반복하게 하십시오. 도구 창의 캡처 섹션에서 시작을 클릭하여 각 기능적 무릎 동작에 대한 모션 시도를 기록합니다. 고무 매트로 덮인 바닥 영역에 높이 조절 목재 상자를 놓고 포스 플레이트의 가장자리에서 약 11cm 떨어져 있는지 확인합니다.

다음으로, 참가자에게 상자 위에 서도록 요청합니다. 참가자에게 상자 바로 앞에서 주로 사용하는 발을 뻗은 다음 체중을 앞으로 옮기고 상자에서 내리도록 지시합니다. 참가자의 두 다리는 각 발이 별도의 포스 플레이트에 부딪히면서 동시에 지면에 착지해야 하며, 참가자에게 시험의 모션 캡처가 완료될 때까지 서 있도록 요청합니다.

모션 캡처를 세 번 반복하여 각 높이에 대한 세 개의 모션 시도를 수집합니다. 먼저 모션 캡처 소프트웨어 프로그램을 엽니다. 메인 창에서 communications pane(통신 창)으로 이동하여 data management(데이터 관리) 탭을 클릭하고 기록된 모션 시도 중 하나를 선택합니다.

프로그램에서 평가판 데이터를 엽니다. 도구 창에서 파이프라인 탭을 클릭합니다. 현재 파이프라인 목록에서 재생성 파이프라인을 선택하고 실행 버튼을 클릭하여 재건 프로세스를 시작하고 반사 마커의 3차원 궤적을 얻습니다.

도구 창으로 이동하여 레이블 편집 탭을 클릭하고 수동 레이블 지정 섹션에서 개별 마커 이름을 선택하고 해당 3D 궤적에 레이블을 지정합니다. 레이블 지정이 완료되면 도구 모음에서 저장 버튼을 클릭합니다. 하체 골격 모델을 만들려면 인체 모델링 플러그인이 설치된 다물체 역학 시뮬레이션 소프트웨어 프로그램을 엽니다.

시작 화면에서 새 모델 아이콘을 두 번 클릭하여 모델 건물 제어판을 열고, 기본 모델링 패널의 인체 측정 데이터베이스 라이브러리 섹션에서 드롭다운 목록에서 일반 본체를 선택하고, 신체 질량, 신체 높이, 성별 및 연령을 지정합니다. 메인 모델링 패널의 본체 구성 섹션에서 하단 본체 라디오 버튼을 클릭하고 단위 드롭다운 목록에서 mm, kg, Newton을 선택합니다. Create Body Measurement Table 섹션에서 Apply(적용) 버튼을 클릭하여 Body Measurements를 적용합니다. Create human segment 섹션에서 Apply 버튼을 계속 클릭하여 하체 골격 기본 모델을 만듭니다.

하체 조인트 모델링을 시작하려면 메인 모델링 패널에서 메인 메뉴 드롭다운 리스트를 열고 조인트를 선택하여 조인트 구성 패널을 엽니다. joint configuration panel의 joint rotation element 섹션에서 prepare model with recording joints 옆에 있는 버튼을 클릭합니다. Spring Dampers and Joint limits Properties(스프링 댐퍼 및 조인트 한계 속성) 섹션에서 여기에 표시된 대로 공칭 조인트 강성(Nominal Joint Stiffness), 공칭 조인트 댐핑(Nominal Joint Damping) 및 조인트 정지 강성(Joint Stop Stiffness)에 대한 매개변수를 입력합니다.

해당 라디오 버튼을 확인하여 왼쪽 다리와 오른쪽 다리를 계속 선택하고 적용 버튼을 클릭하여 관절 구성을 수락합니다. 그런 다음 메인 모델링 패널에서 메인 메뉴 드롭다운 목록을 열고 워크플로를 선택하고, 하위 메뉴 드롭다운 목록에서 보행 및 보정을 선택하고, 관절 중심 데이터 섹션에서 참가자 하체 관절 중심 파일을 입력합니다. 그런 다음 로드 버튼을 클릭하여 데이터를 가져오고 조인트 센터의 위치를 수정하고 부하 정적 시도 섹션에서 정적 보정 모션 캡처 시도를 입력합니다.

load 버튼을 클릭하여 파일을 가져오고 하부 본체 골격 모델을 매개변수화합니다. 골격근 모델링을 시작하려면 메인 모델링 패널에서 메인 메뉴 드롭다운을 열고 연조직을 선택한 다음 하위 메뉴 드롭다운을 열고 기본 조직 세트 만들기를 선택합니다. muscle contract tile element 섹션에서 prepare model with recording muscle elements(근육 요소를 기록하는 모델 준비)를 클릭합니다.

다음으로, global recording element muscle properties 섹션에서 updated 45 muscle set에 해당하는 라디오 버튼을 클릭한 다음 여기에 표시된 대로 muscle properties에 대한 기본 설정을 수락합니다. 왼쪽 다리에 대한 라디오 버튼과 근육 할당에 대한 오른쪽 다리를 확인한 다음 적용 버튼을 클릭하여 구성을 수락합니다. 이 연구에서는 비침습적 방법을 사용하여 고충격 활동 중 경골 변형을 결정합니다.

순방향 역학 시뮬레이션의 정확도는 시뮬레이션의 하체 관절 각도를 모션 캡처 데이터에 대해 측정된 해당 관절 각도와 비교하여 검증됩니다. 이러한 비교는 세 가지 드롭 높이 모두에서 발목 각도, 무릎 각도 및 엉덩이 각도에 대해 완료되며, 수직선은 임팩트 순간을 나타냅니다. 보시다시피 시뮬레이션과 실험 데이터는 대체로 일치하여 시뮬레이션 자체의 정확도가 높다는 것을 보여줍니다.

그런 다음 통계 분석 소프트웨어를 사용하여 지연이 0인 상태에서 실험 각도와 시뮬레이션 조인트 각도 간의 교차 상관 계수를 계산합니다. 중간 경골 샤프트의 전방 내측 영역에서 최대 변형이 기록되는 동안 피험자는 세 가지 다른 높이에서 착지합니다. 52cm 착륙 조건은 가장 큰 피크 최대 주응력, 피크 최소 주응력 및 피크 최대 전단 변형률을 보여줍니다.

최대 최대 주 변형률은 드롭 높이가 증가함에 따라 증가하는 것으로 보입니다. 개발 후 이 기술은 생물 의학 공학 분야의 연구자들이 운동 선수와 군사 훈련생의 뼈 스트레스 손상 메커니즘을 탐구할 수 있는 길을 열었습니다.