Name: 동적 동작 중 뼈 변형 연구 주제 관련 근 골격 계 모델 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-11T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 32 s
Description: 학습하세요 동적 동작 중 뼈 변형을 측정하는 근골격 계 모델링 및 유한요소해석 기법을 활용한 비침습적 방법입니다. 이 기술은 뼈 스트레스 손상 메커니즘 연구에 활용됩니다.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

부의는 육군 #W81XWH-08-1-0587, #W81XWH-15-1-0006; 공 주립 대학 2010 ASPiRE 그랜트입니다.

<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>
<li>Zadpoor, A., Nikooyan, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+relationship+between+lower-extremity+stress+fractures+and+the+ground+reaction+force%3A+A+systematic+review%5BTitle%5D)+AND+%22Clin+Biomech%22%5BJournal%5D)">The relationship between lower-extremity stress fractures and the ground reaction force: A systematic review.</a> Clin Biomech. 26, 23-28 (2011).</li>
<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>
<li>Bennell, K., Grimston, S. Risk factors for developing stress fractures. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBennell%2C+K+%22Musculoskeletal+fatigue+and+stress+fractures%22">Musculoskeletal fatigue and stress fractures</a>. Burr, D., Milgrom, C. , CRC Press. New York. 15-33 (2001).</li>
<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>
<li>Jones, B. H., Knapik, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Physical+training+and+exercise-related+injuries%2C+surveillance%2C+research+and+injury+prevention+in+military+populations%5BTitle%5D)+AND+%22Sports+Med%22%5BJournal%5D)">Physical training and exercise-related injuries, surveillance, research and injury prevention in military populations.</a> Sports Med. 27, 111-125 (1999).</li>
<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>
<li>Dong, X. N., Guo, X. E. <a target="_blank" href="http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.467.4983&rep=rep1&type=pdf">The dependence of transversely isotropic elasticity of human femoral cortical bone on porosity.</a> J Biomech. 37, 1281-1287 (2004).</li>
<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>
<li>Lifemodeler, I. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLifemodeler%2C+I+%22Lifemod+Manual%22">Lifemod Manual</a>. , Lifemodeler Inc. San Clemente, CA. (2010).</li>
</ol>

저자 들은 아무 경쟁 금융 관심사 선언 합니다.

이 연구의 목적은 높은 충격 활동 시 경골 변형 결정 하는 비-침략 적 방법을 개발 했다. 영향 로딩으로 인해 경골 스트레인 측정은 경골 스트레스 골절의 더 나은 이해 이어질 것입니다. 이 연구에서는 주제 특정 근 골격 모델 개발 되었다, 그리고 컴퓨터 시뮬레이션 복제 드롭 상륙 움직임 실험실 설정에서 수행을 실행 했다. Tibial 스트레인에 드롭 상륙 높이의 효과 시험 되었다. 이 연구에서 관찰 하는 드롭 상륙으로 높이 증가, 피크 최대 주 종자 않았다. 또한, 3 개의 상륙 조건 중 52 cm 조건 결과 가장 높은 피크 최대 주, 최소 교장, 및 최대 전단 긴장.
데이터 제한 vivo에서 경골 긴장에 드롭 상륙의 효과 관해서는 문학에서 사용할 수 있습니다. Milgrom 외., 보고 (26, 39, 52 cm) 3 개의 다른 고도에서 착륙 중 896 1,007 µstrain에서 배열 최대 주 스트레인14</su...

스트레스 골절 등 뼈 스트레스 상해는 심각한 남용 부상 복구의 장기간을 요구 하 고 의료 비용1,2들이지. 스트레스 골절은 일반적인 체육과 군사 인구에 둘 다. 모든 스포츠 가운데 부상, 총3의 10%에 대 한 스트레스 골절 계정 관련. 특히, 선수 얼굴 204에 더 높은 부상 속도 추적 합니다. 군인도 스트레스 골절의 높은 속도 경험. 예를 들어, 6% 부상 속도 미 육군1 에 대 한 보고 했다 고 31% 부상 율5이스라엘 육군 보고 되었다. 모든 보고 스트레스 골절, 중 경골 스트레스 골절은 가장 일반적인 하나의6,,78.
스포츠와 체육 교육 경골 스트레스 골절의 위험이 높은 높은 영향 (예:, 점프, 방문, 그리고 절단)와 일반적으로 연결 됩니다. 운동, 동안 지상 충격 힘 발 땅에 연결 하는 경우 본문에 적용 됩니다. 이 충격 힘 musculoskeletal 시스템 및 신발에 의해 방출. 골격 시스템 일련 근육9지상 충격 흡수 하는 힘을 적용할 수 있도록 하는 레버의 역할을 합니다. 다리 근육 적절 하 게 접지 영향을 줄일 수 없을 때 낮은 몸 뼈 잔여 힘을 흡수 해야 합니다. 뼈 구조는 변형이 과정을 경험할 것 이다. 잔여 충격 힘의 반복 흡수는 뼈에 축적 되며 스트레스 골절 되는 microdamages에서 발생할 수 있습니다. 날짜 하려면, 뼈에 관련 된 정보 외부 지상군 영향에 반응 제한 됩니다. 그것은 경골 뼈 동적 움직임 동안 높은 충격 힘에 의해 도입 된 기계 부하에 응답 하는 방법을 연구 해야 합니다. 높은 충격 활동 시 경골 뼈 변형 검사 경골 스트레스 골절의 메커니즘의 이해 될 수 있습니다.
뼈 변형에서 vivo에서 측정 하는 데 사용 하는 기존의 기법 계측된 스트레인 게이지10,11,12,13,,1415에 의존 합니다. 수술 절차는 뼈 표면에 스트레인 게이지를 임 플 란 트 필요 합니다. 침략 적 특성상 비보에 연구 자원 봉사자의 작은 샘플에 의해 제한 됩니다. 또한, 스트레인 게이지만 뼈 표면의 작은 영역을 모니터링할 수 있습니다. 최근, 뼈 변형 분석 컴퓨터 시뮬레이션을 활용 하 여 비-침략 적 방법 도입된16,17이었다. 이 방법론 musculoskeletal 모델링 및 전산 시뮬레이션을 결합 하는 기능에 대 한 인간의 움직임 동안 뼈 변형 연구 수 있습니다.
근육 골격 모델 골격 근육과 골격으로 표시 됩니다. 엄밀한 또는 비 변형 시체는 뼈 세그먼트는 해골에 의하여 이루어져 있다. 골격 근육은 진보-적분-미분 (PID) 알고리즘을 사용 하 여 컨트롤러도 모델링 됩니다. 3 용어 PID 제어 추정에서 오류를 사용 하 여 출력 정확도18개선. 본질적으로, 근육을 대표 하는 PID 컨트롤러 시간이 지남에 근육의 길이 변화를 생산 하기 위해 필요한 힘을 개발 하 여 신체의 움직임을 복제 하려고 합니다. PID 컨트롤러 길이/시간 곡선에서 오류를 사용 하 여 수정 하는 움직임을 재현 하는 힘. 이 시뮬레이션 과정 모든 근육 골격을 이동 하 고 몸 움직임을 생성 하기 위하여 협력을 조정 가능한 솔루션을 만듭니다.
근육 골격 모델의 골격에 하나 이상의 세그먼트 변형 측정 수 있도록 유연한 몸으로 모델링 될 수 있습니다. 예를 들어, 경골 뼈 수 분해 요소 및 노드 구성 된 유한 요소, 수로. 유연한 경골에 기계적 부하의 효과 유한 요소 (FE) 분석을 통해 시험 될 수 있다. FE 분석 시간에 대 한 개별 요소의 로드 응답을 계산합니다. 뼈 요소와 노드 증가 수로 FE 분석의 계산 시간이 크게 증가 합니다.
유연한 신체 변형의 정확한 평가와 전산 비용을 줄이기 위해, 모달 FE 분석 개발 되어과 자동차 및 우주 항공 산업19,20에서 사용. 시간 영역에서 기계적 부하에 대 한 개별 FE 요소 응답을 분석 하는 대신이 절차는 개체의 기계적 응답 주파수 영역에서 다른 진동 주파수에 따라 평가 합니다. 이 방법을 변형20의 정확한 측정을 제공 하는 동안 계산 시간이 크게 감소 결과. 이 방법의 응용 프로그램 매우 제한 되어 있지만 모달 FE 분석 자동차 및 우주 항공 분야에서 기계적 피로 공부를 널리 이용 되는, 인간 운동 과학에. 알 Nazer 그 외 여러분, 인간의 보 행 중 tibial 변형 검사 모달 FE 분석을 사용 하 고 격려 결과16,17보고. 그러나, 그들의 방법은 크게 영향을 받았습니다만 컴퓨터 시뮬레이션; 운전 하는 실험에서 제한 운동학 적 데이터를 사용 하 여 아니 진짜 있었다 지상 영향 세력 시뮬레이션을 지 원하는 데 사용. 이 방법은 낮은 충격 슬로우 모션, 같은 공부에 대 한 합리적인 수도 있지만 높은 영향 움직임을 공부 하는 가능한 솔루션은 아닙니다. 따라서, 동적 높은 충격 활동 중 낮은 몸 뼈 반응을 시험 하기 위하여 이전에 보고 된 메서드와 관련 된 제한 사항을 해결 하기 위해 혁신적인 접근 방법을 개발이 필수적입니다. 특히, 정확한 실험 운동학 적 데이터와 실제 활용 방법 영향 지상군을 개발 해야 합니다. 따라서,이 연구의 목표는 주제 관련 골격 모델 tibial 스트레인 높은 충격 활동 동안 조사 모달 FE 분석 multibody 동적 시뮬레이션 수행을 개발 했다. 서로 다른 높이에서 드롭 착륙 나타내는 동적 높은 충격 운동 테스트 선정 됐다.

<table><tbody><tr><td>CT 스캐너</td><td>GE 의료 시스템</td><td>N/A</td><td>광속 VCT. 경골 CT 스캔을 수행합니다.</td></tr><tr><td>모션 캡처 시스템</td><td>Vicon Inc</td><td>N/A</td><td>Vicon FX40 고속 카메라. 3D 모션 캡처를 수행하는 데 사용됩니다.</td></tr><tr><td>포스 플레이트</td><td>AMTI Inc</td><td>N/A</td><td>3D 지상 반력 수집</td></tr><tr><td>Vicon Nexus</td><td>Vicon Inc</td><td>N/A</td><td>모션 캡처 소프트웨어 프로그램. 시각적 마커 궤적 데이터를 처리하는 데 사용됩니다.</td></tr><tr><td>Visual 3D</td><td>C-Motion Inc</td><td>N/A</td><td>생체 역학 분석 소프트웨어. 3D 운동학 및 인간 움직임의 운동학을 계산합니다.</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>Mathworks Inc</td><td>해당 사항 없음</td><td>컴퓨터 프로그래밍 소프트웨어. 원시 데이터 필터링, 데이터 변환 및 데이터 처리를 수행합니다.</td></tr><tr><td>ADAMS 2012</td><td>MSC Software Inc</td><td>N/A</td><td>멀티바디 동적 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램.</td></tr><tr><td>LifeMOD</td><td>Lifemodeler Inc</td><td>N/A</td><td>ADAMS의 소프트웨어 플러그인. 인체 근골격 모델을 구축하기 위해.</td></tr><tr><td>MIMICS 13</td><td>Materialise Inc</td><td>N/A</td><td>이미지 처리 프로그램. 이미징 데이터를 처리하는 3D 모델링 도구입니다. CT 스캔에서 3D 경골 모델을 만듭니다.</td></tr><tr><td>MARC 2012</td><td>MSC Software Inc</td><td>N/A</td><td>유한 요소 해석 소프트웨어. 볼럼 메싱을 수행하고, 경골 FE 모델을 생성하고, 모달 FE 해석을 실행합니다.</td></tr><tr><td>SPSS 19</td><td>IBM Inc</td><td>N/A</td><td>통계 분석 소프트웨어.</td></tr></tbody></table>

동적 동작 중 뼈 변형 연구 주제 관련 근 골격 계 모델

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

뼈 스트레스 부상 스포츠 및 군사 교육에 일반적입니다. 반복적인 큰 영향 지상군 훈련 기간 동안 원인이 될 수 있습니다. 높은 지상 영향의 효과 낮은 몸 뼈 변형에 뼈 스트레스 부상의 메커니즘 이해 세력을 결정 필수적 이다. 기존의 스트레인 게이지 측정은 경골 변형 vivo에서 공부에 사용 되었습니다. 이 메서드는 프로시저의 침입, 참여의 몇 가지 인체, 그리고 작은 뼈 표면 영역에서 제한 된 스트레인 데이터를 포함 하 여 제한과 관련. 현재 연구는 경골 뼈 스트레인 높은 영향 로드 조건에서 공부 하는 새로운 접근 방식을 소개 하고자 합니다. 주제-특정 근육 골격 모델 건강 한 남성 (19 년, 80 kg, 1800 m m)를 표현 하기 위해 만들어졌습니다. 유연한 유한 요소 경골 모델의 오른쪽 경골의 컴퓨터 단층 촬영 (CT) 스캔에 따라 만들었습니다. 실험실 모션 캡처 (26, 39, 52 cm) 서로 다른 높이에서 드롭 상륙의 운동학 및 지상 반응 힘을 얻기 위해 수행 되었습니다. 유연한 경골의 모달 분석 함께 multibody 동적 컴퓨터 시뮬레이션 드롭 착륙 중 경골 긴장 척도를 수행 했다. 계산 된 경골 스트레인 데이터 이전 vivo에서 연구와 좋은 계약에 있었다. 그것은 분명이 비-침략 적 접근 경골 스트레스 골절의 부상 메커니즘의 더 나은 이해로 이어질 것입니다 큰 동료에 대 한 높은 충격 활동 중 경골 뼈 변형 연구에 적용할 수 있습니다.

건강 한 백인 남성 (19 년, 높이 1800 m m, 질량 80 kg) 연구를 위한 자원. 데이터 수집, 이전 주제 검토 하 고 연구에 참여 하기 전에 대학 기관 검토 위원회에 의해 승인 하는 동의서 서명 했다. 헬싱키 선언에 따라 실험 실시 했다. 실험은 다음 프로토콜에 따라 수행 되었다.
앞으로 동적 시뮬레이션의 정확도 확인, 시뮬레이션에서 낮은 몸 관절 각도 측정 역학 분석 프로그램에서 처리 하는 모션 캡처 데이터에서 해당 공동 각도 비교 되었다. 통계 분석 소프트웨어 비교의 교차 상관 계수를 계산 하기 위해 사용 되었다. 간 상관 관계 계산 양수 및 음수 방향에 10 저하를 허용. 각 지연 대응 한 시간 앞으로 동적 시뮬레이션 단계 (0.01 s). 최대 교차 상관 계수 확인 되었다.
<p class="jove_content" fo:keep-tog...

방문, 하는 동안 낮은 몸 뼈 큰 기계적 부하를 경험 하 고 변형 됩니다. 뼈 변형 영향을 연관 뼈 스트레스 부상의 메커니즘을 이해 하기를 측정 하는 필수적 이다. 새로운 접근 방식은 통합 주제 관련 musculoskeletal 모델링 및 유한 요소 해석 시 동적 tibial 스트레인을 측정 하는 데 사용 됩니다.

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

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.

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

Research

연구

JoVE Journal

Bioengineering

생명공학

동적 운동 중 뼈 변형을 연구하기 위한 주제별 근골격계 모델

현재의 연구는 생체 재료 소프트 (뇌, 간, 건, 지방 등)의 축 동적 기계적 응답을 얻기 위해 결합 실험 - 유한 요소 시뮬레이션 방법을 규정하고있다. 때문에 표본의 발생 다축 실험 결과는 생체 재료의 유한 요소 해석의 반복 최적화를 통해 시뮬레이션 할 때 단축 진 응력 - 변형 동작으로 렌더링 된 분할 홉 킨슨 압력 바 시험에서 얻은 돌출.

소프트 생체 재료의 높은 변형 속도 기계 응답을 평가하기위한 결합 실험 - 유한 요소 모델링 방법론

이 프로토콜에서 대 퇴 골 표면 긴장 골절 디지털 이미지 상호 관계 기술을 사용 하 여 테스트 하는 동안에 견적 된다. 방법의 참신 대 퇴 골 표면, 신중 하 게 지정 된 조명, 고속 비디오 캡처 및 스트레인 계산에 대 한 디지털 이미지 상호 관계 분석에 높은 대비 확률적 얼룩 패턴의 응용 프로그램을 포함 한다.

방법 골절 디지털 이미지 상관 관계를 사용 하 여 테스트 하는 동안 싱가포르로 대 퇴 골 피 질 긴장을 예상

이 프로토콜 분석 endochondral 뼈 쥐에서 치유 하는 데 사용할 수 있습니다 대 퇴 골 골절의 표준화 된 안정화를 위한 intramedullary 나사를 사용 하 여 최소 침 습 osteosynthesis 기술을 설명 합니다.

Endochondral 골절 표준화 된 Biomechanical 조건 하에서 쥐에서 치유를 분석 하는 최소 침 습 모델

이 프로토콜의 목적은 전신 역학을 특성화하기 위해 기능적 해부학 및 생체 역학 모델링에 사용할 수있는 말의 현실적, 전신, 골격 모델의 생성 방법을 설명하는 것입니다.

컴퓨터 단층 촬영 데이터를 사용하여 현실적이고 전신, 입체 말 골격 모델 구축

이 프로토콜은 대용량 마이크로 CT 스캔, 맞춤형 압축 단계 및 고급 이미지 처리 도구를 결합하여 전체 근위 인간 대퇴골의 뼈 미세 구조 변형과 인성을 측정할 수 있습니다.

인간 고관절의 미세구조 실패 메커니즘 이미징

설치류 뼈의 기계적 검사는 뼈의 골절 민감도에 관한 정보를 추출하는 데 유용한 방법입니다. 적절한 실제적 이해가 부족하면 결과가 과도하게 해석되거나 타당성이 부족할 수 있습니다. 이 프로토콜은 유효하고 기능적인 데이터를 제공하기 위해 기계적 테스트가 정확하게 수행되도록 하는 가이드 역할을 합니다.

설치류 뼈의 전체 뼈 굽힘 시험과 관련된 연구의 설계, 실행 및 해석에 대한 실용적인 고려 사항

이 프로토콜은 인장력 하중 하에서 봉합사 및 뼈 리모델링의 기계적 생물학적 변화를 연구하기 위해 표준화된 봉합사 확장 마우스 모델과 3D 시각화 방법을 제시합니다.

봉합사 확장 마우스 모델의 뼈 리모델링을 위한 3D 시각화 기법

이 프로토콜은 남용 유발 건병증의 생체 내 모델에 대해 쥐 아킬레스건에서 정량화 가능하고 통제된 피로 부상을 유도하는 데 사용되는 테스트 시스템을 제시합니다. 이 절차는 쥐의 발목을 관절 액추에이터에 고정하는 것으로 구성되며, 이 액추에이터는 맞춤형으로 작성된 MATLAB 스크립트로 수동 발목 배측굴곡을 수행합니다.

과사용 유발 건병증의 In Vivo 모델을 위한 수동 발목 배굴곡 검사 시스템

이 연구는 내고정 또는 외부 고정 없이 하중 지지 조건에서 뼈 대체 재료의 기계적 및 골형성적 성능을 평가하기 위해 쥐 대퇴골 반분절 결손 모델을 구축하였습니다.

하중 지지 부위에서 뼈 대체 성능 평가를 위한 쥐의 반분절 골단골 결손 모델

이 프로토콜에서는, 우리는 기술의 기반이되는 수직 전이 게시물의 마이크로 액추에이터 어레이의 제조 방법 및이 기본 기술이 모두 2 차원 입체 문화에 높은 처리량 기계 역동적인 세포 배양을 실시하도록 수정할 수 있습니다을 증명 패러다임.

기계 다이나믹 셀 문화 Microfabricated 플랫폼

학습하세요 동적 동작 중 뼈 변형을 측정하는 근골격 계 모델링 및 유한요소해석 기법을 활용한 비침습적 방법입니다. 이 기술은 뼈 스트레스 손상 메커니즘 연구에 활용됩니다.

동적 동작 중 뼈 변형 연구 주제 관련 근 골격 계 모델

더 많은 동영상 탐색