Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Onderwerp-specifieke Musculoskeletal Model voor het bestuderen van bot-stam tijdens dynamische beweging

9.8K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/56759

⸱

11 april 2018

 , 
1School of Kinesiology, Ball State University, 2Life Fitness Inc.

In dit artikel

Samenvatting

Tijdens de landing, lager lichaam botten Ervaar grote mechanische belastingen en zijn vervormd. Het is essentieel voor het meten van de vervorming van het bot voor een beter begrip van de mechanismen van beenverwondingen stress effecten zijn gekoppeld. Een nieuwe aanpak onderwerp-specifieke spier-en modellering en eindige elementen analyse wordt gebruikt om te meten tibiale stam tijdens dynamische bewegingen.

Samenvatting

Bot spanningsverwondingen zijn gebruikelijk in sport- en militaire trainingen. Repetitieve grote grond botskrachten tijdens de training zou de oorzaak kunnen zijn. Het is essentieel om het effect van hoge grond effect krachten op lagere-lichaam bot vervorming om de mechanismen van beenverwondingen stress beter te begrijpen. Conventionele spanningsmeter meting is gebruikt om te studeren in vivo de vervorming van de tibia. Deze methode wordt geassocieerd met beperkingen, met inbegrip van invasiviteit van de procedure, de betrokkenheid van enkele menselijke proefpersonen, en de stam van de beperkte gegevens uit kleine bot oppervlakten. De huidige studie is van plan om een nieuwe benadering om te bestuderen van de tibia bot stam onder hoge impact belastingstoestanden. Een onderwerp-specifieke musculoskeletal model is gemaakt om aan te geven een gezonde man (19 jaar, 80 kg, 1.800 mm). Een flexibele eindige elementen tibia model werd gemaakt op basis van een computertomografie (CT) scan van de certificaathouder juiste tibia. Laboratorium motion-video vastleggen werd uitgevoerd om het verkrijgen van kinematica en grond reactiekrachten van drop-aanvoer uit verschillende hoogtes (26, 39, 52 cm). Multibody dynamische computersimulaties, gecombineerd met een modale analyse van de flexibele tibia werden uitgevoerd om te kwantificeren van tibia stam tijdens drop-aanvoer. Berekende tibia stam gegevens waren in goede overeenkomst met vorige in vivo studies. Het is duidelijk dat deze niet-invasieve benadering kan worden toegepast om te bestuderen van tibia bot stam tijdens hoge impact activiteiten voor een grote cohort, die leiden zal tot een beter begrip van letsel mechanisme van tibia stress fracturen.

Inleiding

Stress beenverwondingen, zoals stress fracturen, zijn ernstige overmatig gebruik verwondingen vereisen lange perioden van herstel en het ontstaan van belangrijke medische kosten1,2. Stress fracturen komen vaak beide in atletische en militaire populaties. Onder alle verwante sportblessures, stress fracturen goed voor 10% van de totale3. In het bijzonder track atleten worden geconfronteerd met een hoger percentage van de schade in 20%4. Soldaten ervaring ook een hoge mate van stress fracturen. Bijvoorbeeld, een tarief van 6% schade werd gemeld voor de US Army1 en een tarief van 31% schade werd gemeld in het Israëlische leger-5. Onder alle gerapporteerde stress fracturen is stressfractuur van de tibia de meest voorkomende één6,7,8.

Sport en fysieke trainingen met een hoger risico van stress fractuur van de tibia worden gewoonlijk geassocieerd met hoge grond effecten (bijvoorbeeld, springen, landing en snijden). Tijdens de motoriek, wordt een grond effect kracht toegepast op het lichaam wanneer de voet contact maakt met de grond. De kracht van dit effect is verdwenen door de houdings-en bewegingsapparaat en schoeisel. Het skelet fungeert als een reeks van hefbomen waardoor spieren toe te passen krachten op te vangen van de grond effect9. Wanneer de beenspieren kunnen niet voldoende de vermindering van de impact van de grond, moeten lager-lichaam botten absorberen de residuele werking. Botstructuur beleeft vervorming tijdens dit proces. Repetitieve absorptie van residuele effect kracht kan resulteren in microdamages in het bot, die zal zich ophopen en stress fracturen worden. Tot op heden, informatie met betrekking tot bot is reactie op externe grondtroepen van de gevolgen beperkt. Het is belangrijk om te bestuderen hoe de tibia bot reageert met de mechanische belasting geïntroduceerd door hoge botskrachten tijdens dynamische bewegingen. Behandeling van tibia bot vervorming tijdens hoge impact activiteiten kan leiden tot een beter begrip van het mechanisme van stress fractuur van de tibia.

Conventionele technieken die worden gebruikt voor het meten van bone vervorming in vivo is afhankelijk van geïnstrumenteerde spanningsmeters10,11,12,13,14,15. Chirurgische ingrepen zijn nodig om het implantaat rekstrookjes op bot oppervlak. Het invasieve karakter, zijn in vivo studies beperkt door een kleine steekproef van vrijwilligers. De spanningsmeter Activiteitenweergave daarnaast alleen een kleine regio van het oppervlak van bot. Een niet-invasieve methode met behulp van computersimulatie voor het analyseren van bot-stam was onlangs geïntroduceerde16,17. Deze methode zorgt voor de mogelijkheid om musculoskeletal modellering en computationele simulaties te combineren om te studeren bot stam tijdens Bewegingswetenschappen.

Een spier-en model wordt vertegenwoordigd door een skelet en debeenderspieren. Het skelet bestaat uit bot segmenten, die stijf of niet-vervormbare organen. Skeletspieren worden gemodelleerd als domeincontrollers met behulp van het progressief-integraal-afgeleide (PID) algoritme. Het drie-termijn PID besturingselement gebruikt fouten in de schatting voor verbeteren van de uitgang nauwkeurigheid18. In wezen, proberen PID-controllers die spieren te dupliceren van de bewegingen van het lichaam door het ontwikkelen van de nodige krachten tot wijzigingen van de lengte van de spieren na verloop van tijd. De PID-regelaar gebruikt de fout in de lengte/tijd-curve om te wijzigen de kracht om het verkeer te reproduceren. Deze simulatie proces zorgt voor een haalbare oplossing voor het coördineren van alle spieren om samen te werken om te verplaatsen van het skelet en de lichaamsbeweging produceren.

Een of meer segmenten in het skelet van de spier-en model kunnen worden gemodelleerd als flexibele organen om meting van vervorming. Bijvoorbeeld, kan de tibia bot worden uitgesplitst in een eindig aantal elementen, die uit duizenden onderdelen en knooppunten bestaat. Het effect van mechanische belasting op de flexibele tibia kan worden onderzocht door middel van eindige elementen (FE) analyse. De FE analyse berekent de reactie van de laden van afzonderlijke elementen na verloop van tijd. Als het aantal elementen en knooppunten verhoging van de bot, zal de rekentijd van de FE analyse aanzienlijk toenemen.

Verklein de computationele kosten met nauwkeurige evaluatie van flexibele organen vervorming en heeft modale FE analyse ontwikkeld en gebruikt binnen de automotive en aerospace industrie19,20. In plaats van afzonderlijke FE elementen reacties op mechanische belasting in het tijdsdomein analyseren, beoordeelt deze procedure mechanische reacties van een object op basis van verschillende vibrationele frequenties in het frequentiedomein. Deze methode resulteert in een significante vermindering van rekentijd terwijl het verstrekken van nauwkeurige meting van vervorming20. Hoewel modale FE analyse wijd verbeid gebruikt is om te studeren van mechanische vermoeidheid in automotive en aerospace gebieden, de toepassing van deze methode is zeer beperkt gebleven in de wetenschap van het menselijk bewegen. Al Nazer et al., gebruikt een modale FE analyse te onderzoeken tibiale vervorming tijdens menselijke gait en gerapporteerde resultaten16,17te stimuleren. Hun methode werd echter sterk beïnvloed door slechts met behulp van beperkte kinematische gegevens uit een experiment om te rijden de computersimulaties; Er waren geen echte botskrachten gebruikt om te helpen de simulaties op de grond. Deze aanpak kan worden voor het bestuderen van lage impact slow bewegingen zoals lopen redelijk, maar het is niet een haalbare oplossing te bestuderen van de gevolgen van hoge grondbewegingen. Om te onderzoeken lager-lichaam bot reacties tijdens dynamische hoge impact activiteiten, is het dus essentieel voor de ontwikkeling van een innovatieve aanpak om aan te pakken van de beperkingen die zijn gekoppeld aan de eerder gemelde methode. In het bijzonder een methode met behulp van nauwkeurige kinematische Proefgegevens en echte grond botskrachten moeten worden ontwikkeld. Daarom is het doel van deze studie was om een onderwerp-specifieke musculoskeletal model standaardinteracties multibody dynamische simulaties met modale FE analyse te onderzoeken tibiale stam tijdens hoge impact activiteiten te ontwikkelen. Een beweging van de dynamische hoge impact vertegenwoordigd door drop-aanvoer uit verschillende hoogtes werd geselecteerd voor het testen van de methode.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

Het experiment werd uitgevoerd onder de verklaring van Helsinki. Voorafgaand aan het verzamelen van gegevens, het onderwerp herzien en ondertekend het toestemmingsformulier alvorens deel te nemen in de studie door de Universiteit institutionele Review Board werd goedgekeurd.

1. CT Imaging Protocol

  1. Neem de deelnemer aan een inrichting waar een CT-scanner is gehuisvest. Voorafgaand aan de CT-scan, de CT-machine te configureren met de volgende parameters: CT segment dikte van 0.625 mm, CT gezichtsveld van 15 cm x 15 cm, en automatische instelling voor parameters van piek kilo-spanning (kVp) en milliampere-seconden (mAs) met behulp van algoritme van de machine.
  2. Vraag de deelnemer te liggen op een tabel die dia's in een ring in de CT-scanner. Vraag de deelnemer te blijven heel stil tijdens de CT-scan. Het scannen van elk been afzonderlijk van het hielbeen tot het distale einde van het dijbeen.
  3. Na voltooiing van de CT-scan, door de CT-beelden in een digitale imaging en communicatie in de geneeskunde (DICOM)-indeling te exporteren. Kies de afbeeldingsgrootte van een van 512 x 512 pixels (grijstinten).
    Opmerking: Het CT beeldvorming protocol normaal duurt minder dan 1 uur. De stralingsdosis is minimaal. Het presenteert geen groter risico dan de die optreden tijdens het normale X-ray medische procedures.

2. Antropometrische meting Protocol

  1. Tijdens het laboratorium bezoek, voorafgaand aan de motion-video vastleggen, meten van de deelnemer lichaamsgewicht (kg), de lichaamslengte (mm), de afstand tussen het voorste-superior iliac stekels (ASISs) (mm), beenlengte (mm), knie gezamenlijke breedte (mm) en enkel gezamenlijke breedte (mm).
  2. Inter ASIS afstandsmeting: een remklauw gebruiken voor het meten van de lineaire afstand tussen de linker ASIS en juiste ASIS.
  3. Been lengte meting: gebruik een tape maatregel om de lineaire afstand de ASIS en mediale malleolus; voor beide benen.
  4. Knie gezamenlijke breedte meten: een remklauw gebruiken voor het meten van de lineaire afstand tussen de laterale en mediale epicondyles van het dijbeen voor beide knieën.
  5. Enkel gezamenlijke breedte meten: een remklauw gebruiken voor het meten van de lineaire afstand tussen de laterale en mediale malleoli voor beide benen.
    Opmerking: De inter ASIS afstand, been lengte-, knie- en enkel breedte worden gebruikt om het model van een onderwerp in een biomechanica software te bouwen (Zie Tabel of Materials) voor kinematische en kinetische berekeningen uit te voeren.

3. motion Capture Protocol

Opmerking: Zie Tabel van materialen voor alle software en hulpmiddelen gebruikt.

  1. Plaatsing van reflecterende markers
    1. Plaats 14-mm reflecterende markeringen op het lichaam van de deelnemer bij de volgende anatomische bony bezienswaardigheden: acromion processen, sternoclavicular gewrichten, base van borstbeen, posterior proces van de 10th borstwervels, ASISs, posterior-superior iliac stekels (PSISs), 1,5 cm boven de laterale knie gezamenlijke regels, 1,5 cm boven de knie mediale gezamenlijke regels, lateraal malleoli, mediale malleoli posterieure hakken, grondslagen van de tweede middenvoetsbeenderen en grondslagen van de vijfde middenvoetsbeenderen.
    2. Plaats van semi-rigide kunststof platen met 4-marker clusters op de dijen en shanks, respectievelijk.
      Opmerking: Voor een beter resultaat van motion capture, de deelnemer wordt aanbevolen te worden barefoot en dragen van nauwsluitende kleding. Daarnaast volgt de marker plaatsing procedure een gemodificeerde "Plug-in-Gait" protocol21. Een totaal van 39 reflecterende markers worden gebruikt voor de motie-vangst en 34 van hen zijn aangesloten op het onderlichaam.
  2. Instrueer de deelnemer door te lopen op een gemotoriseerde loopband een zelf gekozen tempo gedurende 5 minuten opwarmen.
  3. Kalibratie van ruimte voor de motion capture procedure
    1. Zet de capture bewegingssysteem (12 high-speed infra-rood camera's) en twee dwingen platen. Open een motion capture softwareprogramma. Binnen het hoofdvenster, open het paneel 'Resources'. Klik op de "System" tab configureren de frequentie van de camera bij 200 Hz en dwingen plaat frequentie bij 2.000 Hz.
    2. Binnen het hoofdvenster, 'Tools' het deelvenster te openen. Klik op de knop "System Preparation". Klik op "Kalibreren camera's". Klik op "Start". Vraag het personeel van een onderzoek te zwaaien van een toverstokje standaard 5-marker kalibratie voor het uitvoeren van een dynamische kalibratie binnen de ruimte van de kamer waar de daling-bewegingen moeten worden uitgevoerd. Klik op 'Stop' na 5 s toverstaf gegevens hebben verkregen.
    3. Plaats de kalibratie toverstaf plat op de vloer aan te sluiten bij een hoek van een plaat van kracht met het oog op het opgeven van een referentie-locatie (herkomst) voor de geijkte ruimte. Klik op "Instellen Volume oorsprong" in de 'System Preparation' extra deelvensters.
  4. Voorbereiding van de deelnemer in motion capture softwareprogramma
    1. Binnen het hoofdvenster, open het paneel 'Resources'. Klik op de "Onderwerp" tab. Klik op de knop "Maak een nieuw onderwerp van het skelet van een label". Een labeling sjabloon selecteren in een lijst van bestanden van de sjabloon verstrekt.
    2. Voer de naam en de waarden van lichaamsgewicht (kg), lichaamslengte (mm), inter-ASIS afstand (mm), linker en rechter beenlengte (mm), links en rechts knie breedte (mm) en links en rechts enkel breedte (mm) van het onderwerp in het venster 'Eigenschappen'. Klik in het "Onderwerp middelen", met de rechtermuisknop op de naam van de certificaathouder en klik op "Opslaan onderwerp".
  5. Opnemen van een statische lichaam kalibratie pose
    1. Vraag de deelnemer zich roerloos in het midden van de gekalibreerde kamer met voeten schouderbreedte uit elkaar terwijl de bovenste extremiteiten verlenging lateraal zodat alle reflecterende markeringen op het lichaam goed worden blootgesteld aan camera's.
    2. Open in het hoofdvenster, het deelvenster Gereedschappen. Klik op het tabblad "Onderwerp voorbereiding". In de sectie onderwerp vangen Klik "Start" om de record een proef 3-s-motie wordt de statische kalibratie proces.
  6. Procedure voor het bepalen van de functionele gemeenschappelijke centra
    1. Functionele heupgewricht center
      1. Vragen van de deelnemer te staan met een been en het andere been enigszins naar voren volledig uit te breiden. Instrueren van de deelnemer aan het uitgebreide been rond het heupgewricht verplaatsen in de volgende volgorde: anteriorly verplaatsen en terug tot neutraal, anterior-lateraal verplaatst en terug tot neutraal, lateraal verplaatst en terug tot neutraal, posterior-lateraal verplaatst en terugkeren naar neutraal, posteriorly verplaatsen en terugkeren naar de neutrale en een circumduction beweging.
      2. Binnen het hoofdvenster, open het paneel 'Tools', klikt u op het tabblad "Capture". Tikken "Voorsprong" opnemen een motie proces voor elke functionele hip beweging in de opname sectie.
    2. Functionele knie gemeenschappelijk centrum
      1. Vraag de deelnemer te staan met een been en onderhouden van een 30° hip hyper-uitbreiding van het andere been. Instrueer de deelnemer voor het uitvoeren van een flexie van de knie 45° met de niet-gewicht dragende poot voor 5 keer.
      2. Tikken "Voorsprong" opnemen een motie proces voor elke functionele knie-beweging in de sectie 'Capture' van de 'Tools'-deelvenster.
        Opmerking: Raadpleeg voor bijzonderheden omtrent de functionele gemeenschappelijke, Schwarz, et al.. 22
  7. Motion-Video vastleggen van drop-bewegingen
    1. De volgorde van het gebruik van drie verschillende hoogtes van de drop-landing (26 cm, 39 cm en 52 cm)14willekeurig.
    2. Plaats de hoogte aangepast houten doos met een bovenste oppervlakte van 50 x 50 cm,2 op de vloer bedekt door een rubber mat. De houten box is 11 cm vanaf de randen van de platen van de kracht. Vraag de deelnemer op het oppervlak van het vak staan.
    3. Instrueer de deelnemer te breiden hun dominante voet direct voor het vak en hun gewicht naar voren verplaatsen, en stap uit in het vak. Vraag de deelnemer op het land met beide benen op de grond op hetzelfde moment met elke voet op een aparte kracht plaat.
    4. Vraag de deelnemer te blijven staan totdat de motie-vangst van het proces is voltooid. Herhaal de motie-vangst drie keer te verzamelen van de drie proeven van de beweging voor elke hoogte.
  8. Motion capture gegevensverwerking
    1. Open een motion capture softwareprogramma. Binnen het hoofdvenster van het programma, gaat u naar het deelvenster 'Communicatie'. Klik op de "Data Management" tab. Selecteer een van de proeven opgenomen beweging en open het in het programma.
    2. Klik in het deelvenster 'Tools' op het tabblad "Pipeline". Selecteer de pijpleiding "Wederopbouw" uit de lijst 'Huidige pijpleiding'. Klik op de knop "Run" om te beginnen met het proces van wederopbouw om op te halen van de drie-dimensie (3D) trajecten van reflecterende markers.
    3. Klik in het deelvenster 'Tools' op het tabblad "Label/bewerken". In de sectie 'Handmatig labelen' individuele marker namen te selecteren en de bijbehorende 3D trajecten label. Klik op de "opslaan" knop van de werkbalk wanneer etikettering is voltooid.
    4. Klik in het deelvenster 'Tools' op het tabblad "Pipeline". In de sectie "Beschikbare acties" Selecteer "Bestand exporteren". Dubbelklik op de "Export C3D pipeline". Klik op de knop "Run" om het proces van verwerkte beweging exporteren naar een bestand in een coördinaat drie-dimensie (C3D) formaat.
  9. Biomechanische analyse van beweging opnamegegevens
    1. Open een biomechanica softwareprogramma wordt verdere proces de opnamegegevens beweging. Uit het bovenste menu, klik op "Bestand" en klik op de knop "Openen/toevoegen". Selecteer de raw C3D-bestanden importeren in de biomechanica softwareprogramma.
    2. Uit het bovenste menu, klik op "Model". Klik op "maken (statische kalibratie bestand toevoegen)". Selecteer in het submenu, "Hybride Model van C3DFile". Selecteer en open de statische kalibratie C3D bestand.
    3. Uit het bovenste menu, klik op "Model". Van de drop-down lijst, klikt u op "Model sjabloon toepassen". Selecteer en open het sjabloonbestand van een model. Klik op het tabblad van de "Modellen" op de werkbalk. Klik op het tabblad "Onderwerp gegevens / statistieken". Wijzig de waarden van de 'Massa' en 'Hoogte' om het model onderwerp-specifieke binnen het venster 'Onderwerp gegevens'.
    4. Klik op het tabblad van de "Modellen" op de werkbalk. Klik op de knop "Model Builder geavanceerde Post Processing" van de bovenste menubalk. Klik op de "Functionele gewrichten" tab. Selecteer "toevoegen Motion bestand van Workspace" in het pop-up venster voor de "Model Builder geavanceerde Post Processing".
    5. Selecteer de functionele gemeenschappelijke centrum C3D-bestanden. Markeer een geïmporteerde functionele gezamenlijke bestand. Markeer een functioneel gewricht overeenkomen met het bestand. Gebruik de "Set START Frame naar huidige Frame" en "Set einde Frame naar huidige Frame" de desbetreffende gedeelten van de motie proef selecteren. Klik op de knop "Berekenen gecontroleerd monumenten". Herhaal deze procedure voor het berekenen van andere functionele gemeenschappelijke centra om het skelet model te verfijnen.
    6. Klik op de knop "Model" op de bovenste menubalk. Selecteer "Toewijzen van Model naar beweging bestanden". In het pop-up venster voor de "toewijzen modellen te Motion Data", het onderwerp-specifieke skelet model van toepassing op alle proeven van de beweging.
    7. Klik op de "Pipeline" knop van de werkbalk. In het pop-upvenster van het "Pipeline-Workshop", klikt u op de knop "Open Pipeline". Selecteer de "filter doelstellingen Pipeline". Klik op de knop "Uitvoeren Pipeline" een vierde-orde Butterworth laagdoorlaatfilter met cutoff frequentie van 10 Hz op 3D trajecten van motion capture proeven uitvoeren.
    8. Klik op de "Pipeline" knop van de werkbalk. In het pop-upvenster van het "Pipeline-Workshop", klikt u op de knop "Open Pipeline". Selecteer de "filter krachten Pipeline". Klik op de knop "Uitvoeren Pipeline" een vierde-orde Butterworth laagdoorlaatfilter met cutoff frequentie van 60 Hz op reactie grondtroepen van motion capture proeven uitvoeren.
    9. Klik op de knop "Settings" van de bovenste menubalk. Plaats vinkjes naast "Gebruik verwerkt analogen voor grond reactie kracht berekeningen" en "Gebruik verwerkt doelstellingen voor Model/Segment/LinkModelBased Items".
    10. Klik op de "Pipeline" knop van de werkbalk. In het pop-upvenster van het "Pipeline-Workshop", klikt u op de knop "Open Pipeline". Selecteer de pijpleiding "Model gebaseerd berekening". Klik op de knop "Uitvoeren Pipeline" berekeningen van lagere-lichaam gezamenlijke kinematica en kinetica.
    11. Klik op de "Pipeline" knop van de werkbalk. In het pop-upvenster van het "Pipeline-Workshop", klikt u op de knop "Open Pipeline". Selecteer de pijpleiding "Exporteren C3D coördineert". Klik op de knop "Uitvoeren Pipeline" de verwerkte 3D-coördinaten van lagere-lichaam visuele markeringen in een C3D-bestand exporteren.
    12. Klik op de "Pipeline" knop van de werkbalk. In het pop-upvenster van het "Pipeline-Workshop", klikt u op de knop "Open Pipeline". Selecteer het "Exporteren reactie grondtroepen"-pijpleiding. Klik op de knop "Uitvoeren Pipeline" exporteren de verwerkte 3D grond reactie in een binair bestand krachten (bestandsextensie: MAT).
      Opmerking: Voor het behoud van de hoge impact pieken tijdens de aanvoer, een cutoff frequentie van 60 Hz is gebruikt voor het filteren van de ruwe grond reactie kracht gegevens23.
  10. Motie opnamegegevens voorbereiden computersimulaties
    1. Open een computer programmering software. Het gefilterde C3D-gegevensbestand en het MAT gegevensbestand importeren.
    2. Het exporteren van een tekstbestand met lagere-lichaam gezamenlijke center coördinaten. Het gegevensbestand C3D en de MAT gegevensbestand converteren naar tekstbestanden (bestandsextensie: slf) voor gebruik door een multibody dynamische simulatie programma.

4. onderwerp specifieke Procedure modelleren

  1. Lager-lichaam skelet model maken
    1. Open de multibody dynamische simulatie softwareprogramma met het menselijk lichaam modelleren plug-in geïnstalleerd. Tijdens dit proces, wordt het menselijk lichaam modelleren plug-in module automatisch geopend. Binnen het splash-scherm, dubbelklikt u op het pictogram "Nieuw Model" om te openen de modelbouw van het Configuratiescherm.
    2. Binnen het deelvenster belangrijkste modelleren in de sectie "Anthropometric databasebibliotheek" kiezen de generieke lichaam (GeBOD) van de drop-down lijst. De belangrijkste modelleren paneel, geef lichaamsgewicht (kg), de lichaamslengte (mm), geslacht en leeftijd (maanden).
    3. Klik op de "Lower Body" radio knop in het deelvenster van de belangrijkste modelleren, in de sectie "De configuratie van het lichaam". De "Eenheden" drop-down lijst, selecteer "Millimeter kilo Newton". Binnen het belangrijkste modelleren deelvenster, klikt u op de "Apply" knop in de sectie "Create lichaam meting Table" te accepteren van de metingen van het lichaam. Klik op de "Apply" knop in de sectie van de "Menselijke segmenten maken" maken een lagere-lichaam skelet basismodel blijven.
      Opmerking: Dit model wordt geschaald op basis op de hoogte van het individu, massa, leeftijd en geslacht. Het model bestaat uit zeven segmenten: een bekken, twee dijen, twee shanks, en twee voeten (Figuur 1). Alle van de segmenten worden gemodelleerd als starre lichamen.
  2. Modelleren van de lagere-lichaam gewrichten
    1. Binnen de belangrijkste modelleren panel, de belangrijkste menu drop-down lijst, selecteer "Gewrichten" om het deelvenster gemeenschappelijke configuratie te openen.
    2. Klik op de knop naast de "bereiden Model met opname gewrichten" binnen het gemeenschappelijke Configuratiescherm, in de sectie "Gezamenlijke rotatie elementen". Voer in de sectie "Lente dempers en gezamenlijke eigenschappen voor limieten" de volgende parameters: nominale gezamenlijke stijfheid van 1 Nmm / ° nominale gezamenlijke demping van 0.1 Nmm∙s / °, gezamenlijk stoppen stijfheid van 3.38E7 Nmm / °. Doorgaan met het selecteren van "Linker been" en "Recht been" door het controleren van de keuzerondjes naast de namen. Klik op de "Apply" knop om te accepteren van de gezamenlijke configuraties.
    3. De belangrijkste modelleren paneel, de drop-down lijst van het hoofdmenu, selecteer "Workflow". De drop-down lijst van het submenu te openen, selecteer "Gang" en "Kalibreren". Voer in de sectie "Gezamenlijke Center Data" van de deelnemer lager-lichaam gezamenlijke center bestand.
    4. Klik op de "Load" knop om de gegevens te wijzigen van de locaties van gemeenschappelijke centra te importeren. Voer het statische kalibratie motion capture proces in de "Load statische proef" sectie (in slf-bestandsindeling, generatie beschreven stappen 3.8-3.10). Klik op de "Laad" knop om te importeren van het bestand om het lager-lichaam skelet model generaliseer.
      Opmerking: Standaard, de heupgewrichten zijn geconfigureerd als bolvormige gewrichten met drie graden van vrijheid, knie gewrichten zijn geconfigureerd als kwamen gewrichten met een mate van vrijheid en gewrichten van de enkel zijn geconfigureerd als cardankoppelingen met twee graden van vrijheid.
  3. Modelleren van skeletspieren
    1. Binnen de belangrijkste modelleren panel, de drop-down lijst van het hoofdmenu, selecteer "Weke". De drop-down lijst van het submenu te openen, selecteer "Base weefsel Set maken". Klik in de sectie "Spier CONTRACTIELE elementen" op "Bereiden met opname spier modelelementen".
    2. Klik op het keuzerondje van de "bijgewerkt 45 spier Set" in de sectie "Algemene opname ELEMENT spier eigenschappen".
    3. In de sectie "Algemene opname ELEMENT spier eigenschappen" Accepteer de volgende standaardinstellingen voor de eigenschappen van de spier: passieve stijfheid van 0.4448 N/mm, passieve demping van 1,75 E-2 Ns/mm, spier rusten belasting van 0.4448 N. Check de keuzerondjes van "Linker been" en "Leg right" voor spier toewijzingen. Klik op de "Apply" knop om te accepteren van de configuraties.
      Opmerking: De 45 been spier-set bestaat uit de volgende spieren: Adductor Brevis, Adductor Longus, Adductor Magnus (drie groepen), lange kop van de musculus Biceps Femoris, musculus Biceps Femoris korte kop, Extensor Digitorum, Extensor Hallucis, Flexor Digitorum, Flexor Hallucis, Gastrocnemius, Gemellus Gluteus Maximus (drie groepen), Gluteus Medias (drie groepen), Gluteus Minimis (drie groepen), Gracilis, Hamstring, Iliacus, laterale Gastrocnemius, mediale Gastrocnemius, Pectineus, Peroneus Brevis, Peroneus Longus, Peroneus Tertius Piriformis, Psoas, Quadriceps Femoris, musculus Rectus Femoris, Sartorius, Semimembranosus, Semitendinosus, Soleus, Tensor Fasciae Latae, Tibialis Anterior Tibialis Posterior Vastus Intermedius, Vastus Lateralis, Vastus Medialis.

5. multi lichaam dynamica simulaties

  1. Uitvoeren van inverse kinematic simulatie
    1. De belangrijkste modelleren paneel, de drop-down lijst van het hoofdmenu, selecteer "Workflow". De drop-down lijst van het submenu te openen, selecteer "Gang" en "Trial". In de sectie "Dynamic Trial Data" Geef de bestandsnaam van een dynamische beweging vastleggen proef (met slf bestandsindeling) en klik op de "Laad" knop om de gegevens te importeren. Verder Voer de bijbehorende grond-interventiemacht gegevens bestand (met de bestandsindeling van de slf) en klik op de "Laad" knop om de gegevens te importeren.
    2. De belangrijkste modelleren paneel, de drop-down lijst van het hoofdmenu, selecteer "_Analyze". De analyse van Reparameterize om aan te passen het model houding zodat deze overeenkomen met de houding in het begin van de dynamische proef uitvoeren.
    3. Open het deelvenster simulatie. Hiermee schakelt u de effecten van zwaartekracht en grond reactiekrachten. Kies het proces van de hele beweging als de lengte van de simulatie.
    4. Geef een tijd van de simulatie van 100 stappen/s. een inverse kinematic simulatie gedreven door de opnamegegevens beweging uitvoeren. Sla de inverse kinematic simulatie-analyse.
  2. Creëren van een beweging tracker agent
    1. Open het deelvenster Motion Tracker Agent creatie. Accepteer de standaardnaam voor de tracker: MA_Track.
    2. Stel de translationeel stijfheid en roterende stijfheid als 10 N/mm en 1.000 Nmm / °, respectievelijk. Stel de translationeel demping en roterende demping als 10 Ns/mm en 1.000 Nmms / °, respectievelijk. Stel alle translationeel en roterende vrijheidsgraden als Driven.
    3. Opmerking. Omdat alleen de lagere-body model wordt gebruikt voor de voorwaartse dynamische simulatie, wordt een motie tracker moet rekening voor de instabiliteit als gevolg van het gebrek aan bovenlichaam beweging.
  3. Opleiding beenspieren
    1. Open het configuratievenster zachte weefsels. Kies gesloten-lus eenvoudig voor het model van de spier. Stel de volgende parameters voor het spier-model: proportionele krijgen van 1.0E6, integraal krijgen van 1.0E6 en afgeleide krijgen van 1.0E4.
    2. Selecteer de analyse van de inverse kinematic simulatie het doelwit van de spiertraining. Toepassing van de spiertraining.
  4. Importeren van een flexibele tibia
    1. Open het deelvenster flexibele lichaam importeren. De uitlijning Mapping met drie bekende makers en hun bijbehorende knooppunten op het oppervlak van de flexibele tibia uitvoeren.
    2. Kies de rigide tibia worden vervangen door de flexibele tibia. Selecteer het bestand van de MNF vertegenwoordigen de flexibele tibia. Selecteer de spier bijlage toewijzingsbestand voor de beenspieren aan de flexibele tibia ontkoppeld. Importeer het flexibele scheenbeen naar het spier-en model.
  5. Uitvoeren van forward dynamische simulatie met het flexibele scheenbeen in plaats
    1. Open het deelvenster simulatie. De effecten van zwaartekracht en grond reactiekrachten inschakelen. Hiermee schakelt u de effecten van beweging agenten.
    2. Willen voor stormloop van de simulatie voor de lengte van de hele beweging proces. Instellen tijd van de simulatie van 100 stappen/s. Run een voorwaartse dynamische simulatie gedreven door getrainde spieren. Sla de voorwaartse dynamische analyse.

6. het creëren van een flexibel Tibia-Model

  1. Maken van een 3D-oppervlak net model
    1. Open een beeld processing programma. Import CT segmenten in de DICOM-indeling. Een masker met de regio groeiende methode te scheiden van botweefsel van de omliggende weke maken.
    2. Zoeken naar CT segmenten waar het scheenbeen en het kuitbeen zijn aangesloten. Scheid het scheenbeen en het kuitbeen door het wissen van het masker langs de combinatie van de twee botten.
    3. Een tweede masker met behulp van de methode groeiende regio alleen het opnemen van de tibia bot maken. Doorloop de CT-segmenten te Holten bestaande in het scheenbeen masker ontdekken. Vul de holtes in het masker. Maak een 3D tibia-object gebaseerd op het masker van de tibia. De 3D tibia object exporteren als een bestand in tekening interchange-indeling (DXF).
  2. Creëren van een model van de tibia eindige elementen
    1. Open een FE analyse softwareprogramma. Importeer het 3D tibia modelbestand met de extensie DXF.
    2. De Sweep opdracht om gedupliceerde elementen en knooppunten te verwijderen uitvoeren. Uitvoeren van de opdracht Volume Mesh een FE tibia om model te maken met hexagonale elementen van 3 mm x 3 mm x 3 mm. toewijzen de volgende eigenschappen van het materiaal voor alle elementen: Youngs modulus van 17 GPa, Poisson verhouding tussen 0,3 en dichtheid van 1.9E-6 Kg/cm3.
      Opmerking: Materiaaleigenschappen worden toegewezen aan elk element met de veronderstelling dat botweefsel isotrope binnen het bereik van spanning ervaren door bot tijdens dynamische bewegingen24,25,26.
  3. Maken een flexibele tibia-model
    1. Binnen het Hoofdcontrolepaneel, klikt u op de "Geometry & Mesh" tab. Selecteer "meetkunde & Mesh". In de "Geometry & Mesh" pop-up venster, in de sectie "Mesh" Klik "knooppunten" om twee nieuwe knooppunten te vertegenwoordigen van de centra van de knie en enkel gewrichten te maken.
    2. Klik op de "Links" tab. Selecteer RBE2 in het Hoofdcontrolepaneel. In de RBE2 de pop-up venster, link-aansluitingen van type 2 vastlichaam element (RBE2) tussen de gezamenlijke knooppunten en oppervlakte knooppunten op de knie en enkel oppervlakken te maken.
    3. Klik op het tabblad "Randvoorwaarden" in het Hoofdcontrolepaneel. Klik op de knop "Nieuw" in de sectie "Randvoorwaarden". Selecteer "DOF_Set Nodes". In het pop-up venster van "Eigenschappen grens voorwaarde", maakt u een grens voorwaarde door zes graden van vrijheid toe te wijzen aan elk van de twee RBE2 gezamenlijke knooppunten.
    4. Klik op het tabblad "Loadcases" in het Hoofdcontrolepaneel. In de "Loadcases"-sectie, klikt u op "Nieuw", selecteer "Adams Craig-Bampton"19. In de "Loadcase eigenschappen" pop-up venster, klikt u op 'DOF-Set Nodes'. Selecteer de dofset_nodes die in de bovenstaande stap hebt gemaakt.
    5. Klik op het tabblad "Taken" in het Hoofdcontrolepaneel. Klik in de sectie "Jobs", "Nieuw". Selecteer "Structurele". Selecteer in het pop-upvenster van "De eigenschappen van de taak", de loadcase in de vorige stap hebt gemaakt. Klik op de knop "Baan resultaten". Selecteer in het pop-upvenster van de "Resultaten", "Stress" en "Stam". Ook selecteren "Kilogram" massa "Newton" voor kracht, "Millimeter" voor lengte, en "Tweede" tijd. Klik op de "Uitvoeren" knop.
    6. In het "Run Job" pop-up venster, klikt u op de "Submit"-knop in te dienen van de baan voor een FE-simulatie en het modale neutraal bestand (MNF) van de tibia16maken.

7. stam Data-Analyses

  1. Bot stam gegevens exporteren
    1. Open de processor van de post van de multibody simulatie programma. Laden van de invoegtoepassing van duurzaamheid.
    2. Open de simulatie met het flexibele scheenbeen door te klikken op de naam van de simulatie. Exporteer de maximale en minimale belangrijkste spanningen en de maximale schuintrekken stam van de knooppunten die vertegenwoordigt het antero-mediale aspect van de medio-tibiale diaphysis.
  2. Verwerking van gegevens van de ruwe stam
    1. Open een computer programmering software voor gegevensverwerking. Ruwe stam gegevens importeren. Een vierde orde Butterworth laagdoorlaatfilter van toepassing op de onbewerkte gegevens met een cutoff frequentie van 15 Hz.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Een gezonde Kaukasisch mannetje (19 jaar, hoogte 1.800 mm, massale 80 kg) als Vrijwilliger voor de studie. Voorafgaand aan het verzamelen van gegevens, het onderwerp herzien en ondertekend het toestemmingsformulier alvorens deel te nemen in de studie door de Universiteit institutionele Review Board werd goedgekeurd. Het experiment werd uitgevoerd onder de verklaring van Helsinki. Het experiment werd uitgevoerd op basis van het volgende protocol.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Het doel van deze studie was een niet-invasieve methode om te bepalen van de tibia vervorming tijdens hoge impact activiteiten te ontwikkelen. Kwantificeren van de tibia spanning als gevolg van de impact laden zal leiden tot een beter begrip van stress fractuur van de tibia. In deze studie, een onderwerp-specifieke musculoskeletal model werd ontwikkeld en computersimulaties om te dupliceren van de bewegingen van de drop-landing uitgevoerd in een laboratorium-omgeving worden uitgevoerd. Het effect van drop-landing hoogte ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.

Dankbetuigingen

Afdeling van het leger #W81XWH-08-1-0587, #W81XWH-15-1-0006; Ball State University 2010 ASPiRE subsidie.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
CT ScannerGE Medical SystemN/ALight Speed VCT. Voor het uitvoeren van tibia CT-scan.
Motion Capture SystemVicon IncN/AVicon FX40 hogesnelheidscamera's. Voor het uitvoeren van 3D-bewegingsregistratie.
Force platesAMTI IncN/AVerzameling van 3D-grondreactiekrachten
Vicon NexusVicon IncN/ASoftwareprogramma voor bewegingsregistratie. Voor het verwerken van visuele markertrajectgegevens.
Visual 3DC-Motion IncN/ASoftware voor biomechanische analyse. Voor het berekenen van 3D-kinematica en -kinetica van menselijke bewegingen.
MATLABMathworks IncN/ASoftware voor computerprogrammering. Voor het uitvoeren van ruwe gegevensfiltering, gegevensconversie en gegevensverwerking.
ADAMS 2012MSC Software IncN/AProgramma voor dynamische computersimulatie van meerdere lichamen.
LifeMODLifemodeler IncN/AEen software-plug-in in ADAMS. Voor het bouwen van musculo-skeletaal modellen van het menselijk lichaam.
MIMICS 13Materialise IncN/AAfbeeldingsverwerkingsprogramma. Een 3D-modelleringstool voor het verwerken van beeldgegevens. Voor het maken van 3D-tibia model uit CT-scans.
MARC 2012MSC Software IncN/ASoftware voor eindige-elementenanalyse. Voor het uitvoeren van volume-meshing, het genereren van tibia FE-model en het uitvoeren van modale FE-analyse.
SPSS 19IBM IncN/ASoftware voor statistische analyse.

Referenties

  1. Brukner, P., Bennell, K., Matheson, G. Stress fracture. , Blackwell Science. Victoria, Australia. (1999).
  2. Zadpoor, A., Nikooyan, A. The relationship between lower-extremity stress fractures and the ground reaction force: A systematic review. Clin Biomech. 26, 23-28 (2011).
  3. Matheson, G. O., Clement, D. B., McKenzie, D. C., Taunton, J. E., Lioyd-Smith, D. R., Maclntyre, J. G. Stress fractures in athletes. A study of 320 cases. Am J Sports Med. 15, 46-58 (1987).
  4. Bennell, K., Grimston, S. Risk factors for developing stress fractures. Musculoskeletal fatigue and stress fractures. Burr, D., Milgrom, C. , CRC Press. New York. 15-33 (2001).
  5. Milgrom, C., Giladi, M., Stein, M., Kashtan, H., Margulies, J. Y., Chisin, R., Stenberg, R., Aharonson, Z. Stress fractures in military recruits. A prospective study showing an unusually high incidence. J Bone Joint Surg Br. 67, 732-735 (1985).
  6. Almeida, S. A., Williams, K. M., Shaffer, R. A., Brodine, S. K. Epidemiological patterns of musculoskeletal injuries and physical training. Med Sci Sports Exerc. 31, 1176-1182 (1999).
  7. Jones, B. H., Knapik, J. J. Physical training and exercise-related injuries, surveillance, research and injury prevention in military populations. Sports Med. 27, 111-125 (1999).
  8. Jones, B. H., Thacker, S., Gilchrist, J., Kimsey, C. D., Sosin, D. M. Prevention of lower extremity stress fractures in athletes and soldiers: a systematic review. Epidemiol Rev. 24, 228-247 (2002).
  9. Voloshin, A., Wosk, J. An in vivo study of low back pain and shock absorption in the human locomotor system. J Biomech. 15, 21-27 (1982).
  10. Burr, D. B., Milgrom, C., Fyhrie, D., Forwood, M., Nyska, M., Finestone, A., Hoshaw, S., Saiag, E., Simkin, A. In vivo measurement of human tibial strains during vigorous activity. Bone. 18, 405-410 (1996).
  11. Ekenman, I., Halvorsen, K., Westblad, P., Fellander-Tsai, L., Rolf, C. The reliability and validity of an instrumented staple system for in vivo measurement of local bone deformation. An in vitro study. Scand J Med Sci Sports. 8, 172-176 (1998).
  12. Lanyon, L. E., Hampson, W. G., Goodship, A. E., Shah, J. S. Bone deformation recorded in vivo from strain gauges attached to the human tibial shaft. Acta Orthop Scand. 46, 256-268 (1975).
  13. Ekenman, I., Halvorsen, K., Westblad, P., Tsai, L. F., Rolf, C. Local bone deformation at two predominant sites for stress fractures of the tibia: an in vivo study. Foot Ankle Int. 19, 479-484 (1998).
  14. Milgrom, C., Finestone, A., Levi, Y., Simkin, A., Ekenman, I., Mendelson, S., Millgram, M., Nyska, M., Benjuya, N., Burr, D. Do high impact exercises produce higher tibial strains than running? Br J Sports Med. 34, 195-199 (2000).
  15. Milgrom, C., Finestone, A., Simkin, A., Ekenman, I., Mendelson, S., Millgram, M., Nyska, M., Larsson, E., Burr, D. In-vivo strain measurements to evaluate the strengthening potential of exercises on the tibial bone. J Bone Joint Surg Br. 82, 591-594 (2000).
  16. Al Nazer, R., Rantalainen, T., Heinonen, A., Sievanen, H., Mikkola, A. Flexible multibody simulation approach in the analysis of tibial strain during walking. J Biomech. 41, 1036-1043 (2008).
  17. Al Nazer, R., Klodowski, A., Rantalainen, T., Heinonen, A., Sievanen, H., Mikkola, A. A full body musculoskeletal model based on flexible multibody simulation approach utilised in bone strain analysis during human locomotion. Comput Method Biomec. 14, 573-579 (2011).
  18. Johnson, M. A., Moradi, M. H., Crowe, J. PID control: new identification and design methods. , Springer. New York. 543(2005).
  19. Craig, R. R., Bampton, M. C. C. Coupling of substructures for dynamics analysis. American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal. 6, 1313-1319 (1968).
  20. Wasfy, T. M., Noor, A. K. Computational strategies for flexible multibody systems. Appl Mech Rev. 56, 553-613 (2003).
  21. Kadaba, M. P., Ramakrishnan, H. k, Wootten, M. E. Measurement of lower extremity kinematics during level walking. J Orthop Res. 8, 383-392 (1990).
  22. Schwartz, M. H., Rozumalski, A. A new method for estimating joint parameters from motion data. J Biomech. 38, 107-116 (2005).
  23. Devita, P., Skelly, W. A. Effect of landing stiffness on joint kenetics and energetic in the lower extremity. Med Sci Sports Exerc. 24, 108-115 (1992).
  24. Dong, X. N., Guo, X. E. The dependence of transversely isotropic elasticity of human femoral cortical bone on porosity. J Biomech. 37, 1281-1287 (2004).
  25. Schileo, E., Taddei, F., Malandrino, A., Cristofolini, L., Viceconti, M. Subject-specific finite element models can accurately predict strain levels in long bones. J Biomech. 40, 2982-2989 (2007).
  26. Pattin, C. A., Caler, W. E., Carter, D. R. Cyclic mechanical property degradation during fatigue loading of cortical bone. J Biomech. 29, 69-79 (1996).
  27. Lifemodeler, I. Lifemod Manual. , Lifemodeler Inc. San Clemente, CA. (2010).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Tags

BotrekkingsanalyseEindige-elementmodel van het scheenbeenMotion captureSimulatie van landing na sprongMultibody-dynamische simulatieKwantificering van scheenbeenspanningNiet-invasieve botdeformatieGrondimpactkrachtenBiomedische techniek
Onderwerp-specifieke Musculoskeletal Model voor het bestuderen van bot-stam tijdens dynamische beweging
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.