Onderwerp-specifieke Musculoskeletal Model voor het bestuderen van bot-stam tijdens dynamische beweging
11 april 2018
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.
Het algemene doel van deze procedure is om een onderwerpspecifiek musculoskeletal model te creëren voor botspanningsanalyse. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van sleutelvragen in het veld van biomedische techniek, zoals het kwantificeren van menselijke botvervorming tijdens dynamische beweging. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat een niet-invasieve aanpak wordt geïmplementeerd om botsterkte tijdens dynamische fysieke activiteiten te bestuderen.
De procedure zal worden gedemonstreerd door Marisa Loo en Kerstyn Hall, afgestudeerde studenten uit mijn laboratorium. Om deze procedure te starten, voer een CT-scan en antropometrische meting uit op het onderwerp. Plaats vervolgens 14 mm reflecterende markers op het lichaam van de deelnemers zoals beschreven in het tekstprotocol.
Plaats half-rigide plastic platen met vier markerclusters op de dijen en schenen van de deelnemers. Nadat de gegevens van de proefpersonen in het bewegingsregistratieprogramma zijn ingevoerd, vraag hen om stil te staan in het midden van de gekalibreerde ruimte met hun voeten op schouderbreedte uit elkaar. Vraag hen vervolgens om hun bovenste ledematen lateraal uit te strekken, zodat alle reflecterende markers goed zichtbaar zijn voor de camera's.
In het hoofdprogrammavenster opent u het gereedschapsvenster, klikt u op het tabblad subjectvoorbereiding. Klik in het gedeelte subjectregistratie op start om een drie seconden durende bewegingstest op te nemen als statische kalibratietest. Om te beginnen met het bepalen van het functionele heupgewrichtscentrum, vraagt u de deelnemer om op één been te staan terwijl het andere been lichtjes naar voren wordt gestrekt.
Instrueer de deelnemer om het gestrekte been rond het heupgewricht naar voren te bewegen en terug te keren naar neutraal. Lateraal naar voren en terug naar neutraal. En dan lateraal en terug naar neutraal.
Laat de deelnemer vervolgens hetzelfde been rond het heupgewricht naar achteren en lateraal bewegen en terugkeren naar neutraal. Achterwaarts en terug naar neutraal. En dan in een circumductiebeweging.
Open in het hoofdprogrammavenster het gereedschapsvenster, klik op het tabblad capture en klik vervolgens in het gedeelte capture op start om een bewegingstest op te nemen voor elke functionele heupbeweging. Om te beginnen met het bepalen van het functionele kniegewrichtscentrum, vraagt u de deelnemer om op één been te staan terwijl u een 30-graden hyperextensie van het andere been handhaaft. Geef de deelnemer vervolgens de opdracht om een 45-graden kniebuiging uit te voeren met het niet-gewichtdragende been.
Laat ze dit vijf keer herhalen. Klik in het gedeelte capture van het gereedschapsvenster op start om een bewegingstest op te nemen voor elke functionele kniebeweging. Plaats de op hoogte aangepaste houten doos op een gebied van de vloer dat bedekt is met een rubberen mat, zorg ervoor dat deze ongeveer 11 cm van de randen van de krachtplaten verwijderd is.
Vraag de deelnemer vervolgens om op de doos te staan. Instrueer de deelnemer om hun dominante voet direct voor de doos uit te strekken, laat ze vervolgens hun gewicht naar voren verplaatsen en van de doos afstappen. Beide benen van de deelnemers moeten tegelijkertijd op de grond landen, waarbij elke voet een afzonderlijke krachtplaat raakt. Vraag de deelnemer om te blijven staan tot de bewegingsregistratie van de test is voltooid.
Herhaal de bewegingsregistratie drie keer om drie bewegingstests te verzamelen voor elke hoogte. Open eerst een bewegingsregistratiesoftwareprogramma. Ga in het hoofdvenster naar het communicatiepaneel, klik op het tabblad gegevensbeheer en selecteer een van de opgenomen bewegingstests.
Open de testgegevens in het programma. Klik in het gereedschapsvenster op het tabblad pipeline. Selecteer in de huidige pipelinelijst de reconstructiepipeline, klik op de knop uitvoeren om het reconstructieproces te starten en verkrijg de driedimensionale trajecten van de reflecterende markers.
Navigeer naar het gereedschapsvenster en klik op het tabblad labelbewerken, selecteer in het gedeelte handmatige labelinvoer individuele markernamen en label de bijbehorende 3D-trajecten. Wanneer het labelen is voltooid, klikt u op de knop opslaan in de werkbalk. Om te beginnen met het maken van een skeletmodel van het onderlichaam, opent u het softwareprogramma voor dynamische simulatie van meerdere lichamen met de plug-in voor menselijk lichaamsmodellering geïnstalleerd.
Klik op de splashscreen op het pictogram voor een nieuw model om het besturingspaneel voor modelbouw te openen. Kies in de sectie antropometrische databasebibliotheek van het hoofdmodellerende paneel de generieke body uit de vervolgkeuzelijst, specificeer het lichaamsgewicht, lichaamslengte, geslacht en leeftijd. Klik in het gedeelte lichaamsconfiguratie van het hoofdmodellerende paneel op de optie onderlichaam, selecteer in de eenheidsvervolgkeuzelijst mm, kg, Newton; klik in het gedeelte bodymetingen maken op de knop toepassen om de lichaamsmetingen te accepteren. Klik verder op de knop toepassen in het gedeelte menselijk segment maken om een basismodel van het skelet van het onderlichaam te maken.
Om te beginnen met het modelleren van de gewrichten van het onderlichaam, opent u de vervolgkeuzelijst van het hoofdmenu in het hoofdmodellerende paneel en selecteert u gewrichten om het gedeelte gewrichtconfiguratie te openen. Klik in het gedeelte gewrichtrotatie-elementen van het gedeelte gewrichtconfiguratie op de knop volgende voor model voorbereiden met geregistreerde gewrichten. Voer in het gedeelte eigenschappen voor veerdempers en gewrichtsbeperkingen de parameters in voor nominale gewrichtsstijfheid, nominale gewrichtsdemping en gewrichtsstopstijfheid zoals hier getoond.
Selecteer vervolgens het linkerbeen en rechterbeen door de bijbehorende opties aan te vinken, klik op de knop toepassen om de gewrichtsconfiguraties te accepteren. Open vervolgens de vervolgkeuzelijst van het hoofdmenu in het hoofdmodellerende paneel en selecteer werkstroom, selecteer in de vervolgkeuzelijst van de submenu'
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie presenteert een nieuwe benadering om de tibiale rek tijdens dynamische bewegingen te meten met behulp van subjectspecifieke musculoskeletale modellering en eindige-elementenanalyse. Inzicht in botdeformatie is cruciaal voor het begrijpen van botstressletsels die geassocieerd worden met impact.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk gebied
- Biomedische Technologie
- Musculoskeletale Modellering
- Eindige-elementenanalyse
Achtergrond
- Botten van het onderlichaam worden bij het landen blootgesteld aan aanzienlijke mechanische belastingen.
- Het meten van botdeformatie is essentieel voor het begrijpen van stressletsels.
- In de studie wordt een niet-invasieve methode voor analyse gebruikt.
- CT-scanning en antropometrische metingen zijn de eerste stappen in de procedure.
Doel van de studie
- Om menselijke botdeformatie tijdens dynamische beweging te kwantificeren.
- Om het begrip van botsterkte bij fysieke activiteiten te verbeteren.
- Om een proefpersoon-specifiek musculoskeletaal model voor analyse te ontwikkelen.
Gebruikte methoden
- CT-scan van het subject.
- Antropometrische metingen van de deelnemer.
- Plaatsing van reflecterende markers op het lichaam.
- Integratie van musculoskeletale modellering met eindige-elementenanalyse.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle meting van de tibiale rek tijdens dynamische activiteiten.
- Demonstratie van een non-invasieve benadering om botsterkte te bestuderen.
- Inzichten in de mechanismen van botstressletsels.
- Validatie van de subjectspecifieke modelleringstechniek.
Conclusies
- De methode levert waardevolle gegevens over botdeformatie.
- Het vergroot het inzicht in de impact van dynamische bewegingen op de botgezondheid.
- Toekomstige toepassingen kunnen strategieën voor blessurepreventie verbeteren.
Veelgestelde vragen
Industriële relevantie voor leidinggevenden
Het begrijpen van botdeformatie onder hoge impactbelasting is essentieel voor het identificeren van mechanismen van stressgerelateerde letsels bij atletische en militaire populaties. Deze niet-invasieve modelleringsaanpak maakt een schaalbare beoordeling van de tibia-strain over grote cohorten mogelijk, wat bijdraagt aan de voorspellende betrouwbaarheid bij de validatie van doelwitten voor musculoskeletale interventies. Door experimentele motion capture te koppelen aan computationele simulatie, verbetert deze methode de translationele continuïteit van de ontdekking naar de preklinische evaluatie van de botgezondheid.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om hypothesen over mechanische belasting van botweefsel te onderzoeken om pathofysiologische mechanismen bij de ontwikkeling van stressletsels te verduidelijken.
- Operationele waarde: Ondersteunt de validatie van functionele targets door rekreacties te kwantificeren in een proefpersoon-specifieke, fysiologisch relevante context.
- Voorspellende waarde: Verhoogt het vertrouwen in de identificatie van lead-compounds door mechanische input te koppelen aan biologische resultaten in botremodeling.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Bereidt gevalideerde biologische systemen voor op downstream screening door reproduceerbare stammetrics vast te stellen onder gecontroleerde impactomstandigheden.
- Operationele waarde: Verbetert de standaardisatie van assays door consistente motion capture- en finite element-inputs over verschillende subjecten en valhoogten.
- Schaalbaarheid: Faciliteert hergebruik van het platform voor het evalueren van interventies gericht op het moduleren van botadaptatie aan mechanische belasting.
Translationeel & preklinisch onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Sluit aan bij ziekterelevante systemen door tibia-belasting te modelleren in een menselijk relevante context tijdens dynamische beweging.
- Operationele waarde: Waarborgt continuïteit van ontdekking tot preklinische validatie door het leveren van kwantitatieve, mechanisme-gebaseerde output van de belasting.
- Risicobeperking: Ondersteunt risico-gecorrigeerde beslissingen over verdere ontwikkeling door mechanische drempelwaarden te identificeren die geassocieerd zijn met pathologische belastingsniveaus.
Integratie van Pijplijn & Workflow
De methode integreert in het ontdekkingscontinuüm door hypothesetoetsing in de vroege biologie te informeren, assay-klare systemen voor screening mogelijk te maken en kwantitatieve biomechanische resultaten te leveren die go/no-go-beslissingen bij lead-optimalisatie ondersteunen.
- Discovery Biology: Ondersteunt mechanistische risicoreductie door te verduidelijken hoe grondimpactkrachten worden omgezet in botdeformatie in modellen van het onderlichaam.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve strain-outputs die vergelijking van mechanische condities tussen experimentele groepen mogelijk maken.
- Analytics: Biedt metingen van de maximale hoofdspanning en schuifspanning, waardoor statistische vergelijking van belastingscondities en biologische reacties mogelijk wordt.
- Translationeel onderzoek: Borgt preklinische continuïteit door een schaalbaar, non-invasief platform te bieden voor het evalueren van interventies voor botgezondheid.
- Enterprise Reuse: Fungeert als een herbruikbare computationele pijplijn voor het beoordelen van mechanische invloeden op het musculoskeletale weefsel over meerdere projecten heen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen bij targetvalidatie door ambiguïteit in mechano-biologische relaties te verminderen.
- Operationele waarde: Zorgt voor standaardisatie en reproduceerbaarheid via subjectspecifieke modellering en gecontroleerde dynamische simulaties.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen door vroege detectie van pathologische mechanische reacties in botweefsel mogelijk te maken.
- Impact op portfolio: Informeert risico-gecorrigeerde prioritering door kandidaten te identificeren die overmatige botspanning onder belasting beperken.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in musculoskeletale modellering, eindige-elementenanalyse en verwerking van motion capture-gegevens.
- Afhankelijk van toegang tot CT-scanners, motion capture-systemen, krachtplaten en simulatiesoftware met biomechanische plug-ins.
- Vereist standaardisatie tussen teams voor de plaatsing van markers, berekening van gewrichtscentra en toewijzing van materiaaleigenschappen.
- Houdt rekening met aanpassingen bij het toepassen van het model op verschillende botgeometrieën, leeftijden of pathologische condities.
- Beperkt door de nauwkeurigheid van de inputkinematica en grondreactiekrachten, die strikt gevalideerd moeten worden aan de hand van experimentele gegevens.
Veelgestelde vragen over biopharma
Chapters in this video
0:04
Title
0:50
Preparing for Motion Capture and Recording a Static Body Calibration Pose
1:50
Determining Functional Joint Centers
3:12
Motion Capture of Drop-landing Movement
3:57
Motion Capture Data Processing
4:46
Subject Specific Modeling Procedure
7:44
Results: Tibia Deformation During High Impact Activities
9:03
Conclusion
