Tematyczny model mięśniowo-szkieletowy do badania naprężeń kości podczas ruchu dynamicznego

Podsumowanie

Podczas lądowania, kości dolnej części ciała doświadczają dużych obciążeń mechanicznych i są zdeformowane. Pomiar deformacji kości jest niezbędny, aby lepiej zrozumieć mechanizmy urazów spowodowanych stresem kostnym związanych z uderzeniami. Nowatorskie podejście łączące modelowanie układu mięśniowo-szkieletowego specyficzne dla danego tematu i analizę elementów skończonych służy do pomiaru obciążenia kości piszczelowej podczas ruchów dynamicznych.

Streszczenie

Urazy spowodowane przeciążeniem kości są powszechne w treningu sportowym i wojskowym. Przyczyną mogą być powtarzające się duże siły uderzenia w ziemię podczas treningu. Niezbędne jest określenie wpływu dużych sił uderzenia gruntu na deformację kości dolnej części ciała, aby lepiej zrozumieć mechanizmy urazów spowodowanych przeciążeniem kości. Konwencjonalny pomiar tensometryczny został wykorzystany do badania in vivo deformacji kości piszczelowej. Metoda ta wiąże się z ograniczeniami, takimi jak inwazyjność zabiegu, zaangażowanie niewielu osób i ograniczone dane dotyczące obciążenia z małych obszarów powierzchni kości. Obecne badanie ma na celu wprowadzenie nowatorskiego podejścia do badania naprężeń kości piszczelowej w warunkach dużego obciążenia udarowego. Stworzono model układu mięśniowo-szkieletowego, który ma reprezentować zdrowego mężczyznę (19 lat, 80 kg, 1800 mm). Elastyczny model kości piszczelowej elementów skończonych został stworzony na podstawie tomografii komputerowej (CT) prawej kości piszczelowej badanego. Laboratoryjną rejestrację ruchu wykonano w celu uzyskania kinematyki i sił reakcji gruntu lądowania z różnych wysokości (26, 39, 52 cm). Przeprowadzono wieloobiektowe dynamiczne symulacje komputerowe w połączeniu z analizą modalną elastycznej kości piszczelowej w celu ilościowego określenia odkształcenia kości piszczelowej podczas lądowania. Obliczone dane dotyczące szczepu piszczeli były zgodne z wcześniejszymi badaniami in vivo. Oczywiste jest, że to nieinwazyjne podejście można zastosować do badania nadwyrężenia kości piszczelowej podczas czynności o dużym wpływie na dużą kohortę, co doprowadzi do lepszego zrozumienia mechanizmu uszkodzeń złamań naprężeniowych kości piszczelowej.

Wprowadzenie

Urazy spowodowane przeciążeniem kości, takie jak złamania przeciążeniowe, są ciężkimi urazami spowodowanymi przeciążeniem, wymagającymi długich okresów rekonwalescencji i ponoszącymi znaczne koszty medyczne^1,2. Złamania przeciążeniowe są powszechne zarówno w populacjach wysportowanych, jak i wojskowych. Spośród wszystkich urazów związanych ze sportem, złamania przeciążeniowe stanowią 10% całości³. W szczególności lekkoatleci spotykają się z wyższym wskaźnikiem kontuzji na poziomie 20%⁴. Żołnierze doświadczają również wysokiego wskaźnika złamań przeciążeniowych. Na przykład, 6% wskaźnik obrażeń został zgłoszony dla US Army¹, a 31% wskaźnik obrażeń został zgłoszony w izraelskiej armii⁵. Spośród wszystkich zgłoszonych złamań naprężeniowych, złamanie naprężeniowe kości piszczelowej jest najczęstsze^6,7,8.

Treningi sportowe i fizyczne z wyższym ryzykiem złamania kości piszczelowej są zwykle związane z uderzeniami o podłoże (np. skakanie, lądowanie i cięcie). Podczas lokomocji siła uderzenia w ziemię jest przykładana do ciała, gdy stopa styka się z podłożem. Ta siła uderzenia jest rozpraszana przez układ mięśniowo-szkieletowy i obuwie. Układ kostny służy jako szereg dźwigni umożliwiających mięśniom przyłożenie sił w celu zamortyzowania uderzenia o podłoże⁹. Kiedy mięśnie nóg nie są w stanie odpowiednio zmniejszyć uderzenia o podłoże, kości dolnej części ciała muszą wchłonąć pozostałą siłę. Podczas tego procesu struktura kości ulegnie deformacji. Powtarzające się pochłanianie resztkowej siły uderzenia może skutkować mikrouszkodzeniami kości, które będą się kumulować i przekształcać w złamania przeciążeniowe. Do tej pory informacje związane z reakcją kości na zewnętrzne siły uderzenia w grunt są ograniczone. Ważne jest zbadanie, w jaki sposób kość piszczelowa reaguje na obciążenie mechaniczne wprowadzane przez duże siły uderzenia podczas ruchów dynamicznych. Badanie deformacji kości piszczelowej podczas czynności o dużym natężeniu może prowadzić do lepszego zrozumienia mechanizmu złamań naprężeniowych kości piszczelowej.

Konwencjonalne techniki używane do pomiaru deformacji kości in vivo opierają się na oprzyrządowanych tensometrykach^{10,11,12,13,14,15}. Do wszczepienia tensometrów na powierzchnię kości potrzebne są zabiegi chirurgiczne. Ze względu na inwazyjny charakter, badania in vivo są ograniczone do małej próby ochotników. Ponadto tensometr może monitorować tylko niewielki obszar powierzchni kości. Niedawno wprowadzono nieinwazyjną metodę wykorzystującą symulację komputerową do analizy naprężeń kości^16,17. Metodologia ta pozwala na połączenie modelowania układu mięśniowo-szkieletowego i symulacji obliczeniowych w celu badania naprężeń kości podczas ruchu człowieka.

Model mięśniowo-szkieletowy jest reprezentowany przez szkielet i mięśnie szkieletowe. Szkielet składa się z segmentów kostnych, które są ciałami sztywnymi lub nieodkształcalnymi. Mięśnie szkieletowe są modelowane jako kontrolery za pomocą algorytmu PID (progressive-całkująco-pochodnej). Trzyskładnikowa kontrolka PID wykorzystuje błędy w szacowaniu w celu poprawy dokładności wyjściowej¹⁸. W istocie, regulatory PID reprezentujące mięśnie starają się powielać ruchy ciała, wytwarzając niezbędne siły, aby wytworzyć zmiany długości mięśni w czasie. Regulator PID wykorzystuje błąd na krzywej długości/czasu do modyfikacji siły do odtworzenia ruchu. Ten proces symulacji tworzy wykonalne rozwiązanie koordynujące wszystkie mięśnie, które współpracują ze sobą, aby poruszać szkieletem i wytwarzać ruch ciała.

Jeden lub więcej segmentów w szkielecie modelu mięśniowo-szkieletowego można modelować jako ciała elastyczne, aby umożliwić pomiar deformacji. Na przykład kość piszczelowa może być podzielona na skończoną liczbę elementów, która składa się z tysięcy elementów i węzłów. Wpływ obciążenia mechanicznego na elastyczną kość piszczelową można zbadać za pomocą analizy elementów skończonych (FE). Analiza ES oblicza reakcję poszczególnych elementów na obciążenie w czasie. Wraz ze wzrostem liczby elementów i węzłów kostnych czas obliczeń analizy ES znacznie się wydłuży

.

Aby zmniejszyć koszty obliczeniowe dzięki dokładnej ocenie deformacji ciał elastycznych, modalna analiza ES została opracowana i wykorzystana w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym^19,20. Zamiast analizować reakcje poszczególnych elementów ES na obciążenie mechaniczne w dziedzinie czasu, procedura ta ocenia reakcje mechaniczne obiektu na podstawie różnych częstotliwości drgań w dziedzinie częstotliwości. Ta metoda powoduje znaczne skrócenie czasu obliczeń, zapewniając jednocześnie dokładny pomiar deformacji²⁰. Chociaż modalna analiza ES jest szeroko stosowana do badania zmęczenia mechanicznego w obszarach motoryzacyjnych i lotniczych, zastosowanie tej metody w nauce o ruchu człowieka jest bardzo ograniczone. Al Nazer i wsp. wykorzystali modalną analizę FE do zbadania deformacji kości piszczelowej podczas chodu człowieka i podali zachęcające wyniki^16,17. Jednak na ich metodę duży wpływ miało wykorzystanie jedynie ograniczonych danych kinematycznych z eksperymentu do napędzania symulacji komputerowych; Nie użyto żadnych rzeczywistych sił uderzenia w grunt do wspomagania symulacji. Takie podejście może być rozsądne w przypadku badania powolnych ruchów o niskim wpływie, takich jak chodzenie, ale nie jest wykonalnym rozwiązaniem do badania ruchów o dużym uderzeniu w ziemię. W związku z tym, aby zbadać reakcje kostne dolnej części ciała podczas dynamicznych działań o dużym wpływie, konieczne jest opracowanie innowacyjnego podejścia w celu wyeliminowania ograniczeń związanych z wcześniej opisaną metodą. W szczególności należy opracować metodę wykorzystującą dokładne eksperymentalne dane kinematyczne i rzeczywiste siły uderzenia w grunt. Dlatego celem tego badania było opracowanie specyficznego dla danego obiektu modelu mięśniowo-szkieletowego do przeprowadzenia wieloobiektowych symulacji dynamicznych z modalną analizą FE w celu zbadania obciążenia kości piszczelowej podczas aktywności o dużym obciążeniu. Do przetestowania metody wybrano dynamiczny ruch o dużej sile uderzenia, reprezentowany przez lądowania z różnych wysokości.

Protokół

Eksperyment został przeprowadzony zgodnie z Deklaracją Helsińską. Przed zebraniem danych badany zapoznał się z formularzem zgody zatwierdzonym przez Uniwersytecką Komisję Rewizyjną ds. Instytucjonalnych i podpisał go przed wzięciem udziału w badaniu.

1. Protokół obrazowania CT

1. Zabierz uczestnika do placówki, w której znajduje się tomograf komputerowy. Przed przystąpieniem do badania TK należy skonfigurować tomografię komputerową z następującymi parametrami: grubość warstwy CT 0,625 mm, pole widzenia CT 15 cm x 15 cm oraz automatyczne ustawienie parametrów szczytowego napięcia kilonapięciowego (kVp) i miliamperosekund (mAs) przy użyciu algorytmu maszyny.
2. Poproś uczestnika, aby położył się na stole, który wsuwa się w pierścień w tomografie komputerowym. Poproś uczestnika, aby pozostał bardzo nieruchomy podczas tomografii komputerowej. Zeskanuj każdą nogę oddzielnie od kości piętowej przez dystalny koniec kości udowej.
3. Po zakończeniu badania TK należy wyeksportować obrazy TK w formacie DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine). Wybierz rozmiar obrazu 512 x 512 pikseli (skala szarości).
   UWAGA: Protokół obrazowania CT trwa zwykle krócej niż 1 godzinę. Dawka promieniowania jest minimalna. Nie stanowi większego ryzyka niż to, które występuje podczas normalnych procedur medycznych związanych z prześwietleniem rentgenowskim.

2. Protokół pomiarów antropometrycznych

1. Podczas wizyty w laboratorium, przed przechwyceniem ruchu, zmierz masę ciała uczestnika (kg), wzrost ciała (mm), odległość między kolcami biodrowymi przednimi górnymi (ASIS) (mm), długość nóg (mm), szerokość stawu kolanowego (mm) i szerokość stawu skokowego (mm).
2. Pomiar odległości między ASIS: Użyj suwmiarki, aby zmierzyć odległość liniową między lewym a prawym ASIS.
3. Pomiar długości nóg: Użyj taśmy mierniczej, aby zmierzyć odległość liniową ASIS i kostki przyśrodkowej dla obu nóg.
4. Pomiar szerokości stawu kolanowego: Użyj suwmiarki, aby zmierzyć odległość liniową między bocznymi i przyśrodkowymi nadkłykciami kości udowej dla obu kolan.
5. Pomiar szerokości stawu skokowego: Użyj suwmiarki, aby zmierzyć odległość liniową między kostkami bocznymi i przyśrodkowymi dla obu nóg.
   UWAGA: Odległość między ASIS, długość nóg, szerokość kolana i kostki są wykorzystywane do budowy modelu przedmiotowego w oprogramowaniu biomechanicznym (patrz Tabela materiałów) do wykonywania obliczeń kinematycznych i kinetycznych.

3. Protokół przechwytywania ruchu

UWAGA: Zobacz Spis Materiałów dla wszystkich używanych programów i narzędzi.

1. Rozmieszczenie znaczników odblaskowych
   1. Umieść 14-milimetrowe znaczniki odblaskowe na ciele uczestnika w następujących anatomicznych punktach orientacyjnych: wyrostki barkowe, stawy mostkowo-obojczykowe, podstawa mostka, wyrostek tylny 10^kręgów piersiowych, ASIS, kolce biodrowe tylno-górne (PSIS), 1,5 cm powyżej linii bocznej stawu kolanowego, 1,5 cm powyżej linii przyśrodkowej stawu kolanowego, kostki boczne, kostki przyśrodkowe, pięty tylne, podstawy drugiej kości śródstopia i podstawy piątej kości śródstopia.
   2. Umieść półsztywne plastikowe płytki z 4-znacznikowymi klastrami odpowiednio na udach i podudziach.
      UWAGA: Aby uzyskać lepszy wynik przechwytywania ruchu, zaleca się, aby uczestnik był boso i nosił obcisłe ubrania. Ponadto procedura umieszczania znaczników jest zgodna ze zmodyfikowanym protokołem "Plug-in-Gait"²¹. Do przechwytywania ruchu używanych jest łącznie 39 odblaskowych znaczników, a 34 z nich są przymocowane do dolnej części ciała.
2. Poinstruuj uczestnika, aby rozgrzał się, chodząc po zmotoryzowanej bieżni z samodzielnie wybraną prędkością przez 5 minut.
3. Kalibracja przestrzeni pomieszczenia do procedury przechwytywania ruchu
   1. Włącz system przechwytywania ruchu (12 szybkich kamer na podczerwień) i dwie płytki siłowe. Otwórz program do przechwytywania ruchu. W głównym oknie programu otwórz okienko "Zasoby". Kliknij zakładkę "System". Skonfiguruj częstotliwość kamery na 200 Hz i wymuś częstotliwość płytki na 2,000 Hz.
   2. W głównym oknie programu otwórz panel "Narzędzia". Kliknij przycisk "Przygotowanie systemu". Kliknij "Kalibruj kamery". Kliknij "Start". Poproś personel badawczy o pomachanie standardową różdżką kalibracyjną z 5 markerami w celu przeprowadzenia kalibracji dynamicznej w pomieszczeniu, w którym mają być wykonywane ruchy lądowania. Kliknij "Stop" po 5 sekundach uzyskania danych różdżki.
   3. Umieść różdżkę kalibracyjną płasko na podłodze, aby wyrównać ją z rogiem płytki siłowej w celu określenia położenia odniesienia (początku) dla skalibrowanej przestrzeni. Kliknij "Ustaw początek woluminu" w okienku narzędzi "Przygotowanie systemu".
4. Przygotowanie uczestników w programie do przechwytywania ruchu
   1. W głównym oknie programu otwórz okienko "Zasoby". Kliknij zakładkę "Temat". Kliknij przycisk "Utwórz nowy temat ze szkieletu etykietowania". Wybierz szablon etykietowania z podanej listy plików szablonów.
   2. W oknie "właściwości" wprowadź imię i nazwisko osoby oraz wartości masy ciała (kg), wzrostu ciała (mm), odległości między ASIS (mm), długości lewej i prawej nogi (mm), szerokości lewego i prawego kolana (mm) oraz szerokości lewej i prawej kostki (mm). W okienku "Zasoby tematu" kliknij prawym przyciskiem myszy nazwę tematu i kliknij "Zapisz temat".
5. Nagraj statyczną pozę do kalibracji ciała
   1. Poproś uczestnika, aby stał nieruchomo na środku skalibrowanego pomieszczenia ze stopami rozstawionymi na szerokość barków, jednocześnie rozciągając kończyny górne na boki, tak aby wszystkie odblaskowe znaczniki na ciele były dobrze naświetlone kamerom.
   2. W oknie głównym programu otwórz panel Narzędzia. Kliknij zakładkę "Przygotowanie tematu". W sekcji Przechwytywanie obiektu kliknij "Start", aby nagrać 3-sekundową próbę ruchu, która będzie próbą kalibracji statycznej.
6. Procedura określania funkcjonalnych ośrodków stawowych
   1. Funkcjonalny środek stawu biodrowego
      1. Poproś uczestnika, aby stanął na jednej nodze, a drugą całkowicie wyciągnął lekko do przodu. Poinstruuj uczestnika, aby poruszał wyprostowaną nogą wokół stawu biodrowego w następującej kolejności: ruch do przodu i powrót do pozycji neutralnej, ruch przód-bok i powrót do pozycji neutralnej, ruch boczny i powrót do punktu neutralnego, ruch tylno-boczny i powrót do punktu neutralnego, ruch do tyłu i powrót do neutralności oraz ruch obwodowy.
      2. W głównym oknie programu otwórz panel "Narzędzia", kliknij kartę "Przechwyć". W sekcji Przechwytywanie kliknij "Start", aby nagrać próbę ruchu dla każdego funkcjonalnego ruchu biodra.
   2. Funkcjonalne centrum stawu kolanowego
      1. Poproś uczestnika, aby stanął jedną nogą i utrzymał 30-stopniowy wyprost biodra drugiej nogi. Poinstruuj uczestnika, aby wykonał zgięcie kolana pod kątem 45° z nogą nienośną 5 razy.
      2. W sekcji "Przechwytywanie" w panelu "Narzędzia" kliknij "Start", aby nagrać próbę ruchu dla każdego funkcjonalnego ruchu kolana.
         UWAGA: Szczegółowe informacje na temat procedury funkcjonalnego stawu można znaleźć w Schwarz i wsp.²²
7. Przechwytywanie ruchu podczas lądowania
   1. Losowo wybierz kolejność używania trzech różnych wysokości lądowania (26 cm, 39 cm i 52 cm)¹⁴.
   2. Umieść drewnianą skrzynkę o regulowanej wysokości o powierzchni górnej 50 x 50 cm² na podłodze pokrytej gumową matą. Drewniana skrzynka znajduje się 11 cm od krawędzi płyt siłowych. Poproś uczestnika, aby stanął na powierzchni pudełka.
   3. Poinstruuj uczestnika, aby wyprostował swoją dominującą stopę bezpośrednio przed pudełkiem i przeniósł ciężar ciała do przodu, a następnie zszedł z pudełka. Poproś uczestnika, aby wylądował obiema nogami na ziemi w tym samym czasie, z każdą stopą na osobnej płycie siłowej.
   4. Poproś uczestnika, aby pozostał w pozycji stojącej do momentu zakończenia przechwytywania ruchu podczas próby. Powtórz przechwytywanie ruchu trzy razy, aby zebrać trzy próby ruchu dla każdej wysokości.
8. Przetwarzanie danych przechwytywania ruchu
   1. Otwórz program do przechwytywania ruchu. W głównym oknie programu przejdź do okienka "Komunikacja". Kliknij zakładkę "Zarządzanie danymi". Wybierz jedną z nagranych prób ruchu i otwórz ją w programie.
   2. W okienku "Narzędzia" kliknij kartę "Potok". Z listy "Bieżący potok" wybierz potok "Rekonstruuj". Kliknij przycisk "Uruchom", aby rozpocząć proces rekonstrukcji w celu uzyskania trójwymiarowych (3D) trajektorii znaczników odblaskowych.
   3. W okienku "Narzędzia" kliknij kartę "Etykieta/Edycja". W sekcji "Etykietowanie ręczne" wybierz nazwy poszczególnych znaczników i oznacz odpowiednie trajektorie 3D. Kliknij przycisk "Zapisz" na pasku narzędzi po zakończeniu etykietowania.
   4. W okienku "Narzędzia" kliknij kartę "Potok". W sekcji "Dostępne operacje" wybierz "Eksport plików". Kliknij dwukrotnie "Eksportuj potok C3D". Kliknij przycisk "Uruchom", aby wyeksportować przetworzoną próbę ruchu do pliku w formacie trójwymiarowym (C3D).
9. Biomechaniczna analiza danych przechwytywania ruchu
   1. Otwórz oprogramowanie do biomechaniki, aby dalej przetwarzać dane przechwytywania ruchu. W górnym menu kliknij "Plik" i kliknij przycisk "Otwórz/Dodaj". Wybierz surowe pliki C3D, aby zaimportować je do oprogramowania biomechanicznego.
   2. W górnym menu kliknij "Model". Kliknij "Utwórz (Dodaj plik kalibracji statycznej)". Z podmenu wybierz "Model hybrydowy od C3DFile". Wybierz i otwórz plik C3D kalibracji statycznej.
   3. W górnym menu kliknij "Model". Z listy rozwijanej kliknij "Zastosuj szablon modelu". Wybierz i otwórz plik szablonu modelu. Kliknij zakładkę "Modele" na pasku narzędzi. Kliknij zakładkę "Dane tematyczne / Metryki". W oknie "Dane obiektu" zmodyfikuj wartości "Masa" i "Wysokość", aby dostosować model do konkretnego tematu.
   4. Kliknij zakładkę "Modele" na pasku narzędzi. Kliknij przycisk "Model Builder Advanced Post Processing" na górnym pasku menu. W wyskakującym oknie "Model Builder Advanced Post Processing" kliknij zakładkę "Functional Joints". Wybierz opcję "Dodaj plik ruchu z obszaru roboczego".
   5. Wybierz pliki C3D centrum połączeń funkcjonalnych. Podświetl zaimportowany plik połączenia funkcjonalnego. Podświetl funkcjonalny przegub pasujący do pliku. Użyj opcji "Ustaw klatkę START na bieżącą klatkę" i "Ustaw klatkę końcową na bieżącą klatkę", aby wybrać odpowiednie części próby ruchu. Kliknij przycisk "Oblicz zaznaczone punkty orientacyjne". Powtórz ten proces, aby obliczyć inne funkcjonalne centra stawów w celu udoskonalenia modelu szkieletowego.
   6. Kliknij przycisk "Model" na górnym pasku menu. Wybierz opcję "Przypisz model do plików ruchu". W wyskakującym oknie "Przypisz modele do danych ruchu" zastosuj model szkieletowy specyficzny dla danego tematu do wszystkich prób ruchu.
   7. Kliknij przycisk "Rurociąg" na pasku narzędzi. W wyskakującym okienku "Pipeline Workshop" kliknij przycisk "Open Pipeline". Wybierz potok "Filtrowanie obiektów docelowych". Kliknij przycisk "Execute Pipeline" (Wykonaj potok), aby wykonać dolnoprzepustowy filtr Butterwortha czwartego rzędu z częstotliwością odcięcia 10 Hz na trajektoriach 3D prób przechwytywania ruchu.
   8. Kliknij przycisk "Rurociąg" na pasku narzędzi. W wyskakującym okienku "Pipeline Workshop" kliknij przycisk "Open Pipeline". Wybierz "Potok sił filtrowania". Kliknij przycisk "Execute Pipeline", aby wykonać dolnoprzepustowy filtr Butterwortha czwartego rzędu z częstotliwością odcięcia 60 Hz na naziemnych siłach reakcji prób przechwytywania ruchu.
   9. Kliknij przycisk "Ustawienia" na górnym pasku menu. Umieść znaczniki wyboru obok opcji "Użyj przetworzonych analogów do obliczeń siły reakcji gruntu" i "Użyj przetworzonych celów dla elementów modelu/segmentu/LinkModelBased Items".
   10. Kliknij przycisk "Rurociąg" na pasku narzędzi. W wyskakującym okienku "Pipeline Workshop" kliknij przycisk "Open Pipeline". Wybierz potok "Obliczenia oparte na modelu". Kliknij przycisk "Wykonaj rurociąg", aby wykonać obliczenia kinematyki i kinetyki stawów dolnej części ciała.
   11. Kliknij przycisk "Rurociąg" na pasku narzędzi. W wyskakującym okienku "Pipeline Workshop" kliknij przycisk "Open Pipeline". Wybierz potok "Eksportuj współrzędne C3D". Kliknij przycisk "Wykonaj potok", aby wyeksportować przetworzone współrzędne 3D znaczników wizualnych dolnej części ciała w pliku C3D.
   12. Kliknij przycisk "Rurociąg" na pasku narzędzi. W wyskakującym okienku "Pipeline Workshop" kliknij przycisk "Open Pipeline". Wybierz potok "Eksportuj siły reakcji gruntu". Kliknij przycisk "Wykonaj rurociąg", aby wyeksportować przetworzone siły reakcji gruntu 3D do pliku binarnego (rozszerzenie pliku: MAT).
       UWAGA: Aby zachować wysokie wartości uderzeniowe podczas lądowań, częstotliwość odcięcia 60 Hz jest używana do filtrowania surowych danych o sile reakcji gruntu²³.
10. Przygotowanie danych motion capture do symulacji komputerowych
    1. Otwórz oprogramowanie do programowania komputerowego. Zaimportuj przefiltrowany plik danych C3D i plik danych MAT.
    2. Eksportuj plik tekstowy zawierający współrzędne środka połączenia dolnego korpusu. Przekonwertuj plik danych C3D i plik danych MAT na pliki tekstowe (rozszerzenie pliku: slf) do użycia przez program do symulacji dynamicznej wielu obiektów.

4. Procedura modelowania specyficzna dla danego tematu

1. Tworzenie modelu szkieletu dolnej części ciała
   1. Otwórz oprogramowanie do symulacji dynamicznej wielu ciał z zainstalowaną wtyczką do modelowania ludzkiego ciała. Podczas tego procesu automatycznie otwiera się moduł wtyczki do modelowania ludzkiego ciała. Na ekranie powitalnym kliknij dwukrotnie ikonę "Nowy model", aby otworzyć panel sterowania budynku modelu.
   2. W głównym panelu modelowania, w sekcji "Biblioteka antropometrycznych baz danych", wybierz z listy rozwijanej bryłę ogólną (GeBOD). W głównym panelu modelowania określ masę ciała (kg), wzrost ciała (mm), płeć i wiek (miesiące).
   3. W głównym panelu modelowania, w sekcji "Konfiguracja ciała", kliknij przycisk radiowy "Dolna część ciała". Z listy rozwijanej "Jednostki" wybierz "Milimetr kilogram Newton". W głównym panelu modelowania kliknij przycisk "Zastosuj" w sekcji "Utwórz tabelę wymiarów ciała", aby zaakceptować wymiary ciała. Kontynuuj klikanie przycisku "Zastosuj" w sekcji "Utwórz segmenty ludzkie", aby utworzyć model podstawowy szkieletu dolnej części ciała.
      UWAGA: Ten model jest skalowany na podstawie wzrostu, masy, wieku i płci danej osoby. Model składa się z siedmiu segmentów: miednicy, dwóch ud, dwóch podudzi i dwóch stóp (Ryc. 1). Wszystkie segmenty są modelowane jako obiekty sztywne.
2. Modelowanie stawów dolnych partii ciała
   1. W głównym panelu modelowania, z listy rozwijanej menu głównego, wybierz "Połączenia", aby otworzyć panel konfiguracji połączeń.
   2. W panelu konfiguracji połączenia, w sekcji "ELEMENTY ROTACJI POŁĄCZEŃ" kliknij przycisk obok przycisku "Przygotuj model z zapisem połączeń". W sekcji "Amortyzatory sprężynowe i właściwości granic połączeń" wprowadź następujące parametry: Nominalna sztywność złącza: 1 Nmm/°, Nominalne tłumienie złącza: 0,1 Nmm∙s/°, Sztywność ogranicznika połączenia: 3,38E7 Nmm/°. Kontynuuj wybieranie "Lewa noga" i "Prawa noga", zaznaczając przyciski radiowe obok nazw. Kliknij przycisk "Zastosuj", aby zaakceptować konfiguracje połączeń.
   3. W głównym panelu modelowania, z listy rozwijanej menu głównego, wybierz "Przepływ pracy". Z listy rozwijanej podmenu wybierz "Chód" i "Kalibruj". W sekcji "Dane środka stawu" wprowadź plik środka stawu dolnej części ciała uczestnika.
   4. Kliknij przycisk "Załaduj", aby zaimportować dane w celu modyfikacji lokalizacji wspólnych środków. W sekcji "Load Static Trial" wprowadź próbę statycznej kalibracji motion capture (w formacie pliku slf, generowanie opisane w krokach 3.8-3.10). Kliknij przycisk "Załaduj", aby zaimportować plik w celu sparametryzowania modelu szkieletu dolnej części ciała.
      UWAGA: Domyślnie stawy biodrowe są skonfigurowane jako przeguby sferyczne z trzema stopniami swobody, stawy kolanowe są skonfigurowane jako przeguby obrotowe z jednym stopniem swobody, a stawy skokowe są skonfigurowane jako przeguby uniwersalne z dwoma stopniami swobody.
3. Modelowanie mięśni szkieletowych
   1. W głównym panelu modelowania, z listy rozwijanej menu głównego, wybierz "Tkanki miękkie". Z listy rozwijanej podmenu wybierz "Utwórz zestaw tkanek bazowych". W sekcji "ELEMENTY KURCZLIWE MIĘŚNI" kliknij "Przygotuj model z zapisem elementów mięśniowych".
   2. W sekcji "GLOBAL RECORDING ELEMENT MUSCLE PROPERTIES" kliknij przycisk radiowy "Updated 45 Muscle Set".
   3. W sekcji "GLOBAL RECORDING ELEMENT MUSCLE PROPERTIES" zaakceptuj następujące ustawienia domyślne dla właściwości mięśni: Sztywność pasywna 0,4448 N/mm, Tłumienie pasywne 1,75 E-2 Ns/mm, Obciążenie spoczynkowe mięśni 0,4448 N. Sprawdź przyciski radiowe "Lewa noga" i "Prawa noga" dla przypisania mięśni. Kliknij przycisk "Zastosuj", aby zaakceptować konfiguracje.
      UWAGA: Zestaw 45 mięśni nóg obejmuje następujące mięśnie: Przywodziciel Brevis, Przywodziciel długi, Przywodziciel wielki (trzy grupy), Biceps Femoris Długa głowa, Biceps Femoris Krótka głowa, Prostownik Digitorum, Prostownik palucha, Zginacz Digitorum, Zginacz halusza, Brzuchaty łydki, Gemellus, Pośladek Wielki (trzy grupy), Pośladek środkowy (trzy grupy), Pośladek Minimis (trzy grupy), Gracilis, Ścięgno podkolanowe, Biodrówka, Brzuchaty łydki boczny, Brzuchaty łydki przyśrodkowy, Piersioneusz, Peroneus brevis, Peroneus Longus, Peroneus tertius, Piriformis, Psoas, Mięsień czworogłowy uda, Rectus Femoris, Sartorius, Semimembranosus, Semitendinosus, Soleus, Tensor Fasciae Latae, Tibialis Anterior, Tibialis Posterior, Vastus Intermedius, Vastus lateralis, Vastus medialis.

5. Symulacje dynamiki wielu ciał

1. Przeprowadzanie symulacji kinematyki odwrotnej
   1. W głównym panelu modelowania, z listy rozwijanej menu głównego, wybierz "Przepływ pracy". Z listy rozwijanej podmenu wybierz "Chód" i "Próba". W sekcji "Dynamiczne dane próbne" wprowadź nazwę pliku próby dynamicznego przechwytywania ruchu (w formacie pliku slf) i kliknij przycisk "Załaduj", aby zaimportować dane. Kontynuuj wprowadzanie odpowiedniego pliku danych siły reakcji gruntu (w formacie pliku slf) i kliknij przycisk "Załaduj", aby zaimportować dane.
   2. W głównym panelu modelowania, z listy rozwijanej menu głównego, wybierz "_Analyze". Uruchom analizę ponownego parametryzowania, aby dostosować postawę modelu tak, aby pasowała do pozycji na początku próby dynamicznej.
   3. Otwórz panel Simulation (Symulacja). Wyłącz działanie grawitacji i sił reakcji gruntu. Wybierz całą próbę ruchu jako długość symulacji.
   4. Określ krok czasowy symulacji wynoszący 100 kroków/s. Uruchom symulację kinematyki odwrotnej na podstawie danych przechwytywania ruchu. Zapisz analizę symulacji kinematyki odwrotnej.
2. Tworzenie agenta śledzenia ruchu
   1. Otwórz panel Motion Tracker Agent Creation (Tworzenie agenta) programu Motion Tracker. Zaakceptuj domyślną nazwę trackera: MA_Track.
   2. Ustaw sztywność translacyjną i sztywność obrotową odpowiednio na 10 N/mm i 1 000 Nmm/°. Ustaw tłumienie translacyjne i tłumienie obrotowe odpowiednio na 10 ns/mm i 1,000 Nmms/°. Ustawia wszystkie translacyjne i obrotowe stopnie swobody jako Sterowane.
   3. nuta. Ponieważ do symulacji dynamicznej do przodu używany jest tylko model dolnej części ciała, śledzenie ruchu jest niezbędne do uwzględnienia niestabilności spowodowanej brakiem ruchu górnej części ciała.
3. Trening mięśni nóg
   1. Otwórz panel konfiguracyjny Soft Tunion. Wybierz Closed-loop Simple dla modelu mięśniowego. Ustaw następujące parametry dla modelu mięśni: Wzmocnienie proporcjonalne 1,0E6, Wzmocnienie całkujące 1,0E6 i Wzmocnienie pochodne 1,0E4.
   2. Wybierz analizę symulacji kinematyki odwrotnej, która ma być celem treningu mięśni. Zastosuj trening mięśni.
4. Importowanie elastycznej tibii
   1. Otwórz panel Import bryły elastycznej. Wykonaj mapowanie wyrównania z trzema znanymi twórcami i odpowiadającymi im węzłami na powierzchni elastycznej kości piszczelowej.
   2. Wybierz sztywną piszczel, która ma zostać zastąpiona elastyczną piszczelem. Wybierz plik MNF reprezentujący elastyczną kość piszczelową. Wybierz plik mapowania przyczepu mięśniowego, aby ponownie przymocować mięśnie nóg do elastycznej kości piszczelowej. Zaimportuj elastyczną kość piszczelową do modelu mięśniowo-szkieletowego.
5. Przeprowadzanie symulacji dynamicznej do przodu z elastyczną kością piszczelową na miejscu
   1. Otwórz panel Simulation (Symulacja). Włącz efekty grawitacji i sił reakcji gruntu. Wyłącz efekty agentów ruchu.
   2. Wybierz, czy symulacja ma być uruchamiana na czas trwania całego okresu próbnego ruchu. Ustaw krok czasowy symulacji na 100 kroków/s. Przeprowadź symulację dynamiki do przodu napędzaną przez wytrenowane mięśnie. Zapisz analizę dynamiczną do przodu.

6. Tworzenie elastycznego modelu Tibii

1. Tworzenie modelu siatki powierzchni 3D
   1. Otwórz program do przetwarzania obrazu. Importowanie wycinków CT w formacie DICOM. Utwórz maskę przy użyciu metody uprawy regionu, aby oddzielić tkankę kostną od otaczających tkanek miękkich.
   2. Wyszukaj wycinki CT w miejscach, w których kość piszczelowa i strzałkowa są połączone. Oddziel kość piszczelową i strzałkową, wymazując maskę wzdłuż połączenia dwóch kości.
   3. Utwórz drugą maskę, korzystając z metody uprawy regionu, aby uwzględnić tylko kość piszczelową. Przejdź przez plastry CT, aby odkryć ubytki istniejące w masce piszczelowej. Wypełnij ubytki w masce. Utwórz obiekt 3D tibia na podstawie maski tibii. Wyeksportuj obiekt 3D tibia jako plik w formacie DXF (drawing interchange format).
2. Tworzenie modelu tibii metodą elementów skończonych
   1. Otwórz oprogramowanie do analizy ES. Zaimportuj plik modelu 3D tibia z rozszerzeniem DXF.
   2. Wykonaj polecenie Przeciągnij, aby usunąć zduplikowane elementy i węzły. Wykonaj polecenie Volume Mesh, aby utworzyć model piszczeli FE z sześciokątnymi elementami o wymiarach 3 mm x 3 mm x 3 mm. Wszystkim elementom przypisz następujące właściwości materiału: moduł Younga wynoszący 17 GPa, współczynnik Poissona wynoszący 0,3 i gęstość 1,9E-6 kg/cm³,
      UWAGA: Właściwości materiału są przypisywane do każdego elementu przy założeniu, że tkanka kostna jest izotropowa w zakresach odkształceń doświadczanych przez kość podczas ruchów dynamicznych^24,25,26.
3. Tworzenie elastycznego modelu tibii
   1. W głównym panelu sterowania kliknij zakładkę "Geometria i siatka". Wybierz "Geometria i siatka". W wyskakującym oknie "Geometria i siatka", w sekcji "Siatka" kliknij "Dodaj węzły", aby utworzyć dwa nowe węzły reprezentujące środki stawów kolanowych i skokowych.
   2. W głównym panelu sterowania kliknij zakładkę "Łącza". Wybierz RBE2. W oknie podręcznym RBE2 utwórz połączenia elementu bryły sztywnej typu 2 (RBE2) między węzłami stawu a węzłami powierzchni na powierzchniach kolana i kostki.
   3. W głównym panelu sterowania kliknij zakładkę "Warunki brzegowe". W sekcji "Warunki brzegowe" kliknij przycisk "Nowy". Wybierz "DOF_Set węzłów". W wyskakującym oknie "Właściwości warunku brzegowego" utwórz warunek brzegowy, przypisując sześć stopni swobody do każdego z dwóch węzłów połączenia RBE2.
   4. W głównym panelu sterowania kliknij zakładkę "Przypadki obciążeń". W sekcji "Przypadki obciążeń" kliknij "Nowy", wybierz "Adams Craig-Bampton"¹⁹. W wyskakującym oknie "Właściwości przypadku obciążenia" kliknij "Węzły ustawione przez DOF". Wybierz dofset_nodes utworzone w powyższym kroku.
   5. W głównym panelu sterowania kliknij zakładkę "Zadania". W sekcji "Oferty pracy" kliknij "Nowy". Wybierz "Strukturalne". W wyskakującym oknie "Właściwości zadania" wybierz przypadek obciążenia utworzony w poprzednim kroku. Kliknij przycisk "Wyniki zadania". W wyskakującym oknie "Wyniki" wybierz "Stres" i "Obciążenie". Wybierz także "Kilogram" dla masy, "Newton" dla siły, "Milimetr" dla długości i "Sekunda" dla czasu. Kliknij przycisk "Uruchom".
   6. W wyskakującym oknie "Uruchom zadanie" kliknij przycisk "Prześlij", aby przesłać zadanie do symulacji FE i utworzyć plik modalnie neutralny (MNF) klasy tibia16.

7. Analizy danych odkształceń

1. Eksportowanie danych o odkształceniach kości
   1. Otwórz postprocesor programu do symulacji wielu obiektów. Załaduj program wtyczki Durability.
   2. Otwórz symulację z elastyczną piszczelem, klikając nazwę symulacji. Eksportuj maksymalne i minimalne odkształcenia główne oraz maksymalne odkształcenie ścinające węzłów reprezentujących przednio-przyśrodkowy aspekt trzonu piszczelowego.
2. Przetwarzanie surowych danych odkształceń
   1. Otwórz oprogramowanie do programowania komputerowego w celu przetwarzania danych. Importowanie nieprzetworzonych danych odkształceń. Zastosuj dolnoprzepustowy filtr Butterwortha czwartego rzędu do surowych danych z częstotliwością odcięcia 15 Hz.

Wyniki

Zdrowy mężczyzna rasy kaukaskiej (19 lat, wzrost 1,800 mm, masa 80 kg) zgłosił się na ochotnika do badania. Przed zebraniem danych badany zapoznał się z formularzem zgody zatwierdzonym przez Uniwersytecką Komisję Rewizyjną ds. Instytucjonalnych i podpisał go przed wzięciem udziału w badaniu. Eksperyment został przeprowadzony w ramach Deklaracji Helsińskiej. Eksperyment został przeprowadzony w oparciu o następujący protokół.

W ce...

Dyskusja

Celem tego badania było opracowanie nieinwazyjnej metody określania deformacji kości piszczelowej podczas czynności o dużym obciążeniu. Kwantyfikacja odkształcenia kości piszczelowej spowodowanego obciążeniem udarowym doprowadzi do lepszego zrozumienia złamań naprężeniowych kości piszczelowej. W ramach tego badania opracowano model mięśniowo-szkieletowy specyficzny dla danego pacjenta i przeprowadzono symulacje komputerowe w celu odtworzenia ruchów lądowania wykonywanych w warunkach laboratoryjnych. Zbadano wpływ wysokoś...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Tomograf komputerowy	GE Medical System	Nie dotyczy	prędkości światła VCT. Do wykonywania tomografii komputerowej kości piszczelowej.
System przechwytywania ruchu	Vicon Inc	N/A	Szybkie kamery Vicon FX40. Do przechwytywania ruchu 3D.
Płyty siłowe	AMTI Inc	N/A	Zbieranie sił reakcji gruntu 3D
Vicon Nexus	Vicon Inc	N/A	Program do przechwytywania ruchu. Do przetwarzania wizualnych danych trajektorii znaczników.
Wizualne oprogramowanie do	C-Motion Inc	N/A	. Do obliczania kinematyki 3D i kinetyki ruchów człowieka.
MATLAB	Mathworks Inc	Nie dotyczy	Oprogramowanie do programowania komputerowego. Do filtrowania danych pierwotnych, konwersji danych i przetwarzania danych.
ADAMS 2012	MSC Software Inc	N/A	Multibody Dynamiczny program do symulacji komputerowej.
LifeMOD	Lifemodeler Inc	N/A	Wtyczka programowa w systemie ADAMS. Do budowy modeli mięśniowo-szkieletowych ludzkiego ciała.
MIMICS 13	Materialise Inc	/A	Program do przetwarzania obrazu. Narzędzie do modelowania 3D do przetwarzania danych obrazowych. Do tworzenia modelu 3D kości piszczelowej z tomografii komputerowej.
MARC 2012	MSC Software Inc	dotyczy	oprogramowania do analizy metodą elementów skończonych. Do wykonywania siatek objętościowych, generowania modelu ES tibii i uruchamiania analizy modalnej ES.
SPSS 19	IBM Inc	/A	Oprogramowanie do analizy statystycznej.