Tematyczny model mięśniowo-szkieletowy do badania naprężeń kości podczas ruchu dynamicznego
11 kwietnia 2018
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.
Ogólnym celem tej procedury jest stworzenie specyficznego dla pacjenta modelu mięśniowo-szkieletowego do analizy odkształceń kości. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie inżynierii biomedycznej, takie jak ilościowe określanie deformacji kości człowieka podczas ruchu dynamicznego. Główną zaletą tej techniki jest to, że zastosowano nieinwazyjne podejście do badania wytrzymałości kości podczas dynamicznych aktywności fizycznych.
Procedurę zademonstrują Marisa Loo i Kerstyn Hall, doktorantki z mojego laboratorium. Aby rozpocząć tę procedurę, wykonaj tomografię komputerową i pomiar antropometryczny na obiekcie. Następnie umieść odblaskowe znaczniki o średnicy 14 mm na ciele uczestników, zgodnie z opisem w protokole tekstowym.
Umieść półsztywne plastikowe talerze z czterema znacznikami na udach i podudziach uczestników. Po wprowadzeniu informacji o obiektach do programu do przechwytywania ruchu, poproś ich, aby stali nieruchomo na środku skalibrowanego pomieszczenia ze stopami rozstawionymi na szerokość barków. Następnie poproś ich, aby wyprostowali kończyny górne na boki, tak aby wszystkie odblaskowe znaczniki były dobrze wyeksponowane przed kamerami.
W oknie głównym programu otwórz panel narzędzi, kliknij kartę przygotowania tematu. W sekcji przechwytywania tematu kliknij przycisk Start, aby nagrać trzysekundową próbę ruchu, która ma być próbą kalibracji statycznej. Aby rozpocząć określanie funkcjonalnego środka stawu biodrowego, poproś uczestnika, aby stanął na jednej nodze, jednocześnie całkowicie wysuwając drugą nogę lekko do przodu.
Poinstruuj uczestnika, aby przesunął wyprostowaną nogę wokół stawu biodrowego do przodu i powrócił do pozycji neutralnej. Przednie boczne i wróć do neutralnego. A następnie na boki i wróć do neutralnego.
Następnie poproś uczestnika, aby poruszał tą samą nogą wokół stawu biodrowego z tyłu lub na boki i powrócił do pozycji neutralnej. Z tyłu i wróć do pozycji neutralnej. A potem ruchem okrężnym.
W głównym oknie programu otwórz panel narzędzi, kliknij kartę przechwytywania, a następnie w sekcji przechwytywania kliknij przycisk Start, aby nagrać próbę ruchu dla każdego funkcjonalnego ruchu biodra. Aby rozpocząć określanie funkcjonalnego środka stawu kolanowego, poproś uczestnika, aby stanął na jednej nodze, utrzymując 30-stopniowy przeprost biodra drugiej nogi. Następnie poinstruuj uczestnika, aby wykonał zgięcie kolana pod kątem 45 stopni za pomocą nogi nieobciążonej.
Niech powtórzą to pięć razy. W sekcji przechwytywania okienka narzędzi kliknij przycisk Start, aby nagrać próbę ruchu dla każdego funkcjonalnego ruchu kolana. Umieść drewnianą skrzynkę o regulowanej wysokości na powierzchni podłogi pokrytej gumową matą, upewniając się, że znajduje się ona około 11 cm od krawędzi płyt siłowych.
Następnie poproś uczestnika, aby stanął na pudełku. Poinstruuj uczestnika, aby wyprostował swoją dominującą stopę bezpośrednio przed pudełkiem, a następnie poproś go, aby przeniósł ciężar ciała do przodu i zszedł z pudełka. Nogi obu uczestników powinny wylądować na ziemi w tym samym czasie, przy czym każda stopa uderza w oddzielną płytkę siłową, poproś uczestnika, aby pozostał w pozycji stojącej do momentu zakończenia przechwytywania ruchu próby.
Powtórz przechwytywanie ruchu trzy razy, aby zebrać trzy próby ruchu dla każdej wysokości. Najpierw otwórz oprogramowanie do przechwytywania ruchu. W oknie głównym przejdź do panelu komunikacja, kliknij kartę zarządzanie danymi i wybierz jedną z zarejestrowanych prób ruchu.
Otwórz dane wersji próbnej w programie. W okienku narzędzi kliknij kartę potoku. Z bieżącej listy rurociągów wybierz rurociąg rekonstrukcji, kliknij przycisk uruchom, aby rozpocząć proces rekonstrukcji w celu uzyskania trójwymiarowych trajektorii znaczników odblaskowych.
Przejdź do panelu narzędzi i kliknij kartę edycji etykiety, w sekcji ręcznego etykietowania wybierz nazwy poszczególnych znaczników i oznacz odpowiednie trajektorie 3D. Po zakończeniu etykietowania kliknij przycisk zapisywania na pasku narzędzi. Aby rozpocząć tworzenie modelu szkieletu dolnej części ciała, otwórz program do symulacji dynamicznej wielu ciał z zainstalowaną wtyczką do modelowania ludzkiego ciała.
Na ekranie powitalnym kliknij dwukrotnie ikonę nowego modelu, aby otworzyć panel sterowania budynku modelu, w sekcji biblioteki antropometrycznej bazy danych głównego panelu modelowania wybierz ogólne ciało z listy rozwijanej, określ masę ciała, wysokość ciała, płeć i wiek. W sekcji konfiguracji nadwozia w głównym panelu modelowania kliknij przycisk radiowy dolnego korpusu, z listy rozwijanej jednostek wybierz mm, kg, Newton; Kliknij przycisk Zastosuj w sekcji Utwórz tabelę wymiarów ciała, aby zaakceptować wymiary ciała. Kontynuuj klikanie przycisku Zastosuj w sekcji tworzenia segmentu ludzkiego, aby utworzyć model podstawy szkieletu dolnej części ciała.
Aby rozpocząć modelowanie dolnych połączeń korpusu, otwórz listę rozwijaną menu głównego w głównym panelu modelowania i wybierz połączenia, aby otworzyć panel konfiguracji połączeń. W sekcji elementu obrotu połączenia w panelu konfiguracji połączenia kliknij przycisk obok opcji przygotuj model z zapisem połączeń. W sekcji Właściwości amortyzatorów sprężynowych i granic połączeń wprowadź parametry nominalnej sztywności złącza, nominalnego tłumienia połączenia i sztywności ogranicznika połączenia, jak pokazano poniżej.
Kontynuuj wybieranie lewej i prawej nogi, zaznaczając odpowiednie przyciski radiowe, kliknij przycisk Zastosuj, aby zaakceptować konfiguracje połączeń. Następnie otwórz listę rozwijaną menu głównego w głównym panelu modelowania i wybierz przepływ pracy, z listy rozwijanej podmenu wybierz chód i kalibruj, w sekcji danych środka połączenia wprowadź plik środka stawu dolnej części ciała uczestnika. Następnie kliknij przycisk obciążenia, aby zaimportować dane i zmodyfikować lokalizacje wspólnych środków, w sekcji próby statycznej obciążenia wprowadź próbę przechwytywania ruchu kalibracji statycznej.
Kliknij przycisk ładowania, aby zaimportować plik i sparametryzować model szkieletowy dolnej części ciała. Aby rozpocząć modelowanie mięśni szkieletowych, otwórz menu główne w menu głównym panelu modelowania i wybierz Tkanki miękkie, a następnie otwórz menu podrzędne i wybierz Utwórz zestaw tkanek podstawowych. W sekcji elementu kafelka skurczu mięśni kliknij przycisk przygotuj model z rejestracją elementów mięśniowych.
Następnie w sekcji właściwości mięśni globalnego elementu rejestrującego kliknij przycisk radiowy odpowiadający zaktualizowanemu zestawowi mięśni 45, a następnie zaakceptuj domyślne ustawienia właściwości mięśni, jak pokazano tutaj. Sprawdź przyciski radiowe lewej nogi i prawej nogi do przypisania mięśni, a następnie kliknij przycisk Zastosuj, aby zaakceptować konfiguracje. W tym badaniu zastosowano nieinwazyjną metodę określania deformacji kości piszczelowej podczas czynności o dużym wpływie.
Dokładność symulacji dynamicznej do przodu jest weryfikowana poprzez porównanie kątów stawów dolnej części ciała z symulacji z odpowiadającymi im kątami połączeń zmierzonymi dla danych przechwytywania ruchu. Porównania te są zakończone dla kąta kostki, kąta kolana i kąta biodra na wszystkich trzech wysokościach spadku, gdzie pionowe linie reprezentują momenty uderzenia. Jak widać, symulacja i dane eksperymentalne są w dużej mierze zgodne, co pokazuje, że sama symulacja ma wysoki stopień dokładności.
Oprogramowanie do analizy statystycznej jest następnie wykorzystywane do obliczania współczynników korelacji krzyżowej między kątami połączenia eksperymentalnego i symulacyjnego przy zerowym opóźnieniu. Szczytowe odkształcenia w obszarze przednio-przyśrodkowym środkowego trzonu piszczelowego są rejestrowane, gdy badany ląduje z trzech różnych wysokości. Warunek lądowania wynoszący 52 cm pokazuje największą szczytową maksymalną wartość główną, szczytową minimalną wartość główną i szczytową maksymalną wartość ścinania.
Obserwuje się również, że szczytowe maksymalne odkształcenia główne rosną wraz ze wzrostem wysokości spadku. Po jej opracowaniu, technika ta utorowała drogę naukowcom w dziedzinie inżynierii biomedycznej do zbadania mechanizmów urazów spowodowanych stresem kostnym u sportowców i stażystów wojskowych.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia nowatorskie podejście do pomiaru odkształcenia kości piszczelowej podczas ruchów dynamicznych z wykorzystaniem modelowania mięśniowo-szkieletowego specyficznego dla pacjenta oraz analizy elementów skończonych. Zrozumienie deformacji kości ma kluczowe znaczenie dla uzyskania wiedzy na temat urazów przeciążeniowych kości związanych z uderzeniami.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Inżynieria biomedyczna
- Modelowanie układu mięśniowo-szkieletowego
- Analiza elementów skończonych
Wstęp
- Kości dolnych kończyn są poddawane znacznym obciążeniom mechanicznym podczas lądowania.
- Pomiar odkształcania kości jest niezbędny do zrozumienia urazów przeciążeniowych.
- W badaniu zastosowano nieinwazyjną metodę analizy.
- Skanowanie tomograficzne (CT) oraz pomiary antropometryczne stanowią wstępne etapy procedury.
Cel badania
- Ilościowe określenie odkształceń ludzkich kości podczas ruchu dynamicznego.
- Poprawa zrozumienia wytrzymałości kości podczas aktywności fizycznej.
- Opracowanie specyficznego dla badanego modelu mięśniowo-szkieletowego do analizy.
Zastosowane metody
- Tomografia komputerowa badanego.
- Pomiary antropometryczne uczestnika.
- Umieszczenie markerów refleksyjnych na ciele.
- Integracja modelowania mięśniowo-szkieletowego z analizą elementów skończonych.
Główne wyniki
- Pomiar odkształcenia kości piszczelowej podczas aktywności dynamicznej zakończony sukcesem.
- Demonstracja nieinwazyjnego podejścia do badania wytrzymałości kości.
- Wnioski dotyczące mechanizmów powstawania urazów przeciążeniowych kości.
- Walidacja techniki modelowania specyficznego dla danego obiektu.
Wnioski
- Metoda ta dostarcza cennych danych na temat deformacji kości.
- Umożliwia ona lepsze zrozumienie wpływu dynamicznych ruchów na zdrowie kości.
- Przyszłe zastosowania mogą przyczynić się do usprawnienia strategii zapobiegania urazom.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Zrozumienie odkształcania się kości pod wpływem obciążeń o wysokiej sile uderzenia jest kluczowe dla zidentyfikowania mechanizmów urazów związanych ze stresem mechanicznym w populacjach sportowców i żołnierzy. To nieinwazyjne podejście do modelowania umożliwia skalowalną ocenę odkształceń kości piszczelowej w dużych kohortach, co zwiększa pewność prognostyczną w walidacji celów dla interwencji w układzie mięśniowo-szkieletowym. Poprzez połączenie eksperymentalnej analizy ruchu z symulacją komputerową, metoda ta usprawnia ciągłość translacyjną od etapu odkryć po przedkliniczną ocenę stanu zdrowia kości.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez dotyczących obciążeń mechanicznych w tkance kostnej w celu wyjaśnienia ścieżek patofizjologicznych w rozwoju urazów przeciążeniowych.
- Wartość operacyjna: Wspiera walidację celów funkcjonalnych poprzez kwantyfikację odpowiedzi odkształceniowych w kontekście specyficznym dla badanego obiektu i istotnym fizjologicznie.
- Wartość prognostyczna: Zwiększa pewność w identyfikacji wiodących związków poprzez powiązanie bodźców mechanicznych z efektami biologicznymi w przebudowie kości.
Przesiew i opracowanie testu
- Wartość naukowa: Przygotowanie zwalidowanych systemów biologicznych do dalszych badań przesiewowych poprzez ustalenie powtarzalnych parametrów szczepów w kontrolowanych warunkach oddziaływania.
- Wartość operacyjna: Poprawa standaryzacji testów dzięki spójnemu przechwytywaniu ruchu i danym wejściowym metodą elementów skończonych dla różnych osobników oraz wysokości upadku.
- Skalowalność: Umożliwienie ponownego wykorzystania platformy do oceny interwencji mających na celu modulację adaptacji kości do obciążenia mechanicznego.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Jest zgodny z systemami istotnymi dla przebiegu choroby poprzez modelowanie odkształcenia kości piszczelowej w kontekście odpowiadającym ludzkiemu podczas ruchu dynamicznego.
- Wartość operacyjna: Zapewnia ciągłość od etapu odkrycia po walidację przedkliniczną, dostarczając ilościowych wyników odkształcenia opartych na mechanizmach.
- Łagodzenie ryzyka: Wspiera decyzje o dalszym rozwoju skorygowane o ryzyko poprzez identyfikację progów mechanicznych związanych z patologicznymi poziomami odkształcenia.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z kontinuum odkryć, dostarczając informacji do testowania hipotez we wczesnej fazie badań biologicznych, umożliwiając tworzenie systemów gotowych do analizy w procesach przesiewowych oraz dostarczając ilościowych odczytów biomechanicznych, które wspierają decyzje o kontynuacji lub przerwaniu prac (go/no-go) podczas optymalizacji wiodących związków.
- Biologia odkrywcza: Wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez wyjaśnienie, w jaki sposób siły uderzenia o podłoże przekładają się na odkształcenie kości w modelach dolnych partii ciała.
- Przesiewanie: Dostarcza powtarzalnych, ilościowych wyników odkształceń, które umożliwiają porównanie warunków mechanicznych w różnych grupach doświadczalnych.
- Analityka: Zapewnia pomiary maksymalnego odkształcenia głównego i ścinającego, co umożliwia statystyczne porównanie warunków obciążenia i odpowiedzi biologicznych.
- Badania translacyjne: Zapewnia ciągłość przedkliniczną, oferując skalowalną, nieinwazyjną platformę do oceny interwencji w zakresie zdrowia kości.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Funkcjonuje jako wielokrotnego użytku potok obliczeniowy do oceny wpływów mechanicznych na tkankę mięśniowo-szkieletową w wielu projektach.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w walidacji celów poprzez redukcję niejednoznaczności w relacjach mechanobiologicznych.
- Wartość operacyjna: Zapewnia standaryzację i powtarzalność dzięki modelowaniu specyficznemu dla obiektu oraz kontrolowanym symulacjom dynamicznym.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji go/no-go poprzez umożliwienie wczesnego wykrywania patologicznych odpowiedzi mechanicznych w tkance kostnej.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację skorygowaną o ryzyko poprzez identyfikację kandydatów ograniczających nadmierne odkształcenia kości pod obciążeniem.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej w zakresie modelowania układu mięśniowo-szkieletowego, analizy elementów skończonych oraz przetwarzania danych z systemów analizy ruchu.
- Zależne od dostępu do skanerów CT, systemów analizy ruchu, platform dynamometrycznych oraz oprogramowania do symulacji z wtyczkami biomechanicznymi.
- Wymaga standaryzacji rozmieszczenia markerów, obliczania centrów stawów i przypisywania właściwości materiałowych w ramach współpracy międzyzespołowej.
- Obejmuje rozważania dotyczące adaptacji przy stosowaniu modelu do różnych geometrii kości, grup wiekowych lub stanów patologicznych.
- Ograniczone przez dokładność danych wejściowych dotyczących kinematyki i sił reakcji podłoża, które muszą zostać rygorystycznie zwalidowane w odniesieniu do danych eksperymentalnych.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
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
