Name: Tematyczny model mięśniowo-szkieletowy do badania naprężeń kości podczas ruchu dynamicznego (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-11T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 32 s
Description: Poznaj nieinwazyjną metodę analizy odkształceń kości podczas dynamicznego ruchu przy użyciu modelowania mięśniowo-szkieletowego i analizy elementów skończonych. Technika ta pozwala badać mechanizmy urazów przeciążeniowych kości.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Departament Armii #W81XWH-08-1-0587, #W81XWH-15-1-0006; Stypendium ASPiRE Ball State University 2010.

<ol><li>Brukner, P., Bennell, K., Matheson, G. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBrukner%2C+P+%22Stress+fracture%22">Stress fracture</a>. , Blackwell Science. Victoria, Australia. (1999).</li>
<li>Zadpoor, A., Nikooyan, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+relationship+between+lower-extremity+stress+fractures+and+the+ground+reaction+force%3A+A+systematic+review%5BTitle%5D)+AND+%22Clin+Biomech%22%5BJournal%5D)">The relationship between lower-extremity stress fractures and the ground reaction force: A systematic review.</a> Clin Biomech. 26, 23-28 (2011).</li>
<li>Matheson, G. O., Clement, D. B., McKenzie, D. C., Taunton, J. E., Lioyd-Smith, D. R., Maclntyre, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stress+fractures+in+athletes.+A+study+of+320+cases%5BTitle%5D)+AND+%22Am+J+Sports+Med%22%5BJournal%5D)">Stress fractures in athletes. A study of 320 cases.</a> Am J Sports Med. 15, 46-58 (1987).</li>
<li>Bennell, K., Grimston, S. Risk factors for developing stress fractures. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBennell%2C+K+%22Musculoskeletal+fatigue+and+stress+fractures%22">Musculoskeletal fatigue and stress fractures</a>. Burr, D., Milgrom, C. , CRC Press. New York. 15-33 (2001).</li>
<li>Milgrom, C., Giladi, M., Stein, M., Kashtan, H., Margulies, J. Y., Chisin, R., Stenberg, R., Aharonson, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stress+fractures+in+military+recruits.+A+prospective+study+showing+an+unusually+high+incidence%5BTitle%5D)+AND+%22J+Bone+Joint+Surg+Br%22%5BJournal%5D)">Stress fractures in military recruits. A prospective study showing an unusually high incidence.</a> J Bone Joint Surg Br. 67, 732-735 (1985).</li>
<li>Almeida, S. A., Williams, K. M., Shaffer, R. A., Brodine, S. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Epidemiological+patterns+of+musculoskeletal+injuries+and+physical+training%5BTitle%5D)+AND+%22Med+Sci+Sports+Exerc%22%5BJournal%5D)">Epidemiological patterns of musculoskeletal injuries and physical training.</a> Med Sci Sports Exerc. 31, 1176-1182 (1999).</li>
<li>Jones, B. H., Knapik, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Physical+training+and+exercise-related+injuries%2C+surveillance%2C+research+and+injury+prevention+in+military+populations%5BTitle%5D)+AND+%22Sports+Med%22%5BJournal%5D)">Physical training and exercise-related injuries, surveillance, research and injury prevention in military populations.</a> Sports Med. 27, 111-125 (1999).</li>
<li>Jones, B. H., Thacker, S., Gilchrist, J., Kimsey, C. D., Sosin, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prevention+of+lower+extremity+stress+fractures+in+athletes+and+soldiers%3A+a+systematic+review%5BTitle%5D)+AND+%22Epidemiol+Rev%22%5BJournal%5D)">Prevention of lower extremity stress fractures in athletes and soldiers: a systematic review.</a> Epidemiol Rev. 24, 228-247 (2002).</li>
<li>Voloshin, A., Wosk, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+in+vivo+study+of+low+back+pain+and+shock+absorption+in+the+human+locomotor+system%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">An in vivo study of low back pain and shock absorption in the human locomotor system.</a> J Biomech. 15, 21-27 (1982).</li>
<li>Burr, D. B., Milgrom, C., Fyhrie, D., Forwood, M., Nyska, M., Finestone, A., Hoshaw, S., Saiag, E., Simkin, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+measurement+of+human+tibial+strains+during+vigorous+activity%5BTitle%5D)+AND+%22Bone%22%5BJournal%5D)">In vivo measurement of human tibial strains during vigorous activity.</a> Bone. 18, 405-410 (1996).</li>
<li>Ekenman, I., Halvorsen, K., Westblad, P., Fellander-Tsai, L., Rolf, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+reliability+and+validity+of+an+instrumented+staple+system+for+in+vivo+measurement+of+local+bone+deformation.+An+in+vitro+study%5BTitle%5D)+AND+%22Scand+J+Med+Sci+Sports%22%5BJournal%5D)">The reliability and validity of an instrumented staple system for in vivo measurement of local bone deformation. An in vitro study.</a> Scand J Med Sci Sports. 8, 172-176 (1998).</li>
<li>Lanyon, L. E., Hampson, W. G., Goodship, A. E., Shah, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bone+deformation+recorded+in+vivo+from+strain+gauges+attached+to+the+human+tibial+shaft%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Orthop+Scand%22%5BJournal%5D)">Bone deformation recorded in vivo from strain gauges attached to the human tibial shaft.</a> Acta Orthop Scand. 46, 256-268 (1975).</li>
<li>Ekenman, I., Halvorsen, K., Westblad, P., Tsai, L. F., Rolf, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Local+bone+deformation+at+two+predominant+sites+for+stress+fractures+of+the+tibia%3A+an+in+vivo+study%5BTitle%5D)+AND+%22Foot+Ankle+Int%22%5BJournal%5D)">Local bone deformation at two predominant sites for stress fractures of the tibia: an in vivo study.</a> Foot Ankle Int. 19, 479-484 (1998).</li>
<li>Milgrom, C., Finestone, A., Levi, Y., Simkin, A., Ekenman, I., Mendelson, S., Millgram, M., Nyska, M., Benjuya, N., Burr, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Do+high+impact+exercises+produce+higher+tibial+strains+than+running%3F%5BTitle%5D)+AND+%22Br+J+Sports+Med%22%5BJournal%5D)">Do high impact exercises produce higher tibial strains than running?</a> Br J Sports Med. 34, 195-199 (2000).</li>
<li>Milgrom, C., Finestone, A., Simkin, A., Ekenman, I., Mendelson, S., Millgram, M., Nyska, M., Larsson, E., Burr, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In-vivo+strain+measurements+to+evaluate+the+strengthening+potential+of+exercises+on+the+tibial+bone%5BTitle%5D)+AND+%22J+Bone+Joint+Surg+Br%22%5BJournal%5D)">In-vivo strain measurements to evaluate the strengthening potential of exercises on the tibial bone.</a> J Bone Joint Surg Br. 82, 591-594 (2000).</li>
<li>Al Nazer, R., Rantalainen, T., Heinonen, A., Sievanen, H., Mikkola, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flexible+multibody+simulation+approach+in+the+analysis+of+tibial+strain+during+walking%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">Flexible multibody simulation approach in the analysis of tibial strain during walking.</a> J Biomech. 41, 1036-1043 (2008).</li>
<li>Al Nazer, R., Klodowski, A., Rantalainen, T., Heinonen, A., Sievanen, H., Mikkola, A. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21302163">A full body musculoskeletal model based on flexible multibody simulation approach utilised in bone strain analysis during human locomotion.</a> Comput Method Biomec. 14, 573-579 (2011).</li>
<li>Johnson, M. A., Moradi, M. H., Crowe, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aJohnson%2C+MA+%22PID+control%3A+new+identification+and+design+methods%22">PID control: new identification and design methods</a>. , Springer. New York. 543(2005).</li>
<li>Craig, R. R., Bampton, M. C. C. <a target="_blank" href="https://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/3.4741">Coupling of substructures for dynamics analysis.</a> American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal. 6, 1313-1319 (1968).</li>
<li>Wasfy, T. M., Noor, A. K. <a target="_blank" href="http://appliedmechanicsreviews.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1397819">Computational strategies for flexible multibody systems.</a> Appl Mech Rev. 56, 553-613 (2003).</li>
<li>Kadaba, M. P., Ramakrishnan, H. k, Wootten, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+lower+extremity+kinematics+during+level+walking%5BTitle%5D)+AND+%22J+Orthop+Res%22%5BJournal%5D)">Measurement of lower extremity kinematics during level walking.</a> J Orthop Res. 8, 383-392 (1990).</li>
<li>Schwartz, M. H., Rozumalski, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+method+for+estimating+joint+parameters+from+motion+data%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">A new method for estimating joint parameters from motion data.</a> J Biomech. 38, 107-116 (2005).</li>
<li>Devita, P., Skelly, W. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+landing+stiffness+on+joint+kenetics+and+energetic+in+the+lower+extremity%5BTitle%5D)+AND+%22Med+Sci+Sports+Exerc%22%5BJournal%5D)">Effect of landing stiffness on joint kenetics and energetic in the lower extremity.</a> Med Sci Sports Exerc. 24, 108-115 (1992).</li>
<li>Dong, X. N., Guo, X. E. <a target="_blank" href="http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.467.4983&rep=rep1&type=pdf">The dependence of transversely isotropic elasticity of human femoral cortical bone on porosity.</a> J Biomech. 37, 1281-1287 (2004).</li>
<li>Schileo, E., Taddei, F., Malandrino, A., Cristofolini, L., Viceconti, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Subject-specific+finite+element+models+can+accurately+predict+strain+levels+in+long+bones%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">Subject-specific finite element models can accurately predict strain levels in long bones.</a> J Biomech. 40, 2982-2989 (2007).</li>
<li>Pattin, C. A., Caler, W. E., Carter, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cyclic+mechanical+property+degradation+during+fatigue+loading+of+cortical+bone%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">Cyclic mechanical property degradation during fatigue loading of cortical bone.</a> J Biomech. 29, 69-79 (1996).</li>
<li>Lifemodeler, I. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLifemodeler%2C+I+%22Lifemod+Manual%22">Lifemod Manual</a>. , Lifemodeler Inc. San Clemente, CA. (2010).</li>
</ol>

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

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...

Urazy spowodowane przeciążeniem kości, takie jak złamania przeciążeniowe, są ciężkimi urazami spowodowanymi przeciążeniem, wymagającymi długich okresów rekonwalescencji i ponoszącymi znaczne koszty medyczne1,2. 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 najczęstsze6,7,8.
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 tensometrykach10,11,12,13,14,15. 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 kości16,17. 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 lotniczym19,20. 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 wyniki16,17. 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.

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

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

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

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.

W badaniu wziął udział zdrowy ochotnik, mężczyzna rasy kaukaskiej (19 lat, wzrost 1 800 mm, masa 80 kg). Przed rozpoczęciem gromadzenia danych badany zapoznał się z formularzem zgody zatwierdzonym przez Uniwersytecką Komisję Bioetyczną (Institutional Review Board) i podpisał go przed przystąpieniem do badania. Eksperyment został przeprowadzony zgodnie z Deklaracją Helsińską. Eksperyment wykonano w oparciu o następujący protokół.
<p class="jove_content" fo:keep-together.within-page="1"...

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.

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

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

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.

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

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Obecne badanie zaleca metodologię symulacji sprzężonego eksperymentu z elementami skończonymi, aby uzyskać jednoosiową dynamiczną reakcję mechaniczną miękkich biomateriałów (mózg, wątroba, ścięgna, tłuszcz, itp.). Wieloosiowe wyniki eksperymentalne, które powstały z powodu wybrzuszenia próbki uzyskanego z testów prętów ciśnieniowych Split-Hopkinson, zostały przekształcone w jednoosiowe rzeczywiste zachowanie naprężenie-odkształcenie podczas symulacji poprzez iteracyjną optymalizację analizy...

Sprzężona eksperymentalna metodologia modelowania metodą elementów skończonych do oceny reakcji mechanicznej miękkich biomateriałów przy dużej szybkości odkształcania

W tym protokole, naprężenia powierzchni kości udowej są szacowane podczas testów złamań przy użyciu techniki cyfrowej korelacji obrazu. Nowatorstwo metody polega na zastosowaniu stochastycznego wzoru plamek o wysokim kontraście na powierzchni kości udowej, starannie dobranym oświetleniu, szybkim przechwytywaniu wideo i cyfrowej analizie korelacji obrazu do obliczeń odkształceń.

Metoda szacowania naprężeń kory kości udowej zwłok podczas badania złamań z wykorzystaniem cyfrowej korelacji obrazu

Ten protokół opisuje minimalnie inwazyjną technikę osteosyntezy wykorzystującą śródszpikową do standaryzowanej stabilizacji złamań kości udowej, która może być wykorzystana do analizy endochrzęstnego gojenia kości u myszy.

Minimalnie inwazyjny model do analizy gojenia złamań śródchrzęstnych u myszy w standaryzowanych warunkach biomechanicznych

Celem tego protokołu jest opisanie metody tworzenia realistycznego, obejmującego całe ciało, szkieletowego modelu konia, który może być wykorzystany do funkcjonalnego modelowania anatomicznego i biomechanicznego w celu scharakteryzowania mechaniki całego ciała.

Budowa realistycznego, obejmującego całe ciało, trójwymiarowego modelu szkieletu koni z wykorzystaniem danych z tomografii komputerowej

Protokół umożliwia pomiar deformacji mikrostruktury kości w całej proksymalnej ludzkiej kości udowej oraz jej wytrzymałości poprzez połączenie dużego skanowania mikro-tomografem komputerowym, specjalnie wykonanego etapu kompresji i zaawansowanych narzędzi do przetwarzania obrazu.

Obrazowanie mechanizmu uszkodzenia mikrostrukturalnego w ludzkim biodrze

Mechaniczne badanie kości gryzoni jest cenną metodą pozyskiwania informacji na temat podatności kości na złamania. Przy braku odpowiedniego zrozumienia praktycznego wyniki mogą być nadinterpretowane lub nieaktualne. Protokół ten posłuży jako przewodnik zapewniający, że testy mechaniczne są wykonywane dokładnie, aby zapewnić prawidłowe i funkcjonalne dane.

Praktyczne uwarunkowania dotyczące projektowania, wykonywania i interpretacji badań obejmujących próby zginania kości gryzoni w całości

Ten protokół przedstawia ustandaryzowany model myszy do rozszerzania szwów oraz metodę wizualizacji 3D do badania mechanobiologicznych zmian szwu i przebudowy kości pod wpływem siły rozciągającej.

Technika wizualizacji 3D do przebudowy kości w mysim modelu rozszerzania szwów

Ten protokół przedstawia system testowy używany do wywoływania mierzalnych i kontrolowanych urazów zmęczeniowych u ścięgna Achillesa u szczura dla modelu in vivo tendinopatii wywołanej nadużywaniem. Procedura polega na przymocowaniu kostki szczura do siłownika stawu, który wykonuje pasywne zgięcie grzbietowe kostki za pomocą specjalnie napisanego skryptu MATLAB.

Pasywny system do testowania zgięcia grzbietowego stawu skokowego dla modelu in vivo tendinopatii wywołanej przeciążeniem

Badanie to ustanowiło model defektu półsegmentalnego szczura kości udowej do oceny mechanicznej i osteogenicznej wydajności materiałów zastępczych kości w warunkach nośnych, bez użycia wewnętrznego lub zewnętrznego fiksacji.

Model defektu kości dwułopowatej półsegmentalnej u szczurów do oceny wydajności substytucji kości w obszarach nośnych

W niniejszym protokole prezentujemy proces wytwarzania macierzy mikroaktuatorów z pionowo przesuniętymi słupkami, na której opiera się ta technologia, oraz sposób, w jaki technologia bazowa ta może zostać zmodyfikowana w celu prowadzenia wysokoprzepustowych dynamicznych mechanicznie hodweli komórkowych w dwu- i trójwymiarowych paradygmatach hodowli.

Mikrofabrykowane platformy do mechanicznie dynamicznej hodowli komórek

Poznaj nieinwazyjną metodę analizy odkształceń kości podczas dynamicznego ruchu przy użyciu modelowania mięśniowo-szkieletowego i analizy elementów skończonych. Technika ta pozwala badać mechanizmy urazów przeciążeniowych kości.

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

Przeglądaj więcej filmów