Name: Assunto específico modelo músculo-esquelético para estudar a estirpe de osso durante o movimento dinâmico (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-11T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 32 s
Description: Aprenda a criar um modelo musculoesquelético específico para analisar a deformação óssea durante movimentos dinâmicos usando TC e análise de elementos finitos. Este método não invasivo ajuda a quantificar a resistência óssea.

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Departamento do exército #W81XWH-08-1-0587, #W81XWH-15-1-0006; Concessão de bola estado Universidade 2010 ASPiRE.

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Os autores declaram que eles têm não tem interesses financeiro concorrente.

O objetivo deste estudo foi desenvolver um método não-invasivo para determinar deformação da tíbia durante atividades de alto impacto. Quantificar a estirpe de tíbia devido à carga de impacto conduzirá a uma melhor compreensão da fratura de estresse da tíbia. Neste estudo, foi desenvolvido um modelo músculo-esquelético de assunto específico, e simulações de computador foram executadas para duplicar os movimentos de queda-desembarque realizados em um ambiente de laboratório. Analisou-se o efeito da altura de queda-desemba...

Lesões por esforço ósseo, tais como fraturas por estresse, são lesões de uso excessivo de graves que exigem longos períodos de recuperação e incorrer em custos médicos significativos1,2. As fraturas por estresse são comuns tanto em populações atléticas e militares. Entre todos os desportos relacionados com lesões, fraturas por estresse representam 10% do total3. Em particular, os atletas faixa enfrentam uma maior taxa de lesões em 20%4. Soldados também experimentam uma alta taxa de fraturas de estresse. Por exemplo, uma taxa de 6% de lesão foi relatada para o exército dos EUA1 e uma taxa de 31% de lesões foi relatada no exército israelense5. Entre todas as fraturas de stress relatadas, fratura de estresse da tíbia é a mais comum um6,7,8.
Esportes e treinamentos físicos com um maior risco de fratura de estresse da tíbia estão normalmente associados a impactos de terras altas (por exemplo, saltar, desembarque e corte). Durante a locomoção, uma força de impacto do solo é aplicada ao corpo quando o pé entra em contato com o chão. Esta força de impacto é dissipada pelo sistema músculo-esquelético e calçado. O sistema esquelético serve como uma série de alavancas, permitindo que os músculos de aplicar forças para absorver o impacto de chão9. Quando os músculos da perna adequadamente não podem reduzir o impacto do solo, os ossos da parte inferior do corpo devem absorver a força residual. Estrutura óssea irá experimentar deformação durante este processo. Absorção repetitiva da força de impacto residual pode resultar em microdamages no osso, que se acumulam e se tornar fraturas por estresse. Até à data, informações relacionadas ao osso reação às forças de impacto externo do chão é limitada. É importante estudar como o osso da tíbia responde à carga mecânica introduzida pelas forças de alto impacto durante os movimentos dinâmicos. Análise de deformação de osso tíbia durante atividades de alto impacto pode levar a uma melhor compreensão do mecanismo de fratura de estresse da tíbia.
Técnicas convencionais utilizadas para medir o osso deformação na vivo dependem instrumentado extensómetros10,11,12,13,14,15. Procedimentos cirúrgicos são necessários para implantar extensómetros na superfície óssea. Devido à natureza invasiva, estudos em vivo são limitados por uma pequena amostra dos voluntários. Além disso, o calibre de tensão só pode monitorar uma pequena região da superfície do osso. Recentemente, um método não-invasivo utilizando simulação de computador para analisar a deformação do osso foi introduzido16,17. Esta metodologia permite a habilidade de combinar modelagem osteomuscular e simulações computacionais para estudar a estirpe de osso durante o movimento humano.
Um modelo músculo-esquelético é representado por um esqueleto e músculos esqueléticos. O esqueleto é composto por segmentos ósseos, que são corpos rígidos ou não deformável. Os músculos esqueléticos são modelados como controladores usando o algoritmo de progressivo-integral-Derivativo (PID). O controle PID do três-termo usa erros na estimativa para melhorar a precisão de saída18. Em essência, controladores PID, representando os músculos tentam duplicar os movimentos do corpo através do desenvolvimento de forças necessárias para produzir mudanças de comprimento dos músculos ao longo do tempo. O controlador PID usa o erro na curva comprimento/tempo para modificar a força para a reprodução do movimento. Este processo de simulação cria uma solução viável para coordenar todos os músculos a trabalhar juntos para mover o esqueleto e produzir o movimento do corpo.
Um ou mais segmentos do esqueleto do modelo músculo-esquelético podem ser modelados como corpos flexíveis para permitir a medição da deformação. Por exemplo, o osso da tíbia pode ser dividido em um número finito de elementos, que consiste de milhares de elementos e de nós. O efeito de carregamento mecânico na tíbia flexível pode ser examinado através da análise de elementos finitos (FE). A análise de FE calcula a resposta de carregamento de elementos individuais ao longo do tempo. Como o número de elementos e nós de aumento de osso, irá aumentar significativamente o tempo de computação da análise de FE.
Para reduzir o custo computacional com avaliação exata da deformação dos corpos flexíveis, análise modal FE foi desenvolvido e usado dentro da indústria automotiva e aeroespacial19,20. Em vez de analisar respostas dos elementos individuais do FE a carga mecânica no domínio do tempo, esse procedimento avalia respostas mecânicas do objeto, com base em diferentes frequências vibracionais no domínio da frequência. Esse método resulta em uma redução significativa no tempo de computação, proporcionando uma medição precisa de deformação20. Embora a análise modal de FE tem sido amplamente utilizada para estudar a fadiga mecânica nas áreas automotivas e aeroespaciais, a aplicação deste método tem sido muito limitada em ciência do movimento humano. Et al. Al Nazer, usado uma análise modal de FE para examinar a deformação da tíbia durante a marcha humana e relatou incentivando resultados16,17. No entanto, seu método foi muito afetado usando apenas dados limitados de cinemáticos de uma experiência para dirigir as simulações de computador; Não havia nenhuma real forças de impacto utilizadas para auxiliar as simulações. Esta abordagem pode ser razoável para estudar propostas de lenta de baixo impacto como caminhar, mas não é uma solução viável para o estudo de movimentos de alto impacto. Assim, a fim de examinar as reações do osso da parte inferior do corpo durante atividades dinâmicas de alto impacto, é essencial desenvolver uma abordagem inovadora para resolver as limitações associadas com o método relatado anteriormente. Especificamente, um método utilizando dados precisos de cinemáticos experimentais e real forças de impacto terrestres devem ser desenvolvidas. Portanto, o objetivo deste estudo foi desenvolver um modelo músculo-esquelético de assunto específico para realizar simulações dinâmicas Multicorpos com análise modal de FE para examinar a tensão da tíbia durante atividades de alto impacto. Um movimento dinâmico de alto impacto representado pela gota-desembarques de diferentes alturas foi selecionado para o método de ensaio.

<table><tbody><tr><td>Scanner de tomografia computadorizada</td><td>GE Medical System</td><td>N/A</td><td>Velocidade da luz VCT. Para realizar a tomografia computadorizada da tíbia.</td></tr><tr><td>Sistema de captura de movimento</td><td>Vicon Inc</td><td>N / A</td><td>Vicon FX40 câmeras de alta velocidade. Para realizar captura de movimento 3D.</td></tr><tr><td>Placas de força</td><td>AMTI Inc</td><td>N/A</td><td>Coleta de forças de reação do solo 3D</td></tr><tr><td>Vicon Nexus</td><td>Vicon Inc</td><td>N/A</td><td>Programa de software de captura de movimento. Para processar dados de trajetória de marcadores visuais.</td></tr><tr><td>Visual 3D</td><td>C-Motion Inc</td><td>N/A</td><td>Software de análise de biomecânica. Para calcular a cinemática 3D e a cinética dos movimentos humanos.</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>Mathworks Inc</td><td>N/A</td><td>Software de programação de computador. Para executar filtragem de dados brutos, conversão de dados e processamento de dados.</td></tr><tr><td>ADAMS 2012</td><td>MSC Software Inc</td><td>N / A</td><td>Programa de simulação de computador dinâmico multicorpos.</td></tr><tr><td>LifeMOD</td><td>Lifemodeler Inc</td><td>N/A</td><td>Um plug-in de software no ADAMS. Para a construção de modelos músculo-esqueléticos do corpo humano.</td></tr><tr><td>MIMICS 13</td><td>Materialise Inc</td><td>N/A</td><td>Programa de processamento de imagem. Uma ferramenta de modelagem 3D para processar dados de imagem. Para criar um modelo 3D da tíbia a partir de tomografias computadorizadas.</td></tr><tr><td>MARC 2012</td><td>MSC Software Inc</td><td>N/A</td><td>Software de análise de elementos finitos. Para executar a malha de volume, gerar o modelo de EF da tíbia e executar a análise de FE modal.</td></tr><tr><td>SPSS 19</td><td>IBM Inc</td><td>N/A</td><td>Software de análise estatística.</td></tr></tbody></table>

assunto específico modelo músculo-esquelético para estudar a estirpe de osso durante o movimento dinâmico

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

Lesões por esforço óssea são comuns em esportes e treinamentos militares. Forças de impacto repetitivo terrestres grandes durante o treinamento poderiam ser a causa. É essencial para determinar o efeito de alto impacto forças na deformação do osso da parte inferior do corpo, para melhor compreender os mecanismos das lesões de estresse do osso. Medição do calibre de tensão convencional tem sido usada para estudar na vivo deformação de tíbia. Este método está associado com limitações, incluindo capacidade de invasão do procedimento, o envolvimento de alguns seres humanos e dados limitados de tensão de áreas de superfície de pequeno osso. O presente estudo pretende introduzir uma nova abordagem para estudar a estirpe de osso tíbia sob condições de carga de alto impacto. Um modelo músculo-esquelético assunto específico foi criado para representar um macho saudável (19 anos, 80 kg, 1.800 mm). Um modelo de tíbia de elementos finitos flexível foi criado com base em um exame de tomografia computadorizada (CT) da tíbia direita do sujeito. Captura de movimento de laboratório foi realizada para obter cinemática e chão forças de reação do gota-desembarques de alturas diferentes (26, 39, 52 cm). Multicorpos simulações dinâmicas combinadas com uma análise modal da tíbia flexível foram realizadas para quantificar a estirpe da tíbia durante a queda-pousos. Dados de tensão calculada tíbia eram bom de acordo com estudos anteriores em vivo . É evidente que esta abordagem não-invasivo pode ser aplicada para estudar a estirpe de osso tíbia durante atividades de alto impacto para uma grande coorte, que levará a uma melhor compreensão do mecanismo de lesão das fraturas de estresse de tíbia.

Um saudável caucasiano (19 anos, altura 1.800 mm, massa 80 kg) ofereceu-se para o estudo. Antes da coleta de dados, o sujeito revisto e assinado o formulário de consentimento aprovado pelo Conselho de revisão institucional de Universidade antes de participar no estudo. O experimento foi conduzido no âmbito da declaração de Helsinki. A experiência foi realizada com base no protocolo a seguir.
A fim de verificar a precisão da simu...

Durante o pouso, parte inferior do corpo ossos grandes cargas mecânicas de experiência e são deformados. É essencial para medir a deformação do osso para melhor compreender os mecanismos de lesões por esforço ósseo associados a impactos. Uma nova abordagem de integração de modelagem osteomuscular assunto específico e análise de elementos finitos é usada para medir a tensão da tíbia durante os movimentos dinâmicos.

Assunto específico modelo músculo-esquelético para estudar a estirpe de osso durante o movimento dinâmico

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

O objetivo geral deste procedimento é criar um modelo musculoesquelético específico do sujeito para análise de tensão óssea. Este método pode ajudar a responder a questões-chave no campo da engenharia biomédica, como quantificar a deformação óssea humana durante o movimento dinâmico. A principal vantagem dessa técnica é que uma abordagem não invasiva é implementada para estudar a força óssea durante atividades físicas dinâmicas.Demonstrando o procedimento estarão Marisa Loo e Kerstyn Hall, estudantes de pós-graduação do meu laboratório. Para iniciar este procedimento, realize tomografia computadorizada e medição antropométrica no sujeito. Depois disso, coloque marcadores reflexivos de 14 mm no corpo dos participantes, conforme descrito no protocolo de texto.Coloque placas de plástico semi-rígidas com quatro grupos de marcadores nas coxas e pernas dos participantes. Depois de inserir as informações dos sujeitos no programa de captura de movimento, peça-lhes que fiquem imóveis no centro da sala calibrada com os pés afastados na largura dos ombros. Em seguida, peça-lhes que estendam as extremidades superiores lateralmente para que todos os marcadores reflexivos fiquem bem expostos às

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

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioengenharia

O estudo atual prescreve uma metodologia de simulação elemento finito-experimento juntamente para se obter a resposta mecânica dinâmica uniaxial de biomateriais moles (cérebro, fígado, tendão, gordura, etc.). Os resultados experimentais multiaxiais que surgiram por causa de abaulamento amostra obtida a partir de Split-Hopkinson Bar testes de pressão foram prestados a um comportamento uniaxial stress-strain verdadeiro quando simulado através da optimização iterativa da análise de elementos...

A Element Modeling Metodologia Juntamente Experiment-finito para Avaliar alta Strain Rate Mechanical Response de Biomateriais macios

Neste protocolo, estimam-se as tensões de superfície do fêmur durante a fratura testes utilizando a técnica de correlação de imagem digital. A novidade do método envolve a aplicação de um padrão de alto contraste estocástico speckle sobre a superfície do fêmur, iluminação cuidadosamente especificada, captura de vídeo de alta velocidade e análise de correlação de imagem digital para cálculos de tensão.

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Aprenda a criar um modelo musculoesquelético específico para analisar a deformação óssea durante movimentos dinâmicos usando TC e análise de elementos finitos. Este método não invasivo ajuda a quantificar a resistência óssea.

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