نموذج العضلية الهيكلية الخاصة بهذا الموضوع لدراسة سلالة العظام أثناء الحركة الديناميكية
Summary
أثناء الهبوط، عظام الجسم السفلي خبرة كبيرة من الأحمال الميكانيكية وهي مشوه. من الضروري قياس تشوه العظام فهم أفضل للآليات المرتبطة بآثار الإصابات الناجمة عن الإجهاد العظام. نهجاً جديداً دمج النمذجة العضلية الهيكلية الخاصة بهذا الموضوع، وتحليل العناصر المحدودة يستخدم لقياس الضغط قصبي أثناء حركات ديناميكية.
Abstract
إصابات الإجهاد العظام شائعة في الألعاب الرياضية والتدريبات العسكرية. قوات برية كبيرة متكررة تأثير أثناء التدريب يمكن أن يكون السبب. من الضروري تحديد أثر تأثير ارتفاع الأرض قوات على تشوه العظام للجسم السفلي فهم أفضل لآليات إصابات الإجهاد العظام. وقد استخدمت القياس التقليدية سلالة الاستشعار للدراسة في فيفو تشوه الساق. ويرتبط هذا الأسلوب مع القيود بما في ذلك اختزاع إجراءات، ومشاركة قليل من البشر، وبيانات سلالة محدودة من المناطق السطحية العظام الصغيرة. الدراسة الحالية تعتزم إدخال نهج جديد لدراسة سلالة عظم الساق تحت تأثير ارتفاع تحميل الشروط. طراز الجهاز العضلي هيكلي موضوع محدد أنشئت لتمثيل الذكور صحية (19 عاماً، 80 كجم، 1,800 ملم). تم إنشاء نموذج عنصر محدود مرونة الساق استناداً إلى مسح التصوير المقطعي (CT) من الساق اليمنى في هذا الموضوع. وأجرى مختبر التقاط الحركة للحصول على قوات الرد الكينماتيكا والأرض من إسقاط-الهبوط من ارتفاعات مختلفة (26، 39، 52 سم). المحاكاة الحاسوبية دينامية مولتيبودي جنبا إلى جنب مع إجراء تحليل مشروط من الساق مرنة أجريت لقياس إجهاد الساق أثناء الهبوط قطره. وكانت البيانات سلالة محسوب الطيبي في اتفاق جيد مع الدراسات السابقة في فيفو . فمن الواضح أن هذا النهج غير الغازية يمكن أن تطبق على دراسة سلالة عظم الساق خلال الأنشطة ذات التأثير الكبير لمجموعة كبيرة، مما يؤدي إلى فهم أفضل لآلية الإصابة من الساق الكسور.
Introduction
إصابات الإجهاد العظام، مثل الكسور، إصابات الإفراط الشديد التي تتطلب فترات طويلة من الانتعاش، وتكبد تكاليف طبية كبيرة1،2. الكسور شائعة في السكان الرياضية والعسكرية على حد سواء. من بين جميع الألعاب الرياضية المتعلقة بالإصابات، حساب الكسور بنسبة 10% من إجمالي3. على وجه الخصوص، تواجه الرياضيين المسار أعلى معدل إصابة في 20%4. كما يتعرض الجنود نسبة عالية من الكسور. على سبيل المثال، أفادت التقارير بمعدل 6% إصابات ل “الجيش الأمريكي”1 وأفيد بمعدل إصابة 31 في المائة في “الجيش الإسرائيلي”5. من بين جميع الكسور المبلغ عنها، هو كسر الساق الأكثر شيوعاً واحد6،،من78.
الألعاب الرياضية والتدريبات البدنية مع ارتفاع خطر الإصابة بكسر في الساق في عادة ما ترتبط مع آثار ارتفاع الأرض (مثلالقفز والهبوط، والقطع). أثناء الحركة، يتم تطبيق قوة برية تأثير على الجسم عند اتصال القدم الأرض. قوة تأثير هذا يتبدد العضلي والأحذية. نظام الهيكل العظمى بمثابة سلسلة من الوسائل التي تسمح لتطبيق قوي ﻻستيعاب أثر الأرض9العضلات. عظام الجسم السفلي عند عضلات الساق على نحو كاف لا يمكن الحد من تأثير الأرض، يجب استيعاب القوة المتبقية. سوف تشهد بنية العظام تشوه أثناء هذه العملية. قد يؤدي إلى امتصاص المتكررة من قوة تأثير المتبقية ميكروداماجيس في العظام، والتي سوف تتراكم وتصبح الكسور. حتى الآن، المعلومات المتصلة بالعظام رد فعل القوات البرية الخارجية أثر محدود. من المهم دراسة كيفية استجابة عظم الساق في الحمل الميكانيكي عرضته القوات عالية التأثير خلال الالتماسات الديناميكية. دراسة تشوه عظم الساق خلال الأنشطة ذات التأثير الكبير يمكن أن يؤدي إلى فهم أفضل للآلية لكسر في الساق.
التقنيات التقليدية المستخدمة في قياس العظام التشوه في فيفو تعتمد على الانفعال الآلية10،11،،من1213،،من1415. ويلزم الإجراءات الجراحية لزرع الانفعال على سطح العظم. ونظرا لطبيعة الغازية، محدودة في فيفو الدراسات بعينه صغيرة من المتطوعين. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن فقط رصد قياس إجهاد منطقة صغيرة من سطح العظام. في الآونة الأخيرة، هو أسلوب غير الغازية استخدام المحاكاة الحاسوبية لتحليل السلالة العظام أدخلت16،17. تسمح هذه المنهجية لقدرته على الجمع بين العضلات والعظام النمذجة والمحاكاة الحاسوبية لدراسة سلالة العظام أثناء حركة الإنسان.
يمثل نموذج العضلات والعظام الهيكل عظمى والعضلات الهيكلية. هيكل عظمى يتكون من أجزاء العظام، وهيئات جامدة أو غير تشوه. وعلى غرار عضلات الهيكل العظمى كوحدات التحكم باستخدام الخوارزمية (PID) التقدمي-متكاملة-مشتقة. يستخدم عنصر التحكم PID الأجل ثلاثة أخطاء في التقدير لتحسين دقة الإخراج18. في جوهرها، وحدات تحكم PID تمثل العضلات حاول تكرار حركات الجسم بوضع القوات اللازمة أحداث تغيرات طول العضلات على مر الزمن. يستخدم وحدة تحكم PID الخطأ في منحنى الطول/الوقت لتعديل القوة من أجل استنساخ الحركة. ينشئ عملية محاكاة هذا حلاً ممكناً لتنسيق جميع العضلات للعمل معا من أجل تحريك الهيكل العظمى وإنتاج حركة الجسم.
يمكن على غرار قطاعات واحد أو أكثر في هيكل عظمى طراز الجهاز العضلي الهيكلي كهيئات مرنة تسمح بقياس التشوه. على سبيل المثال، يمكن تقسيم عظم الساق إلى عدد محدد من العناصر، التي تتألف من آلاف العناصر والعقد. يمكن دراسة تأثير تحميل الميكانيكية في الساق مرنة من خلال تحليل العناصر المحدودة (الحديد). يحسب التحليل FE رد تحميل العناصر الفردية على مر الزمن. كعدد العظام زيادة العناصر والعقد، زيادة كبيرة حساب الوقت لتحليل الحديد.
لتقليل التكلفة الحسابية مع تقييم دقيق لتشوه مرنة الهيئات، تم وضع مشروط FE التحليل والمستخدمة في صناعة السيارات والفضاء الجوي19،20. ويقيم هذا الإجراء بدلاً من تحليل استجابات FE العناصر الفردية لتحميل الميكانيكية في مجال الوقت، الردود الميكانيكية لكائن استناداً إلى ترددات الذبذبات المختلفة في مجال التردد. نتائج هذا الأسلوب في إجراء تخفيض كبير في حساب الوقت مع توفير قياس التشوه20دقيقة. على الرغم من أن التحليل FE مشروط تستخدم على نطاق واسع لدراسة التعب الميكانيكية في مجالات السيارات والفضاء الجوي، تطبيق هذا الأسلوب كانت محدودة للغاية في علم حركة الإنسان. استخدمت تحليل FE مشروط لدراسة تشوه قصبي أثناء مشيه الإنسان الناظر et al.، وأفادت تشجيع النتائج16،17. ومع ذلك، الطريقة كانت تتأثر تأثرا كبيرا فقط باستخدام البيانات الحركية المحدودة من تجربة لمحرك المحاكاة الحاسوبية؛ كانت هناك لا الحقيقي أثر القوات المستخدمة لمساعدة عمليات المحاكاة. هذا النهج قد يكون معقولاً لدراسة تأثير انخفاض الطلبات بطيئة مثل المشي، ولكن ليس حلاً ممكناً لدراسة الأرض المرتفعة تأثير الحركات. وهكذا، بغية دراسة ردود الفعل العظم السفلي للجسم أثناء أنشطة ديناميكية عالية التأثير، من الضروري وضع نهج مبتكرة لمعالجة أوجه القصور المرتبطة بالطريقة التي سبق الإبلاغ عنها. طريقة استخدام البيانات التجريبية الحركية الدقيقة والحقيقي على وجه التحديد، يجب أن توضع قوات برية التأثير. ولذلك، كان الهدف من هذه الدراسة وضع نموذج الجهاز العضلي هيكلي موضوع محدد أداء المحاكاة الديناميكية مولتيبودي مع تحليل FE مشروط لدراسة سلالة قصبي أثناء الأنشطة ذات التأثير الكبير. واختير حركة ديناميكية عالية تأثير ممثلة بإسقاط-الهبوط من ارتفاعات مختلفة لاختبار الأسلوب.
Protocol
Representative Results
Discussion
وكان الغرض من هذه الدراسة لتطوير طريقة غير الغازية لتحديد التشوه الساق خلال أنشطة عالية التأثير. التحديد الكمي لإجهاد الساق بسبب تأثير تحميل سوف يؤدي إلى فهم أفضل لكسر في الساق. في هذه الدراسة، وضع نموذج العضلية الهيكلية الخاصة بهذا الموضوع، وتم تشغيل المحاكاة الحاسوبية لتكرار الحركات ت?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الإدارة من الجيش #W81XWH-08-1-0587, #W81XWH-15-1-0006؛ منحة اسباير 2010 جامعة الدولة الكرة.
Materials
| CT Scanner | GE Medical System | N/A | Light Speed VCT. For performing tibia CT scan. |
| Motion Capture System | Vicon Inc | N/A | Vicon FX40 high speed cameras. For performing 3D motion capture. |
| Force plates | AMTI Inc | N/A | Collecting 3D ground reaction forces |
| Vicon Nexus | Vicon Inc | N/A | Motion capture software program. For processing visual marker trajectory data. |
| Visual 3D | C-Motion Inc | N/A | Biomechanics analysis software. For computing 3D kinematics and kinetics of human movements. |
| MATLAB | Mathworks Inc | N/A | Computer programming software. For performing raw data filtering, data conversion, and data processing. |
| ADAMS 2012 | MSC Software Inc | N/A | Multibody dynamic computer simulation program. |
| LifeMOD | Lifemodeler Inc | N/A | A software Plug-in in ADAMS. For building human body musculo-skeletal models. |
| MIMICS 13 | Materialise Inc | N/A | Image processing program. A 3D modeling tool to process imaging data. For creating 3D tibia model from CT scans. |
| MARC 2012 | MSC Software Inc | N/A | Finite element analysis software. For performing volumn meshing, generating tibia FE model, and running modal FE analysis. |
| SPSS 19 | IBM Inc | N/A | Statistical analysis software. |
References
- Brukner, P., Bennell, K., Matheson, G. . Stress fracture. , (1999).
- Zadpoor, A., Nikooyan, A. The relationship between lower-extremity stress fractures and the ground reaction force: A systematic review. Clin Biomech. 26, 23-28 (2011).
- Matheson, G. O., Clement, D. B., McKenzie, D. C., Taunton, J. E., Lioyd-Smith, D. R., Maclntyre, J. G. Stress fractures in athletes. A study of 320 cases. Am J Sports Med. 15, 46-58 (1987).
- Bennell, K., Grimston, S., Burr, D., Milgrom, C. Risk factors for developing stress fractures. Musculoskeletal fatigue and stress fractures. , 15-33 (2001).
- Milgrom, C., Giladi, M., Stein, M., Kashtan, H., Margulies, J. Y., Chisin, R., Stenberg, R., Aharonson, Z. Stress fractures in military recruits. A prospective study showing an unusually high incidence. J Bone Joint Surg Br. 67, 732-735 (1985).
- Almeida, S. A., Williams, K. M., Shaffer, R. A., Brodine, S. K. Epidemiological patterns of musculoskeletal injuries and physical training. Med Sci Sports Exerc. 31, 1176-1182 (1999).
- Jones, B. H., Knapik, J. J. Physical training and exercise-related injuries, surveillance, research and injury prevention in military populations. Sports Med. 27, 111-125 (1999).
- Jones, B. H., Thacker, S., Gilchrist, J., Kimsey, C. D., Sosin, D. M. Prevention of lower extremity stress fractures in athletes and soldiers: a systematic review. Epidemiol Rev. 24, 228-247 (2002).
- Voloshin, A., Wosk, J. An in vivo study of low back pain and shock absorption in the human locomotor system. J Biomech. 15, 21-27 (1982).
- Burr, D. B., Milgrom, C., Fyhrie, D., Forwood, M., Nyska, M., Finestone, A., Hoshaw, S., Saiag, E., Simkin, A. In vivo measurement of human tibial strains during vigorous activity. Bone. 18, 405-410 (1996).
- Ekenman, I., Halvorsen, K., Westblad, P., Fellander-Tsai, L., Rolf, C. The reliability and validity of an instrumented staple system for in vivo measurement of local bone deformation. An in vitro study. Scand J Med Sci Sports. 8, 172-176 (1998).
- Lanyon, L. E., Hampson, W. G., Goodship, A. E., Shah, J. S. Bone deformation recorded in vivo from strain gauges attached to the human tibial shaft. Acta Orthop Scand. 46, 256-268 (1975).
- Ekenman, I., Halvorsen, K., Westblad, P., Tsai, L. F., Rolf, C. Local bone deformation at two predominant sites for stress fractures of the tibia: an in vivo study. Foot Ankle Int. 19, 479-484 (1998).
- Milgrom, C., Finestone, A., Levi, Y., Simkin, A., Ekenman, I., Mendelson, S., Millgram, M., Nyska, M., Benjuya, N., Burr, D. Do high impact exercises produce higher tibial strains than running?. Br J Sports Med. 34, 195-199 (2000).
- Milgrom, C., Finestone, A., Simkin, A., Ekenman, I., Mendelson, S., Millgram, M., Nyska, M., Larsson, E., Burr, D. In-vivo strain measurements to evaluate the strengthening potential of exercises on the tibial bone. J Bone Joint Surg Br. 82, 591-594 (2000).
- Al Nazer, R., Rantalainen, T., Heinonen, A., Sievanen, H., Mikkola, A. Flexible multibody simulation approach in the analysis of tibial strain during walking. J Biomech. 41, 1036-1043 (2008).
- Al Nazer, R., Klodowski, A., Rantalainen, T., Heinonen, A., Sievanen, H., Mikkola, A. A full body musculoskeletal model based on flexible multibody simulation approach utilised in bone strain analysis during human locomotion. Comput Method Biomec. 14, 573-579 (2011).
- Johnson, M. A., Moradi, M. H., Crowe, J. . PID control: new identification and design methods. , 543 (2005).
- Craig, R. R., Bampton, M. C. C. Coupling of substructures for dynamics analysis. American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal. 6, 1313-1319 (1968).
- Wasfy, T. M., Noor, A. K. Computational strategies for flexible multibody systems. Appl Mech Rev. 56, 553-613 (2003).
- Kadaba, M. P., Ramakrishnan, H. k., Wootten, M. E. Measurement of lower extremity kinematics during level walking. J Orthop Res. 8, 383-392 (1990).
- Schwartz, M. H., Rozumalski, A. A new method for estimating joint parameters from motion data. J Biomech. 38, 107-116 (2005).
- Devita, P., Skelly, W. A. Effect of landing stiffness on joint kenetics and energetic in the lower extremity. Med Sci Sports Exerc. 24, 108-115 (1992).
- Dong, X. N., Guo, X. E. The dependence of transversely isotropic elasticity of human femoral cortical bone on porosity. J Biomech. 37, 1281-1287 (2004).
- Schileo, E., Taddei, F., Malandrino, A., Cristofolini, L., Viceconti, M. Subject-specific finite element models can accurately predict strain levels in long bones. J Biomech. 40, 2982-2989 (2007).
- Pattin, C. A., Caler, W. E., Carter, D. R. Cyclic mechanical property degradation during fatigue loading of cortical bone. J Biomech. 29, 69-79 (1996).
- Lifemodeler, I. . Lifemod Manual. , (2010).
