Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Bioengineering

نموذج العضلية الهيكلية الخاصة بهذا الموضوع لدراسة سلالة العظام أثناء الحركة الديناميكية

doi: 10.3791/56759 Published: April 11, 2018

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

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

أجريت التجربة إطار "إعلان هلسنكي". قبل جمع البيانات، واستعرض هذا الموضوع والتوقيع على استمارة الموافقة أقرها "المجلس استعراض المؤسسية الجامعة" قبل المشاركة في الدراسة.

1-CT تصوير البروتوكول

  1. يأخذ المشارك إلى مرفق حيث يتم إيواء ماسح التصوير المقطعي. قبل الأشعة المقطعية، تكوين آلة التصوير المقطعي مع المعلمات التالية: CT شريحة سمك 0.625 مم، ومجال الرؤية CT 15 سم × 15 سم، والسيارات الإعداد لمعلمات ذروة كيلو الفولت (كفب) وميليامبيري-ثانية (ماس) باستخدام خوارزمية آلة.
  2. اسأل المشاركين على الاستلقاء على طاولة الشرائح في عصابة في الماسح الضوئي CT. أطلب من المشاركين لتظل جداً لا تزال خلال المقطعية. مسح كل ساق على حدة من العقبي من خلال النهاية البعيدة لعظم الفخذ.
  3. عند انتهاء المقطعية، تصدير الصور المقطعية التصوير الرقمي والاتصالات في الطب (DICOM) تنسيق. اختر حجم صورة 512 × 512 بكسل (تدرج الرمادي).
    ملاحظة: البروتوكول التصوير بالأشعة المقطعية وتستمر عادة أقل من 1 ساعة. جرعة الإشعاع الحد الأدنى. ويعرض لا أكبر من خطر أن تصادف أثناء الإجراءات الطبية بالأشعة السينية العادية.

2-قياس انثروبومتريه البروتوكول

  1. خلال الزيارة المختبر قبل التقاط الحركة، قياس المشارك كتلة الجسم (كجم)، ارتفاع الجسم (ملم)، والمسافة بين الأشواك الحرقفي الأمامي الأعلى (أسس) (مم) وطول الساق (مم) والركبة المشتركة العرض (مم) والكاحل مشتركة العرض (مم).
  2. جملة أسيس قياس المسافة: استخدام قدمه ذات الورنيّة لقياس المسافة الخطية بين أسيس الأيسر والأيمن أسيس.
  3. قياس طول الساق: استخدام شريط قياس لقياس المسافة الخطية أسيس والكعب الآنسي لكلتا ساقيه.
  4. الركبة قياس العرض المشترك: استخدام قدمه ذات الورنيّة لقياس المسافة الخطية بين ابيكونديليس الوحشي والانسي من عظم الفخذ لكلا الركبتين.
  5. قياس العرض المشترك الكاحل: استخدام قدمه ذات الورنيّة لقياس المسافة الخطية بين ماليولي الوحشي والانسي لكلتا ساقيه.
    ملاحظة: أسيس إنتر المسافة، عرض الساق طول والركبة والكاحل وتستخدم لبناء نموذج موضوع في برامج الميكانيكا الحيوية (انظر الجدول للمواد) لإجراء عمليات حسابية الحركية والحركية.

3-اقتراح التقاط بروتوكول

ملاحظة: انظر الجدول للمواد لجميع البرامج والأدوات المستخدمة.

  1. وضع علامات عاكسة
    1. وضع علامات عاكسة 14 ملم على الهيئة المشارك في معالم عظمى التشريحية التالية: عمليات الأخرم، المفاصل ستيرنوكلافيكولار، وقاعدة للقص، والخلفي عملية 10th الفقرات الصدرية، أسس، الخلفي-الأعلى حرقفي الوحشي الأشواك (بسيس)، 1.5 سم فوق خطوط الركبة الجانبية المشتركة، 1.5 سم فوق الركبة الآنسي خطوط مشتركة، ماليولي، ماليولي الآنسي والكعب الخلفي، وقواعد من الامشاط الثانية وقواعد من الامشاط الخامسة.
    2. ضع ألواح البلاستيك شبه صلبة مع مجموعات 4-علامة على الفخذين والسيقان، على التوالي.
      ملاحظة: لنتيجة أفضل بالتقاط حركة، ينصح المشارك يكون حافي القدمين، وارتداء ملابس الجلد محكم. وبالإضافة إلى ذلك، يتبع الإجراء موضع علامة تعديل بروتوكول "توصيل في مشيه"21. وتستخدم ما مجموعة 39 علامات عاكسة لالتقاط الحركة ويتم إرفاق 34 منهم بالجزء الأسفل من الجسم.
  2. إرشاد المشارك في عملية الاحماء قبل المشي في حلقة مفرغة يجهز بسرعة الذاتي مختارة لمدة 5 دقائق.
  3. معايرة مساحة غرفة لإجراءات القبض على الحركة
    1. قوة الطاقة في نظام التقاط الحركة (12 كاميرات الأشعة تحت الحمراء عالية السرعة) واثنين من لوحات. فتح برنامج التقاط حركة. في إطار البرنامج الرئيسي، فتح جزء 'الموارد'. انقر فوق علامة التبويب "النظام" تكوين التردد الكاميرا في 200 هرتز وقوة تردد لوحة في 2,000 هرتز.
    2. في إطار البرنامج الرئيسي، فتح جزء 'أدوات'. انقر فوق الزر "تحضير النظام". انقر فوق "معايرة الكاميرات". انقر فوق "ابدأ". أطلب من موظفي بحوث إلى موجه بعصا قياسية 5-علامة معايرة للقيام بمعايرة حيوية ضمن مساحة غرفة فيها حركات قطره الهبوط التي يتعين القيام بها. انقر فوق "إيقاف" بعد 5 s العصا بيانات تم الحصول عليها.
    3. ضع عصا المعايرة شقة في الطابق لمحاذاة مع زاوية لوحة القوة غرض تحديد موقع مرجع (الأصل) لمساحة معايرة. انقر فوق "تعيين" حجم المنشأ داخل جزء أدوات '"تحضير النظام"'.
  4. إعداد المشاركين في البرنامج في التقاط الحركة
    1. في إطار البرنامج الرئيسي، فتح جزء 'الموارد'. انقر فوق علامة التبويب "موضوع" انقر على الزر "إنشاء موضوع جديد من هيكل عظمى التالي". حدد قالب وضع العلامات من قائمة ملفات قالب المقدمة.
    2. في إطار 'خصائص'، قم بإدخال اسم للموضوع وقيم كتلة الجسم (كجم) وارتفاع الجسم (مم)، والمسافة بين أسيس (مم)، طول الساق اليسرى واليمنى (مم)، الركبة اليمنى واليسرى العرض (مم) والكاحل الأيمن والأيسر العرض (مم). في الجزء '"موضوع الموارد"'، انقر بالزر الأيمن اسم الموضوع ثم انقر فوق "حفظ هذا الموضوع".
  5. تسجيل وقفه معايرة وهيئة جامدة
    1. أطلب من المشاركين للوقوف بلا حراك في وسط الغرفة معايرة مع أقدام عرض الكتفين بعيداً حين تمتد في الأطراف العليا أفقياً حيث أن كافة علامات عاكسة على الجسم يتعرض كذلك للكاميرات.
    2. في النافذة الرئيسية للبرنامج، فتح جزء الأدوات. انقر فوق علامة التبويب "إعداد هذا الموضوع". في المقطع "التقاط هذا الموضوع"، انقر فوق "ابدأ" لسجل اقتراح 3-s لمحاكمة أن تكون معايرة ثابتة للمحاكمة.
  6. الداخلي لتحديد المراكز الفنية المشتركة
    1. مركز وظيفي الورك
      1. أطلب من المشاركين للوقوف مع ساق واحدة، وتماماً تمديد الساق الأخرى قليلاً إلى الأمام. إرشاد المشاركين لتحريك الساق الموسعة حول الورك في التسلسل التالي: تحريك إلى الأسفل والعودة إلى محايدة، والتحرك الأمامي جانبياً والعودة إلى محايدة، التحرك أفقياً والعودة إلى محايدة، التحرك الخلفي جانبياً والعودة إلى نقل الخلف المحايدة، والعودة إلى المحايدة، وطلب سيركومدوكشن.
      2. في إطار البرنامج الرئيسي، فتح جزء 'أدوات'، انقر فوق علامة التبويب "التقاط". في المقطع "التقاط"، انقر فوق "ابدأ" لتسجيل محاكمة حركة لكل اقتراح مفصل الورك الوظيفية.
    2. مركز الركبة الفنية المشتركة
      1. أطلب من المشاركين للوقوف مع ساق واحدة والحفاظ على 30° الورك فرط-ملحق للساق الأخرى. إرشاد المشاركين للقيام الانحناء 45° ركبة مع الساق تحمل الوزن غير 5 مرات.
      2. في المقطع 'التقاط' جزء 'أدوات'، انقر فوق "ابدأ" لتسجيل محاكمة حركة لكل حركة الركبة الوظيفية.
        ملاحظة: للحصول على مزيد من التفاصيل من الإجراءات الفنية المشتركة، الرجاء راجع شفارتز, et al. 22
  7. التقاط الحركة لحركات هبوط قطره
    1. ترتيب استخدام ثلاثة (26 سم و 39 سم و 52 سم) ارتفاعات مختلفة تهبط قطره14بطريقة عشوائية.
    2. تعديل مكان الارتفاع مربع الخشب بمساحة سطح العلوي من 50 × 50 سم2 على الأرض تغطيها حصيرة مطاط. مربع الخشب 11 سم من حواف الصفائح القوة. أطلب من المشاركين للوقوف على سطح مربع.
    3. إرشاد المشاركين لتمديد أقدامهم المهيمنة مباشرة أمام المربع وتحويل الوزن إلى الأمام، وخطوة الخروج من المربع. أطلب من المشاركين للأراضي مع ساقيه على الأرض في نفس الوقت مع كل قدم على طبق من قوة منفصلة.
    4. أطلب من المشاركين يظل واقفاً حتى اكتمال التقاط الحركة للمحاكمة. تكرار التقاط الحركة ثلاث مرات لجمع ثلاث تجارب الحركة لكل ارتفاع.
  8. تجهيز البيانات التقاط الحركة
    1. فتح برنامج التقاط حركة. ضمن الإطار الرئيسي للبرنامج، انتقل إلى الجزء 'الاتصالات'. انقر فوق علامة التبويب "إدارة البيانات" حدد إحدى المحاكمات الحركة المسجلة وفتحه في البرنامج.
    2. في الجزء 'أدوات'، انقر فوق علامة التبويب "خط". من القائمة '"خط الأنابيب الحالي"'، حدد خط الأنابيب "إعادة بناء". انقر فوق الزر "تشغيل" لبدء عملية إعادة الإعمار للحصول على الأبعاد الثلاثة (3D) المسارات من علامات عاكسة.
    3. في الجزء 'أدوات'، انقر فوق علامة التبويب "تسمية/تحرير". في المقطع '"دليل تصنيف"'، حدد أسماء العلامة الفردية وتسمية المسارات 3D المقابلة. انقر فوق "حفظ" زر من شريط الأدوات عند وضع العلامات اكتمال.
    4. في الجزء 'أدوات'، انقر فوق علامة التبويب "خط". في المقطع '"العمليات المتاحة"'، حدد "تصدير ملف". انقر نقراً مزدوجاً فوق "خط أنابيب التصدير C3D". انقر فوق الزر "تشغيل" لتصدير المحاكمة الحركة المجهزة إلى ملف بتنسيق (C3D) 3-بعد تنسيق.
  9. تحليل النشاط الحيوي للحركة التقاط البيانات
    1. فتح برنامج الميكانيكا الحيوية لمواصلة عملية البيانات التقاط الحركة. من أعلى القائمة، انقر فوق "ملف"، وانقر فوق الزر "فتح/إضافة". حدد الملفات C3D الخام لاستيراد إلى البرنامج الميكانيكا الحيوية.
    2. من أعلى القائمة، انقر فوق "نموذج". انقر فوق "إنشاء (إضافة ملف ثابت المعايرة)". من القائمة الفرعية، حدد "النموذج الهجين من C3DFile". حدد وافتح الملف C3D معايرة ثابتة.
    3. من أعلى القائمة، انقر فوق "نموذج". من القائمة المنسدلة، انقر فوق "تطبيق قالب نموذج". حدد وافتح ملف قالب نموذج. انقر فوق علامة التبويب "نماذج" على شريط الأدوات. انقر فوق علامة التبويب "المقاييس/البيانات هذا الموضوع". ضمن إطار '"موضوع البيانات"'، قم بتعديل القيم من 'الكتلة' و 'ارتفاع' لجعل النموذج الخاصة بهذا الموضوع.
    4. انقر فوق علامة التبويب "نماذج" على شريط الأدوات. انقر فوق الزر "نموذج منشئ متقدمة وظيفة تجهيز" من شريط القوائم أعلى. في الإطار المنبثق "نموذج منشئ متقدمة وظيفة المعالجة"، انقر فوق علامة التبويب "المفاصل الوظيفية" حدد "إضافة الحركة ملف من مساحة العمل".
    5. حدد الملفات الفنية المشتركة مركز C3D. تسليط الضوء على ملف مشترك فنية مستوردة. تسليط الضوء على وظيفية مشتركة مطابقة الملف. استخدم "تعيين بدء تشغيل الإطار إلى الإطار الحالي" و "تعيين نهاية الإطار إلى الإطار الحالي" لتحديد الأجزاء المناسبة من الحركة للمحاكمة. انقر فوق الزر "حساب معالم محددة". كرر هذه العملية لحساب المراكز الأخرى الفنية المشتركة صقل نموذج الهيكل العظمى.
    6. انقر فوق الزر "نموذج" على شريط القوائم أعلى. حدد "تعيين نموذج إلى ملفات الحركة". في الإطار المنبثق من "تعيين نماذج للبيانات الحركة"، تطبيق نموذج الهيكل العظمى الخاصة بهذا الموضوع إلى جميع الحركة المحاكمات.
    7. انقر فوق الزر "خط الأنابيب" من شريط الأدوات. في الإطار المنبثق من "ورشة عمل خط الأنابيب"، انقر فوق الزر "فتح خط الأنابيب". حدد "الأنبوب أهداف التصفية". انقر فوق الزر "تنفيذ خط أنابيب" القيام ترتيب الرابع منخفضة تمرير مرشح بتروورث مع تواتر استقطاع 10 هرتز في المسارات 3D المحاكمات التقاط الحركة.
    8. انقر فوق الزر "خط الأنابيب" من شريط الأدوات. في الإطار المنبثق من "ورشة عمل خط الأنابيب"، انقر فوق الزر "فتح خط الأنابيب". حدد "تصفية القوات الأنبوب". انقر فوق الزر "تنفيذ خط أنابيب" القيام ترتيب الرابع منخفضة تمرير مرشح بتروورث مع قطع من تردد 60 هرتز على الأرض رد فعل قوي من المحاكمات التقاط الحركة.
    9. انقر فوق الزر "إعدادات" من شريط القوائم أعلى. وضع علامات الاختيار بجوار "معالجة النظير للأرض رد فعل قوة حسابات استخدام" و "استخدام معالجة الأهداف لنموذج/الجزء/لينكموديلباسيد العناصر".
    10. انقر فوق الزر "خط الأنابيب" من شريط الأدوات. في الإطار المنبثق من "ورشة عمل خط الأنابيب"، انقر فوق الزر "فتح خط الأنابيب". حدد خط الأنابيب "الحساب على أساس نموذج". انقر فوق الزر "تنفيذ خط أنابيب" لإجراء عمليات حسابية الكينماتيكا السفلي-الهيئة المشتركة وحركية.
    11. انقر فوق الزر "خط الأنابيب" من شريط الأدوات. في الإطار المنبثق من "ورشة عمل خط الأنابيب"، انقر فوق الزر "فتح خط الأنابيب". حدد خط الأنابيب "تصدير بتنسيق C3D". انقر فوق الزر "تنفيذ خط أنابيب" لتصدير الإحداثيات ثلاثية الأبعاد المجهزة للجسم السفلي علامات مرئية في ملف C3D.
    12. انقر فوق الزر "خط الأنابيب" من شريط الأدوات. في الإطار المنبثق من "ورشة عمل خط الأنابيب"، انقر فوق الزر "فتح خط الأنابيب". حدد خط الأنابيب "تصدير قوي رد فعل الأرض". انقر فوق الزر "تنفيذ خط أنابيب" لتصدير رد فعل الأرض 3D المجهزة قوات في ملف ثنائي (ملحق الملف: حصيرة).
      ملاحظة: يستخدم استقطاع تردد 60 هرتز للحفاظ على قمم عالية التأثير أثناء عمليات الإنزال، لتصفية البيانات قوة رد فعل الأرض الخام23.
  10. إعداد البيانات التقاط الحركة لعمليات المحاكاة بالحاسوب
    1. فتح جهاز كمبيوتر برمجة البرامج. استيراد ملف البيانات C3D التي تمت تصفيتها وملف البيانات الشروط المتفق عليها تبادلياً.
    2. تصدير ملف نصي يحتوي على إحداثيات مركز مشترك للجسم السفلي. تحويل ملف البيانات C3D وملف البيانات الشروط المتفق عليها تبادلياً في ملفات نصية (ملحق الملف: الفيزيائي) للاستخدام من قبل برنامج محاكاة ديناميكية مولتيبودي.

4-الموضوع خاصة بالتصميم الداخلي

  1. إنشاء نموذج الهيكل العظمى للجسم السفلي
    1. فتح مولتيبودي تثبيت برنامج المحاكاة الديناميكية مع الجسم البشري النمذجة في المكونات. أثناء هذه العملية، جسم الإنسان نمذجة المكونات في وحدة نمطية يتم فتحها تلقائياً. في شاشة البداية، انقر نقراً مزدوجاً فوق الرمز "نموذج جديد" لفتح نموذج بناء لوحة التحكم.
    2. ضمن لوحة "التصميم الرئيسي"، في المقطع "مكتبة قاعدة البيانات الانثروبومتريه"، اختر الجسم عامة (جيبود) من القائمة المنسدلة. داخل لوحة "التصميم الرئيسي"، حدد كتلة الجسم (كجم)، ارتفاع الجسم (ملم)، ونوع الجنس، والعمر (أشهر).
    3. داخل لوحة التصميم الرئيسي، في المقطع "تكوين الجهاز"، انقر فوق الزر الراديو "الأسفل من الجسم". من القائمة المنسدلة "الوحدات"، حدد "ملليمتر كيلو نيوتن". ضمن لوحة "التصميم الرئيسي"، انقر فوق الزر "تطبيق" في المقطع "إنشاء جدول قياس الجسم" لقبول قياسات الجسم. الاستمرار في النقر فوق الزر "تطبيق" في المقطع "إنشاء شرائح البشرية" لإنشاء نموذج قاعدة الهيكل العظمى للجسم السفلي.
      ملاحظة: يتم قياسه استناداً إلى هذا النموذج في الطول للفرد، والكتلة، والسن، وبين الجنسين. النموذج يتكون من سبعة أجزاء: الحوض والفخذين اثنين وهما شانكس وقدمين (الشكل 1). وعلى غرار جميع الأجزاء كالهيئات الجامدة.
  2. النمذجة مفاصل الجسم السفلي
    1. داخل لوحة التصميم الرئيسي، من القائمة المنسدلة-لأسفل القائمة الرئيسية، حدد "المفاصل" لفتح لوحة التكوين المشتركة.
    2. في لوحة التكوين المشتركة، في المقطع "عناصر التناوب المشتركة"، انقر فوق الزر الموجود بجانب "إعداد نموذج مع تسجيل المفاصل". في المقطع "الربيع الملطف والمشتركة الحدود خصائص"، أدخل المعلمات التالية: تيبس المفاصل الاسمية نم 1/°، التخميد المشتركة الأسمى من 0.1 Nmm∙s/°، وتيبس المفاصل وقف من 3.38E7 نم/°. مواصلة لتحديد "الساق اليسرى" و "الحق في المحطة" بالتحقق من أزرار الاختيار الموجودة بجوار الأسماء. انقر فوق الزر "تطبيق" لقبول التكوينات المشتركة.
    3. داخل لوحة التصميم الرئيسي، من القائمة المنسدلة-لأسفل القائمة الرئيسية، حدد "سير العمل". من القائمة المنسدلة-لأسفل القائمة الفرعية، حدد "مشيه" و "معايرة". في المقطع "مركز البيانات المشتركة"، أدخل ملف مشارك مركز مشترك للجسم السفلي.
    4. انقر فوق الزر "تحميل" لاستيراد البيانات تعديل مواقع المراكز المشتركة. في المقطع "تحميل ثابت المحاكمة"، أدخل المحاكمة التقاط الحركة معايرة ثابتة (في تنسيق ملف الفيزيائي، جيل الموصوفة في الخطوات 3، 3، 8-10). انقر فوق الزر "تحميل" لاستيراد الملف إلى وضع معلمات نموذج الهيكل العظمى للجسم السفلي.
      ملاحظة: بشكل افتراضي، مفاصل الورك تم تكوينها المفاصل الكروية مع ثلاث درجات من الحرية، مفاصل الركبة تم تكوينها المفاصل ريفولوتي بدرجة واحدة من الحرية، ويتم تكوين مفاصل الكاحل المفاصل العالمي مع اثنان درجات الحرية.
  3. عضلات الهيكل العظمى النمذجة
    1. داخل لوحة التصميم الرئيسي، من القائمة المنسدلة-لأسفل القائمة الرئيسية، حدد "الأنسجة الرخوة". من القائمة المنسدلة-لأسفل القائمة الفرعية، حدد "إنشاء قاعدة النسيج مجموعة". في المقطع "عناصر الهوس العضلات"، انقر فوق "إعداد نموذج مع تسجيل العضلات العناصر".
    2. في المقطع "خصائص العضلات عنصر التسجيل العالمي"، انقر فوق الزر الراديو "تحديث 45 العضلات مجموعة".
    3. في المقطع "خصائص العضلات عنصر التسجيل العالمي"، قبول الإعدادات الافتراضية التالية لخصائص العضلات: صلابة السلبي من 0.4448 ن/مم، التخميد السلبي من 1.75 E-2 Ns/مم، والعضلات يستريح حمولة من الاختيار أ. 0.4448 أزرار "الساق اليسرى" و "الحق في المحطة" للتعيينات العضلات. انقر فوق الزر "تطبيق" لقبول التكوينات.
      ملاحظة: تشمل مجموعة "عضلة الساق" 45 العضلات التالية: المقربة القصيرة، المثنية المقربة طويلة، ماغنوس المقربة (ثلاث مجموعات)، العضلة ذات الرأسين الفخذية الطويلة رئيس، رئيس قصيرة العضلة ذات الرأسين الفخذية، أصابع الباسطة، الباسطة الطويلة، المثنية الطويلة، الساق، جيميلوس، مكسيموس عضلة (ثلاث مجموعات)، عضلة وسائط الإعلام (ثلاث مجموعات)، عضلة الحد الأدنى (ثلاث مجموعات)، مرهف، أوتار، إيلياكوس، الساق الأفقي، الساق الآنسي، بيكتينيوس، برنوس قصيرة، طويلة برنوس، برنوس تيرتيوس، الكمثرى، بسواس، الفخذ الفخذية، والفخذية المستقيمة، سارتوريوس، سيميميمبرانوسوس، سيميتيندينوسوس، سولاس، موتر Fasciae ﻻتا، الظنبوبي الأمامي، الظنبوبي الخلفي، Intermedius فستوس، Vastus Lateralis، Medialis فستوس.

5-هيئة متعددة ديناميات المحاكاة

  1. أداء المحاكاة الحركية معكوس
    1. داخل لوحة التصميم الرئيسي، من القائمة المنسدلة-لأسفل القائمة الرئيسية، حدد "سير العمل". من القائمة المنسدلة-لأسفل القائمة الفرعية، حدد "مشيه" و "المحاكمة". في المقطع "البيانات الحيوية للمحاكمة"، أدخل اسم ملف لمحاكمة التقاط دينامية الحركة (في تنسيق ملف الفيزيائي)، وانقر فوق الزر "تحميل" لاستيراد البيانات. الاستمرار في إدخال قوة رد فعل الأرض المقابلة بيانات الملف (في تنسيق ملف الفيزيائي)، وانقر فوق الزر "تحميل" لاستيراد البيانات.
    2. داخل لوحة التصميم الرئيسي، من القائمة المنسدلة-لأسفل القائمة الرئيسية، حدد "_Analyze". قم بتشغيل "تحليل ريباراميتيريزي" تعديل الوضع النموذجي لتتناسب مع الموقف في بداية المحاكمة الديناميكية.
    3. افتح لوحة المحاكاة. قم بتعطيل آثار قوات رد فعل الجاذبية والأرض. اختر المحاكمة الحركة كله كطول المحاكاة.
    4. تحديد خطوة وقت محاكاة للخطوات 100/س. تشغيل محاكاة حركية معكوس مدفوعا بالبيانات التقاط الحركة. حفظ تحليل المحاكاة الحركية معكوس.
  2. إنشاء عميل تعقب الحركة
    1. افتح لوحة "إنشاء عميل تعقب الحركة". أقبل الاسم الافتراضي المقتفي: MA_Track.
    2. تعيين صلابة متعدية الجنسيات وصلابة التناوب ك 10 نيوتن/مم ونم 1,000/°، على التوالي. تعيين التخميد متعدية الجنسيات والتناوب التخميد 10 Ns/مم ونمس 1,000/°، على التوالي. تعيين جميع درجات الحرية متعدية الجنسيات والتناوب مدفوعة.
    3. ملاحظة. كما يتم استخدام نموذج الجسم السفلي فقط لمحاكاة ديناميكية إلى الأمام، ضروري تعقب حركة إلى الحساب لعدم الاستقرار بسبب عدم حركة الجزء العلوي من الجسم.
  3. تدريب عضلات الساق
    1. افتح لوحة تكوين "الأنسجة الرخوة". اختر حلقة مغلقة بسيطة لنموذج العضلات. تعيين المعلمات التالية لنموذج العضلات: "كسب متناسبة" من 1.0E6، وكسب لا يتجزأ من 1.0E6، وكسب مشتق من 1.0E4.
    2. حدد تحليل المحاكاة الحركية معكوس تكون هدفا لتدريب العضلات. تطبيق تدريب العضلات.
  4. استيراد من الساق مرنة
    1. افتح لوحة "مرنة الجسم الاستيراد". إجراء "تعيين المحاذاة" مع صانعي المعروفة الثلاثة وفروعها المقابلة على سطح الساق مرنة.
    2. اختر الساق الجامدة لتحل محلها الساق مرنة. حدد ملف القوة المتعددة الجنسيات تمثل الساق مرنة. حدد ملف التعيين مرفق العضلات لإعادة ربط عضلات الساق بالساق مرنة. استيراد الساق مرنة إلى طراز الجهاز العضلي الهيكلي.
  5. أداء المحاكاة الديناميكية إلى الأمام مع الساق مرنة في مكان
    1. افتح لوحة المحاكاة. تمكين تأثيرات قوات رد فعل الجاذبية والأرض. قم بتعطيل آثار عوامل الحركة.
    2. اختر لتشغيل المحاكاة لطول الحركة كاملة للمحاكمة. تعيين محاكاة الوقت خطوة من الخطوات 100/س تشغيل محاكاة ديناميكية الأمام مدفوعا بالعضلات المدربة. حفظ التحليل الديناميكي إلى الأمام.

6-إنشاء نموذج مرن الساق

  1. إنشاء نموذج شبكة سطحية ثلاثية الأبعاد
    1. فتح برنامج معالجة صور. CT استيراد الشرائح في تنسيق DICOM. إنشاء قناع باستخدام الأسلوب المتنامي في المنطقة لفصل أنسجة العظام من الأنسجة الناعمة المحيطة بها.
    2. البحث عن الشرائح الأشعة المقطعية حيث الساق والشظية متصلين. فصل في الساق والشظية بمحو قناع على طول الاقتران اثنين من العظام.
    3. إنشاء قناع ثانية استخدام المنطقة تزايد الأسلوب لتضمين فقط في عظم الساق. انتقل من خلال شرائح الأشعة المقطعية للكشف عن تجاويف الموجودة في قناع الساق. ملء التجاويف في القناع. إنشاء كائن ثلاثي الأبعاد الساق استناداً إلى قناع الساق. تصدير الكائن الساق ثلاثية الأبعاد كملف في تنسيق التبادل الرسم (DXF).
  2. إنشاء نموذج عنصر محدود الساق
    1. فتح برنامج تحليل الحديد. استيراد ملف نموذج 3D الساق ذات الامتداد DXF.
    2. قم بتنفيذ الأمر اكتساح لإزالة العناصر المكررة والعقد. قم بتنفيذ الأمر "مش وحدة التخزين" لإنشاء نموذج الساق الحديد مع عناصر سداسية من 3 مم × 3 مم × 3 مم-تعيين خصائص المواد التالية على كافة عناصر: معامل يونغ من 17 برنامج العمل العالمي، نسبة بواسون 0.3، وكثافة 1.9E-6 كجم/سم3.
      ملاحظة: يتم تعيين خصائص المواد لكل عنصر مع افتراض أن نسيج العظام الخواص داخل نطاقات الضغوط التي تواجهها العظام خلال الالتماسات دينامية24،،من2526.
  3. إنشاء نموذج مرن الساق
    1. ضمن لوحة التحكم الرئيسية، انقر فوق علامة التبويب "هندسة مش" حدد "هندسة مش". في الإطار المنبثق "هندسة مش &"، في المقطع "الشبكة"، انقر فوق "إضافة العقد" لإنشاء عقد جديد اثنين لتمثيل هذه مراكز مفاصل الركبة والكاحل.
    2. في لوحة التحكم الرئيسية، انقر فوق علامة التبويب "الارتباطات" حدد RBE2. في RBE2 نافذة منبثقة، إنشاء وصلة اتصالات من نوع العنصر 2 هيئة جامدة (RBE2) بين العقد المشترك والعقد السطحية على السطوح الركبة والكاحل.
    3. في لوحة التحكم الرئيسية، انقر فوق علامة التبويب "شروط الحدود". في المقطع "شروط الحدود"، انقر فوق الزر "جديد". حدد "DOF_Set العقد". في النافذة المنبثقة "خصائص الحدود شرط"، بإنشاء شرط الحدود عن طريق تعيين ست درجات من الحرية لكل من العقدتين RBE2 المشتركة.
    4. في لوحة التحكم الرئيسية، انقر فوق علامة التبويب "لوادكاسيس". في المقطع "لوادكاسيس"، انقر فوق "جديد"، حدد "كريج آدمز-بامبتون"19. في الإطار المنبثق "لوادكاسي خصائص"، انقر فوق "شعبة الشؤون المالية--مجموعة العقد". حدد dofset_nodes التي تم إنشاؤها في الخطوة أعلاه.
    5. في لوحة التحكم الرئيسية، انقر فوق علامة التبويب "المهام". في المقطع "مهام"، انقر فوق "جديد". حدد "الهيكلية". في الإطار "خصائص المهمة" المنبثقة، حدد لوادكاسي التي تم إنشاؤها في الخطوة السابقة. انقر فوق الزر "نتائج مهمة". في الإطار المنبثق "النتائج"، حدد "الإجهاد" و "الضغط". كما حدد "كيلوغرام" للكتلة, "نيوتن" لفرقة "المليمتر" للطول، و "الثانية" للمرة. انقر فوق الزر "تشغيل".
    6. في الإطار المنبثق "تشغيل المهمة"، انقر فوق زر "إرسال" إرسال المهمة لمحاكاة FE وإنشاء ملف محايدة مشروط (القوة المتعددة الجنسيات) من الساق16.

7-سلالة تحليلات البيانات

  1. تصدير بيانات سلالة العظام
    1. افتح معالج آخر لبرنامج محاكاة مولتيبودي. تحميل برنامج الوظيفة الإضافية المتانة.
    2. فتح المحاكاة مع الساق مرنة عن طريق النقر فوق اسم المحاكاة. تصدير السلالات الرئيسية الحد الأقصى والحد الأدنى وإجهاد القص الحد الأقصى من العقد تمثل الجانب الآنسي أنتيرو diaphysis منتصف قصبي.
  2. تجهيز البيانات الخام سلالة
    1. فتح جهاز كمبيوتر برمجة البرامج لمعالجة البيانات. استيراد بيانات سلالة الخام. تطبيق عامل تصفية بتروورث منخفضة تمرير أمر الرابعة للبيانات الخام مع تردد قطع 15 هرتز.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

صحية القوقاز الذكور (19 عاماً، الارتفاع 1,800 مم، الشامل 80 كجم) تطوع للدراسة. قبل جمع البيانات، واستعرض هذا الموضوع والتوقيع على استمارة الموافقة أقرها "المجلس استعراض المؤسسية الجامعة" قبل المشاركة في الدراسة. أجريت التجربة إطار "إعلان هلسنكي". وأجريت التجربة استناداً إلى البروتوكول التالية.

بغية التحقق من دقة المحاكاة الديناميكية إلى الأمام، قورنت الزوايا السفلية-الهيئة المشتركة من المحاكاة للزوايا المشتركة المقابلة تقاس من البيانات التقاط الحركة معالجتها بواسطة برنامج تحليل الميكانيكا الحيوية. تم استخدام برنامج تحليل الإحصائي لحساب معاملات الارتباط عبر المقارنات. يسمح حساب عبر ارتباط التأخر 10 في الاتجاهات الإيجابية والسلبية على السواء. تقابل كل تأخير لأحد الوقت خطوة في المحاكاة الديناميكية إلى الأمام (0.01 s). وتم تحديد معاملات الارتباط عبر الحد الأقصى.

الفحص البصري ل الشكل 2، رقم 3و رقم 4 يوضح أوجه الشبه بين الزوايا المشتركة المنتجة مع البيانات التجريبية والبيانات المحاكاة. تم العثور على معاملات عبر-الارتباط القوى بين الزوايا المشتركة التجريبية والمحاكاة في تأخر الصفر (الجدول 1).

وترد في الجدول 2سلالات الذروة في منطقة الآنسي أنتيرو رمح منتصف قصبي أثناء الهبوط من ارتفاعات مختلفة ثلاث. بين مرتفعات الهبوط الثلاثة، أظهرت 52 سم الهبوط شرط أكبر ذروة الحد الأقصى الرئيسية، والذروة الرئيسية الحد الأدنى، واجهادات القص القصوى الذروة. وبالإضافة إلى ذلك، لوحظ أنه، كارتفاع قطره زيادة، سلالات الذروة الرئيسية أقصى زيادة.

Figure 1
رقم 1: نموذج العضلية الهيكلية الخاصة بهذا الموضوع التي تم إنشاؤها في هذه الدراسة- ويشمل هذا النموذج العضلي الهيكلي الجسم السفلي ستة قطاعات جامدة (الحوض وقصبة الأيمن والأيسر والساق اليسرى والقدمين اليمنى واليسرى) والساق مرنة واحد (الساق اليمنى). عضلات الساق 90 مرفقة بالنموذج. للغرض التصور، يتم تمثيل كل العضلات بخط لون مرجان. وتمثل المراكز المشتركة كرات زرقاء خفيفة لكرات الجسم والأرجواني السفلية اليمنى للجسم السفلي الأيسر. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 2
رقم 2: المشترك مقارنات زاوية (بالدرجات) بين البيانات التقاط الحركة التجريبية وبيانات المحاكاة لإسقاط-الهبوط من ارتفاع 26 سم. تمثل الخطوط الصلبة المشتركة الزوايا المحسوبة مع البيانات التقاط الحركة التجريبية. وتمثل الخطوط المنقطة الزوايا المشتركة التي تنتجها بيانات المحاكاة الديناميكية مولتيبودي. الخطوط العمودية تمثل لحظات أثر. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 3
الشكل 3: المشترك مقارنات زاوية (بالدرجات) بين البيانات التقاط الحركة التجريبية وبيانات المحاكاة لإسقاط-الهبوط من ارتفاع 39 سم. تمثل الخطوط الصلبة المشتركة الزوايا المحسوبة مع البيانات التقاط الحركة التجريبية. وتمثل الخطوط المنقطة الزوايا المشتركة التي تنتجها بيانات المحاكاة الديناميكية مولتيبودي. الخطوط العمودية تمثل لحظات أثر. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 4
الشكل 4: المشترك مقارنات زاوية (بالدرجات) بين البيانات التقاط الحركة التجريبية وبيانات المحاكاة لإسقاط-الهبوط من ارتفاع 52 سم. تمثل الخطوط الصلبة المشتركة الزوايا المحسوبة مع البيانات التقاط الحركة التجريبية. وتمثل الخطوط المنقطة الزوايا المشتركة التي تنتجها بيانات المحاكاة الديناميكية مولتيبودي. الخطوط العمودية تمثل لحظات أثر. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

مرتفعات دروبلاندينج
26 سم 39 سم 52 سم
مفاصل الجسم السفلي معامل الارتباط عبر الفارق معامل الارتباط عبر الفارق معامل الارتباط عبر الفارق
الكاحل 0.998 0 0.998 0 0.999 0
الركبة 1 0 1 0 1 0
الورك 0.999 0 1 0 1 0

الجدول 1: معاملات الارتباط الصليب والتخلف من المقارنات بين الزوايا المشتركة التي أنتجت على أساس البيانات التقاط الحركة والزوايا المشتركة المنتجة من بيانات المحاكاة. واستخدمت تجربة واحدة في كل ارتفاع للمقارنات. الفارق صفر يشير إلى أي اختلاف في الوقت المناسب عندما أنتجت الزوايا المشتركة بين النهجين.

مرتفعات دروبلاندينج
عظم سلالة (µstrain) 26 سم 39 سم 52 سم
الرئيسية كحد أقصى 1160 1270 1410
الرئيسية الحد الأدنى -659 -598 -867
القص كحد أقصى 893 870 1140

الجدول 2: سلالات عظم الساق في الجانب الآنسي أنتيرو رمح منتصف قصبي أثناء هبوطها الإفلات من ثلاث ارتفاعات مختلفة- وترد الرئيسية الحد الأقصى والحد الأدنى الرئيسي واجهادات القص القصوى.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

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 تهبط قطره المنجز في إعداد مختبر. وتم بحث أثر الارتفاع تهبط قطره على سلالة قصبي. في هذه الدراسة، لاحظنا أن كقطرة-الهبوط الارتفاع زاد، وكذلك فعل سلالات رئيسية كحد أقصى الذروة. أيضا، بين الشروط الثلاثة المقصودة، أدت حالة 52-سم في أعلى ذروة الرئيسية الحد الأقصى والحد الأدنى الأساسي، واجهادات القص القصوى.

تتوفر بيانات محدودة في فيفو في الأدب فيما يتعلق بتأثير انخفاض-الهبوط في إجهاد الساق. ميلجروم et al., عن سلالة الرئيسية كحد أقصى تتراوح بين 896-1,007 µstrain خلال عمليات الإنزال من ثلاث ارتفاعات مختلفة (26، 39، 52 سم)14. ذكر اكينمان et al. متوسط سلالة 2,128 µstrain أثناء الهبوط من ارتفاع 45 سم13. كانت سلالة الرئيسية الحد الأقصى من المحاكاة الحاسوبية بين µstrain 1,160-1,410 أثناء الهبوط من ثلاث ارتفاعات مختلفة (26، 39، 52 سم)، التي كانت أعلى من تلك التي أبلغت بها ميلجروم et al. ولكنها كانت أقل من التي تبلغ عنها اكينمان et al. 13 , 14

الأسباب التالية قد تسهم في الفرق في الضغط بين الدراسات السابقة والحالية. أولاً، الديمغرافية اختلافات بين المواضيع في هذا والدراسات السابقة. استخدمنا موضوع ذكور نشاطا بدنيا. شملت الدراسة اكينمان في موضوع الإناث13. الدراسة ميلجروم شملت كلا من الذكور والإناث، وأفادت سلالات متوسط14. ثانيا، أن الأحذية قد تلعب دوراً في الاختلافات في سلالة العظام. درس لانيون et al. تأثير الأحذية على سلالات الدانية، وجدوا أن المشي والجري حافي القدمين أدت إلى توترات أكبر مقارنة بارتداء أحذية12. استخدمت الدراسة الحالية على بروتوكول هبوط حافي القدمين، وسلالة القيم المحسوبة أكبر من تلك التي ميلجروم et al. الدراسة، والتي تستخدم بروتوكول هبوط مع الأحذية الرياضية القياسية14. ثالثا، التعديلات في الهبوط استراتيجية قد تؤثر أيضا على سلالة قصبي. في هذه الدراسة، كان من الممكن أن هذا الموضوع قد تختار استراتيجية مثل زيادة الانحناء الجذع للمساعدة في الحد من التأثير عند زيادة ارتفاع تهبط قطره. هذه الاستراتيجية يمكن أن تساعد في حماية الساق من سلالات كبيرة. ميلجروم et al. كما اقترح استراتيجية وقائية ممكنة المستخدمة من قبل له مواضيع14. رابعا، يمكن أن يكون هناك اختلاف طفيف في المواقع حيث تم رصد سلالة قصبي. دراستنا دراسة سلالة العظام إلى الجانب الآنسي أنتيرو رمح منتصف قصبي. في ميلجروم et al., سجلت سلالات من منطقة وسطى رمح منتصف الدانية14. قد يؤدي الانحناء لحظة في الساق أثناء هبوط الطائرة السهمي سلالة الرئيسية أقصى ارتفاع في أماكن قرب المناطق الأمامية من رمح قصبي. ومع ذلك، تظهر نتائج سلالة لدينا تكون قابلة للمقارنة لنتائج الدراسات السابقة، وتقع في نطاق السلالة (400-2,200 µstrain) أفادت بتلك في فيفو الدراسات10،،من1314.

سلالة قصبي القيم التي تم الحصول عليها من هذا النهج غير الغازية تتأثر بدقة طراز الجهاز العضلي الهيكلي. وأجريت عبر الارتباطات فحص البيانات التجريبية المشتركة زاوية وبيانات محاكاة الكمبيوتر أثناء الهبوط على إسقاط. تم العثور على معاملات الارتباط القوى بين البيانات المقاسة تجريبيا والبيانات المحاكاة الحاسوبية. يشير هذا إلى أن نموذج الخاصة بهذا الموضوع الذي وضع في هذه الدراسة معقول يمكن تكرار الحركات تهبط قطره. وباﻹضافة إلى ذلك، كانت سلالات الدانية التي ذكرت في هذه الدراسة أقل بكثير µstrain 3,000، مما يؤكد الافتراض المستمدة من الدراسات الأخرى التي تشوه عظم الساق خطية أثناء الهبوط قطره14،15. وهكذا، مع البيانات المحسوبة سلالة يجري في نطاق الخطي وتكرار ممتازة لتهبط على أنماط حركة، نحن خلص إلى أن سلالة البيانات التي تم الحصول عليها من هذا النهج غير الغازية دقيقة بشكل معقول. وعلاوة على ذلك، توظيف الدراسة الحالية سوى موضوع واحد لدراسة سلالة العظام أثناء الهبوط على إسقاط. دراسات المستقبل يمكن أن يدرس ما إذا كانت هناك علاقة استجابة جرعة بين مرتفعات تهبط قطره وسلالات عظم الساق باستخدام حجم عينة كبيرة.

أهمية هذه الدراسة هو الأخذ بأسلوب غير الغازية مبتكرة لقياس تشوه العظام. ويعالج هذا النهج غير الغازية القيود المرتبطة بالتقليدية في فيفو سلالة الاستشعار القياس، التي لا يمكن تطبيقها على عينة كبيرة من البشر. وبالإضافة إلى ذلك، يعالج الأسلوب المقترح الحالي القيود المرتبطة أسلوب غير الغازية سبق الإبلاغ عنها16،17، التي قد تتأثر باستخدام البيانات الحركية المحدودة لدفع عمليات المحاكاة وكان فقط مناسبة دراسة أرضية منخفضة أثر تحركات مثل المشي. الساق الكسور لا تزال نسبة عالية من السكان الرياضية والعسكرية، من المهم لدراسة أثر الأنشطة البدنية عالية التأثير (مثلاً، وتشغيل، والقفز، وقطع) في الردود العظم قصبي. النهج المبتكرة الحالية غير الغازية، على ما يبدو، حلاً ممكناً لإجراء هذه الدراسات. وهذا يلقي الضوء على وضع بروتوكولات كافية من التدريب البدني للرياضيين والمجندين في الخدمة العسكرية للحد من إصابات الإجهاد الساق. وعلاوة على ذلك، هذا الأسلوب غير الغازية مبتكرة فرصة لتقييم سلالات العظم في عظام أخرى غير قابلة للوصول بمقاييس المنفذة مثل عظم الفخذ والزورقيه.

يجب معالجة المسائل الهامة المتصلة بهذا القياس سلالة العظام غير الغازية هنا. أولاً، عامة الجسم السفلي العضلي هيكلي هو إنشاء نموذج يستند إلى على الفرد في السن والجنس، وكتلة الجسم، وارتفاع الجسم باستخدام قاعدة بيانات جيبود27. وتستخدم المواقع المكانية المقاسة تجريبيا لمراكز مشتركة للجسم السفلي صقل نموذج الجهاز العضلي الهيكلي. بالمقارنة مع نموذج عام، هذا نهج النمذجة الخاصة بهذا الموضوع يعرض أفضل نموذج العضلية الهيكلية للهيكل المادي للفرد. الدراسات المستقبلية يمكن أن تنظر في وضع نموذج كامل جسم العضلية الهيكلية لحركة الجزء العلوي من الجسم أثناء مولتيبودي دينامية المحاكاة.

وثانيا، هناك 45 العضلات المعينة لكل ساق في النموذج. أصول والملاحق من العضلات هي تشريحيا مصممة27. خوارزمية مغلقة بسيطة تستخدم لإدارة إنتاج القوة الفردية العضلات. على وجه التحديد، يتم تسجيل تغيير التاريخ طول العضلات أثناء الحركة الديناميكية مثل الهبوط عن طريق المحاكاة الحركية معكوس. عندما يتم تشغيل المحاكاة الديناميكية إلى الأمام، وحدة تحكم PID المعينة لكل العضلات وتستخدم لتنظيم قوة العضلات اللازمة لتكرار التاريخ طول العضلات سجلت في وقت سابق. هذه الخوارزمية مغلقة بسيطة تنتج نتائج ممتازة في تكرار الكينماتيكا المشتركة. بيد أن هذا النهج لا بحساب العصبية التنسيق بين العضلات مع وظائف مماثلة ويمكن حساب لا تقلصات المشارك من الخصوم. قد ينظر للأعمال المقبلة باستخدام نموذج العضلات المستندة إلى هيل، الذي يتألف من عنصر نشط الهوس (CE) وعنصر مرونة سلبية (PE). يدمج هذا النموذج القائم على تلة القوة-السرعة عضلة وعلاقات القوة-طول لإنتاج التوتر. يمكن بعد ذلك مقارنة القوة العضلية المحسوبة لفريق الإدارة البيئية في البيانات للتحقق من الصحة.

ثالثا، يتم إنشاء نموذج الساق موضوع محدد من الصور المقطعية لتمثيل الهندسة الحقيقية في عظم الساق قيد التحقيق. بينما التصوير بالأشعة المقطعية هو الأسلوب الأساسي للحصول على هندسة صحيحاً في عظم الساق، يمكن استخدام تقنيات التصوير الأخرى، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي (التصوير بالرنين المغناطيسي) أيضا لإنتاج نموذج الساق الخاصة بهذا الموضوع. أيضا، تفترض النمذجة البروتوكول الحالي على الممتلكات المادية من الساق لتكون الخواص. قيمة كثافة نوعية من 1.9E-6 كجم/سم3 ومعامل لشاب واحد من 17 برنامج العمل العالمي تم تعيينها إلى جميع عناصر FE قصبي. الدراسات المستقبلية قد تنظر في الحصول على قيم الكثافة من جميع المناطق في الساق. يمكن أن يتم ذلك عن طريق إدخال الوهمية معايرة خلال المقطعية. كثافة العظام يمكن ثم يمكن احتساب استناداً إلى وحدات هاونسفيلد للأشعة المقطعية. معامل يونغ لنسيج العظام يمكن أن يكون كذلك حساب استناداً إلى كثافة البيانات. تعيين خصائص المواد الخاصة بهذا الموضوع إلى طراز FE قصبي سوف يسفر عن العظام أكثر واقعية سلالة من خلال المحاكاة.

رابعا، إجراء تحليل FE مشروط يستخدم لحساب سلالات العظام. خلال هذا التحليل مشروط، تحسب استجابات التردد بحيث تتطابق مع أحمال الميكانيكية (قوات الزاوي وغير الخطية) المفروضة على مفاصل الركبة والكاحل. يتم إنشاؤها الساق مرنة يمثلها ملف القوة المتعددة الجنسيات من تحليل FE مشروط. هو عرض هذا الساق مرنة لنموذج العضلية الهيكلية الخاصة بهذا الموضوع ليحل محل الساق الجامدة المقابلة. خلال المحاكاة الديناميكية إلى الأمام اللاحقة، هو كمياً تشوه الساق مرنة في كل خطوة من خطوات الزمن. تحليل الحديد التقليدي، الذي يحسب ردود كائن FE تتألف من الآلاف من درجات الحرية (بآلاف العناصر والعقد) في كل خطوة وقت الحركة الميكانيكية، بالمقارنة مع هذا النهج مشروط تحليل يتعامل مع أرقام أقل بكثير من درجات الحرية في نطاق التردد (مثلاً، 12 تحميل الشروط من مفاصل الركبة والكاحل). مع اقتراب التحليل مشروط، ينخفض إلى حد كبير حساب الوقت من عدة ساعات/أيام إلى أقل من 1 ساعة لمحاكاة نموذجية. إلى جانب الاستفادة من استهلاك وقت أقل في الكمبيوتر، نهج التحليل مشروط مثاليا للحوسبة صغيرة تشوه (< 10 ٪) ذوي الخبرة بهياكل صلبة مثل الأنسجة العظام.

وأخيراً، يجب أن تعالج مزايا النهج الحالي غير الغازية أكثر من16،أسلوب سبق الإبلاغ عنها17 هنا. A) نموذجنا العضلية يتم صقل لامتلاك الجسم السفلي أكثر دقة المراكز المشتركة، التي يتم إنتاجها من خلال تقييم مشترك وظيفية22. ومع ذلك، يحدد الأسلوب السابق مراكز مشتركة لنموذج استناداً إلى الإجراء "مشيه المكونات في"21 بفضل استخدام عدد محدود من علامات مرئية. ب) هذا النموذج يتضمن 45 عضلات الساق كل مقارنة 12 فقط العضلات المستخدمة في النموذج السابق. زيادة عدد عضلات الساق في طراز الجهاز العضلي الهيكلي سيحسن نوعية المحاكاة. ج) أثناء عملية المحاكاة الحركية معكوس، تحركها طراز الجهاز العضلي الهيكلي مجموعة من 34 علامات مرئية على الجزء الأسفل من الجسم، مما يتيح أفضل الازدواجية في الحركة الفعلية. على النقيض من ذلك، يستخدم النهج السابق فقط علامات 16 إلى محرك محاكاة نفس، وهذا قد يؤدي إلى أخطاء العددية للمحاكاة. د) وخلال المحاكاة الديناميكية إلى الأمام، الأرض الحقيقية تأثير القوى المطبقة على هذا النموذج العضلي الهيكلي لمحاكاة الحركة. بيد أن الطريقة السابقة ليست قادرة على دمج قوات برية التأثير في المحاكاة. دون استخدام الحقيقي أثر القوات البرية أثناء المحاكاة الديناميكية إلى الأمام، والأسلوب السابق يقتصر على دراسة تأثير انخفاض أنشطة. تظهر الخطوات المذكورة أعلاه التي يمكننا اتخاذها لتحسين دقة طراز الجهاز العضلي الهيكلي الخاصة بهذا الموضوع لتكون ناجحة لدراسة تشوه قصبي خلال التحركات البشرية. الإضافة لدمج القوات البرية الحقيقية أثر في عمليات محاكاة ليبرهن على أن تكون ضرورية لدراسة سلالة العظام خلال أرض مرتفعة أثر الأنشطة.

وفي الختام، في فيفو تشوه عظم الساق يقاس عادة بطريقة قياس التقليدية وصمة عار. ويرتبط هذا النهج مع قيود مثل طابع الغازية، أقل من المتطوعين وسطح العظام الصغيرة المناطق يجري تحليله، إلخ نهجاً جديداً يعمل مولتيبودي دينامية المحاكاة مع مشروط FE التحليل المقترح في هذه الدراسة إلى قياس التشوه الساق أثناء الهبوط قطره. فمن الواضح أن هذا النهج يمكن أن تعالج القيود الموروثة من القياس التقليدية سلالة الاستشعار. وباﻹضافة إلى ذلك، كما يستفيد هذا النهج من استخدام البيانات التجريبية الحقيقية الحركية والحركية، فضلا عن موضوع محدد نموذج العضلات والعظام والساق مرنة لتنفيذ مشروط FE التحليل والمحاكاة الديناميكية، فإنه يمثل تحسنا كبيرا في بروتوكول البحث عبر أسلوب سبق الإبلاغ عنها. وهكذا، يمكن أن يصبح هذا النهج غير الغازية استخدام البيانات الخاصة بهذا الموضوع مولتيبودي دينامية المحاكاة جنبا إلى جنب مع تحليل FE مشروط أداة واعدة لدراسة تشوه قصبي خلال دينامية الحركة. البحث في المستقبل يمكن أن يستخدم هذا الأسلوب لدراسة السلالات العظام أثناء الأنشطة ذات التأثير الكبير لمجموعة كبيرة لدراسة آليات الإصابة من الإجهاد كسور العظام.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب يعلن أن لديهم لا تضارب المصالح المالية.

Acknowledgments

الإدارة من الجيش #W81XWH-08-1-0587, #W81XWH-15-1-0006؛ منحة اسباير 2010 جامعة الدولة الكرة.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Brukner, P., Bennell, K., Matheson, G. Stress fracture. Blackwell Science. Victoria, Australia. (1999).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Bennell, K., Grimston, S. Risk factors for developing stress fractures. Musculoskeletal fatigue and stress fractures. Burr, D., Milgrom, C. CRC Press. New York. 15-33 (2001).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Johnson, M. A., Moradi, M. H., Crowe, J. PID control: new identification and design methods. Springer. New York. 543 (2005).
  19. Craig, R. R., Bampton, M. C. C. Coupling of substructures for dynamics analysis. American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal. 6, 1313-1319 (1968).
  20. Wasfy, T. M., Noor, A. K. Computational strategies for flexible multibody systems. Appl Mech Rev. 56, 553-613 (2003).
  21. Kadaba, M. P., Ramakrishnan, H. k, Wootten, M. E. Measurement of lower extremity kinematics during level walking. J Orthop Res. 8, 383-392 (1990).
  22. Schwartz, M. H., Rozumalski, A. A new method for estimating joint parameters from motion data. J Biomech. 38, 107-116 (2005).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. Lifemodeler, I. Lifemod Manual. Lifemodeler Inc. San Clemente, CA. (2010).
نموذج العضلية الهيكلية الخاصة بهذا الموضوع لدراسة سلالة العظام أثناء الحركة الديناميكية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wang, H., Dueball, S. Subject-specific Musculoskeletal Model for Studying Bone Strain During Dynamic Motion. J. Vis. Exp. (134), e56759, doi:10.3791/56759 (2018).More

Wang, H., Dueball, S. Subject-specific Musculoskeletal Model for Studying Bone Strain During Dynamic Motion. J. Vis. Exp. (134), e56759, doi:10.3791/56759 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter