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Bioengineering

サブジェクト固有筋骨格モデル動的モーションの間に骨の歪みを勉強のため

doi: 10.3791/56759 Published: April 11, 2018

Summary

着陸時に下半身の骨は大きな機械的負荷を経験し、変形します。骨の変形の影響に関連付けられている骨ストレス傷害のメカニズムを理解するための測定が不可欠です。対象特定筋骨格モデリングと有限要素解析を統合する手法は、ダイナミックな動きの中に脛骨の歪みを測定する使用されます。

Abstract

骨ストレス傷害、スポーツや軍事訓練。トレーニング中に繰り返し大規模な地面の影響力が原因であります。下半身の骨の変形骨ストレス傷害のメカニズムを理解する力の高地の効果を決定することが不可欠です。従来のひずみゲージの測定は脛骨変形生体内での研究に使用されています。このメソッドは、プロシージャの侵襲性、少数の被験者と小さな骨表面積から限られた歪みデータの関与などの制限に関連付けられます。現在の研究は、高衝撃荷重条件下における脛骨骨歪みの研究への新しいアプローチをご紹介する予定です。健康な男性 (19 年、80 kg、1,800 mm) を表す件名固有の筋骨格系モデルが作成されました。柔軟な有限要素脛骨モデルは、被験者の右脛骨のコンピューター断層撮影 (CT) スキャンに基づいて作成されました。研究所モーション キャプチャを行った (26, 39、52 cm) 高さが異なるからドロップ着陸の運動学と地盤の反力を得る。ドロップ着陸中の脛骨の歪みを数値化する柔軟な脛骨のモーダル解析と組み合わせて多動的なコンピューター シミュレーションを行った。計算脛骨ひずみデータ以前生体内研究とよく一致しました。脛骨疲労骨折の傷害メカニズムの理解を深めることにつながる大規模コホートのインパクト活動中に脛骨の骨の歪みを勉強するこの非侵襲的アプローチを適用できることは明らかです。

Introduction

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ストレス骨折などの骨のストレス傷害、深刻な過剰使用の傷害の回復の長い期間を必要とする、重要な医療コスト1,2を発生させず。ストレス骨折は一般的な運動および軍事集団の両方。すべてのスポーツ関連傷害、ストレス骨折合計3の 10% を占める。特に、陸上競技選手の高い傷害率 204の顔します。兵士はまたストレス骨折率が高いを経験します。例えば、米陸軍1に対して 6% 負傷率が報告された、イスラエルの軍隊5で 31% 負傷率が報告されました。すべての報告されたストレス骨折の中では、脛骨疲労骨折は最も一般的な 1 つ6,7,8です。

スポーツと脛骨疲労骨折のリスクが高いと身体トレーニングは、高地の影響 (例えば、ジャンプ、着地、切削) に通常関連付けられます。移動中に足が地面に当たったとき体に地面の衝撃が適用されます。筋骨格系及び履物にてこの衝撃を消散します。骨格系は、地面の影響9を吸収する力を適用する筋肉をできるようにレバーのシリーズとして提供しています。脚の筋肉は十分に地面への影響を減らすことはできません、下半身のボーンは残留力を吸収する必要があります。骨の構造は、この過程での変形を経験します。残留への影響力の吸収を繰り返し、骨の microdamages が蓄積し、疲労骨折になる可能性があります。日付、骨に関連した情報を外部地上衝撃力への反作用は制限されています。脛骨骨が動的な運動の中に高い衝撃力で導入する機械負荷に応答する方法を研究することが重要です。脛骨疲労骨折のメカニズムの理解につながる可能性高負荷活動中に脛骨骨変形を調べるします。

骨変形体内測定する従来技術は、インストルメント化されたひずみゲージ1011,12,13,14,15に依存します。骨表面にひずみゲージを移植する手術が必要です。侵襲により生体内での研究は、ボランティアの小さなサンプルによって制限されます。また、ひずみゲージのみ骨表面の小さな領域を監視できます。最近では、骨の歪みを分析してコンピューター シミュレーションを利用した非侵襲的な方法は、導入された16,17だった。この方法論は、筋骨格系のモデル化と計算機シミュレーションを結合する能力、人間の動きの間に骨の歪みを勉強するには

筋骨格系モデルは骨格や骨格筋によって表されます。スケルトンは、剛体または非変形体である骨セグメントで構成されます。骨格筋は、プログレッシブ ・積分・微分 (PID) アルゴリズムを使用してコント ローラーとしてモデル化されます。3 項の PID 制御は、出力精度18を改善するために推定でエラーを使用します。本質的に、筋肉を表す PID コント ローラーは、時間をかけて筋肉の長さ変化をもたらすに必要な力を開発することによって身体の動きを複製しようとします。PID コント ローラーは、長さ/時間カーブの動きを再現するため力を変更するのにエラーを使用します。このシミュレーションでは、スケルトンを移動し、体の動きを作り出すのために協力するすべての筋肉を調整するための実現可能な解を作成します。

骨格筋骨格モデルに 1 つまたは複数のセグメントは、変形の測定を許可するように、柔軟な体としてモデル化できます。例えば、脛骨骨は要素とノードの数で構成される有限数の要素に分けることが。有限要素 (FE) の分析を通して、柔軟な脛骨の力学的負荷の影響を調べることができます。有限要素解析では、時間をかけて個々 の要素の読み込み応答を計算します。骨の要素およびノードの増加の数、有限要素解析の計算時間が大幅に増加します。

柔軟な体変形の正確な評価と計算コストを減らすためには、モーダル解析が開発し、自動車や航空宇宙産業19,20の内で使用されます。個々 の FE 要素のレスポンス時間領域における機械的負荷を分析する代わりにこのプロシージャは周波数の異なる振動周波数に基づいてオブジェクトの力学的応答を評価します。このメソッドは変形20の正確な測定を提供しながら, 計算時間の大幅な削減の結果します。モーダル解析は、自動車、航空宇宙の分野で機械的疲労研究に広く使用されています、このメソッドのアプリケーション非常に限定されている人間の動き科学。アル Nazer、二足歩行運動中の脛骨の変形を調べるため、モーダルの有限要素解析と結果16,17を奨励することを報告します。ただし、その方法でした; シミュレーションを駆動する実験から限られた運動学的データのみを使用して影響を大幅実がない地面の影響力のシミュレーションを支援するために使用します。このアプローチは歩行など負荷の少ない遅い動きの勉強のための合理的かもしれませんが、負荷の動きは高地を研究する実行可能なソリューションではありません。したがって、高衝撃活動中に下半身の骨反応を調べるためにそれは以前に報告したメソッドに関連付けられている制限に対処するための革新的なアプローチを開発することが欠かせません。具体的には、正確な実験的運動学的データと実を利用する方法地面衝撃力を開発する必要があります。したがって、本研究の目的は、インパクト活動中に脛骨の歪みを調査するモーダル FE 解析マルチボディの動的シミュレーションを実行するサブジェクト固有の筋骨格モデルを開発することでした。メソッドをテストするさまざまな高さからドロップ着陸によって表される動的衝撃運動が選ばれました。

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Protocol

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ヘルシンキ宣言の下で実験を行った。データ収集の前に件名レビュー、および、研究に参加する前に大学制度検討委員会によって承認された同意書をサインします。

1. CT イメージング プロトコル

  1. CT スキャナーが収容されている場所の施設に参加者を取る。CT スキャンの前に次のパラメーターを持つ CT マシンの構成: CT スライス厚 0.625 mm、15 cm × 15 cm、および自動キロ電圧のピーク値 (kVp) とミリ アンペア秒 (mAs) コンピューター アルゴリズムを使用してパラメーターの設定の CT の視野の。
  2. CT スキャナーでリングにスライド テーブル上に参加者を求めます。CT スキャンの中に非常にまだままに参加者を求めます。大腿骨の遠位端を踵から個別に各脚をスキャンします。
  3. CT スキャンが完了したら、デジタル イメージングの CT 画像と通信医学 (DICOM の) 形式をエクスポートします。画像サイズは 512 x 512 ピクセル (グレー スケール) を選択します。
    注: CT イメージング プロトコルは通常 1 時間未満に続きます。放射線量は最小限です。それは通常 x 線医療手順中に発生するより大きい危険を渡さない。

2. 身体測定プロトコル

  1. モーション キャプチャの前に、研究室訪問中に参加者の体重 (kg)、本体の高さ (mm)、前方腸骨棘 (ASISs) (mm)、脚の長さ (mm)、膝関節幅 (mm)、足首関節幅 (mm) までの距離を測定します。
  2. ASIS の距離測定の間: キャリパーを使用して左アシスと右アシスの直線距離を測定します。
  3. 脚の長さの測定: 用テープ メジャーを直線距離アシスと踝両足。
  4. 膝の関節幅測定: キャリパーを使用して両方の膝の大腿骨の外側と内側顆間の直線距離を測定します。
  5. 足首関節幅測定: キャリパーを使用して両足の外側と内側果間の直線距離を測定します。
    注: インテル ASIS の距離、足の長さ、膝および足首幅バイオメカニクス ソフトウェアの対象モデルの作成に使用 (材料表参照) 運動学的・動力学的計算を実行します。

3. モーション キャプチャのプロトコル

注: は、すべてのソフトウェアとツールを使用材料表を参照してください。

  1. 反射マーカーの配置
    1. 次の解剖学的骨ランドマークで参加者の体に 14 mm 反射マーカーを配置: 肩峰プロセス、胸鎖関節、胸骨のベース、10番目の胸椎、ASISs、後上腸骨の後のプロセス棘 (PSISs)、膝の側方共同ライン、ひざ内側の継ぎ目の上の 1.5 cm の上 1.5 cm 外側第 5 中足骨の基盤、第 2 中足骨の後部のかかと内側果果.
    2. 太ももとすねにそれぞれ 4 マーカー クラスターと半硬質のプラスチック板を配置します。
      注: 良いモーション キャプチャ結果を参加者は裸足とボディコン服を着用してお勧めします。さらに、マーカー配置手順21「のプラグイン-歩行」の修正されたプロトコルに従います。39 反射マーカーの合計がモーション キャプチャのために使用され、それらの 34 は車体下部に接続されています。
  2. 5 分間自己選択した速度でモーターを備えられたトレッドミル歩行でウォーム アップを参加者に指示します。
  3. モーション キャプチャ手順の室空間のキャリブレーション
    1. モーション キャプチャ システム (12 高速赤外線カメラ) と 2 つの電源は、プレートを強制します。モーション キャプチャ ソフトウェア プログラムを開きます。メイン プログラム ウィンドウ内で「リソース」ウィンドウをを開きます。「システム」タブ構成 200 Hz でカメラ周波数をクリックしてし 2,000 Hz 周波数強制的にします。
    2. メイン プログラム ウィンドウ内で「ツール」ウィンドウをが開きます。「システム準備」ボタンをクリックします。「カメラを調整」をクリックします。「スタート」をクリックします。ドロップ着陸の動きが実行される部屋のスペース内での動的な調整を実行する標準的なマーカー 5 校正杖を振る研究スタッフにお尋ね。「停止」をクリックして後 5 秒の杖データが取得されています。
    3. 校正領域の参照位置 (原点) を指定するためのフォース プレートの角に合わせて床に校正の杖を配置します。'システム準備' ツール ウィンドウ内「ボリューム原点の設定」をクリックします。
  4. モーション キャプチャ ソフトウェア プログラムで参加者の準備
    1. メイン プログラム ウィンドウ内で「リソース」ウィンドウをを開きます。「件名」のタブをクリックします「ラベリング スケルトンから新しい主題を作成する」ボタンをクリックします。提供されるテンプレート ファイルのリストからラベル テンプレートを選択します。
    2. 「プロパティ」ウィンドウで対象の名前と体の質量 (kg) 本体の高さ (mm)、アシス間距離 (mm) 右足と左足の長さ (mm)、左と右の膝幅 (mm)、左と右の足首幅 (mm) の値を入力します。件名情報」ウィンドウ サブジェクト名を右クリックし、「対象を保存」をクリックします。
  5. 静的体キャリブレーション ポーズを記録します。
    1. 体のすべての反射マーカーもカメラにさらされているので、横方向に上肢を拡張しながら離れて足肩幅と校正の部屋の真ん中で動かず立って参加者を求めます。
    2. メイン プログラム ウィンドウでツール ウィンドウを開きます。「準備の対象」タブををクリックしてします。件名をキャプチャ] セクションで、レコード トライアル 3 の運動を静的な校正試験に「スタート」をクリックします。
  6. 機能の共同センターを決定する手順
    1. 機能性股関節センター
      1. 一本足スタンドに参加者を尋ねるし、完全に他の足をわずかに前方を拡張します。次のシーケンスで股関節の前後延長脚を移動する参加者に指示する: 前方移動しニュートラルに戻る、前方横移動しニュートラルに戻る、横方向に移動しニュートラルに戻り、後部横方向に移動し、に戻る中立は後方移動および中立および circumduction モーションに戻る。
      2. メイン プログラム ウィンドウ内で 'ツール' の] ウィンドウを開き、「キャプチャ」タブをクリックします。キャプチャのセクションで各機能の股関節の運動試験を記録する「スタート」をクリックします。
    2. 膝の関節の中心
      1. 参加者は、片足で立って、そして、30 ° 股関節ハイパー拡張のもう一方の足を維持するを問い合わせてください。5 倍の非荷重の足を 45 ° 屈曲を実行する参加者に指示します。
      2. 「ツール」ウィンドウの「キャプチャ」セクションで各機能運動の運動試験を記録する"スタート"をクリックしてします。
        注: 機能の共同プロシージャの詳細についてを参照してくださいシュワルツ,ら.22
  7. ドロップ着陸動きのモーション キャプチャ
    1. 3 つ異なったドロップ着陸高さ (26 cm、39 cm と 52 cm)14を使用しての順序をランダムに。
    2. 場所高さ調整ゴム製マットを敷いた床に 50 × 50 cm2のトップの表面積の木箱です。木製のボックスは、フォース プレートの端から 11 cm です。ボックスの表面上に立つ参加者を求めます。
    3. ボックスの前に直接彼らの支配的なフィートを拡張し、自分の体重をシフト ボックスから降りる参加者に指示します。別のフォース プレートの各足を同時に地面に両足で着陸する参加者を求めます。
    4. 裁判のモーション キャプチャが完了するまで立っているのままに参加者を求めます。それぞれの高さの 3 つの運動試験を収集するためにモーション キャプチャ 3 回を繰り返します。
  8. モーション キャプチャ データの処理
    1. モーション キャプチャ ソフトウェア プログラムを開きます。プログラムのメイン ウィンドウ内の通信' ウィンドウに移動します。モーションを記録試験のいずれかを選択、「データ管理」タブをクリックし、、プログラムで開きます。
    2. 「ツール」ウィンドウで「パイプライン」タブをクリックします。'現在のパイプライン' リストから「再構築」パイプラインを選択します。反射マーカーの 3次元 (3 D) の軌跡を取得する再構築プロセスを開始する「実行」ボタンをクリックします。
    3. 「ツール」ウィンドウで「ラベル/編集」タブをクリックします。レッテル貼り 'マニュアル' セクションで個々 のマーカーの名前を選択し、対応する 3 D 軌道にラベルを付けます。ラベル付けするときツールバーのボタンが完了すると「保存」をクリックします。
    4. 「ツール」ウィンドウで「パイプライン」タブをクリックします。' 利用可能なオペレーション」セクションで「ファイルにエクスポート」を選択します。「エクスポート C3D パイプライン」をダブルクリックします。加工モーション試験を座標の 3 つのディメンション (C3D) 形式のファイルにエクスポートするのには「Run」ボタンをクリックしてします。
  9. モーション キャプチャ データの力学的解析
    1. モーション キャプチャ データを処理するためのバイオメカニクス ソフトウェア プログラムを開きます。トップ メニューから「ファイル」をクリックし、「開く/追加」ボタンをクリックしますします。バイオメカニクス ソフトウェア プログラムにインポートする生の C3D ファイルを選択します。
    2. 上部のメニューから「モデル」をクリックします。クリックして"作成 (静的校正ファイルの追加)」。Sub メニューから「C3DFile からハイブリッド モデル」を選択します。選択して静的校正 C3D ファイルを開きます。
    3. 上部のメニューから「モデル」をクリックします。ドロップ ダウン リストから「モデル テンプレートの適用」をクリックしてします。選択し、モデルのテンプレート ファイルを開きます。ツール ・ バーの「モデル」タブををクリックしてします。「対象データ/メトリクス」タブをクリックします。「対象データ」ウィンドウ内でサブジェクト固有モデルを作成する 'ミサ' と 'Height' 値を変更します。
    4. ツール ・ バーの「モデル」タブををクリックしてします。上部のメニュー バーの「モデル ビルダー高度なポスト処理」ボタンをクリックしてします。「モデル ビルダー高度なポスト処理」のポップアップ ウィンドウで、「機能性接合」タブ選択「モーション ファイルからワークスペースの追加」をクリックします。
    5. 機能共同センター C3D ファイルを選択します。インポート機能共同ファイルを強調表示します。ファイルに一致する機能的関節を強調表示します。試用版の動きの適切な部分を選択するのに「開始フレーム現在のフレーム設定」と「設定終了現在フレーム」を使用します。「計算チェックのランドマーク」ボタンをクリックします。骨格モデルを改良する他の機能の共同センターの計算にこのプロセスを繰り返します。
    6. 上部のメニュー バーの「モデル」ボタンをクリックします。「モデルのモーション ファイルに割り当て」を選択します。「割り当てるモデルにモーション データの"ポップアップ ウィンドウですべての運動試験にサブジェクト固有の骨格モデルを適用。
    7. ツール ・ バーの「パイプライン」ボタンををクリックしてします。「パイプラインのワーク ショップ」のポップアップ ウィンドウで「パイプラインを開く」ボタンをクリックしてします。「フィルタ リング ターゲット パイプ ライン」を選択します。モーション キャプチャの試験の 3 D 軌道の 10 Hz のカットオフ周波数を持つ四次低域通過バターワース フィルターを実行する「パイプラインの実行」ボタンをクリックしてします。
    8. ツール ・ バーの「パイプライン」ボタンををクリックしてします。「パイプラインのワーク ショップ」のポップアップ ウィンドウで「パイプラインを開く」ボタンをクリックしてします。「フィルタ リング力パイプライン」を選択します。モーション キャプチャ試験の地面反力の 60 Hz のカットオフ周波数を持つ四次低域通過バターワース フィルターを実行する「パイプラインの実行」ボタンをクリックしてします。
    9. 上部のメニューバーの「設定」ボタンををクリックしてします。「使用処理類縁体の地面反応力計算」と"使用処理目標のモデル/セグメント/LinkModelBased アイテム"の横にチェック マークを配置します。
    10. ツール ・ バーの「パイプライン」ボタンををクリックしてします。「パイプラインのワーク ショップ」のポップアップ ウィンドウで「パイプラインを開く」ボタンをクリックしてします。「モデルに基づいて計算」パイプラインを選択します。下半身関節運動学と動力学の計算を実行する「パイプラインの実行」ボタンをクリックしてします。
    11. ツール ・ バーの「パイプライン」ボタンををクリックしてします。「パイプラインのワーク ショップ」のポップアップ ウィンドウで「パイプラインを開く」ボタンをクリックしてします。「C3D 座標のエクスポート] パイプラインを選択します。下半身 C3D ファイルに視覚的なマーカーの処理の 3 D 座標をエクスポートするには、「パイプラインの実行」ボタンをクリックしてします。
    12. ツール ・ バーの「パイプライン」ボタンををクリックしてします。「パイプラインのワーク ショップ」のポップアップ ウィンドウで「パイプラインを開く」ボタンをクリックしてします。「エクスポート地面反力」のパイプラインをを選択します。バイナリ ファイルを強制的に処理された 3 D 地盤反力をエクスポートするには、「パイプラインの実行」ボタンをクリックして (ファイル拡張子: マット).
      注: 着陸衝撃のピークを維持するために 60 Hz のカットオフ周波数、生地面の反作用力データ23をフィルターする使用されます。
  10. コンピューター シミュレーションのためのモーション キャプチャ データを準備します。
    1. コンピューターのプログラミング ソフトウェアを開きます。フィルターの C3D データ ファイルとマットのデータ ファイルをインポートします。
    2. 下半身の関節中心座標を含むテキスト ファイルをエクスポートします。C3D データ ファイルとマット データ ファイルをテキストファイルに変換 (ファイル拡張子: slf) マルチボディの動的シミュレーション プログラムで使用するため。

4. 主題特定のモデリングの手順

  1. 下半身の骨格モデルを作成します。
    1. 人体のプラグイン モデル化と動的シミュレーション ソフトウェア プログラムがインストールされているマルチボディを開きます。この過程で、人体モデリング プラグイン モジュールが自動的に開かれます。スプラッシュ画面の中には、コントロール パネルの構築モデルを開く「新しいモデル」アイコンをダブルクリックします。
    2. [主なモデリング] パネル内にある「人体計測データベース ライブラリ」セクションのドロップ ダウン リストから汎用体 (GeBOD) を選択します。[主なモデリング] パネル内にある体の質量 (kg)、本体の高さ (mm)、性別を指定し、年齢 (ヶ月)。
    3. 「本体設定」セクションで、主なモデリング パネル内「足腰」ラジオボタンをクリックします。「ユニット」のドロップ ダウン リストから「ミリ波キログラム ニュートン」を選択します。[主なモデリング] パネル内にある体の測定値を受け入れるように「体測定表の作成」セクションで「適用」ボタンをクリックします。下半身の骨格の基本モデルを作成する「人間のセグメントを作成する」セクションの「適用」ボタンをクリックし続けます。
      注: このモデルに基づいてスケーリングされますは個々 の高さ、質量、年齢、及び性別します。モデルは、7 つのセグメントで構成されています: 骨盤、2 つの腿、2 つのシャンクス、2 フィート (図 1)。すべてのセグメントは、剛体としてモデル化されます。
  2. 下半身の関節をモデリング
    1. [主なモデリング] パネル内にあるメイン メニューのドロップ ダウン リストから「関節」共同の設定パネルを開くを選択します。
    2. 「共同回転要素」セクションで、継手形状パネル内「準備モデルと記録関節」横にあるボタンをクリックしてします。春ダンパーと共同の制限] セクションで次のパラメーターを入力: 1 Nmm/° の名目の関節のこわばり、0.1 Nmm∙s/° の公称共同減衰、3.38E7 の剛性を停止 Nmm/°。名前の横にあるラジオ ボタンをチェックして「左脚」、「右脚」を選択し続けます。関節の構成を受け入れるように"Apply"ボタンをクリックします。
    3. [主なモデリング] パネル内にあるメイン メニューのドロップ ダウン リストから「ワークフロー」を選択します。サブ ・ メニューのドロップ ダウン リストから「歩行」と「校正」を選択します。「共同センター データ」セクションで参加者の下半身関節センター ファイルを入力します。
    4. 共同センターの場所を変更するデータをインポートするのには"Load"ボタンをクリックします。「負荷静的裁判」のセクションでは、静的な調整モーション キャプチャ トライアルを入力 (slf ファイル形式で生成で説明されているステップ 3.8 3.10)。下半身の骨格モデルをパラメーター化するファイルをインポートする"Load"ボタンをクリックします。
      注: 既定では、3 自由度球面継手として構成されて、股関節、膝継手の角度自由の対偶として構成されて、足関節 2 自由度とユニバーサル ジョイントとして構成されています。
  3. 骨格筋のモデリング
    1. [主なモデリング] パネル内にあるメイン メニューのドロップ ダウン リストから「軟部組織」を選択します。サブ ・ メニューのドロップ ダウン リストから「基本組織セットの作成」を選択します。「筋収縮要素」セクションで「準備モデルと記録筋肉要素」をクリックします。
    2. 「世界記録要素筋プロパティ」セクションで"更新 45 筋肉セットの"ラジオ ボタンをクリックしてします。
    3. 「世界記録要素筋プロパティ」セクションで筋特性次既定設定を受け入れる: 0.4448 N/mm の剛性、1.75 E-2 Ns/mm のパッシブ制振、0.4448; チェック「左脚」のラジオボタンの筋静止負荷と筋肉割り当ての「右脚」。構成を受け入れるように"Apply"ボタンをクリックします。
      注: 45 下肢筋セットが含まれています次の筋肉には: 短内転筋、内転筋、大内転筋 (群), 大腿二頭筋長頭、大腿二頭筋短頭、総指伸筋、母趾伸筋、指屈筋、母趾屈筋、腓腹筋、双子、大殿 (3 グループ)、臀筋メディア (3 グループ)、中殿ミニミス (3 グループ)、薄、ハムスト リング、腸骨、外側腓腹筋、内側腓腹筋、恥骨、短腓骨筋、長腓骨、腓骨第三、梨状筋、腸腰筋、大腿四頭筋、大腿直筋、縫工、半膜様筋、腱、ヒラメ筋、大腿筋膜前脛骨筋、後脛骨、中間広筋、外側広筋、内側広筋。

5. 多体動力学シミュレーション

  1. 逆運動学的シミュレーションを実行します。
    1. [主なモデリング] パネル内にあるメイン メニューのドロップ ダウン リストから「ワークフロー」を選択します。サブ ・ メニューのドロップ ダウン リストから「歩行」と「体験版」を選択します。「動的試験データ」セクション (slf ファイル形式) の動的モーション キャプチャ試用版のファイル名を入力しデータをインポートするのには"Load"ボタンをクリックします。引き続き対応する床反力データ (slf ファイル形式) のファイルし、データをインポートするのには"Load"ボタンをクリックしてを入力します。
    2. [主なモデリング] パネル内にあるメイン メニューのドロップ ダウン リストから"_Analyze"を選択します。動的試験の初めの姿勢に合わせてモデル姿勢調整再パラメーター化解析を実行します。
    3. シミュレーション パネルを開きます。重力と地面反力の影響を無効にします。シミュレーションの長さと全体の動きの試用版を選択します。
    4. 100 の手順/s モーション キャプチャ データによる逆運動学的シミュレーションの実行のシミュレーション タイム ステップを指定します。逆運動学的シミュレーション分析を保存します。
  2. モーション トラッカー エージェントを作成します。
    1. モーション トラッカー エージェント作成パネルを開きます。デフォルト トラッカーの名前: MA_Track。
    2. それぞれ、10 N/mm と 1,000 Nmm/°、並進剛性と回転剛性を設定してください。それぞれ、10 Ns/mm と 1,000 Nmms/°、並進の減衰と回転減衰を設定してください。駆動としてすべて並進および回転の自由度を設定します。
    3. 注意してください。下半身モデルのみを使用して、前方の動的シミュレーション、モーション トラッカーは上半身のモーションの不足のための不安定性も考慮する必要。
  3. 脚の筋肉のトレーニング
    1. 軟部組織構成パネルを開きます。筋肉モデルのクローズド ループ シンプルを選択します。筋肉モデルの次のパラメーターを設定: 1.0E6 の比例ゲイン、積分ゲイン、1.0E6 と 1.0E4 の派生物を得るため。
    2. 逆運動学的シミュレーション分析をする筋トレのターゲットを選択します。筋力トレーニングを適用します。
  4. 柔軟な脛骨のインポート
    1. 柔軟なボディ輸入パネルを開きます。柔軟な脛骨の表面に 3 つの知られているメーカーでアライメントのマッピングと、対応するノードを実行します。
    2. 柔軟な脛骨に置き換え 剛体の脛骨を選択します。柔軟な脛骨を表す MNF ファイルを選択します。柔軟な脛骨に脚の筋肉を再アタッチの筋肉添付ファイル マッピング ファイルを選択します。柔軟な脛骨を筋骨格モデルにインポートします。
  5. 場所で柔軟な脛骨の前方の動的シミュレーションを実行します。
    1. シミュレーション パネルを開きます。重力と地面反力の効果を有効にします。モーション剤の効果を無効にします。
    2. 試験全体の動きの長さのシミュレーションを実行するを選択します。前方の動的シミュレーション訓練を受けた筋肉によって駆動される 100 の手順/s 実行のシミュレーション タイム ステップを設定します。順方向の動的解析を保存します。

6. 柔軟な脛骨モデルを作成します。

  1. 3 D サーフェス メッシュ モデルを作成します。
    1. 画像処理プログラムを開きます。DICOM 形式でインポート CT スライス。周囲の軟部組織から骨の組織を分離する領域拡張法を使用してマスクを作成します。
    2. 脛骨と腓骨が接続されている CT スライスを検索します。2 つの骨の組み合わせに沿ってマスクを消去することによって、脛骨と腓骨を区切ります。
    3. 脛骨骨のみを含めるに領域拡張法を使用して 2 番目のマスクを作成します。既存の脛骨マスクで虫歯を発見する CT スライスを通過します。マスクの空洞を埋めます。脛骨マスクに基づいて 3 D 脛骨オブジェクトを作成します。図面交換形式 (DXF) でファイルとして 3 D 脛骨オブジェクトをエクスポートします。
  2. 脛骨有限要素モデルを作成します。
    1. FE 解析ソフトウェア プログラムを開きます。Dxf ファイル拡張子を持つ 3 D 脛骨モデル ファイルをインポートします。
    2. 重複要素およびノードを削除するには、スイープ コマンドを実行します。すべての要素に以下の材料特性 3 mm x 3 mm x 3 mm します。 割り当ての六角形の要素で FE 脛骨モデルを作成するボリューム メッシュ コマンドを実行: 17 のヤング率 GPa、ポアソン比 0.3、および 1.9E の密度-6 Kg/cm3
      注: 材料特性は骨が振動24,25,26中骨の歪みの範囲内で等方性を前提に各要素に割り当てられます。
  3. 柔軟な脛骨モデルを作成します。
    1. メイン コントロール パネル内で選択「ジオメトリ & メッシュ」「ジオメトリ & メッシュ」タブをクリックします。「ノード追加」をクリックして「ジオメトリ & メッシュ」ポップアップ ウィンドウで、"メッシュ"のセクションで膝と足首の関節の中心を表す 2 つの新しいノードを作成します。
    2. メイン コントロール パネルで選択 RBE2「リンク」タブをクリックしてします。RBE2 のポップアップ ウィンドウで膝と足首の表面型 2 剛体要素 (RBE2) 共同ノードと表面のノード間のリンク接続を作成します。
    3. メイン コントロール パネルで「境界条件」タブをクリックします。「境界条件」セクションで「新規」ボタンをクリックしてします。「DOF_Set ノード」を選択します。「境界条件のプロパティ」ポップアップ ウィンドウでは境界条件を作成するために、2 つの RBE2 共同ノードそれぞれに 6 自由度を割り当てます。
    4. メイン コントロール パネルで"Loadcases"タブをクリックします。"Loadcases"セクションで「新しい」をクリックして、「アダムス クレイグ バンプトン」19を選択します。「Loadcase のプロパティ」ポップアップ ウィンドウで「被写し界深度設定ノード」をクリックしてします。上記の手順で作成した dofset_nodes を選択します。
    5. メイン コントロール パネルで「ジョブ」タブをクリックします。「ジョブ」セクションで「新規作成」をクリックします。「構造的」を選択します。「ジョブ プロパティ」ポップアップ ウィンドウ前の手順で作成した loadcase を選択します。「仕事の結果」ボタンををクリックしてします。「結果」のポップアップ ウィンドウで、「ストレス」と「ひずみ」を選択します。また長さ、および時間の「秒」「キログラム」の質量、力の「ニュートン」、「ミリ波」を選択します。「実行」ボタンををクリックしてします。
    6. 「ジョブの実行」ポップアップ ウィンドウで FE シミュレーションのための仕事を提出して脛骨16のモーダル ニュートラルファイル (MNF) を作成するには、"送信"ボタンをクリックします。

7. 歪みデータ解析

  1. 骨歪みデータのエクスポート
    1. 多体シミュレーション プログラムのポスト プロセッサを開きます。耐久性プラグイン プログラムを読み込みます。
    2. 柔軟な脛骨のシミュレーションを開くには、シミュレーションの名前をクリックします。最大値と最小主ひずみと半ば脛骨骨幹の前後、内側面を表すノードの最大せん断ひずみをエクスポートします。
  2. 生歪みデータの処理
    1. コンピューターのプログラミングではデータ処理ソフトウェアを開きます。Raw データをインポートします。第 4 順序ローパス バターワース フィルターを 15 Hz のカットオフ周波数を持つ raw データに適用します。

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Representative Results

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健康な白人男性 (19 歳、高さ 1,800 mm、質量 80 kg) 研究のために志願しました。データ収集の前に件名レビュー、および、研究に参加する前に大学制度検討委員会によって承認された同意書をサインします。ヘルシンキ宣言の下で実験を行った。実験は次のプロトコルに基づいて行われました。

順方向の動的シミュレーションの精度を検証するためにシミュレーションから下半身の関節角度は対応する関節角度のバイオメカニクス解析プログラムによって処理されたモーション キャプチャ データから測定と比較されました。統計解析ソフトウェアは、比較の相関係数を計算する使用されました。相互相関計算は、正と負の方向に 10 遅れを許可しました。各 lag に対応した時間ステップ前方の動的シミュレーション (0.01 秒)。最大の相関係数が確認されました。

図 2の目視検査図 3、および図 4実験データとシミュレーション データを生成する関節角度間の類似点を示します。強い相互相関係数は、ゼロ遅れ (表 1) の実験とシミュレーションの関節角度間でした。

3 種類の高さから着陸時に半ば脛骨軸の前後、内側領域でピークの株は、表 2に掲載されています。3 つの着陸の高さの間で 52 cm の条件を着陸は最大ピーク最大主、ピーク以上のプリンシパル、およびピーク最大せん断ひずみを示した。さらに、落下高さを増加し、増加ピーク最大主ひずみとして、観察されました。

Figure 1
図 1: 本研究で作成したサブジェクト固有筋骨格系モデル。この低い体の筋骨格モデルには、六つの剛体セグメント (骨盤、左と右の大腿骨、左脛骨と左と右の足) と 1 つの柔軟な脛骨 (右脛骨) が含まれています。90 の脚の筋肉は、モデルにアタッチされます。可視化目的のため各筋は、サンゴ色の線で表されます。共同センターは、右下左下体体と紫ボールの光青いボールで表されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 2
図 2: 共同実験モーション キャプチャ データと 26 cm 高さからドロップ着陸シミュレーション データ (単位は度) の角度比較します。実線は関節の角度を実験のモーション キャプチャ データを使用して計算します。点線は、マルチボディの動的シミュレーション データによる関節の角度を表しています。垂直線は、衝撃の瞬間を表現します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 3
図 3: 共同実験モーション キャプチャ データと 39 cm 高さからドロップ着陸シミュレーション データ (単位は度) の角度比較します。実線は関節の角度を実験のモーション キャプチャ データを使用して計算します。点線は、マルチボディの動的シミュレーション データによる関節の角度を表しています。垂直線は、衝撃の瞬間を表現します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 4
図 4: 共同実験モーション キャプチャ データと 52 cm の高さからドロップ着陸シミュレーション データ (単位は度) の角度比較します。実線は関節の角度を実験のモーション キャプチャ データを使用して計算します。点線は、マルチボディの動的シミュレーション データによる関節の角度を表しています。垂直線は、衝撃の瞬間を表現します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Droplanding ハイツ
26 cm 39 cm 52 cm
下半身の関節 相関係数 ラグ 相関係数 ラグ 相関係数 ラグ
足首 0.998 0 0.998 0 0.999 0
1 0 1 0 1 0
ヒップ 0.999 0 1 0 1 0

表 1: モーション キャプチャ データと関節角度に基づく生産の関節角度の比較から遅れと相互相関係数シミュレーション データから作成します。それぞれの高さで一つの試験は、比較に使用されました。ゼロの遅延はとき関節の角度は、2 つのアプローチの間作り出された時間の差がないことを示します。

Droplanding ハイツ
骨の歪み (µstrain) 26 cm 39 cm 52 cm
最大主 1160 1270 1410
最小プリンシパル -659 -598 -867
最大せん断 893 870 1140

表 2: 脛骨骨系統の-脛骨軸の前後、内側面で 3 種類の高さからドロップ着地します。最大主、最小と最大せん断ひずみが掲載されています。

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Discussion

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本研究の目的は、高負荷活動期の脛骨の変形を決定する非侵襲的な方法を開発するでした。衝撃荷重により脛骨ひずみ分布の定量化は、脛骨疲労骨折のより良い理解に します。この研究では、サブジェクト固有の筋骨格モデルを開発したとコンピューター シミュレーションは実験室の設定で実行されるドロップ着陸の動きを複製する実行されました。ドロップ着陸高さの脛骨のひずみに及ぼす影響を検討しました。本研究では我々 がドロップ着陸として観測高さ増加、ピーク最大主ひずみも 。また、3 つの着陸条件の中で 52 cm 条件は最高ピーク最大主、最小のプリンシパル、および最大せん断ひずみで起因しました。

限られた生体内でデータがドロップ-着陸脛骨ひずみの影響について文献で利用できます。ミルグロム、報告 (26, 39、52 cm) 3 種類の高さから着陸時 896 1,007 µstrain に至る最大主ひずみ14。Ekenmanは、45 cm 高さ13から着陸時に 2,128 µstrain の平均ひずみを報告しました。コンピューター シミュレーションから最大主ひずみの間にあった 1,160 1,410 µstrain 3 種類の高さ (26, 39、52 cm)、ミルグロムによって報告されたものよりも高かったが、Ekenman によって報告されたそれより低かったから着陸時に13,14

次の理由により研究と前間ひずみの違いに貢献するかもしれない。最初に、人口統計学的違いがありますこの主題と先行研究。我々 は、物理的にアクティブな男性の主題を使用しました。Ekenman の研究では、女性13を関与しています。ミルグロムの研究は、男性と女性の両方が含まれている、平均系統14を報告します。第二に、履物は骨の歪みの違いで役割を果たす可能性があります。ラニョン勉強脛骨系統に及ぼす履物、彼らはウォーキングや実行している裸足では、靴12を身に着けていると比較して大きい系統がわかりました。現在の研究は、ベアフット ランディング プロトコルを使用、ミルグロムによってそれらより大きい計算ひずみ値研究では、標準的なスポーツ シューズ14のリンク先のプロトコルで使用されます。第三に、上陸作戦の変化はまた脛骨の歪みに影響を及ぼす可能性があります。本研究では件名可能性がありますドロップ着陸高さが増加した場合の影響を減らすために増加の前屈など戦略を選択することが可能だった。この戦略は、大きな株から脛骨を保護を助けることができます。ミルグロムはまた彼の科目14によって使用可能な保護戦略を提案しました。第四に、脛骨の歪みが監視された場所に若干の違いがある可能性があります。-脛骨軸の前後、内側面で骨の歪みを調査しました。ミルグロムet al.,系統14- 脛骨軸の内側の領域から記録されました。着陸時に脛骨に曲げ矢状面は脛骨軸の前方地域に近い場所で高最大主ひずみにあります。それにもかかわらず、私たちの歪みの結果は前の調査からの結果に匹敵するし、その生体内での研究10,13,14によって報告されたひずみ範囲 (400 2,200 µstrain) に表示されます。

この非侵襲的なアプローチから得られる脛骨の歪みの値は筋骨格系モデルの精度の影響を受けます。ドロップ着陸実験的関節角度とコンピューター シミュレーションのデータを調べるための相互相関を行った。測定データとコンピューター シミュレーション データと強い相関が見つかりました。これは本研究で開発したサブジェクト固有のモデルが合理的にドロップ着陸動きを複製できることを示します。さらに、本研究で報告した脛骨系統もドロップ着陸14,15中に脛骨骨の変形は線形他の研究から派生した仮定を裏付ける 3,000 µstrain 以下であった。したがって、計算ひずみデータが線形の範囲や動きのパターンを着陸の優れたレプリケーションで、我々 はこの非侵襲的なアプローチから得られるひずみデータが合理的に正確なと結論。さらに、現在の研究はのみドロップ着陸中に骨の歪みを調べる一つの主題を採用しました。将来の研究は、大規模なサンプル サイズを使用してドロップ着陸高さと脛骨骨系統の用量反応関係があるかどうかを調べることができます。

この研究の意義は、骨の変形を測定する革新的な非侵襲的方法を導入することです。ヒトの大規模なサンプルに適用できなかった従来体内の歪みゲージ測定と関連付けられる制限に対処するこの非侵襲的なアプローチ。さらに、現在この手法対応以前に報告した非侵襲的方法16,17シミュレーションを駆動する限られた運動学的データを使用しての影響を受けた、適していただけに関連付けられている制限低地負荷の動きは歩行などを勉強しています。脛骨疲労骨折は、スポーツおよび軍事集団で高いまま、脛骨骨に対するインパクトのある物理的な活動 (例えば、ランニング、ジャンプ、および切削) の効果を研究に不可欠です。現在の革新的な非侵襲的なアプローチは、これらの研究を実施するための実現可能な解のように見えます。これは選手や軍の新兵脛骨ストレス傷害を軽減するための適切な物理的な訓練プロトコルの開発に光を当てます。さらに、この革新的な非侵襲的な方法は、舟状骨、大腿骨など実装されているゲージではアクセスできない他の骨に骨系統を評価する機会を示します。

この非侵襲骨のひずみ測定に関連する重要な問題は、ここで説明する必要があります。まず、一般的な下半身の筋骨格モデルに基づいてが作成されます個々 の年齢、性別、体重、身長 GeBOD データベース27を使用しています。下半身共同センターの実験的計測の空間位置は、筋骨格系モデルを絞り込むに使用されます。この主題特定モデリング アプローチ ジェネリック モデルと比較して、個々 の物理的な構造のより良い筋骨格系モデルを提案します。将来の研究は、マルチボディの動的シミュレーション時に上体の動きの全身筋骨格モデルの開発を考慮できます。

第二に、モデルの各脚に割り当てられている 45 の筋肉が集まっています。筋肉の起始および解剖学的決定27をあります。単純な閉ループ アルゴリズムを使用して、個々 の筋肉の力の生産を管理します。具体的には、逆運動学的シミュレーションによる着陸などダイナミックな動きの中に筋肉の長さの歴史の変更が記録されます。順方向の動的シミュレーションを実行すると、PID コント ローラーは各筋に割り当てられ、以前に記録した筋肉長さの歴史を複製するために必要な筋力を調整するために使用します。この単純な閉ループ アルゴリズムは、関節キネマティクスを複製する上で優れた結果を生成します。ただし、このアプローチは同様の機能を持つ筋肉の間で神経調整は考慮されません、拮抗薬から共同収縮を説明できなかった。今後の作品は、アクティブな収縮要素 (CE) と受動的な弾性要素 (PE) から成っている丘ベース筋モデルを用いた検討可能性があります。丘ベースのモデルには、筋の力・速度・張力を生成する力ー長さ関係が統合されています。計算される筋力は、筋電位データ検証のために比較できます。

第三に、サブジェクト固有脛骨モデルは調査の下で脛骨骨の真の形状を表すため CT 画像から作成されます。Ct は、脛骨の骨の真の形状を取得する主な方法は、磁気共鳴画像 (MRI) など他のイメージングもサブジェクト固有脛骨モデルを生成する使用できます。また、現在のモデリング プロトコルは、脛骨を等方性の材料特性を前提とします。一般的な密度の値は 1.9E の-6 kg/cm3と 17 の単一のヤング GPa は脛骨のすべての FE 要素に割り当てられます。将来の研究は、脛骨のすべての地域からの密度値を取得を検討すること。これは CT スキャン中に校正ファントムを導入することによって行うことができます。CT のハンス単位に基づいて、骨密度が、計算されます。骨組織のヤング率がさらにに基づいて計算されます密度データ。脛骨の FE モデルにサブジェクト固有の材料特性の指定はより現実的な骨にシミュレーションにより歪み結果を得られません。

第四に、モーダル有限要素解析を使用して、骨の歪みを計算します。このモーダル解析時に膝と足首の関節に課せられた機械的荷重 (線形および角度の部隊) に合わせて周波数応答が計算されます。MNF ファイルで表される柔軟な脛骨は、モーダルの有限要素解析から生成されます。この柔軟な脛骨は、対応する剛体脛骨を交換するサブジェクト固有の筋骨格モデルに登場です。その後フォワード動的シミュレーションの間に時間ステップごとに柔軟な脛骨の変形が定量化されます。このモーダル解析アプローチ モーションの各時間ステップでの (数千の要素およびノード) に自由度の数千から成る FE オブジェクトの力学的応答を計算する従来の有限要素解析と比較してはるかに少ない数でお得な周波数領域 (例えば膝と足首の関節から荷重 12) 内自由度。モーダル解析のアプローチでは、数時間/数日から 1 時間未満に典型的なシミュレーションの計算時間を短縮する大幅されます。消費少ないコンピューター時間の利点のほかモーダル解析アプローチは小さな変形 (< 10%) の骨のような硬い構造で経験豊富なコンピューティングに最適です。

最後に、以前に報告された方法16,17以上現在の非侵襲的なアプローチの利点をここで対処しなければなりません。A) 当社の筋骨格モデルは、機能の共同評価22をより正確の下半身関節センターを所有する洗練されました。ただし、以前の方法は、視覚的なマーカーの限られた数を使用しての助けを借りてプラグイン歩行手順21に基づくモデルの共同センターを定義します。B) このモデルには、以前のモデルに使われるだけ 12 の筋肉と比較して各足に 45 筋肉が組み込まれています。筋骨格モデルの脚の筋肉の数を増やすと、シミュレーションの質を向上させるでしょう。C) 逆運動学的シミュレーション中に筋骨格系モデルは、実際の動きの良い重複を可能にする下半身に 34 のビジュアル マーカーのセットによって駆動されます。対照的に、前のアプローチのみ同じシミュレーションを駆動する 16 のマーカーを使用して、このシミュレーションに数値エラーが発生可能性があります。D)、前方の動的シミュレーションの中に本当の影響力は動きをシミュレートするこの筋骨格モデルに適用されるグランド。ただし、以前のメソッドはシミュレーションで地面への影響力を組み込むことができるではありません。実を使わず地面の影響力前方の動的シミュレーション時に従来の方法は低負荷活動を研究に限定。運動時に脛骨の変形を調べるため成功するサブジェクト固有の筋骨格モデルの忠実度を向上させるために私たちを取る上記の手順が表示されます。シミュレーションで真実の地面で衝撃力を組み込むことのまた高地影響活動中に骨の歪みを勉強する必要があることを証明します。

結論として、生体内で脛骨の骨の変形は通常従来染色ゲージ法によって測定されます。この方法は侵襲的な自然、少ないボランティア、分析対象エリアなど斬新なアプローチを採用マルチボディのモーダル解析と動的シミュレーションを本研究で提案した小さな骨表面などの制限に関連付けられてドロップ着陸時の脛骨の変形を定量化します。このアプローチが従来の歪みゲージ測定から継承の制限に対処することができます明白です。さらに、このアプローチの運動学的・動力学的、実験データ、サブジェクト固有の筋骨格モデル、柔軟な脛骨を使用して動的解析とモーダル解析を実行する恩恵をそれの巨大な改善を表します、以前に報告されたメソッドをプロトコルを研究します。したがって、マルチボディのモーダル解析と組み合わせて動的シミュレーションのサブジェクト固有のデータを利用したこの非侵襲的なアプローチは動的運動時に脛骨の変形を研究する有望なツールになります。今後の研究は、ストレス骨折の障害機序を研究する大規模コホートの高負荷活動時骨系統の研究方法を用いることができます。

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Disclosures

著者は、彼らは競合する金銭的な利益があることを宣言します。

Acknowledgments

部の軍 #W81XWH-08-1-0587、#W81XWH-15-1-0006。ボール州立大学 2010年熱望するグラント。

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.

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References

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サブジェクト固有筋骨格モデル動的モーションの間に骨の歪みを勉強のため
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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).

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