Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Konuya özgü kas-iskelet modeli kemik zorlanma sırasında dinamik hareket eğitimi

doi: 10.3791/56759 Published: April 11, 2018

Summary

İniş sırasında alt vücut kemikleri büyük mekanik yükler deneyim ve deforme. Etkileri ile ilişkili kemik stres yaralanma mekanizmaları daha iyi anlamak için kemik deformasyonu ölçmek için önemlidir. Konuya özgü kas-iskelet modelleme ve Sonlu elemanlar analizi entegre yeni bir yaklaşımın tibial zorlanma sırasında dinamik hareketleri ölçmek için kullanılır.

Abstract

Kemik stres kırıklarının spor ve askeri eğitimleri yaygındır. Tekrarlayan büyük kara etkisi Kuvvetleri eğitim sırasında neden olabilir. Kemik stres yaralanma mekanizmaları daha iyi anlamak için alt-vücut kemik deformasyon üzerinde yüksek zemin etkisi etkisini zorlar belirlemek için önemlidir. Geleneksel ağırlık ölçme esneklik detektörler ölçüm içinde vivo tibia deformasyon çalışma kullanılmaya başlanmıştır. Bu yöntem invasiveness yordam, kaç insan denekler ve küçük kemik yüzey alanları sınırlı zorlanma verileri katılımı da dahil olmak üzere sınırlamalar ile ilişkilidir. Çalışmada tibia kemik baskı koşulları yükleme yüksek etki altında çalışmaya yeni bir yaklaşımın tanıtmak niyetinde. Bir konuya özgü kas-iskelet modeli sağlıklı erkek (19 yıl, 80 kg, 1800 mm) temsil etmek için oluşturuldu. Esnek Sonlu elemanlar tibia modeli bir bilgisayarlı tomografi (CT) inceden inceye gözden geçirmek konunun doğru Tibia üzerinde tabanlı oluşturuldu. Laboratuvar hareket yakalama damla-iniş kinematik ve zemin tepki kuvvetlerinin farklı yükseklikte (26, 39, 52 cm) elde etmek için gerçekleştirildi. Esnek tibia kalıcı bir analizi ile kombine multibody dinamik bilgisayar simülasyonları tibia zorlanma damla-iniş sırasında ölçmek için yapıldı. Hesaplanan tibia zorlanma veri önceki in vivo çalışmalar ile iyi anlaşma vardı. Non-invaziv bu yaklaşım daha iyi tibia stres kırıkları yaralanma mekanizmasının anlaşılması için yol açacak büyük bir kohort için yüksek darbe faaliyetleri sırasında tibia kemik suşu çalışmaya uygulanabilir belirgindir.

Introduction

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

Kemik stres, stres kırıkları gibi uzun süre kurtarma gerektiren ve önemli tıbbi maliyet1,2üstlenmeden şiddetli aşırı yaralanmaları yaralar. Stres kırıkları ortak atletik ve askeri nüfus her ikisi de. Arasında tüm spor yaralanmaları, stres kırıkları hesap için toplam3yüzde 10'u ile ilgili. Özellikle, sporcular yüzü daha yüksek bir yaralanma oranı % 204izlemek. Askerler de stres kırıkları yüksek orandaki deneyim. Örneğin, %6 yaralanma oranı için ABD Ordusu1 bildirildi ve % 31 yaralanma oranı İsrail Ordusu5' te bildirildi. Tüm bildirilen stres kırıkları arasında tibia stres kırığı en yaygın bir6,7,8' dir.

Spor ve fiziksel eğitimler tibia stres kırığı daha yüksek bir risk ile normalde yüksek zemin etkileri (örneğin, atlama, açılış ve kesme) ile ilişkilidir. Ayak yere kurduğunda hareket sırasında vücut için bir yere darbe kuvveti uygulanır. Bu darbe kuvveti kas-iskelet sistemi ve ayakkabı tarafından harcanmış. İskelet sistemi kolları kas Kuvvetleri zemin etkisi9emmek için uygulamak izin veren bir dizi olarak hizmet vermektedir. Bacak kasları yeterli zemin etkisi azaltmak olamaz zaman, alt-vücut kemikleri kalan gücü absorbe gerekir. Kemik yapısı bu işlemi sırasında deformasyon yaşayacaksınız. Artık darbe kuvveti tekrarlayan emilimini birikir ve stres kırıkları haline kemik microdamages içinde neden olabilir. Bugüne kadar kemik için ilgili bilgiler dış kara etkisi Kuvvetleri tepki sınırlıdır. Tibia kemik dinamik hareketleri sırasında yüksek etki güçleri tarafından tanıtılan mekanik yük nasıl yanıt vereceğini çalışma önemlidir. Tibia kemik deformasyonu yüksek darbe etkinlikleri sırasında inceleyerek tibia stres kırığı mekanizmasının daha iyi anlamak için neden olabilir.

Kemik deformasyonu vivo ölçmek için kullanılan geleneksel teknikleri Araçlı gerilim ölçerler10,11,12,13,14,15tarihinde güveniyor. Cerrahi işlemler kemik yüzeyindeki gerginlik ölçme implant için ihtiyaç vardır. İnvaziv doğası nedeniyle, in vivo çalışmalar gönüllü küçük bir örnek ile sınırlıdır. Buna ek olarak, ağırlık ölçme esneklik detektörler sadece kemik yüzeyine küçük bir bölgenin izleyebilirsiniz. Son zamanlarda, non-invaziv bir yöntem kemik zorlanma çözümlemek için bilgisayar simülasyonu kullanan tanıtılan16,17yaşındaydım. Bu metodoloji insan hareketi sırasında kemik suşu çalışmaya kas-iskelet modelleme ve bilgisayar simülasyonları birleştirme olanağını sağlar.

Bir kas-iskelet modeli bir iskelet ve iskelet kasları tarafından temsil edilir. İskelet rijit veya deforme olmayan organları olan kemik parçadan oluşur. İskelet kasları ilerici-integral-türev (PID) algoritması kullanılarak denetleyicileri olarak modellenmiştir. Üç dönemlik PID kontrol hataları tahmininde çıkış doğruluğu18geliştirmek için kullanır. Özünde, PID denetleyicileri kasları temsil eden kasların uzunluğu değişiklikler zamanla üretmek için gerekli kuvvetler geliştirerek vücut hareketleri oluşturmaya çalışın. PID denetleyicisi hata uzunluğu/saat tonundaki hareketi çoğaltılması için kuvvet değiştirmek için kullanır. Bu simülasyon işlemi tüm kas iskelet hareket ve vücut hareketleri üretmek amacıyla birlikte çalışmak için koordine etmek için uygun bir çözüm oluşturur.

İskelet kas-iskelet modeli bir veya daha fazla segmentlerinde deformasyon ölçümü izin vermek için esnek organları modellenebilir. Örneğin, tibia kemik öğeleri ve düğümleri binlerce oluşan bir sonlu sayıda öğe, bölünebilir. Esnek tibia mekanik yükleme etkisi Sonlu elemanlar (FE) analizi ile incelenebilir. FE analiz tek tek öğeleri yükleme tepki zaman içinde hesaplar. Kemik öğeleri ve düğümleri artış sayısı olarak, FE analizin hesaplama saat önemli ölçüde artacaktır.

Esnek organları deformasyon doğru değerlendirilmesi ile Hesaplamalı maliyetini azaltmak için kalıcı FE analiz geliştirilmiş ve içinde otomotiv ve Havacılık ve uzay sanayi19,20kullanılır. Bireysel FE elements yanıt zaman etki alanındaki mekanik yük için analiz yerine, bu yordamı farklı titreşim frekansları frekans etki alanındaki temel nesnenin mekanik yanıt değerlendiriyor. Bu yöntem deformasyon20doğru ölçüm sağlarken hesaplama zaman önemli bir azalma olur. Her ne kadar kalıcı FE analizi yaygın mekanik yorgunluk otomotiv ve Havacılık alanlarında eğitim için kullanılmıştır, bu yöntemin uygulama çok sınırlı olmuştur insan hareketi bilim. Al Nazer vd., insan yürüyüş sırasında tibial deformasyon incelemek için kalıcı bir FE analiz kullanılan ve sonuçları16,17teşvik bildirdi. Ancak, bu yöntem büyük ölçüde bilgisayar simülasyonları sürücü için sadece bir deney sınırlı kinematik verileri kullanarak etkilendi; Gerçek olduğunu zemin simülasyonlar yardımcı olmak için kullanılan etki güçleri. Bu yaklaşım yürüyüş gibi düşük etkisi yavaş hareketleri eğitimi için makul olabilir ama bu yüksek zemin etkisi hareketleri çalışmaya uygun bir çözüm değil. Böylece, dinamik yüksek darbe faaliyetleri sırasında alt vücut kemik reaksiyonları incelemek için daha önce bildirilen yöntemiyle ilişkili sınırlamaları gidermek için yenilikçi bir yaklaşım geliştirmek esastır. Özellikle, bir yöntem kullanmak doğru deneysel kinematik veri ve gerçek kara etkisi Kuvvetleri geliştirilen gerekir. Bu nedenle, bu çalışmanın amacı multibody dinamik simülasyonlar tibial zorlanma yüksek darbe faaliyetleri sırasında incelemek için kalıcı FE analizi ile gerçekleştirmek için bir konuya özgü kas-iskelet modeli geliştirmekti. Damla-iniş tarafından farklı yükseklikte temsil bir dinamik yüksek darbe hareketi yöntemini sınamanızı sağlamak üzere seçildi.

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

Helsinki Bildirgesi altında yapılan. Veri toplama önce konu incelendi ve çalışmaya katılan önce üniversite kurumsal inceleme Kurulu tarafından onaylanan izin formu imzaladı.

1. CT görüntüleme Protokolü

  1. Katılımcı bir tesise nerede CT tarayıcı yer alır al. CT taraması önce CT makine aşağıdaki parametrelerle yapılandırmak: CT dilim kalınlığı 0.625 mm, CT görüş alanı 15 cm x 15 cm ve auto için en yüksek kilo-gerilim (kVp) ve miliamper-saniye (mAs) makine algoritması kullanarak parametrelerini ayarlama.
  2. CT tarayıcı ringde içine slaytlar bir tablo üzerinde yalan katılımcı sormak. Çok hala CT tarama sırasında kalmak için Katılımcı sormak. Femur distal sonuna calcaneus ayrı ayrı her bacak inceden inceye gözden geçirmek.
  3. CT taraması tamamlandığında, CT görüntüleri dijital görüntüleme ve iletişim Tıp (DICOM) formatında dışa aktarın. Bir görüntü boyutu 512 x 512 piksel (gri tonlama) seçin.
    Not: CT görüntüleme Protokolü normalde az 1 h sürer. Radyasyon dozu en az düzeydedir. Bundan normal X-ray tıbbi işlemler sırasında karşılaşılan büyük risk sunar.

2. antropometrik ölçüm Protokolü

  1. Hareket yakalama önce laboratuvar ziyaret sırasında katılımcının vücut kitle (kg), vücut yüksekliği (mm), anterior superior İliak spines (ASISs) (mm), bacak uzunluğu (mm), diz eklem genişliği (mm) ve ayak bileği eklem genişliği (mm) arasındaki uzaklığı ölçmek.
  2. ASIS mesafe ölçümleri Inter: bir kumpas sol ASIS ve doğru ASIS arasındaki doğrusal mesafe ölçmek için kullanın.
  3. Bacak uzunluk ölçümü: bir kaset ölçü birimi ölçü doğrusal mesafe ASIS ve bileşenleri kullanmak için her iki bacak.
  4. Diz eklem genişliği ölçümü: bir kumpas her iki diz için femur lateral ve medial epicondyles arasındaki doğrusal mesafe ölçmek için kullanın.
  5. Ayak bileği eklem genişliği ölçümü: bir kumpas lateral ve medial malleoli için her iki bacak arasında doğrusal mesafe ölçmek için kullanın.
    Not: Inter ASIS mesafe, bacak uzunluk, diz ve ayak bileği genişliği biyomekanik yazılımındaki bir konu model oluşturmak için kullanılır (bkz. Tablo reçetesi) kinematik ve Kinetik hesaplamaları gerçekleştirmek için.

3. hareket yakalama iletişim kuralı

Not: Tüm yazılım ve kullanılan araçlar için Malzemeler tablo bakın.

  1. Yansıtıcı işaretleri yerleşimini
    1. 14-mm yansıtıcı işaretleri aşağıdaki anatomik kemikli yerler katılımcının vücuduna yerleştirin: acromion süreçleri, sternoclavicular eklem, göğüs kemiğinin tabanı, 10th torasik vertebra, ASISs, posterior-Superior İliak posterior işlemi dikenleri (PSISs), yanal diz eklem hatları, medial diz eklem hatları üzerinde 1,5 cm yukarıda 1,5 cm malleoli, medial malleoli, posterior topuklar, ikinci ayaktarakları üsleri ve beşinci ayaktarakları üsleri lateral.
    2. 4-marker kümeleri ile yarı sert plastik tabaklar uyluk ve shanks, sırasıyla yerleştirin.
      Not: bir daha iyi hareket yakalama sonuç için Katılımcı yalınayak ve deri giyim giymek tavsiye edilir. Buna ek olarak, işaretleyici yerleştirme yordam değiştirilmiş "Plug-in-yürüyüş" protokolü21izler. Toplam 39 yansıtıcı işaretleri hareket yakalama için kullanılır ve 34 tanesi alt beden bağlıdırlar.
  2. 5 min için otomatik olarak seçilen bir hızda bir motorlu koşu bandı, yürüme ısınmak için Katılımcı talimat.
  3. Kalibrasyon için hareket yakalama yordamı Oda alanı
    1. Hareket yakalama sistemi (12 yüksek hızlı kızılötesi kameralar) ve iki tabak zorlamak. Bir hareket yakalama yazılım programı açın. Ana program penceresinde, 'Kaynaklar' bölmesini açın. "Sistem" sekmesini Yapılandır 200 Hz kamera frekansta ve 2.000 Hz frekansta plaka zorlamak.
    2. Ana program penceresinde, 'Araçlar' bölmesini açın. "Sistem Hazırlama" düğmesini tıklatın. "Kameralar kalibre"'ı tıklatın. "Başlat". Dalga Dinamik Kalibrasyon damla-Açılış hareketleri gerçekleştirilecek nerede Oda alanı içinde gerçekleştirmek için bir standart 5-marker kalibrasyon değnek için bir araştırma personeli sor. 5 sonra "Dur"'ı tıklatın s değnek veri satın aldı.
    3. Kalibrasyon değnek bir köşesinde (origin) kalibre edilmiş alanı için bir başvuru konumu belirtme amacıyla bir kuvvet plaka ile hizalamak için düz zemine yerleştirin. "Ayarla birim Origin" içinde 'Sistem Hazırlama' araçları Bölmesi'ni tıklatın.
  4. Hareket yakalama yazılım programı katılımcı hazırlık
    1. Ana program penceresinde, 'Kaynaklar' bölmesini açın. "Yeni konu bir etiketleme iskelet oluşturmak" düğmesini tıklayın "Konu" sekmesini tıklatın. Etiketleme şablon şablon dosyalarını sağlanan listeden seçin.
    2. 'Özellikler' penceresinde ilgilinin adı ve vücut kitle (kg), vücut yüksekliği (mm), Inter-ASIS mesafe (mm), sol ve sağ ayak Uzunluk (mm), sol ve sağ diz genişliği (mm) ve sol ve sağ ayak bileği genişliği (mm) değerleri girin. 'Konu kaynaklar' bölmesinde özne adını sağ tıklatın ve "Konu Kaydet'i" tıklatın.
  5. Bir statik vücut kalibrasyon poz kaydetmek
    1. Ayaklarınızı omuz genişliği üst ekstremite yanal böylece vücuttaki tüm yansıtıcı işaretleri de kameralar için maruz genişletme sırasında apart ile kalibre edilmiş odanın ortasında hareketsiz durmak için Katılımcı sormak.
    2. Ana program penceresinde, araç bölmesini açın. "Konu hazırlık" sekmesini tıklatın. Konu yakalama bölümünde, statik kalibrasyon deneme olmak kayıt 3 sn hareket deneme "Başlat"'ı tıklatın.
  6. Fonksiyonel ortak merkezleri belirleme yordamı
    1. Fonksiyonel Kalça eklemi Merkezi
      1. Bir ayak ile katılımcı sormak ve tamamen diğer bacağını hafifçe öne uzatın. Katılımcı aşağıdaki sırayla genişletilmiş bacak ve Kalça eklemi etrafında taşımak için talimat: anteriorly taşımak ve için tarafsız dönmek, anterior yanal hareket ve için tarafsız dönmek, yanal hareket ve için tarafsız dönmek, arka yanal hareket ve dönmek bağımsız, özafagusu taşımak ve tarafsız ve sirkumdiksiyon hareketi geri dönmek.
      2. Ana program penceresi içinde belgili tanımlık 'Alet' cam açın, "Yakalama" sekmesini tıklatın. Yakalama bölümünde, "her işlevsel kalça hareket için hareket deneme kaydetmek" Başlat.
    2. Fonksiyonel diz eklem Merkezi
      1. Katılımcı ile bir ayak ve bir 30 ° kalça hiper-eklenti diğer bacak korumak için sor. Katılımcı için 5 kez 45 ° diz fleksiyon sigara ağırlık taşıyan bacak ile gerçekleştirmek için talimat.
      2. Belgili tanımlık 'Alet' cam 'Yakalama' bölümünde, "her işlevsel diz hareket için hareket deneme kaydetmek" Başlat.
        Not: fonksiyonel ortak yordamı ilgili ayrıntılı bilgi için lütfen bkz: Schwarz, vd. 22
  7. Damla-açılış hareketlerinin hareket yakalama
    1. Üç farklı damla-açılış yükseklikte (26 cm, 39 cm ve 52 cm)14kullanarak sipariş rastgele.
    2. Yer yüksekliği 50 x 50 cm2 yerdeki paspas tarafından kaplı tahta kutu üst yüzey alanı ile ayarlanabilir. Tahta kutu kuvvet plakaların kenarlarından 11 cm'dir. Kutusunu yüzey üzerinde durmak için Katılımcı sormak.
    3. Katılımcının doğrudan kutusunun önünde baskın onların ayak uzatmak ve onların ağırlığı ileri ve kutusundan geri çekil talimat. Her iki bacak ile ayrı kuvvet tabakta her ayak ile aynı anda yere iniş için Katılımcı sormak.
    4. Deneme hareket yakalama tamamlanana kadar ayakta kalmayı katılımcı sormak. Üç hareket denemeler her yükseklik için toplamak için hareket yakalama üç kez tekrarlayın.
  8. Hareket yakalama veri işleme
    1. Bir hareket yakalama yazılım programı açın. Programın ana penceresi içinde 'İletişim' bölmesine git. Kaydedilen hareket denemeler birini seçin "Veri yönetimi" sekmesini tıklatın ve programda açın.
    2. 'Araçlar' Bölmesi'nde, "Boru hattı" sekmesini tıklatın. 'Geçerli boru hattı', "Yeniden" boru hattı seçin. Üç-boyut (3D) yörüngeleri yansıtıcı işaretleyicilerin görünümünü elde etmek için yeniden yapılandırma işlemini başlatmak için "Çalıştır" düğmesini tıklatın.
    3. 'Araçlar' Bölmesi'nde, "Etiket/düzen" sekmesini tıklatın. 'Manuel etiketleme' bölümünde, bireysel marker isimleri seçin ve ilgili 3D yörüngeleri etiket. "Düğme ne zaman etiketleme araç çubuğunun tamamlandı Kaydet" i tıklayın.
    4. 'Araçlar' Bölmesi'nde, "Boru hattı" sekmesini tıklatın. 'Kullanılabilir işlemleri' bölümünde, "Dosyayı Aktar" seçin. "İhracat C3D boru hattı" çift tıklatın. İşlenmiş hareket deneme bir koordinat üç-boyut (C3D) biçiminde bir dosyaya vermek için "Çalıştır" düğmesini tıklatın.
  9. Hareket yakalama veri biyomekanik analiz
    1. Daha fazla işlem hareket yakalama veri için biyomekanik yazılım programını açın. Üst menüden "Dosya" tıklayın ve "Aç/Ekle" düğmesini tıklatın. Biyomekanik yazılım programı almak için ham C3D dosyaları seçin.
    2. Üst menüden "Model"'i tıklatın. Tıklatın "oluşturmak (statik kalibrasyon dosyası eklemek)". Alt menüde "Hibrid modeli üzerinden C3DFile". Seçin ve statik kalibrasyon C3D dosyasını açın.
    3. Üst menüden "Model"'i tıklatın. Aşağı açılan listeden "Modeli şablonunu Uygula"'ı tıklatın. Seçin ve bir modeli şablon dosyası açın. "Modelleri" sekmesini araç çubuğunda'i tıklatın. "Konu veri / ölçümleri" sekmesini tıklatın. 'Konu veri' penceresi içinde 'Kitle' ve 'Yükseklik' modele konuya özgü değerleri değiştirin.
    4. "Modelleri" sekmesini araç çubuğunda'i tıklatın. Üst menü çubuğunun "Modeli Oluşturucu gelişmiş posta işleme" düğmesini tıklatın. "Modeli Oluşturucu gelişmiş posta işleme" açılan pencerede "Fonksiyonel eklem" sekmesini seçin "hareket dosya üzerinden çalışma alanı ekle"'ı tıklatın.
    5. Fonksiyonel ortak Merkezi C3D dosyaları seçin. İçe aktarılmış bir işlevsel ortak dosyanın vurgulayın. Dosya eşleştirme fonksiyonel esrar vurgulayın. "Ayarla başlatmak için geçerli kare" ve "Son kare için geçerli çerçeveyi ayarla" deneme hareket uygun bölümlerini seçmek için kullanın. "Kontrol yer hesaplamak" düğmesini tıklatın. İskelet modeli geliştirmek için diğer fonksiyonel ortak merkezleri hesaplamak için bu işlemi yineleyin.
    6. Üst menü çubuğundaki "Model" düğmesini tıklatın. "Modeli hareket dosyaları için ata"'yı seçin. "Atama modelleri için hareket verileri" açılan pencerede konuya özgü iskelet modeli tüm hareket denemeler için geçerlidir.
    7. Araç çubuğundaki "Boru hattı" düğmesini tıklatın. "Boru hattı Atölyesi" açılan pencerede "Açık boru hattı" düğmesini tıklatın. "Filtreleme hedefleri boru hattı" seçin. Kesme 10 Hz frekansta hareket yakalama denemelerin 3D yörüngeleri ile dördüncü dereceden alçak geçiren Butterworth filtre gerçekleştirmek için "Boru hattı yürütmek" düğmesini tıklatın.
    8. Araç çubuğundaki "Boru hattı" düğmesini tıklatın. "Boru hattı Atölyesi" açılan pencerede "Açık boru hattı" düğmesini tıklatın. "Filtreleme Kuvvetleri boru hattı" seçin. Kesme 60 Hz frekansta zemin mukabele Kuvvetleri hareket yakalama denemeler ile dördüncü dereceden alçak geçiren Butterworth filtre gerçekleştirmek için "Boru hattı yürütmek" düğmesini tıklatın.
    9. Üst menü çubuğunun "Ayarlar" düğmesini tıklatın. "Kullanım işleme analogları için zemin tepki kuvvet hesaplamaları" ve "İşlenen hedefleri için Model/Segment/LinkModelBased kullanım" yanındaki onay işareti koyun.
    10. Araç çubuğundaki "Boru hattı" düğmesini tıklatın. "Boru hattı Atölyesi" açılan pencerede "Açık boru hattı" düğmesini tıklatın. "Model alan hesaplama" boru hattı seçin. Alt vücut ortak kinematik ve Kinetik hesaplamaları gerçekleştirmek için "Boru hattı yürütmek" düğmesini tıklatın.
    11. Araç çubuğundaki "Boru hattı" düğmesini tıklatın. "Boru hattı Atölyesi" açılan pencerede "Açık boru hattı" düğmesini tıklatın. "İhracat C3D koordinatları" boru hattı seçin. Alt vücut görsel işaretleri C3D dosyasına işlenmiş 3D koordinatlarını vermek için "Boru hattı yürütmek" düğmesini tıklatın.
    12. Araç çubuğundaki "Boru hattı" düğmesini tıklatın. "Boru hattı Atölyesi" açılan pencerede "Açık boru hattı" düğmesini tıklatın. "İhracat zemin mukabele Kuvvetleri" boru hattı seçin. İşlenmiş 3D yere tepki vermek için "Boru hattı yürütmek" düğmesini zorlar bir ikili dosyada tıklatın (dosya uzantısı: MAT).
      Not:, ham toprak reaksiyonu kuvvet veri23süzmek için bir kesme frekans 60 Hz yüksek darbe doruklarına iniş sırasında korumak için kullanılır.
  10. Bilgisayar simülasyonları için hareket yakalama veri hazırlama
    1. Bir bilgisayar yazılım programlama açın. Filtre uygulanmış C3D veri dosyası ve MAT veri dosyasını içe aktarın.
    2. Alt vücut ortak Merkezi koordinatları içeren bir metin dosyasına verme. C3D veri dosyası ve MAT veri dosyasının metin dosyalarını dönüştürme (dosya uzantısı: slf) multibody dinamik simülasyon programı tarafından kullanılacak.

4. Konu özel yordamın modelleme

  1. Alt vücut iskelet modeli oluşturma
    1. Dinamik simülasyon yazılım programı eklenti modelleme insan vücudu ile yüklü multibody açın. Bu işlem sırasında eklenti modülü modelleme insan vücudu otomatik olarak açılır. Giriş ekranı içinde Denetim Masası bina modeli açmak için "Yeni Model" simgesini çift tıklatın.
    2. Ana modelleme paneli içinde "Antropometrik veritabanı kitaplığı" bölümünde, genel vücut (GeBOD) aþaðý açýlan listeden seçin. Ana modelleme paneli içinde belirtin vücut kitle (kg), vücut yüksekliği (mm), cinsiyet ve yaş (ay).
    3. "Vücut yapılandırma" bölümünde, ana modelleme paneli içindeki "Alt beden" radyo düğmesini tıklatın. "Milimetre Kilogram Newton" "Birim" aþaðý açýlan listeden seçin. Ana modelleme paneli içinde Vücut ölçüleri kabul etmek için "Beden ölçüm tablo oluşturma" bölümünde "Uygula" düğmesini tıklatın. Bir alt-vücut iskelet temel model oluşturmak için "İnsan segmentleri oluşturmak" bölümündeki "Uygula" düğmesini tıklatmaya devam edin.
      Not: Bu model göre ölçeklendirilir bireyin yüksekliğine, kitle, yaş ve cinsiyet. Model yedi parçadan oluşur: bir leğen kemiği, iki uyluk, iki shanks ve ayakları (şekil 1). Tüm parçaların katı cisimlerin modellenmiştir.
  2. Alt vücut eklem modelleme
    1. Ana modelleme paneli içinde "eklemler" ortak yapılandırma panelini açmak için ana menü aşağı açılan listeden seçin.
    2. "Ortak döndürme öğeleri" bölümünde, ortak yapılandırma paneli içinde belgili tanımlık "hazırlamak modeli ile kayıt ek" yanındaki düğmeyi tıklatın. "Bahar tamponlar ve ortak sınırları özellikleri" bölümünde, aşağıdaki parametreleri girin: 1 Nmm / ° Nominal eklem sertliği, Nominal ortak Damping 0.1 Nmm∙s / °, 3.38E7 durdurmak eklem sertliği Nmm / °. Radyo düğmeleri adlarının yanındaki kontrol ederek "Sol bacak" ve "Sağ bacak" seçmeye devam. Ortak yapılandırmalar kabul etmek için "Apply" tuşuna tıklayın.
    3. Ana modelleme paneli içinde "İş akışı" ana menü aşağı açılan listeden seçin. "Yürüyüş" ve "Ayarla" alt menü aşağı açılan listeden seçin. "Ortak merkezi veri" bölümünde katılımcının alt vücut ortak Merkezi dosya girin.
    4. Ortak merkezleri konumlarını değiştirmek için verileri almak için "Yükle" düğmesini tıklatın. "Yük statik deneme" bölümünde, statik kalibrasyon hareket yakalama deneme girin (slf dosya biçiminde üretimi açıklanan adımları 3.8-3.10). Alt vücut iskelet modeli parametreleştirmek için dosyasını içe aktarmak için "Yükle" düğmesini tıklatın.
      Not: varsayılan olarak, kalça eklemleri özgürlük üç derece ile küresel eklem olarak yapılandırılmış, diz eklemleri revolute eklem özgürlük bir derece ile yapılandırılır ve ayak bileği eklem evrensel eklem ile özgürlük iki derece olarak yapılandırılır.
  3. İskelet kasları modelleme
    1. Ana modelleme paneli içinde "Yumuşak dokular" ana menü aşağı açılan listeden seçin. "Create Bankası doku küme" alt menü aşağı açılan listeden seçin. "Kas CONTRACTILE öğeleri" bölümünde, "Kayıt kas öğeler ile modeli hazırlamak"'ı tıklatın.
    2. "Küresel kayıt öğesi kas özellikleri" bölümünde "Updated 45 kas grubu" radyo düğmesini tıklatın.
    3. "Küresel kayıt öğesi kas özellikleri" bölümünde, kas özellikleri için aşağıdaki varsayılan ayarları kabul etmek: 0.4448 N/mm pasif sertliği, pasif Damping 1.75 E-2 Ns/mm, kas istirahat sürü 0.4448 i. onay "Sol bacak" radyo düğmeleri ve "Bacak kas atamaları için sağ". Yapılandırmaları kabul etmek için "Apply" tuşuna tıklayın.
      Not: 45 bacak kas kümesi aşağıdaki kas içerir: Adductor Brevis, Adductor Longus, Adductor Magnus (üç grup), pazı kemiği uzun kafa, pazı kemiği kısa kafa, ekstansiyon Digitorum, ekstansiyon Hallucis, fleksör Digitorum, fleksör Hallucis, Gastroknemius, Gemellus, Gluteus Maximus (üç grup), Gluteus Medias (üç grup), Gluteus Minimis (üç grup), Gracilis, Hamstring, Iliacus, Lateral gastroknemius, Medial gastroknemius, Pectineus, Peroneus Brevis, Peroneus Longus, Peroneus Tertius, Piriformis, Psoas, kuadriseps kemiği, rektus kemiği, Sartorius, Semimembranosus, Semitendinosus, Soleus, Tensor silmeli arşitrav Latae, Tibialis Anterior, Tibialis Posterior, Vastus Intermedius, Vastus kasılmasına, Vastus Medialis.

5. çok vücut dinamiği simülasyonları

  1. Ters kinematik simülasyon gerçekleştirme
    1. Ana modelleme paneli içinde "İş akışı" ana menü aşağı açılan listeden seçin. "Yürüyüş" ve "Deneme" alt menü aşağı açılan listeden seçin. "Dinamik deneme veri" bölümünde, dinamik hareket yakalama deneme (slf dosya biçiminde) dosyanın adını girin ve verileri almak için "Yükle" düğmesini tıklatın. Veri (slf dosya biçiminde) dosya ve verileri almak için "Yükle" düğmesini tıklatın ilgili yere müdahale gücü girmek devam edin.
    2. Ana modelleme paneli içinde "_Analyze" ana menü aşağı açılan listeden seçin. Başlangıçta dinamik davanın duruş eşleşecek şekilde modeli duruş ayarlamak için Reparameterize analizi yap.
    3. Simülasyon Masası'nı açın. Yerçekimi ve zemin mukabele Kuvvetleri etkilerini devre dışı bırakın. Tüm hareket deneme uzunluğu simülasyon olarak seçin.
    4. 100 adım/s. hareket yakalama veri tarafından yönlendirilen bir ters kinematik benzetim çalıştırın bir simülasyon zaman adım belirtin. Ters kinematik simülasyon çözümlemeyi kaydedin.
  2. Bir hareket İzleyicisi Aracısı'nı oluşturma
    1. Hareket izci Aracısı oluşturma panelini açın. Varsayılan izci adı kabul edin: MA_Track.
    2. Translasyonel sertlik ve dönme sertlik 10 N/mm ve 1000 Nmm / °, anılan sıraya göre ayarlayın. Translasyonel Damping ve dönme Damping 10 Ns/mm ve 1.000 Nmms / °, anılan sıraya göre ayarlayın. Tüm translasyonel hem de rotasyonel serbestlik Driven ayarlayın.
    3. Dikkat edin. Yalnızca alt gövdeli modeli ileri dinamik simülasyon için kullanıldığı gibi bir hareket izleyici'yi hesabınıza istikrarsızlık üst vücut hareket eksikliği nedeniyle gereklidir.
  3. Eğitim bacak kasları
    1. Yumuşak doku yapılandırma Masası'nı açın. Kapalı-döngü basit kas modeli seçin. Kas modeli için aşağıdaki parametreleri ayarlayın: orantılı kazanç, 1.0E6, ayrılmaz kazanç, 1.0E6 ve türev kazanç, 1.0E4.
    2. Ters kinematik simülasyon analiz kas eğitim hedefi olması için seçin. Kas eğitimi uygulanır.
  4. Esnek bir tibia içe aktarma
    1. Esnek vücut alma panelini açın. Hizalama eşleme üç bilinen üreticileri ile ve onların karşılık gelen düğümleri esnek tibia yüzeyinde gerçekleştirin.
    2. Katı tibia esnek tibia tarafından değiştirilmesi için seçin. Esnek tibia temsil eden MNF dosyayı seçin. Bacak kaslarını esnek Tibia reattaching için kas eki eşleme dosyasını seçin. Esnek tibia için kas-iskelet modeli alın.
  5. İleri dinamik simülasyon esnek tibia ile yerinde gerçekleştirme
    1. Simülasyon Masası'nı açın. Yerçekimi ve zemin mukabele Kuvvetleri etkileri etkinleştirin. Hareket ajanların etkileri devre dışı bırakın.
    2. Tüm hareket uzunluğu için simülasyon deneme çalıştırmak seçin. Simülasyon zaman adım 100 adım/s. Çalıştır / ileri bir dinamik simülasyon eğitimli kasları tarafından tahrik ayarlayın. İleri dinamik çözümlemeyi kaydedin.

6. bir esnek Tibia modeli oluşturma

  1. Bir 3B yüzey kafes model oluşturma
    1. Bir görüntü işleme programı açın. DICOM formatında alma CT dilimleri. Bölge büyüyen yöntemi çevre yumuşak dokulardan kemik dokusu ayırarak bir maskesi oluşturun.
    2. Tibia ve fibula nereye bağlı CT dilimler için arama. Tibia ve fibula maskeyi boyunca iki kemik birlikte silerek ayırın.
    3. Sadece tibia kemik eklemek için yöntem büyüyen bölge kullanarak ikinci bir maskesi oluşturun. Tibia maskede mevcut boşluklar ortaya çıkarmak için CT dilimler geçmesi. Maskenin içindeki boşlukları doldurun. Tibia maskesine göre bir 3D tibia nesnesi oluşturun. 3D tibia nesneyi çizim Değişim Biçimi (DXF) dosyası olarak verin.
  2. Bir Sonlu elemanlar tibia modeli oluşturma
    1. FE analiz yazılım programını açın. DXF uzantılı 3D tibia modeli dosyasını alın.
    2. Yinelenen öğeleri ve düğüm kaldırmak için süpürme komutunu gerçekleştirir. Tüm öğeler için aşağıdaki malzeme özellikleri 3 mm x 3 mm x 3 mm. ata altıgen unsurları ile FE tibia model oluşturmak için ses Mesh komutunu gerçekleştirir: Young katsayısı 17 not ortalaması, 1.9E yoğunluğu ve Poisson oranı 0,3-6 Kg/cm3.
      Not: Malzeme özellikleri her öğesine kemik dokusu izotropik baskı sırasında dinamik hareketleri24,25,26kemik tarafından deneyimli aralıklarda varsayımı ile atanır.
  3. Esnek tibia modeli oluşturma
    1. Ana kontrol paneli içinde "Geometri & kafes" sekmesini seçin "geometri & kafes"'ı tıklatın. "& Geometri Mesh" açılır penceresinde, "Mesh" bölümünde, "düğümleri Ekle" yi tıklayın diz ve ayak bileği eklemleri merkezlerinden temsil etmek için iki yeni düğüm oluşturmak için.
    2. Ana Denetim Masası'ndaki "Bağlantılar" sekmesini seçin RBE2'ın ' ı tıklatın. RBE2'ın açılan pencerede, diz ve ayak bileği yüzeylerde öğesinin türü 2 katı vücut (RBE2) ortak düğümleri ve yüzey düğümler arasındaki bağlantılar oluşturun.
    3. Ana Denetim Masası'ndaki "Sınır koşullar" sekmesini tıklatın. "Sınır koşulları" bölümünde bulunan "Yeni" düğmesini tıklatın. "DOF_Set düğümleri" seçin. "Sınır koşulu özellikleri" açılan pencerede özgürlük altı derece her iki RBE2 ortak düğüm atayarak bir sınır koşulu oluşturun.
    4. Ana Denetim Masası'nda "Loadcases" sekmesini tıklatın. "Loadcases" bölümünde, "Yeni"'ı tıklatın, "Adams Craig-Bampton"19seçin. "Loadcase özellikleri" açılan pencerede "DOF-küme düğümleri"'ı tıklatın. Yukarıdaki adımda oluşturduğunuz dofset_nodes seçin.
    5. Ana Denetim Masası'ndaki "İşleri" sekmesini tıklatın. "İşleri" bölümünde, "Yeni" seçeneğini tıklatın. "Yapısal" seçin. "İş özellikleri" açılır penceresinde, önceki adımda oluşturduğunuz loadcase seçin. "İş sonuçları" düğmesini tıklatın. "Sonuçlar" açılan pencerede, "Stres" ve "Soy" seçin. Ayrıca uzunluk ve zaman için "ikinci" için "Kilogram" kitle için güç için "Newton", "Mm" seçin. "Çalıştır" düğmesini tıklatın.
    6. "İşin yürütülmesini" açılan pencerede FE simülasyon için işini göndermek için ve tibia16kalıcı tarafsız dosyası (MNF) oluşturmak için "Gönder" düğmesini tıklatın.

7. zorlanma veri analizleri

  1. Kemik zorlanma veri verme
    1. Yazı işlemci multibody simülasyon programı açın. Dayanıklılık eklenti programını yükleyin.
    2. Simülasyon ile esnek tibia simülasyon adını tıklatarak açın. Asıl suşları maksimum ve minimum ve maksimum kesme zorlanma tibial diaphysis antero-medial yönünü temsil eden düğüm dışa aktarın.
  2. Ham baskı veri işleme
    1. Bir bilgisayar veri işleme için yazılım programlama açın. Ham baskı veri. 15 Hz kesme frekans ile ham veri için dördüncü sırada alçak-geçiren Butterworth filtre uygulayın.

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

Çalışma için gönüllü oldum bir sağlıklı kafkas erkek (19 yaş, yükseklik 1.800 mm, kitle 80 kg). Veri toplama önce konu incelendi ve çalışmaya katılan önce üniversite kurumsal inceleme Kurulu tarafından onaylanan izin formu imzaladı. Helsinki Bildirgesi altında yapılan. Deneme temel alınarak aşağıdaki protokol gerçekleştirildi.

İleri dinamik simülasyon doğruluğunu denetlemek için alt-vücut simülasyon ortak açılardan biyomekanik analiz program tarafından işlenen hareket yakalama verilerden ölçülen karşılık gelen ortak açılarla karşılaştırıldı. Bir istatistiksel analiz yazılımı karşılaştırma çapraz korelasyon katsayıları hesaplamak için kullanıldı. Çapraz korelasyon hesaplama 10 gecikme hem olumlu hem de olumsuz yönde de izin verilen. Her gecikme için bir tane denk zaman adım ileri dinamik simülasyonda (0.01 s). En fazla çapraz korelasyon katsayıları tespit edilmiştir.

Şekil 2, görsel denetim şekil 3ve şekil 4 deneysel verilerle ve simülasyon veri ile üretilen ortak açıları arasındaki benzerlikler gösterir. Güçlü çapraz korelasyon katsayıları sıfır lag (Tablo 1), deneysel ve simülasyon ortak açıları arasında bulundu.

Tepe suşları antero-medial bölge üzerinden üç farklı yükseklikte iniş sırasında tibial milinin, Tablo 2' de sunulmuştur. Arasında üç iniş heights, koşul açılış 52 cm en büyük zirve en büyük patron, en yüksek en az müdür ve en yüksek maksimum kesme suşları gösterdi. Buna ek olarak, bu, artmış, damla yüksekliği en yüksek maksimum asıl suşları artmış gözlendi.

Figure 1
Şekil 1: konuya özgü kas-iskelet modeli da çalışmanın hazırlandı. Bu düşük vücut kas-iskelet modeli altı katı kesimleri (pelvis, sol ve sağ kalça, sol kaval ve sol ve sağ ayak) ve bir esnek tibia (sağ tibia) içerir. 90 bacak kasları için modeline iliştirilmiş. Görselleştirme amaçla, her kas bir mercan rengi çizgiyle temsil edilir. Ortak merkezleri için sol alt vücut için sağ alt vücut ve mor Top ışık mavi topları tarafından temsil edilir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 2
Şekil 2: ortak deneysel hareket yakalama verilerini ve damla-açılış 26 cm yükseklikten için simülasyon verileri arasında karşılaştırmalar açısı (derece) cinsinden. Düz çizgiler ortak açıları deneysel hareket yakalama veri ile hesaplanan temsil eder. Noktalı çizgiler ortak açıları multibody dinamik simülasyon veri tarafından üretilen temsil eder. Dikey çizgiler anları etkisi gösterir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 3
Şekil 3: Joint deneysel hareket yakalama verilerini ve simülasyon veri bırakma-iniş 39 cm yükseklikten arasında karşılaştırmalar açısı (derece) cinsinden. Düz çizgiler ortak açıları deneysel hareket yakalama veri ile hesaplanan temsil eder. Noktalı çizgiler ortak açıları multibody dinamik simülasyon veri tarafından üretilen temsil eder. Dikey çizgiler anları etkisi gösterir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 4
Şekil 4: Joint deneysel hareket yakalama verilerini ve simülasyon veri bırakma-iniş 52 cm yükseklikten arasında karşılaştırmalar açısı (derece) cinsinden. Düz çizgiler ortak açıları deneysel hareket yakalama veri ile hesaplanan temsil eder. Noktalı çizgiler ortak açıları multibody dinamik simülasyon veri tarafından üretilen temsil eder. Dikey çizgiler anları etkisi gösterir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Droplanding yükseklikleri
26 cm 39 cm 52 cm
Alt vücut eklem Çapraz korelasyon katsayısı Gecikme Çapraz korelasyon katsayısı Gecikme Çapraz korelasyon katsayısı Gecikme
Ayak bileği 0.998 0 0.998 0 0.999 0
Diz 1 0 1 0 1 0
Kalça 0.999 0 1 0 1 0

Tablo 1: çapraz korelasyon katsayıları ve hareket yakalama verilerini ve ortak açıları göre gecikme üretilen ortak açıları arasındaki karşılaştırmaları üzerinden üretilen simülasyon verilerden. Her yükseklikte bir deneme karşılaştırmalar için kullanıldı. Sıfır lag ortak açıları iki yaklaşım arasında ne zaman üretildi zamanında fark gösterir.

Droplanding yükseklikleri
Kemik zorlanma (µstrain) 26 cm 39 cm 52 cm
Maksimum müdür 1160 1270 1410
En az müdür -659 -598 -867
Maksimum kesme 893 870 1140

Tablo 2: Tibia kemik damla-iniş dan üç farklı yükseklikte sırasında tibial şaft antero-medial Aspect'te suşları. En büyük patron, en az müdür ve maksimum kesme suşları sunulmaktadır.

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

Bu çalışmada tibia deformasyon yüksek darbe etkinlikleri sırasında belirlemek için non-invaziv bir yöntem geliştirmekti. Tibia zorlanma nedeniyle etkisi yükleme miktarının daha iyi tibia stres kırığı anlamak için yol açacaktır. Bu çalışmada bir konuya özgü kas-iskelet modeli geliştirilmiştir ve bilgisayar simülasyonları bir laboratuvar ortamında gerçekleştirilen damla-Açılış hareketleri çoğaltmak için işletilmiştir. Tibial zorlanma damla-açılış yükseklik etkisi incelenmiştir. Bu çalışmada, biz bu bırakma-açılış olarak gözlenen artış, yükseklik en yüksek maksimum asıl suşları öyle. Ayrıca, üç iniş şartlar arasında 52 cm koşulu en yüksek tepe en büyük patron, en az müdür ve maksimum kesme suşları sonuçlandı.

Sınırlı vivo içinde veri bırakma-tibia zorlanma inişte etkisi ile ilgili olarak literatürde mevcuttur. Milgrom vd., rapor en fazla asıl zorlanma 896-1,007 µstrain üç farklı yükseklikte (26, 39, 52 cm) üzerinden iniş sırasında arasında değişen14. Ekenman ve ark. 2,128 µstrain ortalama bir tür 45 cm yükseklik13iniş sırasında bildirdi. Bilgisayar simülasyonları üzerinden en fazla asıl yük vardı bu Milgrom vd tarafından bildirilen daha yüksekti ama Ekenman tarafından bildirilen daha düşüktü üç farklı yükseklikte (26, 39, 52 cm), iniş sırasında 1.160 1.410 µstrain arasında vd. 13 , 14

Aşağıdakilerden biri geçerli ve önceki çalışmalar arasındaki gerilim farkı için katkıda bulunabilir. İlk, demografik bu bireylerde ve önceki çalışmalar farklar. Biz fiziksel olarak aktif bir erkek konu kullanılır. Ekenman'ın çalışma bir kadın konu13dahil. Milgrom'ın çalışma ve kadın ve erkek dahil ortalama suşları14bildirdi. İkinci olarak, Ayakkabı kemik zorlanma farklılıkları bir rol oynayabilir. Lanyon vd. ayakkabı etkisi tibial suşları okudu, çıplak ayakla çalışan ve yürüyüş ayakkabıları12giymeye karşılaştırıldığında daha fazla suşları içinde sonuçlandı buldular. Çalışmada kullanılan yalınayak açılış protokol, hesaplanan yük değerleri bu Milgrom vd tarafından daha üstündü çalışmada, bir iniş protokolü ile standart spor ayakkabıları14kullandık. Üçüncü olarak, strateji açılış içinde değişiklikler Ayrıca tibial zorlanma etkileyebilir. Bu da çalışmanın, konu bir strateji ne zaman damla iniş yüksekliği artan etkisini azaltmak için artan gövdede fleksiyon gibi seçebilirsiniz mümkündü. Bu strateji tibia büyük suşları korunmasına yardımcı. Milgrom vd. Ayrıca onun konular14tarafından kullanılan koruyucu stratejisi önerdi. Dördüncü olarak, nerede tibial zorlanma izlenen konumları küçük bir fark olabilir. Bizim çalışma kemik zorlanma tibial şaft antero-medial yönünü de inceledi. Milgrom vd., içinde orta tibial şaft14medial bölgesinden suşları kaydedildi. Sagittal düzlem an iniş sırasında tibia üzerinde bükme tibial mili ön bölgelerinde yakın yerlerde yüksek maksimum asıl zorlanma neden olabilir. Yine de, bizim zorlanma sonuçları önceki çalışmalardan sonuçları için karşılaştırılabilir olması ve bu in vivo çalışmalar10,13,14tarafından bildirilen yük aralığı (400-2200 µstrain) Güz görünür.

Non-invaziv bu yaklaşımdan alınan tibial zorlanma değerleri kas-iskelet modeli doğruluğunu tarafından etkilenmiştir. Çapraz korelasyon deneysel eklem açı veri ve bilgisayar simülasyon veri bırakma-iniş sırasında incelemek için yapıldı. Güçlü korelasyon katsayıları deneysel olarak ölçülen veri ve bilgisayar simülasyon verileri arasında bulundu. Bu konuya özgü modeli bu çalışmada geliştirilen damla-Açılış hareketleri makul çoğaltabilir gösterir. Buna ek olarak, bu çalışmada bildirilen tibial suşları varsayım tibia kemik deformasyonu damla-iniş14,15sırasında doğrusal olan diğer çalışmalardan elde edilen onaylar de 3.000 µstrain aşağıda vardı. Böylece, doğrusal aralığı ve hareket desenler iken, mükemmel çoğaltmalar hesaplanan yük verilerle biz non-invaziv bu yaklaşımdan alınan yük verileri makul doğru sonucuna vardı. Ayrıca, çalışmada sadece kemik zorlanma damla-iniş sırasında incelemek için bir konu işe. Büyük örnek boyutu kullanarak açılan iniş yükseklikleri ve tibia kemik suşları doz yanıt ilişkisi olup gelecekteki çalışmaları incelemek.

Bu çalışmada önem kemik deformasyonu ölçme non-invaziv bir yöntem tanıtmaktır. Bu non-invaziv yaklaşım insan denekler büyük bir örnek için uygulanamadı geleneksel vivo içinde ağırlık ölçme esneklik detektörler ölçüm ile ilgili sınırlamalar giderir. Buna ek olarak, adresleri geçerli önerilen yöntem simülasyonlar sürmeyi sınırlı kinematik verileri kullanarak etkilenen ve sadece için uygun bir daha önce raporlanmış non-invaziv yöntem16,17ile ilgili sınırlamalar yürüyüş gibi düşük zemin etkisi hareketleri okuyor. Tibia stres kırıkları atletik ve askeri nüfusu yüksek kalması gibi yüksek etkili fiziksel etkinlikler (örneğin, koşma, atlama ve kesme) etkisini tibial kemik yanıtları çalışma için önemlidir. Geçerli yenilikçi non-invaziv yaklaşım bu çalışmalar yürütmek için uygun bir çözüm gibi görünmektedir. Bu sporcular ve askeri acemi tibia stres yaralanmaları azaltmak yeterli fiziksel eğitim protokollerde geliştirme ışık tutacaktır. Ayrıca, bu yenilikçi non-invaziv yöntem kemik suşları diğer kemiklerdeki uyluk kemiği ve navicular gibi uygulanan göstergeleri ile ulaşılmaz değerlendirmek için bir fırsat sunuyor.

Bu non-invaziv kemik zorlanma ölçümle ilgili önemli konular burada ele alınması gerekir. İlk olarak, genel bir alt-vücut kas-iskelet modeli bireyin yaşı, cinsiyeti, vücut kitle ve vücut yüksekliği üzerinde GeBOD veritabanı27kullanarak temel alınarak oluşturulur. Alt vücut ortak merkezlerinden deneysel olarak ölçülen kayma Mekanlar kas-iskelet modeli geliştirmek için kullanılır. Genel modele göre bu konuya özgü modelleme yaklaşım bireyin fiziksel yapısının bir daha iyi kas-iskelet modeli sunuyor. Gelecekteki çalışmaları sırasında multibody dinamik simülasyonlar üst vücut hareketleri için bir tam vücut kas-iskelet modeli geliştirme kullanmayı da deneyebilirsiniz.

İkinci olarak, 45 kas modelindeki her bacak için atanan vardır. Kökenleri ve eklemeler kaslarının anatomik olarak kararlı27vardır. Basit bir kapalı çevrim algoritması bireysel kas'ın güç üretim yönetmek için kullanılır. Özellikle, değişiklik iniş gibi dinamik hareket sırasında kas uzunluğu tarihin ters kinematik simülasyon kaydedilir. İleri dinamik simülasyon çalıştırdığınızda bir PID denetleyicisi her kas için atanan ve daha önce kaydedilmiş kas uzunluğu geçmiş çoğaltmak için gerekli kas kuvvet düzenlemek için kullanılan. Bu basit kapalı çevrim algoritma ortak kinematik çoğaltma içinde mükemmel sonuçlar üretiyor. Ancak, bu yaklaşım için benzer işlevleri ile kasları arasında sinirsel koordinasyon hesaba katmaz ve co kasılmalar antagonistleri hesap değil. Gelecekteki işleri bir aktif contractile element (CE) ve pasif elastik öğesi (PE) oluşan bir kas Hill tabanlı modeli kullanarak düşünebilirsiniz. Hill tabanlı modeli kas'ın kuvvet-hız ve gerginlik üretmek için kuvvet-uzunluk ilişkileri bütünleştirir. Hesaplanan kas kuvvet sonra EMG veri doğrulama için karşılaştırılabilir.

Üçüncü olarak, bir konuya özgü tibia modeli CT görüntülerden tibia kemik soruşturma altında gerçek geometrisi temsil etmek üzere oluşturulur. CT görüntüleme tibia kemik gerçek geometrisi elde etmek için birincil yöntemi olmakla birlikte, manyetik rezonans görüntüleme (MRG) gibi diğer görüntüleme teknikleri de konuya özgü tibia modeli üretmek için kullanılabilir. Ayrıca, geçerli model oluşturma protokolü tibia izotropik olmak için malzeme özelliği varsayar. 1.9E genel yoğunluk değeri-6 kg/cm3 ve bir tek Young katsayısı 17 not ortalaması atanır tibial FE öğelerin tümüne. Gelecekteki çalışmalar Tibia tüm bölgelerden yoğunluk değerlerini alma düşünebilirsiniz. Bu CT tarama sırasında bir kalibre edilmiş hayalet tanıtarak yapılabilir. Kemik yoğunluğu sonra tabanlı Tomografi Hounsfield birimleri hesaplanabilir. Young katsayısı kemik dokusunun daha fazla dayalı yoğunluğu Datası hesaplanabilir. Konuya özgü malzeme özellikleri tibial FE modelinin atama daha gerçekçi kemik zorlanma simülasyonlar aracılığıyla sonuçlar verir.

Dördüncüsü, kalıcı bir FE analiz kemik suşları hesaplamak için kullanılır. Bu kalıcı Çözümleme sırasında mekanik yükleri (doğrusal ve açısal kuvvetler) eşleştirmek için diz ve ayak bileği eklemleri dayatılan frekans yanıt-e doğru hesaplanır. Bir MNF dosyası tarafından temsil edilen bir esnek tibia kalıcı FE analizinden oluşturulur. Bu esnek tibia konuya özgü kas-iskelet modeli için karşılık gelen sert tibia değiştirmek için tanıtıldı. Sonraki ileri dinamik simülasyon sırasında her zaman adımda esnek tibia deformasyon sayılabilir. Serbestlik derecesi (öğeler ve düğümleri binlerce) hareket her zaman adımında binlerce oluşan bir FE nesnenin mekanik yanıt hesaplar, geleneksel FE analiz için karşılaştırıldığında bu modal analiz yaklaşımı ile çok daha az sayıda fırsatlar serbestlik derecesi (örneğin, koşullar diz ve ayak bileği eklem yükleme 12) frekans etki alanı içinde. Modal analiz yaklaşımı ile hesaplama süresi önemli ölçüde az 1 h için tipik bir simülasyon için birden çok saat/gün azalır. Daha az bilgisayar zaman tüketen yararları, modal analiz yaklaşım küçük deformasyon (< %10) kemik dokusu gibi sert yapılar tarafından deneyimli bilgisayar kullanımı için idealdir.

Son olarak, mevcut non-invaziv yaklaşım avantajları bir daha önce raporlanmış yöntemi16,17 burada ele alınmalıdır. A) bizim kas-iskelet modeli ile fonksiyonel ortak değerlendirme22üretilen daha doğru alt vücut ortak merkezleri, Uluslararas› rafine edilir. Ancak, önceki yöntemi ortak merkezleri sınırlı sayıda görsel işaretleri kullanarak yardımıyla Plug-in yürüyüş yordamı21 temel model için tanımlar. B) bu model sadece 12 Kas önceki modelinde kullanılan göre her bacak için 45 kas içerir. Kas-iskelet modeli bacak kasları artırıldığında simülasyon kalitesini artırmak. C) ters kinematik simülasyon sırasında kas-iskelet modeli 34 görsel işaretleri daha iyi seçeneğini ve fiili hareketi sağlayan alt vücut üzerinde yerleştirilen bir dizi tarafından tahrik edilmektedir. Buna ek olarak, önceki yaklaşım sadece aynı simülasyon sürmeyi 16 imleyicileri kullanır ve bu simülasyon için sayısal hatalara neden. D) ileri dinamik simülasyon sırasında gerçek güçleri hareketi simüle etmek için kas-iskelet bu modele uygulanan etkisi zemin. Ancak, önceki yöntem kara etkisi Kuvvetleri simülasyon dahil etmek mümkün değil. Gerçek kullanmadan zemin etkisi Kuvvetleri sırasında ileri dinamik simülasyonları, önceki yöntemi düşük etkisi faaliyetleri eğitim için sınırlıdır. Biz konuya özgü kas-iskelet modeli kalitesini artırmak için yukarıdaki adımlar insan hareketleri sırasında tibial deformasyon incelenmesi için başarılı olmak için görünür. Gerçek zemin etkisi Kuvvetleri simülasyonlar birleşmeyle yanı sıra kemik zorlanma yüksek zemin etkisi faaliyetleri sırasında çalışması için gerekli olmaktadır.

Sonuç olarak, in vivo tibia kemik deformasyonu normalde geleneksel leke ölçüm yöntemi ile ölçülür. Bu yaklaşım invaziv bir doğa, daha az sayıda gönüllü ve analiz ediliyor alanları, vb yeni bir yaklaşımın kalıcı FE analizi ile dinamik simülasyonları için bu çalışmada evlenme teklif multibody istihdam küçük kemik yüzeyi gibi sınırlamalar ile ilişkilidir Tibia deformasyon damla-iniş sırasında ölçmek. Bu yaklaşım geleneksel ağırlık ölçme esneklik detektörler ölçü devralınan sınırlamalarını hitap edebilecek belirgindir. Buna ek olarak, büyük bir iyileşme temsil eder..... dinamik simülasyon ve kalıcı FE analiz gerçekleştirmek için gerçek deneysel kinematik ve Kinetik veri, hem de bir konuya özgü kas-iskelet modeli ve esnek tibia kullanarak bu yaklaşım faydaları gibi araştırma protokolü üzerinden daha önce raporlanmış bir yöntem. Böylece, bu non-invaziv yaklaşım multibody dinamik simülasyonlar kalıcı FE analizi ile kombine için konuya özgü veri kullanan dinamik hareket sırasında tibial deformasyon çalışmaya gelecek vaat eden bir araç haline gelebilir. Gelecekteki araştırma kemik stres kırıkları yaralanma mekanizmaları incelemek büyük bir kohort için yüksek darbe faaliyetleri sırasında kemik suşları çalışma için bu yöntemi istihdam.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar onlar rakip hiçbir mali çıkarları var bildirin.

Acknowledgments

Bakanlığı, ordu #W81XWH-08-1-0587, #W81XWH-15-1-0006; Topu Devlet Üniversitesi 2010 ASPiRE grant.

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).
Konuya özgü kas-iskelet modeli kemik zorlanma sırasında dinamik hareket eğitimi
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