Modello muscoloscheletrico specialistici per lo studio della deformazione dell'osso durante il movimento dinamico
Summary
Durante l’atterraggio, le ossa della parte inferiore del corpo esperienza grandi carichi meccanici e deformate. È essenziale per misurare la deformazione dell’osso per comprendere meglio i meccanismi delle lesioni da stress dell’osso connesse con impatti. Un nuovo approccio di integrazione oggetto specifico muscoloscheletrici modellazione e analisi agli elementi finiti è utilizzato per misurare la deformazione tibiale durante movimenti dinamici.
Abstract
Lesioni da stress dell’osso sono comuni negli sport e corsi di formazione militare. Le forze di impatto di terra grande ripetitivo durante l’allenamento potrebbero essere la causa. È essenziale per determinare l’effetto del terreno alto impatto le forze sulla deformazione ossea inferiore del corpo per capire meglio i meccanismi delle lesioni da stress dell’osso. Misura convenzionale dell’estensimetro è stato utilizzato per studiare in vivo deformazione tibia. Questo metodo è associato con limitazioni tra cui invasività della procedura, il coinvolgimento di alcuni soggetti umani e dati di deformazione limitata da aree di superficie di piccolo osso. Il presente studio intende introdurre un nuovo approccio per lo studio di deformazione dell’osso tibia sotto condizioni di carico elevato di impatto. Un modello di oggetto specifico muscolo-scheletrico è stato creato per rappresentare un maschio in buona salute (19 anni, 80 kg, 1.800 mm). Un modello di tibia flessibile agli elementi finiti è stato creato basato su un’esplorazione di tomografia computata (CT) della tibia destra del soggetto. Cattura del movimento di laboratorio è stato effettuato per ottenere forze di reazione di cinematica e terra di goccia-atterraggi da diverse altezze (26, 39, 52 cm). Simulazioni al computer dinamica multicorpo combinate con un’analisi modale della tibia flessibile sono state effettuate per quantificare il ceppo tibia durante goccia-atterraggi. Dati di deformazione calcolata tibia erano in buon accordo con gli studi precedenti in vivo . È evidente che questo approccio non invasivo può essere applicato per studiare il ceppo dell’osso tibia durante attività ad alto impatto per un grande gruppo, che porterà a una migliore comprensione del meccanismo di lesione del tibia fratture da stress.
Introduction
Lesioni da stress dell’osso, come fratture da stress, sono gravi esagera le lesioni che richiedono lunghi periodi di recupero e incorrere in costi per assistenza medica significativa1,2. Fratture da stress sono comuni sia in popolazioni atletici e militare. Tra tutte le lesioni sportive correlate, conto di fratture da stress per il 10% del totale3. In particolare, traccia atleti affrontano un più alto tasso di infortuni alle 20%4. Soldati anche esperienza un alto tasso di fratture da stress. Per esempio, un tasso di infortuni di 6% è stato segnalato per l’ esercito degli Stati Uniti1 e un tasso di infortuni 31% è stato segnalato in esercito israeliano5. Tra tutti i segnalati fratture da stress, frattura di sforzo della tibia è il più comune si6,7,8.
Sport e corsi di formazione fisica con un elevato rischio di frattura di sforzo della tibia sono normalmente associati con impatti terra alta (ad es., jumping, atterraggio e taglio). Durante la locomozione, viene applicata una forza di impatto di terra al corpo quando il piede in contatto con la terra. Questa forza di impatto viene dissipata dal sistema muscolo-scheletrico e calzature. Il sistema scheletrico serve come una serie di leve che permette ai muscoli di applicare forze di assorbire l’ impatto di terra9. Quando i muscoli delle gambe non possono ridurre adeguatamente l’impatto al suolo, le ossa della parte inferiore del corpo devono assorbire la forza residua. Struttura ossea sperimenteranno deformazione durante questo processo. Ripetitiva assorbimento della forza di impatto residuo può causare microdamages nell’osso, che si accumulano e diventano fratture da stress. Ad oggi, informazioni relative all’osso reazione a forze di impatto al suolo esterno è limitato. È importante studiare come l’osso di tibia risponde al carico meccanico introdotto da forze di impatto elevato durante movimenti dinamici. Esaminando la deformazione dell’osso tibia durante attività ad alto impatto potrebbe portare a una migliore comprensione del meccanismo di frattura di sforzo della tibia.
Tecniche convenzionali utilizzate per misurare la deformazione dell’osso in vivo si basano su instrumentata estensimetri10,11,12,13,14,15. Le procedure chirurgiche sono necessari per impiantare estensimetri sulla superficie dell’osso. A causa della natura invasiva, in vivo gli studi sono limitati da un piccolo campione di volontari. Inoltre, l’estensimetro può monitorare solo una piccola regione della superficie dell’osso. Recentemente, un metodo non invasivo che utilizza simulazione al computer per analizzare la deformazione dell’osso è stato introdotto16,17. Questa metodologia consente per la capacità di combinare muscoloscheletrici modellazione e simulazioni computazionali per lo studio dell’osso ceppo durante il movimento umano.
Un modello muscolo-scheletrico è rappresentato da uno scheletro e muscoli scheletrici. Lo scheletro è costituito da segmenti ossei, che sono corpi rigidi o indeformabile. I muscoli scheletrici sono modellati come controller utilizzando l’algoritmo di progressiva-integrale-derivato (PID). Il controllo di PID di tre-termine utilizza gli errori nella stima per migliorare la precisione di uscita18. In sostanza, regolatori PID, che rappresentano i muscoli tenta di duplicare i movimenti del corpo attraverso lo sviluppo di forze necessarie per produrre i cambiamenti di lunghezza dei muscoli nel corso del tempo. Il regolatore PID utilizza l’errore nella curva di lunghezza/tempo per modificare la forza per riprodurre il movimento. Questo processo di simulazione crea una soluzione fattibile per coordinare tutti i muscoli a lavorare insieme per spostare lo scheletro e produrre il movimento del corpo.
Uno o più segmenti nello scheletro del modello muscolo-scheletrico possono essere modellati come corpi flessibili che consentono la misurazione della deformazione. Per esempio, l’osso di tibia può essere suddiviso in un numero limitato di elementi, che consiste di migliaia di elementi e nodi. L’effetto del carico meccanico sulla tibia flessibile può essere esaminato tramite analisi agli elementi finiti (FE). L’analisi di FE calcola la risposta di caricamento dei singoli elementi nel tempo. Come il numero di aumento di elementi e nodi di osso, aumenterà significativamente il tempo di calcolo dell’analisi FE.
Per ridurre il costo computazionale con valutazione accurata della deformazione dei corpi flessibili, analisi modale di FE è stato sviluppato e utilizzato all’interno del settore automobilistico e aerospaziale19,20. Invece di analizzare le risposte dei singoli elementi di FE al carico meccanico nel dominio del tempo, questa procedura valuta le risposte meccaniche di un oggetto basate su diverse frequenze vibrazionali nel dominio della frequenza. Questo metodo comporta una riduzione significativa del tempo di calcolo, fornendo una misurazione accurata della deformazione20. Anche se l’analisi modale di FE è stato ampiamente utilizzato per studiare la meccanica a fatica nei settori automobilistici e aerospaziale, l’applicazione di questo metodo è stato molto limitato nella scienza del movimento umano. Al Nazer et al., usato un’analisi modale di FE per esaminare tibial deformazione durante l’andatura umana ed ha segnalato incoraggianti risultati16,17. Tuttavia, il loro metodo è stato notevolmente influenzato utilizzando solo dati limitati cinematici da un esperimento di guidare le simulazioni al computer; Non c’erano nessuna reale utilizzate per le simulazioni di assistere le forze di impatto a terra. Questo approccio può essere ragionevole per studiare i movimenti lenti di basso impatto come camminare, ma non si tratta di una soluzione fattibile per studiare i movimenti di terra alto impatto. Così, al fine di esaminare le reazioni dell’osso inferiore del corpo durante le attività dinamiche ad alto impatto, è essenziale sviluppare un approccio innovativo per affrontare le limitazioni associate al metodo precedentemente segnalato. In particolare, un metodo che utilizza dati cinematici sperimentali accurati e reali forze di impatto al suolo devono essere sviluppate. Pertanto, l’obiettivo di questo studio era di sviluppare un modello di oggetto specifico muscolo-scheletrico per eseguire simulazioni di dinamica multicorpo con analisi modale di FE per esaminare tibial ceppo durante attività ad alto impatto. Un movimento dinamico ad alto impatto rappresentato dalla goccia-atterraggi da diverse altezze è stato selezionato il metodo di prova.
Protocol
Representative Results
Discussion
Lo scopo di questo studio era di sviluppare un metodo non invasivo per determinare la deformazione della tibia durante attività ad alto impatto. Quantificazione del ceppo di tibia a causa del carico di impatto porterà ad una migliore comprensione della frattura di sforzo della tibia. In questo studio, è stato sviluppato un modello di oggetto specifico muscolo-scheletrico e simulazioni al computer sono state eseguite per duplicare i movimenti di goccia-atterraggio eseguiti in un ambiente di laboratorio. È stato esamin…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dipartimento dell’esercito n #W81XWH-08-1-0587, n #W81XWH-15-1-0006; Ball State University 2010 ASPiRE grant.
Materials
| CT Scanner | GE Medical System | N/A | Light Speed VCT. For performing tibia CT scan. |
| Motion Capture System | Vicon Inc | N/A | Vicon FX40 high speed cameras. For performing 3D motion capture. |
| Force plates | AMTI Inc | N/A | Collecting 3D ground reaction forces |
| Vicon Nexus | Vicon Inc | N/A | Motion capture software program. For processing visual marker trajectory data. |
| Visual 3D | C-Motion Inc | N/A | Biomechanics analysis software. For computing 3D kinematics and kinetics of human movements. |
| MATLAB | Mathworks Inc | N/A | Computer programming software. For performing raw data filtering, data conversion, and data processing. |
| ADAMS 2012 | MSC Software Inc | N/A | Multibody dynamic computer simulation program. |
| LifeMOD | Lifemodeler Inc | N/A | A software Plug-in in ADAMS. For building human body musculo-skeletal models. |
| MIMICS 13 | Materialise Inc | N/A | Image processing program. A 3D modeling tool to process imaging data. For creating 3D tibia model from CT scans. |
| MARC 2012 | MSC Software Inc | N/A | Finite element analysis software. For performing volumn meshing, generating tibia FE model, and running modal FE analysis. |
| SPSS 19 | IBM Inc | N/A | Statistical analysis software. |
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