用于研究动态运动中骨应变的特定受试者肌肉骨骼模型

摘要

着地过程中，下肢骨骼会承受较大的机械载荷并发生变形。测量骨骼变形对于深入理解与冲击相关的骨应力性损伤机制至关重要。本研究采用一种新颖的方法，结合个体特异性肌肉骨骼建模与有限元分析，用于测量动态运动过程中胫骨的应变。

摘要

骨应力损伤在体育运动和军事训练中较为常见，训练过程中反复承受较大的地面冲击力可能是其成因。明确高地面冲击力对下肢骨变形的影响，对于深入理解骨应力损伤的发生机制至关重要。传统应变片测量方法已被用于研究胫骨的体内变形，但该方法存在若干局限性，包括操作具有侵入性、受试者数量有限，以及仅能获取骨表面小区域的应变数据。本研究旨在提出一种新方法，用于研究高冲击载荷条件下的胫骨应变。建立了一个个体化的肌肉骨骼模型，以代表一名健康男性（19岁，80公斤，身高1800毫米）。基于该受试者右胫骨的计算机断层扫描（CT）数据，构建了柔性的有限元胫骨模型。通过实验室动作捕捉系统，获取从不同高度（26、39、52厘米）下落着地时的运动学数据和地面反作用力。结合多体动力学计算机仿真与柔性胫骨的模态分析，量化了下落着地过程中的胫骨应变。计算所得的胫骨应变数据与既往体内研究结果具有良好一致性。显然，这种非侵入性方法可应用于大样本群体在高冲击活动中胫骨应变的研究，有助于更深入地理解胫骨应力性骨折的损伤机制。

引言

骨应力性损伤（如应力性骨折）属于严重的过度使用性损伤，需要长时间恢复，并带来显著的医疗成本^1,2。应力性骨折在运动员和军人中均较为常见。在所有与运动相关的损伤中，应力性骨折占总数的10%³。特别是田径运动员，其损伤率更高，可达20%⁴。士兵也面临较高的应力性骨折发生率。例如，美国陆军报告的损伤率为6%¹，而以色列陆军报告的损伤率则高达31%⁵。在所有报告的应力性骨折中，胫骨应力性骨折是最常见的类型^6,7,8。

通常，胫骨应力性骨折风险较高的运动和体能训练与较大的地面冲击力有关（例如，跳跃、着地和变向动作）。在运动过程中，当足部接触地面时，地面冲击力会作用于人体。这种冲击力由肌肉骨骼系统和鞋具共同耗散。骨骼系统作为一系列杠杆，使肌肉能够施加力以吸收地面冲击力⁹。当腿部肌肉无法充分减缓地面冲击时，下肢骨骼就必须吸收残余的冲击力....

方案

实验遵循赫尔辛基宣言进行。在数据采集之前，受试者阅读并签署了由大学机构审查委员会批准的知情同意书，然后参与研究。

1. CT成像方案

1. 将受试者带至配备CT扫描仪的场所。在进行CT扫描前，使用设备算法将CT机器参数设置如下：CT层厚0.625 mm，CT视野15 cm × 15 cm，峰值千伏（kVp）和毫安秒（mAs）参数采用自动设置。
2. 要求受试者仰卧于一张可滑入CT扫描仪环形结构中的检查床上。在CT扫描过程中，要求受试者保持完全静止。分别对每条下肢从跟骨至股骨远端进行扫描。
3. CT扫描完成后，以医学数字成像和通信（DICOM）格式导出CT图像。选择图像尺寸为512 × 512像素（灰度）。
   注：CT成像流程通常持续不到1小时。辐射剂量极低，其风险不高于常规X射线医疗检查所面临的辐射风险。

2. 人体测量方案

1. 在实验室访问期间，运动捕捉开始前，测量受试者的体重（kg）、身高（mm）、左右髂前上棘（ASIS）之间的距离（mm）、腿长（mm）、膝关节宽度（mm）和踝关节宽度（mm）。
2. 髂前上棘间距测量：使用卡尺测量左侧与右侧髂前上棘之间的直线距离。
3. 腿长测量：使用卷尺测量双侧髂前上棘至内踝之间的直线距离。
4. 膝关节宽度测量：使用卡尺测量双侧股骨外侧与内侧髁....

结果

一名健康的白人男性（19岁，身高1,800 mm，体重80 kg）自愿参与本研究。在数据采集前，受试者阅读并签署了经大学机构审查委员会批准的知情同意书，随后参与研究。实验遵循《赫尔辛基宣言》进行。实验根据以下方案执行。

为了验证前向动力学模拟的准确性，将模拟得到的下肢关节角度与通过生物力学分析程序处理的动作捕捉数据中测得的相应关节角度进行比较。使用统计分析软件计算上述比较的互相关系数。互相关计算允许在正负方向上各10个滞后点，每个滞后点对应前向动力学模拟中的一个时间步长（0.01 s）。确定了最大互相关系数。

目视检查 图2, 图3，和 图.......

讨论

本研究旨在开发一种非侵入性方法，用于测定胫骨在高冲击活动期间的变形情况。量化冲击载荷引起的胫骨应变将有助于更好地理解胫骨应力性骨折的发生机制。在本研究中，建立了一个个体化的肌肉骨骼模型，并通过计算机模拟重现了在实验室环境中进行的下落着地动作。研究考察了下落着地高度对胫骨应变的影响。结果表明，随着下落着地高度的增加，最大主应变的峰值也随之升高。此外，在三种着地条件下，52 cm条件产生的峰值最大主应变、最小主应变以及最大剪切应变均为最高。

有限 体内 关于跳跃落地对胫骨应变影响的数据，文献中已有相关报道。Milgrom 等，报告了从三个不同高度（26、39、52 cm）着陆时的最大主应变范围为 896–1,007 µstrain¹⁴. Ekenman 等 报告了从45 cm高度着陆时平均应变为2,128 µstrain¹³计算机模拟结果显示，从三个不同高度（26、39、52 cm）着地时的最大主应变介于1,160–1,410 µstra.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
CT 扫描仪	GE Medical System	N/A	Light Speed VCT。用于进行胫骨 CT 扫描。
运动捕捉系统	Vicon Inc	N/A	Vicon FX40 高速相机。用于进行三维运动捕捉。
测力台	AMTI Inc	N/A	采集三维地面反作用力
Vicon Nexus	Vicon Inc	N/A	运动捕捉软件程序。用于处理视觉标记点轨迹数据。
Visual 3D	C-Motion Inc	N/A	生物力学分析软件。用于计算人体运动的三维运动学和动力学参数。
MATLAB	Mathworks Inc	N/A	计算机编程软件。用于原始数据滤波、数据转换和数据处理。
ADAMS 2012	MSC Software Inc	N/A	多体动力学计算机仿真程序。
LifeMOD	Lifemodeler Inc	N/A	ADAMS 中的软件插件。用于构建人体肌肉骨骼模型。
MIMICS 13	Materialise Inc	N/A	图像处理程序。一种三维建模工具，用于处理影像数据。从 CT 扫描创建三维胫骨模型。
MARC 2012	MSC Software Inc	N/A	有限元分析软件。用于体网格划分、生成胫骨有限元模型以及运行模态有限元分析。
SPSS 19	IBM Inc	N/A	统计分析软件。