Tema-específicas musculoesquelética modelo para estudiar la deformación del hueso durante el movimiento dinámico
Summary
Durante el aterrizaje, los huesos de la parte inferior del cuerpo experimentan grandes cargas mecánicas y se deforman. Es esencial para medir la deformación del hueso para comprender mejor los mecanismos de lesiones de estrés óseas asociadas con impactos. Un nuevo enfoque de integración de tema-específicas musculoesquelética modelado y análisis de elementos finitos se utiliza para medir tensión tibial durante movimientos dinámicos.
Abstract
Lesiones de estrés óseas son comunes en los deportes y entrenamientos militares. Repetitivos tierra grandes fuerzas de impacto durante el entrenamiento podrían ser la causa. Es esencial para determinar el efecto de impacto elevada fuerzas de deformación de la parte inferior del cuerpo del hueso para comprender mejor los mecanismos de lesiones de estrés óseas. Medición de galgas convencionales se ha utilizado para estudiar en vivo la deformación tibia. Este método se asocia con limitaciones incluyendo la invasividad del procedimiento, participación de algunos seres humanos y datos de cepa limitada de las superficies óseas pequeñas. El presente estudio pretende introducir un nuevo enfoque para estudiar la tensión ósea de tibia bajo alto impacto de las condiciones de carga. Un tema-específicas musculoesquelético modelo fue creado para representar a un varón sano (19 años, 80 kg, 1.800 mm). Un flexible modelo tibia fue creado basado en una exploración de la tomografía computada (CT) de la tibia derecha del sujeto. Captura de movimiento de laboratorio fue realizado para obtener la cinemática y la tierra las fuerzas de reacción de gota-aterrizajes de diferentes alturas (26, 39, 52 cm). Se realizaron simulaciones por ordenador dinámica multicuerpo combinadas con un análisis modal de la tibia flexible para cuantificar la tensión tibia durante los aterrizajes de la gota. Datos de tensión calculado tibia fueron en buen acuerdo con estudios previos en vivo . Es evidente que este enfoque no invasivo puede aplicarse para estudiar la deformación ósea de tibia durante las actividades de alto impacto para una cohorte grande, que conducirá a una mejor comprensión del mecanismo de la lesión de las fracturas de estrés de tibia.
Introduction
Lesiones de estrés óseas, tales como fracturas de estrés, son las lesiones de sobreuso severo que requieren largos períodos de recuperación y de incurrir en importantes costos médicos1,2. Las fracturas por estrés son comunes tanto en población atlética y militar. Entre todos los deportes relacionados con lesiones, las fracturas por estrés representan 10% del total3. En particular, los atletas de pista enfrentan a una mayor tasa de lesiones en el 20%4. Soldados también experimentan una alta tasa de fracturas de estrés. Por ejemplo, una tasa de 6% lesiones fue divulgada por el ejército de los E.e.u.u.1 y una tasa de 31% de lesiones fue divulgada en el ejército israelí5. Entre todas las fracturas de tensión reportadas, fractura de estrés de la tibia es el más común de7,6,8.
Deportes y entrenamiento físico con un mayor riesgo de fractura de estrés de la tibia están normalmente asociado con altos impactos (por ejemplo, salto, aterrizando y corte). Durante la locomoción, se aplica una fuerza de impacto de la tierra al cuerpo cuando el pie entra en contacto con el suelo. Esta fuerza es disipada por el sistema músculo-esquelético y del calzado. El sistema esquelético sirve como una serie de palancas que permite a los músculos para aplicar fuerzas para absorber el impacto de tierra9. Cuando los músculos de las piernas adecuadamente no pueden reducir el impacto de la tierra, los huesos de la parte inferior del cuerpo deben absorber la fuerza residual. Estructura ósea experimentarán deformación durante este proceso. Puede resultar repetitiva absorción de fuerza de impacto residual en microdamages en el hueso, que se acumulan y se convierten en las fracturas por estrés. Hasta la fecha, la información relacionada con hueso reacción a las fuerzas de impacto de tierra externo es limitada. Es importante estudiar cómo el hueso tibia responde a la carga mecánica introducida por las fuerzas de alto impacto durante movimientos dinámicos. Examen de deformación ósea de tibia durante las actividades de alto impacto podría conducir a una mejor comprensión del mecanismo de fractura de estrés de la tibia.
Las técnicas convencionales utilizadas para medir la deformación ósea en vivo dependen instrumentada galgas10,11,12,13,14,15. Procedimientos quirúrgicos son necesarios para implantar galgas en la superficie del hueso. Debido a la naturaleza invasiva en vivo estudios están limitados por una pequeña muestra de voluntarios. Además, el calibrador de tensión sólo puede controlar una región pequeña de la superficie del hueso. Recientemente, un método no invasivo utilizando simulación por ordenador para analizar la tensión ósea fue introducido16,17. Esta metodología permite la capacidad de combinar musculoesquelético modelado y simulaciones computacionales para estudiar hueso tensión durante el movimiento humano.
Un modelo de aparato locomotor está representado por un esqueleto y los músculos esqueléticos. El esqueleto consiste en segmentos de hueso, que son cuerpos rígidos o indeformables. Los músculos esqueléticos están modelados como controladores utilizando el algoritmo de progresivo-integral-derivado (PID). El control PID de tres períodos utiliza errores en la estimación para mejorar la exactitud de salida18. En esencia, Controladores PID que representan los músculos intentan duplicar los movimientos del cuerpo mediante el desarrollo de las fuerzas necesarias para producir cambios de longitud de los músculos con el tiempo. Controlador PID utiliza el error en la curva longitud/tiempo para modificar la fuerza para reproducir el movimiento. Este proceso de simulación crea una solución factible para coordinar todos los músculos a trabajar juntos para mover el esqueleto y producir el movimiento del cuerpo.
Uno o más segmentos en el esqueleto del modelo músculo-esquelético pueden ser modelados como cuerpos flexibles para permitir la medición de la deformación. Por ejemplo, el hueso de la tibia puede dividirse en un número finito de elementos, que consiste en miles de elementos y nodos. El efecto de la carga mecánica en la tibia flexible puede ser examinado mediante análisis de elementos finitos (FE). El análisis calcula la respuesta de carga de elementos individuales con el tiempo. Como el número de aumento de nodos y elementos de hueso, aumentará significativamente el tiempo de cálculo de los análisis.
Para reducir el coste computacional con una evaluación precisa de la deformación de los cuerpos flexibles, análisis modal de la FE ha sido desarrollado y utilizado en la industria automotriz y aeroespacial19,20. En lugar de analizar las respuestas individuales de los elementos FE a carga mecánica en el dominio del tiempo, este procedimiento evalúa las respuestas mecánicas de un objeto basadas en diferentes frecuencias de vibración en el dominio de la frecuencia. Este método resulta en una reducción significativa en el tiempo de cómputo mientras que proporciona una medición precisa de la deformación20. Aunque el análisis modal se ha utilizado ampliamente para estudiar fatiga mecánica en las áreas automotrices y aeroespaciales, la aplicación de este método ha sido muy limitada en Ciencias del movimiento humano. Al Nazer et al., utilizaron un análisis modal para examinar deformación tibial durante la marcha humana y divulgado fomentar resultados16,17. Sin embargo, su método fue afectado grandemente usando sólo limitados datos cinemáticos de un experimento para las simulaciones de computadora; No había ningún real utilizadas para las simulaciones de las fuerzas de impacto a tierra. Este enfoque puede ser razonable para el estudio de movimientos lento de bajo impacto como caminar, pero no es una solución viable para el estudio de movimientos de suelo de alto impacto. Por lo tanto, para examinar las reacciones de la parte inferior del cuerpo del hueso durante las actividades dinámicas de alto impacto, es esencial desarrollar un enfoque innovador para abordar las limitaciones asociadas con el método previamente divulgado. Específicamente, un método utilizando datos cinemáticos experimentales exacta y real deben desarrollar las fuerzas de impacto de la tierra. Por tanto, el objetivo de este estudio fue desarrollar un modelo de aparato locomotor de temas específicos para realizar simulaciones dinámicas multicuerpo con análisis modal para examinar la tensión tibial durante actividades de alto impacto. Un movimiento de alto impacto dinámico representado por desembarques de caída desde distintas alturas fue seleccionado para probar el método.
Protocol
Representative Results
Discussion
El propósito de este estudio fue desarrollar un método no invasivo para determinar la deformación de la tibia durante las actividades de alto impacto. Cuantificación de la tensión de la tibia debido a carga de impacto dará lugar a un mejor entendimiento de la fractura de estrés de la tibia. En este estudio, se desarrolló un modelo de aparato locomotor de temas específicos y simulaciones de computadora se ejecutan para duplicar los movimientos de caída de aterrizaje realizados en un entorno de laboratorio. Se ex…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Departamento del ejército #W81XWH-08-1-0587, #W81XWH-15-1-0006; Beca de bola estado Universidad 2010 ASPiRE.
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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