Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

נושא ספציפי דגם השלד והשרירים ללמוד עצם המתח במהלך תנועה דינאמית

Published: April 11, 2018 doi: 10.3791/56759
Automatic Translation
1, 2
1School of Kinesiology, Ball State University, 2Life Fitness Inc.

Summary

במהלך הנחיתה, עצמות הגוף התחתון לחוות המון מכני גדול, הם מעוותים. זה חיוני כדי למדוד את עצם דפורמציה כדי להבין טוב יותר את המנגנונים של עצם מתח פציעות הקשורות השפעות. גישה מוזרה שילוב נושא ספציפי דוגמנות השלד והשרירים וניתוח סופיים משמש למדידת זן הטיביאלי במהלך תנועות דינאמיות.

Abstract

עצם מתח פציעות שכיחות כוחות הביטחון וספורט. כוחות ההשפעה הקרקע גדול חוזרות במהלך האימון יכול להיות הגורם. זה חיוני כדי לקבוע השפעת גבוהה בקרקע כוחות על פלג הגוף התחתון עצם דפורמציה כדי להבין טוב יותר את המנגנונים של עצם מתח פציעות. המדידה המקובלת מד המתח שימש ללמוד ויוו שוקה דפורמציה. שיטה זו מזוהה עם מגבלות כולל invasiveness של ההליך, מעורבותם של כמה ניסויים ונתוני זן מוגבל מאזורים משטח העצם קטן. המחקר הנוכחי מתכוונת להציג גישה מוזרה ללמוד זן עצם השוקה תחת השפעה גבוהה של טעינת תנאים. מודל השלד והשרירים נושא ספציפי נוצר כדי לייצג גבר בריא (19 שנים, 80 ק ג, 1,800 מ מ). מודל גמיש סופיים שוקה נוצר בהתבסס על סריקת טומוגרפיה (CT) של שוקה נכון של הנושא. דגימת תנועה מעבדה בוצעה כדי לקבל קינמטיקה וכוחות תגובת הקרקע של ירידה-נחיתה בגבהים שונים (26, 39, 52 ס מ). סימולציות מחשב דינמי multibody בשילוב עם ניתוח מודאלית של עצם השוקה גמיש בוצעו לכמת עומס שוקה במהלך ירידה-נחיתות. נתונים עומס שוקה מחושב היו בהסכם טוב עם מחקרים קודמים ויוו . זה ברור כי ניתן להחיל בגישה פולשנית זו ללמוד זן עצם השוקה במהלך פעילויות השפעה גבוהה עבור עמית גדול, אשר תוביל הבנה טובה יותר של מנגנון הפציעה של שוקה מתח שברים.

Introduction

פציעות מתח העצם, כמו מתח שברים, הן פציעות חמורות יתר הדורשים תקופות ארוכות של השחזור, גביית משמעותי בעלויות רפואיות1,2. מתח שברים נפוצים הן אוכלוסיות אתלטי וצבאיים. בין כל הקשור פציעות ספורט, מתח שברים חשבון עבור 10% של סך3. בפרט, מעקב אחר ספורטאים מול שיעור פציעות גבוה יותר ב 20%4. החיילים גם לחוות שיעור גבוה של מתח שברים. למשל, שיעור 6% פגיעה דווח עבור צבא ארה ב1 , שיעור 31% פגיעה דווח את צה ל5. בין דיווח כל מתח שברים, שבר טיביה מתח הוא הנפוץ ביותר אחד6,7,8.

ספורט והדרכות פיזית עם סיכון גבוה יותר של שבר טיביה מתח קשורים בדרך כלל עם השפעות גבוה (למשל, קפיצות, נחיתה ו חיתוך). במהלך גפיים, כוח ההשפעה של הקרקע חלה על הגוף כאשר כף הרגל יוצר קשר על הקרקע. כוח ההשפעה הזו מתפזרת על ידי מערכת שריר-שלד ו הנעלה. מערכת השלד מגישה כסדרה של מנופים ומאפשר לשרירים להחיל כוחות כדי לספוג את ההשפעה של הקרקע9. כאשר שרירי הרגליים שלמאחה לא יכול לצמצם את השפעת הקרקע, עצמות הגוף התחתון חייבים לספוג את שיורית. מבנה העצמות יחוו דפורמציה בתהליך זה. חוזרות קליטת כוח השפעה שיורית עלול לגרום microdamages העצם, אשר מצטברים, להפוך מתח שברים. עד כה, מידע הקשור עצם תגובת כוחות ההשפעה הקרקע חיצוני הוא מוגבל. חשוב ללמוד איך עצם השוקה מגיב עומס מכני הציג השפעה גבוהה של כוחות במהלך תנועות דינאמיות. בחינת דפורמציה עצם השוקה במהלך פעילויות השפעה גבוהה עלולה להוביל להבנה טובה יותר של המנגנון של שבר טיביה מתח.

טכניקות שגרתיות למדידת עצם דפורמציה ויוו להסתמך על מאבחנים המתח שעברו אינסטרומנטציה10,11,12,13,14,15. ניתוחים נדרשים כדי להשתיל מאבחנים המתח על פני השטח של העצם. עקב אופי פולשני, אין ויוו מחקרים מוגבלים על ידי מדגם קטן של מתנדבים. בנוסף, מד מתח לנטר רק אזור קטן של פני השטח של העצם. לאחרונה, שיטה לא פולשנית ניצול הדמיית מחשב כדי לנתח עצם המתח היה הציג16,17. מתודולוגיה זו מאפשרת היכולת לשלב המידול השלד והשרירים וסימולציות חישובית ללמוד על עצם המתח במהלך התנועה האנושית.

מודל השלד והשרירים מיוצג על ידי שלד והשרירים והשלד. השלד מורכב מקטעי העצם, אשר הינם גופים נוקשה או שאינם deformable. שרירי השלד הם המודל כבקרי באמצעות האלגוריתם (PID) מתקדמת-אינטגרל-נגזרת. הפקד PID בקדנציה שלישית משתמש שגיאות הערכה כדי לשפר את הדיוק של פלט18. בעיקרו של דבר, בקרי PID המייצג השרירים לנסות לשכפל תנועות גוף על ידי פיתוח כוחות הנחוצים כדי לייצר שינויים באורך של השרירים לאורך זמן. בקר ה-PID משתמש השגיאה בעקומת אורך/שעה כדי לשנות את כוח לשחזר את התנועה. תהליך הסימולציה זה יוצר פתרון ישים לתאם כל השרירים לעבוד יחד כדי להעביר את השלד ולייצר תנועת הגוף.

אחד או יותר מקטעי בשלד של המודל השלד והשרירים שניתן למדל גופות גמיש כדי לאפשר מדידה של דפורמציה. למשל, עצם השוקה יכול להיות שבור למטה לתוך מספר סופי של האלמנטים, אשר מורכב של אלפי רכיבים, צמתים. ההשפעה של העמסה מכנית על עצם השוקה גמיש יכול להיבדק באמצעות ניתוח סופיים (FE). הניתוח FE מחשבת את התגובה הטעינה של רכיבים בודדים לאורך זמן. ככל שמספר להגדיל רכיבים, צמתי העצם, חישוב שעת הניתוח FE יגדל באופן משמעותי.

כדי לצמצם את עלות חישובית עם הערכה מדויקת של דפורמציה של גופים גמיש, אנליזה מודלית FE פותחה, שישמש את תעשיית הרכב, התעופה והחלל19,20. במקום ניתוח התגובות רכיבים בודדים FE של עומס מכני בתחום הזמן, הליך זה מעריך תגובות מכני של אובייקט מבוסס על תדרי הרטט שונים בתחום התדר. שיטה זו גורמת לירידה משמעותית בזמן חישוב תוך מתן מדידה מדויקת של דפורמציה20. למרות ניתוח FE מודאלי כבר בשימוש נרחב ללמוד עייפות מכני באזורים כלי רכב, תעופה וחלל, היישום של שיטה זו הוגבלה מאוד במדעי התנועה האנושית. נזר Al. et al., משמש ניתוח FE מודאלי לבחון דפורמציה הטיביאלי במהלך ההליכה האנושית ודיווח עידוד תוצאות16,17. עם זאת, השיטה שלהם הושפעה במידה רבה באמצעות נתונים מוגבלים קנטית ניסוי רק לנהוג ההדמיות; היו אין ממש כוחות ההשפעה שסייעה הסימולציות הקרקע. גישה זו עשוי להיות סביר לימוד תנועות איטי השפעה נמוכה כגון הליכה, אבל זה לא פתרון ישים ללמוד גבוה ההשפעה תנועות. לכן, על מנת לבחון תגובות הגוף התחתון העצם במהלך פעילויות דינמי גבוה ההשפעה, זה חיוני לפתח גישה חדשנית להתייחס למגבלות המשויך השיטה שדווחה בעבר. באופן ספציפי, שיטה ניצול מדויק נתוני קנטית הניסוי האמיתי חייבים לפתח כוחות ההשפעה הקרקע. לכן, מטרת מחקר זה הייתה לפתח מודל השלד והשרירים נושא ספציפי לביצוע סימולציות דינמי multibody עם ניתוח FE מודאלי לבחון את המתח הטיביאלי במהלך פעילויות השפעה גבוהה. תנועה דינמי גבוה ההשפעה המיוצג על-ידי שחרור-נחיתות מ בגבהים שונים נבחר כדי לבחון את השיטה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

הניסוי נערך תחת הצהרת הלסינקי. לפני איסוף נתונים, הנושא שנסקרו, חתם על טופס ההסכמה אושרה על ידי ועדת הבדיקה מוסדי באוניברסיטה לפני המשתתפים במחקר.

1. CT הדמיה פרוטוקול

  1. קח את המשתתף מתקן שבו שוכן סורק CT. לפני בדיקת, להגדיר את המכונה CT עם הפרמטרים הבאים: CT עובי הפרוסה של 0.625 מ"מ, CT שדה ראייה של 15 ס מ x 15 ס מ, ואת הגדרת הפרמטרים של שיא קילו וולט (kVp) ו מילי אמפר-שניות (mAs) באמצעות אלגוריתם מכונה אוטומטית.
  2. שואל את המשתתף לשכב על שולחן וגולש אל טבעת בסורק CT. שואל את המשתתף להישאר מאוד עדיין במהלך הסריקה CT. סרוק את כל רגל בנפרד מן calcaneus עד הסוף דיסטלי של עצם הירך.
  3. עם סיום הסריקה CT, לייצא את התמונות CT הדמיה דיגיטלית ותקשורת בתבנית רפואה (DICOM). בחר גודל תמונה של 512 x 512 פיקסלים (סולם אפור).
    הערה: פרוטוקול הדמיה CT נמשכת בדרך כלל פחות מ 1 h. מינון הקרינה היא מזערית. הוא מציג ללא סיכון גדול יותר מזה נתקלה במהלך פרוצדורות רפואיות רנטגן רגילים.

2. פרוטוקול מדידה אנתרופומטרים

  1. במהלך הביקור מעבדה, לפני לכידת תנועה, למדוד מסת גוף של המשתתף (ק ג), הגוף גובה (מ מ), המרחק בין קוצים iliac הקדמי סופריור (ASISs) (מ מ), אורך הרגל (מ מ), ברך משותפת רוחב (מ מ), הקרסול משותפת רוחב (מ מ).
  2. אינטר מדידת מרחק עסיס: להשתמש של caliper כדי למדוד את מרחק ליניארי בין עסיס שמאלה ימינה עסיס.
  3. רגל אורך מדידה: להשתמש קלטת מידה כדי למדוד מרחק ליניארי עסיס הקרסולית על שתי הרגליים.
  4. ברך רוחב משותפת מדידה: שימוש של caliper כדי למדוד את מרחק ליניארי בין לעילית לרוחב ו המדיאלי של עצם הירך בשני ברכיים.
  5. מדידת רוחב משותף הקרסול: שימוש של caliper כדי למדוד את מרחק ליניארי בין malleoli לרוחב ו המדיאלי על שתי הרגליים.
    הערה: המרחק עסיס אינטר, רוחב הרגל אורך, הברך והקרסול משמשים כדי לבנות מודל בנושא ביומכניקה תוכנה (ראה טבלה של חומרים) לביצוע חישובים קנטית ו קינטי.

3. תנועה לכידת פרוטוקול

הערה: ראה טבלה של חומרים עבור כל תוכנה וכלים בשימוש.

  1. השמה של סמני רעיוני
    1. במקום סמני רפלקטיביים 14 מ מ על הגוף המשתתף-ציוני הדרך הבאה גרמית אנטומיים: תהליכים כתפיים, המפרקים sternoclavicular, בסיס של החזה, תהליך האחורי של 10בתאנון חוליות בית החזה, ASISs, אחוריים-ממונה iliac קוצים (PSISs), 1.5 ס מ מעל השורות משותף לרוחב הברך, 1.5 ס מ מעל השורות משותפת הברך המדיאלי, לרוחב malleoli malleoli המדיאלי, עקבים האחורי, בסיסים של מתוך הרגל השנייה, בסיסים של החמישי מתוך הרגל.
    2. במקום לוחות פלסטיק חצי קשיחה עם 4-marker אשכולות על הירכיים ואת שאנקס, בהתאמה.
      הערה: לקבלת תוצאה טובה יותר לכידת תנועה, המשתתף מומלץ להיות יחף וללבוש בגדים skin-tight. בנוסף, תהליך ההשמה הסמן עוקב אחר ששונה פרוטוקול "שקע-in-הילוך"21. סכום כולל של 39 סמני רפלקטיביים משמשים עבור לכידת תנועה, 34 מהם מחוברים הגוף התחתון.
  2. להורות המשתתף להתחמם על ידי הליכה על הליכון ממונע במהירות עצמית שנבחר עבור 5 דקות.
  3. כיול של שטח חדר עבור הליך לכידת תנועה
    1. על מערכת לכידת תנועה (מצלמות אינפרא אדום במהירות גבוהה 12) ושני כוח לכפות על צלחות. פתח את תוכנית לכידת תנועה. בתוך חלון התוכנית הראשית, פתח את חלונית 'משאבים'. לחץ על הכרטיסיה "מערכת" הגדרת תדירות המצלמה ב- 200 הרץ, כוח צלחת תדירות הרץ 2,000.
    2. בתוך חלון התוכנית הראשית, פתח את החלונית 'כלים'. לחץ על לחצן "הכנת המערכת". לחץ על "כיול מצלמות". לחץ על "התחל". שאל צוות מחקר לנופף שרביט רגיל 5-marker כיול לבצע כיול דינאמיים בתוך המרחב בחדר איפה התנועות טיפה-נחיתה שיש לבצע. לחץ על "Stop" אחרי 5 s של מטה נתונים להיות רכש.
    3. מקם את השרביט כיול שטוחים על הרצפה כדי להתיישר עם פינה של צלחת כוח לצורך קביעת מיקום, הפניה (מקור) עבור שטח מכוילת. לחץ על "הגדרת עוצמת הקול מוצא" בתוך חלונית כלים 'הכנת המערכת'.
  4. הכנת המשתתף בתוכנית תוכנה ללכידת תנועה
    1. בתוך חלון התוכנית הראשית, פתח את חלונית 'משאבים'. לחץ על הכרטיסיה "Subject" לחץ על הלחצן "צור נושא חדש משלד Labeling". בחר תבנית תיוג מתוך רשימה של קבצי התבניות שסופקו.
    2. בחלון 'מאפייני', הזן שם של הנושא וערכים של מסת גוף (ק ג), הגוף גובה (מ מ), אינטר-עסיס מרחק (מ מ), אורך הרגל ימינה ושמאלה (מ מ), ברך שמאל וימין רוחב (מ מ) בקרסול שמאל וימין רוחב (מ מ). בחלונית ''משאבים נושא', לחץ לחיצה ימנית על שם הנושא ולחץ על "להציל את הנושא".
  5. להקליט פוזה כיול הגוף סטטי
    1. שואל את המשתתף לעמוד ללא ניע באמצע החדר מכוילת ברוחב מטר הכתף בנפרד תוך הארכת הגפיים העליונות רוחבית כך כל הסמנים רעיוני על הגוף נחשפים גם מצלמות.
    2. ב חלון התוכנה הראשי, פתח את החלונית ' כלים '. לחץ על הכרטיסייה "נושא הכנה". במקטע ללכוד את הנושא, לחץ על "התחל" לרשומה תנועה תלת מימדי הניסיון להיות ניסיון הכיול סטטי.
  6. הליך קביעת פונקציונלי מרכזי משותף
    1. מרכז פונקציונלי מפרק הירך
      1. שואל את המשתתף לעמוד עם רגל אחת, מלא להאריך את הרגל השנייה מעט קדימה. להנחות את המשתתף להזיז את הרגל המורחבת סביב מפרק הירך ברצף הבא: להזיז anteriorly, להחזיר ל נייטרלי, להזיז הקדמי רוחבית, להחזיר ל נייטרלי, לעבור רוחבית, להחזיר ל נייטרלי, להזיז את ישבנה-רוחבית ולחזור לכדור ניטראלי, לעבור posteriorly ולחזור נייטרלי, תנועה circumduction.
      2. בתוך חלון התוכנית הראשית, פתח את החלונית 'כלים', לחץ על הכרטיסיה "ללכוד". במקטע ' ללכוד ', לחץ על "התחל" כדי להקליט משפט תנועה עבור כל תנועה היפ פונקציונלי.
    2. מרכז משותף הברך פונקציונלי
      1. שואל את המשתתף עומד עם רגל אחת ולשמור על 30 מעלות היפ hyper-סיומת של הרגל השנייה. להורות את המשתתף לבצע כיפוף הברך של 45 מעלות עם הרגל נשיאת משקל שאינו עבור 5 פעמים.
      2. במקטע 'ללכוד' בחלונית 'כלים', לחץ על "התחל" כדי להקליט משפט תנועה עבור כל תנועה של הברך פונקציונלי.
        הערה: לקבלת פרטים של ההליך משותפת פונקציונלי, נא עיין שוורץ, et al. 22
  7. דגימת תנועה של תנועות השחרור-הנחיתה
    1. אקראי סדר באמצעות שלושה טיפה-נחיתה בגבהים שונים (26 ס מ, 39 ס מ ו ס מ 52)14.
    2. המקום לגובה מותאם תיבת עץ עם פני שטח העליון של 50 x 50 ס מ2 על הרצפה מכוסה על ידי שטיחון גומי. תיבת עץ היא 11 ס מ. קצות הלוחות בכוח. שואל את המשתתף לעמוד על המשטח תיבת.
    3. להורות המשתתף להרחיב את הרגל הדומיננטית שלהם ישירות מול תיבת להעביר את משקלו קדימה ושל רד מהתיבה. שואל את המשתתף לנחות עם שתי הרגליים על הקרקע באותו הזמן עם כל רגל על צלחת כוח נפרד.
    4. בקש המשתתף להישאר עומד עד להשלמת לכידת תנועה של המשפט. חזור על לכידת תנועה שלוש פעמים כדי לאסוף שלושה ניסויים תנועה עבור כל גובה.
  8. עיבוד נתונים של לכידת תנועה
    1. פתח את תוכנית לכידת תנועה. בתוך החלון הראשי של התוכנית, ללכת חלונית 'תקשורת'. לחץ על הכרטיסיה "ניהול נתונים" בחר באחת הניסויים תנועה מוקלטות ופתח אותו בתוכנית.
    2. בחלונית 'כלים', לחץ על הכרטיסייה "צינור". מהרשימה ' 'הצינור הנוכחי' ', בחר את הצינור "לשחזר". לחץ על לחצן "הפעל" כדי להתחיל את תהליך השיקום כדי לקבל שלוש-מימד (3D) מסלולים של סמני רעיוני.
    3. בחלונית 'כלים', לחץ על הכרטיסייה "תווית ערוך". במקטע 'תיוג ידני', בחר שמות בודדים סמן ולאחר תווית של מסלולים המתאימים תלת-ממד. לחץ על "שמור" לחצן של סרגל הכלים כאשר תיוג הושלמה.
    4. בחלונית 'כלים', לחץ על הכרטיסייה "צינור". במקטע 'פעולות זמינות', בחר "קובץ ייצוא". לחץ פעמיים על "ייצוא C3D צינור". לחץ על לחצן "הפעל" לייצא את המשפט תנועה מעובדים לקובץ בתבנית (C3D) 3-מימד קואורדינטות.
  9. ניתוח ביו-מכני של נתוני לכידת תנועה
    1. פתח ביומכניקה תוכנה נוספת לעיבוד הנתונים לכידת תנועה. בתפריט העליון, לחץ על 'קובץ', ולחץ על הלחצן "פתח/הוסף". בחר את קבצי raw C3D לייבא לתוך התוכנה ביומכניקה.
    2. בתפריט העליון, לחץ על "מודל". לחץ על "צור (הוסף קובץ כיול סטטי)". מתפריט ' sub ', בחר "מודל היברידית מן C3DFile". בחר ופתח את הקובץ C3D כיול סטטי.
    3. בתפריט העליון, לחץ על "מודל". מהרשימה הנפתחת, לחץ על "להחיל תבנית דגם". בחר ופתח את קובץ תבנית מודל. לחץ על הכרטיסייה "מודלים" על הבר כלי. לחץ על הכרטיסייה "נושא נתונים / מדדים". בתוך חלון 'נושא נתונים', שנה את הערכים של 'מסה' 'גובה' כדי להפוך את המודל נושא ספציפי.
    4. לחץ על הכרטיסייה "מודלים" על הבר כלי. לחץ על לחצן "מודל בונה מתקדם פוסט עיבוד" של שורת התפריטים העליון. בחלון המוקפץ "מודל בונה מתקדם פוסט עיבוד של", לחץ על הכרטיסיה "המפרקים פונקציונלי" בחר "הוסף תנועה קובץ של 'סביבת עבודה של.
    5. בחר קבצים ופונקציונלי מרכז משותף C3D. סימון קובץ משותף פונקציונלי מיובא. הדגש ג'וינט פונקציונלי תואמים את הקובץ. השתמש "להגדיר להתחיל הנוכחי למסגרת" "להגדיר סוף הנוכחי למסגרת" כדי לבחור את החלקים המתאימים את המגמה במשפט. לחץ על לחצן "חשב לבדוק ציוני". חזור על תהליך זה כדי לחשב אחרים מרכזי משותף תפקודית כדי לחדד את המודל השלד.
    6. לחץ על לחצן "מודל" בשורת התפריטים העליון. בחר "להקצות דגם תנועה קבצים". בחלון המוקפץ של "להקצות מודלים כדי תנועה הנתונים", חלות המודל השלד נושא ספציפי על כל המבחנים תנועה.
    7. לחץ על לחצן "צינור" של סרגל כלי. בחלון המוקפץ של הסדנה"צינור", לחץ על לחצן "צינור פתוח". בחר את "צינור מטרות סינון". לחץ על לחצן "צינור לבצע" לבצע מסנן Butterworth הרביעי-הזמנה נמוך לעבור עם תדירות הקיצוץ של 10 הרץ על מסלולים תלת-ממד של ניסויים לכידת תנועה.
    8. לחץ על לחצן "צינור" של סרגל כלי. בחלון המוקפץ של הסדנה"צינור", לחץ על לחצן "צינור פתוח". בחר את "צינור כוחות סינון". לחץ על לחצן "צינור לבצע" לבצע מסנן Butterworth הרביעי-הזמנה נמוך לעבור עם הקיצוץ בתדירות 60 הרץ על הקרקע כוחות תגובה של ניסויים לכידת תנועה.
    9. לחץ על כפתור "הגדרות" של שורת התפריטים העליון. במקום סימני ביקורת "שימוש מעובד תחליפי עבור הקרקע התגובה כוח חישובי", "שימוש מעובד מטרות עבור דגם/קטע/LinkModelBased פריטים".
    10. לחץ על לחצן "צינור" של סרגל כלי. בחלון המוקפץ של הסדנה"צינור", לחץ על לחצן "צינור פתוח". בחר את הצינור "חישוב המבוסס על מודל". לחץ על לחצן "צינור לבצע" כדי לבצע חישובים של פלג הגוף התחתון משותפת קינמטיקה וקינטיקה.
    11. לחץ על לחצן "צינור" של סרגל כלי. בחלון המוקפץ של הסדנה"צינור", לחץ על לחצן "צינור פתוח". בחר את הצינור "ייצוא C3D מרכזת". לחץ על לחצן "צינור לבצע" לייצא את הקואורדינטות 3D מעובד של פלג הגוף התחתון סמנים חזותיים בקובץ C3D.
    12. לחץ על לחצן "צינור" של סרגל כלי. בחלון המוקפץ של הסדנה"צינור", לחץ על לחצן "צינור פתוח". בחר את הצינור "ייצוא תגובת כוחות הקרקע". לחץ על לחצן "צינור לבצע" לייצא את תגובת הקרקע 3D מעובד כוחות קובץ בינארי (סיומת הקובץ: MAT).
      הערה: כדי לשמר את הפסגות השפעה גבוהה במהלך נחיתות, תדר החיתוך של 60 הרץ משמש לסינון נתונים23כוח התגובה הקרקע raw.
  10. הכנת הנתונים לכידת תנועה סימולציות מחשב
    1. פתח את מחשב תכנות תוכנה. ייבא את קובץ הנתונים המסוננים C3D וקובץ הנתונים MAT.
    2. ייצוא קובץ טקסט המכיל קואורדינטות הגוף התחתון מרכז משותף. המרת קובץ הנתונים C3D וקובץ הנתונים MAT לתוך קבצי טקסט (סיומת הקובץ: slf) לשימוש על-ידי תוכנית multibody הדמיה דינמי.

4. נושא ספציפי מידול הליך

  1. יצירת מודל השלד הגוף התחתון
    1. פתח את multibody מותקנת תוכנה סימולציה דינמי עם הגוף האנושי מידול plug-in. במהלך תהליך זה, הגוף האנושי מידול מודול תוסף באופן אוטומטי נפתח. בתוך מסך הפתיחה, לחץ פעמיים על הסמל "מודל חדש" כדי לפתוח את הדגם בניית לוח הבקרה.
    2. בתוך לוח דוגמנות הראשי, במקטע "ספריית מסד הנתונים אנתרופומטרים", לבחור את הגוף הכללי (GeBOD) מהרשימה הנפתחת. בתוך לוח דוגמנות הראשי, ציין מסת הגוף (ק ג), הגוף גובה (מ מ), מין, גיל (חודשים).
    3. בתוך הפאנל הראשי דוגמנות, במקטע "תצורת הגוף", לחץ על לחצן רדיו "הגוף התחתון". מתוך הרשימה הנפתחת "יחידות", בחר "מילימטר קילו ניוטון". בתוך לוח דוגמנות הראשי, לחץ על לחצן "החל" בסעיף ""יצירת גוף מדידה שולחן כדי לקבל את מידות הגוף. המשך ללחוץ על לחצן "החל" בסעיף "ליצור מקטעי אנושית" כדי ליצור דגם בסיסי השלד הגוף התחתון.
      הערה: מודל זה תוגדל בהתבסס על הגובה של הפרט, המוניים, גיל ומין. המודל מורכב מקטעים 7: אגן, שתי הירכיים, שאנקס שתי, שתי רגליים (איור 1). כל הקטעים הם המודל כמו גופים קשיחים.
  2. מידול המפרקים פלג הגוף התחתון
    1. בתוך לוח דוגמנות הראשי, מהרשימה הנפתחת התפריט הראשי, בחר "המפרקים" כדי לפתוח את הלוח בתצורה משותפת.
    2. בתוך הלוח בתצורה משותפת, בסעיף "רכיבי סיבוב משותף", לחץ על הלחצן שליד "להכין מודל עם הקלטה המפרקים". במקטע "האביב בולמי זעזועים משותפת מגבלות ומאפייני", הזן את הפרמטרים הבאים: נוקשות משותפת נומינלי של Nmm 1 / °, דעיכת משותפת נומינלי של Nmm∙s 0.1 / °, נוקשות לעצור משותפת של 3.38E7 Nmm / °. המשך לבחור "רגל שמאל" ו- "ברגל ימין" על-ידי בודק את לחצני האפשרויות לצד השמות. לחץ על הלחצן 'החל' לקבל את תצורות משותפת.
    3. בתוך לוח דוגמנות הראשי, מהרשימה הנפתחת של התפריט הראשי, בחר 'זרימת עבודה'. מהרשימה הנפתחת של תפריט המשנה, בחר "הילוך" ואת "כיול". במקטע "נתוני מרכז משותף", הזן הקובץ של המשתתף הגוף התחתון מרכז משותף.
    4. לחץ על לחצן "עומס" לייבא את הנתונים כדי לשנות את מיקומם של מרכזי משותף. במקטע "עומס סטטי משפט", הזן את המשפט לכידת תנועה כיול סטטי (בתבנית קובץ slf, דור שמתואר צעדים 3.8-3.10). לחץ על לחצן "עומס" לייבא את הקובץ כדי parameterize את המודל השלד של פלג הגוף התחתון.
      הערה: כברירת מחדל, מפרקי הירך מוגדרות כחברים מפרקים כדוריים עם שלוש דרגות חופש, המפרקים בברך מוגדרות כחברים המפרקים revolute עם תואר אחד של חופש, הקרסול המפרקים מוגדרים כמו יוניברסל המפרקים עם שתי דרגות חופש.
  3. מידול שרירי השלד
    1. בתוך לוח דוגמנות הראשי, מהרשימה הנפתחת של התפריט הראשי, בחר "רקמות רכות". מהרשימה הנפתחת של תפריט המשנה, בחר "ליצור בסיס רקמות קבע". בסעיף "רכיבי כויץ שריר", לחץ על "להכין עם הקלטה שריר רכיבי מודל".
    2. במקטע "הקלטה רכיב שריר מאפיינים כלליים", לחץ על לחצן רדיו של "עדכון 45 שריר ערכת".
    3. במקטע "הקלטה רכיב שריר מאפיינים כלליים", לקבל את הגדרות ברירת המחדל הבאות עבור שריר מאפיינים: נוקשות פסיבי של מ"מ/N 0.4448, ריסון פסיבי של 1.75 E-2 Ns/מ מ, שרירים עומס נח בדיקת ש 0.4448 לחצני האפשרויות של"רגל שמאל", "רגל ימנית" עבור הקצאות שריר. לחץ על הלחצן 'החל' לקבל את התצורות.
      הערה: סט שריר הרגל 45 כולל השרירים הבאים: המתוויך הקצר, המתוויך הארוך, המתוויך מגנוס (שלוש קבוצות), הראש ארוך הדו-ראשי, הראש קצר הדו-ראשי, פושט האצבעות, פושט הבוהן, כופף האצבעות, כופף הבוהן, הסובך, Gemellus, העכוז (שלוש קבוצות), מדיות העכוז (שלוש קבוצות), העכוז המקב (שלוש קבוצות), העדין, שריר הירך, Iliacus, הסובך לרוחב, הסובך המדיאלי, המסרק, השוקית הקצר, השוקית הארוך, השוקית טרטיוס, Piriformis, Psoas, הירך הארבע ראשי, הירך Rectus, החייטים, החצי קרומי, החצי גידי, הסוליה, מותח המחתלה הרחבה Fasciae טנזור, השוקתי הקדמי, השוקתי האחורי, Vastus נטויה, Vastus Lateralis, Vastus Medialis.

5. גוף רב Dynamics סימולציות

  1. ביצוע סימולציה קנטית הופכי
    1. בתוך לוח דוגמנות הראשי, מהרשימה הנפתחת של התפריט הראשי, בחר 'זרימת עבודה'. מהרשימה הנפתחת של תפריט המשנה, בחר "הילוך" ו- "משפט". במקטע "נתוני הניסוי דינמי", הזן את שם הקובץ של משפט לכידת תנועה דינאמית (בתבנית קובץ slf) ולחץ על כפתור "טען" כדי לייבא את הנתונים. להמשיך להזין את כוח התגובה המתאימה הקרקע נתונים קובץ (בתבנית קובץ slf) ולחץ על כפתור "טען" כדי לייבא את הנתונים.
    2. בתוך לוח דוגמנות הראשי, מהרשימה הנפתחת של התפריט הראשי, בחר "_Analyze". הפעל את הניתוח ' שינוי משתנים ' כדי להתאים את היציבה דגם כדי להתאים על התנוחה בתחילת המשפט דינמי.
    3. פתיחת החלונית ' סימולציה '. לבטל את השפעות כוח הכבידה וכוחות תגובת הקרקע. בחר את המשפט כל תנועה כמו האורך של הסימולציה.
    4. ציין צעד זמן סימולציה של 100 צעדים/ס להריץ סימולציה קנטית הופכי מונע על ידי הנתונים לכידת תנועה. שמור את הניתוח סימולציה קנטית ההופכי.
  2. יצירת סוכן המעקב תנועה
    1. פתיחת החלונית ' תנועה המעקב הסוכן הבריאה '. קבל את שם ברירת המחדל הגשש: MA_Track.
    2. הגדר את Translational קשיות וקשיחות המסתובבת 10 מ"מ/N ו- 1,000 Nmm / °, בהתאמה. הגדר את דעיכת Translational ואת ריסון המסתובבת 10 Ns/מ מ ו- 1,000 Nmms / °, בהתאמה. הגדר כל translational, כשעוצמת דרגות חופש מונחה.
    3. שימו לב. כפי רק הדגם פלג הגוף התחתון משמש את הסימולציה דינאמי קדימה, גשש תנועה יש צורך בחשבון לחוסר יציבות עקב חוסר תנועה הגוף העליון.
  3. אימון שרירי הרגליים
    1. פתח את הלוח בתצורה של רקמות רכות. בחר סגור לולאה פשוטה עבור דגם שריר. להגדיר את הפרמטרים הבאים עבור דגם שרירים: רווח יחסי של 1.0E6, לזכות אינטגרלי של 1.0E6, ולהשיג נגזרת של 1.0E4.
    2. בחר ניתוח הסימולציה קנטית הופכי להיות המטרה של האימון שריר. להחיל את האימונים שריר.
  4. ייבוא של שוקה גמיש
    1. פתיחת החלונית ' ייבוא גוף גמיש '. לבצע את היישור מיפוי עם שלושה מקבלי הידוע של הצמתים המתאימים שלהם על פני השטח של עצם השוקה גמיש.
    2. בחרו עצם השוקה נוקשה והוחלף על ידי עצם השוקה גמיש. בחר את הקובץ MNF המייצג את שוקה גמיש. בחר את קובץ מיפוי קובץ מצורף שריר להדבקת הרגל השרירים בשוקיים גמיש. ייבוא בשוקיים גמיש למודל השלד והשרירים.
  5. ביצוע סימולציה דינאמי קדימה עם עצם השוקה גמיש במקום
    1. פתיחת החלונית ' סימולציה '. הפעל את השפעות כוח הכבידה וכוחות תגובת הקרקע. לבטל את ההשפעות של סוכנים תנועה.
    2. לבחור להפעיל את הסימולציה לאורך של התנועה כל משפט. הגדר סימולציה צעד של 100 צעדים/ס בניהול הדמיה דינמי קדימה מונעת על ידי השרירים מיומן. שמור את ניתוח דינאמי קדימה.

6. יצירת מודל גמיש השוקה

  1. יצירת מודל תלת-ממדית משטח
    1. פתח את תוכנית עיבוד תמונה. פרוסות CT ייבוא תבנית DICOM. ליצירת מסיכה באמצעות השיטה גדל באזור כדי להפריד את רקמת העצם מן הרקמות הרכות הסובבות.
    2. חפש את פרוסות CT שבו שוקה ועל שוקית מחוברים. הפרד את שוקה ואת שוקית על ידי מחיקת המסיכה לאורך המפגש של שתי העצמות.
    3. ליצירת מסיכה השני באמצעות האזור לגדול שיטה כדי לכלול רק את עצם השוקה. עוברים את הפרוסות CT כדי לחשוף חללים קיימים במסכה השוקה. למלא החללים של המסיכה. ליצור אובייקט שוקה 3D בהתבסס על המסכה השוקה. לייצא את האובייקט שוקה 3D כקובץ בתבנית מחלף הציור (DXF).
  2. יצירת מודל שוקה סופיים
    1. פתח FE ניתוח תוכנה. יבא את קובץ דגם תלת-ממד שוקה עם הסיומת DXF.
    2. ביצוע הפקודה ' ניקוי ' כדי להסיר רכיבים כפולים, צמתים. ביצוע הפקודה רשת שינוי עוצמת הקול כדי ליצור מודל שוקה FE עם אלמנטים משושה של 3 מ מ x 3 מ מ x 3 מ מ. הקצאת גשמי המאפיינים הבאים על כל הרכיבים: האלסטיות של 17 ממוצע ציונים, פואסון של 0.3, וצפיפות של 1.9E-6 ק"ג/ס מ3.
      הערה: תכונות החומר מוקצות לכל רכיב עם ההנחה כי רקמת העצם היא איזוטרופיות בטווחים של זן מנוסים על ידי עצם במהלך תנועות דינאמיות24,25,26.
  3. יצירת מודל גמיש השוקה
    1. בתוך לוח הבקרה הראשי, לחץ על הכרטיסיה "גיאומטריה & Mesh" בחר "גיאומטריה & Mesh". "גיאומטריה & Mesh" החלון המוקפץ, במקטע "רשת", לחץ על "להוסיף צמתים" כדי ליצור שני צמתים החדשה כדי לייצג את מרכזי של המפרקים בברך ובקרסול.
    2. לוח הבקרה הראשי, לחץ על הכרטיסיה "קישורים" של בחר RBE2. בחלון הנפתח של RBE2, ליצור חיבורי קישור של גוף קשיח 2 סוג אלמנט (RBE2) בין צמתים משותפת לבין צמתים משטח על המשטחים בברך ובקרסול.
    3. לוח הבקרה הראשי, לחץ על הכרטיסיה גבול ותנאי". במקטע "תנאי גבול", לחץ על לחצן "חדש". בחר "צמתים DOF_Set". בחלון הנפתח 'מצב גבול מאפיינים', ליצור תנאי גבול על-ידי הקצאת שש דרגות חופש לכל אחד שני הצמתים משותפת RBE2.
    4. לוח הבקרה הראשי, לחץ על הכרטיסיה "Loadcases". במקטע "Loadcases", לחץ על "חדש", בחר "קרייג אדאמס-Bampton"19. בחלון המוקפץ 'Loadcase מאפיינים', לחץ על "צמתים DOF-מערכת". בחר את dofset_nodes יצרת בשלב מעל.
    5. לוח הבקרה הראשי, לחץ על הכרטיסיה "עבודות". במקטע 'משימות', לחץ על "חדש". בחר "מבנה". בחלון הנפתח "מאפייני העבודה", בחר את loadcase שנוצר בשלב הקודם. לחץ על לחצן "תוצאות העבודה". בחלון הנפתח "תוצאות", בחר "מתח" ואת "מסננים". גם לבחור "קילוגרם" לתפילה, "ניוטון" כוח "מילימטר" אורך, "שנייה" על הזמן. לחץ על לחצן "הפעל".
    6. בחלון הנפתח "להפעיל את העבודה", לחץ על הלחצן "שלח" כדי להגיש את העבודה עבור הדמיה FE וכדי ליצור קובץ נייטרלי מודאלי (MNF) של ה-שוקה16.

7. זן נתונים ניתוחים

  1. ייצוא נתוני המתח עצם
    1. פתח את המעבד פוסט של התוכנית סימולציה multibody. לטעון את תוכנית התוספת של עמידות.
    2. פתח את הסימולציה עם עצם השוקה גמיש על-ידי לחיצה על שם סימולציה. ייצוא המזערי והמרבי הזנים העיקריים ואת המתח המרבי הטיה הצמתים המייצגים את הפן diaphysis מאמצע-הטיביאלי המדיאלי-גישה antero.
  2. עיבוד נתונים גולמיים זן
    1. פתח את מחשב תכנות תוכנה לעיבוד נתונים. ייבוא נתונים גולמיים זן. החל מסנן Butterworth הרביעי סדר נמוך לעבור על הנתונים הגולמיים עם תדירות סף של 15 הרץ.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

בריא גבר לבן (19 שנים, גובה 1,800 מ מ, המוני 80 ק"ג) התנדב לצורך המחקר. לפני איסוף נתונים, הנושא שנסקרו, חתם על טופס ההסכמה אושרה על ידי ועדת הבדיקה מוסדי באוניברסיטה לפני המשתתפים במחקר. הניסוי נערך תחת הצהרת הלסינקי. הניסוי בוצע בהתבסס על פרוטוקול הבאים.

כדי לאמת את הדיוק של הסימולציה דינמי לפנים, לגוף התחתון זוויות משותפת של הסימולציה היו לעומת הזוויות משותפת המתאימה נמדד מתוך נתוני לכידת תנועה מעובד על-ידי תוכנית ניתוח ביומכניקה. תוכנת ניתוח סטטיסטי שימש לחישוב קרוס-המתאם המקדמים של ההשוואות. חישוב המתאם בין מותר פערים 10 לכיוונים חיוביים ושליליים כאחד. כל השהיה התכתב אחד פעם צעד בהדמיה דינמית קדמי (0.01 s). מקדמי המתאם בין מרבית זוהו.

בדיקה ויזואלית של איור 2, איור 3ו- 4 איור מדגים הדמיון בין הזוויות משותפת הפיק עם הנתונים ניסיוני עם הנתונים סימולציה. מקדמי קרוס-קורלציה חזקה נמצאו בין הזוויות משותפת ניסיוני וסימולציות -השהיה אפס (טבלה 1).

זנים שיא-האזור גישה antero-המדיאלי של הפיר אמצע-tibial במהלך הנחיתה של שלושה בגבהים שונים מוצגים בטבלה מס ' 2. בין הגולן הנחיתה שלוש, בגודל 52 ס"מ נחיתה תנאי הפגינו את המנהל המרבי הגדול של שיא שיא המנהל מינימלי, שיא ההטיה המרבי זנים. בנוסף, זה נצפתה, כמו גובה טיפה גדל, שיא המרבי העיקרי זנים גדל.

Figure 1
איור 1: מודל השלד והשרירים נושא ספציפי במחקר הנוכחי- מודל השלד הגוף התחתון זה כולל שישה קטעים נוקשה (אגן, ירך שמאל וימין, בשוקה השמאלית ו מטר ימינה ושמאלה) אחד גמיש השוקה (שוקה נכון). שרירי הרגליים 90 מחוברים המודל. למטרה ויזואליזציה, כל שריר מיוצג על-ידי קו צבע אלמוג. מרכזי משותף מיוצגים על ידי כדורי כחול בהיר לכדורי הגוף וסגול הימנית התחתונה עבור הגוף התחתון השמאלי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: משותף השוואות זווית (במעלות) בין תנועה ניסיוני לכידת נתונים ונתונים הדמיה לנחיתה ירידה מ גובה 26 ס מ. קווים מלאים מייצגים משותפת זוויות מחושב בנתונים לכידת תנועה ניסיוני. קווים מנוקדים מייצגים משותפת זוויות המיוצר על ידי הדמיה דינמי multibody נתונים. קווים אנכיים מייצגים רגעים של השפעה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: משותף השוואות זווית (במעלות) בין תנועה ניסיוני לכידת נתונים ונתונים הדמיה לנחיתה ירידה מ- 39 ס מ גובה. קווים מלאים מייצגים משותפת זוויות מחושב בנתונים לכידת תנועה ניסיוני. קווים מנוקדים מייצגים משותפת זוויות המיוצר על ידי הדמיה דינמי multibody נתונים. קווים אנכיים מייצגים רגעים של השפעה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: משותף השוואות זווית (במעלות) בין תנועה ניסיוני לכידת נתונים ונתונים הדמיה לנחיתה ירידה מ גובה 52 ס מ. קווים מלאים מייצגים משותפת זוויות מחושב בנתונים לכידת תנועה ניסיוני. קווים מנוקדים מייצגים משותפת זוויות המיוצר על ידי הדמיה דינמי multibody נתונים. קווים אנכיים מייצגים רגעים של השפעה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Droplanding הגולן
26 ס מ 39 ס מ 52 ס מ
המפרקים פלג הגוף התחתון מקדם המתאם בין לג מקדם המתאם בין לג מקדם המתאם בין לג
הקרסול 0.998 0 0.998 0 0.999 0
הברך 1 0 1 0 1 0
מפרק הירך 0.999 0 1 0 1 0

טבלה 1: פערים של השוואות בין זוויות משותפת המיוצר בהתבסס על נתונים לכידת תנועה וזוויות משותפת והקבוע קרוס-המתאם המופק סימולציה נתונים. משפט אחד בגובה כל שימש את ההשוואות. השהיה אפס מציין אין הבדל בזמן כאשר יוצרו זוויות משותפת בין שתי הגישות.

Droplanding הגולן
זן העצם (µstrain) 26 ס מ 39 ס מ 52 ס מ
מקסימום המנהל 1160 1270 1410
מינימום המנהל -659 -598 -867
הטיה המרבי 893 870 1140

בטבלה 2: עצם השוקה זנים על האספקט המדיאלי-גישה antero של הפיר אמצע-tibial במהלך ירידה-נחיתה של שלושה בגבהים שונים. המנהל המרבי, המנהל מינימום ו הטיה מרבית זני מוצגים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

מטרת מחקר זה היתה לפתח שיטה לא פולשנית לקבוע שוקה דפורמציה במהלך פעילויות השפעה גבוהה. לכימות שוקה זן עקב השפעת טעינה יוביל אל הבנה טובה יותר של שבר טיביה מתח. במחקר זה, פותח מודל השלד והשרירים נושא ספציפי, סימולציות מחשב נוהלו לשכפל התנועות טיפה-נחיתה המבוצעות במסגרת מעבדה. נבדקה ההשפעה של ירידה-נחיתה גובה על זן הטיביאלי. במחקר זה, ראינו את זה כמו טיפה-הנחיתה גובה גדל, כך גם זנים עיקריים המרבי שיא. בין התנאים הנחיתה שלוש, התנאי 52 ס מ הביאה גם המנהל המרבי השיא הגבוה ביותר, המנהל מינימום ו הטיה המרבי זנים.

מוגבל ויוו נתונים זמינים בספרות לגבי ההשפעה של ירידה-הנחיתה על עומס שוקה. מילגרום. et al., דיווח על המתח העיקרי המרבי החל µstrain 896-1,007 במהלך נחיתות from שלושה בגבהים שונים (26, 39, 52 ס מ)14. . Ekenman et al. דיווח זן הממוצע של 2,128 µstrain במהלך הנחיתה גובה 45 ס מ13. המתח העיקרי המרבי של ההדמיות היו בין µstrain 1,160-1,410 במהלך הנחיתה של שלושה בגבהים שונים (26, 39, 52 ס מ), אשר היו גבוהים מאלה שדווחו על-ידי מילגרום. et al. אבל היו יותר נמוך מזה שדווח על-ידי Ekenman et al. 13 , 14

הסיבות הבאות עשוי לתרום הפרש המתח בין המחקרים נוכחית לקודמת. ראשית, דמוגרפי הבדלים בין נושאים זה מחקרים קודמים. השתמשנו נושא זכר בפעילות גופנית. המחקר של Ekenman מעורבת נקבה נושא13. המחקר של מילגרום כללו הן הזכרים והן הנקבות ודיווח זנים ממוצעת14. שנית, הנעלה עשוי לשחק תפקיד הבדלים עצם המתח. . Lanyon et al. למד את ההשפעה של נעליים על זנים הטיביאלי, הם מצאו כי הליכה וריצה יחפה, גרמו זנים יותר בהשוואה לובש נעליים12. המחקר הנוכחי בשימוש פרוטוקול הנחיתה יחף, הערכים זן מחושב היו גדולים יותר מאלה על ידי מילגרום. et al. המחקר, אשר בשימוש פרוטוקול נחיתה עם נעלי ספורט רגילה14. שלישית, שינויים נחיתה אסטרטגיה עשויים גם להשפיע המתח הטיביאלי. במחקר הנוכחי, זה היה אפשרי כי הנושא עשוי לבחור אסטרטגיה כגון כיפוף הגדלת תא המטען כדי לסייע להפחית את ההשפעה כאשר הגובה טיפה-נחיתה גדל. אסטרטגיה זו תוכל לסייע בהגנה על עצם השוקה של זנים גדולים. מילגרום. ואח גם הציע אסטרטגיה הגנה אפשרית בשימוש שלו נושאים14. רביעית, ייתכן שיש הבדל קטן במיקומים שבו נוטרו זן הטיביאלי. המחקר שלנו בדק את המתח עצם-היבט הפיר אמצע-הטיביאלי המדיאלי-גישה antero. ב. מילגרום ואח ', זנים נרשמו מאזור המדיאלי של פיר אמצע-tibial14. המטוס sagittal מומנט כפיפה על עצם השוקה במהלך הנחיתה עלולה לגרום גבוהה המתח העיקרי מרבית מקומות ליד האזורים הקדמי של הפיר הטיביאלי. למרות זאת, התוצאות המתח שלנו מופיעים וליפול בטווח זן (400-2,200 µstrain) שדווחו על-ידי אלה ויוו מחקרים10,13,14, ניתן להשוות תוצאות ממחקרים קודמים.

הערכים זן הטיביאלי המתקבל בגישה פולשנית זו מושפעים את הדיוק של המודל השלד והשרירים. קרוס-מתאמים בוצעו כדי לבחון את ניסיוני זווית משותפת הנתונים והנתונים סימולציה במחשב במהלך ירידה-נחיתות. מקדמי מתאם חזק נמצאו בין נתונים ניסיוניים נמדד לבין נתוני הדמיית מחשב. הדבר מעיד על המודל נושא ספציפי שפותחו במחקר זה סביר יכולים לשכפל את התנועות טיפה-נחיתה. בנוסף, זנים הטיביאלי דיווחו במחקר זה היו מתחת µstrain 3,000, שמאשרת ההנחה נגזר מחקרים אחרים להרכב עצם השוקה הוא ליניארי במהלך ירידה-נחיתות14,15. לפיכך, עם הנתונים מחושבים זן להיות טווח ליניארי, שכפולי מעולה של נחיתה דפוסי תנועה, הגענו למסקנה כי הנתונים המתח המתקבל בגישה פולשנית זו היו מדויקים למדי. יתר על כן, המחקר הנוכחי גייסו רק נושא אחד לבחון את עצם המתח במהלך ירידה-נחיתות. מחקרים עתידיים יכול לבחון אם קיים קשר תגובת המינון בין ירידה-נחיתה הגולן זנים עצם השוקה באמצעות גודל דגימה גדולה.

החשיבות של מחקר זה היא להציג שיטה לא פולשנית חדשנית של מדידת עצם דפורמציה. גישה זו לא פולשנית מטפל המגבלות המשויך קונבנציונאלי ויוו מד המתח המדידה, אשר לא יכול להיות מוחל על מדגם גדול של בני אדם. בנוסף, השיטה המוצעת הנוכחי מטפל מגבלות הקשורות היא שיטה לא פולשנית שדווחה בעבר16,17, אשר נדחס באמצעות נתונים מוגבלים קנטית לנהוג הסימולציות היה רק מתאים לימוד תנועות ההשפעה הקרקע נמוכה כגון הליכה. שוקה מתח שברים עודם גבוהים על האוכלוסיות אתלטי וצבאיים, זה קריטי כדי לחקור את ההשפעה של פעילות גופנית השפעה גבוהה (למשל, לרוץ, לקפוץ, ו חיתוך) על העצם בשוקה תגובות. הגישה הנוכחית לא פולשנית חדשניות נראה פתרון ישים לעריכת מחקרים אלו. זה לשפוך אור על פיתוח אימון גופני נאותה פרוטוקולים עבור ספורטאים המתגייסים הצבאי להפחתת פציעות מתח השוקה. יתרה מזאת, שיטה לא פולשנית חדשניות זו מהווה הזדמנות להעריך זנים העצם בעצמות אחרות נגיש עם מאבחנים מיושמים כגון עצם הירך, navicular.

נושאים חשובים הקשורים מדידה זן עצם לא פולשנית זו יש להתייחס כאן. ראשית, מודל גנרי של השלד והשרירים פלג הגוף התחתון נוצר בהתבסס על הפרט גיל, מגדר, מסת הגוף, גובה הגוף באמצעות מסד הנתונים GeBOD27. מיקומים המרחבי נמדד השפעול של פלג הגוף התחתון מרכזי משותף משמשים כדי לחדד את המודל השלד והשרירים. בהשוואה למודל כללי, גישה זו נושא ספציפי דוגמנות מציג מודל שרירים ושלד טוב יותר של המבנה הפיזי של האדם. מחקרים עתידיים יכול לשקול פיתוח גוף מלא דגם השלד והשרירים לתנועה הגוף העליון במהלך סימולציות דינמית multibody.

שנית, ישנם 45 השרירים שהוקצו בכל רגל במודל. מקורות הוספות של השרירים אנטומית נחוש27בקרב אנשי עסקים ותיירים כאחד. אלגוריתם לולאה סגורה פשוטה משמש לניהול כוח הייצור של שרירים בודדים. באופן ספציפי, השינוי של ההיסטוריה אורך השריר בזמן תנועה דינמי כגון נחיתה נרשם באמצעות סימולציה קנטית ההופכי. בעת הפעלת הסימולציה דינאמי קדימה, בקר PID היה המוקצים לכל שריר ולא להשתמש בו כדי לווסת את כוח השריר הדרוש עבור שכפול ההיסטוריה אורך השריר נרשם קודם לכן. אלגוריתם לולאה סגורה פשוטה זה מפיק תוצאות מצוינות, שכפול קינמטיקה משותפת. עם זאת, גישה זו אינו חשבון על עצבי תיאום בין השרירים בעזרת פונקציות דומות, יכול חשבון על התכווצויות שיתוף של היריבים. עובד יש לשקול שימוש מודל המבוסס על הגבעה שרירים, אשר מורכב של רכיב כויץ פעיל (CE) לבין רכיב אלסטי פסיבי (PE). המודל מבוסס על הגבעה משלב הכוח המהירות של השריר ויחסי כוח-אורך לייצר מתח. ניתן להשוות את כוח השריר מחושב ואז EMG נתונים עבור אימות.

שלישית, מודל שוקה נושא ספציפי נוצרת מתמונות CT כדי לייצג את הגיאומטריה האמיתי של עצם השוקה תחת חקירה. בעוד CT הדמיה היא השיטה העיקרית כדי להשיג את הגיאומטריה האמיתי של עצם השוקה, טכניקות טיפול נוספות דימות תהודה מגנטית (MRI) יכול לשמש גם כדי לייצר את הדגם שוקה נושא ספציפי. בנוסף, פרוטוקול דוגמנות הנוכחי ההנחה היא המאפיין גשמי של עצם השוקה להיות isotropic. ערך צפיפות הגנרית של 1.9E-6 ק"ג/ס מ3 ו יחיד האלסטיות של 17 ממוצע ציונים מוקצים כל הרכיבים FE הטיביאלי. מחקרים עתידיים עשויים לשקול קבלת ערכי דחיסות מאזורים כל ב עצם השוקה. ניתן לבצע זאת על ידי החדרת פנטום מכוילת במהלך הסריקה CT. צפיפות העצם ואז ניתן לחשב בהתבסס על יחידות נ. האונספילד של CT. האלסטיות של רקמת העצם יכול להיות עוד יותר מחושב בהתבסס על נתוני צפיפות. הקצאת תכונות חומר נושא ספציפי למודל FE הטיביאלי תניב עצם מציאותית יותר תוצאות זן באמצעות סימולציות.

רביעית, ניתוח FE מודאלי משמש לחישוב עצם זנים. במהלך ניתוח זה מודאלי, תדירות תגובות מחושבים כדי להתאים loadings מכני (כוחות ליניארי זוויתי) המוטלות על המפרקים בברך ובקרסול. שוקה גמיש המיוצג על-ידי קובץ MNF נוצר מתוך הניתוח FE מודאלי. שוקה גמיש זה הוא הציג למודל השלד והשרירים של נושא ספציפי כדי להחליף עצם השוקה נוקשה המתאימים. במהלך ההדמיה דינאמי קדימה עוקבות, דפורמציה של עצם השוקה גמיש בכל שלב זמן הוא לכמת. לעומת ניתוח מסורתי של FE, אשר מחשב את התגובות מכני של אובייקט FE המורכב מאלפי דרגות חופש (אלפי רכיבים, צמתים) בכל שלב זמן של תנועה, גישה זו אנליזה מודלית עוסק הרבה פחות מספרים של דרגות חופש בתוך תחום תדר (למשל, 12 טעינת תנאים של המפרקים בברך ובקרסול). עם הגישה אנליזה מודלית, חישוב זמן תקטן באופן משמעותי מספר שעות/ימים פחות מ 1 h עבור הדמיה טיפוסי. מלבד היתרון לצרוך פחות זמן מחשב, אנליזה מודלית הגישה הינו אידיאלי עבור מחשוב קטן דפורמציה (< 10%) מנוסים על ידי מבנים נוקשה כמו רקמת העצם.

בסופו של דבר, היתרונות של הגישה הנוכחית לא פולשנית מעל16,שיטה שדווחה בעבר17 שמחייבות כאן. א) המודל השלד והשרירים שלנו הוא מעודן להחזיק יותר מדויק פלג הגוף התחתון משותף מרכזי, אשר מיוצרים באמצעות הערכה תפקודית משותפת22. עם זאת, השיטה הקודמת מגדיר מרכזי משותף עבור המודל מבוסס על הליך יישום plug-in הילוך21 בעזרת שימוש במספר מצומצם של סמנים חזותיים. ב) מודל זה משלבת 45 לשרירים בכל רגל לעומת רק 12 השרירים המשמשים הדגם הקודם. הגדלת מספר שרירי השלד והשרירים במודל לשפר את האיכות של הסימולציה. ג) במהלך ההדמיה קנטית ההופכי, המודל השלד והשרירים הוא מונע על ידי קבוצה של 34 סמנים חזותיים על הגוף התחתון, מה שמאפשר שכפול טוב יותר של התנועה בפועל. לעומת זאת, הגישה הקודמת רק משתמש בסמנים של 16 לנהוג את הסימולציה אותו, זה עשוי להציג שגיאות מספריים הסימולציה. ד) במהלך ההדמיה דינאמי קדימה, האמיתי הקרקע השפעה כוחות מוחלים למודל השלד הזה כדי לדמות את התנועה. עם זאת, השיטה הקודמת הוא לא מסוגל לשלב כוחות הקרקע השפעה בהדמיה. ללא שימוש אמת השפעת כוחות הקרקע במהלך הסימולציות דינאמי קדימה, השיטה הקודמת מוגבל ללמוד פעילויות השפעה נמוכה. השלבים לעיל שאנו נוקטים כדי לשפר את אמינות של המודל השלד והשרירים נושא ספציפי להיראות מוצלח לבחינת דפורמציה הטיביאלי במהלך תנועות האנושית. התוספת של שילוב כוחות ההשפעה האמיתית הקרקע בהדמיות מוכיחה להיות צריך להתעמק עצם המתח במהלך פעילויות השפעה גבוה.

לסיכום, אין ויוו דפורמציה עצם השוקה נמדד בדרך כלל בשיטת מד הכתם קונבנציונלי. גישה זו מזוהה עם מגבלות כגון אופי פולשני, פחות מתנדבים, עצם קטן משטח אזורים שעוברים ניתוח, וכו גישה מוזרה המועסקים multibody סימולציות דינמי עם ניתוח FE מודאלי הוצע במחקר זה כדי לכמת שוקה דפורמציה במהלך ירידה-נחיתות. זה ברור כי גישה זו יכול לפנות את המגבלות בירושה המדידה המקובלת מד המתח. בנוסף, גם גישה זו תועלת משימוש אמיתי ניסיוני קנטית קינטי נתונים, כמו גם דוגמנית השלד והשרירים נושא ספציפי וגם שוקה גמיש כדי לבצע הדמיה דינמי וניתוח FE מודאלי, הוא מייצג שיפור מדהים ב- פרוטוקול מחקר על שיטת שדווחה בעבר. לפיכך, גישה זו לא פולשנית ניצול נושא ספציפי נתונים עבור multibody סימולציות דינמיים בשילוב עם ניתוח FE מודאלי יכול להיות כלי מבטיח ללמוד דפורמציה הטיביאלי במהלך תנועה דינאמית. למחקר עתידי יכול להעסיק בשיטה זו ללמוד על עצם זנים במהלך פעילויות השפעה גבוהה עבור עמית גדול ללמוד מנגנוני פגיעה של שברים בעצמות מתח.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים מצהירים כי יש להם אינטרסים כלכליים אין מתחרים.

Acknowledgments

המחלקה של הצבא #W81XWH-08-1-0587, #W81XWH-15-1-0006; גרנט ASPiRE 2010 אוניברסיטת מצב הכדור.

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).

Tags

בביו-הנדסה בעיה 134 השלד והשרירים דוגמנות multibody דינמי FE נקעים שוקה לכידת תנועה ירידה-הנחיתה
נושא ספציפי דגם השלד והשרירים ללמוד עצם המתח במהלך תנועה דינאמית
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wang, H., Dueball, S.… 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