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Bioengineering

Modello muscoloscheletrico specialistici per lo studio della deformazione dell'osso durante il movimento dinamico

doi: 10.3791/56759 Published: April 11, 2018

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

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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.

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Protocol

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L'esperimento è stato condotto sotto la dichiarazione di Helsinki. Prima della raccolta di dati, il soggetto esaminato e firmato il modulo di consenso approvato dalla University Institutional Review Board prima di partecipare allo studio.

1. CT Imaging Protocol

  1. Prendere il partecipante ad un impianto dove è alloggiato uno scanner CT. Prima dell'esplorazione di CT, configurare la macchina di CT con i seguenti parametri: spessore fetta CT di 0,625 mm, campo visivo di 15 cm x 15 cm e auto-impostazione parametri di chilo-tensione di picco (kVp) e milliampere-secondi (mAs) utilizzando l'algoritmo di macchina CT.
  2. Chiedere al partecipante di mentire su una tabella che scivola in un anello nello scanner CT. Chiedere al partecipante di rimanere molto ancora durante l'esplorazione di CT. Eseguire la scansione ogni gamba separatamente da calcaneus attraverso l'estremità distale del femore.
  3. Al termine della scansione CT, esportare le immagini di CT in un imaging digitale e comunicazione in medicina (DICOM) formato. Scegliere le dimensioni di un'immagine di 512 x 512 pixel (scala di grigi).
    Nota: Il protocollo di formazione immagine di CT normalmente dura meno di 1 h. La dose di radiazioni è minima. Esso non presenta alcun rischio maggiore di quello rilevato durante normali procedure mediche a raggi x.

2. protocollo di misurazione antropometrica

  1. Durante la visita del laboratorio, prima della cattura del movimento, misurare la massa del corpo del partecipante (kg), altezza (mm), distanza tra le spine iliache anteriori-superior (Francesco) (mm), lunghezza delle gambe (mm), Larghezza (mm) del giunto di ginocchio e larghezza (mm) del giunto di caviglia.
  2. Inter misurazione della distanza ASIS: utilizzare una pinza per misurare la distanza lineare tra l'ASIS sinistra e destra ASIS.
  3. Misura della lunghezza della gamba: utilizzare un nastro misura per misura la distanza lineare l'ASIS ed il malleolo mediale per entrambe le gambe.
  4. Misura di larghezza del giunto del ginocchio: utilizzare una pinza per misurare la distanza lineare tra i condili laterale e mediale del femore per entrambe le ginocchia.
  5. Misura di larghezza del giunto di caviglia: utilizzare una pinza per misurare la distanza lineare tra il malleolo laterale e mediale per entrambe le gambe.
    Nota: La distanza ASIS inter, larghezza gamba lunghezza, ginocchio e caviglia sono utilizzati per costruire un modello di oggetto in un software di biomeccanica (Vedi Tabella materiali) per eseguire calcoli cinematici e cinetici.

3. motion Capture Protocol

Nota: Vedi Tabella materiali per tutti i software e gli strumenti utilizzati.

  1. Posizionamento dei marcatori riflettenti
    1. Posizionare marcatori riflettenti-14mm sul corpo del partecipante presso i seguenti punti di riferimento anatomici ossute: processi acromion, giunti sternoclavicular, base dello sterno, processo posteriore del 10th vertebre toraciche, Francesco, posteriore-superiore iliaca spine (PSISs), 1,5 cm sopra le linee congiunte laterale del ginocchio, 1,5 cm sopra le linee congiunte ginocchio mediale, laterale malleoli, malleoli mediali, posteriore tacchi, basi dei metatarsi secondo e basi del quinto metatarso.
    2. Posto piatti di plastica semi-rigide con cluster di 4-marcatore su cosce e stinchi, rispettivamente.
      Nota: Per un migliore risultato di cattura del movimento, il partecipante è consigliato per essere a piedi nudi e indossare indumenti attillati. Inoltre, la procedura di posizionamento del marcatore segue un protocollo modificato "Plug-in-Gait"21. Un totale di 39 marcatori riflettenti sono utilizzati per il motion capture e 34 di loro sono attaccati alla parte inferiore del corpo.
  2. Istruire il partecipante per riscaldarsi a piedi su una pedana mobile motorizzata ad una velocità auto-selezionata per 5 min.
  3. Calibrazione di spazio in camera per la procedura di acquisizione del movimento
    1. Forza di accendere il sistema di motion capture (12 telecamere infrarossi ad alta velocità) e due piastre. Aprire un programma di software di motion capture. All'interno della finestra principale del programma, aprire il riquadro 'Risorse'. Fare clic sulla scheda "Sistema" Configura la frequenza di fotocamera a 200 Hz e forzare la frequenza di targa a 2.000 Hz.
    2. All'interno della finestra principale del programma, aprire il riquadro 'Strumenti'. Fare clic sul pulsante "Preparazione di sistema". Fare clic su "Calibra telecamere". Cliccare su "Start". Chiedere un personale ricerca di una bacchetta di taratura standard 5-marcatore per eseguire una calibrazione dinamica all'interno dello spazio della camera dove i movimenti di goccia-atterraggio devono essere eseguite. Fare clic su "Stop" dopo 5 s di bacchetta dati sono stati acquisiti.
    3. Inserire la bacchetta di calibrazione sul pavimento per allineare con un angolo di un piatto della forza al fine di specificare un percorso di riferimento (origine) per lo spazio calibrato. Fare clic su "Imposta Volume origine" all'interno del riquadro strumenti di 'Preparazione sistema'.
  4. Preparazione partecipante nel programma software di motion capture
    1. All'interno della finestra principale del programma, aprire il riquadro 'Risorse'. Fare clic sulla scheda "Soggetto", fare clic sul pulsante "Crea un nuovo soggetto da uno scheletro di etichettatura". Selezionare un modello di etichettatura da un elenco di file di modello fornito.
    2. Nella finestra 'proprietà', immettere il nome del soggetto e valori di massa corporea (kg), altezza (mm), distanza inter-ASIS (mm), lunghezza gamba sinistra e destra (mm), al ginocchio destro e sinistro larghezza (mm) e larghezza caviglia destra e sinistra (mm). Nel riquadro 'Oggetto Resources', tasto destro del mouse il nome del soggetto e fare clic su "Salva oggetto".
  5. Registrare una posa di calibrazione statica corpo
    1. Chiedere al partecipante di stare immobile nel mezzo della camera calibrata con piedi larghezza delle spalle durante l'estensione dell'arto superiore lateralmente affinché tutti i marcatori riflettenti sul corpo sono ben esposte alle telecamere.
    2. Nella finestra principale del programma, aprire il riquadro strumenti. Fare clic sulla scheda "Oggetto preparazione". Nella sezione oggetto Capture, cliccare su "Start" per registrare un movimento 3-s prova ad essere la prova di calibrazione statica.
  6. Procedura di determinazione funzionale centri congiunte
    1. Centro funzionale dell'anca
      1. Chiedere al partecipante di stare con una gamba sola ed estendere completamente l'altra gamba leggermente in avanti. Istruire il partecipante per spostare la gamba estesa intorno all'articolazione dell'anca nella seguente sequenza: spostare anteriormente e tornare in folle, spostare anteriore-laterale e tornare in folle, spostare lateralmente e tornare in folle, spostamento posteriore-laterale e tornare al neutro, spostare posteriormente e tornare al neutro e un movimento di circonduzione.
      2. All'interno della finestra principale del programma, aprire il riquadro 'Strumenti', fare clic sulla scheda "Cattura". Nella sezione Capture, fare clic su "Start" per registrare una prova di movimento per ogni movimento funzionale dell'anca.
    2. Centro congiunto di funzionali per il ginocchio
      1. Chiedere al partecipante di stare con una gamba e mantenere una 30° iper-estensione di anca dell'altra gamba. Indicare al partecipante di eseguire una flessione del ginocchio di 45° con la gamba di cuscinetto non-peso per 5 volte.
      2. Nella sezione 'Capture' del riquadro 'Strumenti', fare clic su "Start" per registrare una prova di movimento per ogni movimento funzionali per il ginocchio.
        Nota: Per i dettagli della procedura congiunta funzionale, vedere Schwarz, et al. 22
  7. Cattura del movimento dei movimenti di goccia-atterraggio
    1. Randomizzare l'ordine di utilizzo di tre diverse altezze di goccia-atterraggio (cm 26, 39 cm e 52 cm)14.
    2. Posto l'altezza regolata scatola di legno con una superficie superiore di 50 x 50 cm2 sul pavimento coperto da un tappetino in gomma. La scatola di legno è 11 cm dai bordi delle piastre forza. Chiedere al partecipante di stare sulla superficie della scatola.
    3. Istruire il partecipante per estendere il loro piede dominante direttamente davanti alla casella e spostare il loro peso in avanti e passo fuori dalla scatola. Chiedere al partecipante di terra con entrambe le gambe a terra allo stesso tempo con ogni piede su un piatto di forza separata.
    4. Chiedere al partecipante di rimanere in piedi fino a quando il motion capture del processo è completato. Ripetere il motion capture tre volte per raccogliere tre prove di movimento per ogni altezza.
  8. Elaborazione dei dati di motion capture
    1. Aprire un programma di software di motion capture. All'interno della finestra principale del programma, vai al riquadro 'Communications'. Fare clic sulla scheda "Gestione dati" selezionare una delle prove registrate movimento e aprirlo nel programma.
    2. Nel riquadro 'Strumenti', fare clic sulla scheda "Pipeline". Dall'elenco 'Pipeline corrente', selezionare la pipeline di "Ricostruire". Fare clic sul pulsante "Esegui" per avviare il processo di ricostruzione per ottenere tre dimensioni (3D) traiettorie dei marcatori riflettenti.
    3. Nel riquadro 'Strumenti', fare clic sulla scheda "Etichetta/modifica". Nella sezione 'Etichettatura manuale', selezionare i nomi dei singoli marker ed etichettare le traiettorie 3D corrispondente. Fare clic su "Salva" pulsante della barra degli strumenti quando l'etichettatura è completato.
    4. Nel riquadro 'Strumenti', fare clic sulla scheda "Pipeline". Nella sezione "Operazioni disponibili", selezionare "Esporta documento". Fare doppio clic su "Export C3D pipeline". Fare clic sul pulsante "Esegui" per esportare la prova di movimento trasformati in un file in un formato di coordinate tridimensionale (C3D).
  9. Analisi biomeccanica dei dati di motion capture
    1. Aprire un programma di software di biomeccanica per ulteriore processo i dati di cattura del movimento. Dal menu superiore, fare clic su "File" e fare clic sul pulsante "Apri/Aggiungi". Selezionare i file raw C3D per importare nel programma software biomeccanica.
    2. Dal menu superiore, fare clic su "Modello". Fare clic su "creare (aggiungere File di calibrazione statica)". Dal sottomenu, selezionare "Modello ibrido da C3DFile". Selezionare e aprire il file C3D Calibratura statica.
    3. Dal menu superiore, fare clic su "Modello". Dall'elenco a discesa, fare clic su "Applica modello modello". Selezionare e aprire un file di modello di modello. Fare clic sulla scheda "Modelli" sulla barra degli strumenti. Fare clic sulla scheda "Subject Data / Metrics". All'interno della finestra 'Oggetto dati', modificare i valori di 'Massa' e 'Altezza' per rendere il modello di oggetto specifico.
    4. Fare clic sulla scheda "Modelli" sulla barra degli strumenti. Fare clic sul pulsante "Modello generatore avanzato Post Processing" della barra dei menu in alto. Nella finestra a comparsa "Modello generatore avanzato Post elaborazione di", fare clic sulla scheda "Articolazioni funzionali" selezionare "Aggiungi movimento File da area di lavoro".
    5. Selezionare i file funzionale centro congiunto C3D. Evidenziare un file comune funzionale importato. Evidenziare un'articolazione funzionale corrispondente al file. Utilizzare la "Impostare avviare Frame a Frame corrente" e "Set fine fotogramma a fotogramma corrente" per selezionare le porzioni adeguate del moto trial. Fare clic sul pulsante "Calcolo controllato Landmarks". Ripetere questo processo per calcolare altri centri funzionali congiunte per perfezionare il modello scheletrico.
    6. Fare clic sul pulsante "Modello" sulla barra dei menu in alto. Selezionare "Assegna il modello a file Motion". Nella finestra a comparsa dei "Assegnare modelli di movimento dati", è possibile applicare il modello scheletrico di oggetto specifico a tutte le prove di movimento.
    7. Fare clic sul pulsante "Pipeline" della barra degli strumenti. Nella finestra a comparsa del Workshop"Pipeline", fare clic sul pulsante "Open Pipeline". Selezionare il "filtraggio obiettivi Pipeline". Fare clic sul pulsante "Esegui Pipeline" per eseguire un filtro di Butterworth di quarto ordine passa-basso con frequenza di taglio di 10 Hz su traiettorie 3D delle prove di motion capture.
    8. Fare clic sul pulsante "Pipeline" della barra degli strumenti. Nella finestra a comparsa del Workshop"Pipeline", fare clic sul pulsante "Open Pipeline". Selezionare il "filtro Pipeline di forze". Fare clic sul pulsante "Esegui Pipeline" per eseguire un filtro di Butterworth di quarto ordine passa-basso con frequenza di taglio di 60 Hz su forze di reazione al suolo delle prove di motion capture.
    9. Fare clic sul pulsante "Impostazioni" della barra dei menu in alto. Mettere segni di spunta accanto a "Uso elaborati analoghi per terra reazione forza calcoli" e "Uso elaborati obiettivi per modello/segmento/LinkModelBased elementi".
    10. Fare clic sul pulsante "Pipeline" della barra degli strumenti. Nella finestra a comparsa del Workshop"Pipeline", fare clic sul pulsante "Open Pipeline". Selezionare la pipeline "Modello di calcolo basato". Fare clic sul pulsante "Esegui Pipeline" per eseguire calcoli di cinematica articolare inferiore del corpo e cinetica.
    11. Fare clic sul pulsante "Pipeline" della barra degli strumenti. Nella finestra a comparsa del Workshop"Pipeline", fare clic sul pulsante "Open Pipeline". Selezionare la pipeline "Esportare C3D coordinate". Fare clic sul pulsante "Esegui Pipeline" per esportare le coordinate 3D trasformate del basso-corpo marcatori visual in un file C3D.
    12. Fare clic sul pulsante "Pipeline" della barra degli strumenti. Nella finestra a comparsa del Workshop"Pipeline", fare clic sul pulsante "Open Pipeline". Selezionare la pipeline "Esportazione di forze di reazione al suolo". Clicca il pulsante "Eseguire Pipeline" per esportare la reazione del terreno 3D trasformati le forze in un file binario (estensione file: MAT).
      Nota: Per conservare le cime di alto impatto durante gli sbarchi, una frequenza di taglio di 60 Hz viene utilizzata per filtrare la terra cruda reazione forza dati23.
  10. Preparazione dei dati di cattura del movimento per simulazioni al computer
    1. Aprire un computer software di programmazione. Importare il file di dati filtrato C3D e il file di dati MAT.
    2. Esportare un file di testo contenente le coordinate del centro congiunto di parte inferiore del corpo. Convertire il file di dati di C3D e il file di dati MAT in file di testo (estensione file: slf) per l'utilizzo di un programma di simulazione dinamica multicorpo.

4. oggetto di specifiche Procedure di modellazione

  1. Creazione modello scheletrico inferiore del corpo
    1. Aprire il multibody programma di software di simulazione dinamica con il corpo umano modellazione plug-in installato. Durante questo processo, il corpo umano modellazione modulo plug-in viene aperto automaticamente. All'interno la schermata iniziale, fare doppio clic sull'icona "Nuovo modello" per aprire il pannello di controllo di compilazione del modello.
    2. All'interno del pannello principale modellazione, nella sezione "Antropometriche Database Library", scegliere il corpo generico (GeBOD) dall'elenco a discesa. All'interno del pannello principale modellazione, specificare la massa corporea (kg), altezza (mm) del corpo, sesso ed età (mesi).
    3. All'interno del pannello principale modellazione, nella sezione "Configurazione del corpo", fare clic su pulsante di opzione "Parte inferiore del corpo". Dall'elenco a discesa "Unità", selezionare "Millimetro chilogrammo Newton". All'interno del pannello principale modellazione, fare clic sul pulsante "Applica" nella sezione "Creare corpo misura tabella" ad accettare le misure del corpo. Continuare a fare clic sul pulsante "Applica" nella sezione "Creare segmenti umano" per creare un modello di base scheletrico inferiore del corpo.
      Nota: Questo modello viene ridimensionata in base su altezza dell'individuo, massa, età e sesso. Il modello è costituito da sette segmenti: un bacino, due cosce, due ancore e due piedini (Figura 1). Tutti i segmenti sono modellati come corpi rigidi.
  2. Modellazione articolazioni della parte inferiore del corpo
    1. All'interno del pannello principale modellazione, dall'elenco a discesa menu principale, selezionare "Giunti" per aprire il pannello di configurazione del giunto.
    2. All'interno del pannello di configurazione del giunto, nella sezione "Elementi di rotazione congiunta", fare clic sul pulsante accanto a "Preparare modello con registrazione articolazioni". Nella sezione "Proprietà da ammortizzatori di primavera e con limiti congiunta", inserire i seguenti parametri: rigidità articolare nominale di 1 Nmm / °, smorzamento congiunta nominale di 0,1 Nmm∙s / °, rigidità articolare di smettere di 3.38E7 Nmm / °. Continuare a selezionare "Gamba sinistra" e "destra" selezionando i pulsanti di opzione accanto ai nomi. Fare clic sul pulsante "Applica" per accettare le configurazioni di giunti.
    3. All'interno del pannello principale modellazione, dall'elenco a discesa del menu principale, selezionare "Workflow". Dall'elenco a discesa del sottomenu, selezionare "Andatura" e "Calibra". Nella sezione "Comune centro dati", inserire file centro articolare inferiore del corpo del partecipante.
    4. Fare clic sul pulsante "Load" per importare i dati per modificare le posizioni dei centri comuni. Nella sezione "Carico statico prova", immettere il processo di cattura del movimento Calibratura statica (nel formato di file di slf, generazione descritta in passi 3.8-3.10). Fare clic sul pulsante "Load" per importare il file per parametrizzare il modello scheletrico del basso-corpo.
      Nota: Per impostazione predefinita, le articolazioni dell'anca sono configurate come giunture sferiche con tre gradi di libertà, giunti di ginocchio sono configurati come revolute giunti con un grado di libertà e giunti di caviglia sono configurati come giunti cardanici con due gradi di libertà.
  3. I muscoli scheletrici di modellazione
    1. All'interno del pannello principale modellazione, dall'elenco a discesa del menu principale, selezionare "Tessuti molli". Dall'elenco a discesa del sottomenu, selezionare "Crea Base tessuto Set". Nella sezione "Elementi CONTRATTILI del muscolo", fare clic su "Modello di preparare con registrazione muscolo elementi".
    2. Nella sezione "Registrazione elemento muscolo proprietà globali", fare clic sul pulsante radio "Aggiornamento 45 muscolo del Set di".
    3. Nella sezione "Registrazione elemento muscolo proprietà globali", accettare le seguenti impostazioni predefinite per le proprietà del muscolo: rigidezza passiva 0.4448 N/mm, smorzamento passivo di 1.75 E-2 Ns/mm, carico di riposo muscolare di 0.4448 N. Check i pulsanti di opzione della "Gamba sinistra" e "Gamba di destra" per le assegnazioni del muscolo. Fare clic sul pulsante "Applica" per accettare le configurazioni.
      Nota: Il set di muscolo della gamba 45 comprende i seguenti muscoli: adduttore Brevis, Longus adduttore, Magnus adduttore (tre gruppi), capo lungo del bicipite femorale, bicipite femorale testa corta, Digitorum dell'estensore, Hallucis dell'estensore, flessore, Hallucis del flessore, Gastrocnemio, Gemellus, grande gluteo (tre gruppi), glutei Medias (tre gruppi), gluteo Minimis (tre gruppi), Gracilis, tendine del ginocchio, Iliacus, gastrocnemio laterale, gastrocnemio mediale, Pettineo, Peroneus Brevis, Longus di Peroneus, Peroneus Tertius, piriforme, Psoas, quadricipite femorale, retto femorale, Sartorius, semimembranoso, semitendinoso, Soleo, tensore fascia lata, tibiale anteriore, tibiale posteriore, Intermedius di Vastus, Vastus Lateralis, Medialis di Vastus.

5. multi-body Dynamics Simulations

  1. Eseguendo la simulazione cinematica inversa
    1. All'interno del pannello principale modellazione, dall'elenco a discesa del menu principale, selezionare "Workflow". Dall'elenco a discesa del sottomenu, selezionare "Andatura" e "Prova". Nella sezione "Dati di prova dinamici", immettere il nome file di un processo di cattura del movimento dinamico (nel formato di file di slf) e fare clic sul pulsante "Load" per importare i dati. Continuare a immettere la forza di reazione del terreno corrispondente file (nel formato di file di slf) di dati e fare clic sul pulsante "Load" per importare i dati.
    2. All'interno del pannello principale modellazione, dall'elenco a discesa del menu principale, selezionare "_Analyze". Eseguite l'analisi Riparametrizza per regolare la postura di modello per abbinare la postura all'inizio della prova dinamica.
    3. Aprire il pannello di simulazione. Disabilitare gli effetti delle forze di reazione di gravità e terra. Scegliere l'intero movimento di prova come la lunghezza della simulazione.
    4. Specificare un passo del tempo di simulazione di 100 passi/s. eseguire una simulazione cinematica inversa guidato dai dati di cattura del movimento. Salvare l'analisi di simulazione cinematica inversa.
  2. Creazione di un agente di motion tracking
    1. Aprire il pannello di Motion Tracking agente creazione. Accettare il nome predefinito di tracking: MA_Track.
    2. Impostare la rigidità traslazionale e rotazionale come 10 N/mm e 1.000 Nmm / °, rispettivamente. Impostare lo smorzamento traslazionale e rotazionale di smorzamento come Ns/10mm e 1.000 NMM / °, rispettivamente. Impostare tutti i gradi di libertà traslazionali e rotazionali come Driven.
    3. Nota. Come solo il modello della parte inferiore del corpo è usato per la simulazione dinamica in avanti, un Tracciatore movimento è necessario tener conto dell'instabilità a causa della mancanza di movimento della parte superiore del corpo.
  3. Muscoli delle gambe formazione
    1. Aprire il pannello di configurazione di tessuti molli. Scegliere Closed-loop semplice per il modello di muscolo. Impostare i seguenti parametri per il modello muscolare: guadagno proporzionale di 1.0E6, guadagno integrale di 1.0E6 e ottenere il derivato di 1.0E4.
    2. Selezionare l'analisi di simulazione cinematica inversa per essere la destinazione della formazione muscolare. Applicare la formazione del muscolo.
  4. L'importazione di una tibia flessibile
    1. Aprire il pannello di importazione corpo flessibile. Eseguire il Mapping dell'allineamento con tre produttori noti e loro nodi corrispondenti sulla superficie della tibia flessibile.
    2. Scegliere la tibia rigida per essere sostituito da tibia flessibile. Selezionare il file MNF che rappresenta la tibia flessibile. Selezionare il file di mapping di attaccamento muscolare per riattaccare i muscoli delle gambe alla tibia flessibile. Importare la tibia flessibile al modello muscolo-scheletrico.
  5. Eseguendo la simulazione dinamica in avanti con la tibia flessibile al posto
    1. Aprire il pannello di simulazione. Abilitare gli effetti delle forze di reazione di gravità e terra. Disabilitare gli effetti degli agenti di movimento.
    2. Scegliere di eseguire la simulazione per la lunghezza del moto intera prova. Impostare passo temporale simulazione di 100 passi/s. Esegui una simulazione dinamica avanti guidato da muscoli allenati. Salvare l'analisi dinamica in avanti.

6. creazione di un modello flessibile di Tibia

  1. Creazione di un modello 3D mesh di superficie
    1. Aprire un programma di elaborazione di immagini. Fette di CT di importazione nel formato DICOM. Creare una maschera utilizzando il metodo crescente regione per separare il tessuto osseo ai tessuti molli circostanti.
    2. Ricerca per fette di CT dove sono collegati la tibia ed il perone. Separare la tibia ed il perone cancellando la maschera lungo la congiunzione delle due ossa.
    3. Creare una seconda maschera utilizzando il metodo di coltivazione di regione per includere solo l'osso della tibia. Passare attraverso le fette di CT per scoprire cavità esistenti nella maschera di tibia. Riempire le cavità nella maschera. Creare un oggetto 3D tibia basato sulla maschera di tibia. Esportare l'oggetto 3D tibia come file in formato di interscambio di disegno (DXF).
  2. Creazione di un modello di tibia di elementi finiti
    1. Aprire un programma di software di analisi FE. Importare il file di modello 3D tibia con l'estensione DXF.
    2. Eseguire il comando Sweep per rimuovere gli elementi duplicati e nodi. Eseguire il comando Volume Mesh per creare un modello di tibia FE con elementi esagonali di 3 mm x 3 mm x 3 mm. assegnare le seguenti proprietà del materiale a tutti gli elementi: modulo di Young di 17 GPa, coefficiente di Poisson di 0,3 e densità di 1.9 e-6 Kg/cm3.
      Nota: La proprietà del materiale sono assegnate a ogni elemento con il presupposto che il tessuto osseo è isotropo all'interno delle gamme del ceppo sperimentato dall'osso durante movimenti dinamici24,25,26.
  3. Creazione di un modello flessibile di tibia
    1. All'interno del pannello di controllo principale, fare clic sulla scheda "Geometria & Mesh" Select "geometria & Mesh". Nella finestra pop-up "Geometria & Mesh", nella sezione "Rete", fare clic su "Aggiungere nodi" per creare due nuovi nodi per rappresentare i centri delle articolazioni del ginocchio e della caviglia.
    2. Nel pannello di controllo, fare clic sulla scheda "Links" selezionare RBE2. Nella finestra pop-up di RBE2, creare connessioni di collegamento di elemento di tipo corpo rigido 2 (RBE2) tra i nodi congiunti e superficie sulle superfici del ginocchio e della caviglia.
    3. Nel pannello di controllo, fare clic sulla scheda "Condizioni al contorno". Nella sezione "Condizioni al contorno", fare clic sul pulsante "New". Selezionare "DOF_Set nodi". Nella finestra pop-up di "Condizioni al contorno di proprietà", è necessario creare una condizione al contorno mediante l'assegnazione di sei gradi di libertà a ciascuno dei due nodi congiunti RBE2.
    4. Nel pannello di controllo, fare clic sulla scheda "Loadcases". Nella sezione "Loadcases", "Nuovo", selezionare "Craig Adams-Bampton"19. Nella finestra pop-up "Proprietà Loadcase", fare clic su "Nodi DOF-Set". Selezionare il dofset_nodes creato nel passaggio precedente.
    5. Nel pannello di controllo, fare clic sulla scheda "Processi". Nella sezione "Offerte di lavoro", fare clic su "Nuovo". Selezionare "Strutturale". Nella finestra "Proprietà del lavoro" a comparsa, selezionare il loadcase creato nel passaggio precedente. Fare clic sul pulsante "Risultati del processo". Nella finestra pop-up di "Risultati", selezionare "Stress" e "Ceppo". Selezionare anche "Chilogrammo" per la massa, "Newton" per forza, "Millimetro" per lunghezza e la "Seconda" per tempo. Fare clic sul pulsante "Esegui".
    6. Nella finestra a comparsa "Esegui processo", fare clic sul pulsante "Invia" per inviare il lavoro per una simulazione di FE e per creare il file neutro modale (MNF) della tibia16.

7. analisi dei dati ceppo

  1. Esportazione dati di deformazione dell'osso
    1. Aprire il post processore del programma di simulazione multicorpo. Caricare il programma plug-in durevolezza.
    2. Aprire la simulazione con la tibia flessibile cliccando il nome di simulazione. Esportare i ceppi principali minimi e massimi e deformazione di taglio massima dei nodi che rappresentano l'aspetto antero-mediale della diafisi metà-tibiale.
  2. L'elaborazione dei dati grezzi ceppo
    1. Aprire un computer software di programmazione per l'elaborazione dati. Importare dati di deformazione crudo. Applicare un filtro di Butterworth di quarto ordine passa-basso per i dati raw con una frequenza di taglio di 15 Hz.

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Representative Results

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Un sano maschio caucasico (19 anni, altezza 1800 mm, massa 80 kg) si offrì volontario per lo studio. Prima della raccolta di dati, il soggetto esaminato e firmato il modulo di consenso approvato dalla University Institutional Review Board prima di partecipare allo studio. L'esperimento è stato condotto sotto la dichiarazione di Helsinki. L'esperimento è stato eseguito in base il seguente protocollo.

Al fine di verificare l'accuratezza della simulazione dinamica avanti, parte inferiore del corpo angoli articolari dalla simulazione sono stati confrontati con i corrispondenti angoli articolari misurati dai dati di cattura del movimento elaborati da un programma di analisi biomeccanica. Un software di analisi statistica è stato utilizzato per calcolare i coefficienti di correlazione incrociata dei confronti. Il calcolo di cross-correlazione ammessi 10 Gal in direzioni positive e negative. Ogni GAL ha corrisposto ad un tempo un passo in avanti simulazione dinamica (0,01 s). I coefficienti di correlazione massimi sono stati identificati.

Ispezione visiva della Figura 2, Figura 3e Figura 4 illustra le somiglianze tra gli angoli articolari prodotte con i dati sperimentali e con i dati di simulazione. Coefficienti di correlazione incrociata forti sono stati trovati fra gli angoli sperimentali e simulazione congiunti a zero lag (tabella 1).

I ceppi di picco alla regione antero-mediale dell'albero metà-tibiale durante l'atterraggio da tre diverse altezze sono presentati nella tabella 2. Tra le altezze di tre atterraggio, 52cm condizione di atterraggio ha dimostrato più grande entità massima di picco, picco minimo principale e ceppi di taglio massimo picco. Inoltre, è stato osservato che, come l'altezza di caduta è aumentato, i ceppi principali massima di picco aumentati.

Figure 1
Figura 1: modello muscoloscheletrico oggetto specifico creato nel presente studio. Questo modello muscolo-scheletrico del corpo inferiore include sei segmenti rigidi (bacino, femore destro e sinistro, tibia sinistra e piede destro e sinistro) e una flessibile tibia (tibia di destra). 90 muscoli delle gambe sono collegati al modello. A scopo di visualizzazione, ogni muscolo è rappresentato da una linea di colore corallina. Centri comuni sono rappresentati da sfere blu luce per le palle viola e corpo più basso di destra per parte inferiore sinistra del corpo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Joint confronti di angolo (in gradi) tra movimento sperimentale acquisizione dati e simulazione per goccia-atterraggio da 26 cm di altezza. Linee continue rappresentano angoli articolari computati con dati di cattura del movimento sperimentale. Linee tratteggiate rappresentano angoli articolari prodotti dai dati di simulazione dinamica multicorpo. Linee verticali rappresentano momenti di impatto. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Joint confronti di angolo (in gradi) tra movimento sperimentale acquisizione dati e simulazione per goccia-atterraggio da 39 cm di altezza. Linee continue rappresentano angoli articolari computati con dati di cattura del movimento sperimentale. Linee tratteggiate rappresentano angoli articolari prodotti dai dati di simulazione dinamica multicorpo. Linee verticali rappresentano momenti di impatto. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Joint confronti di angolo (in gradi) tra movimento sperimentale acquisizione dati e simulazione per goccia-atterraggio da 52 cm di altezza. Linee continue rappresentano angoli articolari computati con dati di cattura del movimento sperimentale. Linee tratteggiate rappresentano angoli articolari prodotti dai dati di simulazione dinamica multicorpo. Linee verticali rappresentano momenti di impatto. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Droplanding Heights
26 cm 39 cm 52 cm
Articolazioni della parte inferiore del corpo Coefficiente di correlazione incrociata Lag Coefficiente di correlazione incrociata Lag Coefficiente di correlazione incrociata Lag
Alla caviglia 0,998 0 0,998 0 0,999 0
Al ginocchio 1 0 1 0 1 0
Anca 0,999 0 1 0 1 0

Tabella 1: coefficienti di correlazione incrociata e GAL da un confronto tra angoli articolari prodotti sulla base dei dati di motion capture e angoli articolari prodotte da dati di simulazione. Una prova ad ogni altezza è stata utilizzata per i confronti. Zero lag non indica alcuna differenza nel tempo quando angoli articolari sono state prodotte tra i due approcci.

Droplanding Heights
Ceppo dell'osso (µstrain) 26 cm 39 cm 52 cm
Massimo Principal 1160 1270 1410
Capitale minimo -659 -598 -867
Massimo sforzo di taglio 893 870 1140

Tabella 2: osso Tibia ceppi all'aspetto dell'albero metà-tibiale antero-mediale durante l'atterraggio di goccia da tre diverse altezze. Principale massima, minima principal e taglio massimo ceppi sono presentati.

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Discussion

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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 esaminato l'effetto di goccia-atterraggio altezza su sforzo tibial. In questo studio, abbiamo osservato che, come la goccia-atterraggio altezza aumentata, così ha fatto i ceppi principali massima di picco. Inoltre, tra le condizioni di tre atterraggio, la condizione di 52 cm ha provocato il più alto picco massimo principale, principal minimo e ceppi di taglio massimo.

Sono disponibili nella letteratura per quanto riguarda l'effetto di goccia-atterraggio sul ceppo di tibia limitata in vivo dati. Milgrom et al., ha segnalato la sollecitazione massima principale che vanno da µstrain 896-1.007 durante gli atterraggi da tre diverse altezze (26, 39, 52 cm)14. Ekenman et al ha segnalato un ceppo medio di 2.128 µstrain durante l'atterraggio da un altezza di 45 cm13. Lo sforzo principale massimo da simulazioni su elaboratore erano fra 1.160-1.410 µstrain durante l'atterraggio da tre diverse altezze (26, 39, 52 centimetri), che erano superiori a quelli segnalati da Milgrom et al. , ma erano più basso di quello segnalato da Ekenman et al. 13 , 14

I seguenti motivi possono contribuire per la differenza di tensione tra gli studi attuali e precedenti. Esistono differenze demografiche, prime tra i soggetti in questo e gli studi precedenti. Abbiamo usato un soggetto di sesso maschile fisicamente attivo. Studio di Ekenman ha coinvolto un soggetto di sesso femminile13. Studio di Milgrom incluso sia maschi che femmine e segnalato i ceppi media14. In secondo luogo, calzature possono svolgere un ruolo nelle differenze nel ceppo di osso. Lanyon et al ha studiato l'effetto di calzature su ceppi tibial, hanno trovato che camminare e correre a piedi nudi ha provocato una maggiore ceppi rispetto a indossare scarpe12. Lo studio corrente ha utilizzato un protocollo di atterraggio a piedi nudi, i valori di tensione calcolati erano superiori a quelle di Milgrom et al. Studio, che ha utilizzato un protocollo di atterraggio con scarpe da ginnastica standard14. In terzo luogo, le alterazioni nella strategia di atterraggio possono anche influenzare il ceppo tibial. Nello studio presente, era possibile che il soggetto potrebbe scegliere una strategia come crescente flessione del tronco per contribuire a ridurre l'impatto quando l'altezza di caduta-atterraggio aumentato. Questa strategia potrebbe contribuire a proteggere la tibia da grandi deformazioni. Milgrom et al ha anche suggerito una possibile strategia di protezione utilizzata da suo soggetti14. In quarto luogo, ci potrebbe essere una leggera differenza nelle posizioni dove il ceppo tibial è stata monitorata. Il nostro studio ha esaminato il ceppo dell'osso all'aspetto dell'albero metà-tibiale antero-mediale. In Milgrom et al., ceppi sono stati registrati dalla regione mediale della metà-tibial del pozzo14. Piano sagittale momento flettente sulla tibia durante l'atterraggio può causare deformazione principale massima alta in posti vicino le regioni anteriori del pozzo tibial. Ciò nonostante, i nostri risultati di ceppo sembrano essere paragonabile ai risultati da studi precedenti e cadere nel campo di deformazione (400-2.200 µstrain) segnalato da quelli in vivo studi10,13,14.

I valori di sforzo tibial ottenuti da questo approccio non invasivo sono influenzati dalla precisione del modello muscolo-scheletrico. Cross-correlazioni sono state effettuate per esaminare i dati sperimentali angolo articolare e computer simulazione durante la discesa-atterraggi. I coefficienti di correlazione forti sono stati trovati tra i dati misurati sperimentalmente e dati di simulazione del computer. Questo indica che il modello di oggetto specifico sviluppato in questo studio ragionevolmente in grado di replicare i movimenti di goccia-atterraggio. Inoltre, i ceppi tibiali riferiti in questo studio sono stati ben di sotto di 3.000 µstrain, che conferma il presupposto derivato da altri studi che la deformazione dell'osso di tibia è lineare durante goccia-sbarchi14,15. Quindi, con i dati di ceppo calcolato essere nel range di linearità ed eccellente repliche di atterraggio schemi di movimento, abbiamo concluso che i dati di ceppo ottenuti da questo approccio non invasivo erano ragionevolmente accurati. Inoltre, lo studio corrente ha assunto soltanto un soggetto per esaminare osso ceppo durante goccia-atterraggi. Gli studi futuri potrebbero esaminare se vi sia una relazione di risposta dose tra altezze di goccia-atterraggio e tibia osseo ceppi utilizzando un campione di grandi dimensioni.

L'importanza di questo studio è quello di introdurre un metodo non invasivo innovativo di misurare la deformazione dell'osso. Questo approccio non invasivo consente di risolvere le limitazioni associate alla convenzionale in vivo dell'estensimetro misura, che non può essere applicata a un ampio campione di soggetti umani. Inoltre, l'attuale metodo proposto affronta limitazioni connesse con un metodo non-invasivo precedentemente segnalati16,17, che è stato influenzato mediante dati cinematici limitati per guidare le simulazioni ed era solo adatto per studiando i movimenti di terra basso impatto come camminare. Come tibia fratture da stress rimangono elevate nelle popolazioni atletiche e militare, è fondamentale per studiare l'effetto di attività fisica ad alto impatto (ad es., correre, saltare e taglio) sulle risposte tibial dell'osso. L'attuale approccio non invasivo innovativo sembra essere una soluzione fattibile per lo svolgimento di questi studi. Questo farà luce sullo sviluppo di protocolli di allenamento fisico adeguato per gli atleti e reclute militari per ridurre le lesioni di sforzo della tibia. Inoltre, questo metodo non invasivo innovativo rappresenta un'opportunità per valutare l'osso ceppi in altre ossa inaccessibile con calibri implementati come il femore e il navicolare.

Importanti tematiche collegate a questa misura della deformazione dell'osso non invasiva devono essere affrontate qui. In primo luogo, generico basso-corpo muscolo-scheletrico viene creato un modello basato su età, sesso, massa corporea e altezza del corpo dell'individuo utilizzando il database di GeBOD27. Posizioni misurate sperimentalmente spaziale della parte inferiore del corpo congiunti centri vengono utilizzate per perfezionare il modello muscolo-scheletrico. Rispetto al modello generico, questo approccio di modellazione specifica di un soggetto presenta un modello meglio osteomuscolare della struttura fisica dell'individuo. Gli studi futuri potrebbero considerare lo sviluppo di un modello di corpo pieno muscolo-scheletrico per il movimento della parte superiore del corpo durante le simulazioni di dinamiche multicorpo.

In secondo luogo, ci sono 45 muscoli assegnati a ciascuna gamba nel modello. Origini e inserzioni dei muscoli sono anatomicamente determinata27. Un semplice algoritmo di regolazione viene utilizzato per gestire la produzione di forza di muscolare individuale. In particolare, la modifica della storia di lunghezza del muscolo durante il movimento dinamico quali atterraggio viene registrata tramite la simulazione cinematica inversa. Quando viene eseguita la simulazione dinamica in avanti, un regolatore di PID è stato assegnato a ciascun muscolo e utilizzato per regolare la forza muscolare necessaria per duplicare la storia di lunghezza del muscolo registrata in precedenza. Questo semplice circuito chiuso algoritmo produce ottimi risultati nella replica cinematica articolare. Tuttavia, questo approccio non tiene conto per neurale coordinamento fra i muscoli con funzioni simili e poteva non rappresentare co-contrazioni da antagonisti. Lavori futuri potrebbero considerare l'utilizzo di un modello basato sulla collina del muscolo, che consiste di un elemento attivo contrattile (CE) e un elemento elastico passivo (PE). Il modello basato su collina integra forza-velocità del muscolo e forza-lunghezza relazioni per produrre tensione. La forza muscolare calcolato può essere confrontata ai dati EMG per la convalida.

In terzo luogo, viene creato un modello di oggetto specifico tibia dalle immagini di CT per rappresentare la vera geometria dell'osso tibia sotto inchiesta. Mentre la formazione immagine di CT è il metodo principale per ottenere la vera geometria dell'osso tibia, altre tecniche di imaging come la risonanza magnetica (MRI) utilizzabile anche per produrre il modello di oggetto specifico tibia. Inoltre, l'attuale protocollo di modellazione presuppone la proprietà material di tibia di essere isotropo. Un valore di densità generico di 1.9 e-6 kg/cm3 e modulo di Young singolo di 17 GPa vengono assegnati a tutti gli elementi di FE tibiali. Gli studi futuri possono considerare ottenendo valori di densità da tutte le regioni nella tibia. Questo può essere fatto introducendo un fantasma calibrato durante l'esplorazione di CT. Densità ossea può quindi essere calcolata sulla base unità di Hounsfield di CT. Modulo di Young del tessuto osseo può essere ulteriormente calcolato sulla base dati di densità. Assegnazione di proprietà dei materiali specialistici al modello FE tibial darà risultati più realistico dell'osso ceppo attraverso simulazioni.

In quarto luogo, un'analisi modale di FE viene utilizzata per calcolare ceppi dell'osso. Durante questa analisi modale, risposte in frequenza sono computate per abbinare carichi meccanici (forze lineari e angolari) imposti alle articolazioni del ginocchio e della caviglia. Una tibia flessibile rappresentata da un file MNF è generata dall'analisi modale FE. Questa tibia flessibile è stato introdotto al modello muscoloscheletrico oggetto specifico per sostituire la tibia rigida corrispondente. Durante la successiva simulazione dinamica avanti, deformazione della tibia flessibile a ogni passo temporale è quantificato. Rispetto all'analisi tradizionale di FE, che calcola le risposte meccaniche di un oggetto di FE composto da migliaia di gradi di libertà (migliaia di elementi e nodi) a ogni passo temporale di movimento, questo approccio di analisi modale si occupa molto meno numeri di gradi di libertà all'interno del dominio di frequenza (ad esempio, 12 condizioni di carico da articolazioni del ginocchio e della caviglia). Con l'approccio di analisi modale, tempo di calcolo è ridotto significativamente da più ore/giorni a meno di 1 h per una simulazione tipica. Oltre al vantaggio di consumare meno tempo di computer, analisi modale approccio è ideale per il computing piccole deformazioni (< 10%) con esperienza di strutture rigide come il tessuto osseo.

Infine, i vantaggi dell'attuale approccio non invasivo rispetto un metodo precedentemente segnalati16,17 devono essere affrontati qui. A) il nostro modello muscolo-scheletrico è raffinato per possedere più accurate centri congiunte inferiore del corpo, che sono prodotte attraverso la valutazione congiunta funzionale22. Tuttavia, il metodo precedente definisce centri comuni per il modello basato sul plug-in andatura procedura21 con l'aiuto di utilizzando un numero limitato di indicatori di visual. B) questo modello incorpora 45 muscoli per ogni gamba rispetto a soltanto 12 muscoli utilizzati nel modello precedente. Aumentando il numero dei muscoli delle gambe nel modello muscoloscheletrico migliorerebbe la qualità della simulazione. C) durante la simulazione cinematica inversa, il modello muscolo-scheletrico è azionato da una serie di marcatori visual 34 posizionato sulla parte inferiore del corpo, che permette la migliore duplicazione del movimento effettivo. Al contrario, l'approccio precedente utilizza solo 16 marcatori per guidare la simulazione stessa, e questo può introdurre errori numerici per la simulazione. D) durante la simulazione dinamica in avanti, la vera terra impatto forze vengono applicate a questo modello muscolo-scheletrico per simulare il movimento. Tuttavia, il metodo precedente non è in grado di integrare le forze di impatto al suolo nella simulazione. Senza utilizzare il reale impatto delle forze di terra durante le simulazioni dinamiche in avanti, il metodo precedente è limitato per studiare le attività a basso impatto. La procedura descritta sopra, che prendiamo per migliorare la fedeltà del modello muscoloscheletrico oggetto specifico sembra essere successo per l'esame tibial deformazione durante i movimenti umani. L'aggiunta di incorporare le forze di impatto vero terreno nelle simulazioni si rivela necessario studiare osso ceppo durante attività di impatto di alta terra.

In conclusione, in vivo deformazione dell'osso di tibia è normalmente misurata con il metodo di calibro di macchia convenzionali. Questo approccio è associato con limitazioni, ad esempio una natura invasiva, meno superficie ossea piccole aree analizzati, ecc un nuovo approccio impiegato multicorpo simulazioni dinamiche con analisi modale di FE è stato proposto in questo studio per volontari quantificare la deformazione della tibia durante la discesa-atterraggi. È evidente che questo approccio può affrontare le limitazioni ereditate dalla misurazione convenzionale strain-gauge. Inoltre, come questo approccio beneficia di utilizzo reale sperimentali dati cinematici e cinetici, come pure un oggetto specifico modello muscolo-scheletrico e tibia flessibile per eseguire la simulazione dinamica e analisi modale di FE, esso rappresenta un enorme miglioramento nella protocollo di ricerca sopra un metodo precedentemente segnalato. Così, questo approccio non invasivo che utilizza dati specialistici per multicorpo simulazioni dinamiche combinati con analisi modale FE potrebbe diventare uno strumento promettente per lo studio di tibial deformazione durante il movimento dinamico. La ricerca futura potrebbe impiegare questo metodo per studiare osso ceppi durante attività ad alto impatto per un'ampia coorte di studiare i meccanismi di ferita di fratture da stress dell'osso.

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Disclosures

Gli autori dichiarano di non avere nessun concorrenti interessi finanziari.

Acknowledgments

Dipartimento dell'esercito n #W81XWH-08-1-0587, n #W81XWH-15-1-0006; Ball State University 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.

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References

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Modello muscoloscheletrico specialistici per lo studio della deformazione dell'osso durante il movimento dinamico
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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).

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