Assunto específico modelo músculo-esquelético para estudar a estirpe de osso durante o movimento dinâmico
Summary
Durante o pouso, parte inferior do corpo ossos grandes cargas mecânicas de experiência e são deformados. É essencial para medir a deformação do osso para melhor compreender os mecanismos de lesões por esforço ósseo associados a impactos. Uma nova abordagem de integração de modelagem osteomuscular assunto específico e análise de elementos finitos é usada para medir a tensão da tíbia durante os movimentos dinâmicos.
Abstract
Lesões por esforço óssea são comuns em esportes e treinamentos militares. Forças de impacto repetitivo terrestres grandes durante o treinamento poderiam ser a causa. É essencial para determinar o efeito de alto impacto forças na deformação do osso da parte inferior do corpo, para melhor compreender os mecanismos das lesões de estresse do osso. Medição do calibre de tensão convencional tem sido usada para estudar na vivo deformação de tíbia. Este método está associado com limitações, incluindo capacidade de invasão do procedimento, o envolvimento de alguns seres humanos e dados limitados de tensão de áreas de superfície de pequeno osso. O presente estudo pretende introduzir uma nova abordagem para estudar a estirpe de osso tíbia sob condições de carga de alto impacto. Um modelo músculo-esquelético assunto específico foi criado para representar um macho saudável (19 anos, 80 kg, 1.800 mm). Um modelo de tíbia de elementos finitos flexível foi criado com base em um exame de tomografia computadorizada (CT) da tíbia direita do sujeito. Captura de movimento de laboratório foi realizada para obter cinemática e chão forças de reação do gota-desembarques de alturas diferentes (26, 39, 52 cm). Multicorpos simulações dinâmicas combinadas com uma análise modal da tíbia flexível foram realizadas para quantificar a estirpe da tíbia durante a queda-pousos. Dados de tensão calculada tíbia eram bom de acordo com estudos anteriores em vivo . É evidente que esta abordagem não-invasivo pode ser aplicada para estudar a estirpe de osso tíbia durante atividades de alto impacto para uma grande coorte, que levará a uma melhor compreensão do mecanismo de lesão das fraturas de estresse de tíbia.
Introduction
Lesões por esforço ósseo, tais como fraturas por estresse, são lesões de uso excessivo de graves que exigem longos períodos de recuperação e incorrer em custos médicos significativos1,2. As fraturas por estresse são comuns tanto em populações atléticas e militares. Entre todos os desportos relacionados com lesões, fraturas por estresse representam 10% do total3. Em particular, os atletas faixa enfrentam uma maior taxa de lesões em 20%4. Soldados também experimentam uma alta taxa de fraturas de estresse. Por exemplo, uma taxa de 6% de lesão foi relatada para o exército dos EUA1 e uma taxa de 31% de lesões foi relatada no exército israelense5. Entre todas as fraturas de stress relatadas, fratura de estresse da tíbia é a mais comum um6,7,8.
Esportes e treinamentos físicos com um maior risco de fratura de estresse da tíbia estão normalmente associados a impactos de terras altas (por exemplo, saltar, desembarque e corte). Durante a locomoção, uma força de impacto do solo é aplicada ao corpo quando o pé entra em contato com o chão. Esta força de impacto é dissipada pelo sistema músculo-esquelético e calçado. O sistema esquelético serve como uma série de alavancas, permitindo que os músculos de aplicar forças para absorver o impacto de chão9. Quando os músculos da perna adequadamente não podem reduzir o impacto do solo, os ossos da parte inferior do corpo devem absorver a força residual. Estrutura óssea irá experimentar deformação durante este processo. Absorção repetitiva da força de impacto residual pode resultar em microdamages no osso, que se acumulam e se tornar fraturas por estresse. Até à data, informações relacionadas ao osso reação às forças de impacto externo do chão é limitada. É importante estudar como o osso da tíbia responde à carga mecânica introduzida pelas forças de alto impacto durante os movimentos dinâmicos. Análise de deformação de osso tíbia durante atividades de alto impacto pode levar a uma melhor compreensão do mecanismo de fratura de estresse da tíbia.
Técnicas convencionais utilizadas para medir o osso deformação na vivo dependem instrumentado extensómetros10,11,12,13,14,15. Procedimentos cirúrgicos são necessários para implantar extensómetros na superfície óssea. Devido à natureza invasiva, estudos em vivo são limitados por uma pequena amostra dos voluntários. Além disso, o calibre de tensão só pode monitorar uma pequena região da superfície do osso. Recentemente, um método não-invasivo utilizando simulação de computador para analisar a deformação do osso foi introduzido16,17. Esta metodologia permite a habilidade de combinar modelagem osteomuscular e simulações computacionais para estudar a estirpe de osso durante o movimento humano.
Um modelo músculo-esquelético é representado por um esqueleto e músculos esqueléticos. O esqueleto é composto por segmentos ósseos, que são corpos rígidos ou não deformável. Os músculos esqueléticos são modelados como controladores usando o algoritmo de progressivo-integral-Derivativo (PID). O controle PID do três-termo usa erros na estimativa para melhorar a precisão de saída18. Em essência, controladores PID, representando os músculos tentam duplicar os movimentos do corpo através do desenvolvimento de forças necessárias para produzir mudanças de comprimento dos músculos ao longo do tempo. O controlador PID usa o erro na curva comprimento/tempo para modificar a força para a reprodução do movimento. Este processo de simulação cria uma solução viável para coordenar todos os músculos a trabalhar juntos para mover o esqueleto e produzir o movimento do corpo.
Um ou mais segmentos do esqueleto do modelo músculo-esquelético podem ser modelados como corpos flexíveis para permitir a medição da deformação. Por exemplo, o osso da tíbia pode ser dividido em um número finito de elementos, que consiste de milhares de elementos e de nós. O efeito de carregamento mecânico na tíbia flexível pode ser examinado através da análise de elementos finitos (FE). A análise de FE calcula a resposta de carregamento de elementos individuais ao longo do tempo. Como o número de elementos e nós de aumento de osso, irá aumentar significativamente o tempo de computação da análise de FE.
Para reduzir o custo computacional com avaliação exata da deformação dos corpos flexíveis, análise modal FE foi desenvolvido e usado dentro da indústria automotiva e aeroespacial19,20. Em vez de analisar respostas dos elementos individuais do FE a carga mecânica no domínio do tempo, esse procedimento avalia respostas mecânicas do objeto, com base em diferentes frequências vibracionais no domínio da frequência. Esse método resulta em uma redução significativa no tempo de computação, proporcionando uma medição precisa de deformação20. Embora a análise modal de FE tem sido amplamente utilizada para estudar a fadiga mecânica nas áreas automotivas e aeroespaciais, a aplicação deste método tem sido muito limitada em ciência do movimento humano. Et al. Al Nazer, usado uma análise modal de FE para examinar a deformação da tíbia durante a marcha humana e relatou incentivando resultados16,17. No entanto, seu método foi muito afetado usando apenas dados limitados de cinemáticos de uma experiência para dirigir as simulações de computador; Não havia nenhuma real forças de impacto utilizadas para auxiliar as simulações. Esta abordagem pode ser razoável para estudar propostas de lenta de baixo impacto como caminhar, mas não é uma solução viável para o estudo de movimentos de alto impacto. Assim, a fim de examinar as reações do osso da parte inferior do corpo durante atividades dinâmicas de alto impacto, é essencial desenvolver uma abordagem inovadora para resolver as limitações associadas com o método relatado anteriormente. Especificamente, um método utilizando dados precisos de cinemáticos experimentais e real forças de impacto terrestres devem ser desenvolvidas. Portanto, o objetivo deste estudo foi desenvolver um modelo músculo-esquelético de assunto específico para realizar simulações dinâmicas Multicorpos com análise modal de FE para examinar a tensão da tíbia durante atividades de alto impacto. Um movimento dinâmico de alto impacto representado pela gota-desembarques de diferentes alturas foi selecionado para o método de ensaio.
Protocol
Representative Results
Discussion
O objetivo deste estudo foi desenvolver um método não-invasivo para determinar deformação da tíbia durante atividades de alto impacto. Quantificar a estirpe de tíbia devido à carga de impacto conduzirá a uma melhor compreensão da fratura de estresse da tíbia. Neste estudo, foi desenvolvido um modelo músculo-esquelético de assunto específico, e simulações de computador foram executadas para duplicar os movimentos de queda-desembarque realizados em um ambiente de laboratório. Analisou-se o efeito da altura …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Departamento do exército #W81XWH-08-1-0587, #W81XWH-15-1-0006; Concessão de bola estado Universidade 2010 ASPiRE.
Materials
| CT Scanner | GE Medical System | N/A | Light Speed VCT. For performing tibia CT scan. |
| Motion Capture System | Vicon Inc | N/A | Vicon FX40 high speed cameras. For performing 3D motion capture. |
| Force plates | AMTI Inc | N/A | Collecting 3D ground reaction forces |
| Vicon Nexus | Vicon Inc | N/A | Motion capture software program. For processing visual marker trajectory data. |
| Visual 3D | C-Motion Inc | N/A | Biomechanics analysis software. For computing 3D kinematics and kinetics of human movements. |
| MATLAB | Mathworks Inc | N/A | Computer programming software. For performing raw data filtering, data conversion, and data processing. |
| ADAMS 2012 | MSC Software Inc | N/A | Multibody dynamic computer simulation program. |
| LifeMOD | Lifemodeler Inc | N/A | A software Plug-in in ADAMS. For building human body musculo-skeletal models. |
| MIMICS 13 | Materialise Inc | N/A | Image processing program. A 3D modeling tool to process imaging data. For creating 3D tibia model from CT scans. |
| MARC 2012 | MSC Software Inc | N/A | Finite element analysis software. For performing volumn meshing, generating tibia FE model, and running modal FE analysis. |
| SPSS 19 | IBM Inc | N/A | Statistical analysis software. |
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