Onderwerp-specifieke Musculoskeletal Model voor het bestuderen van bot-stam tijdens dynamische beweging
Summary
Tijdens de landing, lager lichaam botten Ervaar grote mechanische belastingen en zijn vervormd. Het is essentieel voor het meten van de vervorming van het bot voor een beter begrip van de mechanismen van beenverwondingen stress effecten zijn gekoppeld. Een nieuwe aanpak onderwerp-specifieke spier-en modellering en eindige elementen analyse wordt gebruikt om te meten tibiale stam tijdens dynamische bewegingen.
Abstract
Bot spanningsverwondingen zijn gebruikelijk in sport- en militaire trainingen. Repetitieve grote grond botskrachten tijdens de training zou de oorzaak kunnen zijn. Het is essentieel om het effect van hoge grond effect krachten op lagere-lichaam bot vervorming om de mechanismen van beenverwondingen stress beter te begrijpen. Conventionele spanningsmeter meting is gebruikt om te studeren in vivo de vervorming van de tibia. Deze methode wordt geassocieerd met beperkingen, met inbegrip van invasiviteit van de procedure, de betrokkenheid van enkele menselijke proefpersonen, en de stam van de beperkte gegevens uit kleine bot oppervlakten. De huidige studie is van plan om een nieuwe benadering om te bestuderen van de tibia bot stam onder hoge impact belastingstoestanden. Een onderwerp-specifieke musculoskeletal model is gemaakt om aan te geven een gezonde man (19 jaar, 80 kg, 1.800 mm). Een flexibele eindige elementen tibia model werd gemaakt op basis van een computertomografie (CT) scan van de certificaathouder juiste tibia. Laboratorium motion-video vastleggen werd uitgevoerd om het verkrijgen van kinematica en grond reactiekrachten van drop-aanvoer uit verschillende hoogtes (26, 39, 52 cm). Multibody dynamische computersimulaties, gecombineerd met een modale analyse van de flexibele tibia werden uitgevoerd om te kwantificeren van tibia stam tijdens drop-aanvoer. Berekende tibia stam gegevens waren in goede overeenkomst met vorige in vivo studies. Het is duidelijk dat deze niet-invasieve benadering kan worden toegepast om te bestuderen van tibia bot stam tijdens hoge impact activiteiten voor een grote cohort, die leiden zal tot een beter begrip van letsel mechanisme van tibia stress fracturen.
Introduction
Stress beenverwondingen, zoals stress fracturen, zijn ernstige overmatig gebruik verwondingen vereisen lange perioden van herstel en het ontstaan van belangrijke medische kosten1,2. Stress fracturen komen vaak beide in atletische en militaire populaties. Onder alle verwante sportblessures, stress fracturen goed voor 10% van de totale3. In het bijzonder track atleten worden geconfronteerd met een hoger percentage van de schade in 20%4. Soldaten ervaring ook een hoge mate van stress fracturen. Bijvoorbeeld, een tarief van 6% schade werd gemeld voor de US Army1 en een tarief van 31% schade werd gemeld in het Israëlische leger-5. Onder alle gerapporteerde stress fracturen is stressfractuur van de tibia de meest voorkomende één6,7,8.
Sport en fysieke trainingen met een hoger risico van stress fractuur van de tibia worden gewoonlijk geassocieerd met hoge grond effecten (bijvoorbeeld, springen, landing en snijden). Tijdens de motoriek, wordt een grond effect kracht toegepast op het lichaam wanneer de voet contact maakt met de grond. De kracht van dit effect is verdwenen door de houdings-en bewegingsapparaat en schoeisel. Het skelet fungeert als een reeks van hefbomen waardoor spieren toe te passen krachten op te vangen van de grond effect9. Wanneer de beenspieren kunnen niet voldoende de vermindering van de impact van de grond, moeten lager-lichaam botten absorberen de residuele werking. Botstructuur beleeft vervorming tijdens dit proces. Repetitieve absorptie van residuele effect kracht kan resulteren in microdamages in het bot, die zal zich ophopen en stress fracturen worden. Tot op heden, informatie met betrekking tot bot is reactie op externe grondtroepen van de gevolgen beperkt. Het is belangrijk om te bestuderen hoe de tibia bot reageert met de mechanische belasting geïntroduceerd door hoge botskrachten tijdens dynamische bewegingen. Behandeling van tibia bot vervorming tijdens hoge impact activiteiten kan leiden tot een beter begrip van het mechanisme van stress fractuur van de tibia.
Conventionele technieken die worden gebruikt voor het meten van bone vervorming in vivo is afhankelijk van geïnstrumenteerde spanningsmeters10,11,12,13,14,15. Chirurgische ingrepen zijn nodig om het implantaat rekstrookjes op bot oppervlak. Het invasieve karakter, zijn in vivo studies beperkt door een kleine steekproef van vrijwilligers. De spanningsmeter Activiteitenweergave daarnaast alleen een kleine regio van het oppervlak van bot. Een niet-invasieve methode met behulp van computersimulatie voor het analyseren van bot-stam was onlangs geïntroduceerde16,17. Deze methode zorgt voor de mogelijkheid om musculoskeletal modellering en computationele simulaties te combineren om te studeren bot stam tijdens Bewegingswetenschappen.
Een spier-en model wordt vertegenwoordigd door een skelet en debeenderspieren. Het skelet bestaat uit bot segmenten, die stijf of niet-vervormbare organen. Skeletspieren worden gemodelleerd als domeincontrollers met behulp van het progressief-integraal-afgeleide (PID) algoritme. Het drie-termijn PID besturingselement gebruikt fouten in de schatting voor verbeteren van de uitgang nauwkeurigheid18. In wezen, proberen PID-controllers die spieren te dupliceren van de bewegingen van het lichaam door het ontwikkelen van de nodige krachten tot wijzigingen van de lengte van de spieren na verloop van tijd. De PID-regelaar gebruikt de fout in de lengte/tijd-curve om te wijzigen de kracht om het verkeer te reproduceren. Deze simulatie proces zorgt voor een haalbare oplossing voor het coördineren van alle spieren om samen te werken om te verplaatsen van het skelet en de lichaamsbeweging produceren.
Een of meer segmenten in het skelet van de spier-en model kunnen worden gemodelleerd als flexibele organen om meting van vervorming. Bijvoorbeeld, kan de tibia bot worden uitgesplitst in een eindig aantal elementen, die uit duizenden onderdelen en knooppunten bestaat. Het effect van mechanische belasting op de flexibele tibia kan worden onderzocht door middel van eindige elementen (FE) analyse. De FE analyse berekent de reactie van de laden van afzonderlijke elementen na verloop van tijd. Als het aantal elementen en knooppunten verhoging van de bot, zal de rekentijd van de FE analyse aanzienlijk toenemen.
Verklein de computationele kosten met nauwkeurige evaluatie van flexibele organen vervorming en heeft modale FE analyse ontwikkeld en gebruikt binnen de automotive en aerospace industrie19,20. In plaats van afzonderlijke FE elementen reacties op mechanische belasting in het tijdsdomein analyseren, beoordeelt deze procedure mechanische reacties van een object op basis van verschillende vibrationele frequenties in het frequentiedomein. Deze methode resulteert in een significante vermindering van rekentijd terwijl het verstrekken van nauwkeurige meting van vervorming20. Hoewel modale FE analyse wijd verbeid gebruikt is om te studeren van mechanische vermoeidheid in automotive en aerospace gebieden, de toepassing van deze methode is zeer beperkt gebleven in de wetenschap van het menselijk bewegen. Al Nazer et al., gebruikt een modale FE analyse te onderzoeken tibiale vervorming tijdens menselijke gait en gerapporteerde resultaten16,17te stimuleren. Hun methode werd echter sterk beïnvloed door slechts met behulp van beperkte kinematische gegevens uit een experiment om te rijden de computersimulaties; Er waren geen echte botskrachten gebruikt om te helpen de simulaties op de grond. Deze aanpak kan worden voor het bestuderen van lage impact slow bewegingen zoals lopen redelijk, maar het is niet een haalbare oplossing te bestuderen van de gevolgen van hoge grondbewegingen. Om te onderzoeken lager-lichaam bot reacties tijdens dynamische hoge impact activiteiten, is het dus essentieel voor de ontwikkeling van een innovatieve aanpak om aan te pakken van de beperkingen die zijn gekoppeld aan de eerder gemelde methode. In het bijzonder een methode met behulp van nauwkeurige kinematische Proefgegevens en echte grond botskrachten moeten worden ontwikkeld. Daarom is het doel van deze studie was om een onderwerp-specifieke musculoskeletal model standaardinteracties multibody dynamische simulaties met modale FE analyse te onderzoeken tibiale stam tijdens hoge impact activiteiten te ontwikkelen. Een beweging van de dynamische hoge impact vertegenwoordigd door drop-aanvoer uit verschillende hoogtes werd geselecteerd voor het testen van de methode.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het doel van deze studie was een niet-invasieve methode om te bepalen van de tibia vervorming tijdens hoge impact activiteiten te ontwikkelen. Kwantificeren van de tibia spanning als gevolg van de impact laden zal leiden tot een beter begrip van stress fractuur van de tibia. In deze studie, een onderwerp-specifieke musculoskeletal model werd ontwikkeld en computersimulaties om te dupliceren van de bewegingen van de drop-landing uitgevoerd in een laboratorium-omgeving worden uitgevoerd. Het effect van drop-landing hoogte …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Afdeling van het leger #W81XWH-08-1-0587, #W81XWH-15-1-0006; Ball State University 2010 ASPiRE subsidie.
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. |
References
- Brukner, P., Bennell, K., Matheson, G. . Stress fracture. , (1999).
- 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).
- 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).
- Bennell, K., Grimston, S., Burr, D., Milgrom, C. Risk factors for developing stress fractures. Musculoskeletal fatigue and stress fractures. , 15-33 (2001).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Johnson, M. A., Moradi, M. H., Crowe, J. . PID control: new identification and design methods. , 543 (2005).
- Craig, R. R., Bampton, M. C. C. Coupling of substructures for dynamics analysis. American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal. 6, 1313-1319 (1968).
- Wasfy, T. M., Noor, A. K. Computational strategies for flexible multibody systems. Appl Mech Rev. 56, 553-613 (2003).
- Kadaba, M. P., Ramakrishnan, H. k., Wootten, M. E. Measurement of lower extremity kinematics during level walking. J Orthop Res. 8, 383-392 (1990).
- Schwartz, M. H., Rozumalski, A. A new method for estimating joint parameters from motion data. J Biomech. 38, 107-116 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lifemodeler, I. . Lifemod Manual. , (2010).
