विषय-गतिशील गति के दौरान अस्थि तनाव का अध्ययन करने के लिए विशिष्ट पुराने ऑस्टियोआर्थराइटिस मॉडल
Summary
लैंडिंग के दौरान, कम शरीर हड्डियों बड़े यांत्रिक भार का अनुभव है और विकृत कर रहे हैं । यह करने के लिए बेहतर हड्डी तनाव के प्रभावों के साथ जुड़े चोटों के तंत्र को समझने के लिए हड्डी विकृति को मापने के लिए आवश्यक है । विषय-विशिष्ट पुराने ऑस्टियोआर्थराइटिस मॉडलिंग और परिमित तत्व विश्लेषण को एकीकृत करने के लिए एक उपंयास दृष्टिकोण गतिशील आंदोलनों के दौरान टिबियल तनाव को मापने के लिए प्रयोग किया जाता है ।
Abstract
अस्थि तनाव चोटों खेल और सैंय प्रशिक्षण में आम हैं । प्रशिक्षण के दौरान दोहराव बड़े भू प्रभाव बलों के कारण हो सकता है । यह कम शरीर हड्डी विकृति पर उच्च भूमि प्रभाव बलों के प्रभाव का निर्धारण करने के लिए बेहतर हड्डी तनाव चोटों के तंत्र को समझने के लिए आवश्यक है । पारंपरिक तनाव गेज माप vivo टिबिया विकृति में अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया गया है. इस विधि प्रक्रिया की इनवेसिव सहित सीमाओं के साथ जुड़ा हुआ है, कुछ मानव विषयों की भागीदारी, और छोटे अस्थि सतह क्षेत्रों से सीमित तनाव डेटा. वर्तमान अध्ययन के लिए एक उपंयास दृष्टिकोण उच्च प्रभाव लदान की स्थिति के तहत टिबिया हड्डी तनाव का अध्ययन शुरू करना चाहता है । एक विषय विशेष के लिए एक स्वस्थ पुरुष (19 वर्ष, ८० किग्रा, १,८०० मिमी) का प्रतिनिधित्व मॉडल बनाया गया था । एक लचीला परिमित तत्व टिबिया मॉडल एक गणना टोमोग्राफी (सीटी) विषय के सही टिबिया के स्कैन के आधार पर बनाया गया था । प्रयोगशाला गति पर कब्जा करने के लिए विभिंन ऊंचाइयों (26, ३९, ५२ सेमी) से कीनेमेटीक्स और जमीन प्रतिक्रिया बलों के ड्रॉप-उतरने के प्राप्त करने के लिए प्रदर्शन किया गया । Multibody गतिशील कंप्यूटर लचीले टिबिया के एक मॉडल विश्लेषण के साथ संयुक्त सिमुलेशन के लिए ड्रॉप-उतरने के दौरान टिबिया तनाव यों तो प्रदर्शन किया गया । गणना टिबिया तनाव डेटा पिछले vivo अध्ययनों में के साथ अच्छे समझौते में थे । यह स्पष्ट है कि इस गैर इनवेसिव दृष्टिकोण एक बड़े पलटन, जो टिबिया तनाव भंग की चोट तंत्र की एक बेहतर समझ के लिए नेतृत्व करेंगे के लिए उच्च प्रभाव गतिविधियों के दौरान टिबिया हड्डी तनाव का अध्ययन करने के लिए लागू किया जा सकता है ।
Introduction
इस तरह के तनाव फ्रैक्चर के रूप में हड्डी तनाव चोटों, गंभीर अति चोटों वसूली की लंबी अवधि की आवश्यकता होती है और महत्वपूर्ण चिकित्सा लागत1,2खर्च कर रहे हैं । तनाव भंग दोनों पुष्ट और सैंय आबादी में आम हैं । सभी खेल से संबंधित चोटों के अलावा, कुल3के 10% के लिए तनाव भंग खाता । विशेष रूप से, ट्रैक एथलीटों 20%4पर एक उच्च चोट दर का सामना. सैनिकों को भी तनाव फ्रैक्चर की एक उच्च दर का अनुभव । उदाहरण के लिए, एक 6% चोट दर अमेरिकी सेना के लिए सूचित किया गया था1 और एक 31% चोट दर इजरायल की सेना में बताया गया था5। के बीच सभी रिपोर्ट तनाव भंग, टिबिया तनाव फ्रैक्चर सबसे आम एक6,7,8है ।
खेल और टिबिया तनाव फ्रैक्चर के एक उच्च जोखिम के साथ शारीरिक प्रशिक्षण सामान्य रूप से उच्च भूमि प्रभावों के साथ जुड़े रहे हैं (उदा., कूद, लैंडिंग, और काटने) । गतिवान के दौरान, पैर जमीन संपर्क जब शरीर के लिए एक जमीन प्रभाव बल लागू किया जाता है । यह प्रभाव बल पुराने ऑस्टियोआर्थराइटिस प्रणाली और जूते से नष्ट कर रहा है । कंकाल प्रणाली की मांसपेशियों को जमीन प्रभाव को अवशोषित करने के लिए बलों को लागू करने के लिए अनुमति लीवर की एक श्रृंखला के रूप में कार्य करता है9. जब पैर की मांसपेशियों को पर्याप्त रूप से जमीन के प्रभाव को कम नहीं कर सकते, कम शरीर की हड्डियों अवशिष्ट बल अवशोषित करना चाहिए । अस्थि संरचना इस प्रक्रिया के दौरान विकृति का अनुभव होगा । अवशिष्ट प्रभाव बल के दोहराव अवशोषण हड्डी है, जो जमा और तनाव भंग हो जाएगा में microdamages में परिणाम हो सकता है । तारीख करने के लिए, बाहरी जमीन प्रभाव बलों के लिए अस्थि प्रतिक्रिया से संबंधित जानकारी सीमित है । यह कैसे टिबिया हड्डी गतिशील गति के दौरान उच्च प्रभाव बलों द्वारा शुरू यांत्रिक लोड करने के लिए प्रतिक्रिया का अध्ययन करने के लिए महत्वपूर्ण है । उच्च प्रभाव गतिविधियों के दौरान टिबिया हड्डी विकृति की जांच टिबिया तनाव फ्रैक्चर के तंत्र की एक बेहतर समझ के लिए नेतृत्व कर सकता है ।
vivo में हड्डी विरूपण को मापने के लिए इस्तेमाल किया पारंपरिक तकनीक साधने तनाव गेज10,11,12,13,14,15पर निर्भर करते हैं । सर्जिकल प्रक्रियाओं हड्डी की सतह पर तनाव गेज प्रत्यारोपण करने के लिए आवश्यक हैं । इनवेसिव प्रकृति के कारण, vivo में अध्ययन स्वयंसेवकों का एक छोटा सा नमूना द्वारा सीमित कर रहे हैं. इसके अलावा, तनाव गेज केवल हड्डी की सतह के एक छोटे से क्षेत्र की निगरानी कर सकते हैं । हाल ही में, एक गैर इनवेसिव कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करने के लिए हड्डी तनाव का विश्लेषण विधि16,17पेश किया गया था । इस पद्धति के लिए मानव आंदोलन के दौरान अस्थि तनाव का अध्ययन करने के लिए पुराने ऑस्टियोआर्थराइटिस मॉडलिंग और गणना सिमुलेशन गठबंधन करने की क्षमता के लिए अनुमति देता है ।
एक पुराने ऑस्टियोआर्थराइटिस मॉडल एक कंकाल और कंकाल की मांसपेशियों का प्रतिनिधित्व किया है । कंकाल अस्थि खंडों के होते हैं, जो कठोर या गैर विकृत निकायों हैं । कंकाल की मांसपेशियों को प्रगतिशील-अभिंन-व्युत्पंन (PID) एल्गोरिथ्म का उपयोग कर नियंत्रकों के रूप में मॉडलिंग कर रहे हैं । तीन-शब्द PID नियंत्रण आउटपुट शुद्धता18में सुधार करने के लिए अनुमान में त्रुटियों का उपयोग करता है । संक्षेप में, PID नियंत्रकों का प्रतिनिधित्व मांसपेशियों को समय के साथ मांसपेशियों की लंबाई परिवर्तन का उत्पादन करने के लिए आवश्यक बलों के विकास के द्वारा शरीर आंदोलनों डुप्लिकेट करने की कोशिश । PID नियंत्रक त्रुटि/समय वक्र में आंदोलन reproducing के लिए बल को संशोधित करने के लिए उपयोग करता है । इस सिमुलेशन प्रक्रिया कंकाल ले जाने और शरीर आंदोलन का उत्पादन करने के लिए एक साथ काम करने के लिए सभी मांसपेशियों को समंवय करने के लिए एक व्यवहार्य समाधान बनाता है ।
ऑस्टियोआर्थराइटिस मॉडल के कंकाल में एक या अधिक क्षेत्रों लचीला निकायों के रूप में मॉडलिंग की जा सकती विकृति के माप की अनुमति है । उदाहरण के लिए, टिबिया हड्डी तत्वों, जो हजारों तत्वों और नोड्स के होते हैं की एक सीमित संख्या में नीचे टूट सकता है । लचीला टिबिया पर यांत्रिक लदान का प्रभाव परिमित तत्व (FE) विश्लेषण के माध्यम से जांच की जा सकती है । FE विश्लेषण समय के साथ व्यक्तिगत तत्वों की लोडिंग प्रतिक्रिया की गणना करता है । हड्डी तत्वों और नोड्स की संख्या में वृद्धि के रूप में, FE विश्लेषण की गणना समय में काफी वृद्धि होगी ।
लचीला ‘ निकायों विकृति के सटीक मूल्यांकन के साथ गणना लागत को कम करने के लिए, मोडल FE विश्लेषण विकसित किया गया है और मोटर वाहन और एयरोस्पेस उद्योग के भीतर इस्तेमाल किया19,20। समय डोमेन में यांत्रिक लोड करने के लिए व्यक्तिगत FE ‘ तत्वों प्रतिक्रियाओं का विश्लेषण करने के बजाय, इस प्रक्रिया आवृत्ति डोमेन में विभिन्न कंपन आवृत्तियों पर आधारित एक वस्तु के यांत्रिक प्रतिक्रियाओं का आकलन. इस विधि गणना समय में एक महत्वपूर्ण कमी में एक विरूपण की सटीक माप20प्रदान करते हुए परिणाम है । हालांकि मोडल FE विश्लेषण व्यापक रूप से मोटर वाहन और एयरोस्पेस क्षेत्रों में यांत्रिक थकान का अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया गया है, इस पद्धति के आवेदन मानव आंदोलन विज्ञान में बहुत सीमित किया गया है । अल नेजर एट अल., एक मोडल FE विश्लेषण मानव चाल के दौरान टिबियल विकृति की जांच करने के लिए इस्तेमाल किया और उत्साहजनक परिणाम16,17की सूचना दी । हालांकि, उनकी विधि बहुत ही एक प्रयोग से सीमित गाढ़ापन डेटा का उपयोग करके कंप्यूटर सिमुलेशन ड्राइव प्रभावित था; कोई वास्तविक जमीन प्रभाव सिमुलेशन सहायता बलों का इस्तेमाल किया गया । इस दृष्टिकोण ऐसे चलने के रूप में कम प्रभाव धीमी गति का अध्ययन करने के लिए उचित हो सकता है, लेकिन यह उच्च भूमि प्रभाव आंदोलनों का अध्ययन करने के लिए एक व्यवहार्य समाधान नहीं है । इस प्रकार, गतिशील उच्च प्रभाव गतिविधियों के दौरान कम शरीर की हड्डी प्रतिक्रियाओं की जांच करने के लिए, यह पहले से रिपोर्ट की विधि के साथ जुड़े सीमाओं को संबोधित करने के लिए एक अभिनव दृष्टिकोण विकसित करने के लिए आवश्यक है । विशेष रूप से, एक सटीक प्रयोगात्मक गाढ़ापन डेटा और वास्तविक भूमि प्रभाव बलों का उपयोग विधि विकसित किया जाना चाहिए । इसलिए, इस अध्ययन के लक्ष्य के लिए एक विषय विशेष पुराने ऑस्टियोआर्थराइटिस मॉडल के लिए मोडल FE विश्लेषण के साथ multibody गतिशील सिमुलेशन प्रदर्शन को विकसित करने के लिए उच्च प्रभाव गतिविधियों के दौरान टिबियल तनाव की जांच थी । विभिन्न ऊंचाइयों से ड्रॉप-लैंडिंग द्वारा प्रतिनिधित्व एक गतिशील उच्च प्रभाव आंदोलन विधि का परीक्षण करने के लिए चुना गया था ।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस अध्ययन का उद्देश्य एक गैर इनवेसिव विधि उच्च प्रभाव गतिविधियों के दौरान टिबिया विरूपण निर्धारित करने के लिए विकसित करने के लिए किया गया था । प्रभाव लोडिंग के कारण टिबिया तनाव को बढ़ाता है टिबिया तना…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
सेना #W81XWH विभाग-08-1-0587, #W81XWH-15-1-0006; गेंद राज्य विश्वविद्यालय २०१० आकांक्षा अनुदान ।
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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