サブジェクト固有筋骨格モデル動的モーションの間に骨の歪みを勉強のため
Summary
着陸時に下半身の骨は大きな機械的負荷を経験し、変形します。骨の変形の影響に関連付けられている骨ストレス傷害のメカニズムを理解するための測定が不可欠です。対象特定筋骨格モデリングと有限要素解析を統合する手法は、ダイナミックな動きの中に脛骨の歪みを測定する使用されます。
Abstract
骨ストレス傷害、スポーツや軍事訓練。トレーニング中に繰り返し大規模な地面の影響力が原因であります。下半身の骨の変形骨ストレス傷害のメカニズムを理解する力の高地の効果を決定することが不可欠です。従来のひずみゲージの測定は脛骨変形生体内での研究に使用されています。このメソッドは、プロシージャの侵襲性、少数の被験者と小さな骨表面積から限られた歪みデータの関与などの制限に関連付けられます。現在の研究は、高衝撃荷重条件下における脛骨骨歪みの研究への新しいアプローチをご紹介する予定です。健康な男性 (19 年、80 kg、1,800 mm) を表す件名固有の筋骨格系モデルが作成されました。柔軟な有限要素脛骨モデルは、被験者の右脛骨のコンピューター断層撮影 (CT) スキャンに基づいて作成されました。研究所モーション キャプチャを行った (26, 39、52 cm) 高さが異なるからドロップ着陸の運動学と地盤の反力を得る。ドロップ着陸中の脛骨の歪みを数値化する柔軟な脛骨のモーダル解析と組み合わせて多動的なコンピューター シミュレーションを行った。計算脛骨ひずみデータ以前生体内研究とよく一致しました。脛骨疲労骨折の傷害メカニズムの理解を深めることにつながる大規模コホートのインパクト活動中に脛骨の骨の歪みを勉強するこの非侵襲的アプローチを適用できることは明らかです。
Introduction
ストレス骨折などの骨のストレス傷害、深刻な過剰使用の傷害の回復の長い期間を必要とする、重要な医療コスト1,2を発生させず。ストレス骨折は一般的な運動および軍事集団の両方。すべてのスポーツ関連傷害、ストレス骨折合計3の 10% を占める。特に、陸上競技選手の高い傷害率 204の顔します。兵士はまたストレス骨折率が高いを経験します。例えば、米陸軍1に対して 6% 負傷率が報告された、イスラエルの軍隊5で 31% 負傷率が報告されました。すべての報告されたストレス骨折の中では、脛骨疲労骨折は最も一般的な 1 つ6,7,8です。
スポーツと脛骨疲労骨折のリスクが高いと身体トレーニングは、高地の影響 (例えば、ジャンプ、着地、切削) に通常関連付けられます。移動中に足が地面に当たったとき体に地面の衝撃が適用されます。筋骨格系及び履物にてこの衝撃を消散します。骨格系は、地面の影響9を吸収する力を適用する筋肉をできるようにレバーのシリーズとして提供しています。脚の筋肉は十分に地面への影響を減らすことはできません、下半身のボーンは残留力を吸収する必要があります。骨の構造は、この過程での変形を経験します。残留への影響力の吸収を繰り返し、骨の microdamages が蓄積し、疲労骨折になる可能性があります。日付、骨に関連した情報を外部地上衝撃力への反作用は制限されています。脛骨骨が動的な運動の中に高い衝撃力で導入する機械負荷に応答する方法を研究することが重要です。脛骨疲労骨折のメカニズムの理解につながる可能性高負荷活動中に脛骨骨変形を調べるします。
骨変形体内測定する従来技術は、インストルメント化されたひずみゲージ10、11,12,13,14,15に依存します。骨表面にひずみゲージを移植する手術が必要です。侵襲により生体内での研究は、ボランティアの小さなサンプルによって制限されます。また、ひずみゲージのみ骨表面の小さな領域を監視できます。最近では、骨の歪みを分析してコンピューター シミュレーションを利用した非侵襲的な方法は、導入された16,17だった。この方法論は、筋骨格系のモデル化と計算機シミュレーションを結合する能力、人間の動きの間に骨の歪みを勉強するには
筋骨格系モデルは骨格や骨格筋によって表されます。スケルトンは、剛体または非変形体である骨セグメントで構成されます。骨格筋は、プログレッシブ ・積分・微分 (PID) アルゴリズムを使用してコント ローラーとしてモデル化されます。3 項の PID 制御は、出力精度18を改善するために推定でエラーを使用します。本質的に、筋肉を表す PID コント ローラーは、時間をかけて筋肉の長さ変化をもたらすに必要な力を開発することによって身体の動きを複製しようとします。PID コント ローラーは、長さ/時間カーブの動きを再現するため力を変更するのにエラーを使用します。このシミュレーションでは、スケルトンを移動し、体の動きを作り出すのために協力するすべての筋肉を調整するための実現可能な解を作成します。
骨格筋骨格モデルに 1 つまたは複数のセグメントは、変形の測定を許可するように、柔軟な体としてモデル化できます。例えば、脛骨骨は要素とノードの数で構成される有限数の要素に分けることが。有限要素 (FE) の分析を通して、柔軟な脛骨の力学的負荷の影響を調べることができます。有限要素解析では、時間をかけて個々 の要素の読み込み応答を計算します。骨の要素およびノードの増加の数、有限要素解析の計算時間が大幅に増加します。
柔軟な体変形の正確な評価と計算コストを減らすためには、モーダル解析が開発し、自動車や航空宇宙産業19,20の内で使用されます。個々 の FE 要素のレスポンス時間領域における機械的負荷を分析する代わりにこのプロシージャは周波数の異なる振動周波数に基づいてオブジェクトの力学的応答を評価します。このメソッドは変形20の正確な測定を提供しながら, 計算時間の大幅な削減の結果します。モーダル解析は、自動車、航空宇宙の分野で機械的疲労研究に広く使用されています、このメソッドのアプリケーション非常に限定されている人間の動き科学。アル Nazerら、二足歩行運動中の脛骨の変形を調べるため、モーダルの有限要素解析と結果16,17を奨励することを報告します。ただし、その方法でした; シミュレーションを駆動する実験から限られた運動学的データのみを使用して影響を大幅実がない地面の影響力のシミュレーションを支援するために使用します。このアプローチは歩行など負荷の少ない遅い動きの勉強のための合理的かもしれませんが、負荷の動きは高地を研究する実行可能なソリューションではありません。したがって、高衝撃活動中に下半身の骨反応を調べるためにそれは以前に報告したメソッドに関連付けられている制限に対処するための革新的なアプローチを開発することが欠かせません。具体的には、正確な実験的運動学的データと実を利用する方法地面衝撃力を開発する必要があります。したがって、本研究の目的は、インパクト活動中に脛骨の歪みを調査するモーダル FE 解析マルチボディの動的シミュレーションを実行するサブジェクト固有の筋骨格モデルを開発することでした。メソッドをテストするさまざまな高さからドロップ着陸によって表される動的衝撃運動が選ばれました。
Protocol
Representative Results
Discussion
本研究の目的は、高負荷活動期の脛骨の変形を決定する非侵襲的な方法を開発するでした。衝撃荷重により脛骨ひずみ分布の定量化は、脛骨疲労骨折のより良い理解に します。この研究では、サブジェクト固有の筋骨格モデルを開発したとコンピューター シミュレーションは実験室の設定で実行されるドロップ着陸の動きを複製する実行されました。ドロップ着陸高さの脛骨のひずみに及?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
部の軍 #W81XWH-08-1-0587、#W81XWH-15-1-0006。ボール州立大学 2010年熱望するグラント。
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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