Ämnesspecifika muskuloskeletala modell för att studera ben stam under dynamiska rörelser
Summary
Under landning, nedre-kroppen ben uppleva stora mekaniska laster och är missbildade. Det är viktigt att mäta ben deformation att bättre förstå mekanismerna bakom ben stress skador associerade med effekter. En ny metod att integrera ämnesspecifika muskuloskeletala modellering och finita elementanalys används för att mäta tibial stam under dynamiska rörelser.
Abstract
Ben stress skador är vanliga i sport och militära utbildningar. Repetitiva stor inverkan marktrupper under träning kan vara orsaken. Det är viktigt att avgöra effekten av high marken inverkan krafter på nedre kroppen ben deformation att bättre förstå mekanismerna bakom ben belastningsskador. Konventionella töjningsmätaren mätning har använts för att studera i vivo tibia deformation. Denna metod är associerade med begränsningar inklusive invasivitet av förfarandet, medverkan av några försökspersoner och begränsad stam data från små ben ytor. Den aktuella studien avser att införa en ny metod för att studera tibia benet stam under stor genomslagskraft belastningsförhållanden. Ämnesspecifika muskuloskeletala modell skapades för att representera en friska manliga (19 år, 80 kg, 1 800 mm). En flexibel finita element tibia modell skapades baserat på en datortomografi (CT) skanning av försökspersonens högra tibia. Laboratoriet motion capture utfördes för att erhålla kinematik och marken reaktionskrafter drop-landningar från olika höjder (26, 39, 52 cm). Multikroppar dynamiska datorsimuleringar kombinerat med en modal analys av flexibla skenbenet utfördes för att kvantifiera tibia stam under drop-landningar. Beräknade tibia stam data var bra avtal med tidigare i vivo studier. Det är uppenbart att denna icke-invasiva metod kan användas för att studera tibia benet stam under högeffektiva aktiviteter för en stor kohort, vilket leder till en bättre förståelse av skada mekanismen av tibia stressfrakturer.
Introduction
Ben stress skador, såsom stress frakturer, är svår överanvändning skador som kräver långa perioder av återhämtning och att ådra sig betydande medicinska kostnader1,2. Stress frakturer är vanliga både i atletisk och militära populationer. Bland alla relaterade idrottsskador, stress frakturer utgör 10 procent av totalt3. I synnerhet inför spår idrottare en högre skadefrekvensen på 20%4. Soldater upplever också en hög grad av stress frakturer. Exempelvis en 6% skadefrekvensen rapporterades för US Army1 och en 31% skadefrekvensen rapporterades i den israeliska armén5. Bland alla rapporterade stress frakturer är stressfraktur tibia den vanligaste en6,7,8.
Sport och fysisk träningar med en högre risk för stressfraktur tibia är normalt förknippas med hög marken effekter (t.ex., hoppning, landning och skärning). Under förflyttning appliceras en marken inverkan kraft till kroppen när foten kontaktar marken. Denna inverkan kraft skingras av rörelseapparaten och skor. Skelettet fungerar som en serie av spakar att tillåta muskler att tillämpa krafter att absorbera den mark inverkan9. När benmusklerna inte tillräckligt minska marken påverkan, måste nedre-kroppen ben absorbera kvarstående kraften. Benstomme kommer uppleva deformation under denna process. Repetitiva absorption av kvarstående effekt styrka kan resultera i microdamages i ben, som kommer att ackumuleras och bli stressfrakturer. Hittills, att ben är reaktion på yttre påverkan marktrupper begränsad. Det är viktigt att studera hur tibia benet svarar den mekaniska belastning som införts av höga krafter under dynamiska rörelser. Att undersöka tibia ben deformation under högeffektiva aktiviteter kan leda till en bättre förståelse av mekanismen för tibia stressfraktur.
Konventionella tekniker används för att mäta ben deformation i vivo åberopa instrumenterade töjningsgivare10,11,12,13,14,15. Kirurgiska ingrepp krävs att implantatet töjningsgivare på benytan. På grund av den invasiva karaktären begränsas in-vivo studier av ett litet urval av volontärer. Dessutom kan töjningsmätaren bara övervaka en liten region i benytan. En icke-invasiv metod som utnyttjar datorsimulering för att analysera ben stam var nyligen introducerade16,17. Denna metod tillåter möjligheten att kombinera muskuloskeletala modellering och computational simuleringar att studera ben stam under mänsklig rörelse.
En muskuloskeletala modellen representeras av ett skelett och muskler. Skelettet består av ben segment, som är stel eller icke-deformerbara kroppar. Skelettmuskulaturen är modellerade som registeransvariga med progressiv-integral-derivat (PID) algoritm. Tre-termen PID kontrollen använder fel i uppskattning för att förbättra noggrannhet utgång18. I huvudsak försöka PID-regulatorer som representerar muskler duplicera kroppsrörelser genom att utveckla nödvändiga styrkor att producera längd förändringar av musklerna över tid. Den PID-regulatorn använder felet i längd/tidskurvan för att ändra styrkan för att återge rörelsen. Denna simulering process skapar en genomförbar lösning för att samordna alla muskler att arbeta tillsammans för att flytta skelettet och producera kroppsrörelse.
Ett eller flera segment i skelettet av muskuloskeletala modellen kan modelleras som flexibla kroppar för att möjliggöra mätning av deformation. Tibia benet kan exempelvis delas upp i ett ändligt antal element, som består av tusentals element och noder. Effekten av mekanisk belastning på flexibla skenbenet kan undersökas genom finit elementanalys (FE). FE analysen beräknar lastning svaret av enskilda element över tid. Som antalet ben element och noder ökar, beräkningstiden FE analys kommer att öka.
För att minska computational kostnad med noggrann utvärdering av flexibla kroppars deformation, har FE modalanalys utvecklats och används inom fordons-och flygindustrin19,20. Istället för att analysera enskilda FE elements’ Svaren till mekanisk belastning i tidsplanet, bedömer detta förfarande ett objekts mekaniska svaren utifrån olika vibrationella frekvenser i frekvensplanet. Denna metod resulterar i en betydande minskning beräkningstiden samtidigt som den ger exakt mätning av deformation20. Även om FE modalanalys har använts att studera mekaniska trötthet i fordons- och flygindustrin områden, tillämpningen av denna metod har varit mycket begränsad i mänsklig rörelse vetenskap. Al Nazer et al., använde en modal FE-analys för att undersöka tibial deformation under människans gång och rapporterade uppmuntrande resultat16,17. Deras metod var kraftigt påverkade dock endast med begränsad kinematiska data från ett experiment för att köra datorsimuleringar; Det fanns ingen riktig mark krafter brukade hjälpa simuleringarna. Detta tillvägagångssätt kan vara rimliga för att studera låg effekt slow rörelser såsom promenader, men det är inte en genomförbar lösning på studera high marken inverkan rörelser. Således, för att undersöka nedre-kroppen ben reaktioner under dynamiska högeffektiva aktiviteter, är det nödvändigt att utveckla en innovativ metod för att hantera de begränsningar som är associerade med den tidigare rapporterade metoden. Specifikt, en metod som utnyttjar korrekt experimentella kinematiska data och real marktrupper inverkan måste utvecklas. Målet med denna studie var därför att utveckla ämnesspecifika muskuloskeletala modell för att utföra multikroppar dynamiska simuleringar med FE modalanalys att undersöka tibial stam under högeffektiva aktiviteter. En dynamisk högeffektiva rörelse representeras av drop-landningar från olika höjder valdes att testa metoden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Syftet med denna studie var att utveckla en icke-invasiv metod för att bestämma tibia deformation under högeffektiva aktiviteter. Kvantifiera tibia stam på grund av effekterna lastning kommer att leda till en bättre förståelse av tibia stressfraktur. I denna studie en ämnesspecifika muskuloskeletala modell utvecklades och datorsimuleringar kördes till duplicera de drop-landning rörelser utförs i laboratoriemiljö. Effekten av drop-landning höjd på tibial stam undersöktes. I denna studie konstaterade vi att …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Avdelning av den armén #W81XWH-08-1-0587, #W81XWH-15-1-0006; Ball State University 2010 ASPiRE grant.
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).
