动态运动过程中骨应变的学科特异性肌肉模型研究
Summary
在着陆期间, 下半身的骨骼经历了巨大的机械负荷, 并且变形了。测量骨的变形以更好地了解与撞击有关的骨应激损伤的机制是非常必要的。一种新的方法, 结合学科特定的肌肉骨骼模型和有限元分析是用来测量胫骨应变在动态运动。
Abstract
骨应激损伤在运动和军事训练中普遍存在。在训练过程中, 重复的大地面撞击力可能是原因。重要的是要确定高地冲击力对下肢骨变形的影响, 以更好地了解骨应激损伤的机制。传统的应变测量方法用于研究体内胫骨变形。这种方法与限制, 包括程序的侵袭性, 少数人类的参与, 和有限的应变数据从小骨表面积。本研究旨在介绍一种新的方法来研究胫骨骨应变在高冲击载荷条件下。一个主题特定的肌肉骨骼模型被创建来代表一个健康的男性 (19 岁, 80 公斤, 1800 毫米)。基于 ct 扫描的对象右胫骨, 建立了一种灵活的有限元胫骨模型。进行了实验室运动捕获, 以获得不同高度 (26、39、52厘米) 降落的运动学和地面反应力。采用多体动态计算机模拟方法, 结合弹性胫骨的模态分析, 对下落着陆时胫骨应变进行量化。计算出的胫骨应变数据与先前的体内研究吻合良好。很明显, 这种非侵入性的方法可以应用于研究大型队列的高冲击活动胫骨骨应变, 这将有助于更好地理解胫骨应力性骨折的损伤机制。
Introduction
骨应激损伤, 如应力性骨折, 是严重的过度使用性损伤, 需要长时间的恢复, 并招致重大医疗费用1,2。应力性骨折在运动和军事人口中都很常见。在所有运动相关的损伤中, 应力性骨折占总3的10%。特别是, 田径运动员在 20%4时面临较高的伤害率。士兵也经历了高压力骨折的发病率。例如, 据报道, 美国陆军的6% 受伤率为1 , 在以色列军队的5中报告了31% 的伤害率。在所有报告的应力性骨折中, 胫骨应力骨折是最常见的一个6,7,8。
运动和体育训练, 有较高的胫骨应力骨折风险通常与高地面影响 (例如, 跳跃, 着陆和切割)。在运动过程中, 当脚接触地面时, 地面撞击力会被应用到身体上。这种撞击力被肌肉骨骼系统和鞋类所消散。骨骼系统作为一系列杠杆, 允许肌肉施加力量来吸收地面撞击9。当腿部肌肉不能充分减少地面撞击时, 下肢骨骼必须吸收残余力。骨结构在这个过程中会经历变形。残余冲击力的重复吸收可能导致骨骼中的 microdamages, 这将积聚并成为应力性骨折。到目前为止, 与外部地面撞击力有关的骨骼反应的信息是有限的。研究胫骨骨在动态运动过程中如何响应高冲击力引入的机械载荷是很重要的。在高撞击活动中检查胫骨骨的变形, 可以更好地了解胫骨应力性骨折的发生机制。
用于测量骨骼变形的常规技术在体内依赖于仪器应变表10,11,12,13,14,15。在骨表面植入应变片需要手术治疗。由于侵入性的性质,在体内研究受志愿者的小样本的限制。此外, 应变计只能监测骨骼表面的一个小区域。本文介绍了一种利用计算机模拟分析骨应变的非侵入性方法1617。这种方法可以将肌肉骨骼模型和计算模拟结合起来, 研究人体运动过程中的骨骼应变。
肌肉骨骼模型由骨骼和骨骼肌肉代表。骨架由骨段组成, 它们是刚性或非变形体。骨骼肌肉被建模为控制器使用渐进积分-导数 (PID) 算法。三期 PID 控制使用估计中的错误来提高输出精度18。从本质上讲, 代表肌肉的 PID 控制器试图通过发展必要的力量来复制身体运动, 从而在一段时间内产生肌肉的长度变化。PID 控制器使用长度/时间曲线中的误差来修改复制运动的力。这个模拟过程创造了一个可行的解决方案, 协调所有的肌肉一起工作, 以移动骨骼和产生身体运动。
肌肉骨骼模型骨架中的一个或多个段可以被建模为柔性体, 以允许测量变形。例如, 胫骨骨可以分解成有限数量的元素, 由数以千计的元素和节点组成。通过有限元分析, 可以研究机械载荷对挠性胫骨的影响。有限元分析计算了各个元素随时间推移的加载响应。随着骨元素和节点数量的增加, 有限元分析的计算时间将显著增加。
为降低计算成本, 并对柔性体的变形进行精确评价, 采用模态有限元分析方法, 在汽车和航天工业中应用了19,20。该过程不是分析单个 FE 元素对时间域内机械载荷的响应, 而是根据频率域中不同的振动频率来评估物体的机械响应。此方法使计算时间大大减少, 同时提供了对变形20的精确测量。虽然模态有限元分析已广泛应用于汽车和航天领域的机械疲劳研究, 但这种方法在人类运动科学中的应用却十分有限。Al Nazer et, 使用一种模态有限元分析, 检查人体步态中的胫骨变形, 并报告令人鼓舞的结果16,17。然而, 只有利用有限的运动学数据进行计算机仿真, 才对其方法产生很大的影响;没有真正的地面撞击力用于辅助模拟。这种方法可能是合理的研究低冲击慢动作, 如步行, 但它不是一个可行的解决方案, 研究高地面撞击运动。因此, 为了检查在动态高影响活动期间的下肢骨反应, 必须开发一种创新的方法来解决与以前报告的方法相关的限制。具体来说, 必须开发一种利用精确的实验运动数据和实际地面冲击力的方法。因此, 本研究的目的是建立一个特定主题的肌肉骨骼模型, 进行多体动力学模拟, 用模态有限元分析, 检查胫骨应变在高冲击活动。选择了由不同高度的降落所表示的动态高冲击运动来测试该方法。
Protocol
Representative Results
Discussion
本研究的目的是发展一种非侵入性的方法, 以确定胫骨的变形在高影响活动。对胫骨负荷的影响进行量化, 将有助于更好地理解胫骨应力性骨折。在本研究中, 开发了一个特定于主题的肌肉骨骼模型, 并运行计算机模拟, 以复制在实验室环境中进行的降落运动。研究了降落地高度对胫骨应变的影响。在本研究中, 我们观察到, 随着降落高度的增加, 峰值最大的主要菌株也是如此。此外, 在三个着陆条件?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
陆军部 #W81XWH-08-1-0587, #W81XWH-15-1-0006;球州立大学2010立志补助金。
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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