Emne-specifikke muskel Model til at studere knogle stamme under dynamisk bevægelse
Summary
Under landing, lavere-krop knogler opleve store mekaniske belastninger og er deforme. Det er vigtigt at måle knogle deformation til bedre at forstå mekanismerne af knogle stress skader forbundet med påvirkninger. En ny tilgang, integration af emnespecifikke bevægeapparatet modellering og finite element analyse bruges til at måle tibial stamme under dynamiske bevægelser.
Abstract
Knogle stress personskader er fælles i sport og militære træning. Gentagne store jorden indvirkning styrker under uddannelse kunne være årsagen. Det er vigtigt at fastlægge effekten af højtliggende indvirkning styrker på lavere-krop knogle deformation til bedre at forstå mekanismerne af knogle belastningsskader. Konventionelle strain gauge måling er blevet brugt til at studere i vivo tibia deformation. Denne metode er forbundet med begrænsninger herunder invasionsevne af proceduren, inddragelse af få forsøgspersoner, og begrænset stamme data fra små knoglen overfladen områder. Den nuværende undersøgelse har til hensigt at indføre en ny tilgang for at studere skinneben ben stamme under høj effekt belastningstilstande. En emne-specifikke muskel model blev oprettet for at repræsentere en sund mand (19 år, 80 kg, 1800 mm). En fleksibel finite element tibia model blev skabt på grundlag af en computertomografi (CT) scanning af fagets højre skinneben. Laboratoriet motion capture blev udført for at opnå kinematik og jorden reaktionsstyrker drop-landinger af forskellige højder (26, 39, 52 cm). Multibody dynamisk computersimulationer kombineret med en modal analyse af den fleksible tibia blev udført for at kvantificere tibia stamme under drop-landinger. Beregnede tibia stamme data var i god aftale med tidligere i vivo undersøgelser. Det er indlysende, at denne ikke-invasiv metode kan anvendes til at studere skinneben ben stamme under stor effekt aktiviteter for en stor kohorte, hvilket vil føre til en bedre forståelse af skade mekanisme af tibia stress frakturer.
Introduction
Knogle belastningsskader, såsom stress frakturer, er alvorlige overforbrug skader der kræver lange perioder med recovery og at pådrage sig betydelige sygesikringsomkostninger1,2. Stress frakturer er fælles både i athletic og militære befolkninger. Blandt alle sport-relaterede skader, stress frakturer tegner sig for 10% af den samlede3. Især track atleter ansigt en højere skadeprocent på 20%4. Soldater også opleve en høj stress frakturer. For eksempel, en 6% skadeprocent blev rapporteret af US Army1 og 31% skadeprocent blev rapporteret i den israelske hær5. Blandt alle rapporterede stress frakturer er tibia stress fraktur den mest almindelige ene6,7,8.
Sport og fysisk træning med en højere risiko for tibia stress fraktur er normalt forbundet med høje terræn påvirkninger (f.eks., hoppe, landing og skæring). Under bevægelse påføres en landstyrke virkningen kroppen når foden kontakter jorden. Denne indvirkning kraft er spredes af bevægeapparatet og fodtøj. Skelet-systemet fungerer som en serie af løftestænger, der giver mulighed for musklerne at anvende styrker til at absorbere jorden indvirkning9. Når benmusklerne ikke tilstrækkeligt reducere jorden indvirkning, skal lavere-krop knogler absorbere den resterende kraft. Knoglestruktur vil opleve deformation under denne proces. Gentagne absorption af resterende indvirkning kraft kan resultere i microdamages i knoglen, som vil samle og blive stress frakturer. Til dato, oplysninger relateret til knogle er reaktion på eksterne landstyrker virkning begrænset. Det er vigtigt at studere hvordan skinneben ben reagerer på den mekaniske belastning indført ved høj effekt styrker under dynamiske bevægelser. Undersøge skinneben ben deformation under stor effekt aktiviteter kunne føre til en bedre forståelse af mekanismen for tibia stress fraktur.
Konventionelle teknikker, der anvendes til at måle ikke deformation i vivo stole på instrumenterede strain gauges10,11,12,13,14,15. Kirurgiske procedurer er nødvendige for at implantere strain gauges på knoglen overfladen. På grund af den invasive art, er i vivo undersøgelser begrænset af et lille udsnit af frivillige. Desuden kan strain gauge kun overvåge en lille region i knoglen overfladen. For nylig, en ikke-invasiv metode udnytter computersimulering for at analysere knogle stamme blev indført16,17. Denne metode giver mulighed for evnen til at kombinere bevægeapparatet modellering og beregningsmæssige simuleringer til at studere knogle stamme under menneskets bevægelser.
En muskel model er repræsenteret af et skelet og muskler. Skelettet består af knogle segmenter, der er stive eller ikke-deformerbare organer. Skeletmuskulatur er modelleret som controllere ved hjælp af progressive-integral-derivat (PID) algoritme. Tre-sigt PID kontrol bruger fejl i skøn for at forbedre output nøjagtighed18. I det væsentlige, forsøger PID controllere der repræsenterer muskler at duplikere kroppens bevægelser ved at udvikle nødvendige styrker til at producere længde ændringer af musklerne over tid. PID controlleren bruger fejlen i længde/tid kurven til at ændre gældende for gengive bevægelsen. Denne simulering proces skaber en realistisk løsning for at koordinere alle muskler til at arbejde sammen om at flytte skelettet og producere kropsbevægelser.
Et eller flere segmenter i skelettet af bevægeapparatet modellen kan modelleres som fleksible instanser til tillader måling af deformation. Tibia knoglen kan eksempelvis opdeles i et endeligt antal elementer, der består af tusindvis af elementer og noder. Effekt af mekanisk belastning på fleksible skinnebenet kan undersøges gennem finite element (FE) analyse. FE analyse beregner lastning svar af individuelle elementer over tid. Som antallet af knogle elementer og noder stigning, vil beregningen tid af FE analyse øge.
For at reducere beregningsmæssige udgifter med nøjagtig evaluering af fleksible organer deformation, er modal FE analyse blevet udviklet og anvendes inden for bilindustrien og aerospace industrien19,20. I stedet for at analysere enkelte FE elements’ svar til mekanisk belastning i domænet tid, vurderer denne fremgangsmåde et objekts mekanisk svar baseret på forskellige vibrationelle frekvenser i frekvens domæne. Denne metode resulterer i en betydelig reduktion i beregningen tid samtidig give nøjagtig måling af deformation20. Selvom modal FE analyse har været almindeligt brugt til at studere mekaniske træthed i automotive og aerospace områder, anvendelsen af denne metode har været meget begrænset i menneskelig bevægelse videnskab. Al Nazer et al., anvendes en modal FE analyse for at undersøge tibial deformation under menneskelige gangart og rapporteret opmuntrende resultater16,17. Men deres metode var kraftigt påvirket af kun bruger begrænset kinematiske data fra et eksperiment til at drive computersimulationer; Der var ingen reel indvirkning tropper bruges til at hjælpe simuleringerne. Denne fremgangsmåde kan være rimelig for at studere lav effekt slow bevægelser som at gå, men det er ikke en realistisk løsning at studere højtliggende indvirkning bevægelser. For at undersøge lavere-krop knogle reaktioner under dynamiske høj effekt aktiviteter, er det således vigtigt at udvikle en innovativ tilgang til at løse de begrænsninger i forbindelse med den tidligere rapporteret metode. Specifikt, en metode udnytter nøjagtig kinematiske forsøgsdata og reelle indvirkning landstyrker skal udvikles. Derfor var målet med denne undersøgelse at udvikle en emnespecifik bevægeapparatet model for at udføre multibody dynamiske simuleringer med modal FE analyse for at undersøge tibial stamme under stor effekt aktiviteter. En dynamisk høj effekt bevægelse repræsenteret af drop-landinger fra forskellige højder blev udvalgt til at teste metoden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Formålet med denne undersøgelse var at udvikle en ikke-invasiv metode til at bestemme tibia deformation under stor effekt aktiviteter. Kvantificere tibia stamme på grund af indvirkning lastning vil føre til en bedre forståelse af tibia stress fraktur. I denne undersøgelse, en emnespecifik bevægeapparatet model blev udviklet og computersimulationer blev kørt duplikere drop-landing bevægelser udført i et laboratorium indstilling. Effekten af drop-landing højde på tibial stamme blev undersøgt. I denne undersøg…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Afdeling af hær #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. |
Riferimenti
- 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).
