Disciplinaires musculo-squelettique modèle pour étudier les déformation osseuse pendant le mouvement dynamique
Summary
Lors de l’atterrissage, OS de la partie inférieure du corps expérience grosses charges mécaniques et sont déforment. Il est essentiel de mesurer la déformation osseuse afin de mieux comprendre les mécanismes des traumatismes liés au stress osseux associés aux impacts. Une nouvelle approche de l’intégration disciplinaire modélisation musculo-squelettique et analyse par éléments finis sert à mesurer la déformation tibiale au cours de mouvements dynamiques.
Abstract
Traumatismes liés au stress osseux sont communs dans les sports et les formations militaires. Forces d’impact répétitives vaste terrain au cours de la formation pourraient être la cause. Il est essentiel de déterminer l’effet de l’impact avec le sol haute forces sur la déformation de l’os du bas du corps afin de mieux comprendre les mécanismes des traumatismes liés au stress osseux. Mesure de la jauge de contrainte conventionnelle a été utilisé pour étudier in vivo la déformation tibia. Cette méthode est associée aux limites y compris le caractère invasif de la procédure, l’implication de quelques sujets humains et les données de déformation limitée de surfaces petit os. La présente étude vise à introduire une nouvelle approche pour étudier la déformation osseuse tibia sous conditions de charge élevée aux chocs. Un modèle musculo-squelettique spécifiques a été créé pour représenter un homme en bonne santé (19 ans, 80 kg, 1 800 mm). Un modèle de tibia flexible par éléments finis a été créé sur un balayage de la tomodensitométrie (TDM) du tibia droit du sujet. Capture de mouvement de laboratoire a permis d’obtenir des cinématique et au sol des forces de réaction de goutte-débarquements de hauteurs différentes (26, 39, 52 cm). Simulation dynamique multicorps combinée à une analyse modale du tibia flexible effectuées pour quantifier la déformation du tibia au cours de la goutte-débarquements. Données de déformation calculée tibia sont en bon accord avec des études antérieures en vivo . Il est évident que cette approche non invasive peut être appliquée afin d’étudier la déformation osseuse tibia lors des activités à impact élevé pour une grande cohorte, ce qui conduira à une meilleure compréhension du mécanisme de la blessure de fractures de fatigue tibia.
Introduction
Osseuse traumatismes liés au stress, tels que les fractures de stress, sont des blessures de surutilisation sévère nécessitant de longues périodes de récupération et d’encourir des coûts médicaux importants1,2. Fractures de stress sont communs aussi bien dans les populations sportives et militaires. Parmi tous les sports liés à des blessures, fractures de stress représentent 10 % du total3. En particulier, les athlètes de piste face à un taux plus élevé de blessures à 20 %4. Soldats d’expérience également un taux élevé de fractures de stress. Par exemple, un taux de 6 % des blessures a été signalé pour l’ US Army1 et un taux de 31 % des blessures dans l’ armée israélienne5. Parmi toutes les fractures de fatigue signalées, tibia fracture de stress est le plus commun du7,6,8.
Sport et formations physiques avec un risque accru de fracture de fatigue tibia sont normalement associées aux impacts au sol élevée (p. ex., saut, l’atterrissage et coupe). Au cours de la locomotion, une force de l’impact au sol est appliquée sur le corps quand le pied entre en contact avec le sol. Cette force d’impact est dissipée par le système musculo-squelettique et des chaussures. Le système squelettique est une série de leviers permettant aux muscles d’appliquer des forces pour absorber l’ impact de sol9. Lorsque les muscles de la jambe ne peut pas réduire suffisamment l’impact avec le sol, les os du bas du corps doivent absorber la force résiduelle. La structure osseuse subiront déformation au cours de ce processus. L’absorption répétitive de la force de l’impact résiduel peut entraîner microdamages dans l’OS, qui s’accumulent et deviennent des fractures de stress. À ce jour, l’information relative aux os, réaction aux forces d’impact au sol externe est limitée. Il est important d’étudier comment l’os du tibia répond à la charge mécanique introduite par les forces d’impact élevées lors des requêtes dynamiques. Examinant la déformation osseuse tibia lors des activités à impact élevé pourrait conduire à une meilleure compréhension du mécanisme de la fracture de fatigue tibia.
Les techniques classiques utilisées pour mesurer la déformation osseuse in vivo dépendent instrumenté jauges10,11,12,13,14,15. Procédures chirurgicales sont nécessaires pour implanter des jauges de contrainte sur la surface osseuse. En raison de la nature invasive, études in vivo sont limitées par un petit échantillon de volontaires. En outre, la jauge de contrainte ne peut surveiller une petite région de la surface osseuse. Récemment, une méthode non invasive utilisant une simulation sur ordinateur pour analyser la déformation osseuse a été introduite16,17. Cette méthodologie permet la possibilité de combiner la modélisation musculo-squelettique et simulations informatiques afin d’étudier la déformation osseuse au cours du mouvement humain.
Un modèle de l’appareil locomoteur est représenté par un squelette et des muscles squelettiques. Le squelette est constitué de segments osseux, qui sont des corps rigides ou indéformable. Les muscles squelettiques sont modélisés comme des contrôleurs à l’aide de l’algorithme de progressive-intégral-dérivé (PID). La régulation PID de trois trimestres utilise des erreurs dans l’estimation pour améliorer la précision de sortie18. Essentiellement, les régulateurs PID représentant les muscles essaient de reproduire les mouvements du corps en développant les forces nécessaires pour produire des changements de longueur des muscles au fil du temps. Le contrôleur PID utilise l’erreur dans la courbe de longueur/temps pour modifier la force pour reproduire le mouvement. Ce processus de simulation crée une solution réalisable pour coordonner tous les muscles à travailler ensemble pour déplacer le squelette et produire le mouvement du corps.
Un ou plusieurs segments dans le squelette du modèle de l’appareil locomoteur peuvent être modélisés comme des organes flexibles pour permettre la mesure de la déformation. Par exemple, l’os du tibia peut être décomposé en un nombre fini d’éléments, qui se compose de milliers de nœuds elements et. L’effet d’une charge mécanique du tibia flexible peut être examiné par le biais de l’analyse par éléments finis (FE). L’analyse de FE calcule la réponse de chargement d’éléments individuels au fil du temps. Comme le nombre de nœuds elements et augmentation des os, le temps de calcul de l’analyse de FE augmentera de manière significative.
Afin de réduire les coûts informatiques avec une évaluation précise de la déformation des organes flexibles, analyse modale de FE a été développé et utilisé dans l’industrie automobile et l’aéronautique19,20. Au lieu d’analyser les réponses des éléments individuels de FE à charge mécanique dans le domaine temporel, cette procédure évalue les réponses mécaniques d’un objet basés sur différentes fréquences de vibration dans le domaine fréquentiel. Cette méthode entraîne une réduction significative des temps de calcul tout en fournissant une mesure précise de déformation20. Bien que l’analyse modale de FE a été largement utilisé pour étudier la fatigue mécanique dans les secteurs automobiles et aérospatiales, l’application de cette méthode a été très limitée dans la science du mouvement humain. Al Nazer et coll., utilisé une analyse modale de FE pour examiner la déformation tibiale durant la marche humaine et rapporté encourageant résultats16,17. Cependant, leur méthode a été grandement affectée en utilisant uniquement des données cinématiques limitées provenant d’une expérience de conduire des simulations par ordinateur ; Il n’y a pas de réel impact forces utilisés pour aider les simulations au sol. Cette approche peut être raisonnable pour l’étude des mouvements lent faible impact comme la marche, mais il n’est pas une solution réaliste pour étudier les mouvements d’impact au sol élevée. Ainsi, afin d’examiner les réactions de la partie inférieure du corps osseux lors d’activités dynamiques à fort impact, il est essentiel de développer une approche innovante pour pallier les lacunes associées à la méthode indiquée précédemment. Plus précisément, une méthode utilisant des données cinématiques expérimentales précises et réel au sol des forces d’impact doivent être développées. Par conséquent, l’objectif de cette étude était de développer un modèle musculo-squelettique spécifiques pour effectuer des simulations de dynamiques multicorps avec analyse modale de FE pour examiner la déformation tibiale lors des activités à impact élevé. Un mouvement dynamique impact élevé représenté par goutte-débarquements de hauteurs différentes a été sélectionné pour tester la méthode.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le but de cette étude était de développer une méthode non invasive pour déterminer la déformation du tibia lors des activités à impact élevé. Quantifier la déformation du tibia en raison de la charge d’impact conduira à une meilleure compréhension du tibia fracture de stress. Dans cette étude, a développé un modèle de l’appareil locomoteur disciplinaires et simulations sur ordinateur ont été exécutées à reproduire les mouvements de baisse-atterrissage effectués dans un laboratoire. A examiné l…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Département de l’armée #W81XWH-08-1-0587, #W81XWH-15-1-0006 ; Concession de Ball State University 2010 ASPiRE.
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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