Fagspesifikke muskel modell for å studere bein belastning under dynamisk bevegelse
Summary
Under landing, nedre kroppen bein oppleve store mekaniske belastninger og er deformert. Det er viktig å måle bein deformasjon å forstå mekanismer for Ben stress skader forbundet med konsekvensene. En ny tilnærming integrere fagspesifikke muskel modellering og finite elementanalyse brukes til å måle tibial belastning under dynamiske bevegelser.
Abstract
Ben stress skader er vanlig i sports- og militær opplæring. Repeterende stor innvirkning bakkestyrker under trening kan være årsaken. Det er viktig å bestemme effekten av høydene innvirkning styrker på lavere kroppen bein deformasjon å forstå mekanismene av bein belastningsskader. Konvensjonelle belastninger måle måling er brukt til å studere i vivo tibia deformasjon. Denne metoden er forbundet med begrensninger inkludert invasiveness av prosedyren, involvering av noen mennesker, og begrenset belastning data fra små ben flater. Denne studien har til hensikt å introdusere en ny tilnærming for å studere tibia bein belastning under høy impact legge forholdene. Fagspesifikke muskel modell ble opprettet for å representere en sunn mann (19 år, 80 kg, 1800 mm). En fleksibel endelig element tibia modell ble opprettet basert på en beregnet tomografi (CT) skanning av faget rett tibia. Laboratoriet motion capture-teknologi ble utført for å hente kinematikk og bakken reaksjonsstyrker av drop-landinger fra ulike høyder (26, 39, 52 cm). Multibody dynamisk datasimulering kombinert med en modal analyse av fleksible tibia ble utført for å kvantifisere tibia belastning under slipp-landinger. Beregnet tibia belastning data var i god avtale med tidligere i vivo studier. Det er tydelig at denne ikke-invasiv tilnærming kan brukes for å studere tibia bein belastning under høy impact aktiviteter til en stor kohort, som vil føre til en bedre forståelse av skade mekanisme tibia stress frakturer.
Introduction
Ben stress skader, for eksempel stress frakturer, er alvorlige belastningsskader krever lengre utvinning og pådra seg betydelige medisinske kostnader1,2. Stress frakturer er vanlig både atletisk og militære bestander. Arbeidsrelaterte skader, stress frakturer utgjør 10% av totalt3blant alle idretter. Spesielt spore idrettsutøvere ansiktet en høyere skade rente på 20%4. Soldater også oppleve en høy grad av stress frakturer. For eksempel, en 6% skade rente ble rapportert for US Army1 og en 31% skade rente ble rapportert i den israelske hæren5. Blant alle rapporterte stress frakturer er tibia stress fraktur den vanligste en6,7,8.
Sport og fysisk treninger med en høyere risiko for tibia stress fraktur er normalt forbindes med høye bakken virkninger (f.eks, hopping, landing og kutte). Under bevegelse kraft en bakken innvirkning til kroppen når foten kontakter bakken. Denne slagkraft forsvinner av bevegelsesapparatet og fottøy. Skeletal system fungerer som en rekke spaker slik at musklene til å bruke krefter til å absorbere bakken innvirkning9. Når beinmuskulaturen ikke tilstrekkelig redusere bakken virkningen, må nedre kroppen bein absorbere rester kraft. Benstrukturen vil oppleve deformasjon under denne prosessen. Repeterende absorpsjon av gjenværende slagkraft kan resultere i microdamages i benet, som vil samle og bli stress frakturer. Hittil, informasjon relatert til bein er reaksjon på eksterne innvirkning bakkestyrker begrenset. Det er viktig å studere hvordan tibia benet reagerer på mekanisk belastningen introdusert av høy gjennomslagskraft styrker under dynamiske bevegelser. Undersøke tibia bein deformasjon under høy impact aktiviteter kan føre til en bedre forståelse av mekanismen av tibia stress fraktur.
Konvensjonelle teknikker brukes til å måle bein deformasjon i vivo avhengige instrumenterte Måløy10,11,12,13,14,15. Kirurgiske prosedyrer er nødvendig å implantatet Måløy på bein overflate. På grunn av invasiv Art, er i vivo studier begrenset av en liten prøve av frivillige. I tillegg kan strain gauge bare overvåke et lite område av bein overflaten. Nylig var en ikke-invasiv metode utnytte datasimulering å analysere bein belastning introdusert16,17. Denne metoden gir muligheten til å kombinere muskel modellering og beregningsformelen simulering for å studere bein belastning under menneskelig bevegelse.
En muskel modell representeres av et skjelett og skjelettmuskulatur. Skjelettet består av bein deler, som er stiv eller ikke-deformerbare organer. Skjelettmuskulatur er modellert som kontrollere ved hjelp av progressiv-integrert-derivat (PID) algoritme. Tre sikt PID kontrollen bruker feil i estimering for å forbedre produksjon nøyaktighet18. I hovedsak prøve PID kontrollere representerer muskler å duplisere bevegelser ved å utvikle nødvendige styrker for å produsere lengde endringer av musklene over tid. PID kontrolleren bruker feil lengde/klokkeslett kurven endre styrken for gjengivelse bevegelsen. Denne simuleringen prosessen oppretter en mulig løsning for å koordinere alle musklene å arbeide sammen for å flytte skjelettet og produsere kroppens bevegelser.
Ett eller flere segmenter i skjelettet av muskel modellen kan modelleres som fleksibel organer å tillate måling av deformasjon. Tibia benet kan for eksempel deles inn i et endelig antall elementer, som består av elementer og noder. Effekten av mekaniske belastninger på fleksible tibia kan undersøkes gjennom finite element (FE) analyse. FE analysen beregner lasting svaret av individuelle elementer over tid. Som antall bein elementer og noder øker øker betydelig beregning tid av FE analyse.
For å redusere databehandlingskostnaden med nøyaktig vurdering av fleksible organenes deformasjon, blitt modal FE analyse utviklet og brukt i bilindustrien og aerospace industry19,20. I stedet for å analysere individuelle FE elements’ Svar å mekanisk belastning i tiden domenet, vurderer denne prosedyren objektets mekanisk svar basert på ulike vibrasjonelle frekvensene i frekvens domene. Denne metoden gir en betydelig reduksjon i beregning tid samtidig som nøyaktig måling av deformasjon20. Selv om sperrende FE analyse har vært mye brukt til å studere mekanisk tretthet i bil og luftfart, anvendelse av denne metoden har vært svært begrenset i menneskelig bevegelse vitenskap. Al Nazer et al., brukes en modal FE analyse undersøke tibial deformasjon under menneskelige gangart og rapportert oppmuntrende resultater16,17. Men var deres metode sterkt påvirket av bare bruker begrenset Kinematisk data fra et eksperiment for å kjøre datasimulering; Det var ingen reell bakken innvirkning styrker hjelpe simuleringene. Denne tilnærmingen kan være rimelig for å studere lav innvirkning sakte bevegelser som gåing, men det er ikke en mulig løsning å studere høydene innvirkning bevegelser. Derfor undersøke nedre kroppen bein reaksjoner under dynamisk slagkraftig aktiviteter, er det viktig å utvikle en innovativ tilnærming for å løse begrensningene knyttet til metoden tidligere rapportert. Spesielt en metode nøyaktige eksperimentelle Kinematisk data og ekte innvirkning bakkestyrker må utvikles. Derfor var målet med denne studien å utvikle en fagspesifikke muskel modell for å utføre multibody dynamiske simuleringer sperrende FE analyse undersøke tibial belastning under høy impact aktiviteter. En dynamisk slagkraftig bevegelse representert ved slipp-landinger fra ulike høyder ble valgt å teste metoden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Formålet med denne studien var å utvikle en ikke-invasiv metode for å bestemme tibia deformasjon under høy impact aktiviteter. Kvantifisere tibia belastning på grunn av innvirkning lasting vil føre til en bedre forståelse av tibia stress fraktur. I denne studien fagspesifikke muskel modell ble utviklet og datasimulering ble kjørt duplisere slipp-landing bevegelser utført i et laboratorium. Effekten av drop-landing høyde på tibial belastningen ble undersøkt. I denne studien vi observerte at som drop-landing h?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Avdeling av den hæren #W81XWH-08-1-0587, #W81XWH-15-1-0006; Ball State University 2010 ASPiRE tildeling.
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).
