Предметно специфические опорно-модель для изучения кости деформации во время динамического движения
Summary
Во время посадки, кости нижней части тела испытывают большие механические нагрузки и деформируются. Это важно для измерения деформации костей лучше понять механизмы костных травм стресс, связанные с последствиями. Новаторский подход интеграции конкретным опорно моделирования и анализа методом конечных элементов используется для измерения большеберцовой кости деформации во время динамических движений.
Abstract
Костных травм стресс являются общими в спорте и военных учений. Причиной может быть повторяющихся крупных сухопутных сил воздействия во время обучения. Важно, чтобы определить эффект воздействия высоких местах силы на деформацию костей нижней части тела лучше понять механизмы костных травм и стресса. Обычные Тензометрические измерения был использован для изучения в естественных условиях деформации голени. Этот метод связан с ограничениями в том числе инвазивность процедуры, участие нескольких человеческих субъектов и ограниченные штамм данных от площади поверхности мелких костей. Настоящее исследование намерен внедрить новый подход к изучению деформации костей голени под высокой ударной нагрузке. Предметно специфические опорно-модель была создана для представления здоровый мужчина (19 лет, 80 кг, 1800 мм). Гибкие конечно-элементной модели голени была создана на основе сканирование компьютерная томография (КТ) субъекта правой голени. Захват движения лаборатория была выполнена для получения кинематики и наземных сил реагирования падение-посадок с различных высот (26, 39, 52 см). Многотельные динамических компьютерного моделирования в сочетании с модального анализа гибкий голени были выполнены для количественного определения деформации голени во время падения посадки. Вычисляемые голени штамм данные были в хорошем согласии с предыдущими исследованиями в естественных условиях . Очевидно, что это неинвазивная подход может быть применен для изучения деформации костей голени во время высокой воздействия мероприятий для большой когорты, который приведет к более глубокому пониманию механизма травмы голени стресс переломы.
Introduction
Кость стресс травм, таких как стресс переломы, являются серьезными чрезмерное травм, требующих длительных периодов восстановления и понести значительные медицинские расходы1,2. Стресс переломы являются общими в спортивные и военные населения. Среди всех спортивных травм стресс переломы приходится 10% от всего3. В частности Отслеживайте спортсменов лицо выше травматизма на 20%4. Солдаты также испытывают высокий уровень стресс переломы. К примеру 6% травматизма было сообщено для армии США1 и 31% травматизма было сообщено в израильской армии5. Среди всех зарегистрированных стресс переломы большеберцовой кости перелом стресса является наиболее распространенным6,7,8.
Спорт и физических тренировок с более высоким риском стресс переломов голени обычно ассоциируется с воздействием высоких местах (например, прыжки, посадки и резки). Во время передвижения сухопутные силы воздействия применяется к телу, когда нога контакты земли. Эта сила удара рассеивается, опорно-двигательного аппарата и обувь. Скелетная система служит ряд рычагов, позволяя мышцы для применения силы осваивать земли влияние9. Когда мышцы ног не может адекватно снизить влияние земли, кости нижней части тела должны поглощать остаточных сил. Строение костей будет испытывать деформации во время этого процесса. Повторяющихся поглощения остаточное воздействие силы может привести к микроповрежденности в кости, который будет накапливаться и стать стресс переломы. На сегодняшний день сведения, относящиеся к кости реакция на воздействие внешних сухопутных войск ограничен. Важно изучить, как кости голени реагирует на механическую нагрузку, представленный высокой ударной силы во время динамических движений. Анализ деформации костей голени во время высокой воздействия деятельности может привести к более глубокому пониманию механизма большеберцовой кости перелом стресса.
Обычные методы, используемые для измерения кости деформации в vivo полагаются на инструментированный тензодатчиков10,11,12,13,14,15. Хирургические процедуры необходимы для имплантата тензодатчиков на поверхности кости. Из-за захватнический характер в vivo исследования ограничены небольшой образец добровольцев. Кроме того Тензометрический датчик может контролировать только небольшой регион поверхности кости. Недавно неинвазивный метод, использование компьютерного моделирования для анализа кости штамм был представлен16,17. Эта методология позволяет способность сочетать опорно моделирования и вычислительного моделирования для изучения кости деформации во время движения человека.
Опорно модели представлен скелет и скелетные мышцы. Скелет состоит из костей сегментов, которые являются жесткими или не деформируемого тела. Скелетные мышцы моделируются как контроллеры, с использованием алгоритма прогрессивной интеграл производная (PID). 3 триместровый PID управления использует ошибки в оценке улучшить точность вывода18. По существу ПИД-регуляторов, представляющие мышц пытаться дублировать движений тела путем разработки необходимых сил производить изменения длины мышц с течением времени. ПИД контроллер использует ошибку в кривой длина/время для изменения силы для воспроизведения движения. Этот процесс моделирования создаёт возможным решение координировать все мышцы, чтобы работать вместе, чтобы переместить скелета и производить движения тела.
Один или несколько сегментов в скелет опорно модели могут быть смоделированы как гибкие тела чтобы измерения деформации. Например кости голени можно подразделить на конечное количество элементов, которое состоит из тысяч элементов и узлов. Влияние механической нагрузки на гибких голени может быть рассмотрен через анализ методом конечных элементов (FE). Анализ Фе вычисляет ответ загрузки отдельных элементов со временем. Как количество элементов и узлов рост костей время вычисления FE анализа будет значительно увеличить.
Для уменьшения вычислительных затрат с точной оценкой деформирования гибких органов, FE модального разработана и используется в авиационной и автомобильной промышленности19,20. Вместо анализа отдельных элементов FE ответы на механической нагрузки в домене время, эта процедура оценивает объекта механические ответы, основанные на различные колебательные частоты в частотной области. Этот метод приводит к значительному сокращению время вычислений, обеспечивая точное измерение деформации20. Хотя модального FE широко использовался для изучения механической усталости в авиационной и автомобильной областях, применение этого метода была весьма ограниченной в человеческого движения науки. Аль Nazer et al., используется модальный анализ Фе для изучения большеберцовой кости деформации во время походка человека и сообщили, поощряя результаты16,17. Однако их метод значительно пострадал, только используя ограниченные кинематической данные из эксперимента водить компьютерного моделирования; Существует никакой реальной силы воздействия, используется для оказания помощи моделирования. Этот подход может быть разумным для изучения низкого воздействия медленных движений например, ходьба, но он не является подходящим решением для изучения движений воздействия высоких местах. Таким образом чтобы изучить нижней части тела кости реакции во время динамического высокой воздействия деятельности, важно выработать новаторский подход к решению ограничения, связанные с методом сообщалось ранее. В частности, метод использования точных экспериментальных данных кинематической и реального воздействия силы земли должны быть разработаны. Таким образом цель данного исследования было разработать предметные опорно модели для выполнения многотельных динамического моделирования с FE модального расчета для изучения большеберцовой кости деформации во время высокой воздействия деятельности. Динамического воздействия высокой движение, представленное падение посадки с различных высот был выбран для проверки метода.
Protocol
Representative Results
Discussion
Целью данного исследования было разработать неинвазивный метод для определения деформации голени во время высокоэффективных мероприятий. Количественное определение деформации голени из-за воздействия загрузки приведет к лучшему пониманию перелома голени стресс. В этом исследовани…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Департамент по армии #W81XWH-08-1-0587, #W81XWH-15-1-0006; Мяч государственного университета 2010 ASPiRE Грант.
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).
