Konuya özgü kas-iskelet modeli kemik zorlanma sırasında dinamik hareket eğitimi
Summary
İniş sırasında alt vücut kemikleri büyük mekanik yükler deneyim ve deforme. Etkileri ile ilişkili kemik stres yaralanma mekanizmaları daha iyi anlamak için kemik deformasyonu ölçmek için önemlidir. Konuya özgü kas-iskelet modelleme ve Sonlu elemanlar analizi entegre yeni bir yaklaşımın tibial zorlanma sırasında dinamik hareketleri ölçmek için kullanılır.
Abstract
Kemik stres kırıklarının spor ve askeri eğitimleri yaygındır. Tekrarlayan büyük kara etkisi Kuvvetleri eğitim sırasında neden olabilir. Kemik stres yaralanma mekanizmaları daha iyi anlamak için alt-vücut kemik deformasyon üzerinde yüksek zemin etkisi etkisini zorlar belirlemek için önemlidir. Geleneksel ağırlık ölçme esneklik detektörler ölçüm içinde vivo tibia deformasyon çalışma kullanılmaya başlanmıştır. Bu yöntem invasiveness yordam, kaç insan denekler ve küçük kemik yüzey alanları sınırlı zorlanma verileri katılımı da dahil olmak üzere sınırlamalar ile ilişkilidir. Çalışmada tibia kemik baskı koşulları yükleme yüksek etki altında çalışmaya yeni bir yaklaşımın tanıtmak niyetinde. Bir konuya özgü kas-iskelet modeli sağlıklı erkek (19 yıl, 80 kg, 1800 mm) temsil etmek için oluşturuldu. Esnek Sonlu elemanlar tibia modeli bir bilgisayarlı tomografi (CT) inceden inceye gözden geçirmek konunun doğru Tibia üzerinde tabanlı oluşturuldu. Laboratuvar hareket yakalama damla-iniş kinematik ve zemin tepki kuvvetlerinin farklı yükseklikte (26, 39, 52 cm) elde etmek için gerçekleştirildi. Esnek tibia kalıcı bir analizi ile kombine multibody dinamik bilgisayar simülasyonları tibia zorlanma damla-iniş sırasında ölçmek için yapıldı. Hesaplanan tibia zorlanma veri önceki in vivo çalışmalar ile iyi anlaşma vardı. Non-invaziv bu yaklaşım daha iyi tibia stres kırıkları yaralanma mekanizmasının anlaşılması için yol açacak büyük bir kohort için yüksek darbe faaliyetleri sırasında tibia kemik suşu çalışmaya uygulanabilir belirgindir.
Introduction
Kemik stres, stres kırıkları gibi uzun süre kurtarma gerektiren ve önemli tıbbi maliyet1,2üstlenmeden şiddetli aşırı yaralanmaları yaralar. Stres kırıkları ortak atletik ve askeri nüfus her ikisi de. Arasında tüm spor yaralanmaları, stres kırıkları hesap için toplam3yüzde 10’u ile ilgili. Özellikle, sporcular yüzü daha yüksek bir yaralanma oranı % 204izlemek. Askerler de stres kırıkları yüksek orandaki deneyim. Örneğin, %6 yaralanma oranı için ABD Ordusu1 bildirildi ve % 31 yaralanma oranı İsrail Ordusu5‘ te bildirildi. Tüm bildirilen stres kırıkları arasında tibia stres kırığı en yaygın bir6,7,8‘ dir.
Spor ve fiziksel eğitimler tibia stres kırığı daha yüksek bir risk ile normalde yüksek zemin etkileri (örneğin, atlama, açılış ve kesme) ile ilişkilidir. Ayak yere kurduğunda hareket sırasında vücut için bir yere darbe kuvveti uygulanır. Bu darbe kuvveti kas-iskelet sistemi ve ayakkabı tarafından harcanmış. İskelet sistemi kolları kas Kuvvetleri zemin etkisi9emmek için uygulamak izin veren bir dizi olarak hizmet vermektedir. Bacak kasları yeterli zemin etkisi azaltmak olamaz zaman, alt-vücut kemikleri kalan gücü absorbe gerekir. Kemik yapısı bu işlemi sırasında deformasyon yaşayacaksınız. Artık darbe kuvveti tekrarlayan emilimini birikir ve stres kırıkları haline kemik microdamages içinde neden olabilir. Bugüne kadar kemik için ilgili bilgiler dış kara etkisi Kuvvetleri tepki sınırlıdır. Tibia kemik dinamik hareketleri sırasında yüksek etki güçleri tarafından tanıtılan mekanik yük nasıl yanıt vereceğini çalışma önemlidir. Tibia kemik deformasyonu yüksek darbe etkinlikleri sırasında inceleyerek tibia stres kırığı mekanizmasının daha iyi anlamak için neden olabilir.
Kemik deformasyonu vivo ölçmek için kullanılan geleneksel teknikleri Araçlı gerilim ölçerler10,11,12,13,14,15tarihinde güveniyor. Cerrahi işlemler kemik yüzeyindeki gerginlik ölçme implant için ihtiyaç vardır. İnvaziv doğası nedeniyle, in vivo çalışmalar gönüllü küçük bir örnek ile sınırlıdır. Buna ek olarak, ağırlık ölçme esneklik detektörler sadece kemik yüzeyine küçük bir bölgenin izleyebilirsiniz. Son zamanlarda, non-invaziv bir yöntem kemik zorlanma çözümlemek için bilgisayar simülasyonu kullanan tanıtılan16,17yaşındaydım. Bu metodoloji insan hareketi sırasında kemik suşu çalışmaya kas-iskelet modelleme ve bilgisayar simülasyonları birleştirme olanağını sağlar.
Bir kas-iskelet modeli bir iskelet ve iskelet kasları tarafından temsil edilir. İskelet rijit veya deforme olmayan organları olan kemik parçadan oluşur. İskelet kasları ilerici-integral-türev (PID) algoritması kullanılarak denetleyicileri olarak modellenmiştir. Üç dönemlik PID kontrol hataları tahmininde çıkış doğruluğu18geliştirmek için kullanır. Özünde, PID denetleyicileri kasları temsil eden kasların uzunluğu değişiklikler zamanla üretmek için gerekli kuvvetler geliştirerek vücut hareketleri oluşturmaya çalışın. PID denetleyicisi hata uzunluğu/saat tonundaki hareketi çoğaltılması için kuvvet değiştirmek için kullanır. Bu simülasyon işlemi tüm kas iskelet hareket ve vücut hareketleri üretmek amacıyla birlikte çalışmak için koordine etmek için uygun bir çözüm oluşturur.
İskelet kas-iskelet modeli bir veya daha fazla segmentlerinde deformasyon ölçümü izin vermek için esnek organları modellenebilir. Örneğin, tibia kemik öğeleri ve düğümleri binlerce oluşan bir sonlu sayıda öğe, bölünebilir. Esnek tibia mekanik yükleme etkisi Sonlu elemanlar (FE) analizi ile incelenebilir. FE analiz tek tek öğeleri yükleme tepki zaman içinde hesaplar. Kemik öğeleri ve düğümleri artış sayısı olarak, FE analizin hesaplama saat önemli ölçüde artacaktır.
Esnek organları deformasyon doğru değerlendirilmesi ile Hesaplamalı maliyetini azaltmak için kalıcı FE analiz geliştirilmiş ve içinde otomotiv ve Havacılık ve uzay sanayi19,20kullanılır. Bireysel FE elements yanıt zaman etki alanındaki mekanik yük için analiz yerine, bu yordamı farklı titreşim frekansları frekans etki alanındaki temel nesnenin mekanik yanıt değerlendiriyor. Bu yöntem deformasyon20doğru ölçüm sağlarken hesaplama zaman önemli bir azalma olur. Her ne kadar kalıcı FE analizi yaygın mekanik yorgunluk otomotiv ve Havacılık alanlarında eğitim için kullanılmıştır, bu yöntemin uygulama çok sınırlı olmuştur insan hareketi bilim. Al Nazer vd., insan yürüyüş sırasında tibial deformasyon incelemek için kalıcı bir FE analiz kullanılan ve sonuçları16,17teşvik bildirdi. Ancak, bu yöntem büyük ölçüde bilgisayar simülasyonları sürücü için sadece bir deney sınırlı kinematik verileri kullanarak etkilendi; Gerçek olduğunu zemin simülasyonlar yardımcı olmak için kullanılan etki güçleri. Bu yaklaşım yürüyüş gibi düşük etkisi yavaş hareketleri eğitimi için makul olabilir ama bu yüksek zemin etkisi hareketleri çalışmaya uygun bir çözüm değil. Böylece, dinamik yüksek darbe faaliyetleri sırasında alt vücut kemik reaksiyonları incelemek için daha önce bildirilen yöntemiyle ilişkili sınırlamaları gidermek için yenilikçi bir yaklaşım geliştirmek esastır. Özellikle, bir yöntem kullanmak doğru deneysel kinematik veri ve gerçek kara etkisi Kuvvetleri geliştirilen gerekir. Bu nedenle, bu çalışmanın amacı multibody dinamik simülasyonlar tibial zorlanma yüksek darbe faaliyetleri sırasında incelemek için kalıcı FE analizi ile gerçekleştirmek için bir konuya özgü kas-iskelet modeli geliştirmekti. Damla-iniş tarafından farklı yükseklikte temsil bir dinamik yüksek darbe hareketi yöntemini sınamanızı sağlamak üzere seçildi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışmada tibia deformasyon yüksek darbe etkinlikleri sırasında belirlemek için non-invaziv bir yöntem geliştirmekti. Tibia zorlanma nedeniyle etkisi yükleme miktarının daha iyi tibia stres kırığı anlamak için yol açacaktır. Bu çalışmada bir konuya özgü kas-iskelet modeli geliştirilmiştir ve bilgisayar simülasyonları bir laboratuvar ortamında gerçekleştirilen damla-Açılış hareketleri çoğaltmak için işletilmiştir. Tibial zorlanma damla-açılış yükseklik etkisi incelenmiştir….
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bakanlığı, ordu #W81XWH-08-1-0587, #W81XWH-15-1-0006; Topu Devlet Üniversitesi 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. |
References
- 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).
