職業與日常活動中髖關節的負荷分析

簡介

研究動機：髖關節骨關節炎 (Hip Osteoarthritis)

• 發病率為 10.9% [1]

• 2011年造成 260萬天喪失工作能力 [2]

• 2008年 德國衛生保健系統的直接費用高達 76億歐元 (包含所有骨關節炎疾病)

• 提前退休造成額外的費用

• 職業活動與髖關節骨關節炎之間是否存在關聯性?

• 可以在文獻中找到流行病學證據 [3]

對職業與日常活動的分析

研究方法：運動捕捉 (Motion Capture)

運動捕捉 + 地面反作用力

• 採用 Vicon Motion Systems (Oxford, GBR) 的 12組相機系統

• 力量板 (Kistler instrument AG, Winterthur, CH)

• 測量用的樓梯與階梯 Kistler instrument AG, Winterthur, CH)

多體動力學模擬 (Multibody simulation)

• 採用 AnybBody model

• 使用 Anybody modeling system (AMS)

• 使用 AMMR (Anybody 內建之人體肌肉骨骼模型)

• 採用改良的髖伸肌模型

• 人體模型經過測量後進行縮放調整

• 有限制的參數最佳化

• 以 H5 文件格式儲存檔案

Anybody model：包裹伸展肌wrapping extensors

AnyBody model：參數最佳化

對於每一個測試者，每次的試驗都採用相同的人體測量與標記位置

Processing H5-files

• 以 Matlab R2014a (Mathworks Inc., Natick, US-MA) 進行資料整理

• 輸入每個測試者的髖關節力量 (H5 文件)

• 根據功能時間間隔 (如步態週期、間距) 等對試驗進行校正

• 找出最大負荷、計算平均值，輸出資料進行動態時間校正 (DTW, dynamic time warping)

有限元素分析

• 採用 Mimics 16.0 (Materialse NV, Leuven, BE) 進行圖檔整理

• CT 關節與軟骨造影

• 半自動分割 (>200 HU)

分析模型

• 結構分析採用 ANSYS Workbench 16.1 (ANSYS Inc., Canonsburg, US-PA), 負載資料從 AnyBody 分析結果載入

• 在維持髖關節旋轉中心的條件下，AnyBody 的圖檔以疊加方式載入

• 這樣的設定可以讓 AnyBody 的結果檔以參數的方式匯入 ANSYS workbench (旋轉中心轉向, 髖關節負載)

• 骨盆設定為固定支撐 (fixed support)

• 軟骨: hyperelastic (𝜇=5.52MPa, 𝐾=550MPa)

• 骨骼: linear isotropic (E=17GPa, 𝜈=0.3)

• 接觸: bounded & frictional (𝜇=0.04)

結果顯示從下圖的視角方向

研究限制

• MBS 模型沒辦法與受測者個人的骨骼模型完全相同

• FEA 模型進行了簡化

• FEA 模型並未根據受測者每人的骨骼模型進行調整

• FEA 僅用於與之前的已經發表的研究結果進行驗證

討論

• AnyBody 的結果與 in-vivo data 一致

• AnyBody 的結果與之前的研究結果一致 [7,8]

• FEA分析結果與其他研究一致 [9]

• 沒有特定的有害機制，髖關節負荷與骨關節炎沒有關係

• 本研究建立了不同活動之間的負荷關係，例如:步態 (368%-BW) vs 50kg 的負荷轉移 (637%-BW) 與搬運 50kg的負荷 (570%-BW)

• 在單腳站立階段與搬運額外重量的活動中發現負荷值會達到最高

• 研究結果為流行病學研究提供了一個方向