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

某些職業活動會不會比日常活動產生更高的髖關節負荷?



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)

受試者 (n=11) 	男性 	沒有髖關節疾病 	理解研究任務



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