Flexible Multibody Simulation Approach in the Dynamic Analysis of Bone Strains Activity

The objective of this study is to show that bone strains due to dynamic mechanical loading during physical activity can be analysed using the flexible multibody simulation approach. Strains within the bone tissue play a major role in bone (re)modeling. Based on previous studies, it has been shown that dynamic loading seems to be more important for bone (re)modeling than static loading. The finite element method has been used previously to assess bone strains. However, the finite element method may be limited to static analysis of bone strains due to the expensive computation required for dynamic analysis, especially for a biomechanical system consisting of several bodies. Further, in vivo implementation of strain gauges on the surfaces of bone has been used previously in order to quantify the mechanical loading environment of the skeleton. However, in vivo strain measurement requires invasive methodology, which is challenging and limited to certain regions of superficial bones only, such as the anterior surface of the tibia. In this study, an alternative numerical approach to analyzing in vivo strains, based on the flexible multibody simulation approach, is proposed. In order to investigate the reliability of the proposed approach, three 3-dimensional musculoskeletal models where the right tibia is assumed to be flexible, are used as demonstration examples. The models are employed in a forward dynamics simulation in order to predict the tibial strains during walking on a level exercise. The flexible tibial model is developed using the actual geometry of the subject’s tibia, which is obtained from 3 dimensional reconstruction of Magnetic Resonance Images. Inverse dynamics simulation based on motion capture data obtained from walking at a constant velocity is used to calculate the desired contraction trajectory for each muscle. In the forward dynamics simulation, a proportional derivative servo controller is used to calculate each muscle force required to reproduce the motion, based on the desired muscle contraction trajectory obtained from the inverse dynamics simulation. Experimental measurements are used to verify the models and check the accuracy of the models in replicating the realistic mechanical loading environment measured from the walking test. The predicted strain results by the models show consistency with literature-based in vivo strain measurements. In conclusion, the non-invasive flexible multibody simulation approach may be used as a surrogate for experimental bone strain measurement, and thus be of use in detailed strain estimation of bones in different applications. Consequently, the information obtained from the present approach might be useful in clinical applications, including optimizing implant design and devising exercises to prevent bone fragility, accelerate fracture healing and reduce osteoporotic bone loss.

Progressive multifocal leukoencephalopathy in common variable immunodeficiency: mitigated course under mirtazapine and mefloquine.

Demonstration of survival and outcome of progressive multifocal leukoencephalopathy (PML) in a 56-year-old patient with common variable immunodeficiency, consisting of severe hypogammaglobulinemia and CD4+ T lymphocytopenia, during continuous treatment with mirtazapine (30 mg/day) and mefloquine (250 mg/week) over 23 months. Regular clinical examinations including Rankin scale and Barthel index, nine-hole peg and box and block tests, Berg balance, 10-m walking tests, and Montreal Cognitive Assessment (MoCA) were done. Laboratory diagnostics included complete blood count and JC virus (JCV) concentration in cerebrospinal fluid (CSF). The noncoding control region (NCCR) of JCV, important for neurotropism and neurovirulence, was sequenced. Repetitive MRI investigated the course of brain lesions. JCV was detected in increasing concentrations (peak 2568 copies/ml CSF), and its NCCR was genetically rearranged. Under treatment, the rearrangement changed toward the archetype sequence, and later JCV DNA became undetectable. Total brain lesion volume decreased (8.54 to 3.97 cm(3)) and atrophy increased. Barthel (60 to 100 to 80 points) and Rankin (4 to 2 to 3) scores, gait stability, and box and block (7, 35, 25 pieces) and nine-hole peg (300, 50, 300 s) test performances first improved but subsequently worsened. Cognition and walking speed remained stable. Despite initial rapid deterioration, the patient survived under continuous treatment with mirtazapine and mefloquine even though he belongs to a PML subgroup that is usually fatal within a few months. This course was paralleled by JCV clones with presumably lower replication capability before JCV became undetectable. Neurological deficits were due to PML lesions and progressive brain atrophy.

Uptake and factors that influence the use of ‘sit less, move more’ occupational intervention strategies in Spanish office employees

Background Little is known about the types of ‘sit less, move more’ strategies that appeal to office employees, or what factors influence their use. This study assessed the uptake of strategies in Spanish university office employees engaged in an intervention, and those factors that enabled or limited strategy uptake. Methods The study used a mixed method design. Semi-structured interviews were conducted with academics and administrators (n = 12; 44 ± 12 mean SD age; 6 women) at three points across the five-month intervention, and data used to identify factors that influenced the uptake of strategies. Employees who finished the intervention then completed a survey rating (n = 88; 42 ± 8 mean SD age; 51 women) the extent to which strategies were used [never (1) to usually (4)]; additional survey items (generated from interviewee data) rated the impact of factors that enabled or limited strategy uptake [no influence (1) to very strong influence (4)]. Survey score distributions and averages were calculated and findings triangulated with interview data. Results Relative to baseline, 67% of the sample increased step counts post intervention (n = 59); 60% decreased occupational sitting (n = 53). ‘Active work tasks’ and ‘increases in walking intensity’ were the strategies most frequently used by employees (89% and 94% sometimes or usually utilised these strategies); ‘walk-talk meetings’ and ‘lunchtime walking groups’ were the least used (80% and 96% hardly ever or never utilised these strategies). ‘Sitting time and step count logging’ was the most important enabler of behaviour change (mean survey score of 3.1 ± 0.8); interviewees highlighted the motivational value of being able to view logged data through visual graphics in a dedicated website, and gain feedback on progress against set goals. ‘Screen based work’ (mean survey score of 3.2 ± 0.8) was the most significant barrier limiting the uptake of strategies. Inherent time pressures and cultural norms that dictated sedentary work practices limited the adoption of ‘walk-talk meetings’ and ‘lunch time walking groups’. Conclusions The findings provide practical insights into which strategies and influences practitioners need to target to maximise the impact of ‘sit less, move more’ occupational intervention strategies.

Vuotasapainon hallinta kokosiltasyötetyssä muuntajassa

Keskitaajuudella toimivia muuntajia käytetään laajalti tehoelektroniikkasovelluksissa kuten DC/DC-konverttereissa ja muissa hakkuriteholähteissä. Muuntaja on induktiivinen komponentti, jonka magneettisen tasapainon säilyttäminen hakkuriteholähteissä on laitteen virheettömän toiminnan kannalta tärkeää. Muuntajaa syöttävän virtapiirin on muodostettava symmetrinen syöttöjännite, jotta muuntajan vuo ei ajaudu positiiviseen tai negatiiviseen kyllästykseen. Tässä diplomityössä esitetään muuntajan sähkömagneettinen toimintaperiaate, kyllästymisen syyt hakkuriteholähteissä sekä kehitetään aktiivinen ohjaus vuotasapainon säilyttämiseksi. Hakkuriteholähteissä käytettävissä muuntajissa on monesti useampi kuin kaksi käämiä. Tässä työssä tutkittavassa muuntajassa on useita ensiöitä ja useita toisioita ja muuntajaa syötetään keskitaajuudella. Tämä tuo uusia ongelmia verrattuna perinteiseen yksivaiheiseen DC/DC-konvertteriin. Näihin ongelmiin esitetään ratkaisut diplomityön tutkimuksessa.

Työmatkaliikkumissuunnitelma Turun yliopistolliselle keskussairaalalle

Tämän työn tavoitteena on luoda Turun yliopistolliselle keskussairaalalle kestävän kehityksen mukainen työmatkaliikkumissuunnitelma, jonka avulla lisätään kestävien liikkumismuotojen käyttöä, kustannusnäkökulma huomioon ottaen. Lisäksi tavoitteena on ratkaista nykyisen pysäköintijärjestelyn ongelmia. Työn teoriaosuudessa on esitetty kestävän liikkumisen, työssä hyödynnettävän kustannuslaskennan ja liikkumissuunnitelman luomisen vaiheiden periaatteet. Empiriaosuudessa rakennettava liikkumissuunnitelma perustuu näihin teorioihin. Työn keskeisenä tutkimusmenetelmänä on käytetty Webropol-pohjaista kyselyä, jolla tutkittiin työmatkaliikkumisen nykytilaa. Lisäksi kyselyllä tutkittiin työntekijöiden mielipiteitä mahdollisista kehitystoimenpiteistä. Työntekijöiden vuosittaisista työmatkakilometreistä 16,9 miljoonaa kuljettiin yksityisautolla, mikä on noin 65 % kaikista työmatkakilometreistä. Yksityisautoilu aiheuttaa kulkumuodoista suurimmat päästöt kaikissa päästöluokissa. Pysäköinnin kustannuksia tutkittaessa havaittiin, että pysäköintioikeuden hinta on alhainen verrattuna parkkihallin rakennus- ja ylläpitokustannuksiin. Eri liikkumistapoja vertailtaessa havaittiin, että nykytilanteessa yksityisautoilu on lyhyillä työmatkoilla edullisempi kulkumuoto kuin julkinen liikenne. Toteutettavuus-vaikuttavuus-suhde huomioon ottaen, parhaimmat työmatkaliikkumisen kehitystoimenpiteet ovat osittain kustannettu työsuhdematkalippu työntekijöille, lukittavien pyörätelineiden sijoittaminen työpaikan välittömään läheisyyteen, kävely- ja pyöräreittien parempi talvikunnossapito, työnantajan kustantama vuosittainen polkupyörähuolto ja pysäköintioikeuden hinnankorotus. Toimenpiteiden jälkeen yksityisautoilu on kaikilla työmatkan pituuksilla kallein liikkumismuoto.

Uusintamurtumien ehkäisy kaatumisen aiheuttaman yläraajamurtuman kokeneilla yli 50-vuotiailla henkilöillä

Tarkoitus: Tarkoituksena oli selvittää murtumien tehostetun ehkäisyohjelman vaikutuksia yläraajamurtuman saaneiden yli 50-vuotiaiden henkilöiden elämäntapoihin, murtumien riskitekijöihin, kaatumisiin, kaatumisvammoihin ja elämänlaatuun. Aineisto: 219 yli 50-vuotiasta kotona asuvaa, kaatumisen seurauksena yläraajamurtuman saanutta henkilöä satunnaistettiin koe- (n = 105) ja kontrolliryhmiin (n = 114). Menetelmä: Koeohjelma sisälsi yksilöllisen, yhdessä lääkärin, terveydenhoitajan ja tutkittavan kanssa laaditun hoito- ja kuntoutussuunnitelman sekä kutsun murtumien ehkäisyn koulutusohjelmaan. Kontrolliryhmän tutkittavat saivat kehotuksen hakeutua murtumahoitajan ohjaukseen. Seuranta-aika oli 14 kuukautta. Tulokset analysoitiin ryhmissä tapahtuneina muutoksina alkuja loppumittausten välillä sekä ryhmien välisenä erona muutoksissa. Tulokset: Keskimääräinen luun tiheys lannerangassa lisääntyi koeryhmässä (p<0,001) ja kontrolliryhmässä (p = 0,038), ryhmien välinen ero ei ollut tilastollisesti merkitsevä (p = 0,134). Reisiluun kaulassa luun tiheys ei muuttunut kummassakaan ryhmässä. Päivittäinen kalsiumin saanti lisääntyi koeryhmässä keskimäärin 167 mg (p<0,001) ja kontrolliryhmässä 30 mg (p = 0,475), ryhmien välinen ero oli tilastollisesti merkitsevä (p = 0,031). Kala-ateriat ja päivittäinen D-vitamiinilisä sekä kenkien liukuesteiden säännöllinen käyttö liukkaalla lisääntyivät molemmissa ryhmissä, mutta ryhmien välillä ei ollut eroa. Viiteen tuolilta nousukertaan käytetty aika vähentyi koeryhmässä keskimäärin 0,49 sekuntia (p = 0,185) ja lisääntyi kontrolliryhmässä 0,39 (p = 0,475), ero ryhmien välillä oli tilastollisesti merkitsevä (p = 0,02). Kymmenen metrin kävelyssä ei tapahtunut tulosten keskiarvossa muutoksia kummassakaan ryhmässä. Ortostatismi vähentyi kontrolliryhmässä (p = 0,049), ja masentuneisuus vähentyi koeryhmässä (p = 0,041), mutta ryhmien välillä ei näissä ollut merkitsevää eroa. Osteoporoosilääkkeiden käyttö lisääntyi molemmissa ryhmissä, ryhmien välillä ei ollut eroa. Alkoholin käytössä oli vähäisiä mutta ei merkittäviä muutoksia. Muissa testatuissa muuttujissa, kuten liikunnan viikoittainen määrä, tupakointi, näkökyky, tasapaino ja elämänlaatu, ei ollut merkitseviä muutoksia ryhmissä tai ryhmien välillä. Kaatumisten (koeryhmä 33, kontrolliryhmä 35) ja murtumien (koeryhmä 5 ja kontrolliryhmä 3) määrissä ei myöskään ollut merkitseviä eroja ryhmien välillä. Johtopäätökset: Noin neljällä viidestä kaatumisen seurauksena yläraajamurtuman saaneista, yli 50 vuotta täyttäneistä henkilöistä oli alentunut luun tiheys, ja noin joka toisella oli lisääntynyt kaatumisriski. Kaatumisen riskitekijöiden kliiniset mittaukset olivat nopeita toteuttaa ja auttoivat ehkäisytoimenpiteiden suunnittelussa. Murtuman saaneet olivat motivoituneita murtumien riskitekijöiden selvittämiseen ja myös toteuttamaan annettua lääkehoitoa. Elämäntavoissa helpoimmin toteutuivat muutokset ruokailutottumuksissa. Liikuntatottumuksien muuttaminen sen sijaan onnistui melko huonosti. Ryhmien välillä oli merkitsevä ero ainoastaan kalsiumin päivittäisessä käytössä ja tuolilta nousutestissä. Murtumariskien tunnistaminen, niiden syiden selvittäminen ja toimenpiteiden käynnistäminen riskien vähentämiseksi tulisi kuulua jokaisen pienienergisen murtuman saaneen potilaan kokonaisvaltaiseen hyvään hoitoon.

Kävelen, siis olen ja tiedän

Kirjallisuusarvostelu

Flexible multibody approach in bone strain estimation during physical activity:

Bone strain plays a major role as the activation signal for the bone (re)modeling process, which is vital for keeping bones healthy. Maintaining high bone mineral density reduces the chances of fracture in the event of an accident. Numerous studies have shown that bones can be strengthened with physical exercise. Several hypotheses have asserted that a stronger osteogenic (bone producing) effect results from dynamic exercise than from static exercise. These previous studies are based on short-term empirical research, which provide the motivation for justifying the experimental results with a solid mathematical background. The computer simulation techniques utilized in this work allow for non-invasive bone strain estimation during physical activity at any bone site within the human skeleton. All models presented in the study are threedimensional and actuated by muscle models to replicate the real conditions accurately. The objective of this work is to determine and present loading-induced bone strain values resulting from physical activity. It includes a comparison of strain resulting from four different gym exercises (knee flexion, knee extension, leg press, and squat) and walking, with the results reported for walking and jogging obtained from in-vivo measurements described in the literature. The objective is realized primarily by carrying out flexible multibody dynamics computer simulations. The dissertation combines the knowledge of finite element analysis and multibody simulations with experimental data and information available from medical field literature. Measured subject-specific motion data was coupled with forward dynamics simulation to provide natural skeletal movement. Bone geometries were defined using a reverse engineering approach based on medical imaging techniques. Both computed tomography and magnetic resonance imaging were utilized to explore modeling differences. The predicted tibia bone strains during walking show good agreement with invivo studies found in the literature. Strain measurements were not available for gym exercises; therefore, the strain results could not be validated. However, the values seem reasonable when compared to available walking and running invivo strain measurements. The results can be used for exercise equipment design aimed at strengthening the bones as well as the muscles during workout. Clinical applications in post fracture recovery exercising programs could also be the target. In addition, the methodology introduced in this study, can be applied to investigate the effect of weightlessness on astronauts, who often suffer bone loss after long time spent in the outer space.

Turun seudun turvallisen ja kestävän liikkumisen suunnitelma

Turun seudun turvallisen ja kestävän liikkumisen suunnitelma on laadittu seudun kuntien ja Varsinais-Suomen ELY-keskuksen yhteistyönä. Suunnitelmassa on selvitetty liikenneturvallisuuden, liikkumisen, toimintaympäristön ja liikennejärjestelmän nykytilaa sekä kartoitettu liikenneturvallisuusongelmia erilaisten analyysien ja kyselyiden avulla. Nykytila-analyysin pohjalta on asetettu liikenneturvallisuustyön visio ja tavoitteet sekä määritetty toimenpide-ehdotukset. Tavoitteisiin pääsemistä tukevat liikenneympäristön parantamistoimenpiteiden ohjelma, liikkumisen ohjauksen toimintaohjelma sekä hallintokuntien liikenneturvallisuustyön toimenpiteistä kootut toimintasuunnitelmat. Onnettomuusanalyysin perusteella liikenneturvallisuuden tila oli Turun seudulla hieman koko Suomen keskiarvoa heikompi. Seudulla tapahtui vuosina 2001-2010 henkilövahinkoon johtaneita onnettomuuksia keskimäärin 132 / 100 000 asukasta, kun vastaava luku oli 126 koko maan osalta. Kuolemaan johtaneita onnettomuuksia tapahtui seudulla vähemmän, mutta loukkaantumiseen johtaneita onnettomuuksia koko maan keskiarvoa enemmän. Onnettomuuksissa kuoli tai loukkaantui koko maan keskiarvoa enemmän jalankulkijoita ja polkupyöräilijöitä. Lukumäärällisesti eniten onnettomuuksia tapahtui 18–19-vuotiaille, mutta henkilövahinkoon johtaneita onnettomuuksia tapahtui selvästi eniten 15–16-vuotiaille. Seudulla tapahtuneista liikenneonnettomuuksista aiheutui vuosittain keskimäärin 127,2 miljoonan euron kustannukset, josta kuntien osuus oli vuosittain noin 22,3 miljoonaa euroa. Asukkaille suunnatun kyselyn mukaan sekä työmatkat että lyhyet vapaa-ajan matkat tehtiin useimmiten henkilöautolla. Koululaisia pidettiin turvattomimpana tienkäyttäjäryhmänä, ja kävelyä sekä pyöräilyä turvattomimpina kulkutapoina. Välinpitämättömyyttä pidettiin merkittävimpänä syynä erilaisiin liikennerikkomuksiin ja tärkeimmäksi kehittämistarpeeksi nousi liikennekäyttäytyminen. Yhdyskuntarakenteen ja toimintaympäristön analyysin perusteella seudulla on hyvät edellytykset kestävien kulkumuotojen kuten joukkoliikenteen houkuttelevuuden lisäämiselle sekä kävelyn ja pyöräilyn verkoston kehittämiselle. Onnettomuusanalyysin ja valtakunnallisten tavoitteiden pohjalta Turun seudulle asetettiin liikenneturvallisuustyön tavoitteet. Tavoitelaskelman mukaan liikennekuolemien ja loukkaantuneiden määrä tulee puolittaa vuosien 2006-2010 keskiarvosta vuoteen 2020 mennessä. Tavoitteen mukaan liikenteessä kuolee enintään 6 (lähtötaso 12) ja loukkaantuu 236 (lähtötaso 471) vuonna 2020. Vaikutusarvion perusteella voidaan arvioida päästävän tavoitteeseen suunnitelmakauden aikana. Tavoitteiden saavuttaminen on kuitenkin haasteellista ja edellyttää tehokasta yhteistyötä eri tahojen välillä. Tavoitteeseen tulee pyrkiä laajaa keinovalikoimaa käyttäen. Suunnitelmatyön aikana aktivoitiin kuntien turvallisen ja kestävän liikkumisen ryhmät, joiden toiminnan tueksi laadittiin toimintasuunnitelmat sekä vuosikello työn eri vaiheista. Ryhmät vastaavat suunnitelman toteuttamisesta, toteutumisen seurannasta ja tarvittaessa päivittämisestä.

Senecio spp. POISONING OF HORSES IN SOUTHERN BRAZIL

Cases of seneciosis in horses occurring in four farms in the state of Santa Catarina and in another in the state of Rio Grande do Sul, southern Brazil, are reported. S. brasiliensis or S. oxyphyllus or both were detected in four of the five properties. Five horses (one on each property) were necropsied, and tissues for histopathological examination were collected from four horses. Neurological signs, such as depression, ataxia, aimeless walking, circling, head pressing, faulty prehension of food, dysphagia and blindness were consistently observed. Other signs included inappetence, loss of weight, colic, subcutaneous edema, icterus and photodermatitis. At necropsy the livers were firmer and darker than normal and had accentuation of lobular pattern. Edema of the mesentery and ascites were observed in one horse. Main histopathological changes consisted of hepatic chiefly periportal fibrosis, hepatomegalocytosis and biliary hyperplasia. Marked cholestasis and morphological evidence of hepatic encephalopathy were seen respectively in the liver and brain of one of the horses.

Equine leukoencephalomalacia (ELEM) due to fumonisins B1 and B2 in Argentina

In August 2007 an outbreak of neurological disease and sudden death in Arabian horses occurred in a farm located in Coronel Rosales County, Buenos Aires Province, Argentina. The animals were on a pasture of native grasses and supplemented ad libitum with corn kernels and wheat bran. Three horses were observed having acute neurologic signs including blindness, four leg ataxia, hyperexcitability, aimless walking and circling, followed by death in two of them. Four other horses were found dead overnight without a history of neurologic signs. The morbidity, mortality and lethality rates were 11.6%, 10% and 85.7%, respectively. Grossly, the brain showed focal areas of hemorrhage, brown-yellow discoloration and softening of the sub-cortical white matter. The microscopic brain lesions consisted of extensive areas of malacia within the white matter of the cerebral hemispheres, brainstem and cerebellum, characterized by rarefaction of the white matter with cavitations filled with proteinaceous edema, multifocal hemorrhages and mild infiltration by neutrophils, and rare eosinophils. Swollen glial cells with abundant eosinophilic cytoplasm, distinct cell borders, intracytoplasmic deeply eosinophilic globules and eccentric, hyperchromatic, occasionally pyknotic nucleus were present throughout the areas of rarefaction hemorrhage, edema and necrosis. The feed supplements contained 12,490µg/kg of fumonisin B1 and 5,251µg/ kg of fumonisin B2. This is the first reported outbreak of ELEM associated with consumption of feed supplements containing high concentrations of fumonisins in Argentina.

Corrective shoeing in horses: analysis of the adaptation period to the new condition imposed

Corrective shoeing is a method commonly used to alter the locomotion pattern in animals or as therapy for various disorders of the locomotive system of horses. However, to date, there have been no scientific studies discussing the period during which animals adapt to this type of intervention. The goal of this study was to evaluate the horseshoe adaptation period with the toe or heel elevated by six degrees at 0, 48, and 96 hours after each type of shoeing. For this analysis, the horses were recorded while walking on a treadmill. Stride length and gait qualitative analyzes were performed using Dvideow software. The level of significance adopted was 5%. In the present study, there was no significant difference between the evaluation times; elevating the toe or heel by six degrees do not generates discomfort during locomotion, therefore, horses are able to return to a regular exercise or training routine immediately after shoeing.

Kinematic analysis and modelling of biped locomotion systems

This paper presents the kinematic study of robotic biped locomotion systems. The main purpose is to determine the kinematic characteristics and the system performance during walking. For that objective, the prescribed motion of the biped is completely characterised in terms of five locomotion variables: step length, hip height, maximum hip ripple, maximum foot clearance and link lengths. In this work, we propose four methods to quantitatively measure the performance of the walking robot: energy analysis, perturbation analysis, lowpass frequency response and locomobility measure. These performance measures are discussed and compared in determining the robustness and effectiveness of the resulting locomotion.

Control of a one-legged robot with energy savings

This paper presents a new strategy to control an one-legged robot aiming to reduce the energy expended by the system. To validate this algorithm, a classic method as benchmark was used. This method has been extensively validated by simulations and experimental prototypes in the literature. For simplicity reasons, the work is restricted to the two dimensional case due to simplicity reasons. This new method is compared to the classic one with respect to performance and energy expended by the system. The model consists on a springy leg, a simple body, and an actuated hinge-type hip. The new control strategy is composed of three parts, considering the hopping height, the forward speed, and the body orientation separately. The method exploits the system passive dynamics, defined as non-forced response of the system. In this case, the model is modified adding a spring to the hip. The method defines a desired leg trajectory close to the passive hip swing movement. Simulation results for both methods are analyzed and compared.