의 개발과 평가

Nov 11, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 4423(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

본 연구의 목적은 사체 표본이나 어깨 모델에 대한 능동 근육 시뮬레이션을 통해 모든 형태의 평면 및 비평면 견갑상완 운동을 에뮬레이션하고 그 성능을 비판적으로 평가하기 위한 새로운 능동 체외 어깨 시뮬레이터를 개발하는 것이었습니다. 시뮬레이션된 근육 힘을 사용하여 구동되는 생리학적 어깨 시뮬레이터는 생리학적 운동 경계 하에서 세 가지 회전 자유도(DOF) 모두에서 정확한 운동학적 제어를 동적으로 실현하기 위해 개발되었습니다. 시뮬레이터의 제어 알고리즘은 DOF에 대해 개별 근육의 힘을 조절하고 특정 동작(외전, 굴곡/신장 및 회전)에 맞게 조정된 서로 다른 시퀀스에서 비동기적으로 작동하는 3개의 병렬 실행 독립 제어 루프를 사용하여 구현되었습니다. 시뮬레이션된 동작 중 시뮬레이터의 운동학적 및 운동학적 성능을 평가하기 위해 세 개의 사체 표본이 사용되었습니다. 조사된 세 가지 회전 DOF 모두에서 높은 운동학적 정확도(최대 평균 편차 2.35° 및 RMSE 1.13°)와 반복성(최대 및 평균 SD 1.21° 및 0.67°)이 관찰되었습니다. 평면 및 비평면 모션 동안 시뮬레이터에서 작동된 모든 개별 근육 힘의 신뢰성은 일반적으로 우수했으며 대부분의 경우 ICC 추정치의 95% CI가 0.90을 초과했습니다(30/36). 활성 근육 시뮬레이션을 갖춘 새로운 어깨 시뮬레이터가 개발 및 평가되었습니다. 모든 DOF에 대해 생리학적 범위에서 운동학과 동역학을 재현하는 능력은 여러 운동학적 및 운동학적 결과 변수에 대해 체계적으로 평가되었습니다. 제시된 시뮬레이터는 생리학적 및 병리학적 어깨 관절의 생체역학을 조사하고 다양한 수술 중재를 평가하기 위한 강력한 도구입니다. 활동적인 동작 중 관절 역학 및 병진 운동학에서 신뢰할 수 있는 데이터를 획득하는 것은 어깨 병리 및 적절한 치료를 평가하는 데 중요합니다. 우리는 반복되는 사실적인 평면 및 비평면 동작 중에 관절 운동학 및 운동 데이터를 포괄적으로 수집할 수 있는 고유한 근육 활성화 생리학적 어깨 시뮬레이터를 제공합니다.

인간의 다른 큰 볼 및 소켓 관절인 고관절과 비교할 때, 견갑상완 관절은 일치성이 제한되고 상대적으로 제한되지 않는 관절을 갖는 독특한 기하학적 구조가 특징입니다. 이는 넓은 범위의 운동을 가능하게 하며, 이에 따라 피막 및 ​​인대 구조의 수동 안정 장치와 회전근개 및 삼각근 그룹의 능동 안정 장치에 의해 안정성이 제공됩니다1 부분적으로 독특한 해부학적 구조와 능동 안정화로 인해 어깨는 불안정성, 회전근개 파열, 관절와순 파열 및 관절낭 인대 염좌 등의 부상에 취약합니다2,3,4 따라서 생체 역학 시뮬레이터를 사용하여 어깨 병리 및 치료를 실험적으로 조사할 때 해부학적 표현과 활성 및 기능 패시브 안정 장치가 필수적입니다.

특히 비평면 운동 중에 관절 역학 및 병진 운동학에서 신뢰할 수 있는 데이터를 획득하는 것은 생체 내에서 불가능하지는 않더라도 어렵지만 그럼에도 불구하고 어깨 병리 및 제안되거나 적용되는 치료법의 기능적 효과를 평가하는 데 중요합니다. 실험적(시험관 내) 생체역학적 테스트는 전방/하방 불안정성을 진단하기 위한 리프트 오프 테스트 및 과신전 내부 회전(HERI) 테스트, 대규모 회전근개 파열의 영향을 조사하기 위한 운동 분석, 및 역방향 어깨 전치환술을 평가하기 위한 기능적 검사5,6,7 따라서 생체 내에서 어깨 생체역학을 연구하는 것이 일반적으로 가장 중요한 정보원임에도 불구하고 운동학 및 기타 데이터를 직접 얻는 데 어려움이 있다는 점은 심각한 제한 사항입니다. 시험관 내 시체 모델은 침습적인 추적 및 측정 방법을 적용하고 관절을 변경 및 조작할 수 있는 이점을 제공하며 기본 해부학적 구조의 대부분을 유지한다는 장점이 있습니다. 따라서 생리학적 및 병리학적 운동학을 시뮬레이션하고 중요한 기여자를 식별하려는 목표로 최근 수십 년 동안 여러 수동 및 능동 어깨 시뮬레이터가 구축되었습니다8,9,10,11,12 능동 근육 시뮬레이션 없이 수동 어깨 시뮬레이터의 사용은 크게 제한됩니다. 관절의 연조직 안정화와 관련된 질문을 연구합니다. 그럼에도 불구하고 이전 연구에서는 활동적인 관절 운동 중에 견갑상완골의 안정성을 만들고 유지하는 데 있어 근육계의 중요성이 설명되었습니다. 이러한 이유로 관절 주위 근육을 표현하기 위한 능동형 어깨 시뮬레이터는 동적 관절 운동을 현실적으로 재현할 목적으로 설계되었습니다.13,14 근육 구동 시뮬레이터의 초기 대표적인 모델은 Wuelker et al.에 의해 개발되었습니다. 1995년에는 회전근개와 삼각근을 강철 케이블로 연결하고 그 사이에 추가 힘 센서를 매달아 유압 실린더를 통한 근육 작동을 통해 안정적이고 역동적인 어깨 외전을 실현했습니다. 또한 팔 운동학을 기록하는 데 초음파 센서가 사용되었습니다10,15 그 시대의 다른 시뮬레이터에 비해 큰 발전을 나타내었음에도 불구하고 시뮬레이션된 동작은 외전으로 제한되었으며 근육 힘은 설명할 수 없는 상대적 활성화의 일정한 비율로 선형적으로 증가했습니다. 근육조직의 강한 비선형적 행동. 세 가지 회전 자유도(DOF)(예: 능동 외전, 굴곡 및 회전)의 능동 동작은 실시간 운동 피드백 및 폐쇄 루프 운동 제어를 갖춘 세련된 시뮬레이터에서 처음으로 Giles et al16에 의해 달성되었습니다. 그러나 그 기능은 다음으로 제한되었습니다. 작은 외전 각도(< 15°)에서 2차 DOF 동작(예: 앙각 평면 및 축 회전)을 수행하고 다중 DOF에서 복잡한 비평면 동작을 수행합니다. Wuelker et al.과 달리 Kedgley 및 Giles 주변의 작업 그룹은 비례 압력 컨트롤러를 통해 압축 공기로 제어되는 저마찰 공압 액추에이터를 사용했습니다. 운동학을 기록하기 위해 전자기 및 광학 추적 시스템이 각각 사용되었습니다. 따라서 몇 가지 주목할만한 발전에도 불구하고 현재까지 반복되는 평면 및 비평면 운동 동안 관절 운동학과 동역학을 포괄적으로 에뮬레이션할 수 있는 시험관 내 어깨 모델은 없습니다.