Разработка и оценка

Nov 11, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 4423 (2023) Цитировать эту статью

371 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Целью настоящего исследования была разработка нового активного симулятора плеча in vitro для имитации всех форм плоских и неплоских движений плечевого сустава с активной симуляцией мышц на трупных образцах или моделях плеча и критическая оценка его эффективности. Физиологический симулятор плеча, управляемый с помощью моделируемой мышечной силы, был разработан для динамической реализации точного кинематического контроля во всех трех вращательных степенях свободы (ГРИП) в пределах физиологических кинетических границ. Алгоритм управления тренажером реализован с помощью трех параллельно работающих независимых контуров управления, которые регулируют силы отдельных мышц по степени свободы и работают асинхронно в разрозненных последовательностях, адаптированных к конкретным движениям (отведение, сгибание/разгибание и ротация). Три трупных образца были использованы для оценки кинематических и кинетических характеристик тренажера во время моделирования движений. Высокая кинематическая точность (максимальное среднее отклонение ≤ 2,35° и среднеквадратическое отклонение 1,13°) и повторяемость (максимальное и среднее стандартное отклонение ≤ 1,21° и 0,67°) наблюдались во всех трех исследованных вращательных степенях свободы. Надежность всех отдельных мышечных сил, задействованных на тренажере во время плоских и неплоских движений, в целом была превосходной, при этом 95% ДИ оценок ICC составлял > 0,90 для большинства случаев (30/36). Был разработан и оценен новый тренажер плеча с активной симуляцией мышц. Его способность воспроизводить кинематику и кинетику в физиологическом диапазоне для всех степеней свободы систематически оценивалась для множества переменных кинетических и кинематических результатов. Представленный симулятор является мощным инструментом для исследования биомеханики физиологических и патологических плечевых суставов и оценки различных хирургических вмешательств. Сбор надежных данных о кинетике суставов и кинематике поступательного движения во время активных движений имеет решающее значение для оценки патологий плеча и соответствующего лечения. Мы предоставляем уникальный физиологический симулятор плеча, активируемый мышцами, который позволяет всесторонне собирать кинематические и кинетические данные суставов во время повторяющихся реалистичных плоских и неплоских движений.

По сравнению с тазобедренным суставом, другим крупным шаровидным суставом человека, плечевой сустав характеризуется уникальной геометрией с ограниченной конгруэнтностью и относительно свободным сочленением. Это позволяет осуществлять широкий диапазон движений, при этом стабильность обеспечивается пассивными стабилизаторами капсульных и связочных структур, а также активными стабилизаторами вращательной манжеты и групп дельтовидных мышц1. Отчасти благодаря своей особой анатомической структуре и активной стабилизации плечо подвержен травмам, в том числе нестабильности, разрыву вращательной манжеты, разрыву верхней губы и растяжению капсульных связок2,3,4. Таким образом, при экспериментальном исследовании патологий плеча и их лечении с помощью биомеханических симуляторов необходимо представление анатомии и функции активных и Пассивные стабилизаторы необходимы.

Получение надежных данных о кинетике суставов и поступательной кинематике, особенно во время неплоских движений, сложно, если вообще возможно, in vivo, но, тем не менее, имеет решающее значение для оценки функциональных эффектов патологий плеча и их предлагаемых или применяемых методов лечения. Экспериментальное (in vitro) биомеханическое тестирование может дополнить знания, полученные в ходе клинических тестов, таких как тест отрыва и тесты гиперразгибания-внутренней ротации (HERI) для диагностики передней/нижней нестабильности, кинетический анализ для изучения последствий массивных разрывов вращательной манжеты плеча, и функциональные тесты для оценки обратного тотального эндопротезирования плечевого сустава5,6,7 Таким образом, несмотря на то, что изучение биомеханики плеча in vivo, как правило, является наиболее важным источником информации, трудности непосредственного получения кинематических и других данных являются серьезным ограничением. Преимущество трупных моделей in vitro заключается в применении инвазивных методов отслеживания и измерения, а также в изменении и манипулировании суставом с сохранением большей части естественной анатомии. Таким образом, в последние десятилетия было создано несколько пассивных и активных симуляторов плеча с целью моделирования физиологической и патологической кинематики и выявления существенных факторов8,9,10,11,12. Использование пассивных симуляторов плеча без активной симуляции мышц в значительной степени ограничено. исследовать вопросы, связанные со стабилизацией мягких тканей сустава. Тем не менее, предыдущие исследования продемонстрировали важность мускулатуры в создании и поддержании стабильности плечевого сустава во время активного движения сустава. По этой причине были разработаны активные тренажеры плечевого сустава с целью представления околосуставных мышц с целью реалистичного воспроизведения динамических движений суставов13,14. Ранняя репрезентативная модель тренажера с мышечным приводом была разработана Wuelker et al. в 1995 году, который реализовал надежное и динамичное отведение плеча путем активации мышц через гидравлические цилиндры, к которым вращательная манжета и дельтовидные мышцы были соединены стальными тросами с подвешенными между ними дополнительными датчиками силы. Кроме того, для записи кинематики рук использовались ультразвуковые датчики10,15. Несмотря на то, что это представляло собой большое достижение по сравнению с другими симуляторами той эпохи, моделируемое движение ограничивалось отведением, а мышечные силы увеличивались линейно с постоянными коэффициентами относительной активации, что не учитывало сильное нелинейное поведение мускулатуры. Активное движение во всех трех вращательных степенях свободы (ГРИП) (например, активное отведение, сгибание и вращение) было впервые достигнуто с помощью усовершенствованного симулятора с кинематической обратной связью в реальном времени и кинетическим контролем с обратной связью, разработанным Giles et al.16. Однако его возможности были ограничены выполнение вторичных движений глубины резкости (например, плоскость подъема и осевое вращение) при небольших углах отведения (< 15 °) и сложных неплоских движений при нескольких степенях свободы. В отличие от Велкера и др., рабочие группы Кедгли и Джайлза использовали пневматические приводы с низким коэффициентом трения, управляемые сжатым воздухом через пропорциональные контроллеры давления. Для регистрации кинематики использовались электромагнитная и оптическая системы слежения соответственно. Таким образом, несмотря на некоторые заметные достижения, на сегодняшний день не существует модели плеча in vitro, которая позволяла бы всесторонне моделировать кинематику и кинетику суставов во время повторяющихся плоских и неплоских движений.