の開発と評価

Nov 11, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 4423 (2023) この記事を引用

371 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

本研究の目的は、死体標本または肩モデル上のアクティブ筋肉シミュレーションを使用して、あらゆる形態の平面および非平面肩上腕骨運動をエミュレートする新しいアクティブ in vitro 肩シミュレータを開発し、その性能を批判的に評価することでした。 シミュレートされた筋力を使用して駆動される生理学的肩シミュレーターは、生理学的運動限界の下で 3 つの回転自由度 (DOF) すべてで正確な運動学的制御を動的に実現するために開発されました。 シミュレータの制御アルゴリズムは、3 つの並列実行の独立した制御ループを使用して実装されました。これらの制御ループは、DOF に関して個々の筋肉の力を制御し、特定の動作 (外転、屈曲/伸展、回転) に適応した異なるシーケンスで非同期的に動作します。 3 つの死体標本を使用して、シミュレートされた動作中のシミュレーターの運動学的および運動学的パフォーマンスを評価しました。 調査した 3 つの回転自由度すべてで、高い運動学的精度 (最大平均偏差 ≤ 2.35° および RMSE 1.13°) と再現性 (最大および平均 SD ≤ 1.21° および 0.67°) が観察されました。 平面運動および非平面運動中にシミュレーターで作動するすべての個々の筋力の信頼性は一般に優れており、ほとんどの場合 (30/36) で ICC 推定値の 95% CI が 0.90 以上でした。 アクティブな筋肉シミュレーションを備えた新しい肩シミュレータが開発され、評価されました。 すべての DOF の生理学的範囲で運動学および動力学を再現するその能力は、複数の動力学および運動学的結果変数について体系的に評価されました。 提示されたシミュレーターは、生理学的および病理学的な肩関節の生体力学を調査し、さまざまな外科的介入を評価するための強力なツールです。 肩の病態と適切な治療を評価するには、能動的動作中の関節運動学および並進運動学の信頼できるデータを取得することが重要です。 当社は、筋肉によって活性化される独自の生理学的肩シミュレーターを提供します。これにより、現実的な平面および非平面運動を繰り返しながら、関節の運動学的および運動学的データを包括的に取得できます。

人間のもう 1 つの大きな球関節である股関節と比較すると、肩甲上腕関節は、一致性が限られた独特の形状と比較的拘束のない関節を特徴としています。 これにより広い可動域が可能となり、関節包や靱帯構造の受動的なスタビライザーと、回旋腱板や三角筋群の能動的なスタビライザーによって安定性がもたらされます1。その独特の解剖学的構造と能動的な安定化により、肩は不安定性、腱板断裂、関節唇断裂、関節包靱帯捻挫などの損傷を受けやすい 2,3,4 したがって、肩の病態とその治療を生体力学的シミュレーターを用いて実験的に調査する場合、解剖学的構造と活動的肩関節の機能を表現する必要があります。パッシブスタビライザーは必須です。

関節運動学および並進運動学、特に非平面運動中の信頼性の高いデータの取得は、生体内では不可能ではないにしても困難ですが、それでも、肩の病状とその提案または適用される治療法の機能的影響を評価するために重要です。 実験的 (in vitro) 生体力学検査は、前方/下方の不安定性を診断するためのリフトオフ テストや超伸展内旋 (HERI) テスト、大規模な腱板断裂の影響を調査するための動態解析などの臨床検査で得られた知識を補うことができます。したがって、生体内での肩の生体力学を研究することが一般に最も重要な情報源であるにもかかわらず、運動学的データやその他のデータを直接取得することの難しさは重大な制限となっています。 インビトロ死体モデルには、侵襲的な追跡および測定方法を適用できるという利点があり、生来の解剖学的構造の大部分を保持するという利点とともに関節の変更および操作が可能である。 したがって、生理学的および病理学的な運動学をシミュレートし、重要な寄与要因を特定することを目的として、ここ数十年間にいくつかのパッシブおよびアクティブ肩シミュレータが構築されてきました8,9,10,11,12。アクティブ筋肉シミュレーションなしのパッシブ肩シミュレータの使用は、大幅に制限されています。関節の軟組織の安定化に関連する疑問を研究します。 それにもかかわらず、これまでの研究は、活発な関節運動中に関節上腕骨の安定性を生み出し、維持する上での筋肉組織の重要性を示しています。 このため、関節周囲の筋肉を表現することを目的としたアクティブ肩シミュレーターは、動的関節運動を現実的に再現することを目的として設計されてきました 13,14。筋肉駆動シミュレーターの初期の代表的なモデルは、Wuelker らによって開発されました。 1995 年に、油圧シリンダーによる筋肉の作動により、信頼性が高くダイナミックな肩の外転を実現しました。このシリンダーには、腱板と三角筋が鋼製ケーブルを介して接続されており、間に追加の力センサーが吊り下げられていました。 さらに、腕の運動学を記録するために超音波センサーが使用されました10,15。それは当時の他のシミュレーターに比べて大きな進歩を示していましたが、シミュレートされた動きは外転に限定されており、筋力は考慮されていない相対活性化の一定の比率で線形に増加しました。筋肉組織の強い非線形挙動。 3 つの回転自由度 (DOF) すべてでの能動的な動き (能動的な外転、屈曲、回転など) は、Giles らによって、リアルタイムの運動学的フィードバックと閉ループ運動制御を備えた洗練されたシミュレーターで初めて実現されました 16。小さな外​​転角 (< 15°) での二次 DOF 動作 (仰角面や軸回転など) と、複数の自由度での複雑な非平面動作を実行します。 Wuelker らとは対照的に、Kedgley と Giles を中心とする作業グループは、比例圧力コントローラーを介して圧縮空気によって制御される低摩擦の空気圧アクチュエーターを使用しました。 運動学を記録するために、電磁追跡システムと光学追跡システムがそれぞれ使用されました。 したがって、いくつかの注目すべき進歩にもかかわらず、今日まで、平面および非平面運動を繰り返す際の関節の運動学および運動学の包括的なエミュレーションを可能にする、利用可能な生体外肩モデルは存在しない。

したがって、この研究の目的は、生理学的範囲の筋肉作動を備えた新しいアクティブ肩シミュレーターを開発し、繰り返しの平面および非平面運動の下でのそのパフォーマンスを批判的に評価することでした。 私たちは、シミュレータが複数の自由度で制御された動作中に正確で信頼性の高い運動学的および運動学的データを提供するだろうと仮説を立てました。

実験は、ボディドナープログラム（米国アリゾナ州フェニックスのサイエンスケア社）を通じて得られたヒト肩標本で行われ、すべての組織ドナーおよび/またはその法的保護者からサイエンスケアによってインフォームドコンセントが得られました。 すべての手順は、施設内研究委員会の倫理基準、1964 年のヘルシンキ宣言およびその後の修正、または同等の倫理基準に従って実施され、施設内治験審査委員会の承認が得られました。 すべての実験プロトコルは、指定された機関および/またはライセンス委員会 (ハノーバー医科大学倫理委員会、No. 3005-2016) によって承認されました。

新しいショルダー リグは、肩甲骨の固定を可能にする取り付けフレーム、筋肉ガイドを配置するための堅牢なケーブル ガイド フレーム (65 × 40 cm)、および油圧ポンプとハードウェアを備えた 6 つの低摩擦油圧シリンダーで構成される油圧作動ユニットで構成されています。コントローラー（パーカー、米国）を使用すると、筋ワイヤーに力を加えることができます（図1a）。 さらに、このシステムは 6 つの単軸小型ロード セル (モデル番号 8417–6005、5 kN、Burster gmbh&co、ドイツ) で構成され、それぞれがマッスル ケーブルと油圧シリンダーの間に接続されています。 肩の腱板と三角筋をシミュレートするために、合計 6 本のマッスル ワイヤーが使用されました。

アクティブショルダーシミュレーターのセットアップ。 (a) 試験片は組み立てられた試験フレームと 6 本の低摩擦ケーブルに取り付けられ、筋肉ガイドは個々の筋肉の作用線を表すようにカスタマイズされました。 光学式運動追跡システムは、カメラと、上腕骨と肩甲骨上の光学式マーカーで構成されます。 (b) シミュレータの制御アルゴリズム。 色付きのボックスはループ固有のフィードバックのデータ フローを示し、3 つの独立した制御ループが DOF に関して個々の筋肉の力を調整します。 破線の黒いボックスは、油圧シリンダーの力制御のループです。 屈曲/伸展および回転ループには、操作シーケンスの 2 つのスイッチがあります: (1)。 カスケード制御 (赤いギア): 能動的外転中、二次自由度 (三角筋前部、後部および肩甲下筋、棘下筋/小円筋) の筋カップルの合計力は、三角筋中央部の力と以前の荷重比の積によって制御されます。 (2)。 平行制御 (青いギア): 能動的な屈曲/伸展および回転中に、筋カップルの合計力がアクティベーション コントローラーによって決定されます。

肩甲骨、上腕骨の近位部分、および肩甲上腕関節の軟組織被膜で構成される死体肩関節をテストするために、テスト装置に統合されました。上腕骨は自由度を拘束せずに自由に吊り下げることができ、ロッドは失われた前腕の重量と重心をシミュレートするための質量（体重の 3.2%）を取り付けるために上腕骨遠位端にセメントで固定され、15,17 カスタマイズされたセラミック製の低摩擦筋ガイド 2 つが肩峰の上外側縁に配置され、もう 1 つは肩峰の上外側縁に配置されました。鎖骨の遠位縁にあるガイドで、三角筋の 3 つの頭、三角筋前部 (AD)、三角筋中部 (MD)、三角筋後部 (PD) の作用線を方向付けます。 さらに 2 つのガイドを、肩甲骨の外側境界に沿って肩甲下筋 (SSC) および棘下筋および小円筋 (ISP/TM) の肩甲骨中心に配置しました。 さらに低摩擦プーリーを使用して、棘上窩の棘上筋 (SSP) の作用線をガイドしました。

光学追跡システム (NDI Polaris P4、Northern Digital Inc.、ウォータールー、カナダ) を使用して、肩甲骨に対する上腕骨の運動学的データを記録しました。それぞれ 4 つの再帰反射マーカーからなる 2 つのパッシブ クラスターが上腕骨と上腕骨にしっかりと取り付けられ、それぞれ肩甲骨。

上腕骨と肩甲骨の局所的な解剖学的座標系は、肩甲上腕関節の動きを説明するために、国際生体力学学会 (ISB) の推奨に従って定義されました 18。セットアップ手順の一部として、上腕骨頭の運動学的回転中心は次のように定義されました。肩甲上腕関節に水平方向のセンタリング力を加えながら手動で受動的に 3 自由度で関節を回転させたときに最も動く点 19 次に、上腕骨座標系を、このように定義された上腕骨の回転中心に配置しました。 肩甲骨座標系の原点は、解剖学的ランドマーク肩峰角 (AA) に配置されました。 外転開始時のジンバルロックを回避するために、ISB 推奨のオイラー YXY 回転シーケンスの代わりに、カルダン回転シーケンス XZY を使用して関節上腕骨の位置を表現しました20。 内外回転 (IR/ER) は、上腕骨シャフト軸の周りの回転として定義されました。 （Y 軸）、屈曲/伸展（F/E）は上腕骨の内側上顆と外側上顆の 2 つの解剖学的ランドマークによって外側を示し、上腕骨の Z 軸を中心とした回転として、外転は上腕骨の Z 軸を中心とした回転として形成されます。軸は他の 2 つの軸 (X 軸) に対して垂直です (図 2)。 前方/後方 (AP)、上方/下方 (SI)、および内側/外側 (ML) の移動は、肩甲骨座標系に対する上腕骨頭の回転中心の変位として定義されました。

アクティブな動作中のシミュレータのパフォーマンス。 (a-f)。 青い線はアクティブ シミュレーションのターゲット動作を表し、赤い線はアクティブな外転 (a)、屈曲 (b)、伸展 (c)、内旋 (d)、外旋 (e) 中のすべての試験片の実際の動きの平均を示します。 ) および伸展&内旋 (f) サイクル。 灰色の領域は実際の動きの標準偏差を表します。 黒い線は、ターゲットと実際の動きの間の平均偏差を表します。

肩シミュレータの制御アルゴリズムは、Giles et al. から採用されました。 LabVIEW (バージョン2017、National Instruments、米国) の専用プログラムとして実装され、運動学的入力が肩関節上腕骨の動きに変換されます。 このコントローラーでは、入力された回転運動学が設定値 (SP)、筋力が制御変数 (CV)、および動作追跡システムによって測定された肩甲上腕関節の回転運動学がプロセス変数 (PV) です。 筋力は油圧アクチュエータを使用して生成されました。 3 つの回転 DOF を作動させる筋力は、3 つの独立した制御ループによって制御され、それぞれの DOF で「原動機」の筋肉を駆動します (図 1b)。 各ループは、それぞれ外転、屈曲/伸展、内外回転用の個別の PID 力コントローラーで構成されており、以下で詳細に説明します。

閉ループの筋肉活性化を実装するために、文献からのシミュレートされた筋肉の生理学的断面積 (pCSA) と筋電図 (EMG) データから計算された負荷率の組み合わせセットが最初に負荷されました (表 1)14。筋力は、肩甲上腕関節の目標運動学を達成するために、ループ固有のフィードバックを備えた制御アルゴリズムによって自動的に調整されました。 筋肉が生み出すことができる最大の力は pCSA に比例するため、個々の筋肉の運動学的制約は、筋肉 pCSA と比強度の積である最大随意収縮 (MVC) (表 1) から割り当てられました 21,22,23,24。比強度は２５Ｎ／ｃｍ２６とした。

関節上腕骨運動の 3 つのモードは次のように実装されました。

三角筋中部 (MD) は外転の原動力となるように構成されていました。 制御ループの設定値は目標外転角、プロセス変数は現在の外転角、制御変数はシミュレートされた MD によって加えられる力です。 ループ内の比例積分微分 (PID) コントローラーが MD 力の活性化を制御します。 MD の活性化中、SSP 力は、さまざまな外転レベルで変化する事前に負荷された筋肉の比率に従って計算され適用されます (表 1)。

AD と PD は、F/E の原動機となるように構成されています。 制御ループの設定値は目標の屈曲/伸展角度、プロセス変数は現在の屈曲/伸展角度、制御変数はシミュレートされた AD および PD 力によって加えられる力でした。 ループ内の 2 つの PID コントローラーは、AD 力と PD 力の活性化と分布を調整します。

SSC と ISP/TM は、IR/ER の原動力となる予定です。 制御ループの設定値は目標回転角度、プロセス変数は現在の回転角度、制御変数はシミュレートされた SSC および ISP/TM 力によって加えられる力でした。 ループ内の 2 つの PID コントローラーは、SSC および ISP/TM の力の活性化と分布を調整します。

筋肉の冗長性とアゴニストとアンタゴニストのペアの同時活性化が存在するため、3 つの独立した制御ループは同時に動作しますが、以下に説明するように、異なる動作の異なるシーケンスで非同期的に動作します (図 1b)。

F/E および IR/ER を制御した能動外転中、外転制御ループがプライマリとして決定され、F/E および IR/ER ループがセカンダリ制御ループとして選択されます。 外転角の設定値は、MD および SSP 力の制御変数を調整するアクティベーション コントローラーによって実装されます。 その後、二次ループの制御変数、筋カップル AD&PD および SSC&ISP/TM に適用される総力が、出力された MD 力と以前の筋比に従って計算されます。 その後、分配コントローラーの出力によって総力が個々の筋肉に分配され、二次自由度の一定の位置が維持されます。 筋肉の弛みを避けるために、配分コントローラーの出力範囲は拮抗筋の総力の 5 ～ 95% に設定されているため、力の対の個々の筋肉に負荷がかかることはありません。

外転が制御されたアクティブな F/E または IR/ER の場合、MD は他の DOF の筋肉に命令するための主要なアクチュエーターとして機能しなくなり、3 つの制御ループのシーケンスが並列に変更されます。 F/E および IR/ER の 2 つの筋肉カップルの合計は、アクティベーション コントローラーによって個別に制御されます。 たとえば、上昇と回転を制御した能動的屈曲では、活性化コントローラーと分配コントローラーが同期して動作し、AD と PD の力を調整します。 外転ループと回転ループは同時に実行され、外転と回転を一定に維持します。

各ループのコントローラーのパラメーターは、2 つの異なる形式のコマンド、つまり目標とする運動軌道と各 DOF での一定の設定角度 (たとえば、外転軌道と屈曲軌道中の一定の外転角) に合わせて調整されました。 最初に古典的なジーグラー・ニコルズ法を使用してパラメーターを調整し、次に手動で調整して応答時間を最適化し、定常状態誤差とオーバーシュートを削減しました (表 2)。

3 つの新鮮な凍結死体肩 (平均年齢: 59.3 ± 5.0、男性 3 名、右 3 名) を検査のために認可されたヒト組織施設から入手しました。 標本には肩甲上腕骨関節炎や腱板断裂関節症の病歴はありませんでした。 室温で12時間解凍した後、上腕骨近位部から約20cmの位置で肩を切断し、すべての皮膚および皮下組織を切除した。 内側および外側上顆のデジタル化の代わりに、キルシュナー ワイヤーを肘の上顆経軸と平行に上腕骨遠位部にピンで固定しました。 肩甲骨の下の部分は、3 成分の注型樹脂 (Rencast FC 52/53、DT982、Gössl&Pfaff GmbH、ドイツ) を使用して特注のボックスに埋め込まれ、次に 4 つのボルトを使用して 10° の前傾でテスト リグにしっかりと取り付けられました。ネジ付きロッドを使用して、胸部上の生理学的方向に近づけます（図1a右）。 上腕骨遠位部を真鍮シリンダー内で同じ樹脂でセメント固定し、前腕質量置換物（3 kg、体重の 3.2%）で固定しました。 2 つの受動的追跡ツールが上腕骨と肩甲骨に直接ピンで固定されました。 その後、三角筋を切除し、三角筋挿入部に皮質ネジを固定しました。 三角筋の 3 つの頭を表す 3 本の低摩擦ケーブル (Ultra cat 0.65 mm、バークレー、米国) をネジに結び、3 つのマッスル ガイドに通して、2 本を肩峰の上外側境界に、1 本を肩峰の上外側境界に取り付けました。鎖骨の外側の縁。 回旋腱板の筋肉をシミュレートするために、回旋腱板の筋肉をそれぞれの窩から切り離し、3 本の低摩擦ケーブルを Krackow ステッチを使用して SSP、SSC、および ISP/TM の筋腱接合部に縫合し、それぞれの筋肉ガイドとプーリー セットに通しました。行動ラインに沿って。(図 1a)。 上腕骨頭を関節窩の中心に置き、脱臼を防ぐために、最初に 10 ～ 20 N の力を各筋肉に加えました。 安静時の外転角は約10°でした。

試験片は全可動域にわたって受動的に数回動かされ、粘弾性の影響を軽減するために湿った状態に保たれ、それによってヒステリシスが最小限に抑えられました。 その後、日常活動のさまざまな平面および非平面運動が次のように実行されました。

能動外転: 0° F/E および 0° IR/ER で 20°~60°の外転。

能動的屈曲: 50°の外転と 0°の IR/ER で 0°~30°の屈曲。

能動伸展：50°外転および0°IR/ERで0°〜−30°伸展。

アクティブな内部回転: 30° 外転および 0° F/E で 0°~45° IR。

アクティブ外旋: 30° 外転および 0° F/E で 0° ~ - 45° ER。

能動的伸展と内旋: 0° ~ − 30° の伸展と 40° 外転での 0° ~ 30° IR を同時に結合します。

運動の目標角速度は 0.5°/s に設定されました。

各動作は各試験片で 3 回実行されました。

3 自由度での角回転と並進を含む運動学的データと、シミュレートされたすべての筋肉の実際の力の運動学的データが記録されました。 データは 1° 刻みで分析されました。 シミュレータの運動学的回転精度は、実際の関節角度と望ましい関節角度の間の平均偏差および二乗平均平方根誤差 (RMSE) として計算されました。 運動学的再現性と信頼性は、回転角度の最大および平均標準偏差 (SD) と、繰り返される動作にわたる並進のクラス内相関係数 (ICC) として計算されました。 平行移動の基準位置は 20°外転で定義され、この時点で筋肉負荷の初期段階 (10° ～ 20° 外転) が完了します。 運動学的信頼性は、反復動作における個々の筋力の ICC として測定されました。 ICC 推定値とその 95% 信頼区間 (CI) は、単一測定、絶対一致、二元混合効果モデルに基づく SPSS 統計パッケージ バージョン 24 (SPSS Inc、イリノイ州シカゴ) を使用して計算されました。 0.5 未満の ICC は信頼性が低いことを示し、0.5 ～ 0.75 の値は中程度の信頼性を示し、0.75 ～ 0.9 の値は良好な信頼性を示し、0.90 を超える値は優れた信頼性を示します27。一般に、データは 3 つの試験体すべてについてまとめて報告されます。 1 つの例外では、標本固有の制御変数である筋力と肩上腕骨の移動が、1 つの標本について個別に報告されました。

調査した 3 つの回転自由度すべてで良好な精度と再現性が観察されました (図 2)。 60°までの能動的外転では、運動学的パフォーマンスは優れており、最大平均偏差は 1.32°、RMSE は 0.75°、設定値とプロセス変数間の偏差の最大および平均 SD はそれぞれ 1.01°と 0.29°でした (表 3)。 。 30°から-30°の能動的屈曲および伸展では、最大平均偏差およびRMSEは≤ 1.74°および0.89°であり、最大および平均SDはそれぞれ≤ 1.02°および0.51°でした。 内旋および外旋でも同様のパフォーマンスが観察され、最大平均偏差は 1.61°および 2.35°、RMSE は 0.62°および 0.63°、最大 SD は 0.76°および 0.82°、平均 SD は 0.39°および 0.41°でした (表 3)。 ） それぞれ。 平面運動中の 2 次 2 DOF は、挙上中の最大平均偏差 ≤ 0.80°、屈曲/伸展中の ≤ 1.18°、回転中の ≤ 0.80° で良好に追跡されました。 さらに、AP、SI、ML 方向で測定された上腕骨頭の平行移動は非常に信頼性が高く、3 つの標本すべてでアクティブな平面運動中のほとんどの例 (13/15) で ICC 推定値の 95% CI が 0.90 以上でした (図 3)。 ）。

能動的な外転（a）、屈曲（b）、伸展（c）、内旋（d）、外旋（e）中の関節上腕骨の平行移動（前方/後方、AP、上方/下方、SI、内側/外側、ML）および伸張と内旋 (f) サイクル (試験片 2 のデータ)。 灰色の領域は標準偏差を表します。 繰り返される動作にわたる AP、SI、および ML 変換のクラス内相関係数 (ICC) が示されています (g) (3 つの標本すべてからのデータ)。

0° ~ - 30° の伸長と 0° ~ 30° の内旋を組み合わせたより複雑な非平面運動に関しては、純粋な平面運動と同等のパフォーマンスが観察されました。 ターゲット DOF の最大平均偏差と最大 SD はそれぞれ ≤ 1.64° と 1.21° でした (表 3)。 3 つの並進 DOF の ICC の 95% CI は > 0.90 でした。

能動的な外転のために 1 つの標本 (番号 2) に生じる筋肉負荷の場合、原動力である「三角筋中部」は 60° で 169.2 ± 2.3 N の平均力を生成する必要がありました (図 4a)。 AD&PD および SSC&ISP/TM の力の結合は、二次 DOF で一定の​​角度を維持するためにアクティブ化されました。 能動的な屈曲および伸展サイクルでは、原動機 AD&PD は動作中に高度に作動し、平均力は 30°屈曲および伸展でそれぞれ 155.0 ± 0.9 N および 114.9 ± 7.9 N でした（図 4b および c）。 同様に、SSCおよびISP / TMは内/外回転を駆動し、回転サイクルの終了時の平均力は162.4±3.5Nおよび91.6±6.0Nでした（図4dおよびe）。 内旋と連動した能動伸展の場合、原動機のPDとSSCは運動中に強く作動しましたが、拮抗薬のADとISP / TMの力は低かった（図4f）。

能動的な外転 (a)、屈曲 (b)、伸展 (c) 中に作動する筋力 (三角筋前部、AD、三角筋中部、MD、三角筋後部、PD、肩甲下筋、SSC、小棘下筋、ISP/TM、棘上筋、SSP) ）、内旋（d）、外旋（e）、伸展＆内旋（f）のサイクル（試験片 2 のデータ）。 反復動作にわたる AD、MD、PD、SSC、ISP/TM および SSP の筋力のクラス内相関係数 (ICC) を (g) に示します (3 つの標本すべてからのデータ)。

シミュレーターで作動するすべての個々のシミュレートされた筋力の信頼性が評価されました（図4g）。 平面運動と非平面運動の間、ICC 推定値の 95% CI は、ほとんどの例 (30/36) で > 0.90 であり、能動的外転における SSP の最小 ICC (95% CI) 値は 0.88 (0.80 ～ 0.93) でした。

アクティブな模擬筋肉作動を備えた生理学的肩シミュレーターは、日常活動のさまざまな平面および非平面の動きを再現するために設計および開発されました。 能力、精度、再現性、信頼性は、さまざまな平面および非平面運動の下で実証され、定量化されました。 すべての動作形式における最大平均偏差と RMSE の運動学的精度は 2.35°以下と 1.13° で、最大 SD と平均 SD の再現性はそれぞれ 1.21° と 0.67° であり、ターゲット動作が効果的に追跡されていることを示しています。 並進運動学および動力学の信頼性は一般に優れており、並進およびシミュレートされた筋力の ICC はそれぞれ 0.90 および 0.88 以上でした。

人間の肩の最も顕著な特徴の 1 つは、人間のすべての関節の中で最大の可動範囲を持ち、可動性と安定性の間の微妙なバランスを保っていることです 1。したがって、動的筋肉制御は、肩の生体力学および生理学的負荷において特に興味深いものとなっています。パターンは、in vitro シミュレーション中の多くの研究課題における重要な前提条件です。 以前の研究では、生理的な筋収縮の力のパターンを再現するために、さまざまな関節周囲筋負荷率のセットが計算され、適用されました。力はすべての筋肉で等しく単純化され、生理学的断面積 (pCSA) と筋電図 (EMG) から得られるさまざまな比も再現されています。 ）活性化データは応用が見出されています24、28、29、30。生理学的筋肉比の異なるセットの間で、結果として得られる肩の運動学に有意差は見つかりませんでした14。現在の研究で提示されたアクティブ肩シミュレーターでは、2つの最も重要な筋肉グループ（三角筋と腱板） ) がシミュレートされ、それぞれの主 DOF を支配する原動機として指定されました。 pCSA および EMG データから得られた所定の負荷率と、複数の PID コントローラーを備えた 3 つの運動ループが、使用される負荷アルゴリズムの中心概念を構成しました。 個々のループの操作シーケンスは、運動学的制約の下でさまざまな種類の動きに対応するために個別に行われていました。 合理的な設計に基づいて、この優れたシミュレーターの合成運動学における優れたパフォーマンスは、生体内負荷パターンを再現し、個々の肩の固有の関節形状と軟組織の状態に一致するように自己調整する能力を示しており、これにより信頼性の高いベースラインが提供されます。たとえば、怪我や修復をシミュレートするためのその後の変更。

文献にある以前の in vitro 筋肉駆動肩シミュレーターに関しては、そのほとんどが、一定の筋収縮速度または開ループ戦略で筋力を線形に増加させて純粋な外転を実行することに限定されていました 14,15,31,32。運動の軌跡は定量化できませんでした。 ウェルカーら。 Kedgley et al.は、挙上中の平均 SD の再現性が、外転で 0.80°、前後屈で 0.75°、回旋で 1.36°であると報告しました。 Giles らは、最大 SD の再現性が外転面と回転面の両方で 2° 未満であると報告しました 14。 RMSE < 1°、平均 SD < 0.516 で、3 つの自由度で制御された平面運動を正確に実現しました。 前述のシミュレーターと比較して、この新しいシミュレーターの運動学的性能は、RMSE ≤ 1.13 で、これまでに提示された最良のシミュレーター (Giles et al.) と同様です。複雑な非平面運動を実行する場合でも、°および平均 SD ≤ 0.67°。 それにもかかわらず、ジャイルズのシステムは肩の主要な内転筋として完全に重力に依存しており、三角筋は他の筋肉の活性化を決定するように構成されていました。 低い外転レベルで二次 DOF 動作 (仰角面や軸回転など) を実行する場合、その機能は制限されます。 さらに、関節上腕骨の平行移動と、反復動作における個々のシミュレートされた筋力を生成する信頼性は評価されておらず、複数の自由度で複雑な非平面運動を実行することはできませんでした。

今回の研究で繰り返し外転を行った際のすべての標本の平均 MD および SSP 力は、60°で 176.0 ± 6.5 N および 51.6 ± 2.1 N でした。 同様の力の大きさが、大泉らのコンピュータ シミュレーション モデルでも報告されています。 さらに、以前の in vitro アクティブ シミュレーションで報告された肩の平行移動は、ボールとソケットの動作として 1 ～ 2 mm から、全体的な平行移動は ~ 9 ～ 10 mm の範囲でした 31,35,36。平行移動の大きさにも同様の偏差が観察されました。この研究でシミュレートされた 3 つの試験片 (3 ～ 10 mm) について、試験片のばらつきを示しています。 冗長な筋肉の作動を考慮すると、複数の力の分布と、アゴニストとアンタゴニストのペアの異なる活性化レベルによって、同じ関節運動学を生成することが可能です 21。肩甲上腕骨の並進は、適用されるシミュレートされた筋力やさまざまな運動形式に非常に敏感です 1 これは、これは、in vitro での生理学的筋肉シミュレーションと、さまざまなテスト設定や被験者からのデータの比較が難しい原因です。 それにもかかわらず、ICC の受け入れられた基準によれば、すべてのシミュレートされた動作における変換と筋力の結果の信頼性は、この新しいシミュレーターでは概して優れており、装置設計の堅牢性と有効性を示しています。

このアクティブシミュレーターの概念にもかかわらず、生体内での肩の生体力学を再現することに努めてきましたが、その作業にはいくつかの制限があります。 主な問題は、肩甲胸郭の運動シミュレーションが欠如していることです。 肩甲骨は、生体内で腕を上げる際に、内旋の増加、上方の回転の増加、および後傾の増加とともに胸部を横切って動きます 32。肩甲上腕リズムを実現する以前のシミュレータでは、動作は肩甲骨の上方回転と肩甲骨の上方回転の 2 次元の線形関係として単純化されていました。腕の挙上16,37 私たち自身のさらなる研究では、3 つの自由度すべてでの肩甲胸郭運動の実装が強調されていますが、ここでは報告されません。 さらなる制限は、屈曲および伸展の可動範囲が制限されていることです。 屈曲/伸展に寄与する残りのシミュレートされた筋肉（大胸筋、上腕二頭筋、広背筋、大円筋など）は筋肉シミュレーションに含まれていないため、事前に決定された運動制約の下では大きな屈曲/伸展は達成できません。 もう 1 つの制限は、文献 (Wuelker et al. ~ 3 deg/s、Kedgley et al. ~ 3.5 deg/s、Giles et al. ~ 1 ～ 1 ～ 4度/秒）。 ただし、これらの角運動はすべて本質的に準静的であると見なすことができ、スポーツ (つまり野球のピッチ) などの完全に動的な運動を表すものではないことに注意する必要があります。 他のグループによってこの点に関していくつかの取り組みが行われてきましたが、それは私たちの現在の研究の目標ではありませんでした 11,38 最後の制限は、筋肉の比較的単純な表現です。 単一の動作線で筋肉を表す古典的な方法論は、この研究でも維持されましたが、棘下筋/小円筋などの大きな付着部位を持つ筋肉によって生成されるモーメントを模倣するには十分ではない可能性があります。 起点と挿入は標本 (挿入) とガイド (起点) へのケーブル取り付けによって複製されるため、筋力の作用線が尊重されます。 ただし、収縮中の筋腹の形状の変化による力ベクトルのわずかな変化は、この方法では再現できません。 in vitro での筋肉シミュレーションのためのより良いアプローチを開発することは、今後の研究で追求する価値があるでしょう。

筋肉シミュレーションを備えた新しい肩シミュレーターは、すべての自由度で生理学的運動学と運動学を再現するために構築されました。 設計のパフォーマンスは、精緻な運動学的および運動学的結果変数で体系的に評価されました。 これは、あらゆる形態の平面および非平面肩甲上腕運動を正確かつ再現可能な方法で実行できることが検証された最初のモデルです。 これは、肩の生理学的および病理学的生体力学、および新しく提案された外科的介入を研究するための重要なプラットフォームを提供します。

著者らは、この研究の結果を裏付けるデータが論文内で入手できることを確認しています。

Karduna, AR、Williams, GR、Williams, JL & Iannotti, JP 肩甲上腕関節の運動学: 筋力、靱帯の拘束、および関節の形状の影響。 J. Orthop. 解像度オフ。 出版物。 整形外科。 解像度社会 14、986–993 (1996)。

記事 CAS Google Scholar

Mitchell, C.、Adebajo, A.、Hay, E. & Carr, A. 肩の痛み: プライマリケアにおける診断と管理。 BMJ 331、1124 (2005)。

記事 PubMed PubMed Central Google Scholar

Doyscher, R.、Kraus, K.、Finke, B. & Scheibel, M. スポーツにおける肩の急性損傷および過負荷損傷。 Orthopade 43、202–208 (2014)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

エンガー、M.ら。 誕生から老年期までの肩の損傷: 都市人口における 3,031 件の肩の損傷を対象とした 1 年間の前向き研究。 Injury 49、1324–1329 (2018)。

論文 PubMed Google Scholar

Lafosse, T.、Fogerty, S.、Idoine, J.、Gobezie, R. & Lafosse, L. 過伸展内旋 (HERI): 前関節窩上腕骨不安定性の新しいテスト。 整形外科。 トラウマトール。 外科。 解像度 102、3–12 (2016)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

ペノック、AT et al. ベアハグ、ベリープレス、リフトオフテストにおける腕と肩の位置の影響: 筋電図検査。 午前。 J.スポーツ医学。 39、2338–2346 (2011)。

論文 PubMed Google Scholar

Giles、JW、Langohhr、GDG、Johnson、JA、Athwal、GS 回旋腱板筋は、リバース型肩関節全置換術後に拮抗筋となります。 J. 肩肘外科手術 25、1592–1600 (2016)。

論文 PubMed Google Scholar

McClure、PW、Michener、LA、Karduna、AR 肩インピンジメント症候群のある人とない人における肩の機能と 3 次元肩甲骨運動学。 物理学。 それで。 86、1075–1090 (2006)。

論文 PubMed Google Scholar

Favre, P.、Sheikh, R.、Fucentese, SF、Jacob, HAC 臨床使用のための肩の筋力を推定するためのアルゴリズム。 クリン。 バイオメック。 20、822–833 (2005)。

記事 Google Scholar

Wuelker, N.、Korell, M. & Thren, K. 肩甲上腕関節の動的安定性。 J. 肩肘外科手術 7、43–52 (1998)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

ロッソ、C.ら。 鎖骨骨折と修復後の肩甲上腕関節の運動学。 PLoS ONE 12、e0164549 (2017)。

記事 PubMed PubMed Central Google Scholar

Væsel, MT、Olsen, BS、Søjblerg, JO、Helmig, P. & Sneppen, O. 肩関節形成術における上腕骨頭のサイズ: 運動学的研究。 J. 肩肘外科手術 6、549–555 (1997)。

論文 PubMed Google Scholar

ケドグリー、A.E. et al. 上腕骨頭の移動は筋肉の負荷とともに減少します。 J. 肩肘外科手術 17、132–138 (2008)。

論文 PubMed Google Scholar

ケドグリー、A.E. et al. in vitro 肩甲上腕外転の運動学に対する筋肉負荷の影響。 Ｊ．Ｂｉｏｍｅｃｈ． 40、2953–2960 (2007)。

論文 PubMed Google Scholar

Wuelker, N.、Wirth, CJ、Plitz, W. & Roetman, B. 動的肩モデル: 信頼性テストと筋力の研究。 Ｊ．Ｂｉｏｍｅｃｈ． 28、489–499 (1995)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

William Giles, J.、Miguel Ferreira, L.、Singh Athwal, G. & Andrew Johnson, J. マルチ PID 筋肉負荷駆動の in vitro アクティブモーション肩シミュレーターの開発と性能評価、およびリバース肩関節全置換術の評価への応用。 Ｊ．Ｂｉｏｍｅｃｈ． 工学 136、12 (2014)。

記事 Google Scholar

ソスロースキー、LJ 他肩甲上腕関節におけるその場接触領域の定量化: 生体力学的研究。 J. Orthop. 解像度 10、524–534 (1992)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

ウー、G.ら。 人間の関節運動を報告するためのさまざまな関節の関節座標系の定義に関する ISB 勧告 - パート II: 肩、肘、手首、手。 Ｊ．Ｂｉｏｍｅｃｈ． 38、981–992 (2005)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Veeger、HEJ 肩甲上腕関節の回転中心の位置。 Ｊ．Ｂｉｏｍｅｃｈ． 33、1711–1715 (2000)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Phadke, V.、Braman, JP、LaPrade, RF & Ludewig, PM 異なる回転シーケンスを使用した肩関節上腕骨の動きの比較。 Ｊ．Ｂｉｏｍｅｃｈ． 44、700–705 (2011)。

論文 PubMed Google Scholar

Shah, DS & Kedgley, AE 手首関節運動シミュレーターの制御: ファントム研究。 Ｊ．Ｂｉｏｍｅｃｈ． 49、3061 (2016)。

記事 PubMed PubMed Central Google Scholar

ホルツバウア、KRS、マレー、WM、ゴールド、GE、デルプ、SL 成人対象の上肢の筋肉量。 Ｊ．Ｂｉｏｍｅｃｈ． 40、742–749 (2007)。

論文 PubMed Google Scholar

Tirosh, R. 1 kgf/cm2 – 筋肉収縮の等尺性張力: クロスブリッジと油圧機構への影響。 上級経験値医学。 バイオル。 170、531–539 (1984)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Aluisio, FV、Osbahr, DC & Speer, KP 成人死体標本における腱板筋の分析。 午前。 J. Orthop. ベル・ミード NJ 32、124–129 (2003)。

PubMed Google Scholar

Kent-Braun、JA & Ng、AV 若年者および高齢者の女性と男性における比強度と自発的な筋肉の活性化。 Ｊ．Ａｐｐｌ． 生理。 87、22–29 (1999)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Narici, MV、Landoni, L. & Minetti, AE インビボの生理学的断面積と強度測定による人間の膝伸筋ストレスの評価。 ユーロ。 Ｊ．Ａｐｐｌ． 生理。 65、438–444 (1992)。

記事 CAS Google Scholar

Koo, TK & Li, MY 信頼性研究のためのクラス内相関係数の選択と報告のガイドライン。 J. Chiropr. 医学。 15、155–163 (2016)。

記事 PubMed PubMed Central Google Scholar

アプレレバ、M.ら。 模擬関節唇損傷後の関節上腕骨運動の動的解析。 死体の模型です。 J. 骨関節外科。 午前。 80、474–480 (1998)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

ハルダー、AM et al. 肩関節の動的下位スタビライザー。 クリン。 バイオメック。 16、138–143 (2001)。

記事 CAS Google Scholar

Kronberg, M.、Németh, G. & Brostrom, LA 正常な肩の筋肉の活動と調整。 筋電図検査。 クリン。 整形外科。 257、76–85 (1990)。

記事 Google Scholar

マクマホン、PJ 他肩甲骨面での肩甲上腕外転時の肩の筋力と腱の可動域。 J. 肩肘外科手術 4、199–208 (1995)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

ルーデヴィッヒ、PM et al. 多面上腕骨挙上中の肩複合体の動き。 J. ボーン Jt. 外科。 91、378–389 (2009)。

記事 Google Scholar

大泉 憲 ほか人間の肩関節における協調的な外転筋力の数値解析。 J. 肩肘外科手術 15、331–338 (2006)。

論文 PubMed Google Scholar

van der Helm、FCT 肩機構の有限要素筋骨格モデル。 Ｊ．Ｂｉｏｍｅｃｈ． 27、551–569 (1994)。

論文 PubMed Google Scholar

Wuelker, N.、Schmotzer, H.、Thren, K. & Korell, M. シミュレートされた動的挙上による肩甲上腕関節の翻訳。 クリン。 整形外科。 309、193–200 (1994)。

Google スカラー

Karduna, AR、Williams, GR、Williams, JL & Iannotti, JP 肩甲上腕関節の運動学: 筋力、靱帯の拘束、および関節の形状の影響。 J. Orthop. 解像度 14、986–993 (1996)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

NA シャーキー & RA マーダー 腱板は、上腕骨頭の優れた並進を妨げます。 午前。 J.スポーツ医学。 23、270–275 (1995)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

エンテザリ、V. et al. 基本的な肩の動きと投球動作の生体力学をシミュレートする新しいシステムの設計と製造。 ボーンJt. 解像度 1、78–85 (2012)。

記事 CAS Google Scholar

リファレンスをダウンロードする

この研究は、ドイツ研究財団 (DFG、プロジェクト ID 317422648) によって承認されたプロジェクトの一環として行われました。 Ruipeng Guo はさらに、China Scholarship Council からの奨学金 (NO. 201508080085) によって支援されました。

Projekt DEAL によって実現および組織されたオープンアクセスの資金調達。

整形外科部門、生体力学および生体材料研究室 - DIAKOVERE Annastift、ハノーバー医科大学、Anna-Von-Borries-Str. 1-7、30625、ハノーバー、ドイツ

郭瑞鵬、マヌエル・フェルレ、デニス・ネーベル、クリストフ・ハーシュラー

安徽医科大学第一附属病院整形外科、218 Jixi Road、合肥、230000、中国

郭瑞鵬

ミュンヘン工科大学人間工学学部長（ボルツマン通り） １５、８５７４８、ガーヒング ｂ． ミュンヘン、ドイツ

マヌエル・フェルレ

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

RG は制御アルゴリズムを実装し、体外試験を実施し、結果と統計分析を提供して原稿を執筆しました。 MF と DN は、シミュレーターの開発で RG を支援し、技術的な問題と使用されるハードウェアとソフトウェアに関する専門知識で RG をサポートしました。 MF は統計分析にも協力してくれました。 CH は監督された RP であり、シミュレーターの開発中に生じるすべての質問にフィードバックを提供しました。 著者全員が執筆プロセスに取り組み、最終原稿をレビューしました。

デニス・ネーベルへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

オープン アクセス この記事はクリエイティブ コモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされており、元の著者と情報源に適切なクレジットを表示する限り、あらゆる媒体または形式での使用、共有、翻案、配布、複製が許可されます。クリエイティブ コモンズ ライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられたかどうかを示します。 この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、素材のクレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれています。 素材が記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれておらず、意図した使用が法的規制で許可されていない場合、または許可されている使用を超えている場合は、著作権所有者から直接許可を得る必要があります。 このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

Guo、R.、Ferle、M.、Nebel、D. 他。 アクティブな筋肉シミュレーションを備えた体外肩シミュレーターの開発と評価。 Sci Rep 13、4423 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31200-y

引用をダウンロード

受信日: 2022 年 7 月 17 日

受理日: 2023 年 3 月 8 日

公開日: 2023 年 3 月 17 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31200-y

次のリンクを共有すると、誰でもこのコンテンツを読むことができます。

申し訳ございませんが、現在この記事の共有リンクは利用できません。

Springer Nature SharedIt コンテンツ共有イニシアチブによって提供

コメントを送信すると、利用規約とコミュニティ ガイドラインに従うことに同意したことになります。 虐待的なもの、または当社の規約やガイドラインに準拠していないものを見つけた場合は、不適切としてフラグを立ててください。