O desenvolvimento e avaliação de um

Nov 11, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 4423 (2023) Citar este artigo

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O objetivo do presente estudo foi desenvolver um novo simulador de ombro ativo in vitro para emular todas as formas de movimentos glenoumerais planares e não planares com simulação de músculo ativo em espécimes de cadáveres ou modelos de ombro e avaliar criticamente seu desempenho. Um simulador de ombro fisiológico, acionado usando força muscular simulada, foi desenvolvido para realizar dinamicamente um controle cinemático preciso em todos os três graus de liberdade rotacionais (DOF) sob limites cinéticos fisiológicos. O algoritmo de controle do simulador foi implementado usando três loops de controle independentes paralelos, que regulam as forças dos músculos individuais no respeito DOF e trabalham de forma assíncrona em sequências díspares adaptadas a movimentos específicos (abdução, flexão/extensão e rotação). Três espécimes cadavéricos foram usados ​​para avaliar o desempenho cinemático e cinético do simulador durante os movimentos simulados. Alta precisão cinemática (desvio médio máximo ≤ 2,35° e RMSE 1,13°) e repetibilidade (DP máximo e médio ≤ 1,21° e 0,67°) foram observadas em todos os três DOF ​​rotacionais investigados. As confiabilidades de todas as forças musculares individuais atuadas no simulador durante movimentos planares e não planares foram geralmente excelentes, com ICs de 95% de estimativas de ICC de > 0,90 para a maioria dos casos (30/36). Um novo simulador de ombro com simulação muscular ativa foi desenvolvido e avaliado. Sua capacidade de reproduzir cinemática e cinética em uma faixa fisiológica para todo o DOF foi sistematicamente avaliada para múltiplas variáveis ​​de resultados cinéticos e cinemáticos. O simulador apresentado é uma ferramenta poderosa para investigar a biomecânica das articulações fisiológicas e patológicas do ombro e para avaliar várias intervenções cirúrgicas. A aquisição de dados confiáveis ​​em cinética articular e cinemática translacional durante movimentos ativos é fundamental para avaliar patologias do ombro e tratamentos apropriados. Fornecemos um simulador de ombro fisiológico ativado por músculos exclusivo, que permite a aquisição abrangente de dados cinemáticos e cinéticos da articulação durante movimentos planos e não planos realistas repetidos.

Em comparação com o quadril, a outra grande articulação esférica humana, a articulação glenoumeral é caracterizada por uma geometria única com congruência limitada e uma articulação relativamente irrestrita. Isso permite uma ampla amplitude de movimento, em que a estabilidade é fornecida pelos estabilizadores passivos das estruturas capsulares e ligamentares, bem como pelos estabilizadores ativos do manguito rotador e grupos musculares deltóides1 Em parte devido à sua estrutura anatômica distinta e estabilização ativa, o ombro é suscetível a lesões, incluindo instabilidade, ruptura do manguito rotador, ruptura do labrum e entorse do ligamento capsular2,3,4 Assim, ao investigar patologias do ombro e seu tratamento experimental por meio de simuladores biomecânicos, a representação da anatomia e da função do ombro ativo e estabilizadores passivos é essencial.

A aquisição de dados confiáveis ​​na cinética articular e na cinemática translacional, especialmente durante o movimento não planar, é difícil, senão impossível in vivo, mas ainda assim crítica para avaliar os efeitos funcionais das patologias do ombro e seus tratamentos propostos ou aplicados. Testes biomecânicos experimentais (in vitro) podem complementar o conhecimento de testes clínicos adquiridos, como o teste Lift-Off e testes de hiperextensão-rotação interna (HERI) para diagnosticar instabilidade anterior/inferior, análise cinética para investigar os efeitos de rupturas maciças do manguito rotador, e os testes funcionais para avaliar a artroplastia total reversa do ombro5,6,7 Assim, embora o estudo da biomecânica do ombro in vivo seja geralmente a fonte de informação mais importante, as dificuldades na obtenção direta de dados cinemáticos e outros são uma séria limitação. Modelos de cadáveres in vitro oferecem a vantagem de aplicar métodos invasivos de rastreamento e medição e de alteração e manipulação da articulação com a vantagem de reter grande parte da anatomia nativa. Assim, vários simuladores de ombro passivos e ativos foram construídos nas últimas décadas com o objetivo de simular a cinemática fisiológica e patológica e identificar os contribuintes significativos8,9,10,11,12. para pesquisar questões associadas com a estabilização dos tecidos moles da articulação. No entanto, estudos anteriores ilustraram a importância da musculatura na criação e manutenção da estabilidade glenoumeral durante o movimento articular ativo. Por esta razão, simuladores de ombro ativos com o objetivo de representar os músculos periarticulares foram projetados com o objetivo de reproduzir realisticamente o movimento articular dinâmico13,14. Um modelo representativo inicial de um simulador movido a músculos foi desenvolvido por Wuelker et al. em 1995, que realizou abdução de ombro confiável e dinâmica por atuação muscular por meio de cilindros hidráulicos, aos quais o manguito rotador e os músculos deltóides foram conectados por meio de cabos de aço com sensores de força adicionais suspensos entre eles. Além disso, sensores ultrassônicos foram usados ​​para registrar a cinemática do braço10,15 Embora representasse um grande avanço em relação a outros simuladores da época, o movimento simulado era limitado à abdução e as forças musculares eram aumentadas linearmente com proporções constantes de ativação relativa, o que não leva em conta o forte comportamento não linear da musculatura. O movimento ativo em todos os três graus de liberdade rotacionais (DOF) (por exemplo, abdução ativa, flexão e rotação) foi alcançado pela primeira vez em um simulador refinado com feedback cinemático em tempo real e controle cinético de circuito fechado por Giles et al16. realizar movimentos DOF ​​secundários (por exemplo, plano de elevação e rotação axial) em pequenos ângulos de abdução (< 15°) e movimentos complexos não planares em múltiplos DOF. Em contraste com Wuelker et al., os grupos de trabalho em torno de Kedgley e Giles usaram atuadores pneumáticos de baixo atrito controlados por ar comprimido por meio de controladores de pressão proporcional. Um sistema de rastreamento eletromagnético e um óptico, respectivamente, foram usados ​​para registrar a cinemática. Assim, apesar de alguns avanços notáveis, até o momento nenhum modelo de ombro in vitro está disponível que permita a emulação abrangente da cinemática e cinética articular durante movimentos repetidos planares e não planares.