法医学バイオメカニクスジャーナル

概要

人間の体幹運動の 3D 安定性に基づく動的計算モデル: 法医学的脊髄損傷の生体力学的分析のパラダイムの開発に向けて

ヴァヒド・コルサンド・ヴァキルザデ、モーセン・アスガリ、ハッサン・サラリエ、ナイラ・H・キャンベル＝キュレギャン、モハマド・パルニアンプール、キンダ・カラフ

背景:脊髄損傷および関連する訴訟は、世界中で依然として重大な人的および経済的課題を引き起こしています。脊髄の生体力学的予測シミュレーション モデルは、法医学的損傷生体力学的定量分析のための時間と費用効率の高いツールを提供します。
方法: 18 個の筋肉を含む 3D 計算モデルを開発し、人間の体幹の動きをシミュレートしました。3 つの生理学に基づくパフォーマンス インデックスを使用して、体幹の動きに関連する最適な軌道をモデル化しました。腰仙関節の周りに発生するモーメントは、逆ダイナミクスを使用して計算されました。筋肉のモーメントへの寄与は、静的安定性ベースの最適化を実行して評価しました。この最適化では、直立姿勢から 60 度の屈曲までの体幹の動きがシミュレートされました。脊椎の安定性に対する固有メカニズムの寄与は、最適化ルーチンに安定性制約を追加し、拮抗筋の活動の増加を可能にすることで対処されました。
結果:結果として得られた計算モデルでは、拮抗筋と主働筋の共収縮により、L5/S1 関節周辺の関節剛性が増加します。筋紡錘は、最適な軌道の実行中に体幹の位置を制御する反射的なフィードバックを提供します。反射メカニズムの時間遅延が増加すると、脊椎の安定性が低下します。
結論：この研究の主な貢献は2つあります。1. 安定性の制約がある場合とない場合の脊椎の動きをシミュレートするために、3つの生理学的に妥当なパフォーマンス指標を新しく使用した、および2. いくつかの確立されたフィードフォワードおよびフィードバック制御をモデルに組み込んだことです。体幹パフォーマンスの指標により、さまざまな動作パターンと筋肉の動員パターンが得られました。モデルは、体幹の安定性を課すと、実験データと一致して筋肉の動員が増加し、脊椎の剛性が高くなると予測しました。この研究は、定量的な法医学的脊椎損傷の生体力学的分析に使用できる脊椎の動きをモデル化および予測するための計算フレームワークを提供します。