Robotic Simulation: Tissue Function with In Vivo Motions

机器人模拟:体内运动的组织功能

基本信息

  • 批准号:
    7098266
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 20.95万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2006
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2006-03-01 至 2008-02-29
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

DESCRIPTION (provided by applicant): The anterior cruciate ligament (ACL) and medial meniscus (MM) are frequently injured knee structures. Losing the functions of either or both of these structures can dramatically alter joint kinematics, causing cartilage damage and the onset of degenerative joint disease and osteoarthritis in the longer term. While investigators are beginning to accurately characterize normal knee kinematics and ligament surface strains in human subjects, critically important tissue forces and contact stresses are impossible to measure in humans without direct calibration. To address this concern, the investigators propose to determine ACL forces and meniscus contact stresses in the goat knee for selected in vivo activities in a robot. We seek to test the global hypothesis that in vivo tissue forces and deformations and tissue-tissue interactions can be predicted by accurately reproducing in vivo knee kinematics in an in vitro setting. To test this global hypothesis, we will examine 5 specific aims: Aim 1: Instrument the goat knee at surgery with ultrasonic crystals and tissue force transducers to precisely monitor relative bone positions and transducer voltages during controlled in vivo activities after surgery. Aim 2: In the laboratory, transform the relative bone positions into joint kinematics to drive a robot to reproduce the knee state during these in vivo activities. Compare actual and simulated joint rotations and translations to determine if in vivo kinematics have been recreated within an acceptable tolerance during the stance phase of gait for each activity. Aim 3: Compare in vivo and in vitro tissue force transducer voltages to determine if in vivo voltages have been recreated within an acceptable tolerance during the stance phase of gait for each activity. Aim 4: Perform selective cutting experiments to study how capsular, ligamentous, and meniscus structures influence the functions of the ACL and menisci for simulated in vivo activities. Aim 5: Calibrate the force transducers to determine ACL forces and meniscus contact stresses for each in activity. Measure the associated tissue deformations for each in vivo activity. This research program will dramatically improve our understanding of normal knee motion and forces. These technologies will serve as a platform for studying injury, repair and reconstruction in the knee and other joints and to develop functional tissue engineering parameters.
描述(由申请人提供):前交叉韧带(ACL)和内侧弯月面(MM)经常受伤的膝盖结构。 从长远来看,失去这两个结构的功能都可以大大改变关节运动学,并导致软骨损伤以及退行性关节疾病和骨关节炎的发作。尽管研究人员开始准确地表征人类受试者中正常的膝关节运动和韧带表面菌株,但在没有直接校准的情况下,在人类中无法测量至关重要的组织力和接触应力。为了解决这一问题,调查人员建议确定山羊膝盖中的ACL力和半月板接触应力,以在机器人中精选的体内活动。我们寻求 测试体内组织力和变形和组织 - 组织相互作用的全球假设 可以通过在体外环境中准确再现体内膝关节运动来预测。为了检验这一全球假设,我们将研究5个具体目标: AIM 1:用超声晶体和组织力传感器在手术时进行山羊膝盖,以精确监测手术后体内受控活动期间的相对骨位置和换能器电压。 AIM 2:在实验室中,将相对骨位置转变为关节运动学,以驱动机器人在体内活动期间重现膝盖状态。比较实际和模拟的关节旋转和翻译,以确定在步态的姿势阶段,在每种活动的步态阶段期间是否在可接受的耐受性中重现了体内运动学。 AIM 3:比较体内和体外组织力传感器电压,以确定在每种活动的步态姿势阶段,在可接受的公差内是否已重新定位体内电压。 AIM 4:执行选择性切割实验,以研究囊膜,韧带和半月板结构如何影响ACL和Menisci的功能,以模拟体内活性。 目标5:校准力传感器以确定每个活动中每种的ACL力和半月板接触应力。测量每个体内活性的相关组织变形。 该研究计划将大大提高我们对正常膝盖运动和力量的理解。这些技术将作为研究膝盖和其他关节的损伤,修复和重建并开发功能性组织工程参数的平台。

项目成果

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