A musculoskeletal finite element model of rat knee joint for evaluating cartilage biomechanics during gait.
歩行中の軟骨生体力学評価のためのラット膝関節筋骨格有限要素モデル (機械翻訳の邦題)
記録の確認項目
- 研究デザイン
- その他の原著論文
- 対象
- 動物
- 出版年
- 2022
- 出典
- doi.org
- 抄録の表示
- 表示あり
- 出版状態
- 訂正あり
- 状態確認日
- 2026/08/17
- 収集日
- 2026/08/04
- 鮮度
- 確認期限内
- 確認段階
- 自動処理
- 記録状態
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出版状態の注記
出版状態: 訂正あり
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膝の異常な負荷は変形性関節症(OA)の発症に寄与すると考えられている。本研究では、歩行周期中の軟骨の生体力学的応答を評価するためのラット膝関節の筋骨格有限要素モデルを開発した。膝関節の形状は3D MRIデータから取得し、関節への負荷の境界条件はラット後肢の筋骨格モデルから抽出した。軟骨の線維強化多孔弾性(FRPE)特性は機械的圧痕試験のデータから導出した。数値解析の結果、内側コンパートメントでは接触圧と最大主ひずみがほぼ一定であるのに対し、外側コンパートメントでは歩行周期の開始時に最大値を示した。また、最大主応力は立脚期に増加し、立脚中期に最大となった。このアプローチは、歩行異常がラット膝関節組織の適応や変性に及ぼす影響を調査するための第一歩であり、関節損傷や肥満によるOA進行の生体力学的メカニズムの評価に利用できると期待される。
この要約は公開抄録のみを根拠にAIが機械的に生成したものです。正確な内容は原文を確認してください。
抄録
Abnormal loading of the knee due to injuries or obesity is thought to contribute to the development of osteoarthritis (OA). Small animal models have been used for studying OA progression mechanisms. However, numerical models to study cartilage responses under dynamic loading in preclinical animal models have not been developed. Here we present a musculoskeletal finite element model of a rat knee joint to evaluate cartilage biomechanical responses during a gait cycle. The rat knee joint geometries were obtained from a 3-D MRI dataset and the boundary conditions regarding loading in the joint were extracted from a musculoskeletal model of the rat hindlimb. The fibril-reinforced poroelastic (FRPE) properties of the rat cartilage were derived from data of mechanical indentation tests. Our numerical results showed the relevance of simulating anatomical and locomotion characteristics in the rat knee joint for estimating tissue responses such as contact pressures, stresses, strains, and fluid pressures. We found that the contact pressure and maximum principal strain were virtually constant in the medial compartment whereas they showed the highest values at the beginning of the gait cycle in the lateral compartment. Furthermore, we found that the maximum principal stress increased during the stance phase of gait, with the greatest values at midstance. We anticipate that our approach serves as a first step towards investigating the effects of gait abnormalities on the adaptation and degeneration of rat knee joint tissues and could be used to evaluate biomechanically-driven mechanisms of the progression of OA as a consequence of joint injury or obesity.
MeSH
DOI 10.1371/journal.pcbi.1009398
PMID 35657996
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