Injury of the knee ligament causes abnormal movement of the knee joint, and if not properly treated, it can lead to secondary diseases such as arthritis. There are several types of ligaments in the knee. The ligaments in the known play important roles in knee movement and stability. A proper understanding of the knee ligament injury is required to develop treatment methods. It is difficult to analyze knees in vivo by non-invasive methods. An in silico musculoskeletal simulation method may be used to solve this problem.
The purpose of this study is to predict changes in knee motion and to observe the characteristics of muscle control patterns during daily activities following injuries to the knee ligament through musculoskeletal simulations. A knee model constrained by ligaments based on cadaveric data was developed, and physical properties were adjusted. The ligament model was verified through kinematic data of the knee joint by respsonse to the external force and kinematic measurement during walking. Daily activities were defined as level walking, and a human muscle controller was developed through reinforcement learning to reproduce human walking. In this process, the kinematics of six degrees of freedom movement and muscle control of the knee joint was simulated. Finally, the change in the result of changing the condition of the knee ligament was analyzed. In the case of cruciate ligament injury, tibial translational stability was decreased, and in the case of collateral ligament injury, tibial rotational stability decreased. In the case of Anterior Cruciate Ligament (ACL) combined rupture with Anteriolateral Liganemt (ALL), they are similar to an ACL injury. Individual ALL injuries rarely affect joint kinematics and muscle activation.
무릎 인대의 부상이 일어나면 슬관절의 비정상적인 움직임을 유발하게 되고 적절한 치료가 수행되지 않으면 관절염과 같은 2차 질환으로 이어질 수 있다. 무릎에는 여러 인대가 있고, 각 인대는 무릎의 움직임과 안정성에 있어 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 각 무릎 인대의 부상을 제대로 이해하는 것은 치료 방법을 개발하는 데 있어서 중요한 역할을 할 수 있다. 비침습적인 방법을 통해 생체 내 무릎을 분석하는 것은 기술적으로 어려움이 존재한다. 이를 해결하기 위해 모델링 방식의 근골격 시뮬레이션 방법을 이용할 수 있다.
이 연구의 목적은 근골격 시뮬레이션을 통해 무릎 인대의 부상에 따른 일상 활동 중 무릎 운동의 변화를 예측하고 근육 제어 패턴을 관측하는 것이다. 이를 위해 사체 데이터를 기반으로 인대로 연결된 무릎 모델이 개발되고 물성치가 조절되었다. 인대 모델은 외력에 의한 무릎 관절의 운동학적 데이터와 보행 중 슬관절에 적용되는 인대 힘의 운동역학적 분석을 통해 검증되었다. 일상의 활동을 평지 보행으로 정의하였고, 사람의 보행을 재현할 수 있도록 강화학습을 통해 인체 근육제어기를 개발하였다. 이 과정에서 슬관절의 6 자유도 움직임과 근육 제어 패턴을 시뮬레이션하였다. 최종적으로 각 개별적인 무릎인대 또는 복합적인 무릎인대의 상태에 변화를 주었을 때 나타나는 결과의 변화를 분석하였다. 십자인대 부상의 경우, 경골의 이동 안정성이 감소하였고, 내외측 인대 부상의 경우, 경골의 회전 안정성이 감소하였다. 전방 십자인대와 전외측 인대의 복합 부상의 경우에는 전방 십자인대 단독 부상과 유사하였고, 전외측 인대 단독 부상의 경우 그 영향이 크지 않았다.
