DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2024.1370101
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38832130
تاريخ النشر: 2024-05-20
المؤلف: Bruna Silva وآخرون
الموضوع الرئيسي: طب البيطرة والعظام والأعصاب
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة الخصائص الحركية لمشية أرجل الأغنام الخلفية من خلال نهج إعادة بناء ثلاثي الأبعاد (3D)، باستخدام سبعة أغنام صحية كنموذج حي للبحث في مجال العظام. استخدم الباحثون نظام التقاط الحركة الضوئي الإلكتروني لتحليل الساق الخلفية اليمنى أثناء المشي الطبيعي على الأرض، مع التركيز على المتغيرات الزمانية والمكانية وزوايا المفاصل (الورك، الركبة، والكاحل) طوال دورة المشي. ومن الجدير بالذكر أن هذه الدراسة رائدة في وصفها الشامل لحركات المفاصل – تحديدًا الانثناء/التمديد، والتبعيد/التقريب، والدوران الداخلي/الخارجي – باستخدام إطار ثلاثي الأبعاد.
تؤكد النتائج على أهمية تحليل المشي في فهم أمراض نظام الحركة ويمكن أن تكون مؤشرات نتائج حاسمة لتقييم فعالية العلاج في الحالات العظمية والعصبية. تدعو الدراسة إلى تضمين هذه المعلمات الحركية في الأبحاث المستقبلية، لا سيما في تقييم سلوك مفاصل الأطراف الأمامية لتعزيز الفهم العام للأغنام كنموذج لاضطرابات الحركة. في النهاية، يحمل هذا النموذج التجريبي وعدًا لتقدم تقييم أنماط المشي المرضية وتوضيح الميزات الحركية المرتبطة بمشاكل عظمية وعصبية متنوعة.
مقدمة
تؤكد المقدمة على أهمية تحليل المشي كأداة حيوية لفهم وظيفة الأطراف في الحيوانات، لا سيما في الأغنام، التي تعتبر نماذج فعالة بسبب حجمها، ووداعتها، وانخفاض تكاليف صيانتها. يتم تقديم تحليل المشي كطريقة غير جراحية توفر بيانات موضوعية، وهي ضرورية لتقييم حالات متنوعة، بما في ذلك تقدم المرض وفعالية العلاج. وقد أسست الأبحاث السابقة معلمات حركية أساسية للأغنام، مع تسليط الضوء على الفروق المرتبطة بالعمر وأهمية مراعاة عوامل مثل الجنس، والعمر، والسلالة عند تعريف “المشي الطبيعي”.
تستعرض هذه الفقرة أيضًا التقدمات الحديثة في منهجيات تحليل المشي، بما في ذلك استخدام المستشعرات القابلة للارتداء وتعلم الآلة لجمع البيانات وتحليلها بشكل أفضل. بينما ركزت الدراسات السابقة بشكل أساسي على التحليل الحركي في المستوى السهمي، تهدف هذه الدراسة إلى إجراء تحليل حركي ثلاثي الأبعاد شامل لساق الأغنام الخلفية أثناء المشي. من خلال استخدام منهجية مشابهة لتلك المستخدمة في دراسات الجرذان، يعتزم المؤلفون وضع قيم معيارية للحركية الطبيعية للمفاصل، والتي يمكن أن تكون مرجعًا لتحديد أنماط المشي غير الطبيعية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام سبعة أغنام أنثوية من سلالة ميرينو البالغة، تتراوح أعمارها بين 5 و 6 سنوات وتزن بين 40 و 60 كجم (متوسط الوزن 47.25 ± 4.27 كجم)، كمواضيع تجريبية. خضعت كل أغنام لفحص بيطري لتأكيد حالتها الصحية وعدم حملها. تم إيواء الحيوانات في مركز البحوث السريرية والبيطرية في فيراو (CCIVV)، حيث تم تزويدها بالتبن، والعلف، والوصول غير المحدود إلى الماء لتلبية احتياجاتها الأيضية.
كانت هذه الأبحاث جزءًا من مشروع Bone2Move، الذي يركز على تطوير تقنيات تجريبية ومنهجيات نمذجة لتقييم الغرسات ثلاثية الأبعاد في عيوب العظام باستخدام نموذج الأغنام (مشروع IC&DT 02/SAICT/2017). كانت الاعتبارات الأخلاقية ذات أهمية قصوى طوال الدراسة، حيث حصلت جميع الإجراءات التي تشمل نماذج الحيوانات على موافقة مسبقة من منظمة الرفق بالحيوانات (ORBEA) في ICBAS-UP (مشروع 2880/2015)، مما يضمن الحفاظ على رفاهية الحيوانات خلال التجارب.
المناقشة
في قسم المناقشة، تسلط الدراسة الضوء على تعقيد الحركة الرباعية الأرجل، لا سيما في الأغنام، مع التأكيد على أهمية المعلمات الحركية مثل أنماط المشي، ومدة الدورة، وزوايا المفاصل. تظهر الحيوانات الرباعية أنماط مشي متناسقة وغير متناسقة، حيث تظهر الأغنام مشية بتسلسل جانبي. تصنف الدراسة مراحل المشي إلى مرحلة الوقوف والمرحلة المتأرجحة، موضحة الديناميات الزمنية لحركات الأطراف ومقدمة معلمات إضافية مثل F lag، H lag، وP lag لوصف أنماط المشي بشكل أكثر شمولًا. تشير النتائج إلى أن مرحلة الوقوف تشكل حوالي 60% من دورة المشي، مما يتماشى مع الأدبيات السابقة حول بيوميكانيكا الأغنام.
تضمنت المنهجية المستخدمة لجمع البيانات تقنية التقاط الحركة، التي سهلت تحليل المعلمات الحركية وإزاحات الزوايا المفصلية. كشفت النتائج عن دورات زمنية محددة لدورة المشي وتوزيع المراحل لكل من الساقين الخلفيتين والأمامية، مع تشابه ملحوظ مع أنماط المشي البشرية. كما تؤكد الدراسة على إمكانية استخدام الأغنام كنموذج تجريبي للبحث في مجال العظام، لا سيما في فهم الأمراض العضلية الهيكلية وتقييم التدخلات العلاجية. يُقترح دمج البيانات الحركية مع المعلمات الحركية والتخطيط الكهربائي للعضلات لفهم أكثر شمولية للحركة، مما قد يعزز تقييم التعافي الوظيفي في البيئات السريرية. بشكل عام، تسهم الدراسة في تقديم رؤى قيمة حول بيوميكانيكا مشية الأغنام، مما يمهد الطريق لدراسات مستقبلية حول الحالات المرضية وفعالية العلاج.
DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2024.1370101
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38832130
Publication Date: 2024-05-20
Author(s): Bruna Silva et al.
Primary Topic: Veterinary Orthopedics and Neurology
Overview
This study investigates the kinematic characteristics of sheep hindlimb gait through a tridimensional (3D) reconstruction approach, utilizing seven healthy sheep as an in vivo model for orthopedic research. The researchers employed an optoelectronic motion capture system to analyze the right hindlimb during natural overground walking, focusing on spatiotemporal variables and joint angles (hip, knee, and ankle) throughout the walking cycle. Notably, this research is pioneering in its comprehensive description of joint movements—specifically flexion/extension, abduction/adduction, and internal/external rotation—using a 3D framework.
The findings underscore the significance of gait analysis in understanding locomotor system pathologies and can serve as critical outcome indicators for evaluating treatment efficacy in orthopedic and neurological conditions. The study advocates for the inclusion of these kinematic parameters in future research, particularly in assessing forelimb joint behavior to enhance the overall understanding of sheep as a model for locomotor disorders. Ultimately, this experimental model holds promise for advancing the evaluation of pathological gait patterns and elucidating kinematic features linked to various orthopedic and neurological issues.
Introduction
The introduction emphasizes the significance of gait analysis as a vital tool for understanding limb function in animals, particularly in sheep, which serve as effective models due to their size, docility, and low maintenance costs. Gait analysis is presented as a non-invasive method that yields objective data, crucial for assessing various conditions, including disease progression and treatment efficacy. Previous research has established baseline kinematic parameters for sheep, highlighting age-related differences and the importance of considering factors such as sex, age, and breed when defining “normal” gait.
The section also reviews recent advancements in gait analysis methodologies, including the use of wearable sensors and machine learning for enhanced data collection and analysis. While prior studies have primarily focused on kinematic analysis in the sagittal plane, this research aims to conduct a comprehensive three-dimensional kinematic analysis of the sheep hind limb during walking. By employing a similar methodology to that used in rat studies, the authors intend to establish standard values for normal joint kinematics, which can serve as a reference for identifying abnormal gait patterns.
Methods
In this study, seven healthy adult Merino female sheep, aged between 5 and 6 years and weighing between 40 and 60 kg (average weight 47.25 ± 4.27 kg), were utilized as experimental subjects. Each sheep underwent a veterinary examination to confirm their health status and non-pregnancy. The animals were housed at the Clinical and Veterinary Research Center of Vairão (CCIVV), where they were provided with hay, feed, and unrestricted access to water to meet their metabolic needs.
The research was part of the Bone2Move project, which focuses on developing experimental techniques and modeling methodologies for evaluating 4D implants in bone defects using an ovine model (IC&DT Project 02/SAICT/2017). Ethical considerations were paramount throughout the study, with all procedures involving the animal models receiving prior approval from the Organismo para o Bem Estar Animal (ORBEA) at ICBAS-UP (Projeto 2880/2015), ensuring the welfare of the animals was maintained during the experiments.
Discussion
In the discussion section, the research highlights the complexity of quadrupedal locomotion, particularly in sheep, emphasizing the significance of kinematic parameters such as gait patterns, cycle duration, and joint angles. Quadrupeds exhibit various symmetrical and asymmetrical gaits, with sheep demonstrating a lateral-sequence walk. The study categorizes gait phases into stance and swing, detailing the temporal dynamics of limb movements and introducing additional parameters like F lag, H lag, and P lag to characterize gait patterns more comprehensively. The findings indicate that the stance phase constitutes approximately 60% of the gait cycle, aligning with previous literature on sheep biomechanics.
The methodology employed for data collection involved motion capture technology, which facilitated the analysis of kinematic parameters and joint angular displacements. The results revealed specific gait cycle durations and phase distributions for both hindlimbs and forelimbs, with notable similarities to human gait patterns. The study also underscores the potential of sheep as an experimental model for orthopedic research, particularly in understanding musculoskeletal pathologies and evaluating therapeutic interventions. The integration of kinematic data with kinetic parameters and electromyography is suggested for a more holistic understanding of locomotion, which could enhance the assessment of functional recovery in clinical settings. Overall, the research contributes valuable insights into the biomechanics of sheep gait, paving the way for future studies on pathological conditions and treatment efficacy.