Neuromusculoskeletal Human Multibody Models for the Gait of Healthy and Spinal-Cord-Injured Subjects
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http://hdl.handle.net/2183/24798Coleccións
- Teses de doutoramento [2150]
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Neuromusculoskeletal Human Multibody Models for the Gait of Healthy and Spinal-Cord-Injured SubjectsTítulo(s) alternativo(s)
Modelos multicuerpo del sistema neuromusculoesquelético humano para la marcha de sujetos sanos y lesionados medularesAutor(es)
Director(es)
Cuadrado Aranda, Francisco JavierLugrís-Armesto, Urbano
Data
2020Resumo
[Abstract] Spinal-cord-injured (SCI) subjects with some level of hip actuation but with no
or very weak actuation at knee and ankle levels can often walk with the assistance
of knee-ankle-foot orthoses (KAFO) and crutches. However, since knees are kept
extended at all times, even during the swing phase, gait becomes very uncomfortable
as the hip must be raised for the swing, thus leading to a high energetic cost
which makes fatigue appear quickly. Moreover, the use of crutches leads to high
loads in some joints, particularly shoulders, which may produce injuries in the long
term. The result is that many patients prefer to use the wheelchair, thus losing the
bene ts of walking for rehabilitation and for their general health state. To alleviate
these problems, active orthoses have been proposed that detect swing intention
and launch a knee
exion-extension cycle, thus approaching healthy gait, which can
make gait more comfortable and increase the actual chances of walking for users.
Some magnitudes, as joint reactions or energetic cost, may serve as indicators to
evaluate the e ect of assistive devices in a speci c user and, hence, the likeliness of
their actual use in the long term. The combined use of motion-force-EMG capture
and personalized neuromusculoskeletal models enables to estimate the mentioned
magnitudes, without the need for long and tiring experimental tests which could
hardly be undergone by these subjects. Therefore, the present work is devoted, on
the one hand, to review, select, adapt, improve and/or develop, and validate, all the
necessary methods and tools which are required for this purpose: (i) personalized
musculoskeletal models; (ii) methods for analysis at skeletal and musculoskeletal
levels; (iii) methods for energetic cost estimation. And, on the other hand, to apply
them to two SCI subjects, bilateral and unilateral, respectively, and to compare a
new active KAFO with a conventional passive one. Results show that the evaluation
of device impact through the mentioned indicators is e ective, and that the
new active system objectively streamlines walking to users. [Resumo]
Os lesionados medulares con algunha capacidade de actuación en cadeira pero
con pouca ou nula capacidade de actuación en xeonllo e nocello, poden en moitos
casos cami~nar coa axuda de orteses de xeonllo-nocello-p e e muletas. Con todo, dado
que os xeonllos se mante~nen estendidos en todo momento, mesmo durante a fase de
abalo, a marcha resulta moi inc omoda, pois a cadeira debe levantarse para permitir
o abalo da perna, o que sup on un alto custo enerx etico que fai aparecer a fatiga
rapidamente. Ademais, o uso de muletas produce cargas elevadas nalgunhas articulaci
ons, especialmente nos ombreiros, o que pode xerar lesi ons a longo prazo. O
resultado e que moitos pacientes pre ren usar a cadeira de rodas, perdendo as os
bene cios de cami~nar para a s ua rehabilitaci on e para o seu estado de sa ude xeral.
Para paliar estes problemas, propux eronse orteses activas que detectan a intenci on
de dar o paso e lanzan un ciclo de
exi on-extensi on de xeonllo, aproximando as a
marcha normal, o que pode facer a marcha m ais c omoda e aumentar as posibilidades
reais de cami~nar para os usuarios. Algunhas magnitudes, como as reacci ons nas articulaci
ons ou o custo enerx etico, poden servir como indicadores para avaliar o efecto
dos dispositivos de asistencia nun usuario espec co e, polo tanto, a probabilidade do
seu uso real a longo prazo. O uso combinado da captura de movemento-forza-EMG
e os modelos neuromusculoesquel eticos personalizados permite estimar as magnitudes
mencionadas, sen a necesidade de longas e esgotadoras probas experimentais
que di cilmente poder an afrontar estes pacientes. Polo tanto, o presente traballo
est a dedicado, por unha banda, a revisar, seleccionar, adaptar, mellorar e/ou desenvolver,
e validar, todos os m etodos e ferramentas necesarios que se requiren para este
prop osito: (i) modelos m usculoesquel eticos personalizados; (ii) m etodos de an alises a
nivel esquel etico e musculoesquel etico; (iii) m etodos de estimaci on de custo enerx etico.
E, doutra banda, a aplicalos a dous lesionados medulares, bilateral e unilateral,
respectivamente, e a comparar unha nova ortese activa cunha pasiva convencional.
Os resultados mostran que a avaliaci on do impacto do dispositivo a trav es dos indicadores
mencionados e efectiva, e que o novo sistema activo facilita certamente
cami~nar aos usuarios. [Resumen] Los lesionados medulares con alguna capacidad de actuaci on en cadera pero con
poca o nula capacidad de actuaci on en rodilla y tobillo, pueden en muchos casos
caminar con la ayuda de ortesis de rodilla-tobillo-pie y muletas. Sin embargo, dado
que las rodillas se mantienen extendidas en todo momento, incluso durante la fase
de balanceo, la marcha resulta muy inc omoda, pues la cadera debe levantarse para
permitir el balanceo de la pierna, lo que conlleva un alto coste energ etico que hace
aparecer la fatiga r apidamente. Adem as, el uso de muletas produce cargas elevadas
en algunas articulaciones, especialmente en los hombros, lo que puede generar
lesiones a largo plazo. El resultado es que muchos pacientes pre eren usar la silla
de ruedas, perdiendo as los bene cios de caminar para su rehabilitaci on y para su
estado de salud general. Para paliar estos problemas, se han propuesto ortesis activas
que detectan la intenci on de dar el paso y lanzan un ciclo de
exi on-extensi on
de rodilla, aproximando as la marcha normal, lo que puede hacer la marcha m as
c omoda y aumentar las posibilidades reales de caminar para los usuarios. Algunas
magnitudes, como las reacciones en las articulaciones o el coste energ etico, pueden
servir como indicadores para evaluar el efecto de los dispositivos de asistencia en un
usuario espec co y, por lo tanto, la probabilidad de su uso real a largo plazo. El uso
combinado de la captura de movimiento-fuerza-EMG y los modelos neuromusculoesquel
eticos personalizados permite estimar las magnitudes mencionadas, sin la
necesidad de largas y agotadoras pruebas experimentales que dif cilmente podr an
afrontar estos pacientes. Por lo tanto, el presente trabajo est a dedicado, por un
lado, a revisar, seleccionar, adaptar, mejorar y/o desarrollar, y validar, todos los
m etodos y herramientas necesarios que se requieren para este prop osito: (i) modelos
m usculoesquel eticos personalizados; (ii) m etodos de an alisis a nivel esquel etico
y musculoesquel etico; (iii) m etodos de estimaci on de coste energ etico. Y, por otro
lado, a aplicarlos a dos lesionados medulares, bilateral y unilateral, respectivamente,
y a comparar una nueva ortesis activa con una pasiva convencional. Los resultados
muestran que la evaluaci on del impacto del dispositivo a trav es de los indicadores
mencionados es efectiva, y que el nuevo sistema activo facilita ciertamente caminar
a los usuarios. [Resume]
Les personnes sourant d'une lesion medullaire conservant une bonne mobilite au
niveau de la hanche mais ayant une mobilite nulle ou tres faible au niveau du genou et
de la cheville ont la possibilite de marcher avec l'aide d'ortheses de genou-chevillepied
et de bequilles. Cependant, comme les genoux sont maintenus en extension
tout au long du cycle de marche, m^eme pendant la phase du swing, le mouvement
de marche devient tr es inconfortable car il demande une el evation additionnelle du
bassin durant le swing, entra^ nant ainsi un co^ut energ etique elev e qui fait appara^ tre
rapidement la fatigue. De plus, l'utilisation de b equilles entra^ ne des charges elev ees
dans certaines articulations, en particulier les epaules, susceptibles de provoquer
des blessures a long terme. Il en r esulte que de nombreux patients pr ef erent utiliser
leur fauteuil roulant, perdant ainsi les avantages de la marche pour leur r e education
et leur etat de sant e g en eral. A n d'att enuer ces probl emes, des orth eses actives
ont et e propos ees pour d etecter la phase du swing et lancer un cycle de
exionextension
du genou, simulant ainsi le mouvement normal d'une personne saine, ce
qui peut rendre la d emarche plus confortable et augmenter les chances r eelles de
marcher pour les utilisateurs. Certaines grandeurs, telles que les forces de r eaction
des articulations ou le co^ut energ etique peuvent servir d'indicateurs pour evaluer
l'e et des dispositifs d'assistance sur un utilisateur sp eci que et, par cons equent, la
probabilit e de son utilisation r eelle a long terme. L'utilisation combin ee de la capture
de mouvement, de forces et d'EMG et de mod eles neuromusculosquelettiques
personnalis es permet d'estimer les grandeurs mentionn ees, sans recourir a des tests
exp erimentaux longs et fatigants que ces sujets pourraient di cilement r ealiser. Par
cons equent, le pr esent travail est consacr e, d'une part, a examiner, s electionner,
adapter, am eliorer et/ou d evelopper et valider toutes les m ethodes et tous les outils
n ecessaires a cet e et : (i) mod eles musculosquelettiques personnalis es ; ii) m ethodes
d'analyse aux niveaux squelettique et musculosquelettique ; (iii) m ethodes d'estimation
des co^uts energ etiques. Et, d'autre part, de les appliquer a deux sujets atteints
d'une l esion m edullaire, bilat erale pour l'un, et unilat erale pour le second, et de comparer
une nouvelle orth ese active avec une originale, passive. Les r esultats montrent
que l' evaluation de l'impact du dispositif a l'aide des indicateurs mentionn es est e -
cace et que la nouvelle orth ese active o re objectivement des facilit es pour marcher
aux utilisateurs.
Palabras chave
Biomecánica
Ortesis
Lesiones músculo-esqueléticas
Fuerza muscular
Ortesis
Lesiones músculo-esqueléticas
Fuerza muscular
Descrición
Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Naval e Industrial. 5015V01
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