Neuromusculoskeletal Human Multibody Models for the Gait of Healthy and Spinal-Cord-Injured Subjects

Abstract

[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.