{pt=Determination of Individual Muscle Forces using Multibody Dynamics Analysis and Experimental EMG Data} {} EVALUATED

Detalhes: {pt=Este estudo propõe um método de optimização com características fisiológicas para a quantificação de forças musculares individuais redundantes, considerando o nível de activação de músculos superficiais, obtido a partir do sinal electromiográfico. Em dinâmica inversa, foram optimizados os níveis de activação muscular experimentais e quantificados os dos restantes músculos, utilizando um software de dinâmica multicorpo. O optimizador minimiza uma função de custo proposta, constituída por dois termos distintos com pesos ajustáveis: a soma do cubo das tensões musculares individuais e o quadrado da diferença entre os níveis de activação muscular experimentais e optimizados, em cada instante de tempo. Para validar os resultados obtidos, as activações optimizadas foram usadas como input numa perspectiva de dinâmica directa, avaliando a reprodutibilidade do movimento executado. A metodologia proposta foi testada para a flexão/extensão do cotovelo, comparando o ângulo experimental do cotovelo com o resultante da dinâmica directa. Foram obtidos bons resultados para a flexão, o mesmo não se verificou na extensão, possivelmente devido a características geométricas dos principais músculos envolvidos. Os resultados obtidos para a flexão demonstram que esta metodologia permite a quantificação de forças musculares individuais redundantes já que os resultados mostram a activação de músculos medidos e não-medidos, independentemente de estes serem agonistas ou antagonistas, um resultado esperado devido aos dados experimentais. As forças musculares obtidas podem assim ser consideradas fisiologicamente válidas. A inclusão de dados experimentais na função de custo a ser minimizada providencia especificidade, em termos de indivíduos, ao modelo, encorajando a sua aplicação no estudo de casos patológicos., en=This study proposes a physiologically meaningful optimization method for the quantification of individual redundant muscles forces in a given movement using the experimental muscle activation levels of surface muscles. To do so, an activation dynamics methodology was implemented. Inverse dynamics was used to optimize experimental muscle activation levels and determine those of the remaining muscles, using multibody dynamics’ software. This optimization aimed at minimizing a proposed cost function which consists of two distinct weighted terms: the sum of the individual muscle stress cubed and the squared difference between experimental and optimized muscle activation levels in each instant of time. To validate the optimized activation levels, they were used as input to the software in a forward dynamics approach to evaluate the reproducibility of the experimental movement. An experimental protocol for the elbow flexion/extension was developed in order to test the methodology proposed. The elbow angle resultant from the optimized activation levels was compared to the experimental elbow angle. Good results were achieved for flexion, while for extension further study is needed due to muscle wrap-around. This methodology is shown to enable the quantification of individual redundant muscle forces, since results show the activation of measured and non-measured muscles, independently of whether the muscle is agonist or antagonist, a result expected from the analysis of the experimental data. Therefore, the muscle forces obtained can be considered physiologically valid. The inclusion of experimental data in the cost function to be minimized provides subject-specificity to the model, encouraging its application in pathology analysis.}

Discussão: dezembro 10, 2012, 17:0

Orientação

AUTOR

Marta Cristina Gonçalves Farracho (ist162845)

CO-ORIENTADOR

João Nuno Marques Parracho Guerra da Costa

Universidade de Lisboa - Faculdade de Medicina

Professor Auxiliar

ORIENTADOR

Miguel Pedro Tavares da Silva

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Auxiliar