{pt=Matching of a Hierarchical Muscle Fatigue Model with Subject-specific Endurance Times} {} EVALUATED

Detalhes: {pt=Este estudo tem como objectivo primordial a implementação de um módulo de recrutamento hierárquico num modelo de fadiga muscular periférica (PMF) existente num ambiente de dinâmica multicorpo. O modelo hierárquico pretende simular o recrutamento dos diferentes tipos de unidades motoras (MU), representando macroscopicamente o fenómeno de contracção muscular durante longos períodos de tempo. A PMF é modelada com um sistema de controlo tri-compartimentado, definindo a evolução temporal do estado de fadiga duma dada MU. Este sistema está incluído numa estrutura em pilha LIFO que modela o recrutamento hierárquico de cada MU. A implementação do modelo num ambiente de sistema multicorpo permite, em dinâmica inversa, a simulação do desenvolvimento de PMF sabendo a cinemática de uma certa tarefa. Incluir a estrutura muscular na formulação de dinâmica multicorpo origina um sistema indeterminado, cuja indeterminação está relacionada com a questão da redundância muscular. Para resolver o sistema, é utilizado um algoritmo de optimização SQP. Foram adquiridos dados experimentais num laboratório de biomecânica de forma a determinar tempos de resistência máximos (MET) ao nível do cotovelo em 10 sujeitos diferentes (5 homens; 5 mulheres). Combinando os dados experimentais com um modelo musculoesquelético do membro superior, propôe-se um algoritmo de model matching. Após aplicação deste algoritmo, os dados experimentais fora comparados com dados sintéticos. Ambos mostraram o comportamento espectável de solicitação e decaimento de força muscular. O trabalho é concluído com um algoritmo para estimar o rácio entre os diferentes tipos de MU, cujos resultados determinam uma solução óptimal para os MET., en=The main objective of this study is to implement a hierarchical recruitment module into an existing muscle fatigue model in a multibody dynamics environment. The hierarchical model aims to mimic the physiological recruitment of different muscle fibres, thus providing a macroscopic representation of the phenomena of muscle contraction over long periods of time. Muscle fatigue is modelled with a three-compartment controlled system, which estimates how a given muscle motor unit fatigue state develops accordingly to the multibody system dynamics. The three-compartment system is included in a last-in-first-out stack system that models the hierarchical recruitment of each motor unit. Implementing the model in a multibody dynamics environment enables, in an inverse dynamics perspective, the simulation of muscle fatigue development knowing the kinematics of a given task. Including muscular structure in the multibody dynamics formulation originates an underconstrained system. This fact is related to the muscular redundancy problem, which is overcome using an SQP optimization algorithm. Experimental data were acquired in a biomechanics laboratory in order to determine maximal endurance times (MET) for 10 different subjects (5 males; 5 females) at the elbow joint level. With the combination of the acquired data and an upper extremity musculoskeletal model, a model matching algorithm is proposed. With this model matching algorithm, experimental data were compared to simulated data. Both revealed an expected behaviour regarding muscle solicitation and decay due to fatigue. This work concludes with a fibre share estimation algorithm whose results determine an optimal solution for matching MET.}

Discussão: novembro 28, 2012, 16:0

Orientação

AUTOR

João António Sobral Leite Veiga (ist158757)

CO-ORIENTADOR

Mamede de Carvalho

Universidade de Lisboa - Faculdade de Medicina

Professor Catedratico

ORIENTADOR

Miguel Pedro Tavares da Silva

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Auxiliar