Dissertação

{pt_PT=Validation of a lower-limb musculoskeletal model for the estimation of hip joint contact forces using an energy-based cost function} {} EVALUATED

{pt=A presente dissertação determina as condições de carga musculosquelética, durante a marcha, para dois pacientes e compara esses resultados com dados medidos in vivo e com a literatura. No contexto de dinâmica multicorpo, é apresentado um modelo biomecânico tridimensional para o membro inferior com base num conjunto de dados. O modelo biomecânico consiste numa representação do membro inferior para a análise do movimento do corpo humano, com pequena influência dos membros superiores. As articulações anatómicas são aproximadas a juntas mecânicas e os músculos são incluídos no sistema como atuadores. Uma análise de marcha é realizada utilizando dados cinemáticos e cinéticos de dois pacientes implantados com próteses de anca instrumentadas, que medem forças in vivo. As forças musculares e de contato nas juntas são calculadas utilizando otimização de dinâmica inversa. O problema indeterminado da redundância muscular é resolvido utilizando otimização estática. A otimização consiste na minimização de uma função objetivo que representa um critério fisiológico. A contribuição relativa dos termos presentes na função objetivo utilizada, baseada no consumo energético muscular, é avaliada com base nas forças de contato medidas in vivo. A contribuição de cada termo é discutida de forma a que a otimização permita o cálculo de forças de contacto o mais próximo do in vivo possível. As forças e ativações musculares são também avaliadas e comparadas com a literatura. A comparação tem como objetivo avaliar o desempenho do modelo biomecânico e identificar quais são as alterações a realizar para obter previsões mais corretas das forças de contato na anca., en=The present dissertation aims to determine the musculoskeletal loading conditions during gait motion for two studied patients and compare these findings with in vivo data and literature. In a context of multibody dynamics, a three-dimensional biomechanical model for the lower limb based on a comprehensive dataset is presented. The biomechanical model consists in a lower limb representation for human motion analysis with small influence of the upper limbs. The anatomical articulations are approximated by ideal mechanical joints and the muscles are included in the system as two-point actuators. A gait analysis is conducted using the kinematic and kinetic data for two patients using instrumented hip prosthesis that measure in vivo forces. The muscle and joint contact forces are calculated using inverse dynamic optimization. A static optimization technique is used to find the solution for the redundant muscle force sharing problem. The optimization consists on the minimization of a cost function that represents a physiological criterion. The relative contribution of the energy-related terms included in the energy-based criterion is evaluated by using the in vivo measurements of hip contact forces. The contribution of each term is discussed so that the optimization can lead to a closer match between the obtained forces and the experimental measurements. The muscle forces and activations patterns are also evaluated and compared with literature. This comparison attempts to evaluate the accuracy of the biomechanical model and to identify what alterations can be made to obtain more accurate predictions of hip contact forces. }
{pt=Modelo Musculoesquelético, Forças de Contacto na Anca, Dinâmica Inversa, Taxa de Energia Metabólica, Critério de Otimização, Análise de Marcha., en=Musculoskeletal Model, Hip Contact Forces, Inverse Dynamics, Metabolic Energy Rate, Optimization Criteria, Gait Analysis.}

Dezembro 4, 2019, 14:0

Orientação

ORIENTADOR

Carlos Miguel Fernandes Quental

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Auxiliar Convidado

ORIENTADOR

Jorge Alberto Cadete Ambrósio

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Catedrático