Development of a two-dimensional biomechanical multibody model for the analysis of the human gait with an ankle-foot orthosis

Abstract

Ankle-foot orthoses are orthotic devices that support the ankle joint and are appropriate for several pathologies, mostly the ones that cause dropfoot, which is caused by an ankle joint deficiency. In the present work, a planar multibody model of the human body in the sagittal plane was developed. For this purpose, the MOBILE computational program was utilized. The model simulates the lower limbs and is made of 9 rigid bodies. It has 12 DOFs and is prepared for reproducing kinematic data acquired in a gait lab. Kinematic measurements were obtained in a gait lab from a healthy subject, with and without plastic ankle foot orthoses worn on both feet. The results obtained showed that with the orthoses, the ankle joint behavior is similar to a linear torsional spring, with almost no hysteresis. Ankle kinematics, measured in the gait lab with and without orthoses, were successfully reproduced by forward dynamics using the multibody model developed, which allows for the validation of the presented approach. Furthermore, it was concluded that ankle foot orthoses can be modeled as a spring element acting at the ankle joint, and the use of an ankle foot orthosis reduces the muscle activation at the ankle in about 15%.

Knöchel-Fuß-Orthesen sind orthopädische Geräte, die das Sprunggelenk zu unterstützen und sind für verschiedene Erkrankungen, vor allem diejenigen, die dropfoot, die von einer Sprunggelenks-Mangel verursacht wird dazu führen, angemessen. In der vorliegenden Arbeit wurde ein planarer Multibody Modell des menschlichen Körpers in der Sagittalebene entwickelt. Zu diesem Zweck wurde das MOBILE Rechenprogramm verwendet. Das Modell simuliert die unteren Extremitäten und wird von 9 starren Körpern. Es verfügt über 12 Freiheitsgrade und ist für die Wiedergabe kinematische Daten in einer Ganglabors erworbenen vorbereitet. Kinematische Messungen wurden in einem Ganglabors von einer gesunden Person erhalten, mit und ohne Kunststoff Sprunggelenk Orthesen an beiden Füßen getragen. Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass mit den Orthesen, das Sprunggelenk Verhalten ähnlich einer linearen Torsionsfeder ist, fast ohne Hysterese. Knöchel Kinematik, in der Ganglabors mit und ohne Orthesen gemessen wurden erfolgreich von Vorwärtsdynamikanalyse Verwendung der Multibody Modell entwickelt, das für die Validierung der dargebotenen Ansatz ermöglicht reproduziert. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass Sprunggelenk Orthesen als Feder wirkende Element am Sprunggelenk modelliert werden können, und die Verwendung eines Fußheberorthese verringert die Muskelaktivität am Knöchel in etwa 15%.

As ortóteses do tornozelo são dispositivos ortopédicos que apoiam a articulação do tornozelo e são indicados para uma variedade de patologias, nomeadamente as que causam pé pendente, que é uma deficiência na mobilidade do tornozelo. No presente trabalho, um modelo multibody planar do corpo humano no plano sagital foi criado. Para tal, o software MOBILE foi usado. O modelo simula os membros inferiores e é composto por nove corpos rígidos. Possui 12 graus de liberdade e está preparado para usar dados cinemáticos adquiridos num laboratório de análise da marcha humana como restrições de guiamento. Dados cinemáticos foram obtidos num laboratório de análise da marcha humana, a partir de um indivíduo saudável, com e sem ortóteses plásticas em ambos os pés. Os resultados mostraram que, com a ortótese, o comportamento da articulação do tornozelo é semelhante a uma mola de torção linear, praticamente sem histerese. Os dados cinemáticos do tornozelo, medidos no laboratório de marcha, com e sem ortótese, foram reproduzidos com sucesso por uma dinâmica direta, utilizando o modelo multibody desenvolvido, o que validou a abordagem utilizada. Todas as metodologias encontram-se descritas e explicadas nesta tese e concluiuse que a ortóteses do tornozelo podem ser modeladas como uma mola de torsão que actua na articulação do tornozelo. Concluiu-se também que a utilização de uma ortótese do tornozelo por uma pessoa saudável reduz a activação muscular do mesmo em cerca de 15%.