Development of an advanced multibody musculoskeletal model of the human movement to improve device-assisted gait: application to mobility solutions

Abstract

A biomecânica do movimento humano é uma área de investigação multidisciplinar que envolve o estudo dos aspetos mecânicos do corpo humano e o impacto que as forças têm no movimento dos segmentos anatómicos. A utilização de ferramentas computacionais para compreender o comportamento dinâmico do movimento humano tem vindo a aumentar devido à vasta gama de aplicações existentes para melhorar o desempenho humano ou tratar lesões. O conhecimento deste tópico pode fornecer opções promissoras para o desenvolvimento de dispositivos auxiliares adaptados às necessidades dos pacientes. O relatório de 2022 da Organização Mundial de Saúde (OMS) e do Fundo das Nações Unidas para a Infância (UNICEF) estima que mais de 2,5 mil milhões de pessoas em todo o mundo utilizam um ou mais dispositivos auxiliares, prevendo-se que este número aumente para 3,5 mil milhões em 2050. Para além disso, a utilização incorreta e prolongada de dispositivos auxiliares tem consequências prejudiciais para os doentes, incluindo o desenvolvimento de problemas de saúde secundários. Assim, este trabalho utiliza ferramentas computacionais para desenvolver um modelo multicorpo musculoesquelético avançado do movimento humano para investigar a marcha assistida por dispositivos. São desenvolvidas várias metodologias no âmbito do contexto de sistemas multicorpo para atingir o objetivo pretendido. É apresentada uma nova formulação para o complexo articular do tornozelo, que utiliza uma junta universal modificada incorporada com um massless link. É também proposta uma metodologia para restringir a amplitude de movimento das articulações. Momentos de resistência são aplicados aos corpos para reproduzir o comportamento dissipativo dos materiais que constituem as juntas e para evitar configurações inaceitáveis dos corpos. Dados experimentais do movimento humano foram adquiridos no Laboratório de Biomecânica de Lisboa e a formulação de cinco guiamentos, desenvolvidos para guiar os graus de liberdade de sistemas biomecânicos multicorpo, é explicada em pormenor. A modelação computacional dos músculos esqueléticos humanos foi conseguida utilizando uma variante do modelo de Hill, que é composto por um elemento contrátil ativo organizado em paralelo com um elemento elástico. A dinâmica da contração muscular e os procedimentos de otimização são descritos. São desenvolvidos dois modelos tridimensionais biomecânicos multicorpo do corpo humano, que diferem na complexidade da articulação do ombro. Colaborações com o Centro de Reabilitação do Norte e a ORTHOS XXI foram estabelecidas para reforçar o trabalho computacional relacionado com a marcha assistida por dispositivos auxiliares. Foram também adquiridos dados experimentais deste tipo de marcha. De acordo com as conclusões da revisão da literatura realizada neste trabalho, são investigadas várias abordagens para analisar as interações dispositivo-modelo e dispositivo-solo. Todas as metodologias propostas neste trabalho são integradas num caso de aplicação final para validação.

Biomechanics of human motion is a multidisciplinary field of investigation that involves the study of the mechanical aspects of the human body and the impact that forces have on the movement of the anatomical segments. The use of computational tools to understand the dynamic behavior of the human movement has been rising due to the wide range of applications to improve the human performance or to treat injury. The knowledge on this topic may provide promising options for the development of assistive devices tailored to the needs of patients. The 2022 report of the World Health Organization (WHO) and the United Nations Children’s Fund (UNICEF) estimates that more than 2.5 billion people globally use one or more assistive devices, and this number is expected to rise to 3.5 billion in 2050. In addition, the incorrect and prolonged use of assistive devices has harmful consequences for patients, including the onset of secondary health conditions. Hence, this work uses computational tools to develop an advanced multibody musculoskeletal model of the human movement to investigate device-assisted gait. Several methodologies are developed within the framework of multibody systems to achieve the intended aim. A new formulation for the ankle joint complex is presented, which uses a modified universal joint incorporated with a massless link. A methodology to restrict the range of motion of joints is also proposed. Joint resistance moments are applied to the connected bodies to mimic the dissipative behavior of the joint materials and to prevent unacceptable configurations of the bodies. Experimental data of the human movement was acquired at the Lisbon Biomechanism Laboratory and the formulation of five different driving constraints developed to guide the degrees-of-freedom of biomechanical multibody systems is explained in detail. The computational modeling of the human skeletal muscles is achieved by using a variant of the Hill model, which is composed of an active contractile element arranged in parallel with an elastic element. The muscle contraction dynamics and optimization procedures are described. Two three-dimensional biomechanical multibody models of the human body are developed, which differ in the complexity of the shoulder joint. Collaborations with Centro de Reabilitação do Norte and ORTHOS XXI were established to strengthen the computational work on device-assisted gait. Experimental data of assisted gait was also acquired. According to the findings of the literature review conducted on this thesis, several approaches to deal with the device-model and device-ground interactions are investigated. All methodologies proposed in this work are integrated into a final application case for validation.