Analysis of the in vivo measured loads in the hip joint for weight-bearing activities with and without exoskeletons

Abstract

A articulação da anca desempenha um papel fundamental na locomoção humana, dado que suporta cargas elevadas e proporciona uma grande amplitude de movimento. No entanto, esta é propensa a patologias que podem levar à perda da sua função. As atividades que envolvem levantamento de peso são típicas na vida quotidiana das pessoas e em particular dos trabalhadores no local de trabalho. Se executadas de forma incorreta ou repetitiva, podem causar stress na articulação da anca e levar a lesões músculo-esqueléticas que diminuem significativamente a qualidade de vida. Os exoesqueletos são considerados uma solução viável para fornecer apoio físico nestas situações. Todavia, ainda é necessária uma maior investigação para compreender com exatidão quão eficazes são estes dispositivos. A presente dissertação propõe a investigação de um exoesqueleto passivo, Paexo Back da Ottobock, e um exoesqueleto ativo, Cray X da German Bionic. Para este fim, procedeu-se à medição das cargas in vivo na articulação da anca durante atividades com levantamento de peso, com e sem os exoesqueletos supramencionados. Foram registados os dados cinemáticos da anca e recolhido o padrão individual da atividade muscular elétrica ao redor da articulação da anca. Um grupo de cinco sujeitos com um implante total da anca instrumentado voluntariou-se para participar neste estudo. Os resultados mostraram uma diminuição do ângulo da anca com a utilização de ambos os exoesqueletos, contudo não se verificou nenhuma tendência na ativação muscular dos músculos gluteus medius, gluteus maximus, rectus femoris e tensor fascia latae. Quanto às cargas articulares da anca medidas in vivo, a Força Resultante e o Momento Fletor parecem diminuir com o uso dos exoesqueletos, mas nenhuma tendência foi observada no Momento Torsor. O método da regressão linear utilizado para verificar a correlação entre os dados in vivo e o ângulo da anca não mostrou resultados estatisticamente significativos. Em conclusão, ambos os exoesqueletos são promissores na redução das cargas na articulação da anca, embora sejam necessárias mais medições para fazer afirmações aprofundadas.

The hip joint plays a key role in human locomotion, as it can support heavy loads and provides a wide range of motion. However, it is prone to pathologies that can lead to a loss of its function. Weight-bearing activities are typical in people's daily lives and in particular for workers in the workplace. If performed incorrectly or repeatedly, they can cause stress on the hip joint and lead to musculoskeletal injuries, which significantly diminish the quality of life. Exoskeletons are considered a viable solution to provide physical support in these situations. Nonetheless, more research is still needed to understand exactly how effective these devices are. The present dissertation proposes the investigation of a passive exoskeleton, Paexo Back by Ottobock, and an active exoskeleton, Cray X by German Bionic. For this purpose, the aim was to measure the in vivo hip joint loads during weight-bearing activities, with and without the aforementioned exoskeletons. Kinematic data of the hip were recorded and the individual pattern of electrical muscle activity around the hip joint was collected. A group of five subjects with an instrumented total hip implant volunteered to participate in this study. The results showed a decrease in the hip angle with the use of both exoskeletons, however, no trend in muscle activation of the gluteus medius, gluteus maximus, rectus femoris and tensor fascia latae muscles was verified. As for the in vivo hip joint loads, the Resultant Force and the Bending Moment tended to decrease with the use of the exoskeletons, but no trend was observed for the Torsion Torque. The linear regression method used to ascertain the correlation between the in vivo data and the hip angle did not yield statistically significant results. In conclusion, both exoskeletons are promising in reducing the loads on the hip joint, although further measurements are needed to make more in-depth statements.