Development of a force scaling method for upper body musculoskeletal models to estimate muscle fatigue

Abstract

A acumulação de fadiga física resultante da execução de tarefas que obrigam à aplicação de forças intensivas durante longos períodos é um fator de risco grave para as lesões musculoesqueléticos relacionadas com o trabalho (LMERT), resultando numa debilitação e absentismo dos trabalhadores a longo prazo, perda de produtividade e piores ambientes de trabalho [1,2,3]. Tipicamente a fadiga é estimada utilizando sensores de Eletromiografia (EMG) que ainda que precisos, apresentam a desvantagem de serem intrusivos e a sua colocação necessita do conhecimento prévio da anatomia humana [4]. Uma possível abordagem é o desenvolvimento de um modelo músculo-esquelético que permita a estimação de fadiga a partir de informação cinemática. Para tal, é necessária a criação de um modelo músculo-esquelético específico ao utilizador, ajustando tanto as propriedades geométricas como as de força [5]. O dimensionamento das propriedades de força e respetivos procedimentos são em geral pouco abordados, em particular para modelos de membros superiores, pelo que esta dissertação tem como objetivo o desenvolvimento e validação de um método preciso e prático para dimensionar a força de um modelo músculo-esquelético de corpo superior. Utilizando o software open-source OpenSim, foi estudada a influência de várias abordagens de dimensionamento de força na exatidão da ativação muscular prevista pela simulação. Foram recolhidos dados experimentais de 5 participantes durante a realização de exercícios do membro superior, e posteriormente foi calculado o erro entre ativações estimadas e experimentais para cada método. Analisando os resultados, concluiu-se que os métodos de dimensionamento de força desenvolvidos não contribuíram significativamente para a diminuição do erro inicialmente calculado, no entanto verificou-se que o ajuste das propriedades de força do modelo influenciaram significativamente a precisão da estimativa quando foram aplicadas forças externas ao movimento.

The accumulation of physical fatigue resulting from the execution of tasks requiring the application of intensive forces over long periods is a serious risk factor for work-related musculoskeletal disorders (WMSDs), resulting in long-term debilitation and absenteeism of workers, loss of productivity, and worse working environments [1,2,3]. Typically, fatigue is estimated using Electromyography (EMG) sensors which, although accurate, have the disadvantage of being intrusive and their placement needs prior knowledge of human anatomy [4]. One possible approach is the development of a musculoskeletal model that allows fatigue estimation from kinematic information. This requires the creation of a user specific musculoskeletal model, adjusting both geometric and strength properties [5]. The scaling of force properties and approaches to perform such scaling are generally poorly addressed, particularly for upper limb models, so this dissertation aims to develop and validate an accurate and practical method for scaling the force of an upper body musculoskeletal model. Using the open-source software OpenSim, various force scaling approaches were investigated with respect to their influence on the accuracy of muscle activation predicted by the simulation. Experimental data was collected from 5 participants during execution of upper limb exercises, and then the error between estimated and experimental activations was calculated for each method. The results demonstrated that the developed force scaling methods did not contribute significantly to the decrease of the initially calculated error, however it was found that the adjustment of the model's force properties significantly influenced the estimation accuracy when external forces were applied to the movement.