Computational modelling of human lower limb for reproduction of walking dynamics with muscles: healthy and pathological cases

Abstract

A biomecânica do movimento compreende o estudo e análise do movimento realizado por seres vivos, quer seja para melhorar o seu desempenho ou prevenir e tratar lesões. O primeiro é amplamente aplicado ao estudo do desporto e ao auxílio prestado aos atletas para desempenhar um movimento pretendido. De modo a ajudar na prevenção e tratamento de lesões, a biomecânica visa providenciar conhecimento acerca das propriedades mecânicas dos tecidos humanos, das cargas mecânicas a que eles estão sujeitos durante o movimento e de terapias relacionadas com prevenção e reabilitação. Atua no sentido de auxiliar na projeção estratégias de reabilitação e dispositivos médicos de assistência. Este trabalho compreende o uso de um modelo biomecânico do membro inferior humano previamente desenvolvido por Geyer & Herr (2010). O modelo inclui a reprodução dos sistemas esquelético, muscular e neuronal humanos com o objetivo de produzir o movimento do modelo. Esta abordagem foi utilizada para estudar eventos que ocorrem a nível articular, considerando, por exemplo, a amplitude de movimento e os torques produzidos, durante uma marcha fisiológica e patológica com lesão do ligamento anterior cruzado (LAC). Esta patologia está associada a atividades, tais como o basquetebol, envolvendo mudanças rápidas na direção combinadas com aceleração e desaceleração do corpo. Estas ações causam lesões do LAC e por vezes levam à sua rutura, provocando a necessidade de procedimentos de reabilitação e cirúrgicos para melhorar a qualidade de vida dos pacientes. Para o modelo biomecânico saudável, considerando os ângulos das juntas, os resultados apresentam uma concordância muito boa com a literatura. Os dados cinéticos demonstram algumas semelhanças, bem como discrepâncias. O torque da articulação do tornozelo é o que mais se aproxima da literatura, enquanto que o torque da anca e do joelho apresentam diferenças tanto em magnitude (maior do que o esperado), como em forma. Os padrões de ativação muscular também apresentam diferenças quando comparados com a literatura. Sugestões são dadas para minimizar estas ocorrências. A implementação da patologia consistiu na diminuição do torque produzido pelos músculos (quadríceps e hamstrings) afetados pela lesão do ligamento anterior cruzado após reconstrução cirúrgica. A variável mais próxima da literatura é a força vertical de reação com o solo, enquanto que os restantes dados cinéticos diferem. Sugestões são dadas de forma a equivaler mais os resultados com a literatura.

Biomechanics of movement comprises the study and analysis of the movement performed by living beings, whether by improving its performance or by preventing and treating injury. The former is extensively applied to understanding sports and to help athletes performing a desired movement. In order to help preventing and treating injury, biomechanics aims at providing knowledge on the mechanical properties of human tissues, the mechanical loads they feel during movement, and on therapies related to prevention and rehabilitation. It acts to help design rehabilitation procedures and assistive medical devices. This work comprises the use of a biomechanical model of the human lower limb previously developed by Geyer & Herr (2010). The model possesses the reproduction of the human skeletal, muscular and neural systems in order to produce the model’s movement. This approach was used to study the events occurring at joint level, regarding, for instance, its range of motion and produced torques, during physiological and anterior cruciate ligament (ACL) pathological gait. This gait pathology is associated with activities, such as basketball, involving rapid changes in direction combined with acceleration and deceleration of the body. These actions cause ACL injuries and sometimes lead to its rupture, provoking the need for surgical and rehabilitation procedures to improve the patient’s life quality. For the healthy biomechanical model, regarding the joints’ angles, the results present very good agreement with results found in literature. The kinetic data show some similarities, as well as discrepancies. The ankle joint torque is the closest to literature findings, whilst the hip and knee joint torque present differences both in magnitude (higher than expected) and in shape. The muscular activation patterns also present differences when compared to literature. Suggestions are made in order to minimize these occurrences. The implementation of pathology consisted in diminishing the torque produced by the muscles (quadriceps and hamstrings) affected by an anterior cruciate ligament injury after its surgical reconstruction. The variable closer to literature findings is the vertical ground reaction force, whilst the other kinetic and kinematic data differ. Suggestions are made in order to make the results more equivalent to literature.