Desarrollo de un Marco de Simulación de Marcha Musculoesquelética de Elementos Finitos de Extremidades Inferiores Impulsado Solemente por Sensores de Medición Inercial
Autores: Wang, Sentong; Hase, Kazunori; Ota, Susumu
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2021
Acceso abierto
Artículo científico
2021
Desarrollo de un Marco de Simulación de Marcha Musculoesquelética de Elementos Finitos de Extremidades Inferiores Impulsado Solemente por Sensores de Medición Inercial
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Bioingeniería
Palabras clave
Elemento finito
Musculoesquelético
Articulación de la rodilla
Investigaciones biomecánicas
Fuerzas musculares
Sensores de unidad de medida inercial
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 25
Citaciones: Sin citaciones
Los enfoques de elementos finitos musculoesqueléticos (FEMS) que utilizan modelos musculoesqueléticos y de elementos finitos concurrentes impulsados por datos de movimiento, como la trayectoria de movimiento basada en marcadores, pueden proporcionar información sobre las interacciones entre la cinemática secundaria de la articulación de la rodilla, la mecánica de contacto y las fuerzas musculares en investigaciones biomecánicas específicas del sujeto. Sin embargo, estos sistemas FEMS impulsados por datos tienen una gran desventaja que los hace difíciles de aplicar en entornos clínicos, es decir, requieren equipos costosos e inconvenientes para la adquisición de datos. En este estudio, desarrollamos un modelo FEMS de la extremidad inferior impulsado únicamente por sensores de unidad de medida inercial que incluyen las geometrías de los tejidos de toda la articulación de la rodilla y que combinan el modelado de 16 músculos en un solo marco. El modelo requiere solo las velocidades angulares y aceleraciones medidas por los sensores como entrada. Las salidas objetivo (mecánica de contacto de la rodilla, cinemática secundaria y fuerzas musculares) se predicen a partir de los resultados de convergencia de cálculos iterativos de optimización de la fuerza muscular y mecánica de contacto de la rodilla. Para evaluar su precisión, el modelo se comparó con datos experimentales in vivo durante la marcha. La presión de contacto máxima (11.3 MPa) ocurrió en el lado medial del cartílago en la respuesta máxima de carga. El marco desarrollado combina la conveniencia de la medición y un modelado preciso, y muestra promesas para aplicaciones clínicas destinadas a comprender la biomecánica específica del sujeto.
Descripción
Los enfoques de elementos finitos musculoesqueléticos (FEMS) que utilizan modelos musculoesqueléticos y de elementos finitos concurrentes impulsados por datos de movimiento, como la trayectoria de movimiento basada en marcadores, pueden proporcionar información sobre las interacciones entre la cinemática secundaria de la articulación de la rodilla, la mecánica de contacto y las fuerzas musculares en investigaciones biomecánicas específicas del sujeto. Sin embargo, estos sistemas FEMS impulsados por datos tienen una gran desventaja que los hace difíciles de aplicar en entornos clínicos, es decir, requieren equipos costosos e inconvenientes para la adquisición de datos. En este estudio, desarrollamos un modelo FEMS de la extremidad inferior impulsado únicamente por sensores de unidad de medida inercial que incluyen las geometrías de los tejidos de toda la articulación de la rodilla y que combinan el modelado de 16 músculos en un solo marco. El modelo requiere solo las velocidades angulares y aceleraciones medidas por los sensores como entrada. Las salidas objetivo (mecánica de contacto de la rodilla, cinemática secundaria y fuerzas musculares) se predicen a partir de los resultados de convergencia de cálculos iterativos de optimización de la fuerza muscular y mecánica de contacto de la rodilla. Para evaluar su precisión, el modelo se comparó con datos experimentales in vivo durante la marcha. La presión de contacto máxima (11.3 MPa) ocurrió en el lado medial del cartílago en la respuesta máxima de carga. El marco desarrollado combina la conveniencia de la medición y un modelado preciso, y muestra promesas para aplicaciones clínicas destinadas a comprender la biomecánica específica del sujeto.