E3.2 Descripción de los modelos implementados

mov-hum

E3.2 Descripción de los modelos implementados

Entregable: E3.2

Paquete de trabajo: PT3

mov-hum 3

©


ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN 5

2. MODELADO DE MIEMBRO SUPERIOR 6

2.1. Planteamiento del problema y objetivos 6

2.2. Definición de los modelos 6

2.3. Materiales y métodos 7

2.3.1. Muestra de ensayo 8

2.3.2. Protocolo de ensayo 9

2.3.3. Procesado de datos 12

2.4. Resultados modelos miembro superior 14

3. MODELADO DE MIEMBRO INFERIOR 20

3.1. Descripción del modelo 20

3.2. Adaptación del modelo para la interacción con producto 24

3.2.1. Modelo de ortesis 24

3.2.2. Modelo de butaca 25

4. CONCLUSIONES 27

4.1. Modelo de miembro superior 27

4.2. Modelo de miembro inferior 27

ANEXO 1 28

ANEXO 2 31


5 | 31

1. INTRODUCCIÓN

Este entregable recoge la información sobre los modelos biomecánicos implementados como resultado del trabajo realizado durante el desarrollo del paquete de trabajo tres (PT3). Siendo los objetivos específicos:

Ampliar el conocimiento sobre la modelización biomecánica.

Investigar los métodos analíticos más adecuados para analizar las funciones

biomecánicas asociadas a la interacción con productos de diferente índole.

Este paquete de trabajo se inició en la primera anualidad del proyecto (MOVHUM18),

durante la primera anualidad se avanzó sobre el conocimiento en modelado biomecánico y se puso a punto un modelo de miembro superior y un modelo lumbar.

Fruto de la colaboración con empresas, se identificó la necesidad de poner a punto modelos de miembro inferior parea su uso en la industria del mueble o el sector orto-protésico.

Por este motivo, en esta segunda anualidad, además de avanzar en el conocimiento sobre modelado biomecánico de miembro superior, aplicado al sector salud, se ha ampliado el estudio a miembro inferior.

Este trabajo se ha desarrollado en el marco de la Tarea 3.1 Definición de los modelos biomecánicos definida en la memoria del proyecto.

En este sentido, durante la Tarea 3.2 Desarrollo de los modelos implementados

definida en la memoria del proyecto, se ha desarrollado y puesto a punto un modelo biomecánico de miembro inferior, que será posteriormente adaptado para su uso en la industria del mueble (interacción persona - mueble), y en el sector orto-protésico

(interacción persona - ortesis).

Adicionalmente, a partir del modelo biomecánico de miembro superior, puesto a punto en la primera anualidad del proyecto, se ha verificado su correcto funcionamiento mediante una serie de ensayos.

El entregable 3.2. Descripción de los modelos implementados se ha estructurado en tres grandes bloques. En primer lugar, se presenta el trabajo relacionado con la implementación del modelo de miembro superior. En segundo lugar, se presenta la información acerca del modelo de miembro inferior. Por último, se enumeran las conclusiones obtenidas con la realización del trabajo.

6 | 31

2. MODELADO DE MIEMBRO SUPERIOR

En este apartado se presentan las tareas realizadas durante el PT3 y los resultados alcanzados en la modelización del miembro superior.

En este sentido, se ha desarrollado y validado un modelo biomecánico de codo. Además, se ha implementado un modelo de marcadores de miembro superior simplificado, que permite realizar validaciones de una forma ágil y sencilla, eliminando problemas de ocultaciones de marcadores que aparecen utilizando los modelos convencionales.

2.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y OBJETIVOS

El objetivo de este estudio es desarrollar y validar un modelo biomecánico de miembro

superior. Una vez desarrollado, se estudiará la precisión del nuevo modelo en comparación con el modelo de marcadores ‘gold standard’ (definido por la ISB) a la vez que se validará el modelo de miembro superior de OpenSim desarrollado en la primera anualidad del proyecto.

La Sociedad Internacional de Biomecánica (ISB) define el sistema de coordenadas de la articulación del codo a partir del centro de la articulación del codo (Wu et al., 2005). Esto requiere el uso de marcadores localizados en posiciones anatómicas que se ocultan en determinados movimientos, haciendo difícil su seguimiento mediante fotogrametría (como es el epicóndilo medial (EM)).

2.2. DEFINICIÓN DE LOS MODELOS

Los ejes definidos por la ISB para la articulación del codo (movimiento relativo del antebrazo al húmero) son (Figura 1):

e1: define el movimiento de flexo/extensión donde la flexión es positiva y la extensión

negativa. El vector que lo define es el producto vectorial de la línea que conecta GH e IC

(vector Yh) con la línea que conecta US e IC (vector Yf).

e3: define el movimiento de prono/supinación donde la pronación es positiva y la

supinación es negativa. El vector que lo define viene determinado por la línea que

conecta US e IC (vector Yf).

e2: el vector que lo define es el producto vectorial de e1 y e3.

Una de las posibles soluciones es la aproximación de los ejes evitando así marcadores que por su localización generan problemas de ocultaciones.

La aproximación propuesta es la sustitución de IC por EL. En este caso, la definición de

los ejes vendrá determinada por:

e1p: define el movimiento de flexo/extensión donde la flexión es positiva y la

hiperextensión negativa. El vector que lo define es el producto vectorial de la línea que

conecta GH y EL (vector Yhp) con la línea que conecta US y EL (vector Yfp).

e3p: define el movimiento de prono/supinación donde la pronación es positiva y la

supinación es negativa. El vector que lo define viene determinado por la línea que

conecta US e IC (vector Yfp).

e2p: el vector que lo define es el producto vectorial de e1p y e3p.


7 | 31

Así los puntos necesarios para la definición de ejes, así como la definición de los mismo quedarían definidos tal y como se muestra en la (Figura 2).

Figura 1. Definición de ejes para la articulación del codo por la ISB. GH (articulación glenohumeral), EL (epicóndilo

lateral), EM (epicóndilo medial), IC (centro entre EL y EM), US (estiloides cubital).

Figura 2. Definición de ejes propuesta para la articulación de codo. GH (articulación glenohumeral), EL (epicóndilo

lateral), y US (estiloides cubital).

*NOTA: El punto de la articulación glenohumeral (GH) se ha sustituido en todos los casos como el punto

acromioclavicular.

2.3. MATERIALES Y MÉTODOS

El estudio plantea la comparación de tres modelos para la obtención de los movimientos de la articulación de codo.

Modelo definición de ejes según ISB.

Modelo definición de ejes propuesto (modelo IBV).

Modelo de codo OpenSim.

En la Figura 3 se muestran los marcadores que definen cada uno de los modelos implementados.

8 | 31

Figura 3. Marcadores utilizados en cada uno de los modelos estudiados.

Las medidas han sido realizadas mediante fotogrametría utilizando el software Kinescan/IBV. Se han utilizado un total de once marcadores de los cuales dos son

marcadores virtuales digitalizados. Dichos marcadores definen los tres modelos analizados, en cada uno de los casos se han utilizado los marcadores que definen el modelo. El estudio se ha realizado para la extremidad del lado dominante de cada uno de los sujetos.

El modelo de OpenSim corresponde con la adaptación realizada a partir del modelo ‘Mobl-Arms’ cuyas especificaciones fueron desarrolladas en el Entregable 3.1 de la primera anualidad del proyecto.

2.3.1. Muestra de ensayo

Para la realización del estudio se han medido 14 sujetos sanos cuyas características se muestran en la Tabla 1 y Tabla 2. La muestra ha sido homogénea en sexo, 7 hombres y 7 mujeres.

Tabla 1. Muestra de ensayo.

Sujeto Peso Altura Edad IMC Sexo

1 110 180 38 33,95 H

2 90 180 24 27,78 H

3 43 150 29 19,11 M

4 72 175 31 23,51 H

5 92 178 31 29,04 H

6 64 170 36 22,15 H

7 58 169 23 20,31 M

8 68 174 29 22,46 M

9 84 179 25 26,22 H

10 68 166 38 24,68 M

11 62 175 24 20,24 M

12 56 162 29 21,34 M

13 70 171 25 23,94 H

14 60 164 33 22,31 M

Tabla 2. Estadísticos descriptivos de la muestra de ensayo.

Peso Altura IMC

MEDIA (SD) 71.21 (±17.41)

170.93 (±8.40) 24.07 (±4.03)


9 | 31

2.3.2. Protocolo de ensayo

Para evaluar los modelos de marcadores cada uno de los sujetos ha realizado tres sesiones de medida. El primer día realizaron dos sesiones, cada una por un valorador (A y B) y el segundo día se realizó una tercera sesión por el valorador A (Figura 4). El orden de los valoradores de las sesiones 1 y 2 ha sido aleatorizado.

Figura 4. Sesiones de medida.

El modelo de marcadores utilizado en los ensayos se muestra en la Figura 5. La localización de cada uno de ellos corresponde con las siguientes localizaciones anatómicas:

c7: apófisis espinosa de la 7ª vértebra cervical.

b1: vientre superior del músculo braquial.

b2: vientre inferior del músculo braquial.

b3: parte medial del tríceps (vértice posterior del triángulo que forman b1, b2 y b3).

clv: articulación esterno-clavicular.

gh: acromion.

em: epicóndilo medial.

el: epicóndilo lateral.

rs: estiloides radial.

us: estiloides cubital.

a1: músculo extensor del índice (vértice superior del triángulo que forman rs, us y a1).

Figura 5. Marcadores utilizados en la realización de los ensayos.

Los marcadores de epicóndilo medial (em) y epicóndilo lateral (el) son marcadores anatómicos que se retirará tras la calibración.

10 | 31

Se han realizado dos sesiones de medida para cada sujeto, sesión 1 (S1) y sesión 2 (S2). Cada una de las sesiones las ha realizado un valorador, valorador A (VA) y valorador B (VB), de forma aleatorizada. El ensayo consiste en realizar una serie de movimientos cíclicos definidos a continuación (Figura 6).

Calibración: el paciente se colocará sentado, ambos pies apoyados en el suelo y espalda

apoyada en respaldo (silla sin reposabrazos). El gesto durará unos 2 a 3 segundos.

Flexo/extensión de codo: Posición de inicio sentado. El paciente se colocará sentado,

ambos pies apoyados en el suelo y espalda apoyada en respaldo (silla sin reposabrazos).

El brazo a medir se colocará con codo flexionado a 90º y antebrazo en posición neutra

(palma mira hacia medial), hombro en posición neutra, sin abducción, pero sin apoyar

codo en el tronco. El miembro superior contralateral sobre el regazo. El sujeto realizará

una extensión máxima seguida de una flexión máxima de manera continua durante 20

segundos. Esta medida se repetirá 3 veces.

Prono/supinación de codo: posición similar a flexo/extensión. El sujeto realizará una

pronación máxima seguida de una supinación máxima de manera continua durante 20

segundos. Esta medida se repetirá 3 veces.

Tabla 3. Descripción secuencia de medidas.

Medida Movimiento Descripción

1 Cal Calibración

2 FE1 Movimiento de flexo/extensión durante 20 segundos. Repetición 1.



5 PS1 Movimiento de prono/supinación durante 20 segundos. Repetición 1.



Tal y como se ha comentado anteriormente, los registros fueron tomados mediante fotogrametría con el software KINESCAN/IBV. Este software proporciona las coordenadas 3D de cada uno de los marcadores del modelo, además de las trayectorias de los marcadores calculados (EL y EM) (Figura 7). En la Figura 8 y Figura 9 se muestran dos ejemplos de registros realizados, movimiento de flexo/extensión y movimiento de pronosupinación.


11 | 31

Figura 6. Realización de medidas. Arriba izquierda: inicio de flexo-extensión en posición neutro, arriba derecha:

posición de calibración, abajo: posición inicio pronosupinación.

Figura 7. Marcadores registro posición inicial.

12 | 31

Figura 8. Ejemplo movimiento flexo/extensión.

Figura 9. Ejemplo movimiento pronosupinación.

2.3.3. Procesado de datos

Se ha desarrollado un algoritmo de cálculo de parámetros, en concreto para la obtención del ángulo máximo, ángulo mínimo y rango de movimiento (Figura 10). La entrada de datos del algoritmo son las coordenadas 3D de los marcadores, obtenidas con el software KINESCAN/IBV. Después se han desarrollado tres sub-procesos correspondientes a cada uno de los modelos implementados:

Modelo de marcadores ISB: en primer lugar, se obtienen los marcadores necesarios

para el cálculo del movimiento del modelo. Los marcadores el y em se utilizan para

calcular el centro del codo (ic) que a su vez se utiliza junto con gh y rs para obtener el

origen de coordenadas. Una vez calculado el origen de coordenadas se trasladan todas

las coordenadas 3D a dicho origen y se calcula el desplazamiento relativo del antebrazo

con respecto al brazo para obtener el ángulo de codo en los tres ejes. Ambos segmentos

se definen a partir del modelo de sólidos rígidos, el segmento brazo con los marcadores

b1, b2 y b3, y el segmento antebrazo con los marcadores rs, us y a1.

Modelo de marcadores IBV: el proceso es similar al modelo de marcadores ISB tal y

como se observa en el flujograma, pero en este caso, al simplificar el modelo, el origen

de coordenadas se calculará a partir de los marcadores gh, el y rs.


13 | 31

Modelo de OpenSim: a partir de los ficheros .trc que contienen las coordenadas 3D de

los marcadores utilizados en el modelo, se aplica el módulo de cinemática de OpenSim,

obteniendo los ángulos de las articulaciones definidas en el modelo de OpenSim de

miembro superior, de las cuales se selecciona el ángulo de codo.

Cálculo de parámetros

Coordenadas 3D

(KINESCAN)

Cálculo del origen de coordenadas

(el)

Máximo, mínimo y rango

Brazo(gh, b1, b2, b3, el, em)

Antebrazo(rs, us, a1)

Brazo(gh, b1, b2, b3, el)

Antebrazo(rs, us, a1)

Cálculo del origen de coordenadas

(ic)

Cálculo desplazamiento relativo entre brazo y

antebrazo(ÁNGULOS)

Clasifica puntos(detección de máximos,

mínimos y pasos por cero)

Obtención de parámetros

Modelo de marcadores

ISB

Modelo de marcadores

IBV

Modelo OpenSim

Cálculo cinemático modelo de CODO

(ÁNGULOS)

Obtención de ficheros

.trc

Figura 10. Algoritmo desarrollado para el cálculo de parámetros.

Una vez obtenidos los ángulos de codo (en los tres ejes) con cada uno de los modelos estudiados se realiza el procesado de las señales de ángulo para obtener los parámetros. En primer lugar, se aplica la función ‘clasifica puntos’ que determina los

14 | 31

máximos, mínimos y pasos por cero. En nuestro caso seleccionamos los máximos, mínimos y a partir de ellos calculamos el rango de movimiento. Para cada una de las medidas se han obtenido los parámetros respecto al eje del ángulo de interés, para movimiento de flexo-extensión el eje e3 y para el movimiento de prono-supinación el eje e1.

2.4. RESULTADOS MODELOS MIEMBRO SUPERIOR

Una vez obtenidos los parámetros para cada uno de los modelos estudiados se ha realizado un análisis estadístico.

En primer lugar, se ha evaluado el modelo de marcadores simplificado. Para ello se ha cuantificado la correlación intraclase (ICC) entre sesiones y entre valoradores (Tabla 4). Los resultados muestran una fiabilidad muy alta (ICC > 0.8) para todas las variables estudiadas en ambos movimientos (FE y PS) y para el análisis entre valoradores y entre sesiones.

Tabla 4. Evaluación de los modelos de marcadores (ISB-IBV) entre sesiones (S1-S2) y entre valoradores (A-B).

S1-S2 A-B

Movimiento Parámetro ICC Alfa Cronbach ICC Alfa Cronbach

FE Máximo

0.876 0.878 0.989 0.989

PS 0.850 0.856 0.999 0.999

FE Mínimo

0.762 0.772 0.994 0.994

PS 0.877 0.878 0.999 0.999

FE Rango

0.856 0.861 0.992 0.992

PS 0.910 0.926 0.996 0.996

En las Tabla 5 (movimiento FE) y Tabla 6 (movimiento PS) se muestran los descriptivos

de los parámetros calculados (número de medidas analizadas – N, media, desviación estándar – SD, mínimo, percentiles 25%-50% y 75% y máximo).

Tabla 5. Estadístico descriptivo de los parámetros calculados para cada modelo en la prueba de flexo-extensión.

Ángulo Máximo Ángulo Mínimo Rango de movimiento

ISB IBV OpenSim ISB IBV OpenSim ISB IBV OpenSim

N 407 406 360 407 406 360 407 406 360

media 60.63 57.34 52.65 -95.38 -94.20 -91.41 156.01 151.53 144.6

SD 8.96 9.09 8.09 11.34 11.28 17.68 15.03 15.16 19.87

min 27.32 24.41 26.80 -126.01 -126.42 -136.25 93.33 102.71 68.38

25% 54.04 50.66 47.70 -101.25 -100.05 -100.34 148.46 143.42 127.48

50% 60.87 57.77 53.30 -94.05 -92.68 -92.14 156.44 150.60 147.50

75% 67.21 63.69 57.84 -88.26 -87.18 -80.13 162.73 159.41 157.96

max 81.46 79.93 74.04 -56.39 -55.73 -21.92 194.64 193.00 172.26


15 | 31

Tabla 6. Estadístico descriptivo de los parámetros calculados para cada modelo en la prueba de prono-supinación.

Ángulo Máximo Ángulo Mínimo Rango de movimiento

ISB IBV OpenSim ISB IBV OpenSim ISB IBV OpenSim

N 409 408 375 409 408 375 409 408 375

media 71.41 70.62 83.52 -70.19 -68.89 -95.84 141.60 139.50 179.40

SD 11.25 11.20 15.81 12.46 12.52 16.36 11.37 11.11 16.28

min 42.00 41.35 16.49 -107.03 -105.82 -136.28 100.42 100.48 52.38

25% 64.48 63.57 72.96 -76.04 -74.51 -106.12 137.64 135.23 173.82

50% 70.13 69.24 79.86 -70.28 -68.88 -95.04 141.29 138.97 182.99

75% 79.14 78.34 92.14 -61.45 -60.86 -85.38 148.24 147.19 189.44

max 98.95 97.63 128.53 -42.98 -41.07 5.89 167.33 162.79 213.09

A continuación, se muestras las barras de error de los parámetros analizados (Figura 11) divididos por tipo de movimiento (FE y PS), para cada uno de los modelos estudiados

(modelo de marcadores ISB - ISB, modelo simplificado de marcadores IBV - IBV y modelo biomecánico desarrollado con OpenSim - OS). Tal y como muestran las gráficas la variabilidad de los datos obtenidos es muy baja para los tres modelos estudiados. Los parámetros del movimiento de FE para los tres modelos son muy similares, apareciendo una diferencia mayor en el movimiento de PS para el modelo de OpenSim.

16 | 31

Figura 11. Barras de error de los parámetros analizados (separados por tipo de movimiento) para cada uno de los

modelos estudiados.

En las siguientes figuras se muestra la distribución de los datos. Para cada uno de los modelos se ha representado la distribución univariante de los mismos. En concreto la Figura 12 muestra los datos para el movimiento de flexo-extensión (FE) y la Figura 13 muestra los datos para el movimiento de prono-supinación (PS).


17 | 31

Figura 12. Distribución univariante y correlación entre variables de los datos agrupados por modelo para la prueba

de FE.

Figura 13. Distribución univariante y correlación entre variables de los datos agrupados por modelo para la prueba

de PS.

Puede observarse que los datos están distribuidos en torno a un valor central (campana de Gauss).

Esta distribución es muy similar para los tres modelos en el movimiento de FE tal y como se había observado en los resultados de las barras de error.

18 | 31

Sin embargo, en el movimiento de PS la distribución presenta una forma es similar, pero aparece desplazada (Figura 13). Este efecto concuerda con las diferencias encontradas en las gráficas de barras de error para los parámetros calculados (Figura 11).

Para poder analizar las diferencias entre los diferentes modelos se han calculado los gráficos Bland-Altman (Figura 14 y Figura 15).

Los gráficos Bland-Altman permiten comparar dos técnicas de medición sobre una misma variable cuantitativa. Los límites de las diferencias máximas aceptables entre los diferentes métodos de cálculo se han establecido en dos veces la desviación estándar.

Por lo tanto, consideraremos como válido el método de media cuando la mayor parte de los datos se encuentren dentro de estos límites (línea punteada roja y verde).

Figura 14. Gráfico Bland-Altman del parámetro máximo en movimiento de FE comparando el modelo de marcadores

de la ISB con el modelo de marcadores IBV.

Figura 15. Gráfico Bland-Altman del parámetro máximo en movimiento de FE comparando el modelo de marcadores

de la ISB con el modelo de marcadores IBV.

Como vemos es las gráficas, la mayor parte de datos se encuentran dentro de estos límites. Estos gráficos además nos aportan otra información relevante como es el sesgo, en este caso todos los valores están distribuidos de forma uniforme entorno a la media (línea amarilla) por lo que los métodos de media tampoco introducen ningún sesgo de medida.

Por último, podemos obtener información importante para ajustar nuestro modelo, ya que las diferencias que han aparecido a lo largo del análisis muestran una diferencia del modelo de OpenSim para el movimiento de PS.

En los gráficos Bland-Altman podemos observar que estas diferencias son constantes, en concreto para el valor máximo esta diferencia es de -16o, para el valor mínimo 23o y para el rango 37o (Figura 16 y Figura 17).


19 | 31

Figura 16. Gráfico Bland-Altman del parámetro máximo en movimiento de PS comparando el modelo de marcadores

de la ISB con el modelo biomecánico de OpenSim.

Figura 17. Gráfico Bland-Altman del parámetro mínimo en movimiento de PS comparando modelo de marcadores de

la ISB con el modelo biomecánico de OpenSim.

En el ANEXO 1, se muestran todos los gráficos Bland-Altman, de los resultados del modelo biomecánico de OpenSim desarrollado y el modelo de marcadores simplificado, en comparación con el modelo ‘gold standard’, modelo de marcadores definido por la ISB.

Los resultados obtenidos en la comparación del modelo propuesto frente al definido por la ISB fueron presentados en septiembre de 2019 en el congreso internacional ‘Annual meeting of the European society for movement análisis in adults and children’. EL póster presentado en dicho congreso se adjunta en el ANEXO 2.

20 | 31

3. MODELADO DE MIEMBRO INFERIOR

En este apartado se describen los modelos de miembro inferior implementados. Se ha desarrollado un modelo general de miembro inferior que posteriormente ha servido de base para adaptar/modificar a las diferentes aplicaciones implementadas.

3.1. DESCRIPCIÓN DEL MODELO

El primer modelo desarrollado es un modelo de cuerpo completo con musculatura definida únicamente para el miembro inferior (Figura 18).

Los grados de libertad originales que permite este modelo corresponden a 3 rotaciones y 3 traslaciones de la pelvis (centro de masas y origen del modelo), 3 rotaciones de la

cadera, 1 rotación de la rodilla, 2 rotaciones de tobillo y 1 rotación del metatarso.

La musculatura definida engloba a todos los músculos empleados en movimientos de miembro inferior:

Cuádriceps: vasto lateral, vasto interno, vasto medial y recto femoral

Isquiotibiales: bíceps femoral, semitendinoso semimembranoso

Gemelo interno, gemelo externo

Sóleo

Tibial anterior

Glúteos

Musculatura iliaca

Además, se han implementado músculos para el desplazamiento del torso como los abdominales y los erectores espinales.

Figura 18. Vistas del primer modelo desarrollado de miembro inferior.


21 | 31

El set de marcadores para la captura de movimiento se ha situado en puntos anatómicos y sobre puntos de interés en los objetos que han sido modelados para su interacción con el modelo.

Los puntos anatómicos de más interés para miembro inferior son:

Crestas ilíacas anteriores y posteriores de la pelvis

Cóndilos laterales y mediales del fémur

Maléolos laterales y mediales del tobillo

El segundo modelo desarrollado, se basa en un modelo previamente validado en varios movimientos además de la marcha.

Este modelo, presenta músculos modelados para miembro inferior y miembro superior y cuenta con los siguientes grados de libertad:

3 rotaciones y 3 traslaciones de la pelvis (centro de masas y origen del modelo).

3 rotaciones de tronco.

3 rotaciones de la cadera.

1 rotación de la rodilla.

2 rotaciones de tobillo.

1 rotación del metatarso.

Además, presenta grados de libertad del miembro superior por si se quisiera analizar el efecto conjunto del cuerpo completo.

Figura 19. Vistas del segundo modelo desarrollado de miembro inferior.

Cabe destacar que este modelo tiene modelada la misma musculatura de miembro inferior que el primer modelo. Además, está modelada la rótula y su movimiento restringido a la flexo-extensión de la rodilla.

Una vez que un modelo ha sido desarrollado, este puede ser empleado para llevar a cabo simulaciones biomecánicas que permitan extraer variables biomecánicas de interés para el estudio del movimiento humano.

22 | 31

El software empleado para realizar las simulaciones es OpenSim, software de simulación abierto y desarrollado por la Universidad de Stanford, que permite las simulaciones en sistemas multicuerpo.

Los procesos de simulación realizados con OpenSim (Figura 20) son los siguientes:

Escalado del modelo: se emplean los marcadores y el peso del sujeto para ajustar el

modelo a las medidas necesarias.

Cinemática inversa: se emplean las trayectorias de los marcadores obtenidas con

Kinescan para extraer los ángulos articulares de aquellas articulaciones definidas en el

modelo.

Dinámica inversa: se emplean los datos de cinemática obtenidos previamente y

filtrados junto con datos de fuerzas de reacción obtenidos a partir de la plataforma de

fuerzas de Kinescan para extraer los momentos articulares.

Reducción de residuos: herramienta de depuración de OpenSim que se emplea para

corregir fallos en la adquisición experimental de las fuerzas de reacción y permite que

haya coherencia entre los datos experimentales y fuerzas del modelo.

Optimización estática y control muscular: herramientas de simulación de actividad y

excitación muscular que permiten comprobar la validez del modelo al comparar las

activaciones obtenidas con datos de EMG experimental.

Dinámica directa: herramienta de OpenSim que permite extraer fuerzas de contacto y

presiones a partir de los resultados obtenidos en los pasos anteriores.


23 | 31

Figura 20. Esquema de funcionamiento de software OpenSim.

24

©

3.2. ADAPTACIÓN DEL MODELO PARA LA INTERACCIÓN CON PRODUCTO

A continuación, se describen las adaptaciones o modificaciones realizadas a partir del modelo desarrollado para cada una de las aplicaciones.

3.2.1. Modelo de ortesis

El primero de los modelos corresponde con un modelo de ortesis de rodilla (Figura 21). Las modificaciones realizadas son:

Se han eliminado los músculos asociados a la zona lumbar y pierna izquierda

puesto que no intervienen en el estudio del movimiento.

Se han reducido los grados de libertad del modelo al plano sagital puesto que, al

llevar ortesis, se limita la capacidad de rotación de la rodilla, permitiendo

únicamente la flexo-extensión. La rotación y abducción/aducción de la cadera

también ha sido eliminada puesto que la articulación de interés es la rodilla.

Figura 21. Modelo de ortesis-pierna en OpenSim.

Una vez definido el modelo con el que se va a trabajar, se procede a la inclusión de la ortesis en el modelo.

Para ello es necesario seguir los siguientes pasos:

Disponer del fichero CAD de la ortesis.

Definir la interacción entre el modelo de pierna y la ortesis.

El fichero CAD, que define la geometría de la ortesis, se acopla a la rodilla del modelo y se escala al tamaño inicial deseado que corresponda con las medidas físicas de la ortesis.

E3.2 Descripción de los modelos implementados ©


25 | 31

Se definen también los grados de libertad de la ortesis, que serán flexo-extensión siguiendo el eje anatómico de la rodilla y movimientos de traslación en los 3 ejes X, Y, Z para representar desplazamientos de la ortesis respecto de la pierna (Figura 22).

Figura 22. Ortesis incorporada al modelo OpenSim.

Con el modelo simplificado y la ortesis modelada se procede a realizar las simulaciones cuyos resultados y objetivos serán los siguientes:

Escalado: permite ajustar el tamaño de la ortesis y su relación de tamaño con la

pierna.

Cinemática inversa: a partir de los marcadores situados sobre la pierna y sobre la

ortesis se extraen el ángulo de flexo-extensión de rodilla y el ángulo de flexo-

extensión de la ortesis pudiendo comprobar si la ortesis sigue adecuadamente el

movimiento de la rodilla.

Dinámica inversa: a partir de los datos de fuerzas de reacción experimentales,

con y sin ortesis, se pueden evaluar las diferencias de momento en la rodilla y

comprobar si la ortesis produce un aumento o disminución de la carga de fuerzas

en la rodilla.

Optimización estática y CMC: a partir de los resultados previos se simulan las

activaciones musculares con y sin ortesis y se puede evaluar si el hecho de llevar

ortesis aumenta o disminuye la actividad muscular en aquellos grupos musculares

implicados en la movilidad del miembro inferior.

Dinámica directa: con las activaciones musculares y datos de movimiento

extraídos previamente o a partir de los datos experimentales se pueden obtener

simulaciones de contacto entre la ortesis y la pierna pudiendo simular así las

fuerzas de contacto y las presiones que ejerce la ortesis sobre la pierna durante

los movimientos realizados.

3.2.2. Modelo de butaca

Para la inclusión de la butaca en el modelo de OpenSim es necesario un fichero CAD con el objetivo de poder definir la geometría de la butaca.

Esta butaca contará con varios grados de libertad con el fin de valorar cómo influye la postura sobre las variables biomecánicas del modelo. Estos grados de libertad son:

26

©

Reposapiés regulable: la butaca dispondrá de un reposapiés regulable que

permita estar con los pies elevados o totalmente apoyados en el suelo.

Reposabrazos regulable: la butaca dispondrá de reposabrazos regulables en

altura que permitirán estar con los brazos más elevados o más bajos.

Respaldo reclinable: la butaca dispondrá de un respaldo que permita ajustar el

grado de inclinación del usuario pudiendo estar más erguido o reclinado.

Figura 23: Modelo de miembro inferior y butaca en OpenSim.

Con el modelo desarrollado y la butaca modelada se procede a realizar las simulaciones cuyos resultados y objetivos serán los siguientes:

Escalado: permite ajustar el tamaño de la butaca y su distancia y relación de tamaño

con el modelo.

Cinemática inversa: a partir de los marcadores situados sobre el modelo y la butaca

se extraen los ángulos articulares de interés del modelo que permiten evaluar las

diferencias de postura en función de la configuración de la butaca.

Dinámica inversa: a partir de los datos de fuerzas de reacción experimentales se

puede evaluar que configuración de la butaca permite levantarse de ella con un

menor esfuerzo.

Optimización estática y CMC: a partir de los resultados previos se simulan las

activaciones musculares al sentarse y levantarse de la butaca en sus distintas

configuraciones. Estos datos de simulación se pueden comparar con datos de EMG

experimentales.

Dinámica directa: con las activaciones musculares y datos de movimiento extraídos

previamente o a partir de los datos experimentales se pueden obtener simulaciones

de contacto entre la butaca y el modelo pudiendo simular así las fuerzas de contacto

y las presiones que ejerce la butaca sobre el modelo durante los movimientos

realizados.



27 | 31

4. CONCLUSIONES

Durante el desarrollo del paquete de trabajo 3 se han alcanzado los siguientes objetivos:

1. Ampliar el conocimiento sobre la modelización biomecánica.

2. Investigar los métodos analíticos más adecuados para analizar las funciones biomecánicas asociadas a la interacción con productos de diferente índole.

A continuación, se presentan las principales conclusiones obtenidas durante el desarrollo del paquete de trabajo 3, para cada uno de los modelos implementados:

4.1. MODELO DE MIEMBRO SUPERIOR

1. Se ha puesto a punto el modelo biomecánico de miembro superior, que comenzó

a desarrollarse en la primera anualidad del proyecto. Esta puesta a punto se ha

realizado a partir de un ensayo en 20 sujetos sanos.

2. Los resultados muestran que el modelo de miembro superior implementado

calcula de forma fiable y reproducible las variables definidas para la generación

de criterios de valoración, en comparación con el método ‘gold standard’.

3. La simplificación del conjunto de marcadores muestras valores altos de fiabilidad

y reproducibilidad, facilitando así la validación y el uso del modelo. El modelo de

marcadores simplificado muestra una fiabilidad muy alta (ICC > 0.8).

4. Estos resultados fueron presentados en septiembre de 2019 en la ESMAC 2019

5. Por otro lado, el modelo biomecánico de OpenSim ha sido validado, se han

obtenido buenos resultados de correlación en comparación con el modelo ‘gold

standard’ propuesto por la ISB.

4.2. MODELO DE MIEMBRO INFERIOR

1. Se ha definido un modelo de miembro inferior y una metodología de trabajo

asociada para su uso en el sector del mueble y el sector ortoprotésico.

2. Se ha definido la metodología para el uso de modelos en Opensim con elementos

externos.

28

©

ANEXO 1

Figura A124. Gráfico Bland-Altman del parámetro máximo en movimiento de FE comparando el modelo de

marcadores de la ISB con el modelo de marcadores IBV.

Figura A225. Gráfico Bland-Altman del parámetro mínimo en movimiento de FE comparando el modelo de


Figura A3. Gráfico Bland-Altman del parámetro rango en movimiento de FE comparando el modelo de


Figura 26. Gráfico Bland-Altman del parámetro máximo en movimiento de PS comparando el modelo de




29 | 31

Figura A5. Gráfico Bland-Altman del parámetro mínimo en movimiento de PS comparando el modelo de


Figura 27. Gráfico Bland-Altman del parámetro rango en movimiento de PS comparando el modelo de


Figura A7. Gráfico Bland-Altman del parámetro máximo en movimiento de FE comparando el modelo de

marcadores de la ISB con el modelo biomecánico de OpenSim.

Figura A8. Gráfico Bland-Altman del parámetro mínimo en movimiento de FE comparando el modelo de


30

©

Figura A9. Gráfico Bland-Altman del parámetro rango en movimiento de FE comparando modelo de


Figura 28. Gráfico Bland-Altman del parámetro máximo en movimiento de PS comparando el modelo de


Figura A11. Gráfico Bland-Altman del parámetro mínimo en movimiento de PS comparando modelo de


Figura A12. Gráfico Bland-Altman del parámetro rango en movimiento de PS comparando modelo de




31 | 31

ANEXO 2

E3.2 Descripción de los modelos implementados

Documents

Transcript of E3.2 Descripción de los modelos implementados