Publicação
Development of an advanced multibody musculoskeletal model of the human movement to improve device-assisted gait: application to mobility solutions
| Resumo: | A biomecânica do movimento humano é uma área de investigação multidisciplinar que envolve o estudo dos aspetos mecânicos do corpo humano e o impacto que as forças têm no movimento dos segmentos anatómicos. A utilização de ferramentas computacionais para compreender o comportamento dinâmico do movimento humano tem vindo a aumentar devido à vasta gama de aplicações existentes para melhorar o desempenho humano ou tratar lesões. O conhecimento deste tópico pode fornecer opções promissoras para o desenvolvimento de dispositivos auxiliares adaptados às necessidades dos pacientes. O relatório de 2022 da Organização Mundial de Saúde (OMS) e do Fundo das Nações Unidas para a Infância (UNICEF) estima que mais de 2,5 mil milhões de pessoas em todo o mundo utilizam um ou mais dispositivos auxiliares, prevendo-se que este número aumente para 3,5 mil milhões em 2050. Para além disso, a utilização incorreta e prolongada de dispositivos auxiliares tem consequências prejudiciais para os doentes, incluindo o desenvolvimento de problemas de saúde secundários. Assim, este trabalho utiliza ferramentas computacionais para desenvolver um modelo multicorpo musculoesquelético avançado do movimento humano para investigar a marcha assistida por dispositivos. São desenvolvidas várias metodologias no âmbito do contexto de sistemas multicorpo para atingir o objetivo pretendido. É apresentada uma nova formulação para o complexo articular do tornozelo, que utiliza uma junta universal modificada incorporada com um massless link. É também proposta uma metodologia para restringir a amplitude de movimento das articulações. Momentos de resistência são aplicados aos corpos para reproduzir o comportamento dissipativo dos materiais que constituem as juntas e para evitar configurações inaceitáveis dos corpos. Dados experimentais do movimento humano foram adquiridos no Laboratório de Biomecânica de Lisboa e a formulação de cinco guiamentos, desenvolvidos para guiar os graus de liberdade de sistemas biomecânicos multicorpo, é explicada em pormenor. A modelação computacional dos músculos esqueléticos humanos foi conseguida utilizando uma variante do modelo de Hill, que é composto por um elemento contrátil ativo organizado em paralelo com um elemento elástico. A dinâmica da contração muscular e os procedimentos de otimização são descritos. São desenvolvidos dois modelos tridimensionais biomecânicos multicorpo do corpo humano, que diferem na complexidade da articulação do ombro. Colaborações com o Centro de Reabilitação do Norte e a ORTHOS XXI foram estabelecidas para reforçar o trabalho computacional relacionado com a marcha assistida por dispositivos auxiliares. Foram também adquiridos dados experimentais deste tipo de marcha. De acordo com as conclusões da revisão da literatura realizada neste trabalho, são investigadas várias abordagens para analisar as interações dispositivo-modelo e dispositivo-solo. Todas as metodologias propostas neste trabalho são integradas num caso de aplicação final para validação. |
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| Autores principais: | Silva, Mariana Isabel dos Santos Rodrigues da |
| Assunto: | Biomecânica do movimento Dinâmica de sistemas multicorpo Marcha humana Dispositivos de auxílio à marcha Canadianas Biomechanics of motion Multibody dynamics Human gait Assistive devices Crutches |
| Ano: | 2024 |
| País: | Portugal |
| Tipo de documento: | tese de doutoramento |
| Tipo de acesso: | acesso aberto |
| Instituição associada: | Universidade do Minho |
| Idioma: | inglês |
| Origem: | RepositóriUM - Universidade do Minho |
| Resumo: | A biomecânica do movimento humano é uma área de investigação multidisciplinar que envolve o estudo dos aspetos mecânicos do corpo humano e o impacto que as forças têm no movimento dos segmentos anatómicos. A utilização de ferramentas computacionais para compreender o comportamento dinâmico do movimento humano tem vindo a aumentar devido à vasta gama de aplicações existentes para melhorar o desempenho humano ou tratar lesões. O conhecimento deste tópico pode fornecer opções promissoras para o desenvolvimento de dispositivos auxiliares adaptados às necessidades dos pacientes. O relatório de 2022 da Organização Mundial de Saúde (OMS) e do Fundo das Nações Unidas para a Infância (UNICEF) estima que mais de 2,5 mil milhões de pessoas em todo o mundo utilizam um ou mais dispositivos auxiliares, prevendo-se que este número aumente para 3,5 mil milhões em 2050. Para além disso, a utilização incorreta e prolongada de dispositivos auxiliares tem consequências prejudiciais para os doentes, incluindo o desenvolvimento de problemas de saúde secundários. Assim, este trabalho utiliza ferramentas computacionais para desenvolver um modelo multicorpo musculoesquelético avançado do movimento humano para investigar a marcha assistida por dispositivos. São desenvolvidas várias metodologias no âmbito do contexto de sistemas multicorpo para atingir o objetivo pretendido. É apresentada uma nova formulação para o complexo articular do tornozelo, que utiliza uma junta universal modificada incorporada com um massless link. É também proposta uma metodologia para restringir a amplitude de movimento das articulações. Momentos de resistência são aplicados aos corpos para reproduzir o comportamento dissipativo dos materiais que constituem as juntas e para evitar configurações inaceitáveis dos corpos. Dados experimentais do movimento humano foram adquiridos no Laboratório de Biomecânica de Lisboa e a formulação de cinco guiamentos, desenvolvidos para guiar os graus de liberdade de sistemas biomecânicos multicorpo, é explicada em pormenor. A modelação computacional dos músculos esqueléticos humanos foi conseguida utilizando uma variante do modelo de Hill, que é composto por um elemento contrátil ativo organizado em paralelo com um elemento elástico. A dinâmica da contração muscular e os procedimentos de otimização são descritos. São desenvolvidos dois modelos tridimensionais biomecânicos multicorpo do corpo humano, que diferem na complexidade da articulação do ombro. Colaborações com o Centro de Reabilitação do Norte e a ORTHOS XXI foram estabelecidas para reforçar o trabalho computacional relacionado com a marcha assistida por dispositivos auxiliares. Foram também adquiridos dados experimentais deste tipo de marcha. De acordo com as conclusões da revisão da literatura realizada neste trabalho, são investigadas várias abordagens para analisar as interações dispositivo-modelo e dispositivo-solo. Todas as metodologias propostas neste trabalho são integradas num caso de aplicação final para validação. |
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