Aan je arm trekken verlaagt de reactiekracht in je schouder

Zarah
Van Schoor

Een exoskeleton ter hoogte van de schouder kan assistentie overbrengen via kracht, of via een koppel. In het geval van assistentie via kracht leidt dit tot minder reactiekrachten in het schoudergewricht. Deze reactiekrachten zijn berekend met behulp van simulatie software.

Misschien hebt u zelf al eens het gebruik van een exoskeleton kunnen ervaren. Dan zal u wel gemerkt hebben dat u minder spierkracht nodig heeft om eenzelfde gewicht te heffen met exoskeleton assistentie, in tegenstelling tot zonder assistentie. Dat is dan ook het doel van de meeste exoskeletons, het verlagen van de spierkracht. Maar wat me de reactiekrachten in het geassisteerde gewricht?

Om dit te onderzoeken is gebruik gemaakt van een musculoskeletaal model. Zo een model is opgebouwd uit botten, gewrichten en spieren die de gewrichten overspannen. Het voordeel van zo een model is de aanwezigheid van spieren, die een kracht kunnen genereren om beweging van de botten teweeg te brengen. Musculoskeletale modelering software kan dan gebruikt worden om deze spierkracht te berekenen, maar ook om reactiekrachten ter hoogte van het gewricht te berekenen.

Musculoskeletaal model beweging op verschillende tijdstippen.

 

Data verzameling

Om spier- en reactiekrachten te kunnen berekenen heeft het programma natuurlijk bepaalde gegevens nodig om vanuit te vertrekken: bewegingsdata, de grootte, richting en aangrijpingspunt van de uitgeoefende exoskeletale assistentie en natuurlijk een musculoskeletaal model. Deze data zijn bekomen door het uitvoeren van een experiment waarbij een proefpersoon een opwaartse beweging van de arm uitvoerde, de beweging, de gegeven assistentie en de spieractiviteit werden opgenomen.

Na het verzamelen van de benodigde data, is het belangrijk om deze data te valideren. Dit is gebeurd in verschillende stappen. Eerst is de gemeten spieractiviteit bestudeerd. En zoals verwacht vertoonde deze een dalend gedrag voor een stijgend niveau van assistentie. Vervolgens is de berekende spieractiviteit, met de software, geïnterpreteerd, en ook hier was hetzelfde gedrag te zien.

Om de gedefinieerde assistentie te valideren, kracht of koppel, is het moment dat ze teweegbrengen ter hoogste van de schouder, berekend met de software, vergeleken met een manuele schatting. Deze berekeningen toonden een goede overeenkomst tussen de software berekening en de manuele schatting. Echter was er een verschil tussen het moment dat beide manieren van assistentie teweegbrachten, dit zou een invloed kunnen hebben op de reactiekrachten. En dus, om ervoor te zorgen dat beide manieren van assistentie hetzelfde moment teweegbrengen, zijn deze uitgebalanceerd.

 

Reactiekrachten

Maar hoe zit dat nu met die reactiekrachten? Om deze te berekenen zijn eerste de krachten in de spieren berekend, welke, samen met de uitgeoefende assistentie, als input dienen om de reactiekrachten te berekenen. De resultaten toonde een daling in reactiekrachten bij het geven van assistentie via kracht. Bekijk het zo, je spieren trekken aan je arm om deze in de komt te houden, dit leidt dan tot een reactiekracht in de schouder, als je dan aan je arm trekt, zorg je voor een negatieve kracht in je schoudergewricht, wat zich uit in een daling in reactiekracht. Dus, hoe meer assistentie, hoe lager de spieractiviteit, en hoe lager de reactiekrachten. Maar, té veel assistentie leidt dan weer tot een stijging in reactiekrachten, dit komt doordat je dan eigenlijk het exoskeleton moet tegenwerken. Assistentie via een koppel toonde alsook een stijging in reactiekrachten vergeleken met het geval waarin geen assistentie wordt gegeven.

Grootte van de reactiekrachten voor verschillende niveaus van assistentie.

 

Met behulp van musculoskeletale modellering software zijn de reactiekrachten in het schoudergewricht berekend vertrekkend van een beweging en exoskeletale assistentie gemeten tijdens een fysiek experiment. De resultaten toonden een daling in reactiekrachten bij assistentie via kracht, en een stijging bij assistentie via een koppel, dit in vergelijking met het geval waar geen assistentie wordt gegeven. Deze simulaties toonden ook dat de richting van assistentie een invloed heeft op de grootte en richting van de reactiekrachten. Met deze kennis zou de assistentie geoptimaliseerd kunnen worden om maximale assistentie te geven, en tegelijk de reactiekrachten zo minimaal mogelijk te maken. Maar dit leidt dan tot de volgende vraag: is dit wel gezond, hebben we deze reactiekrachten niet nodig om een stevige, stabiele schouder te behouden?

Bibliografie

  1. [1] Dick Ameln et al. “The Stabilizing Function of Superficial Shoulder Muscles Changes Be- tween Single-Plane Elevation and Reaching Tasks”. In: IEEE Transactions on Biomedical Engineering PP (June 2018), pp. 1–1. doi: 10.1109/TBME.2018.2850522.

  2. [2]  Michael Skipper Andersen. “4 - Introduction to musculoskeletal modelling”. In: Computa- tional Modelling of Biomechanics and Biotribology in the Musculoskeletal System (Second Edition). Ed. by Zhongmin Jin, Junyan Li, and Zhenxian Chen. Second Edition. Woodhead Publishing Series in Biomaterials. Woodhead Publishing, 2021, pp. 41–80. isbn: 978-0-12- 819531-4. doi: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819531-4.00004-3. url: https://www.sc….

  3. [3]  Xsens Technologies B.V. Xsens DOT User Manual. English. Version G. XSens. June 2022. 34 pp.

  4. [4]  Erica Beaucage-Gauvreau et al. “Validation of an OpenSim full-body model with detailed lumbar spine for estimating lower lumbar spine loads during symmetric and asymmetric lifting tasks”. In: Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering 22.5 (2019). PMID: 30714401, pp. 451–464. doi: 10.1080/10255842.2018.1564819. eprint: https://doi.org/10.1080/10255842.2018.1564819. url: https://doi.org/10… 10255842.2018.1564819.

  5. [5]  Biomechanics of Bodies. url: https://www.bob-biomechanics.com. accessed: 01.05.2023.

  6. [6]  Dimitra Blana et al. “A musculoskeletal model of the upper extremity for use in the devel- opment of neuroprosthetic systems”. In: Journal of biomechanics 41 (Feb. 2008), pp. 1714– 21. doi: 10.1016/j.jbiomech.2008.03.001.

  7. [7]  Edward Chadwick et al. “Real-Time Simulation of Three-Dimensional Shoulder Girdle and Arm Dynamics”. In: IEEE transactions on bio-medical engineering 61 (July 2014), pp. 1947–1956. doi: 10.1109/TBME.2014.2309727.

  8. [8]  Cometa. url: https://www.cometasystems.com/. accessed: 02.05.2023.

  9. [9]  J.H. de Groot and R. Brand. “A three-dimensional regression model of the shoulder rhythm”. In: Clinical Biomechanics 16.9 (2001), pp. 735–743. issn: 0268-0033. doi: https: //doi.org/10.1016/S0268-0033(01)00065-1. url: https://www.sciencedirect.com/ science/article/pii/S0268003301000651.

  10. [10]  Scott Delp et al. “OpenSim: Open-Source Software to Create and Analyze Dynamic Simu- lations of Movement”. In: Biomedical Engineering, IEEE Transactions on 54 (Dec. 2007), pp. 1940–1950. doi: 10.1109/TBME.2007.901024.

  11. [11]  OpenSim Documentation, ed. Getting Started with Inverse Dynamics. url: https : / / simtk - confluence . stanford . edu : 8443 / display / OpenSim / Getting + Started + with + Inverse+Dynamics. accessed: 29.07.2023.

  1. [12]  OpenSim Documentation, ed. How Static Optimization Works. url: https : / / simtk - confluence.stanford.edu:8443/display/OpenSim/How+Static+Optimization+Works. accessed: 07.04.2023.

  2. [13]  OpenSim Documentation, ed. Joint Reactions Analysis. url: https://simtk-confluence. stanford.edu:8443/display/OpenSim/Joint+Reactions+Analysis. accessed: 08.03.2023.

  3. [14]  OpenSim Documentation, ed. Millard 2012 Muscle Models. url: https://simtk-confluence. stanford.edu:8443/display/OpenSim/Millard+2012+Muscle+Models. accessed: 02.05.2023.

  4. [15]  OpenSim Documentation, ed. Musculoskeletal Models. url: https://simtk-confluence. stanford.edu:8443/display/OpenSim/Musculoskeletal+Models. accessed: 04.12.2022.

  5. [16]  OpenSim Documentation, ed. Tutorial 1 - Intro to Musculoskeletal Modeling. url: https: / / simtk - confluence . stanford . edu : 8443 / display / OpenSim / Tutorial + 1+ - +Intro + to+Musculoskeletal+Modeling. accessed: 24.11.2022.

  6. [17]  OpenSim Documentation, ed. Welcome to OpenSim. url: https://simtk-confluence. stanford.edu:8443/display/OpenSim/Welcome+to+OpenSim. accessed: 04.12.2022.

  7. [18]  J. M. Konrath E. Ribera D’alcala J. A. Voerman and A. Vydhyanathan. “Xsens DOT Wearable Sensor Platform White Paper”. In: (Feb. 2021).

  8. [19]  Edwin F. Bartholomew Frederich H. Martini Judi L. Nath. Fundamentals of Anatomy & Physiology. 10th ed. Pearson, 2015, pp. 276–278. isbn: 978-0-321-90907-7.

  9. [20]  Edwin F. Bartholomew Frederich H. Martini Judi L. Nath. Fundamentals of Anatomy & Physiology. 10th ed. Pearson, 2015, pp. 358–363. isbn: 978-0-321-90907-7.

  10. [21]  Laura Gastaldi et al. “Upper Limbs Musculoskeletal OpenSim Model: Customization and Assessment”. In: Jan. 2021, pp. 162–170. isbn: 978-3-030-55806-2. doi: 10.1007/978-3- 030-55807-9_19.

  11. [22]  Milad Gholam et al. “Investigating Glenohumeral Joint Contact Forces and Kinematics in Different Keyboard and Monitor Setups using Opensim”. In: Journal of Biomedical Physics and Engineering (2022). issn: 2251-7200. eprint: https://jbpe.sums.ac.ir/article_ 48612_3e04337e8659ea45c0cab44806ce8671.pdf. url: https://jbpe.sums.ac.ir/ article_48612.html.

  12. [23]  Jon Giese, ed. Stabilizing and Strengthening the Shoulder. url: https://www.racmn.com/ blog/stabilizing-and-strengthening-the-shoulder. last updated: 26.05.2022.

  13. [24]  J. Giphart et al. “Effect of Plane of Arm Elevation on Glenohumeral Kinematics A Nor- mative Biplane Fluoroscopy Study”. In: The Journal of bone and joint surgery. American volume 95 (Feb. 2013), pp. 238–45. doi: 10.2106/JBJS.J.01875.

  14. [25]  Kristy Godoy and Luciano Menegaldo. “UPPER LIMB BIOMECHANICS USING OPEN- SIM DURING WHEELCHAIR PROPULSION”. In: Jan. 2018. doi: 10.26678/ABCM. ENEBI2018.EEB18-0214.

  15. [26]  Oliver Jones. The Shoulder Joint. url: https : / / teachmeanatomy . info / upper - limb / joints/shoulder/. last updated: 27.09.2022.

  16. [27]  Scott L. Delp Katherine R.S. Holzbaur Wendy M. Murray. “A Model of the Upper Ex- tremity for Simulating Musculoskeletal Surgery and Analyzing Neuromuscular Control”. In: Annals of Biomedical Engineering 33.6 (June 2005), pp. 829–840. doi: 10.1007/s10439- 005-3320-7.

  17. [28]  Yujun Lai et al. “Preliminary Validation of Upper Limb Musculoskeletal Model using Static

    Optimization”. In: vol. 2021. Nov. 2021. doi: 10.1109/EMBC46164.2021.9629494.

  18. [29]  Janna Langholz, Gunnar Westman, and Magnus Karlsteen. “Musculoskeletal Modelling in Sports - Evaluation of Different Software Tools with Focus on Swimming”. In: Procedia Engineering 147 (Dec. 2016), pp. 281–287. doi: 10.1016/j.proeng.2016.06.278.

  19. [30]  Mirza Nada Masood, Ali Adnan, and Ishak Mohamad Khairi. “Interactive Software-based Modeling for Gait Analysis of Musculoskeletal Structures”. In: Makara Journal of Tech- nology 26 (2 2022). doi: 10.7454/mst.v26i2.1542.

  20. [31]  MathWorks, ed. filloutliers. url: https : / / nl . mathworks . com / help / matlab / ref / filloutliers.html#bvlnf4n-1-movmethod. accessed: 10.08.2023.

  21. [32]  Daniel C. McFarland et al. “Spatial Dependency of Glenohumeral Joint Stability During Dynamic Unimanual and Bimanual Pushing and Pulling”. In: Journal of Biomechanical Engineering 141.5 (Mar. 2019). 051006. issn: 0148-0731. doi: 10.1115/1.4043035. eprint: https : / / asmedigitalcollection . asme . org / biomechanical / article - pdf / 141 / 5 / 051006/6389652/bio\_141\_05\_051006.pdf. url: https://doi.org/10.1115/1. 4043035.

  22. [33]  Kevin J. McQuade and Gary L. Smidt. “Dynamic Scapulohumeral Rhythm: The Effects of External Resistance During Elevation of the Arm in the Scapular Plane”. In: Journal of Orthopaedic & Sports Physical Therapy 27.2 (1998). PMID: 9475136, pp. 125–133. doi:10.2519/jospt.1998.27.2.125. eprint: https://doi.org/10.2519/jospt.1998.27.2. 125. url: https://doi.org/10.2519/jospt.1998.27.2.125.

  23. [34]  Sariah Mghames et al. “A Neuromuscular-Model Based Control Strategy to Minimize Mus- cle Effort in Assistive Exoskeletons”. In: vol. 2019. June 2019, pp. 963–970. doi: 10.1109/ ICORR.2019.8779456.

  24. [35]  Dimitrios Mytilinaios MD PhD Nicola McLaren MSc. Glenohumeral joint. url: https:// www.kenhub.com/en/library/anatomy/the-shoulder-joint. last reviewed: 26.09.2022.

  25. [36]  David Novak. Guide to Shoulder Anatomy. url: https : / / www . sports - health . com / sports-injuries/shoulder-injuries/guide-shoulder-anatomy. published: 06.13.2019.

  26. [37]  David Novak. Soft Tissues of the Shoulder. url: https : / / www . sports - health . com / sports-injuries/shoulder-injuries/soft-tissues-shoulder. published: 06.13.2019.

  27. [38]  Kenny Smith Peter Loan Scott Delp and Krystyne Blaikie. SIMM 4.0 for Windows®. Software for Interactive Musculoskeletal Modeling - User’s Manual. English. June 2004. 260 pp.

  28. [39]  Physiopedia. Dynamic Stabilisers of the Shoulder Complex — Physiopedia. [Online; ac- cessed 19-November-2022]. 2022. url: https://www.physio-pedia.com/index.php? title=Dynamic_Stabilisers_of_the_Shoulder_Complex&oldid=293191.

  29. [40]  Physiopedia. Glenohumeral Joint — Physiopedia. [Online; accessed 19-November-2022]. 2021. url: https://www.physio-pedia.com/index.php?title=Glenohumeral_Joint& oldid=278612.

  30. [41]  Physiopedia. Levator Scapulae — Physiopedia. [Online; accessed 29-November-2022]. 2022. url: https://www.physio-pedia.com/index.php?title=Levator_Scapulae&oldid= 298632.

  31. [42]  Physiopedia. Rhomboids — Physiopedia. [Online; accessed 29-November-2022]. 2022. url: https://www.physio-pedia.com/index.php?title=Rhomboids&oldid=298681.

  32. [43]  Physiopedia. Scapulohumeral Rhythm — Physiopedia. [Online; accessed 1-November-2022]. 2021. url: https://www.physio-pedia.com/index.php?title=Scapulohumeral_ Rhythm&oldid=264640.

  33. [44]  Physiopedia. Shoulder — Physiopedia. [Online; accessed 29-November-2022]. 2022. url: https://www.physio-pedia.com/index.php?title=Shoulder&oldid=320813.

  34. [45]  Physiopedia. Trapezius — Physiopedia. [Online; accessed 29-November-2022]. 2022. url: https://www.physio-pedia.com/index.php?title=Trapezius&oldid=298339.

  35. [46]  R. Richardson et al. “Errors Associated With Utilizing Prescribed Scapular Kinematics to Estimate Unconstrained, Natural Upper Extremity Motion in Musculoskeletal Modeling”. In: Journal of Applied Biomechanics 33 (June 2017), pp. 1–18. doi: 10.1123/jab.2016- 0346.

  36. [47]  MD Ross Hauser, ed. Physical therapy and exercise for shoulder pain. When it works, when it does not work. url: https://www.caringmedical.com/prolotherapy-news/ physical-therapy-exercise-shoulder-pain-works-work/. last updated: 24.08.2022.

  37. [48]  SAFER: Rehabilitation Robot. A Rehabilitation Robot that can sense & feel the patient. url: https://www.brubotics.eu/projects/safer-rehabilitation-robot. accessed: 20.04.2023.

  38. [49]  Katherine R. Saul et al. “Benchmarking of dynamic simulation predictions in two software platforms using an upper limb musculoskeletal model”. In: Computer Methods in Biome- chanics and Biomedical Engineering 18.13 (2015). PMID: 24995410, pp. 1445–1458. doi: 10.1080/10255842.2014.916698. eprint: https://doi.org/10.1080/10255842.2014. 916698. url: https://doi.org/10.1080/10255842.2014.916698.

  39. [50]  Jason Scibek and Christopher Carcia. “Assessment of scapulohumeral rhythm for scapu- lar plane shoulder elevation using a modified digital inclinometer”. In: World journal of orthopedics 3 (June 2012), pp. 87–94. doi: 10.5312/wjo.v3.i6.87.

  40. [51]  SENIAM. url: http://www.seniam.org/. accessed: 10.04.2023.

  41. [52]  Ajay Seth et al. “A Biomechanical Model of the Scapulothoracic Joint to Accurately Cap- ture Scapular Kinematics during Shoulder Movements”. In: PLOS ONE 11.1 (Jan. 2016), pp. 1–18. doi: 10.1371/journal.pone.0141028. url: https://doi.org/10.1371/ journal.pone.0141028.

  42. [53]  Ajay Seth et al. “Muscle Contributions to Upper-Extremity Movement and Work From a Musculoskeletal Model of the Human Shoulder”. In: Frontiers in Neurorobotics 13 (Nov. 2019). doi: 10.3389/fnbot.2019.00090.

  43. [54]  Ajay Seth et al. “OpenSim: Simulating musculoskeletal dynamics and neuromuscular con- trol to study human and animal movement”. In: PLOS Computational Biology 14.7 (July 2018), pp. 1–20. doi: 10.1371/journal.pcbi.1006223. url: https://doi.org/10. 1371/journal.pcbi.1006223.

  44. [55]  Shoulderdoc.co.uk, ed. Shoulder Ligaments. url: https : / / www . shoulderdoc . co . uk / article / 1179# : ~ : text = Glenohumeral % 5C % 20Ligaments % 5C % 20(GHL ) %5C % 3A & text = In%5C%20the%5C%20shoulder%5C%2C%5C%20the%5C%20joint,middle%5C%20and%5C% 20inferior%5C%20glenohumeral%5C%20ligaments. last updated: 09.09.2022.

  45. [56]  SIMM 5.0 and OpenSim 2.0. English. Tech. rep. Mar. 2010. 3 pp.

  46. [57]  Who is AnyBody Technology? url: https://www.anybodytech.com. accessed: 01.05.2023.

  47. [58] XSens, ed. Software & documentation. url: https : / / www . movella . com / support / software-documentation?hsCtaTracking=39d661fa-2ea8-4478-955e-01d0d8885f14% 7C3ad1c7d6-9c3a-42e9-b424-5b15b9d0924e. accessed: 19.10.2022.

Download scriptie (26.14 MB)
Universiteit of Hogeschool
Vrije Universiteit Brussel
Thesis jaar
2023
Promotor(en)
Tom Verstraten, Kevin Langlois, Sander De Bock
Thema('s)
Biomedische wetenschappen
Kernwoorden
exoskeleton,
biomechanica,
musculoskeletaal model,
schoudergewricht,
OpenSim