Biomechanical analysis of countermeasure exercises on the space station : on ground validation

Astronauts during spaceflight are exposed to a microgravity environment that results in numerous physiological changes. Such changes include atrophy of skeletal muscle, decreases in muscle performance, as well as decreases in cardiovascular fitness. The significant deconditioning of these physiological systems, especially during extended exposure to microgravity, must be addressed and prevented in order for long-term manned space missions to succeed. Ground-based research suggests that it is necessary to perform exercise countermeasures. Exercise hardware countermeasures have been proposed in order to prevent the deconditioning of a microgravity environment during long duration space flight. A device is the Advanced Resistive Exercise Device, or ARED, taken to the International Space Station on space shuttle mission STS-126 in November 2008. The ARED uses adjustable resistance piston-driven vacuum cylinders along with a flywheel system to simulate free-weight exercises in normal gravity. The ARED provides a load of up to 272 Kg. This device is located into the Node 3 on ISS and a detailed biomechanical analysis during exercises on ARED would be beneficial. To this aim, a motion capture system able to acquire quantitative kinematics data of body movements can be exploited. ELaboratore Immagini TElevisive – Space 2 (ELITE-S2) is a motion capture system with 4 cameras sent on board the ISS in 2007. Thus, exploiting and integrating these two facilities operating onboard the ISS (ARED and ELITE-S2), the “ARED project” aims at performing a detailed biomechanical analysis of exercise on the ARED onboard the ISS, acquiring multiple exercises with different Body Weight Replacement and estimating the joint efforts by advanced kinematic and dynamic modeling of musculoskeletal system. Moreover, motor adaptation, revealing through the strategy evolution underlying these exercises along with mission, will be investigated. Such an analysis will allow exercise programs to be optimized based upon evidence, and will further the understanding of how resistance exercise in microgravity affects the body, in particular focusing on hip, knee and ankle joints, which are the most affected by muscle-skeletal deconditioning. This thesis is part of this greater project started one year ago and lasting 3-5 years in order to collect data from a significant number of astronauts (e.g. 12). So my work was basically focus on: 1. Setup definition and on ground testing - The correct placement of ELITES2 four cameras in the ISS Node 3, where ARED is placed, was defined reproducing the binding spatial constraints of the ISS and then validating the markers visibility for reliable movement reconstruction. 2. Protocol definition and validation by preliminary on ground data - Protocol defined according to the project specifications (working volume, number of markers, type of movements) and the validation of ELITE S2 results on ground was made acquiring the data also by another motion capture system with ten cameras (SMART BTS) in optimal configuration. 3. Biomechanical modeling for data analyses - The construction of a biomechanical model was made through the OpenSim software, to perform the kinematic and the dynamic analysis thus estimating the different joint kinematics and efforts for each exercise and thus performing ad-hoc zero gravity simulations. We have worked with the scientific partner “Exercise Physiology and Countermeasures Lab, NASA JSC” at Jonson Space Center- Houston, where ARED ground model is available. We did a survey in Node3 mockup, in order to define plausible position of the four ELITE-S2 cameras, taking into account the main constraints (e.g. bathroom wall, Node walls, holes for cameras’ brackets fixation). After different evaluations, we have defined the protocol made up of different kind of squat and deadlift with different load level and submitted it for ethical and medical approvals. For the recording of kinematics data by motion capture system, we have defined the marking with 38 markers on the astronauts body and markers on platform (camera side). Markers on ARED structure arms will be evaluated based on further visibility tests. All acquisitions were performed at ARED ground unit lab B26 using the SMART DX motion capture system, with ten cameras, and ELITE S2 motion capture system, with four cameras. One male subject participated in the experiment (833 N in weight and 175,36 cm tall). Ground reaction forces were obtained from two force platforms, synchronized with SMART DX system. Four exercises have been defined: normal squat, wide squat, single legged squat and deadlift. Each squat had fixed load on shoulder with vertical alignment. Subjects performed this series of exercises, per three times. - 3x one series of two trials of two-legged normal squats (125 lb - 56,7 kg) - 3x one series of two trials of two-legged wide squats (125 lb - 56,7 kg) - 3x one series of two trials of one-legged squats (60 lb - 27,2 kg) - 3x one trial of deadlift trials (125 lb - 56,7 kg). The software for the biomechanical modeling based on the acquired data is OpenSim, freely available software package that enables to build, exchange, and analyze computer models of the musculoskeletal system and dynamic simulations of movement. MATLAB scripts were used to convert SMART and ELITE-S2 data into acceptable inputs for OpenSim. First of all, it was necessary to scale the model to the anthropometric dimensions of the subject. For this purpose, markers positions were collected with the subject in a static straight vertical posture. After scaling, inverse kinematics (IK) was performed to get the joint angles kinematics. After that, the inverse dynamics tool was applied to determine the joint torques for the given kinematics and the compute muscle control was applied to have an overview of how the main muscles were activated during the motion. Since tied configuration of ELITE-S2 cameras in Node3 allowing only one body side recording, we have checked the level of movement symmetry in normal squat, wide squat and deadlift, by computing right and left lower body joint angles as acquired by SMART system. This verification showed that we can consider symmetric the movement on the sagittal plane (high correlations between right leg and left leg profiles) but the movement on the coronal and transversal plane is asymmetrical given low correlations, being strongly dependent on the subject’s posture. After these consideration about body movement symmetry from SMART data, we focused on ELITE-S2 data from the four cameras, quite close to the left body side, and we verified their reliability, always comparing them with “optimal” SMART data from the same left side. The evaluation of ELITE-S2 joint angles, from inverse kinematics, shows that in normal squat, wide squat, deadlift and single legged squat the correlations with the SMART results are good enough to consider the joint estimation from the four ELITE-S2 cameras, like in ISS configuration, comparable to the result of ten cameras in optimal configuration. Regarding the estimation of muscle forces, the results show a greater forces developed in thigh muscles controlling the knee motion than in shank muscles controlling the ankle motion. This is consistent with the efforts generated at the knee and the ankle joints. The time windows of muscle activations reflect the real involvement of the muscles in the different movement phases (flexion/ extending from standing). In 0G simulation, we saw that the microgravity effect on the torques produced at each joint, depends upon the joint and the exercise type. Accordingly, also the “optimal” BWR will differ depending on which joint and exercise we consider. However, this 0G simulation has been carried out assuming the same joint kinematics in 0G as acquired in 1G. This strong assumption is refuted by performing a standard video recording from the ISS during ARED use. Thus, experimental data from the ISS are needed and precious. Flight opportunity and the recruitment of the astronauts involved in experimental campaigns are under scheduling in NASA.

Durante le missioni spaziali, gli astronauti sono soggetti a numerosi cambiamenti fisiologici dovuti all’assenza di gravità. Tali cambiamenti includono l’atrofia del sistema muscoloscheletrico, una diminuzione nelle prestazioni muscolari in termini di forza sviluppata, nonché una compromissione del sistema cardiovascolare. Questo decondizionamento dei sistemi fisiologici è altamente reversibile per missioni di breve periodo (< 2 settimane), ma deve essere fortemente contrastato in missioni di lungo periodo (>1 mese) per garantire il successo della missione e il benessere dell’equipaggio. Da studi recenti è emerso il ruolo fondamentale delle contromisure, ovvero qualsiasi misura o azione intrapresa per contrastare o compensare situazioni dannose. Per questo, sono stati proposti dispositivi per l’esercizio fisico, al fine di limitare il decondizionamento muscoloscheletrico dovuto alla prolungata esposizione all’assenza di gravità. Un dispositivo è Advanced Resistive Exercise Device, o ARED, portato a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) con lo Space Shuttle STS-126, nel novembre 2008. ARED utilizza una resistenza regolabile, generata attraverso pistoni che si muovono all’interno di cilindri in cui è stato creato il vuoto; fornisce un carico fino a 272 kg. Questo dispositivo si trova nel Nodo 3 della ISS e viene attualmente utilizzato dall’equipaggio; quindi una dettagliata analisi biomeccanica sarebbe cruciale per la stima della forza muscolare e ossea sviluppata durante gli esercizi su ARED. A questo scopo può essere sfruttato un sistema di cattura del movimento in grado di acquisire dati quantitativi della cinematica. Il sistema Elaboratore Immagini Televisive - Space 2, “ELITE-S2”, è un sistema di motion capture con 4 telecamere portato a bordo della ISS nel 2007. Sfruttando ed integrando questi due dispositivi a bordo della ISS (ARED ed ELITE-S2), il "progetto ARED" si propone di eseguire una dettagliata analisi biomeccanica di movimenti con ARED, acquisendo molteplici esercizi con diversi carichi esterni, e stimando gli sforzi articolari attraverso tecniche avanzate di modellizzazione cinematica e dinamica del sistema muscolo-scheletrico. Inoltre, verrà investigato anche l’adattamento motorio durante la missione spaziale. Tale analisi consentirà l’ottimizzazione dei programmi di esercizio e favorirà la comprensione di come gli esercizi resistivi impattano sul corpo umano in microgravità, concentrandosi in particolare su anca, ginocchio e caviglia che sono le articolazioni più colpite dal decondizionamento muscolo-scheletrico. Il lavoro di tesi è parte di questo più ampio progetto iniziato un anno fa e della durata di 3-5 anni, che è il tempo necessario per raccogliere dati da un numero significativo di astronauti (ad esempio 12). Fondamentalmente il mio lavoro si è concentrato su: 1. Definizione del set-up e testing on ground – è stato definito il corretto posizionamento delle quattro telecamere di ELITE-S2 nel Nodo 3 della ISS, dove si trova ARED, riproducendo i vincoli spaziali della ISS, verificando la visibilità dei marcatori per avere una ricostruzione affidabile del movimento. 2. Definizione del protocollo e validazione attraverso dati preliminari on ground – il protocollo è stato definito in base alle specifiche di progetto (volume di lavoro, numero di marcatori, tipo di movimenti) e la validazione dei risultati di ELITE-S2 on ground è stata fatta attraverso l'acquisizione del movimento utilizzando simultaneamente un altro sistema di motion capture con dieci telecamere (SMART BTS), quindi in configurazione ottimale. 3. Modellizzazione biomeccanica per l’analisi dei dati – la ricostruzione del modello biomeccanico è stata effettuata utilizzando il software OpenSim, implementando analisi cinematiche e dinamiche. Sfruttando questo software è stata anche effettuata una simulazione in 0G ad-hoc. Abbiamo lavorato con il partner scientifico “Exercise Physiology and Countermeasures Lab, NASA JSC” al Johnson Space Center- Houston, dove è disponibile il modello on ground di ARED. Abbiamo esaminato la configurazione del Nodo 3, al fine di definire una posizione plausibile per le quattro telecamere di ELITE-S2, tenendo conto dei vincoli principali (ad es. muro del bagno, pareti del nodo, fori per staffe di fissaggio delle telecamere). Dopo varie valutazioni, abbiamo definito il protocollo costituito da diversi tipi di squat e deadlift con carico esterno differente e lo abbiamo presentato per le approvazioni etiche e mediche. Per la registrazione dei dati cinematici, attraverso i sistemi di motion capture, abbiamo stabilito 38 markers sul soggetto e un marker sulla piattaforma (lato telecamera). Tutte le acquisizioni sono state effettuate nel laboratorio ARED B26, utilizzando sia il sistema di motion capture SMART con dieci telecamere sia il sistema ELITE-S2 con quattro telecamere. Ha partecipato all’esperimento un soggetto (maschio, peso 833 N, altezza 175,4 cm). Da due piattaforme di forza, sincronizzate con SMART, sono stati ottenuti i dati relativi alle forze di reazione al terreno durante l’esercizio. Abbiamo definito quattro tipi di esercizio: normal squat, wide squat, single leg squat, e deadlift.Ad ogni esercizio è stato posizionato un carico esterno allineato verticalmente sulle spalle (contributo di ARED). Il soggetto ha eseguito questa serie di esercizi per tre volte: - 3 x una serie di due normal squats (125 lb - 56,7 kg) - 3 x una serie di due wide squats (125 lb - 56,7 kg) - 3 x una serie di due single legged squats (60 lb - 27,2 kg) - 3 x un esercizio di deadlift (125 lb - 56,7 kg) Il software per l’analisi biomeccanica dai dati acquisiti è OpenSim, un pacchetto software libero che consente di costruire e analizzare modelli muscoloscheletrici e realizzare analisi cinematiche e dinamiche del movimento. Sono stati creati appositi script in MATLAB per convertire i dati acquisiti dai sistemi di motion capture e dalle piattaforme di forza in input accettati da OpenSim. Il primo passo dell’analisi biomeccanica è scalare il modello alle dimensioni antropometriche reali del soggetto e per questo è stata acquisita una posizione ortostatica di riferimento (postura statica eretta) per ogni esercizio. Dopo questo scaling, abbiamo utilizzato il tool per la cinematica inversa (IK), per ottenere la cinematica degli angoli articolari, e successivamente è stato utilizzato il tool per la dinamica inversa (ID), che consente di determinare le coppie di momento articolare, stimate attraverso la cinematica acquisita e le forze di reazione al terreno. Infine il tool Compute Muscle Control è stato utilizzato per avere una stima delle attivazioni dei principali muscoli responsabili del movimento. Dal momento che la configurazione di ELITE-S2 è fissa e soggetta ai vincoli spaziali della ISS, consentendo l’acquisizione del solo lato sinistro del corpo umano, il primo parametro da verificare è la simmetria del movimento del normal squat, wide squat e deadlift. Per questa verifica abbiamo utilizzato il sistema SMART dato che, essendo in configurazione ottimale, acquisisce entrambi i lati del soggetto. Questa verifica ha dimostrato la simmetria sul piano sagittale di ogni esercizio (correlazioni elevate tra profilo gamba destra e profilo gamba sinistra in termini di flessione di anca, ginocchio e caviglia), mentre il movimento lungo il piano trasversale e coronale in termini di rotazione e adduzione dell’anca non può essere considerato perfettamente simmetrico. Infatti il movimento lungo questi due piani è fortemente dipendente dalla postura del soggetto. Coerentemente con i risultati cinematici, anche in termini dinamici la simmetria è forte solo sul piano sagittale. Dopo queste considerazioni sulla simmetria del movimento dai dati di SMART, ci siamo focalizzati sui dati da ELITE-S2 e abbiamo verificato l’affidabilità dei dati acquisiti dalle quattro telecamere sul lato sinistro del soggetto, sempre confrontandoli con i dati acquisiti dalla configurazione ottimale di SMART dello stesso lato. La valutazione degli angoli articolari, ottenuti dalla cinematica inversa, mostra che la correlazione tra il profilo angolare della gamba sinistra acquisita con ELITE-S2 e il profilo angolare della stessa gamba acquisita con SMART è buona per tutti i movimenti, lungo i tre piani, per ogni tipo di esercizio. Considerazioni simili circa l’affidabilità delle acquisizioni di ELITE-S2 sono emerse dallo studio dinamico dei momenti articolari. Per quanto riguarda la stima delle forze muscolari, i risultati mostrano una forza sviluppata maggiore nei muscoli della coscia, che controllano il movimento del ginocchio, rispetto ai muscoli della gamba, che controllano il movimento della caviglia. Ciò è coerente con gli sforzi generati al ginocchio e alla caviglia. Le finestre temporali di attivazioni muscolari riflettono il coinvolgimento dei muscoli nelle diverse fasi di movimento (flessione/ estensione).Nella simulazione in 0G, abbiamo visto che l’effetto della microgravità sui momenti generati ad ogni giunto articolare dipende dall’articolazione e dal tipo di esercizio considerato. Di conseguenza anche il Body Weight Replacement “ottimale” sarà diverso a seconda dell’articolazione considerata e dal tipo di esercizio. Tuttavia, questa simulazione 0G è stata effettuata assumendo la stessa cinematica acquisita in 1G. Questa forte ipotesi è stata confutata effettuando una registrazione video standard della cinematica durante l'uso di ARED a bordo della ISS. Pertanto sono necessari dati sperimentali reali dalla ISS; le opportunità di volo e il reclutamento degli astronauti coinvolti nelle campagne sperimentali sono in fase di pianificazione in NASA.