Model selection is one of the most important modeling choices in the OpenSim environment. Many models have been developed over the years with varying degrees of accuracy and intended use. Analyzing knee joint contact loads provides insight into the knee loading conditions which are strongly related to diseases such as knee osteoarthritis. Unphysiological tibiofemoral compartment loads are related to pathologic conditions, therefore nowadays is very important to exploit models able to provide medial and lateral knee contact load components. The two most used OpenSim models to date have been presented by Zach Lerner and by Adrian Lai and Allison Arnold. Zach Lerner created a model able to split the TibioFemoral (TF) contact loads into medial and lateral components, the drawback of this kind of model is that is not accurate for high knee flexion angles, while the model presented by Lai can overcome Lerner drawback but doesn’t show any knee loads partition. Since it hasn’t been provided so far, this study aims to offer a comparison among these two models to understand which can be the best operations to merge these two models. Other aim of this study is to prove the bounty of the tibiofemoral ML load partitioning proposed by Lerner, which is hypothesized with ML loads equally shared among the two compartments during cycling, while with a heavier medial engagement during gait. To reach these goals 5 participants performing gait and cycling tasks have been tested through a motion analysis system (Motion Analysis Corp. Santa Rosa, CA, USA) with 12 digital cameras recording motion and 4 force plates (Accugait, AMTI, Watertown, MA, USA) recording ground reaction forces. The provided data were already processed in Cortex. The data processing has been performed following the OpenSim workflow, consisting in Scale tool, inverse kinematics analysis, residual reduction algorithm, static optimization, joint reaction analysis and inverse dynamics analysis. The tibiofemoral contact forces have been obtained from joint reaction analysis while knee flexion/extension and abduction/adduction moments have been obtained from inverse dynamics. These parameters underwent to a MATLAB interpolation and to an average on 3 trials for each participant, both for gait and cycling. A statistical comparison exploiting Minitab paired t-test has been performed, based on flexion/extension moment, abduction/adduction moment and tibial contact force in their maximal, minimal and average values, and Mediolateral tibiofemoral Force Ratio (MLFR) in its maximal value. The results show that maximum MLFR (p < 0,05) is significantly different for gait compared to cycling, with gait showing maximum medial contact force 4 times higher than cycling, while cycling presents a more equal distribution of the force, matching the hypothesis made for this parameter. The maximum, minimum and average TF contact force (p < 0,01) during cycling is significantly different for Lerner compared to Lai. This discrepancy has been explained looking at the muscle force produced in the high knee flexion angle range, which shows that the muscle parameters set in Lai bring to an higher muscle force prediction. Important considerations have been made on the complexity of the two models, dealing with the opportunity to choose the right model in which transfer the main features of the compared one. Lerner presents a higher number of bodies and muscles with respect to Lai which could be hard to transfer. Lai shows the same problem regarding its wrapping surfaces, introduced to improve the simulation speed, that aren’t present in Lerner model and could be computationally hard to transfer.

La selezione del modello è una delle scelte più importanti nell'ambiente OpenSim. Molti modelli sono stati sviluppati nel corso degli anni con vari gradi di precisione e diversa destinazione d'uso. L'analisi dei carichi di contatto dell'articolazione del ginocchio fornisce informazioni dettagliate sulle condizioni di carico di tale articolazione che sono fortemente correlate a malattie come l'artrosi del ginocchio. I carichi non fisiologici del compartimento TibioFemorale (TF) sono correlati a condizioni patologiche, pertanto oggigiorno è molto importante sfruttare modelli in grado di predire le componenti di carico di contatto mediale e laterale del ginocchio. I due modelli OpenSim più utilizzati fino ad oggi sono quelli presentati da Zach Lerner e da Adrian Lai insieme ad Allison Arnold. Zach Lerner ha creato un modello in grado di suddividere il carico di contatto tibiofemorale nelle componenti mediale e laterale, lo svantaggio di questo tipo di modello è che non è preciso per angoli di flessione del ginocchio elevati. D’altro canto, sebbene il modello presentato da Lai possa superare i problemi di approccio di Lerner ad angoli di flessione del ginocchio elevati, sfortunatamente non mostra alcuna partizione dei carichi tibiofemorali. Dal momento che non è stato ancora eseguito, questo studio mira a offrire un confronto tra questi due modelli per capire quali possono essere le operazioni migliori per effettuarne la fusione delle caratteristiche principali. Altro scopo di questo studio è dimostrare la bontà del partizionamento del carico tibiofemorale MedioLaterale (ML) proposto da Lerner, che è ipotizzato con carichi ML equamente ripartiti tra i due compartimenti durante le prove di pedalata, mentre è previsto con un maggiore impegno mediale durante le prove di camminata. Per raggiungere questi obiettivi sono stati testati 5 partecipanti che hanno eseguito prove di pedalata e cammino attraverso un sistema di analisi del movimento (Motion Analysis Corp. Santa Rosa, California, USA) con 12 videocamere digitali che hanno registrato il movimento e 4 piastre di forza (Accugait, AMTI, Watertown, MA, USA) per la rilevazione delle forze di reazione al suolo. I dati forniti erano già stati elaborati in Cortex. La successiva elaborazione dei dati è stata eseguita seguendo il flusso di lavoro di OpenSim, costituito da strumento di scalatura, analisi cinematica inversa, algoritmo di riduzione dei residui, ottimizzazione statica, analisi delle reazioni articolari e analisi della dinamica inversa. Le forze di contatto tibiofemorale sono state ottenute dall'analisi delle reazioni articolari mentre i momenti di flessione / estensione del ginocchio e di abduzione / adduzione sono stati ottenuti dall’analisi della dinamica inversa. Questi parametri sono stati interpolati in MATLAB e mediati su 3 prove per ciascun partecipante, sia per le prove di cammino che di pedalata. È stato eseguito un confronto statistico in Minitab attraverso t-test, in cui sono stati analizzati momento di flessione/estensione, momento di abduzione/adduzione e forza di contatto tibiofemorale nei loro valori massimi, minimi e medi ed inoltre è stato analizzato il rapporto di forza tibiofemorale medio-laterale (MLFR) nel suo valore massimo. I risultati mostrano che il MLFR massimo (p <0,05) è significativamente diverso per la camminata rispetto alla pedalata, la prova di cammino mostra la massima forza di contatto mediale 4 volte superiore rispetto alla pedalata, mentre la prova di pedalata presenta una distribuzione più equa della forza. Il parametro MLFR si mantiene quindi aderente alle ipotesi iniziali in entrambi i casi. La forza di contatto TF massima, minima e media (p <0,01) durante la pedalata è significativamente diversa per Lerner rispetto a Lai. Questa discrepanza è stata spiegata osservando la forza muscolare prodotta nel range di elevata flessione del ginocchio, portando a dimostrare che i parametri muscolari impostati in Lai portano a una predizione della forza muscolare più elevata. Importanti considerazioni sono state fatte sulla complessità dei due modelli, affrontando il tema dell'opportunità di scegliere il modello giusto in cui trasferire le caratteristiche principali dell’altro modello confrontato. Lerner presenta un numero maggiore di corpi (bodies) e muscoli rispetto a Lai che potrebbero essere difficili da trasferire. Lai mostra lo stesso problema per quanto riguarda le sue superfici di avvolgimento, introdotte per migliorare la velocità di simulazione, che non sono presenti nel modello di Lerner e potrebbero essere difficili da trasferire a livello computazionale.

Comparative analysis of models for the assessment of tibiofemoral contact loads during cycling and gait trials

PALUMBIERI, ALBERTO
2018/2019

Abstract

Model selection is one of the most important modeling choices in the OpenSim environment. Many models have been developed over the years with varying degrees of accuracy and intended use. Analyzing knee joint contact loads provides insight into the knee loading conditions which are strongly related to diseases such as knee osteoarthritis. Unphysiological tibiofemoral compartment loads are related to pathologic conditions, therefore nowadays is very important to exploit models able to provide medial and lateral knee contact load components. The two most used OpenSim models to date have been presented by Zach Lerner and by Adrian Lai and Allison Arnold. Zach Lerner created a model able to split the TibioFemoral (TF) contact loads into medial and lateral components, the drawback of this kind of model is that is not accurate for high knee flexion angles, while the model presented by Lai can overcome Lerner drawback but doesn’t show any knee loads partition. Since it hasn’t been provided so far, this study aims to offer a comparison among these two models to understand which can be the best operations to merge these two models. Other aim of this study is to prove the bounty of the tibiofemoral ML load partitioning proposed by Lerner, which is hypothesized with ML loads equally shared among the two compartments during cycling, while with a heavier medial engagement during gait. To reach these goals 5 participants performing gait and cycling tasks have been tested through a motion analysis system (Motion Analysis Corp. Santa Rosa, CA, USA) with 12 digital cameras recording motion and 4 force plates (Accugait, AMTI, Watertown, MA, USA) recording ground reaction forces. The provided data were already processed in Cortex. The data processing has been performed following the OpenSim workflow, consisting in Scale tool, inverse kinematics analysis, residual reduction algorithm, static optimization, joint reaction analysis and inverse dynamics analysis. The tibiofemoral contact forces have been obtained from joint reaction analysis while knee flexion/extension and abduction/adduction moments have been obtained from inverse dynamics. These parameters underwent to a MATLAB interpolation and to an average on 3 trials for each participant, both for gait and cycling. A statistical comparison exploiting Minitab paired t-test has been performed, based on flexion/extension moment, abduction/adduction moment and tibial contact force in their maximal, minimal and average values, and Mediolateral tibiofemoral Force Ratio (MLFR) in its maximal value. The results show that maximum MLFR (p < 0,05) is significantly different for gait compared to cycling, with gait showing maximum medial contact force 4 times higher than cycling, while cycling presents a more equal distribution of the force, matching the hypothesis made for this parameter. The maximum, minimum and average TF contact force (p < 0,01) during cycling is significantly different for Lerner compared to Lai. This discrepancy has been explained looking at the muscle force produced in the high knee flexion angle range, which shows that the muscle parameters set in Lai bring to an higher muscle force prediction. Important considerations have been made on the complexity of the two models, dealing with the opportunity to choose the right model in which transfer the main features of the compared one. Lerner presents a higher number of bodies and muscles with respect to Lai which could be hard to transfer. Lai shows the same problem regarding its wrapping surfaces, introduced to improve the simulation speed, that aren’t present in Lerner model and could be computationally hard to transfer.
KLISCH, STEPHEN
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
3-ott-2019
2018/2019
La selezione del modello è una delle scelte più importanti nell'ambiente OpenSim. Molti modelli sono stati sviluppati nel corso degli anni con vari gradi di precisione e diversa destinazione d'uso. L'analisi dei carichi di contatto dell'articolazione del ginocchio fornisce informazioni dettagliate sulle condizioni di carico di tale articolazione che sono fortemente correlate a malattie come l'artrosi del ginocchio. I carichi non fisiologici del compartimento TibioFemorale (TF) sono correlati a condizioni patologiche, pertanto oggigiorno è molto importante sfruttare modelli in grado di predire le componenti di carico di contatto mediale e laterale del ginocchio. I due modelli OpenSim più utilizzati fino ad oggi sono quelli presentati da Zach Lerner e da Adrian Lai insieme ad Allison Arnold. Zach Lerner ha creato un modello in grado di suddividere il carico di contatto tibiofemorale nelle componenti mediale e laterale, lo svantaggio di questo tipo di modello è che non è preciso per angoli di flessione del ginocchio elevati. D’altro canto, sebbene il modello presentato da Lai possa superare i problemi di approccio di Lerner ad angoli di flessione del ginocchio elevati, sfortunatamente non mostra alcuna partizione dei carichi tibiofemorali. Dal momento che non è stato ancora eseguito, questo studio mira a offrire un confronto tra questi due modelli per capire quali possono essere le operazioni migliori per effettuarne la fusione delle caratteristiche principali. Altro scopo di questo studio è dimostrare la bontà del partizionamento del carico tibiofemorale MedioLaterale (ML) proposto da Lerner, che è ipotizzato con carichi ML equamente ripartiti tra i due compartimenti durante le prove di pedalata, mentre è previsto con un maggiore impegno mediale durante le prove di camminata. Per raggiungere questi obiettivi sono stati testati 5 partecipanti che hanno eseguito prove di pedalata e cammino attraverso un sistema di analisi del movimento (Motion Analysis Corp. Santa Rosa, California, USA) con 12 videocamere digitali che hanno registrato il movimento e 4 piastre di forza (Accugait, AMTI, Watertown, MA, USA) per la rilevazione delle forze di reazione al suolo. I dati forniti erano già stati elaborati in Cortex. La successiva elaborazione dei dati è stata eseguita seguendo il flusso di lavoro di OpenSim, costituito da strumento di scalatura, analisi cinematica inversa, algoritmo di riduzione dei residui, ottimizzazione statica, analisi delle reazioni articolari e analisi della dinamica inversa. Le forze di contatto tibiofemorale sono state ottenute dall'analisi delle reazioni articolari mentre i momenti di flessione / estensione del ginocchio e di abduzione / adduzione sono stati ottenuti dall’analisi della dinamica inversa. Questi parametri sono stati interpolati in MATLAB e mediati su 3 prove per ciascun partecipante, sia per le prove di cammino che di pedalata. È stato eseguito un confronto statistico in Minitab attraverso t-test, in cui sono stati analizzati momento di flessione/estensione, momento di abduzione/adduzione e forza di contatto tibiofemorale nei loro valori massimi, minimi e medi ed inoltre è stato analizzato il rapporto di forza tibiofemorale medio-laterale (MLFR) nel suo valore massimo. I risultati mostrano che il MLFR massimo (p <0,05) è significativamente diverso per la camminata rispetto alla pedalata, la prova di cammino mostra la massima forza di contatto mediale 4 volte superiore rispetto alla pedalata, mentre la prova di pedalata presenta una distribuzione più equa della forza. Il parametro MLFR si mantiene quindi aderente alle ipotesi iniziali in entrambi i casi. La forza di contatto TF massima, minima e media (p <0,01) durante la pedalata è significativamente diversa per Lerner rispetto a Lai. Questa discrepanza è stata spiegata osservando la forza muscolare prodotta nel range di elevata flessione del ginocchio, portando a dimostrare che i parametri muscolari impostati in Lai portano a una predizione della forza muscolare più elevata. Importanti considerazioni sono state fatte sulla complessità dei due modelli, affrontando il tema dell'opportunità di scegliere il modello giusto in cui trasferire le caratteristiche principali dell’altro modello confrontato. Lerner presenta un numero maggiore di corpi (bodies) e muscoli rispetto a Lai che potrebbero essere difficili da trasferire. Lai mostra lo stesso problema per quanto riguarda le sue superfici di avvolgimento, introdotte per migliorare la velocità di simulazione, che non sono presenti nel modello di Lerner e potrebbero essere difficili da trasferire a livello computazionale.
Tesi di laurea Magistrale
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