Effects of powered ankle–foot orthoses mass distribution on lower limb muscle forces—a simulation study

Abstract

This simulation study aimed to explore the effects of mass and mass distribution of powered ankle–foot orthoses, on net joint moments and individual muscle forces throughout the lower limb. Using OpenSim inverse kinematics, dynamics, and static optimization tools, the gait cycles of ten subjects were analyzed. The biomechanical models of these subjects were appended with ideal powered ankle–foot orthoses of different masses and actuator positions, as to determine the effect that these design factors had on the subject’s kinetics during normal walking. It was found that when the mass of the device was distributed more distally and posteriorly on the leg, both the net joint moments and overall lower limb muscle forces were more negatively impacted. However, individual muscle forces were found to have varying results which were attributed to the flow-on effect of the orthosis, the antagonistic pairing of muscles, and how the activity of individual muscles affect each other. It was found that mass and mass distribution of powered ankle–foot orthoses could be optimized as to more accurately mimic natural kinetics, reducing net joint moments and overall muscle forces of the lower limb, and must consider individual muscles as to reduce potentially detrimental muscle fatigue or muscular disuse. Graphical Abstract OpenSim modelling method to explore the effect of mass and mass distribution on muscle forces and joint moments, showing potential mass positioning and the effects of these positions, mass, and actuation on the muscle force integral.

Modelagem E Dimensionamento De Motores E Conversores Para Órtese De Membros Inferiores

“…Os ângulos mapeados pelo ciclo de marcha são mapeados nas figuras abaixo: Figura 6: Média dos ângulos e momentos das articulações ao longo do ciclo de marcha para massa de 3kg. [2] Tratando a média de todos os grupos musculares no membro direito inferior, foram observadas mudanças percentuais variando entre 59% e 81.79% causadas pelo posicionamento do autuador. Este comportamento também foi observado nas situações onde o autuador não estava ativado, mas com mudanças percentuais maiores, evidenciando aumento na força muscular devido à adição da órtese, com as forças musculares sendo mais negativamente afetadas quando o autuador foi posicionado posteriormente na posição mais baixa do membro.…”

“…Figura 7: Mudança Percentual da integral da curva de força muscular por componente da órtese para média dos músculos do membro inferior. [2] Tabela 3: Tabela de efeito da massa e atuação da órtese na força muscular. [ Dos 31 músculos avaliados, os sete músculos mais afetados pela adição da órtese foram o adductor magnus, gluteus maximus, gastrocnemius lateral e medial, semitendíneo, semimembranoso e a cabeça curta do biceps femoris.…”

“…Também se observa um pico de 90% do ciclo de marcha alinhado com a extensão do qaudril, com o atuador causando um aumento significativo na força muscular quando comparado às situações de apenas massa.Os músculos avaliados são demarcados na figura abaixo: Figura 8: Modelo OpenSim -Músculos mais afetados pela órtese. [2] Dos músculos mais afetados restantes, o adductor magnus, gluteus maximos e gastrocnemus lateral e medial apresentaram um aumento de força muscular e mudança percentual da integral da força muscular quando o autuador estava ativo. O adutor magnus é o maior músculo no compartimento medial, participando da flexão e da extensão do quadril, assim como da adução, apresentando vários picos na força muscular que são afetados pela adição da órtese, com picos de 45% e 60% alinhando com os pontos de flexão do quadril, que são os mais afetados negativamente pela adição de massa.…”

“…Também se observa um pico de90% do ciclo de marcha alinhado com a extensão do qaudril, com o atuador causando um aumento significativo na força muscular quando comparado às situações de apenas massa.As medidas de força para os maiores músculos, e suas mudanças percentuais são demarcadas nas figuras abaixo: Figura 9: Curvas de força muscular para cada músculo identificado como mais afetado pela órtese e curva da força do atuador. [2] Figura 10: Mudança percentual da curva da força muscular por componente dos grupos semimembranoso, semitendíneo e cabeça curta do biceps femoris. [2] Figura 11: Mudança percentual da curva da força muscular por componente dos adductor magnus, gluteus maximus, medial gastrocnemius elateral gastrocnemius.…”

“…[2] Figura 10: Mudança percentual da curva da força muscular por componente dos grupos semimembranoso, semitendíneo e cabeça curta do biceps femoris. [2] Figura 11: Mudança percentual da curva da força muscular por componente dos adductor magnus, gluteus maximus, medial gastrocnemius elateral gastrocnemius. [2] Da pesquisa, pode se notar um conjunto de observações relevantes ao projeto.…”