Modelado musculoesquelético y método de elementos finitos, un enfoque biomecánico integrador del análisis de la marcha

Abstract

Clinical gait analysis is a process to identify the causes of gait patterns who patients with any motor disorders develop, and how they come to it gait. In this way, musculoskeletal models arise to estimate individual muscle forces because it is a difficult or impossible task to perform in clinical settings, since it require invasive technique. On the other hand integrative biomechanics, will provide a holistic simulation that require optimal models who represents the neuromuscular response at the same time with a detailed models who represents the dynamic behaviour of the biological tissues from the human musculoskeletal system. The aims of this thesis were focused in these research topics of computational biomechanics. Thereby, a first contribution of this thesis was develop a musculoskeletal model with the main objective to improve the computational tools used in clinical gait analysis. As a second contribution, the behaviour of different objective functions was evaluated. Later as a third contribution, we analyse the behaviour of musculoskeletal models in patients with cerebral palsy to develop a crouch gait, due to the gait analysis of these patients have an important social interest. Finally, as a fourth contribution, we developed and tested a computational model of the pelvis under an integrative biomechanical approach. This model tends to analyse the advantages of rigid bodies musculoskeletal model to estimate the muscle forces throughout the gait and then were included as a physiological input of a finite element model to assess the stresses-strain in bone and cartilage structures of the pelvis.

El análisis clínico de la marcha es un proceso que permite determinar las causas de la marcha de sujetos con alteraciones motrices y cómo ellos llegan a desarrollarla. De esta manera surgen los modelos musculoesqueléticos para estimar las fuerzas musculares individuales considerando que esto es una tarea difícil o imposible de realizar en ambientes clínicos por requerir generalmente técnicas invasivas para lograrlo de manera directa. Por otro lado la biomecánica integradora, brinda una simulación holística del aparato locomotor humano requiriendo modelos que optimicen la respuesta neuromuscular simultáneamente con modelos detallados de la dinámica del comportamiento de los tejidos. Dentro de estas líneas de investigación en biomecánica computacional estuvo centrada esta tesis. De esta manera, como primer aporte de esta tesis se destaca el desarrollo de un modelo musculoesquelético que presenta como objetivo principal potenciar las herramientas computacionales que son utilizadas en la actualidad en el análisis clínico de la marcha. Un segundo aporte a este desarrollo consiste en la evaluación del comportamiento de diferentes funciones objetivo. Un tercer aporte, considera el comportamiento de los modelos musculoesqueléticos en pacientes con parálisis cerebral que desarrollan una marcha agazapada, debido al interés social que tiene el análisis de las patologías que limitan el movimiento de estos sujetos. Finalmente, como un cuarto aporte de esta tesis, se desarrolló y analizó un modelo computacional de la pelvis bajo un enfoque biomecánico integrador el cual contempló las virtudes que brindan los modelos musculoesqueléticos de cuerpos rígidos para lograr estimar las fuerzas musculares involucradas en la marcha.