تخمین نیروهای عضلات و مفاصل کمری تحت فعالیت‌های فیزیکی مختلف با استفاده از یک مدل ترکیبی بهینه‌سازی و الکترومایوگرافی از ستون فقرات

محمدی, یوسف; عابدی, رسول; ارجمند, نوید; عطایی, غلامرضا; فتورائی, ناصر

doi:10.22041/ijbme.2018.85561.1344

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

¹ دانشجوی دکترا، گروه بیومکانیک، دانشکده‌ی مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران

² دانشیار، گروه بیومکانیک، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران

³ مربی، گروه پیراپزشکی، دانشکده‌ی پیراپزشکی، دانشگاه علوم پزشکی بابل، بابل

⁴ دانشیار، گروه بیومکانیک، دانشکده‌ی مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران

https://doi.org/10.22041/ijbme.2018.85561.1344

چکیده

شیوع کمردرد و ناهنجاریهای کمری در جوامع مختلف رو به افزایش است، به علاوه اندازهگیری مستقیم نیروی مربوط به عضلات و مهرههای ستون فقرات بسیار دشوار است. از این‌رو، استفاده از مدلهای بیومکانیکی اسکلتی-عضلانی به عنوان یک ابزار جهت محاسبه و تخمین نیروهای وارده بر ستون فقرات در فعالیتهای مختلف کاربرد فراوانی پیدا کرده است. لذا هدف این پژوهش تخمین نیروهای مذکور به روشهای مختلف به خصوص در فعالیت باربرداری میباشد. بدین منظور از یک مدل اسکلتی-عضلانی آناتومیکی توسعه یافته شامل 6 مفصل سه درجه‌ی آزادی و 76 فسیکل عضلانی استفاده شده است. به علت بیش‌تر بودن تعداد مجهولات (نیروی عضلات) از تعداد معادلات تعادل، سیستم دچار افزونگی بوده و مساله جهت حل، نامعین میباشند. بنابراین، از روشهای ترکیبی بهینه‌سازی و الکترومایوگرافی برای تخمین نیروی عضلات استفاده شده است. از آن‌جا که نیروهای عضلات حاصل از روش الکترومایوگرافی، معادلات تعادل را ارضا نمیکند، از یک‌سری ضرایب تصحیح جهت ارضای معادلات تعادل در تمام سطوح مفصلی کمری استفاده شده است. طبق نتایج به دست آمده برای یک فعالیت فیزیکی خاص، به علت استفاده از الگوریتمهای مختلف جهت یافتن نیروها، ضرایب تصحیح متفاوتی برای هر عضله در روشهای ترکیبی مختلف به دست میآید. مقادیر متفاوتی برای نیروی عضلات و میزان پایداری تخمینی توسط روشهای ترکیبی مختلف به دست آمد، اما نیروهای فشاری و برشی مفصلی در مدلهای ترکیبی به یک‌دیگر نزدیک میباشد. جهت صحت‌سنجی نتایج مدل، از دادههای مربوط به فشار دیسک چهارم و پنجم کمری در یک مطالعهی آزمایشگاهی استفاده شد، که هر دو مورد فشار را در محدوده‌ی 3/0 - 8/1 مگاپاسکال گزارش کردهاند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

بیومکانیک ستون مهره‌ها

عنوان مقاله [English]

Estimation of Low Back Muscles and Joints Forces in Various Physical Tasks using a Combined Optimization-EMG based Spinal Model

نویسندگان [English]

Yousef Mohammadi ¹
Rasoul Abedi ¹
Navid Arjmand ²
Gholamreza Ataei ³
Nasser Fatouraee ⁴

¹ Ph.D Student, Facualty of Biomechanics, Department of Biomedical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran

² Associate Professor, Facualty of Biomechanics, Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

³ Instructor, Faculty of Paramedical Sciences, Department of Radiological Technology, Babol University of Medical Sciences, Babol, Iran

⁴ Associate Professor, Facualty of Biomechanics, Department of Biomedical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran

چکیده [English]

The growth of low back pain and disoreders are increasing in different societies. Furthermore,the direct in vivo measurement of spinal and muscle forces is so difficult. Hence, the use of musculoskeletal biomechanical models has been emerged applicably as a tool for calculating and estimating spinal forces under various activities. Thus, the purpose of this study is to estimate the mentioned forces with different methods especially in lifting tasks. To this end, a six-joint model with eighteen degrees of freedom and 76 trunk muscle fascicles has been developed. Due to more number of unknowns (muscle forces) than equilibrium equations, the system is redundant and the problem is indeterminate to be solved. So the electromyography assisted optimization (EMGAO) approach is used for estimating muscle forces. Since foregoing EMG muscle forces do not satisfy equilibrium equations, correction coefficients have been used for satisfying equilibrium at all lumbar joint levels. According to results in an identical task, all of the approaches indicated substantial differences in correction coefficients for each muscle. Although the stability and muscle forces are different in various EMGAO methods, spinal compression and shear forces are closer to each other in these methods. For validation of results, the intradiscal pressure (IDP) at L4-L5 in various methods are in agreement with in vivo IDP value of an experimental test measurement so that both of them reported this quantity in the range of 0.3-1.8 (MPa).

کلیدواژه‌ها [English]

Electromyography
Hybrid Methods
Intradiscal Pressure
Low Back Muscle Force
Optimization

مراجع

[1] J. W. Frymoyer, and W. L. Cats-Baril, “An overview of the incidences and costs of low back pain,” Orthop. Clin. North. Am., vol. 22, no. 2, pp. 263-271, Apr. 1991.

[2] J. N. Katz, “Lumbar disc disorders and low-back pain: socioeconomic factors and consequences,” J. Bone. Joint. Surg. Am., vol. 88, Suppl 2, pp. 21-24, Apr. 2006.

[3] B. Silverstein, E. Viikari-Juntura, and J. Kalat, “Use of a prevention index to identify industries at high risk for work-related musculoskeletal disorders of the neck, back, and upper extremity in Washington state, 1990-1998,” Am. J. Ind. Med., vol. 41, no. 3, pp. 149-169, Mar. 2002.

[4] A. Shirazi-Adl, and M. Parnianpour, “Load-bearing and stress analysis of the human spine under a novel wrapping compression loading,” Clin. Biomech., vol. 15, no. 10, pp. 718-725, Dec. 2000.

[5] A. Shirazi-Adl, and M. Parnianpour, “Computational biomechanics of human spine under wrapping compression loading,” American Society of Mechanical Engineers, Applied Mechanics Division, AMD, vol. 242, pp. 65-73, 2000.

[6] S. Zeinali-Davarani, H. Hemami, K. Barin, A. Shirazi-Adl, and M. Parnianpour, “Dynamic stability of spine using stability-based optimization and muscle spindle reflex,” IEEE. Trans. Neural. Syst. Rehabil. Eng., vol. 16, no. 1, pp. 106-118, Feb. 2008.

[7] M. Hajihosseinali, N. Arjmand, A. Shirazi-Adl, F. Farahmand, and M. S. Ghiasi, “A novel stability and kinematics-driven trunk biomechanical model to estimate muscle and spinal forces,” Med. Eng. Phys., vol. 36, no. 10, pp. 1296-1304, Jul. 2014.

[8] A. Rohlmann, M. Dreischarf, T. Zander, F. Graichen, and G. Bergmann, “Loads on a vertebral body replacement during locomotion measured in vivo,” Gait. Posture. vol. 39, no. 2, pp. 750-755, Oct. 2014.

[9] H. Wilke, P. Neef, B. Hinz, H. Seidel, and L. E. Claes, “Intradiscal pressure together with anthropometric data--a data set for the validation of models,” Clin. Biomech. (Bristol. Avon)., vol. 16 Suppl 1, pp. S111-126, 2001.

[10] N. Arjmand, and A. Shirazi-Adl, “Sensitivity of kinematics-based model predictions to optimization criteria in static lifting tasks,” Med. Eng. Phys., vol. 28, no. 6, pp. 504-514, Nov. 2006.

[11] F. Ghezelbash, A. Shirazi-Adl, N. Arjmand, Z. El-Ouaaid, and A. Plamondon, “Subject-specific biomechanics of trunk: musculoskeletal scaling, internal loads and intradiscal pressure estimation,” Biomech. Model. Mechanobiol., vol. 15, no. 6, pp. 1699-1712, Dec. 2016.

[12] P. Dolan and M. A. Adams, "The relationship between EMG activity and extensor moment generation in the erector spinae muscles during bending and lifting activities," J. Biomech., vol. 26, pp. 513-522, 1993.

[13] K. P. Granata and W. S. Marras, "An EMG-assisted model of loads on the lumbar spine during asymmetric trunk extensions," J. Biomech., vol. 26, pp. 1429-1438, 1993.

[14] D. Gagnon, C. Lariviere, and P. Loisel, “Comparative ability of EMG, optimization, and hybrid modelling approacches to predict trunk muscle forces and lumbar spine loading during dynamic sagittal plane lifting,” Clin. Biomech. (Bristol. Avon)., Vol. 16, no. 5, pp. 359-372, Jun. 2001.

[15] N. Arjmand, D. Gagnon, A. Plamondon, A. Shirazi-Adl, and C. Lariviere, “Comparison of trunk muscle forces and spinal loads estimated by two biomechanical models,” Clin. Biomech.(Bristol. Avon)., vol. 24, no. 7, pp. 533-541, Aug. 2009.

[16] N. Arjmand, and A. Shirazi-Adl, “Model and in vivo studies on human trunk load partitioning and stability in isometric forward flexions,” J. Biomech., vol. 39, no. 3, pp. 510-521, 2006.

[17] N. Bogduk, “Functional anatomy of the spine,” Handbook. Clin. Neurology., vol. 136, pp. 675-688, 2016.

[18] A. Shirazi-Adl, “Analysis of large compression loads on lumbar spine in flexion and in torsion using a novel wrapping element,” J. Biomech., vol. 39, no. 2, pp. 26 7-275, 2006.

[19] F. Ghezelbash, N. Arjmand, and A. Shirazi-Adl, “Effect of intervertebral translational flexibilities on estimations of trunk muscle forces, kinematics, loads, and stability,” Comput. Methods. Biomech. Biomed. Engin., vol. 18, no. 16, pp. 1760-1767, Sep. 2015.

[20] J. Cholewicki, and S. M. McGill, “EMG assisted optimization: A hybrid approach for estimating muscle forces in an indeterminate biomechanical model,” J. Biomech., vol. 27, no. 10, pp. 1287-1289, Oct. 1994.

[21] S. Kian-Bostanabad, and M.-R. Azghani, “The relationship between RMS electromyography and thickness change in the skeletal muscles,” Med. Eng. Phys., vol. 43, pp. 92-96, May. 2017.

[22] D. Gagnon, N. Arjmand, A. Plamondon, A. Shirazi-Adl, and C. Lariviere, “An improved multi-joint EMG-assisted optimization approach to estimate joint and muscle forces in a musculoskeletal model of the lumbar spine,” J. Biomech., vol. 44, no. 8, pp. 1521-1529, May. 2011.

[23] L. Vigouroux, F. Quaine, A. Labarre-Vila, D. Amarantini, and F. Moutet, “Using EMG data to constrain optimization procedure improves finger tendon tension estimations during static fingertip force production,” J. Biomech., vol. 40, no. 13, pp. 2846-2856, May. 2007.

[24] J. R. Meakin, J. S. Gregory, F. W. Smith, F. J. Gilbert, and R. M. Aspden, “Characterizing the shape of the lumbar spine using an active shape model: reliability and precision of the method,” Spine. (Phila Pa 1976)., vol. 33, no. 7, pp. 807-813, Apr. 2008.

[25] M. Dreischarf, A. Rohlmann, R. Zhu, H. Schmidt, and T. Zander, “Is it possible to estimate the compressive force in the lumbar spine from intradiscal pressure measurements? A finite element evaluation,” Med. Eng. Phys., vol. 35, no. 9, pp. 1385-1390, Sep. 2013.

[26] M. Dreischarf, A. Shirazi-Adl, N. Arjmand, A. Rohlmann, and H. Schmidt, “Estimation of loads on human lumbar spine: A review of in vivo and computational model studies,” J. Biomech., vol. 49, no. 6, pp. 833-845, Apr. 2016.

[27] A. Rohlmann, F. Graichen, A. Bender, R. Kayser, and G. Bergmann, “Loads on a telemeterized vertebral body replacement measured in three patients within the first postoperative month,” Clin. Biomech. (Bristol. Avon)., vol. 23, no. 2, pp. 147-158, Feb. 2008.

[28] H.-J. Wilke, A. Rohlmann, G. Bergmann, F. Graichen, and L. E. Claes, “Comparison of intradiscal pressures and spinal flexor loads foe different body positions and exerccises,” J. Biomech., vol. 34, Supplement 1, pp. 37-42, 2001.

[29] F. Ghezelbash, A. H. Eskandari, A. Shirazi-Adl, N. Arjmand, Z. El-Ouaaid, and A. Plamondon, “Effects of motion segment simulation and joint positioning on spinal loads in trunk musculoskeletal models,” J. Biomech., vol. 70, pp. 149-156, March. 2018.

[30] F. Ghezelbash, Z. EI Quaaid, A. Shirazi-Adl, A. Plamondon, N. Arjmand, “Trunk musculoskeletal response in maximum voluntary exertions: A combined measurement-modeling investigation,” J. Biomech., vol. 70, pp. 124-133, March. 2018.

[31] F. Azari, N. Arjmand, A. Shirazi-Adl, T. Rahimi-Moghadam, “A combined passive and active musculoskeletal model study to estimate L4-L5 load sharing,” J. Biomech., vol. 70, pp. 157-165, March. 2018.

نشریه‌ی علمی مهندسی پزشکی زیستی

تخمین نیروهای عضلات و مفاصل کمری تحت فعالیت‌های فیزیکی مختلف با استفاده از یک مدل ترکیبی بهینه‌سازی و الکترومایوگرافی از ستون فقرات

مراجع

مراجع

دوره 11، شماره 4
بهمن 1396
صفحه 351-363

تخمین نیروهای عضلات و مفاصل کمری تحت فعالیت‌های فیزیکی مختلف با استفاده از یک مدل ترکیبی بهینه‌سازی و الکترومایوگرافی از ستون فقرات

مراجع

مراجع

دوره 11، شماره 4بهمن 1396صفحه 351-363

دوره 11، شماره 4
بهمن 1396
صفحه 351-363