Muscle-driven forward-like dynamic simulation of human sit-to-stand motion using Opensim's muscle optimal-control to compute muscle and joint reaction forces

Ad oggi, non è stato riportato alcun tentativo di studiare il movimento Sit-to-Stand (STS) tramite un approccio di ottimizzazione dinamica (DO) che confronti diverse funzioni di costo. In questa tesi viene proposta una pipeline MATLAB che utilizza un modello muscoloscheletrico (MSK) e il tool Muscle Optimal Control (MOCO) di OpenSim per calcolare le forze muscolari e le forze di reazione articolari in tre scenari di DO: inseguimento delle Ground Reaction Forces (GRF Tracking), minimizzazione della forza anteroposteriore alla caviglia (Min Ankle) e minimizzazione della forza anteroposteriore al ginocchio (Min Knee). Le tre funzioni di costo sono state utilizzate per analizzare i movimenti di otto giovani soggetti maschi sani che eseguivano tre tipi di trial: STS normale, STS veloce e STS “bouncy”, caratterizzato da una momentanea perdita di contatto tra i piedi e il suolo. Il modello include elementi di contatto sui glutei e sui piedi, permettendo di studiare le forze di contatto tra sedia e glutei e tra piedi e pavimento durante il movimento. Le forze di reazione articolari e gli angoli articolari sono stati quindi utilizzati come input per un modello elastico compliante del ginocchio, per valutarne la coerenza con i gradi di libertà (DOF) riportati in letteratura e verificarne la fattibilità anatomica. I risultati mostrano che gli output del modello elastico sono simili tra le tre strategie, mentre emergono differenze nelle forze articolari. La strategia Min Knee riduce le forze di picco medie al ginocchio fino a 6 pesi corporei (BW), aumentando però quelle alla caviglia fino a 1 BW e all’anca fino a 2 BW. Non si osservano differenze rilevanti tra GRF Tracking e Min Ankle. L’effetto della velocità è evidente tra STS veloce e normale, con un aumento delle forze al ginocchio (fino a 3 BW) e alla caviglia (0.5 BW). Lo STS bouncy non aumenta le forze ma modifica l’andamento delle curve, con una diminuzione dei valori nel momento della perdita di contatto.