La stima del lavoro meccanico muscolare è un utile strumento per valutare l'efficienza di un movimento, ma il processo di calcolo presenta ancora molte criticità dal punto di vista biomeccanico. Diversi metodi per stimare il lavoro meccanico muscolare durante il cammino sono stati presentati in letteratura, ma nonostante i tentativi fatti per confrontarli, tutti i metodi sono tuttora utilizzati in ambito di ricerca e in ambito clinico. Una più profonda comprensione delle differenze, sia dal punto di vista teorico, che pratico, potrebbe permettere di capire cosa venga effettivamente calcolato da ciascun metodo ed aiutare a fare un uso più appropriato di questa informazione. A questo scopo è stato validato un modello tridimensionale a corpo completo, consistente in 16 segmenti, utilizzato per raccogliere informazioni cinematiche e dinamiche durante il cammino in ragazzi e bambini sani e in ragazzi e bambini affetti da paralisi cerebrale infantile (CP), camminati a velocità spontanea. Lo sviluppo di due maniglie strumentate fissabili sulla struttura di deambulatori pediatrici posteriori ha permesso di misurare cinematica e dinamica dell'arto superiore anche in soggetti con maggiori difficoltà di deambulazione. Curve di potenza e valori di lavoro meccanico muscolare totale, positivo, negativo o netto, durante cammino normale e durante cammino con deambulatore, sono stati stimati dimostrando che tutti i metodi sono equivalenti quando vengono permessi trasferimenti di energia tra segmenti. Senza possibilità di trasferimento di energia, i metodi differiscono tra loro, con differenze dipendenti dal metodo utilizzato e dal movimento studiato. Eccetto alcune criticità evidenziate e discusse, l'analisi delle curve di potenza muscolare e dei valori di lavoro meccanico muscolare stimati può fornire utili informazioni sulla funzione locomotoria nel suo complesso, mettendo in luce deficit di propulsione, asimmetrie del cammino, inefficienze di movimento associate ad una ridotta capacità di recupero di energia.

The estimation of muscle mechanical work can be useful to assess movement efficiency, but it is still a challenging task in biomechanics. Different methods to estimate muscle work during walking have been presented in the literature and, although attempts have been made to investigate differences among them, all methods are still used in research and clinical applications. A deeper understanding of theoretical differences and analogies would allow to know what is exactly computed by each method and help to make a more appropriate use of this information. To this purpose, a 16 segments full-body 3D model was validated and used to collect kinematic and kinetic data from healthy children and cerebral palsy (CP) children walking at self-selected speed. Two instrumented handles fixable on the frame of posterior paediatric walkers were also developed, to measure upper limb kinetics in subjects with more severe walking impairements. Whole-body muscle mechanical power curves and work values, either positive, negative or net, during normal gait and during walker locomotion were obtained, demonstrating that all methods are equivalent when energy transfers between segments are allowed. With no transfers allowed, methods differ among each other, with differences depending on the movements and the methods considered. Apart from some critical issues evidenced and discussed, the analysis of whole-body muscle mechanical power curves and work estimates can provide valuable information on the overall locomotion function, highlighting propulsive deficits, gait asymmetries, movement inefficiencies associated to reduced energy recuperation.

Muscle mechanical work in walker-assisted locomotion: Instrumentationand modelling for an integrated gait analysis in cerebral palsy

CONTE, Davide
2012

Abstract

La stima del lavoro meccanico muscolare è un utile strumento per valutare l'efficienza di un movimento, ma il processo di calcolo presenta ancora molte criticità dal punto di vista biomeccanico. Diversi metodi per stimare il lavoro meccanico muscolare durante il cammino sono stati presentati in letteratura, ma nonostante i tentativi fatti per confrontarli, tutti i metodi sono tuttora utilizzati in ambito di ricerca e in ambito clinico. Una più profonda comprensione delle differenze, sia dal punto di vista teorico, che pratico, potrebbe permettere di capire cosa venga effettivamente calcolato da ciascun metodo ed aiutare a fare un uso più appropriato di questa informazione. A questo scopo è stato validato un modello tridimensionale a corpo completo, consistente in 16 segmenti, utilizzato per raccogliere informazioni cinematiche e dinamiche durante il cammino in ragazzi e bambini sani e in ragazzi e bambini affetti da paralisi cerebrale infantile (CP), camminati a velocità spontanea. Lo sviluppo di due maniglie strumentate fissabili sulla struttura di deambulatori pediatrici posteriori ha permesso di misurare cinematica e dinamica dell'arto superiore anche in soggetti con maggiori difficoltà di deambulazione. Curve di potenza e valori di lavoro meccanico muscolare totale, positivo, negativo o netto, durante cammino normale e durante cammino con deambulatore, sono stati stimati dimostrando che tutti i metodi sono equivalenti quando vengono permessi trasferimenti di energia tra segmenti. Senza possibilità di trasferimento di energia, i metodi differiscono tra loro, con differenze dipendenti dal metodo utilizzato e dal movimento studiato. Eccetto alcune criticità evidenziate e discusse, l'analisi delle curve di potenza muscolare e dei valori di lavoro meccanico muscolare stimati può fornire utili informazioni sulla funzione locomotoria nel suo complesso, mettendo in luce deficit di propulsione, asimmetrie del cammino, inefficienze di movimento associate ad una ridotta capacità di recupero di energia.
Muscle mechanical work; Muscle mechanical power; Rehabilitation; Full-body kinetic model; Walker-assisted gait; Load cells; Strain gauge; Joint power
The estimation of muscle mechanical work can be useful to assess movement efficiency, but it is still a challenging task in biomechanics. Different methods to estimate muscle work during walking have been presented in the literature and, although attempts have been made to investigate differences among them, all methods are still used in research and clinical applications. A deeper understanding of theoretical differences and analogies would allow to know what is exactly computed by each method and help to make a more appropriate use of this information. To this purpose, a 16 segments full-body 3D model was validated and used to collect kinematic and kinetic data from healthy children and cerebral palsy (CP) children walking at self-selected speed. Two instrumented handles fixable on the frame of posterior paediatric walkers were also developed, to measure upper limb kinetics in subjects with more severe walking impairements. Whole-body muscle mechanical power curves and work values, either positive, negative or net, during normal gait and during walker locomotion were obtained, demonstrating that all methods are equivalent when energy transfers between segments are allowed. With no transfers allowed, methods differ among each other, with differences depending on the movements and the methods considered. Apart from some critical issues evidenced and discussed, the analysis of whole-body muscle mechanical power curves and work estimates can provide valuable information on the overall locomotion function, highlighting propulsive deficits, gait asymmetries, movement inefficiencies associated to reduced energy recuperation.
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