Titelaufnahme

Titel
A sensitivity analysis of muscle forces and body mass accelerations during gait to changes of muscle parameters / von Gisela Höflinger
VerfasserHöflinger, Gisela
Begutachter / BegutachterinGföhler, Margit
Erschienen2008
Umfang164 Bl. : Ill., zahlr. graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2008
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Biomechanik / Sensitivitätsanalyse / Muskelkraft / Körpermassenbeschleunigung / Perturbationsanalyse / Monte-Carlo Simualtion / Simualtion von Gang
Schlagwörter (EN)biomechanic / sensitivity analysis / muscle force / body mass acceleration / perturbation analysis / Monte-Carlo simualtion / gait simulation
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-22327 Persistent Identifier (URN)
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A sensitivity analysis of muscle forces and body mass accelerations during gait to changes of muscle parameters [11.44 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Modelle werden verwendet um einzelne Muskelkräfte und die Beschleunigung des Körperschwerpunkts zu berechnen, da deren direkte Messung nicht möglich ist. Unter vielen anderen Parametern sind diejenigen, welche die Eigenschaften der Elemente des Muskel-Sehnen Modells beschreiben, wichtige Eingangsgrößen. Da diese sehr schwierig zu bestimmen sind und in vivo nicht gemessen werden können, sind sie geschätzte Größen. In dieser Arbeit wurde eine Sensitivitätsanalyse bezüglich dieser Parameter an einen invers-dynamischen Gangmodell durchgeführt.

Es sollte gezeigt werden wie Muskelparameter die Beschleunigung des Körperschwerpunktes beeinflussen. Diese Körperschwerpunktsbeschleunigung kann aus den Beschleunigungen, die von den einzelnen Muskeln beigesteuert werden, zusammengesetzt werden. Es werden die Muskelparameter variiert und Sets von Muskelkräften berechnet. Diese neuen Muskelkräfte sind die Eingangsdaten für eine Perturbationsanalyse, welche den Beitrag eines jeden einzelnen Muskels zu der Beschleunigung des Körperschwerpunktes ermittelt. Der Vergleich von nominalen mit variierten Werten gibt Rückschlüsse über die Sensitivität von Beschleunigungen zu Parametern.

Die Analyse umfasst die Variation von Fiederungswinkel, optimaler Muskel- kraft, optimaler Muskelfaserlänge und Sehnenruhelänge (für jeden Muskel spezifische Werte) wie auch maximale Verkürzungsgeschwindigkeit, Aktivier- ungs- und Deaktivierungszeit (konstant für alle Muskeln). Das Gangmodel beinhaltet 54 Muskeln (jedes Bein 24, Oberkörper 6) von denen 13 untersucht wurden. Durchgeführt wurde die Analyse über die Standphase eines Gang-Zyklus bei normalem Gehen.

Muskeln zeigten größte Sensitivität zu einer Variation der Sehnenruhelänge. Als sensitivste Muskel Gruppe stellten sich die zusammengefassten Muskeln der plantar flexoren heraus. Außerdem hatte eine Variation ihrer Parameter einen beträchtlichen Einfluss auf die anderen Muskeln. Die Resultate zeigen deutlich Abhängigkeiten zwischen den verschiedenen Muskeln, die zur Fortbewegung beitragen. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstreichen die Wichtigkeit Parameterwerte richtig zu setzen und veranschaulichen die wechselseitige Beeinflussung von Muskeln und Muskelgruppen.

Zusammenfassung (Englisch)

Models are used to simulate and calculate individual muscle forces and body mass acceleration because their direct measurement is impractical. Among other parameters, the parameters which describe and define the characteristic of the elements of the muscle-tendon model are important input variables. Since they are difficult to obtain and cannot be measured in vivo, they are estimated values. The purpose of this work is to conduct a sensitivity analysis to those parameters on the output of an inverse-dynamic gait model.

It was desired to show how muscle parameters contribute to the body mass acceleration. Body mass acceleration can be broken down to all accelerations delivered by the individual muscles. Hence, muscle parameters are varied and a new sets of muscle forces are calculated.

Those new muscle forces are input to a perturbation analysis which calculates the contribution of muscle induced acceleration to the body mass acceleration. The comparison of the nominal values and the values due to the variation give a conclusion about sensitivity of accelerations to muscle parameters.

The analysis of this study includes the variation of pennation angle, optimal muscle force, resting fiber length and tendon slack length (specific values for each muscle) as well as maximal shortening velocity, activation and deactivation time (constants for all muscles).

The model of walking includes 54 muscles (each leg 24, upper body 6), of which 13 have been included in this study. The analysis was examined over the stance phase of the gait cycle for normal walking.

Muscles were most sensitive to a variation of tendon slack length. The combined muscles plantar flexors were found to be the most sensitive muscle group and, additionally, variation of their parameters had a considerable influence on other muscles. The results clearly show dependencies between the several muscles contributing to locomotion. The variation of a parameter for a muscle can have a similar or even larger impact on the other muscles than on the muscle which was changed. The findings of this work emphasize the importance of accurate parameter setting and consideration of interactivity of muscles and muscle groups.