Musculoskeletal modelling of the shoulder complex and its application for EMG assessed pathologies

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-442911
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.44291

Aurbach, Maximilian

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Date of publication of this fulltext: 09 Dec 2020 11:29

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	9 December 2020
Referee:	Prof.Dr.-Ing. Sebastian Dendorfer
Date of exam:	12 November 2020
Institutions:	UNSPECIFIED
Keywords:	Musculoskeletal modelling, shoulder, EMG, Hill, AnyBody
Dewey Decimal Classification:	600 Technology > 620 Engineering & allied operations
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Partially
Item ID:	44291

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Abstract (English)

Abstract (English)

The aim and purpose of the presented thesis is with regard to musculoskeletal model improvements of the human shoulder and simulation of pathologies. It addresses three distinct research questions. From a modelling perspective using an inverse dynamics approach, there is a discrepancy between computed glenohumeral joint reaction forces and in-vivo measurements above 90° humeral abduction. Invivo measurements and muscle activities derived from electromyographic measurements indicate a continuous increase in the joint reaction force above 90° abduction. Models using an inverse dynamics approach however tend to compute decreasing forces above 90° abduction. In order to address this issue, several modelling parameters are tested and compared with regard to their effect on muscle activation and force development in the glenohumeral joint. Two clinical research questions are addressed and simulated with an updated model. The first investigates several operative techniques of a long biceps tendon transposition from a biomechanical perspective. As multiple techniques are used in the clinical practice, it is of interest how they compare in terms of joint reaction forces and whether one technique provides an outcome which is closer to the healthy state of the shoulder-arm complex. The second simulates tears of the m. supraspinatus and evaluates muscle recruitment changes, changes of the joint reaction forces and a comparison to electromyographic measurements. This is done in order to assess, how model predictions compare to observations in the clinical field and whether a generic model can predict these changes. The major outcomes of this thesis are threefold: it postulates the mechanical muscle properties Hill muscle model as key parameter for the force development in the glenohumeral joint during abduction, argues for an insertion of the long biceps tendon at the bicipital groove as superior operative technique from a biomechanical point of view and depicts a discrepancy between simulated symptomatic cases of a tear of the m. supraspinatus with regard to electromyographic measurements.

Translation of the abstract (German)

Die Kernaspekte der vorliegenden Dissertation fokussieren sich auf die muskuloskeletalle Modellierung und Simulation von Pathologien des menschlichen Schulterkomplexes. Die Arbeit adressiert innerhalb dieses Kontextes drei spezifische Forschungsfragen. Auf der Simulationsebene wurde die Muskelrekrutierung des Schulterkomplexes und die Kraftentwicklung innerhalb des Glenohumeralgelenks bei der Abduktion des Humerus untersucht. In-vivo Messungen basierend auf instrumentalisierten Endoprothesen des Humeruskopfes zeigen einen kontinuierlichen Anstieg der resultierenden Reaktionskraft im Glenohumeralgelenk bis zu 150° Abduktion. Eine hohe Aktivierung der involvierten Muskulatur bei der Abduktion über 90° wird ebenfalls durch elektromyographische Messungen bestätigt. Muskuloskelettale Modelle der Schulter, welche auf einem inversdynamischen Ansatz beruhen, berechnen jedoch zumeist sinkende Muskelaktivitäten und damit verbunden erniedrigte Gelenkreaktionskräfte. Um dieser Diskrepanz nachzugehen, wurden mehrere kinematische, kinetische und Muskelmodell Parameter auf ihre Auswirkung bezüglich Muskelaktivität und Gelenkreaktionskraft evaluiert und mit experimentellen elektromyographischen Messungen und der Literatur verglichen. Ferner wurde der Muskelfaserverlauf der anterioren, lateralen und posterioren Deltoiden mittels virtueller Torus-Objekte innerhalb des verwendeten Schultermodelles für die Abduktion optimiert. Die erste der beiden klinischen Fragestellungen der dargelegten Arbeit bezieht sich auf eine Transposition der langen Bizepssehne. Mehrere verschiedene tenodese Techniken oder eine Tenotomie finden hierbei im klinischen Alltag Anwendung. Eine Untersuchung bezüglich biomechanischer Aspekte der unterschiedlichen Techniken ermöglicht hierbei Einblicke, welche am ehesten dem Normalzustand im Bezug auf Gelenkskraftentwicklung entspricht. Zwei tenodese Techniken und die Tenotomy wurden hierbei während der Ellbogenflexion, Pronation und einer kombinierten Bewegung simuliert, wobei die Reaktionskräfte undMomente im Schulter und Ellenbogengelenk mit einem intakten Modell verglichen wurden. Die zweite klinische Anwendung betrifft eine Ruptur des m. supraspinatus. Die Kinematik und Muskelaktivität gesunder und pathologischer Probanden wurden hierbei experimentell bei 6 verschiedenen Bewegungen gemessen. Die Probanden wurden in Simulationsmodellen mit und ohne Riss des m. supraspinatus nachgebildet. Hierbei sollte ermittelt werden, ob ein generisches Modell Muskelrekrutierungsänderungen aufgrund eine Ruptur adäquat abbilden kann. Auf Simulationsebene konnte die Arbeit die mechanischen Eigenschaften des Hill Muskelmodelles als mögliche physiologische Ursache und Erklärung für die steigenden Reaktionskräfte im Glenohumeralgelenk bei Abduktion >90° identifizieren. Im Bezug auf die biomechanischen Auswirkungen verschiedener tenodese Techniken der langen Bizepssehne scheint eine Verankerung an der Bicipitalrille aus mechanischer Sicht am ehesten die Kräfte des gesunden Modelles zu erzeugen. Dies liegt an der Präservation der generellen Richtung des Hebelarmes des langen Bizeps. Der Vergleich zwischen modellierten Aktivitäten mit und ohne Ruptur des m. supraspinatus konnte keine Übereinstimmung der simulierten und experimentellen Unterschiede bei symptomatischen Patienten zeigen. Dies wird auf eine eventuelle Veränderung der Kinematik der Scapula zurückgeführt, welche nicht im verwendeten Modell Berücksichtigt wird. Die Erkenntnisse könnten jedoch für asymptomatische Rupturen gültig sein. Hierbei ist die Aussage, das die Änderung in der Muskelrekrutierung nur geringfügig ist, jedoch die Kumulative Erhöhung signifikante Auswirkung auf die Gelenkreaktionskraft hat.

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