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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-536444
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.53644
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 2 February 2023 |
| Referee: | Prof. Dr.-Ing Sebastian Dendorfer |
| Date of exam: | 19 January 2023 |
| Institutions: | UNSPECIFIED |
| Keywords: | hand, elbow, musculoskeletal modeling, AnyBody |
| Dewey Decimal Classification: | 600 Technology > 600 Technology (Applied sciences) 600 Technology > 610 Medical sciences Medicine 600 Technology > 620 Engineering & allied operations |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 53644 |
Abstract (English)
This thesis addresses the musculoskeletal modeling and simulation of the human hand and elbow. The examination of the hand and elbow consists of the following three essential aspects, each: Model development, model validation, and clinical application of the model. The simulation software AnyBody™ (Anybody, Aalborg, Denmark), which is based on the principle of inverse dynamics, is the platform ...
Abstract (English)
This thesis addresses the musculoskeletal modeling and simulation of the human hand and elbow. The examination of the hand and elbow consists of the following three essential aspects, each: Model development, model validation, and clinical application of the model. The simulation software AnyBody™ (Anybody, Aalborg, Denmark), which is based on the principle of inverse dynamics, is the platform for the modeling.
The hand model, which has been developed in cooperation with Lucas Engelhardt from the Ulm Center for Scientific Computing, is based on an anatomical study of a total of 16 dissected upper extremities conducted at the University of West Bohemia in Pilsen. Due to the embedding in a holistic whole-body model, the possibility of patient-specific scaling, and the realization of several additional features of the human hand (such as the attachment of the lumbrical muscles to the tendon of the flexor digitorum profundus), the model developed in this thesis provides fundamental innovations in musculoskeletal modeling of the hand (see Chapter 4).
In several validation steps (see Chapter 5 - 7), the developed hand model was compared to results from prior literature or experimentally collected data. The first validation step involved a comparison of numerically determined muscle moment arms with experimental literature values (see Chapter 5). Subsequently, the electromyographic potential of ten different extrinsic and intrinsic muscles as well as motion recordings during exercise of seven different hand movements were collected from a total of five volunteers. Thus, a comparison of numerically and experimentally determined muscle activity patterns could be drawn (see Chapter 6). The final validation step addresses the question of how far the scatter of the data, on which the model is based, affects predictions made by the model. Hence, the muscle attachment points and the muscle strengths were varied according to the standard deviations recorded in the cadaver study of the University of Pilsen (see Chapter 7). None of the above-mentioned validation processes showed major discrepancies between model and corresponding comparative values. The first clinical application of the presented work focuses on the transfer of the hand model to the support of the birth process by an obstetrician and the investigation of two different techniques from a biomechanical perspective (see Chapter 8).
The model of the elbow joint developed within this thesis is based on numerous data gathered from prior literature in addition to the study from Pilsen in order to be able to cover the biomechanical properties of the ligamentous apparatus.
Beside the implementation of the ligament structures, the developed elbow model resolves the rigid elbow joint previously represented as a simplified hinge joint in the simulation software AnyBody. The integrated force-dependent-kinematic approach allows for a more anatomically accurate description of the elbow flexion-rotation axis (see Chapter 9). Using literature data, the elbow model is validated in Chapter 10. To this end, the change in length and stiffnesses of the ligaments, among other features, are included in addition to a comparison of muscle moment arms (analogous to the validation of the hand model). A clinical application of the elbow model is given in Chapter 11. In this context, the stability of the elbow joint against varus/valgus moments is numerically investigated for different injury scenarios and subsequently compared with the experience values of practicing physicians.
Upon completion of this work, a validated elbow and hand model will thus be available (whereby the latter is already in the process of being integrated into the AnyBody simulation software), which can be helpful in answering numerous other research questions in addition to the clinical applications presented in this underlying work.
Translation of the abstract (German)
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der muskuloskelettalen Modellierung und Simulation der menschlichen Hand und des Ellenbogens. Dabei besteht die Auseinandersetzung mit der Hand und dem Ellenbogen jeweils aus drei wesentlichen Aspekten: Der Modellentwicklung, der Modellvalidierung und der klinischen Anwendung des jeweiligen Modells. Grundlage hierfür ist jeweils die ...
Translation of the abstract (German)
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der muskuloskelettalen Modellierung und Simulation der menschlichen Hand und des Ellenbogens. Dabei besteht die
Auseinandersetzung mit der Hand und dem Ellenbogen jeweils aus drei wesentlichen Aspekten: Der Modellentwicklung, der Modellvalidierung und der klinischen Anwendung
des jeweiligen Modells. Grundlage hierfür ist jeweils die muskuloskelettale Mehrkörpersimulations-Software AnyBody™ (Anybody, Aalborg, Dänemark),die auf dem Prinzip der inversen Dynamik beruht.
Das Handmodell, das in Kooperation mit Lucas Engelhardt vom Ulmer Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen entwickelt wurde, beruht dabei auf einer eigens dafür an der Westböhmische Universität in Pilsen durchgeführten anatomischen Studie von insgesamt 16 sezierten oberen Extremitäten. Das daraus entwickelte Modell weißt grundlegende Neuerungen bei der muskuloskelettalen Modellierung der Hand auf; unter anderem die Einbettung der Hand in ein holistisches Ganzkörpermodell, die Möglichkeit einer patienten-spezifischen Skalierung, sowie die Realisierung mehrere weitere Besonderheiten der menschlichen Hand (wie z.B. der Ansatz der lumbrikalen Muskeln an der Sehne des Flexor Digitorum Profundus) - siehe Kapitel 4. In mehreren Validierungsschritten (siehe Kapitel 5 - 7) wurde das entwickelte Handmodell anschließend mit Literaturwerten bzw. experimentell erhobenen Daten
verglichen. Die erste Validierungsstufe bestand dabei aus einem Vergleich von numerisch bestimmten Muskelmomentenarmen mit experimentellen Literaturwerten
(siehe Kapitel 5). Anschließend wurden von insgesamt fünf Freiwilligen das elektromyographische Potential von zehn verschiedenen ex- und intrinsischen Muskeln sowie Bewegungsaufnahmen während der Ausübung von sieben unterschiedlichen Handbewegungen erhoben. Somit konnte ein Vergleich von numerisch und experimentell bestimmten Muskelaktivitätsmustern gezogen werden (siehe
Kapitel 6). Der finalen Validierungsschritt befasst sich mit der Fragestellung in wie weit sich die Streuungen der dem Modell zugrundeliegenden Daten auf die Vorhersagen des Modells auswirkt. Hierfür wurden die Muskelansatzpunkte sowie die Muskelstärken gemäß der in der Kadaverstudie der Universität Pilsen erfassten Standardabweichungen variiert (siehe Kapitel 7). Keiner der oben erwähnten Validierungsprozesse wies größere Unstimmigkeiten zwischen Modell und entsprechenden Vergleichswerten auf. In der ersten klinischen Fragestellung der dargelegten Arbeit steht die Anwendung des Handmodells auf die Unterstützung des Geburtvorgangs durch einen Geburtshelfer und die Untersuchung zweier verschiedener Techniken bezüglich biomechanischer Aspekte im Vordergrund (siehe Kapitel 8).
Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Modell des Ellenbogengelenks beruht neben der Studie aus Pilsen auf zahlreichen weiteren Literaturdaten, um die biomechanischen
Eigenschaften des Bandapparates abdecken zu können. Die Implementierung der Bandstruktur in Kombination mit dem integrierten force-dependentkinematic Ansatz weicht das starre Scharniergelenk des Ellenbogens auf, sodass eine Verkippung der Flexionsrotationsachse ermöglicht wird (siehe Kapitel 9). Unter Verwendung von Literaturdaten wird das Ellenbogenmodell in Kapitel 10 validiert. Dabei dienen neben einem Abgleich von Muskelmomentenarmen (analog
zur Validierung des Handmodells) unter anderem die Längenänderung und Steifigkeiten der Bänder. Eine klinische Anwendung des Ellenbogenmodells erfolgt in Kapitel 11. Diesbezüglich wird die Stabilität des Ellenbogengelenks gegenüber Varus/Valgus-Momenten für verschiedene Verletzungsszenarien numerisch untersucht und anschließend mit den Erfahrungswerten von praktizierenden Ärzten verglichen.
Nach Abschluss dieser Arbeit stehen somit ein validiertes Ellenbogen- und Handmodell zur Verfügung (wobei Letzteres in naher Zukunft bereits in die Simulationssoftware AnyBody integriert wird), die neben der in dieser zugrundliegenden Dissertation dargestellten klinischen Anwendungen für zahlreiche weitere Forschungszwecke genutzt werden können.
Metadata last modified: 02 Feb 2023 08:02
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