Musculoskeletal models in highly dynamic motion: effects of model parameters and mental stress

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-551061
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.55106

Auer, Simon

License: Publishing license for publications excluding print on demand
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Date of publication of this fulltext: 30 Nov 2023 09:06

Details

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	30 November 2023
Referee:	Prof. Dr.-Ing Sebastian Dendorfer and Prof. Dr. Markus Weber
Date of exam:	15 November 2023
Institutions:	Medicine > Lehrstuhl für Unfallchirurgie Medicine > Lehrstuhl für Orthopädie
Keywords:	inverse dynamics, football, soccer, muscle recruitment, residuals
Dewey Decimal Classification:	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:	55106

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Abstract (English)

Abstract (English)

The analysis and understanding of highly dynamic movements is a fundamental part of biomechanics.
Since sports injuries often involve the lower extremities and muscles, musculoskeletal models can help to prevent them.
These models allow the calculation of ground and joint reaction forces as well as muscle forces and activities for individual muscle strands.
One goal of this work is to use musculoskeletal models to investigate the influence of mental stress on lower extremity loading.
Moreover, the models themselves are evaluated for highly dynamic movements and practical recommendations for action will be derived.

For this purpose, fast movements of youth competitive and amateur athletes will be recorded using different measurement systems.
Subsequently, the models calculate the target parameters using inverse dynamics.
Furthermore, measured and calculated muscle activities of the lower extremities are compared and artificial balancing forces (residuals) in the models are analyzed and minimization approaches are presented.

The investigation of muscle and joint loading under mental stress has shown that the response to mental stress is highly individual.
Athletes may experience a significant increase in muscle and knee forces with a simultaneous decrease in performance.
The comparison of measured and calculated muscle activity proved the reliability of the models also for highly dynamic movements.
With the frequently used default settings in the model and optical and inertial motion capture, the muscle activities in the model could be calculated reliably.
The residual forces were highest, when the model transitioned from foot-ground contact to no contact and vice versa.
By adjusting the settings of the kinematic filter and the ground reaction force prediction, the residuals were reduced by up to 54%.

The analysis of musculoskeletal loading under mental stress has shown that the models can make a valuable contribution to the biomechanical analysis of highly dynamic movements.
Subsequently, the models have also proven to be a reliable tool for the analysis of highly dynamic movements when the calculated parameters as well as the model-specific optimization options are reviewed.
With this in mind, these models can contribute to further understand highly dynamic movements and prevent muscle injuries in athletes.

Translation of the abstract (German)

Die Analyse und das Verständnis hochdynamischer Bewegungen ist ein fundamentaler Bestandteil der Biomechanik.
Da Sportverletzungen häufig die unteren Extremitäten und Muskeln betreffen, können muskuloskelettale Modelle dazu beitragen, sie zu vermeiden.
Diese Modelle ermöglichen die Berechnung von Boden- und Gelenkreaktionskräften sowie von Muskelkräften und -aktivitäten für einzelne Muskelstränge.
Ein Ziel dieser Arbeit ist es, mit Hilfe von muskuloskelettalen Modellen den Einfluss von mentalen Belastungen auf die Belastung der unteren Extremitäten zu untersuchen.
Darüber hinaus werden die Modelle selbst für hochdynamische Bewegungen evaluiert und praktische Handlungsempfehlungen abgeleitet.

Zu diesem Zweck werden schnelle Bewegungen von jugendlichen Leistungs- und Freizeitsportlern mit verschiedenen Messsystemen aufgezeichnet.
Anschließend berechnen die Modelle mittels inverser Dynamik die Zielparameter.
Weiterhin werden gemessene und berechnete Muskelaktivitäten der unteren Extremitäten verglichen sowie künstliche Ausgleichskräfte (Residuen) in den Modellen analysiert und Minimierungsansätze vorgestellt.

Die Untersuchung der Muskel- und Gelenkbelastung unter mentalem Stress hat gezeigt, dass die Reaktion auf mentalen Stress sehr individuell ist.
Bei einzelnen Personen kann es zu einem deutlichen Anstieg der Muskel- und Kniegelenkreaktionskräfte bei gleichzeitiger Leistungsminderung kommen.
Der Vergleich von gemessener und berechneter Muskelaktivität beweist die Zuverlässigkeit der Modelle auch bei hochdynamischen Bewegungen.
Mit den häufig verwendeten Standardeinstellungen im Modell und der vielseitigen Bewegungserfassung konnten die Muskelaktivitäten im Modell zuverlässig berechnet werden.
Die Residualkräfte waren am höchsten, wenn das Modell von Fuß-Boden-Kontakt zu keinem Kontakt und umgekehrt überging.
Durch Anpassung der Einstellungen des kinematischen Filters und der Berechnung der Bodenreaktionskraft konnten die Residualkräfte um bis zu 54% reduziert werden.

Die Analyse der muskuloskelettalen Belastung unter psychischer Beanspruchung hat gezeigt, dass die Modelle einen wertvollen Beitrag zur biomechanischen Analyse von hochdynamischen Bewegungen leisten können.
In der Folge haben sich die Modelle auch bei der Überprüfung der berechneten Parameter sowie der modellspezifischen Optimierungsmöglichkeiten als zuverlässiges Werkzeug für die Analyse hochdynamischer Bewegungen erwiesen.
Daher können die Modelle dazu beitragen, hochdynamische Bewegungen besser zu verstehen und Muskelverletzungen bei Sportlern vorzubeugen.

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