Análisis musculoesquelético de pacientes protecizados de rodilla para la evaluación de cargas articulares, incorporando medidas biomecánicas y haciendo uso de técnicas de reconstrucción 3D basadas en datos para la estimación de parámetros inerciales

Abstract

[ES] Los modelos musculoesqueléticos son modelos de sistemas dinámicos multicuerpo adaptados a las características fisiológicas del ser humano. Estos modelos se han venido mostrando como una herramienta adecuada para la estimación de cargas articulares. Si bien este tipo de modelos están sujetos a la incertidumbre de sus parámetros y los errores asociados a la estimación pueden llegar a ser altos, en muchos casos pueden representar la mejor estimación posible de las cargas reales a las que está sometida una articulación. Los modelos musculoesqueléticos integran características antropométricas de las personas y estimaciones de la cinemática articular medidas sobre la misma persona realizando ejercicios. Para ello, la herramienta utilizada de manera habitual es la fotogrametría, que está considerada el gold standard para la obtención de medidas cinemáticas en personas durante un a cierta actividad, por ejemplo, la marcha. Además, estos modelos permiten enriquecer la simulación con información personalizada del paciente, como los parámetros inerciales de los distintos segmentos del cuerpo del sujeto.

Una vía alternativa en investigación para la mejora de la estimación de los parámetros inerciales, frente a las mediciones cadavéricas o los escaneos corporales clásicos, es el aprovechamiento de las tecnologías de reconstrucción de la forma del cuerpo basadas en datos. Estas tecnologías, basadas en grandes bases de datos de escaneo corporal, estiman modelos antropométricos 3D a partir de datos parciales, como algunas mediciones o fotografías, obteniendo métricas corporales precisas de forma rápida y sencilla. En el proyecto el alumno o alumna utilizará la herramienta de acceso libre OpenSim para la construcción de modelos musculoesqueléticos paciente específicos alimentados con registros de marcha y parámetros inerciales obtenidos mediante técnicas innovadoras de reconstrucción del cuerpo humano. Los pacientes objetivo serán sujetos sometidos a artroplastias de rodilla, en los cuales se determinarán las cargas a las que se somete la prótesis de rodilla en distintos puntos de su evolución posoperatoria. Se compararán los resultados teniendo en cuenta factores como el tipo de prótesis, entre otros.

[EN] Musculoskeletal models are models of multibody dynamic systems adapted to the physiological characteristics of the human being. These models have been shown to be a suitable tool for estimating joint loads. Although these types of models are subject to the uncertainty of their parameters and the errors associated with the estimation can be high, in many cases they can represent the best possible estimate of the real loads to which a joint is subjected.

Musculoskeletal models integrate anthropometric characteristics of people and estimates of joint kinematics measured on the same person performing exercises. To do this, the tool commonly used is photogrammetry, which is considered the gold standard for obtaining kinematic measurements in people during a certain activity, for example, walking. In addition, these models allow the simulation to be enriched with personalized information about the patient, such as the inertial parameters of the different segments of the subject's body.

An alternative avenue under investigation to improve the estimation of inertial parameters, compared to cadaveric measurements or classical body scans, is the use of data-based body shape reconstruction technologies. These technologies, based on large body scan databases, estimate 3D anthropometric models from partial data, such as some measurements or photographs, obtaining accurate body metrics quickly and easily.

In the project, the student will use the OpenSim free to build patient-specific musculoskeletal models fed with biomechanical recordings and inertial parameters obtained through innovative reconstruction techniques of the human body. The target patients will be subjects undergoing knee arthroplasty, in which the loads to which the knee prosthesis is subjected at different points in its postoperative evolution will be determined. The results will be compared taking into account factors such as the type of prosthesis, among others.

[CAT] Els models musculoesquelètics són models de sistemes dinàmics multicos adaptats a les característiques fisiològiques de l'ésser humà. Aquests models s'han vingut mostrant com una eina adequada per a l'estimació de càrregues articulars. Si bé aquest tipus de models estan subjectes a la incertesa dels seus paràmetres i els errors associats a l'estimació poden arribar a ser alts, en molts casos poden representar la millor estimació possible de les càrregues reals a les quals està sotmesa una articulació. Els models musculoesquelètics integren característiques antropomètriques de les persones i estimacions de la cinemàtica articular mesures sobre la mateixa persona realitzant exercicis. Per a això, l'eina utilitzada de manera habitual és la fotogrametria, la qual és considerada el *gold *standard per a l'obtenció de mesures cinemàtiques en persones durant un a una certa activitat, per exemple, la marxa. A més, aquests models permeten enriquir la simulació amb informació personalitzada del pacient, com la proporció i els paràmetres inercials dels diferents segments del cos del subjecte. Una via alternativa en investigació per a la millora de l'estimació del model musculoesquelètic és l'aprofitament de les tecnologies de reconstrucció de la forma del cos basades en dades. Aquestes tecnologies, basades en grans bases de dades d'escaneig corporal, estimen models antropomètrics 3D a partir de dades sobre la posició de punts anatòmics estratègics obtinguts a través d'algunes característiques del pacient (sexe, edat…), alguns mesuraments (altura, pes…) o fotografies, obtenint mètriques corporals precises de manera ràpida i senzilla. En el projecte s'utilitzarà l'eina d'accés lliure OpenSim per a la construcció de models musculoesquelètics específics per al pacient, alimentats amb registres d'un exercici realitzat (asseure's-alçar-se d'una cadira) i punts anatòmics estratègics obtinguts mitjançant tècniques innovadores de reconstrucció del cos. Això permet fer menys mesurades en el registre individual i estalviar el temps respectiu d'aquestes mesures que és un dels factors més limitants a l'hora de realitzar estudis de valoració funcional als hospitals. Els pacients objectiu seran subjectes sotmesos a *artroplastias totals de genoll, en els quals es determinaran les càrregues a les quals se sotmet la pròtesi de genoll en diferents punts de la seua evolució postoperatòria. Es compararan els resultats tenint en compte factors com el pes del pacient, el sexe i l'edat, entre altres.