Multibody modelling and motion tracking technologies to understand, monitor and assess the risk of developing joint degenerative pathologies

Knee osteoarthritis is a chronic disease spread worldwide which origins from the disruption of articular cartilage integrity; it causes pain and mobility impairment and constitutes an economical burden for National Healthcare Systems. The most appropriate way to mitigate its harmful effect is prevention, which can be achieved by monitoring knee loadings and motion patterns. Kinematic and kinetic information can be obtained from motion capture technologies and musculoskeletal modelling, respectively. However, most of motion capture strategies implements cumbersome and permanent laboratory equipment which essentially constrains outpatient applications. Rather, wearable inertial measurement units have been demonstrated to be a relatively cheap solution which can fulfil the aim of a regular daily-living monitoring of biomechanics; nevertheless, their integration within a musculoskeletal modelling analysis framework in different activities and tasks still needs to be extensively evaluated. Therefore, the overall aim of this thesis was to assess the feasibility to implement inertial measurement systems in musculoskeletal simulation, developing a framework to be used in quantifying the modifications at joint level given by the introduction of changes in individual biomechanics. To achieve this goal, influences of input and modelling strategies on tibiofemoral contact forces were firstly investigated by analysing subject-specific models with respect to generic ones. Then, a novel musculoskeletal model for simulating high dynamic activity was realized. Finally, a workflow for integrating inertial measurement data within musculoskeletal simulation was provided. Total and medial tibiofemoral contact forces predicted during sport task execution by inertial measurement systems showed a good agreement with the results obtained by using a marker-based optoelectronic system, while predictions regarding lateral contact forces significantly differed, principally due to differences in modelling input. This work demonstrated the potentialities connected to the integration of inertial measurement system data within musculoskeletal modelling for the assessment of risk of osteoarthritis development and strived to constitute a basis for next advancements in outpatient monitoring.

L’osteoartrosi del ginocchio è una malattia cronica che ha origine dalla disgregazione del tessuto cartilagineo e che è diffusa uniformemente tra la popolazione mondiale; questa malattia è causa di dolore e difficoltà motorie nelle persone che ne soffrono ed inoltre costituisce un peso dal punto di vista economico che ricade direttamente sui Sistemi Sanitari Nazionali. La strategia migliore per limitare gli effetti spiacevoli legati alla malattia è quella della prevenzione, la quale può essere realizzata tramite un monitoraggio dei carichi articolari al ginocchio e degli schemi motori. Le informazioni di tipo cinematico e dinamico necessarie per questa osservazione possono essere ottenute grazie all’utilizzo, rispettivamente, di tecnologie per la cattura del movimento e della modellazione muscoloscheletrica. Tuttavia, la maggior parte delle strategie legate alla cattura del movimento si basa sull’utilizzo di dispositivi ingombranti e fissi che, nella pratica, pongono un limite ad applicazioni al di fuori del laboratorio. Al contrario, i sensori indossabili di misura inerziale hanno dimostrato di costituire una tecnologia dai costi relativamente contenuti in grado di perseguire lo scopo di un costante monitoraggio della biomeccanica delle persone impegnate nelle attività di tutti i giorni; nonostante ciò, la loro integrazione all’interno di un contesto di analisi tramite modellazione muscoloscheletrica durante diverse attività e gesti motori è un campo che necessita ancora di esser approfondito in maniera sistematica. Pertanto, l’obiettivo generale di questa tesi è quello di valutare la fattibilità dell’utilizzo di sistemi di misura inerziale all’interno della simulazione muscoloscheletrica, sviluppando una struttura utilizzabile per quantificare le variazioni che avvengono a livello articolare a seguito dell’introduzione di cambiamenti nella biomeccanica delle persone. Per raggiungere questo intento, prima di tutto sono state valutate le influenze degli input e delle scelte di modellazione sulla stima delle forze di contatto tibiofemorali analizzando modelli specifici e modelli generici. In seguito, un nuovo modello muscoloscheletrico per la valutazione di movimenti ad alta dinamicità è stato realizzato. Infine, un flusso di lavoro per integrare i dati provenienti dai sistemi di misura inerziali all’interno dei processi di simulazione muscoloscheletrica è stato presentato e discusso. Le previsioni fornite dai sistemi di misura inerziale in merito alle forze di contatto totali e mediali al ginocchio durante l’esecuzione di gesti sportivi sono risultate in accordo con quelle ottenute tramite l’utilizzo di sistemi optoelettronici basati sui marker, mentre le stime riguardanti le forze di contatto del compartimento laterale hanno mostrato la presenza di una significativa differenza statistica, dovuta principalmente a variazioni legate agli input di modello. Questo lavoro ha dimostrato le potenzialità legate all’integrazione dei sistemi di misura inerziale all’interno della pratica della modellazione muscoloscheletrica per la valutazione del rischio di sviluppo dell’osteoartrosi e punta a costituire un punto di partenza per i futuri progressi legati al monitoraggio in tempo reale del movimento.