Development of a subject-specific musculoskeletal shoulder model : inverse and forward dynamics applications

A prevalência de pessoas que referem dor no complexo articular do ombro, com concomitante limitação na capacidade para realizar atividades da vida diária, é elevada. Estes níveis de prevalência sobrecarregam quer os utentes, como a própria sociedade. A evidência científica atual indicia a existência de uma relação entre as alterações da articulação escápulo-torácica e as patologias associadas à articulação gleno-umeral. A capacidade de quantificar, cinemática e cineticamente, as disfunções ao nível das articulações escápulo-torácica e gleno-umeral, é algo de enorme importância, quer para a comunidade biomecânica, como para a clínica. No decorrer dos trabalhos desta tese foi desenvolvido, através do software OpenSim, um modelo tridimensional músculo-esquelético do complexo articular do ombro que inclui a representação do tórax/coluna, clavícula, omoplata, úmero, rádio, cúbito e articulações que permitem os movimentos relativos desses segmentos, assim como, 16 músculos e 4 ligamentos. Com um total de 11 graus de liberdade, incluindo um novo modelo articular escápulo-torácico, os resultados demonstram que este é capaz de reconstruir de forma precisa e rápida os movimentos escápulo-torácicos e glenoumerais, recorrendo para tal, à cinemática inversa, e à dinâmica inversa e direta. Conta ainda com um método de transformação inovador para determinar, com base nas especificidades dos sujeitos, os locais de inserção muscular. As principais motivações subjacentes ao desenvolvimento desta tese foram contribuir para o aprofundar do atual conhecimento sobre as disfunções do complexo articular do ombro e, simultaneamente, proporcionar à comunidade clínica uma ferramenta biomecânica de livre acesso com o intuito de melhor suportar as decisões clínicas e dessa forma concorrer para uma prática mais efetiva.

Many individuals suffer from shoulder pain, which limits their ability to perform tasks of daily living and burdens both the patient and society. Nowadays, the best scientific evidence suggests that alterations in scapula kinematics are believed to be related with glenohumeral joint pathologies. The quantification (kinematics and kinetics) of both scapulothoracic and glenohumeral dysfunctions would be of great value to both the biomechanics and the clinical communities. In the course of this dissertation work, a three-dimensional musculoskeletal shoulder model was developed that includes representation of the thorax/spine, clavicle, scapula, humerus, radius, ulna and joints which permit the relative movements of these segments, 16 muscles and 4 ligaments using OpenSim software. With a total of 11 degrees-of-freedom, including a novel internal coordinate formulation for the scapulothoracic joint, the models results demonstrate that it is capable of quickly and accurately reproducing scapulothoracic and glenohumeral movements and computing both inverse kinematics and inverse/forward dynamics using an innovative transformation method to compute subject-specific muscle attachment locations. The primary motivations behind this work were to help gain insight into shoulder dysfunctions and to provide clinicians with a freely available biomechanical tool that can contribute to better clinical decision making and hopefully increase clinical effectiveness.