Bioengineering of exercise: biomechanical and metabolic aspects

The field of research of this dissertation concerns the bioengineering of exercise, in particular the relationship between biomechanical and metabolic knowledge. This relationship can allow to evaluate exercise in many different circumstances: optimizing athlete performance, understanding and helping compensation in prosthetic patients and prescribing exercise with high caloric consumption and minimal joint loading to obese subjects. Furthermore, it can have technical application in fitness and rehabilitation machine design, predicting energy consumption and joint loads for the subjects who will use the machine. The aim of this dissertation was to further understand how mechanical work and metabolic energy cost are related during movement using interpretative models. Musculoskeletal models, when including muscle energy expenditure description, can be useful to address this issue, allowing to evaluate human movement in terms of both mechanical and metabolic energy expenditure. A whole body muscle-skeletal model that could describe both biomechanical and metabolic aspects during movement was identified in literature and then was applied and validated using an EMG-driven approach. The advantage of using EMG driven approach was to avoid the use of arbitrary defined optimization functions to solve the indeterminate problem of muscle activations. A sensitivity analysis was conducted in order to know how much changes in model parameters could affect model outputs: the results showed that changing parameters in between physiological ranges did not influence model outputs largely. In order to evaluate its predicting capacity, the musculoskeletal model was applied to experimental data: first the model was applied in a simple exercise (unilateral leg press exercise) and then in a more complete exercise (elliptical exercise). In these studies, energy consumption predicted by the model resulted to be close to energy consumption estimated by indirect calorimetry for different intensity levels at low frequencies of movement. The use of muscle skeletal models for predicting energy consumption resulted to be promising and the use of EMG driven approach permitted to avoid the introduction of optimization functions. Even though many aspects of this approach have still to be investigated and these results are preliminary, the conclusions of this dissertation suggest that musculoskeletal modelling can be a useful tool for addressing issues about efficiency of movement in healthy and pathologic subjects.

L’ambito di ricerca di questa tesi riguarda la bioingegneria dell’esercizio fisico, in particolare l’integrazione tra conoscenze biomeccaniche e metaboliche. La relazione tra questi due aspetti consentirebbe una valutazione completa dell’esercizio fisico che potrebbe aiutare la pratica clinica in diversi ambiti (ottimizzazione della performance di atleti, comprensione e compensazione del consumo energetico nei pazienti protesizzati, identificazione di esercizi ad alto consumo calorico e basso carico alle articolazioni per pazienti in sovrappeso). Inoltre, potrebbe avere applicazioni tecniche nel design di macchine per il fitness e per la riabilitazione. Lo scopo di questo lavoro era di approfondire la conoscenza riguardante la relazione tra lavoro meccanico e costo energetico metabolico durante il movimento, attraverso l’utilizzo di modelli interpretativi. Il problema è stato affrontato attraverso l’utilizzo di modelli muscolo scheletrici che includono oltre alla descrizione meccanica anche la descrizione della spesa energetica muscolare e che quindi permettono di valutare il movimento umano sia in termini meccanici che in termini di spesa energetica. E’ stato identificato in letteratura un modello muscolo scheletrico dell’intero corpo che potesse descrivere sia aspetti meccanici che metabolici; tale modello è stato applicato e validato utilizzando un approccio guidato da dati sperimentali di cinematica e elettromiografia (EMG-driven). Il vantaggio principale nell’utilizzo di un approccio EMG-driven è evitare l’introduzione di funzioni di ottimizzazione arbitrarie che servono per risolvere il problema indeterminato delle forze muscolari attorno alle articolazioni. E’ stata quindi condotta un’analisi di sensitività sul modello con lo scopo di conoscere quanto le variazioni nei parametri possono influire sulle uscite del modello stesso: i risultati hanno mostrato che variazioni dei parametri all’interno di range fisiologici non influenzano largamente le uscite del modello. Successivamente, il modello muscolo scheletrico è stato applicato ai dati sperimentali al fine di valutare la sua capacità predittiva: la valutazione è stata prima effettuata su un esercizio semplice (leg press unilaterale) e poi su uno più completo (esercizio ellittico). Le predizioni energetiche del modello sono risultate vicine ai dati di consumo energetici stimati tramite calorimetria indiretta nei casi studiati, in particolare alle basse velocità di esercizio e a diversi livelli di intensità. In conclusione, l’utilizzo di modelli muscolo scheletrici per predire il consumo energetico è risultato promettente e l’uso di un approccio EMG-driven ha permesso di evitare l’utilizzo di funzioni di ottimizzazione. Sebbene i risultati ottenuti siano preliminari e molti aspetti dell’approccio proposto debbano essere ulteriormente studiati, le conclusioni di questa tesi suggeriscono che la modellazione muscolo scheletrica può essere uno strumento utile per rispondere a domande riguardanti l’efficienza del movimento in soggetti sani o patologici.