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.

Biomechanics of the trunk and lower limbs during gait in individuals with and without chronic low back pain

Combining information on kinetics and kinematics of the trunk during gait is important for both clinical and research purposes, since it can help in better understanding the mechanisms behind changes in movement patterns in chronic low back pain patients. Although three-dimensional gait analysis has been used to evaluate chronic low back pain and healthy individuals, the reliability and measurement error of this procedure have not been fully established. The main purpose of this thesis is to gain a better understanding about the differences in the biomechanics of the trunk and lower limbs during gait, in patients and healthy individuals. To achieve these aims, three studies were developed. The first two, adopted a prospective design and focused on the reliability and measurement error of gait analysis. In these test-retest studies, chronic low back pain and healthy individuals were submitted to a gait assessment protocol, with two distinct evaluation moments, separated by one week. Gait data was collected using a 13-camera opto-electronic system and three force platforms. Data analysis included the computation of time-distance parameters, as well as the peak values for lower limb and trunk joint angles/moments. The third study followed a cross sectional design, where gait in chronic low back pain individuals was compared with matched controls. Step-to-step variability of the thoracic, lumbar and hips was calculated, and step-to-step deviations of these segments from their average pattern (residual rotations) were correlated to each other. The reliability studies in this thesis show that three-dimensional gait analysis is a reliable and consistent procedure for both chronic low back pain and healthy individuals. The results suggest varied reliability indices for multi-segment trunk joint angles, joint moments and time-distance parameters during gait, together with an acceptable level of error (particularly regarding sagittal plane). Our findings also show altered stride-to-stride variability of lumbar and thoracic segments and lower trunk joint moments in patients. These kinematic and kinetic results lend support to the notion that chronic low back pain individuals exhibit a protective movement strategy.