A musculoskeletal shoulder model based on pseudo-inverse and null-space optimization.

The goal of the present work was assess the feasibility of using a pseudo-inverse and null-space optimization approach in the modeling of the shoulder biomechanics. The method was applied to a simplified musculoskeletal shoulder model. The mechanical system consisted in the arm, and the external forces were the arm weight, 6 scapulo-humeral muscles and the reaction at the glenohumeral joint, which was considered as a spherical joint. The muscle wrapping was considered around the humeral head assumed spherical. The dynamical equations were solved in a Lagrangian approach. The mathematical redundancy of the mechanical system was solved in two steps: a pseudo-inverse optimization to minimize the square of the muscle stress and a null-space optimization to restrict the muscle force to physiological limits. Several movements were simulated. The mathematical and numerical aspects of the constrained redundancy problem were efficiently solved by the proposed method. The prediction of muscle moment arms was consistent with cadaveric measurements and the joint reaction force was consistent with in vivo measurements. This preliminary work demonstrated that the developed algorithm has a great potential for more complex musculoskeletal modeling of the shoulder joint. In particular it could be further applied to a non-spherical joint model, allowing for the natural translation of the humeral head in the glenoid fossa.

3D movement and muscle activity patterns in a violin bowing task

Objective: Overuse injuries in violinists are a problem that has been primarily analyzed through the use of questionnaires. Simultaneous 3D motion analysis and EMG to measure muscle activity has been suggested as a quantitative technique to explore this problem by identifying movement patterns and muscular demands which may predispose violinists to overuse injuries. This multi-disciplinary analysis technique has, so far, had limited use in the music world. The purpose of this study was to use it to characterize the demands of a violin bowing task. Subjects: Twelve injury-free violinists volunteered for the study. The subjects were assigned to a novice or expert group based on playing experience, as determined by questionnaire. Design and Settings: Muscle activity and movement patterns were assessed while violinists played five bowing cycles (one bowing cycle = one down-bow + one up-bow) on each string (G, D, A, E), at a pulse of 4 beats per bow and 100 beats per minute. Measurements: An upper extremity model created using coordinate data from markers placed on the right acromion process, lateral epicondyle of the humerus and ulnar styloid was used to determine minimum and maximum joint angles, ranges of motion (ROM) and angular velocities at the shoulder and elbow of the bowing arm. Muscle activity in right anterior deltoid, biceps brachii and triceps brachii was assessed during maximal voluntary contractions (MVC) and during the playing task. Data were analysed for significant differences across the strings and between experience groups. Results: Elbow flexion/extension ROM was similar across strings for both groups. Shoulder flexion/extension ROM increaslarger for the experts. Angular velocity changes mirrored changes in ROM. Deltoid was the most active of the muscles assessed (20% MVC) and displayed a pattern of constant activation to maintain shoulder abduction. Biceps and triceps were less active (4 - 12% MVC) and showed a more periodic 'on and off pattern. Novices' muscle activity was higher in all cases. Experts' muscle activity showed a consistent pattern across strings, whereas the novices were more irregular. The agonist-antagonist roles of biceps and triceps during the bowing motion were clearly defined in the expert group, but not as apparent in the novice group. Conclusions: Bowing movement appears to be controlled by the shoulder rather than the elbow as shoulder ROM changed across strings while elbow ROM remained the same. Shoulder injuries are probably due to repetition as the muscle activity required for the movement is small. Experts require a smaller amount of muscle activity to perform the movement, possibly due to more efficient muscle activation patterns as a result of practice. This quantitative multidisciplinary approach to analysing violinists' movements can contribute to fuller understanding of both playing demands and injury mechanisms .

Bone mineral density measurement and osteoporosis treatment after a fragility fracture in older adults: regional variation and determinants of use in Quebec

Affiliation: Pierre Dagenais : Hôpital Maisonneuve-Rosemont, Faculté de médecine, Université de Montréal

Influence de la locomotion sur la morphologie de l’articulation distale de l’humérus chez les hominoïdes

La masse corporelle et la direction des charges sont des facteurs qui peuvent modifier la morphologie des surfaces articulaires qui sont généralement orientées et de taille suffisante pour résister aux charges chroniques. Chez les hominoïdes, les forces de tension et compression, générées par la locomotion, sont transmises à travers l’articulation du coude. Ces espèces ont une morphologie similaire de l’extrémité distale de l’humérus, mais qui présente certaines différences selon la taille des individus et leurs modes de locomotion. Ce projet tente de caractériser plus exhaustivement cette variation en analysant la largeur des surfaces articulaires ainsi que leur position et orientation par rapport à l’axe long de la diaphyse. La prémisse de ce mémoire est que, chez les espèces plus arboricoles, la morphologie de l’articulation distale de l’humérus répond aux stress transverses générés par les puissants muscles fléchisseurs du poignet et des doigts qui traversent le coude obliquement. En revanche, les espèces plus terrestres présentent une morphologie permettant de résister aux forces axiales provenant du contact avec le sol. Des coordonnées tridimensionnelles et des mesures linéaires ont été recueillies sur un échantillon squelettique d’individus des genres Homo, Pan, Gorilla et Pongo. Les résultats obtenus révèlent que l’orientation et la position des surfaces articulaires de la trochlée correspondent aux types de locomotion, or leur taille et celle et du capitulum semblent être influencées par la taille des individus. L’hypothèse suggérant que les stress reliés aux divers modes de locomotion des hominoïdes influencent la morphologie de l’articulation distale de l’humérus est donc supportée.

Le développement des proportions métaphysaires chez les hominoïdes : croissance et influence de la locomotion

Dans le cadre de ce mémoire, les relations entre morphologie, locomotion et croissance chez les hominoïdes sont analysées sous l'angle des proportions métaphysaires et de leur acquisition. Plusieurs niveaux d'analyse — intermembre, supérieur et inférieur — sont abordés dans une perspective ontogénique. La masse corporelle et la direction des charges influencent la morphologie des surfaces articulaires et métaphysaires mais aussi leur développement. Les charges étant dépendantes du mode locomoteur et celui-ci se modifiant en fonction de l'âge, on tente de voir à quel(s) moment(s) les changements proportionnels ont lieu et pourquoi ils apparaissent. Des mesures linéaires ont été recueillies sur l'humérus, le radius, le fémur et le tibia sur un échantillon squelettique des espèces H. sapiens, P. troglodytes, G. gorilla et P. pygmaeus. À partir de ces mesures et du calcul de certains ratios, des comparaisons intra et interspécifiques ont été réalisées. Les différences les plus significatives entre les espèces se dévoilent au niveau intermembre et sont relatives aux différents pourcentages d'utilisation des membres supérieurs ou inférieurs. Au sein des espèces, les résultats révèlent une similarité dans les réactions des surfaces métaphysaires au niveau intermembre, supérieur et inférieur. Les changements proportionnels ont lieu entre les stades 0 et 1 pour H. sapiens (première marché indépendante), entre les stades 2 et 4 pour P. troglodytes (majorité du poids corporel soutenue par les membres inférieurs) et entre les stades 3 et 5 pour G. gorilla (taille adulte et quadrupédie très majoritaire). Pour P. pygmaeus aucun stade en particulier n'a été ciblé par les analyses et cela concorde avec l'homogénéité de ses modes de locomotion employés au cours de la vie. Les différences proportionnelles répondent à des changements locomoteurs majeurs. Australopithecus afarensis est intermédiaire entre H. sapiens et les grands singes pour de nombreuses comparaisons. Au niveau du genou, les plus jeunes individus A. afarensis ne montrent pas de morphologie bipède, similaire aux humains.

Complexe d'épaule dans un contexte d'analyse tridimentionnel - Modélisation et mise en garde

L'épaule est un complexe articulaire formé par le thorax, la clavicule, la scapula et l'humérus. Alors que les orientation et position de ces derniers la rendent difficile à étudier, la compréhension approfondie de l'interrelation de ces segments demeure cliniquement importante. Ainsi, un nouveau modèle du membre supérieur est développé et présenté. La cinématique articulaire de 15 sujets sains est collectée et reconstruite à l'aide du modèle. Celle-ci s'avère être généralement moins variable et plus facilement interprétable que le modèle de référence. Parallèlement, l'utilisation de simplifications, issues de la 2D, sur le calcul d'amplitude de mouvement en 3D est critiquée. Cependant, des cas d'exception où ces simplifications s'appliquent sont dégagés et prouvés. Ainsi, ils sont une éventuelle avenue d'amélioration supplémentaire des modèles sans compromission de leur validé.

Méthode numérique d'estimation du mouvement des masses molles

L’analyse biomécanique du mouvement humain en utilisant des systèmes optoélectroniques et des marqueurs cutanés considère les segments du corps comme des corps rigides. Cependant, le mouvement des tissus mous par rapport à l'os, c’est à dire les muscles et le tissu adipeux, provoque le déplacement des marqueurs. Ce déplacement est le fait de deux composantes, une composante propre correspondant au mouvement aléatoire de chaque marqueur et une composante à l’unisson provoquant le déplacement commun des marqueurs cutanés lié au mouvement des masses sous-jacentes. Si nombre d’études visent à minimiser ces déplacements, des simulations ont montré que le mouvement des masses molles réduit la dynamique articulaire. Cette observation est faite uniquement par la simulation, car il n'existe pas de méthodes capables de dissocier la cinématique des masses molles de celle de l’os. L’objectif principal de cette thèse consiste à développer une méthode numérique capable de distinguer ces deux cinématiques. Le premier objectif était d'évaluer une méthode d'optimisation locale pour estimer le mouvement des masses molles par rapport à l’humérus obtenu avec une tige intra-corticale vissée chez trois sujets. Les résultats montrent que l'optimisation locale sous-estime de 50% le déplacement des marqueurs et qu’elle conduit à un classement de marqueurs différents en fonction de leur déplacement. La limite de cette méthode vient du fait qu'elle ne tient pas compte de l’ensemble des composantes du mouvement des tissus mous, notamment la composante en unisson. Le second objectif était de développer une méthode numérique qui considère toutes les composantes du mouvement des tissus mous. Plus précisément, cette méthode devait fournir une cinématique similaire et une plus grande estimation du déplacement des marqueurs par rapport aux méthodes classiques et dissocier ces composantes. Le membre inférieur est modélisé avec une chaine cinématique de 10 degrés de liberté reconstruite par optimisation globale en utilisant seulement les marqueurs placés sur le pelvis et la face médiale du tibia. L’estimation de la cinématique sans considérer les marqueurs placés sur la cuisse et le mollet permet d'éviter l’influence de leur déplacement sur la reconstruction du modèle cinématique. Cette méthode testée sur 13 sujets lors de sauts a obtenu jusqu’à 2,1 fois plus de déplacement des marqueurs en fonction de la méthode considérée en assurant des cinématiques similaires. Une approche vectorielle a montré que le déplacement des marqueurs est surtout dû à la composante à l’unisson. Une approche matricielle associant l’optimisation locale à la chaine cinématique a montré que les masses molles se déplacent principalement autour de l'axe longitudinal et le long de l'axe antéro-postérieur de l'os. L'originalité de cette thèse est de dissocier numériquement la cinématique os de celle des masses molles et les composantes de ce mouvement. Les méthodes développées dans cette thèse augmentent les connaissances sur le mouvement des masses molles et permettent d’envisager l’étude de leur effet sur la dynamique articulaire.

Modelo tridimensional del tendón del músculo supraespinoso

Introducción: Teniendo en cuenta el envejecimiento de la población y la alta prevalencia de las lesiones del manguito rotador no es de extrañar que esta patología se convierta en un problema de salud pública. Se sabe que el aumento en el tamaño de una lesión se asocia con la aparición de síntomas, pero no existen herramientas que permitan predecir la evolución del tamaño de una lesión. Con esto en mente se desarrollo una línea de investigación para estudiar el mecanismo de falla que inicia con la realización de un modelo tridimensional de un tendón del musculo supraespinoso sano. Materiales y métodos: Se caracterizo el tendón del músculo supraespinoso aplicando cargas uniaxiales a 7 complejos humero-tendón-escápula cadavéricos. Con los datos obtenidos se alimento un modelo tridimensional lineal isotrópico analizando la concentración de esfuerzos de von Misses Resultados: Del ensayo uniaxial se obtuvieron curvas esfuerzo-deformación homogéneas para el 20% de la deformación inicial, obteniendo un modulo de Young (14.4±2.3MPa) y un coeficiente de Poisson (0.14) con una concentración de esfuerzos de en la zona central de la cara articular del tendón, cercana a su inserción. Encontramos una disminución del 5% en los esfuerzos al retirar el acromion del modelo. Conclusiones: Se caracterizó de manera exitosa y se obtuvo un modelo tridimensional del tendón. La distribución de esfuerzos es compatible con la reportada en la literatura. El acromion no tiene mayor importancia en la magnitud de los esfuerzos en nuestro modelo. Este es el punto de partida para estudiar el mecanismo de falla.

Utilidad de la tomografía en el diagnóstico y tratamiento de fracturas proximales del humero en tres y cuatro partes en mayores de 65 años

Las fracturas proximales del húmero en tres y cuatro partes en mayores de 65 años son un reto diagnóstico y de tratamiento por su complejidad. La clasificación de Neer ha sido una herramienta de ayuda para la caracterización y el tratamiento de las fracturas proximales del húmero y se basa en la evaluación radiográfica la cual puede no dejar claros patrones fractuarios complejos; la tomografía computarizada logra identificar estos patrones complejos los cuales son comunes en pacientes mayores de 65 años, aun así, no es claro el impacto de realizar la tomografía. Este estudio está diseñado para evidenciar si existe un cambio en la clasificación e indicación de manejo en fracturas proximales del húmero en tres y cuatro partes interpretadas con radiografías al ser posteriormente valoradas con tomografía. 15 expertos interpretan e indican manejo de 20 estudios radiográficos de fracturas en tres y cuatro partes del húmero proximal de pacientes mayores de 65 años, previamente asintomáticos, funcionales con única fractura, se realiza la valoración tomográfica y se relaciona a los resultados radiográficos, allí se evidencia si existe o no el cambio de clasificación y manejo de las fracturas. Mediante un estudio observacional, descriptivo y retrospectivo se encuentra que la valoración de la tomografía puede variar la clasificación y el tratamiento indicados inicialmente por los estudios radiográficos en un 60.3% y 54.3% respectivamente, siendo una variación de conducta en más de la mitad de los casos se aprecia la necesidad de realizar el estudio tomográfico.

Aplicación de la terapia manual en un paciente con patología de hombro

Cuando alguna de las estructuras que componen el hombro se ve alterada, se presentan múltiples patologías que alteran las actividades de la vida diaria debido a su importante acción dentro de la funcionalidad de los miembros superiores, en las cuales resulta difícil identificar la causa exacta, debido a la gran cantidad de estructuras involucradas en esta región y a la vecindad de las mismas. Es entonces, como a través de este proyecto de aplicación se hará una descripción del proceso de evaluación y tratamiento desarrollado desde la Terapia Manual en una patología específica de hombro, dando a conocer los resultados de esta forma especializada de tratamiento fisioterapéutico. Así mismo, se hará una pequeña recopilación teórica en cuanto a la anatomía, biomecánica y patología de hombro así como a los conceptos básicos de la Terapia Manual, necesarios para comprender el proceso desarrollado con el proyecto.

Regional variation in cortical bone properties from broiler fowl - a first look

1. We used microhardness testing as a probe for fine-scale regional variation in the mechanical performance of bone and present data showing the extent of regional variation in the femora and humeri of 7-week-old broiler birds. 2. Ash content of dry bone was broadly correlated with microhardness, although there is some evidence that the relationship linking the two differs between the femur and the humerus. 3. Regional variations in the properties of bone from poultry are widely overlooked in the literature. Awareness of them is vital and existing measures of bone 'strength' may be misleading if local variation in properties is not taken into account when exploring the effects of nutrition and husbandry practices on bone mechanical performance.

Childhood trauma: methods for the identification of physeal fractures in non-adult skeletal remains

Objectives Today, fractures at the growth plate (or physis) are common injuries in children, but provide challenges of identification in skeletonized remains. Clinical studies provide detailed information on the mechanisms, locations, age of occurrence, and complications associated with physeal fractures, enabling the development of new criteria for identifying this injury in non-adults. To test these criteria, skeletal remains from five rural and urban medieval cemeteries were examined. Methods The sample consisted of 961 skeletons (0-17 years) with open epiphyses. Macroscopic observation looked for any irregularities of the metaphysis or epiphysis which was consistent with the clinical appearance of physeal fractures or resulting complications. Radiographic examination was applied to identify fracture lines or early growth arrest. Results This study revealed 12 cases of physeal trauma (1.2%). Physeal fractures occurred predominantly at the distal end (75%), and while they were identified in all age categories, they were most frequent in those aged 12-17 years (0.2% TPR). The humerus was the most commonly affected location (3/12 or 25%). Conclusions This study highlights the potential for recognizing physeal fractures in children of all ages, enhancing our understanding of non-adult trauma, and enabling us to assign a more precise age of the injury to build up a picture of their activities in the past.

Bone Formation Following Implantation of Titanium Sponge Rods into Humeral Osteotomies in Dogs: A Histological and Histometrical Study

Background: Titanium (Ti) is widely proven to enhance bone contact and growth on its surface. It is expected that bone defects could benefit from Ti to promote healing and to increase strength of the implanted area. Purpose: The present study aimed at comparing the potential of porous Ti sponge rods with synthetic hydroxyapatite (HA) for the healing of bone defects in a canine model. Material and Methods: Six mongrel dogs were submitted to three trephined osteotomies of 6.0 x 4.0 mm in one humerus and after 2 months another three osteotomies were performed in the contralateral humerus. A total of 36 defects were randomly filled either with Ti foam, particulate HA, or coagulum (control). The six animals were killed 4 months after the first surgery for histological and histometrical analysis. Results: The Ti-foam surface was frequently found in intimate contact with new bone especially at the defect walls. Control sites showed higher amounts of newly formed bone at 2 months - Ti (p = 0.000) and HA (p = 0.009) - and 4 months when compared with Ti (p = 0.001). Differently from HA, the Ti foam was densely distributed across the defect area which rendered less space for bone growth in the latter`s sites. The use of Ti foams or HA resulted in similar amounts of bone formation in both time intervals. Nevertheless, the presence of a Ti-foam rod preserved defect`s marginal bone height as compared with control groups. Also, the Ti-foam group showed a more mature bone pattern at 4 months than HA sites. Conclusion: The Ti foam exhibited good biocompatibility, and its application resulted in improved maintenance of bone height compared with control sites. The Ti foam in a rod design exhibited bone ingrowth properties suitable for further exploration in other experimental situations.

Clinical risk factors for osteoporotic fractures in Brazilian women and men: the Brazilian Osteoporosis Study (BRAZOS)

The Brazilian Osteoporosis Study (BRAZOS) is the first epidemiological study carried out in a representative sample of Brazilian men and women aged 40 years or older. The prevalence of fragility fractures is about 15.1% in the women and 12.8% in the men. Moreover, advanced age, sedentarism, family history of hip fracture, current smoking, recurrent falls, diabetes mellitus and poor quality of life are the main clinical risk factors associated with fragility fractures. The Brazilian Osteoporosis Study (BRAZOS) is the first epidemiological study carried out in a representative sample of Brazilian men and women aged 40 years or older with the purpose of identifying the prevalence and the main clinical risk factors (CRF) associated with osteoporotic fracture in our population. A total of 2,420 individuals (women, 70%) from 150 different cities in the five geographic regions in Brazil, and all different socio-economical classes were selected to participate in the present survey. Anthropometrical data as well as life habits, fracture history, food intake, physical activity, falls and quality of life were determined by individual quantitative interviews. The representative sampling was based on Brazilian National data provided by the 2000 and 2003 census. Low trauma fracture was defined as that resulting of a fall from standing height or less in individuals 50 years or older at specific skeletal sites: forearm, femur, ribs, vertebra and humerus. Sampling error was 2.2% with 95% confidence intervals. Logistic regression analysis models were designed having the fragility fracture as the dependent variable and all other parameters as the independent variable. Significance level was set as p < 0.05. The average of age, height and weight for men and women were 58.4 +/- 12.8 and 60.1 +/- 13.7 years, 1.67 +/- 0.08 and 1.56 +/- 0.07 m and 73.3 +/- 14.7 and 64.7 +/- 13.7 kg, respectively. About 15.1% of the women and 12.8% of the men reported fragility fractures. In the women, the main CRF associated with fractures were advanced age (OR = 1.6; 95% CI 1.06-2.4), family history of hip fracture (OR = 1.7; 95% CI 1.1-2.8), early menopause (OR = 1.7; 95% CI 1.02-2.9), sedentary lifestyle (OR = 1.6; 95% CI 1.02-2.7), poor quality of life (OR = 1.9; 95% CI 1.2-2.9), higher intake of phosphorus (OR = 1.9; 95% CI 1.2-2.9), diabetes mellitus (OR = 2.8; 95% CI 1.01-8.2), use of benzodiazepine drugs (OR = 2.0; 95% CI 1.1-3.6) and recurrent falls (OR = 2.4; 95% CI 1.2-5.0). In the men, the main CRF were poor quality of life (OR = 3.2; 95% CI 1.7-6.1), current smoking (OR = 3.5; 95% CI 1.28-9.77), diabetes mellitus (OR = 4.2; 95% CI 1.27-13.7) and sedentary lifestyle (OR = 6.3; 95% CI 1.1-36.1). Our findings suggest that CRF may contribute as an important tool to identify men and women with higher risk of osteoporotic fractures and that interventions aiming at specific risk factors (quit smoking, regular physical activity, prevention of falls) may help to manage patients to reduce their risk of fracture.

Two new species of Cnemidophorus (Squamata: Teiidae) of the C. ocellifer group, from Bahia, Brazil

Two new species of Cnemidophorus are described from the right bank of the Sao Francisco river, in the northwestern part of state of Bahia, Brazil. Both species are assigned to the Cnemidophorus ocellifer group and are distinguished from all other congeners on the basis of lepidosis and color pattern. One of them, Cnemidophorus cyanurus, shares with the species of the subgroup of C. littoralis (C. abaetensis, C. littoralis and C. venetacaudus), a bluish green tail, spurs on the heels of males, 6-7 supraciliaries, a high number of femoral pores (27-45), a row of enlarged scales in the dorsal part of the humerus, and 8 to 10 rows of ventral scales. The second species, Cnemidophorus nigrigula, shares with the C. ocellifer subgroup (composed of C. ocellifer, C. mumbuca, C. jalapensis and C. confusionibus) a low number of femoral pores (1421), enlarged scales in the temporal region posterior to the third subocular, 5 supraciliaries, 6 to 8 rows of ventral scales, and a brown tail color. It is also characterized by males being conspicuously larger than females and by females retaining the juvenile color pattern, which is lost in adult males. The latter characteristic has not been reported in any species of the C. ocellifer group before now. The two new species occur sympatrically at Santo Inacio.