Relating Underlying Performance Objectives of Overground Walking to Observable Walking Mechanics using Predictive Musculoskeletal Simulations
Relating Underlying Performance Objectives of Overground Walking to Observable Walking Mechanics using Predictive Musculoskeletal Simulations
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使用预测性肌肉骨骼模拟将地面步行的基本性能目标与可观察的步行力学联系起来
DOI：
10.1109/icorr55369.2022.9896553
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发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Fey, Nicholas P.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Li, Wentao;Fey, Nicholas P.
在人类步态过程中存在运动冗余，允许个体以不同的可观察方式(即，以不同的风格)执行相同的任务。然而，可观察到的行走机制的差异如何取决于独特的和潜在的生物力学目标尚不清楚。例如，这些目标可以包括代谢能量消耗、肌肉活动总和、肢体机械负荷、平衡及其组合。在这项研究中，我们开发了预测性神经肌肉模拟来研究水平行走过程中这些生物力学目标和可观察力学之间的关系。我们模拟了五个健康受试者的3D正常行走，同时优化了上述每个目标--产生了25个用于分析的向前动力学模拟。我们比较了不同模拟结果的关节运动学和力矩。其中一个主要发现表明，髋关节外展角度的降低与动态平衡(计算为全身角动量)的调节被包括在运动成本函数中时密切相关。我们还发现，关节力矩的增加与包括代谢成本(即与提高运动的能量经济性相关的目标)有关。此外，针对不同的性能目标调整关节运动学的时序。这些发现可以指导针对特定个人、任务和特定运动方式的康复训练和辅助设备的开发。
There exists motor redundancy during human gait that allows individuals to perform the same task in different observable ways (i.e., with varied styles). However, how differences in observable walking mechanics depend on unique and underlying biomechanical objectives is unclear. As an example, these objectives could include metabolic energy consumption, sum of muscle activations, limb mechanical loading, balance and combinations thereof. In this study, we develop predictive neuromuscular simulations to investigate the relationships between these biomechanical objectives and observable mechanics during level walking. We simulated 3D normal walking of five healthy subjects, while optimizing each of the aforementioned objectives-resulting in 25 forward dynamics simulations for analysis. We compared the resulting joint kinematics and moments of different simulations. One of main findings suggests that decreased hip abduction angle is tightly related to when the regulation of dynamic balance (computed as whole-body angular momentum) is included in a movement cost function. We also find that increased joint moments are related to including metabolic cost (i.e., objectives associated with improving the energy economy of movement). Further, the timing of joint kinematics is adjusted for different performance objectives. These findings could guide the development of rehabilitation training and assistive devices that target specific individuals, tasks, and specific styles of movement.
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