Synthesis of dynamic squat movements by quadratic optimization and study of the influence of the parameters of the musculoskeletal model
Synthèse de mouvements dynamiques de squat par optimisation quadratique et étude de l’influence des paramètres du modèle musculo-squelettique
Résumé
Cerebral palsy (CP) is a prevalent group of neuromotor disorders that affect the developing fetal or infant brain and persist through the life span. The assessment and treatment of abnormalities of motor function in children with CP are challenging due to the wide variety of impairments of the developing central nervous system and their clinical manifestations. To manage musculoskeletal impairments, single-event multilevel orthopedic surgery (SEMLS) is proven to be the most effective treatment method to treat musculoskeletal deformities in children with CP. Given the invasiveness of orthopaedic surgery and the varying degrees of neurologic impairment exhibited, among different patients, SEMLS must be planned ahead to optimize the outcome and maximize patient function. Our motivation behind this work is to design a tool based inspired from robotics to study how neuromuscular impairments contribute to abnormal movement, and to predict the functional consequences of a modification of the musculoskeletal system. Without requiring experimental data related to kinematics or contact forces, the method consists in computing joint kinematics and muscle activities by solving optimization problems describing the strategy of producing a target movement. The formulation of the optimization problems can also be modified to reflect strategy adaptation to different conditions and musculoskeletal modifications. We believe that this method has the capacity of predicting the implication of musculoskeletal modifications on movement and muscle behavior. As a result, it can be incorporated in the development of physics-based simulation tools that provide clinicians valuable information to be considered in orthopaedic treatment planning.
La paralysie cérébrale (PC) est un groupe de troubles neuromoteurs qui affectent le développement du cerveau du fœtus ou du nourrisson et persistent tout au long de la vie. L'évaluation et le traitement des anomalies de la fonction motrice chez les enfants atteints de PC sont difficiles en raison de la grande variété de déficiences du système nerveux central en développement et de leurs manifestations cliniques. Pour gérer les déficiences musculo-squelettiques, la chirurgie multi-étagée (SEMLS) s'est avérée être le traitement le plus efficace pour traiter les déformations musculo-squelettiques chez les enfants atteints de PC. Compte tenu du caractère invasif de la chirurgie orthopédique et des divers degrés de déficience neurologique présentés chez différents patients, la SEMLS doit être planifiée à l'avance pour optimiser le résultat et maximiser la fonction motrice du patient. Notre motivation derrière ce travail est de concevoir un outil basé sur la commande robotique pour étudier comment les déficiences neuromusculaires contribuent aux mouvements anormaux, et pour prédire les conséquences fonctionnelles d'une modification du système musculo-squelettique. Sans avoir recours aux données expérimentales liées à la cinématique ou aux forces de contact, la méthode consiste à calculer la cinématique articulaire et les activités musculaires en résolvant des problèmes d'optimisation décrivant la stratégie pour générer d'un mouvement cible. La formulation des problèmes d'optimisation peut également être modifiée pour refléter l'adaptation de la stratégie à différentes conditions et modifications musculo-squelettiques. Nous pensons que cette méthode a la capacité de prédire l'implication des modifications musculo-squelettiques sur le mouvement et le comportement musculaire. En conséquence, il peut être intégré dans le développement d'outils de simulation basés sur la physique qui fournissent aux cliniciens des informations précieuses à prendre en compte dans la planification du traitement orthopédique.
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