Dynamic ultrasound based musculotendon analysis of the Tibialis Anterior

16/09/2021

A inspiração biológica é um fator fundamental para o desenvolvimento de novos dispositivos e sistemas de apoio a locomoção. Assim, a compreensão do sistema neuromusculoesquelético humano e a descoberta das leis de controlo motor podem dar o impulso necessário para o desenho de dispositivos médicos mais inteligentes. O objetivo geral deste projeto de pesquisa é avaliar e quantificar as alterações da arquitetura muscular e do tendão durante o movimento articular do tornozelo, utilizando diversos protocolos experimentais que incluem contrações voluntárias, marcha e contrações induzidas por estimulação elétrica funcional (EEF). Para investigar o comportamento do complexo músculo-tendão a diferentes condições de carga, foram realizados testes impondo diferentes restrições externas conhecidas a articulação do tornozelo. Para medir as alterações da arquitetura do músculo esquelético como o ângulo de penação, o comprimento do fascículo e o deslocamento da junção músculo-tendão, utiliza-se a ultrassonografia, pois é não-invasiva, confiável, e permite estudos dinâmicos do músculo durante a contração em tempo real. Atualmente, a principal dificuldade encontrada na aplicação clínica dos sistemas EEF é a falta de padrões adequados de estimulação, em particular da amplitude, para a realização de um movimento pré-estabelecido. Neste projeto foi também avaliada a influência dos diferentes parâmetros dos sistemas EEF (frequência, intensidade e duração do pulso) na determinação da posição angular e força produzida no movimento de dorsiflexão da articulação do tornozelo. Os parâmetros observados da arquitetura músculo-tendão: (1) podem fornecer elementos-chave para entender os distúrbios do movimento em doenças neuromusculares; (2) podem ser usados como biomarcadores para aumentar a precisão dos modelos biomecânicos; (3) em última análise, podem contribuir para desenvolver melhores protocolos de estimulação elétrica funcional específicos para cada músculo, com o objetivo de prevenir a fadiga e melhorar a recuperação muscular. Esta tese fornece uma nova abordagem para melhorar a compreensão actual do comportamento da arquitetura do músculo tibial anterior, que afeta diretamente a função muscular. O ultrassom forneceu medições confiáveis do comprimento do fascículo muscular humano e do ângulo de penalização em toda a ampla gama de condições experimentais realizadas neste projeto. Assim, estes resultados fornecem uma visão sobre a estrutura do complexo músculo-tendão e, portanto, uma compreensão geral do comportamento da resposta motora da articulação do tornozelo. Com esta nova compreensão da arquitetura muscular, pretendemos contribuir para a análise normal e patológica da marcha, modelação biomecânica, bem como o desenho de novas tecnologias de neurorreabilitação (próteses e órteses), que visam melhorar a função e minimizar o grau de incapacidade dos pacientes. Bio-inspiration is a fundamental driver for the development of control systems with humans in the loop. The understanding of the human euromusculoskeletal system and the uncovering of its motor control laws could give the underlying push for control of biological joints using smart medical systems. Using a systemic approach, the broad aim of this research project is to assess and quantify muscle and tendon architectural changes during ankle joint motion under several experimental conditions such as voluntary contractions, gait cycle and electrical-induced contractions. To investigate the tibialis anterior muscle-tendon complex behavior in response to environmental challenges, both constrained and unconstrained tests are performed, by imposing different known external restrictions on joint motion. To measure the skeletal muscle architecture changes in pennation angle, fascicle length and the muscle-tendon junction displacement, ultrasound imaging is used, since it is non-invasive, reliable, real-time and allow dynamic studies of the muscle during contraction. Also, a protocol is proposed to estimate the effect of the different functional electrical stimulation (FES) parameters (amplitude, frequency and pulse-width) on the behavior response and torque produced by the tibialis anterior muscle. The observed musculoskeletal parameters: (1) may provide key guidelines to understand posture and movement disorders in neuromuscular diseases; (2) may be used as biomarkers to increase accuracy of prediction models for functional outcome and; (3) ultimately, may contribute to develop better muscle-specific FES protocols aimed to prevent fatigue and improve muscle recovery. This thesis provides a novel perspective to enhance the understanding of the behavior of Tibialis Anterior muscle architecture changes, which affect muscle function. The ultrasound has provided reliable measurements of human muscle fascicle length and pennation angle across the broad range of experimental conditions performed in this project. Taken together, these results provide insight into the structure of the muscle-tendon complex and thus, a general understanding of motor response behavior. With this new understanding in the muscle architecture changes, we aim to contribute to normal and pathological gait analysis, biomechanical modeling, as well as the design of neurorehabilitation technologies (prostheses and orthotics), that aim to improve function and minimize disability.

Autores da comunidade :

• 

  V

  Vanessa Susana Gonçalves da Cunha

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Orientadores desta instituição:

• 

  J

  Jorge Manuel Mateus Martins

  ist14135

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Dotoramento em Bioengenharia

- Biotecnologia Industrial

Palavras-chave

• Tibial Anterior
• Arquitetura do Músculo Esquelético
• Ultrassom, Biomecânica do Tornozelo
• Estimulação Elétrica Funcional
• Tibialis Anterior
• Skeletal Muscle Architecture
• Ultrasound
• Ankle Biomechanics
• Functional Electrical Stimulation

- Inglês

Instituto Superior Técnico