Forças de contato no joelho e análise da demanda muscular durante atividades funcionais em pacientes com osteoartrite de joelho : análises com modelo musculoesquelético

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dc.contributor.advisorMoura, Felipe Arruda
dc.contributor.authorPelegrinelli, Alexandre Roberto Marcondes
dc.contributor.bancaSarro, Karine Jacon
dc.contributor.bancaSantiago, Paulo Roberto Pereira
dc.contributor.bancaLucareli, Paulo Roberto Garcia
dc.contributor.bancaOkazaki, Victor Hugo Alves
dc.coverage.extent95 p.
dc.coverage.spatialLondrina
dc.date.accessioned2024-09-10T17:46:54Z
dc.date.available2024-09-10T17:46:54Z
dc.date.issued2023-04-14
dc.description.abstractA intensidade da força de contato tibiofemoral e a distribuição entre os compartimentos do joelho são relacionados ao desenvolvimento e progressão da osteoartrite (OA). Estas forças de contato durante atividades funcionais podem ser estimadas de forma não-invasiva, utilizando modelos musculoesqueléticos (MSK). As tarefas de marcha, sentar e levantar são consideradas algumas das atividades funcionais mais relevantes e, quando afetadas pela OA, têm impacto na qualidade de vida dos pacientes. Para análises das forças tibiofemoral durante estas tarefas é importante a escolha e definição do modelo mais adequado. Desta forma, o objetivo geral da tese foi identificar as alterações nas forças de contato no joelho durante a marcha, o sentar e levantar em pacientes afetados pela OA. A tese foi dividida em três estudos. No primeiro, o objetivo foi de identificar o melhor modelo MSK para predizer a força de contato vertical no joelho e nos compartimentos medial e lateral. No segundo estudo, as alterações na força de contato no joelho e da demanda muscular durante a marcha foram comparadas entre pacientes com OA de joelho e indivíduos controles. Além disso, um modelo de predição baseado em aprendizagem de máquina foi empregado para identificar as variáveis cinemáticas e cinéticas mais relevantes e testar a capacidade de predizer os picos de força tibiofemoral. Por fim, no último estudo, foram analisadas as tarefas de sentar e levantar quanto às forças musculares e no joelho em pacientes com OA. No primeiro estudo, o modelo adaptado proposto foi o que melhor estimou as forças de contato vertical total e nos compartimentos medial e lateral para as atividades de sentar e levantar. Os resultados foram comparados com dados medidos in vivo em pacientes com uma prótese instrumentada de joelho. Para a marcha os resultados foram similares entre os modelos analisados. Diante desse resultado, o modelo adaptado foi empregado para as análises nos estudos 2 e 3, para a comparação entre pacientes com OA grave de joelho e controles saudáveis. No estudo 2, utilizando um modelo preditivo, generalized linear model (GLM), o primeiro pico de força vertical total no joelho e os dois picos no compartimento medial foram preditos com um erro em torno de 6 a 10% do pico calculado. O momento extensor do joelho e o abdutor do quadril foram as variáveis mais relevantes para predizer as forças total e no compartimento medial, respectivamente. Ainda, a comparação entre os grupos mostrou maiores valores de vale entre os picos para a força de contato vertical no grupo OA comparado aos controles. Adicionalmente, os pacientes com OA modificaram a marcha para reduzir a força no compartimento medial comparado aos controles. Por fim, no último estudo a tarefa de sentar foi a mais afetada na OA de joelho comparado ao levantar. A força muscular dos vastos foram reduzidas no grupo OA durante a atividade sentar, onde a contração é principalmente excêntrica. Para as duas tarefas, as força vertical total e no compartimento medial foram menores comparado aos controles. O grupo OA apresentou uma estratégia compensatória impondo maiores cargas no membro não afetado em comparação ao lesionado. Desta forma, concluímos que o modelo musculoesquelético, identificado como o que melhor estimava as forças de contato, foi capaz de encontrar diferenças durante as tarefas funcionais em pessoas com OA grave de joelho. Os resultados da tese indicam um grande potencial de, por meio de modelos de aprendizagem de máquina, predizer os resultados de força de contato tibiofemoral a partir de variáveis mais simples de serem calculadas. Por fim, os estudos indicam importantes modificações nas forças de contato tibiofemoral durante atividades funcionais em pessoas com OA grave de joelho. As alterações encontradas são associadas a diferentes estratégias de minimizar a compressão no compartimento medial. Dessa forma, exercícios de retreinamento da marcha e treino excêntrico da musculatura extensora do joelho devem ser estudados quanto à capacidade de minimizar as diferenças encontradas no presente estudo.
dc.description.abstractother1The magnitude of the tibiofemoral contact force and its distribution between the knee compartments are related to the development and progression of osteoarthritis (OA). Joint contact forces during functional tasks can be estimated using a non-invasive approach with musculoskeletal (MSK) models. Gait, sitting down, and standing up are some of the most important functional tasks. When these tasks are affected by knee OA, they can have a significant impact on quality of life. To analyze the tibiofemoral forces during these tasks, it is important to choose and define the most appropriate model. Therefore, the main goal of this thesis was to identify differences in knee contact forces during gait, sitting down and, standing up in knee OA patients. The thesis was divided into three manuscripts. In the first manuscript, the main objective was to identify the best MSK model to predict the total vertical tibiofemoral force, and in the medial and lateral compartments. In the second study, differences in knee contact force and muscle demands during gait were compared between patients with knee OA and healthy controls. Additionally, a machine learning predictive model was used to identify the most relevant kinematic and kinetic variables and to test the model’s ability to predict tibiofemoral peak forces. Finally, the third study analyzed differences in knee contact forces and muscle demands during the sit-to-stand and stand-to-sit tasks in knee OA patients. The first results showed that the proposed adapted model was the best to estimating total vertical forces and forces in the medial and lateral compartments during the sitting down and standing up tasks. The estimated results were compared to in vivo measured results with a knee instrumented prosthesis. For the gait, the results were similar among the models analyzed. Based on these results, the adapted model was used for the second and third studies. In manuscript 2, a generalized linear model was applied as a predictive model. The first peak of the total tibiofemoral force and both peaks in the medial compartment were predicted with an error of around 6 to 10% of the calculated peak. The knee extensor moment and the hip abductor moment were the most relevant features for predicting the total vertical tibiofemoral force and medial compartment, respectively. Moreover, the comparison between the groups showed higher values during the valley between the peaks for the total vertical force in the OA group compared to controls. Additionally, the OA patients showed a gait modification to minimize medial compartment forces compared to controls. In the final paper, the stand-to-sit task was found to be more affected by knee OA compared to the sit-to-stand task. The vastus muscle force was reduced in the OA group during the sitting down task, where eccentric contraction is more relevant. For both tasks, the total vertical force and medial compartment were reduced compared to controls. The OA group showed a compensatory strategy of increasing the higher load in the non-affected knee. We concluded that the selected model in the first study was able to found differences during functional tasks in patients with severe knee OA. The results of the thesis indicate a great potential for using machine learning models to predict tibiofemoral contact forces with simpler variables. Furthermore, the studies showed significant differences in knee contact force during functional tasks in patients with severe knee OA. The differences observed were associated with strategies to reduce medial compartment compressive force. Therefore, treatments involving gait retraining and eccentric muscle strengthening for the knee extensors should be tested for their capacity to modify the differences identified in this study.
dc.identifier.urihttps://repositorio.uel.br/handle/123456789/17496
dc.language.isopor
dc.relation.departamentCEFE - Departamento de Educação Física
dc.relation.institutionnameUniversidade Estadual de Londrina - UEL
dc.relation.ppgnamePrograma de Pós-Graduação Associado em Educação Física UEM/UEL
dc.subjectCarga articular
dc.subjectForça muscular
dc.subjectModelos musculoesqueléticos
dc.subjectOpenSim
dc.subjectMarcha
dc.subjectSentar
dc.subjectLevantar e machine learning
dc.subjectTreinamento físico - Educação física
dc.subjectTreinamento
dc.subjectMarcha humana
dc.subjectJoelhos - Músculos
dc.subjectOsteoartrite
dc.subjectSistema musculoesquelético - Doenças
dc.subject.capesCiências da Saúde - Educação Física
dc.subject.keywordsJoint load
dc.subject.keywordsMuscle force
dc.subject.keywordsMusculoskeletal models
dc.subject.keywordsOpenSim
dc.subject.keywordsGait
dc.subject.keywordsSitting down
dc.subject.keywordsStanding up and machine learning
dc.subject.keywordsPhysical training - Physical education
dc.subject.keywordsMuscle strength
dc.subject.keywordsTraining
dc.subject.keywordsHuman gait
dc.subject.keywordsKnee - Muscles
dc.subject.keywordsOsteoarthritis
dc.subject.keywordsMusculoskeletal system - Diseases
dc.titleForças de contato no joelho e análise da demanda muscular durante atividades funcionais em pacientes com osteoartrite de joelho : análises com modelo musculoesquelético
dc.title.alternativeKnee contact forces and muscle demands during functional tasks in knee osteoarthritis patients : musculoskeletal model analysis
dc.typeTese
dcterms.educationLevelDoutorado
dcterms.provenanceCentro de Educação Física e Esportes

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