2026-04-13T15:06:51Zhttps://recercat.cat/oai/request

oai:recercat.cat:2117/4142492025-07-23T02:14:21Zcom_2072_1033col_2072_452951

Analysis and simulation of spinal cord injury patients' recovery in the rehabilitation process using personalized musculoskeletal models. A single case study Gaspar García, Marta Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria biomèdica::Biomecànica Mathematical models Models matemàtics Les Lesions de la Medul·la Espinal (LME) afecten milions de persones mundialment, haventhi al voltant de 500 000 nous casos anuals, causant càrregues significatives. Els mètodes de rehabilitació tradicionals sovint no satisfan necessitats individuals i poden ser esgotadors per als fisioterapeutes. Els models predictius que usen dades experimentals ofereixen enfocaments personalitzats, optimitzant els resultats terapèutics i les estratègies dels clínics. Aquesta tesi té com a objectiu desenvolupar un model predictiu per a un pacient amb LMEi, millorant l’eficàcia i eficiència de la recuperació, integrant variables específiques seves. El primer estudi analitzarà les característiques de la marxa d’un pacient amb LMEi fent servir un caminador, abans i després d’una rehabilitació de dos mesos amb Lokomat, per detectar els resultats en mètriques de qualitat de la marxa (paràmetres espaciotemporals, angles de les articulacions maluc-genoll-turmell) i mètriques d’equilibri (angles tronc-pelvis, trajectòria del centre de massa, índex de circuitat). S’utilitzarà OpenSim per visualitzar les dades experimentals i calcular la cinemàtica inversa, mentre que MATLAB calcularà les mètriques. En la segona etapa, es calibraran dos paràmetres múscul-tendó (MT) (Longitud Òptima de les Fibres Musculars o LOFM, i Longitud de la Relaxació del Tendó o LRT) utilitzant la cinemàtica del pacient, les forces de reacció del terra i els senyals EMG de 16 músculs. Un problema de control òptim impulsat per EMG amb seguiment sagital, resolt per l’eina GPOPS-II de MATLAB, avaluarà la consistència i les millores de les solucions. Finalment, es crearan dos models predictius utilitzant els paràmetres calibrats i es compararan amb les dades experimentals per avaluar la seva semblança amb els resultats reals. La primera anàlisi no va mostrar millora en els moviments de les articulacions de maluc, genoll i turmell després de dos mesos de rehabilitació amb Lokomat, amb marxa en crouch i asimetries degudes a la limitació de la dorsiflexió del turmell esquerre no relacionada amb LMEi. Els paràmetres espaciotemporals van millorar significativament, ja que la proporció de la fase de suport i balanceig va millorar del 82% - 18% al 66% - 34%, caminant 2.72 vegades més ràpid i amb un augment del 25% en la longitud de la passa, indicant efectes positius de la rehabilitació. Els canvis en l’ús del caminador van portar a variacions en l’angle del tronc i la trajectòria del centre de massa, amb dades posteriors a la rehabilitació que mostren moviments més saludables del tronc i la pelvis. La calibració dels paràmetres musculars va enfrontar dificultats a causa de la variabilitat i els mínims locals, complicant la interpretació de les diferències entre els casos previs i posteriors a la rehabilitació. Les simulacions predictives de la marxa es van assemblar a les dades experimentals, tot i que les millores funcionals de la marxa dels pacients no es van reflexar degut a la necessitat de més restriccions fisiològiques per al realisme, com rangs típics de LOFM i LRT, i angles d’articulacions abans i després de la rehabilitació típics per a cada cas, per exemple. Per a futurs treballs, es proposa la recopilació de dades de múltiples pacients amb LMEi per obtenir diverses perspectives sobre l’efectivitat de la teràpia Lokomat i millorar la precisió de la calibració muscular. És necessari un estudi més profund de la calibració MT per abordar la dependència de les conjectures inicials i la prevalença de mínims locals, amb l’objectiu d’una solució més globalment convergent. A més, és crucial investigar si els paràmetres calibrats de MT es correlacionen amb millores en els moments articulars. En les simulacions predictives, es recomana evitar imposar paràmetres espaciotemporals, permetent que el problema de control òptim els determini, i realitzar múltiples simulacions per analitzar la consistència i variabilitat de les solucions. 2024-07-12 Master thesis Open Access Universitat Politècnica de Catalunya