Proceedings of the 22th Bilateral Student Workshop CTU Prague: Dresden (Germany) 2018

This technical report publishes the proceedings of the 22th Prague Workshop, which was held from 30th November to 1st December 2018. The workshop offers a possibility for young scientists to present their current research work in the fields of computer graphics, human-computer-interaction, robotics and usability. The works is meant as a platform to bring together researchers from both the Czech Technical University in Prague (CTU) and the University of Applied Sciences Dresden (HTW). The German Academic Exchange Service offers its financial support to allow student participants the bilateral exchange between Prague and Dresden.:1) An approach to a self-organizing production in com- parison to a centrally planned production 4 2) Tactile symbols for visually impaired older adults 9 3) Design of Olfactory Cues for Approximate Spatial Self- Localization 11 4) Shape To Muscle: A Model for estimating Muscle Activation from Skin Deformation 13 5) Model of a Conversational System for Controlling Sec- ondary Tasks while Driving 19 6) Tools for Art and Architectural Research with His- toric Media Repositories 22 7) Direct Labels: Real-time External Labeling Without Leader Lines 25 8) Seamless Cloning with Poisson Image Editing 29 9) Multimodal user interaction for human behavior mod- eling in adaptation and personalization 32 10) Objective Feature Selection using GMLVQ with Di- rectly Incorporated L1-Regularization 35 11) How to Call a Robot in an Emergency Situation 37 12) Development of a Collaborative Computer Game for Elderly with Dementia 3

Relation of muscular contractions to mechanical deformation in the human tibia during different locomotive activities

As one of the major hard tissue in humans and most vertebrates, the skeleton, generally referring to bone, provides the essential frame to support the body and to thus permit locomotion. Considering the functional requirements of bones across different species, e.g. from rats to dinosaurs, or during different growth periods, e.g. from embryo to old age, it is not difficult to conceive that bones adapt to the experienced mechanical environment. In fact, mechanically regulated bone modeling and remodeling is one of the major means to maintain regular bone metabolism. The findings on the bone adaptation to the mechanical environment have been well theorized by Julius Wolff in 1890s [1] as ‘Wolff’s law’ and refined later by Harold Frost as ‘mechanostat’ [2-4]. Evidence from numerous animal studies in the past revealed the adaptation process of the bones to the well-defined artificial mechanical environment and suggested certain relationship between the adaptation in relation to the types of loading, e.g. loading amplitude, loading cycle, loading frequency and so on [5-8]. Conversely, bone degradation was generally observed during disuse, e.g. prolonged bed rest [9], or in the microgravity environment during space flight [10]. Indeed, the best way to further our understanding in this adaptation process is to quantitatively study the mechanical loading on bone during daily locomotor activities. However, this is still rather challenging due to technical difficulties. More importantly, the mechanical load on bones can vary greatly across individuals or species, as the variance between the body size, locomotor pattern and speed

Cancellous bone and theropod dinosaur locomotion. Part II—a new approach to inferring posture and locomotor biomechanics in extinct tetrapod vertebrates

This paper is the second of a three-part series that investigates the architecture of cancellous bone in the main hindlimb bones of theropod dinosaurs, and uses cancellous bone architectural patterns to infer locomotor biomechanics in extinct non-avian species. Cancellous bone is widely known to be highly sensitive to its mechanical environment, and therefore has the potential to provide insight into locomotor biomechanics in extinct tetrapod vertebrates such as dinosaurs. Here in Part II, a new biomechanical modelling approach is outlined, one which mechanistically links cancellous bone architectural patterns with three-dimensional musculoskeletal and finite element modelling of the hindlimb. In particular, the architecture of cancellous bone is used to derive a single ‘characteristic posture’ for a given species—one in which bone continuum-level principal stresses best align with cancellous bone fabric—and thereby clarify hindlimb locomotor biomechanics. The quasi-static approach was validated for an extant theropod, the chicken, and is shown to provide a good estimate of limb posture at around mid-stance. It also provides reasonable predictions of bone loading mechanics, especially for the proximal hindlimb, and also provides a broadly accurate assessment of muscle recruitment insofar as limb stabilization is concerned. In addition to being useful for better understanding locomotor biomechanics in extant species, the approach hence provides a new avenue by which to analyse, test and refine palaeobiomechanical hypotheses, not just for extinct theropods, but potentially many other extinct tetrapod groups as well

Integration of 3D printed sensors into orthotic devices

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020Nos últimos anos tem-se vindo a registar um aumento do interesse, por parte da comunidade científica, pela área dos exosqueletos, onde novos modelos e conceitos são constantemente apresentados, com o objetivo de desenvolver a próxima geração de dispositivos. Uma das razões que pode vir a justificar este aumento de interesse, por parte da comunidade científica, é o aumento da esperança média de vida. De acordo com a organização mundial de saúde, a percentagem de população mundial com mais de 60 anos aumentará de 11% para 22%, entre 2000 e 2050. Com o aumento da esperança média de vida, espera-se também um aumento da incidência de doenças associadas ao envelhecimento que, em muitos dos casos, podem levar a incapacidades motoras. Como tal, é necessário desenvolver dispositivos capazes de assistir indivíduos que se encontrem nestas situações. Uma possível medida a implementar, seria o desenvolvimento de exosqueletos dedicados à reabilitação, assim como dispositivos capazes de assistir indivíduos com deficiências locomotoras, no seu dia-a-dia. Com a perspetiva do aumento da esperança média de vida, é também importante adotar medidas de prevenção, de modo a evitar complicações no futuro, ao nível do sistema locomotor, especialmente para pessoas com trabalhos mais físicos. Estas complicações poderiam ser potencialmente reduzidas com a aplicação de exosqueletos nos variados locais de trabalho, com vista a melhorar a postura e desempenho dos trabalhadores, auxiliando-os nas suas tarefas diárias. Independentemente do objetivo para qual o exosqueleto está a ser desenvolvido, é essencial que o mesmo tenha uma boa estratégia de controlo. Existem várias estratégias de controlo, sendo uma delas o controlo baseado na força/torque aplicado pelo utilizador. Neste tipo de controlo, como o nome indica, a força/torque aplicado pelo exosqueleto é proporcional à leitura de sensores que se encontram entre o utilizador e o exosqueleto, que indiretamente interpretam a intenção do utilizador. Estes sensores são normalmente sensores de eletromiografia (EMG) e/ou sensores de força. Para além de uma boa estratégia de controlo é também importante monitorizar as forças de interação entre o exosqueleto e o utilizador. A incorreta aplicação de forças, por parte do exosqueleto, pode levar à alteração do padrão natural de ativação dos músculos, sendo por sua vez contraprodutivo no caso da fisioterapia, por exemplo. Por outro lado, forças que são incorretamente aplicadas podem também desencadear fadiga, desconforto e, em último caso, colocar em risco a segurança do utilizador. Como tal, a monitorização das forças aplicadas pelo exosqueleto é algo verdadeiramente importante, que pode ser executado através da implementação de sensores de força. A partir da informação apresentada, é possível concluir que a integração de sensores de EMG e força nas interfaces dos exosqueletos é uma possível estratégia a adaptar, quando o objetivo é otimizar o desempenho dos mesmos. No entanto, não existem muitos casos de exosqueletos com este tipo de sensores incorporados. Uma das razões que pode vir a justificar este fenómeno é a geometria deste tipo de sensores, que se encontram atualmente no mercado, ser fixa e de difícil customização, o que influencia diretamente o design do exosqueleto. Para além da geometria dos sensores, na maioria dos casos, quando o objetivo é fabricar sensores de alta resolução, o processo de fabrico é constituído por múltiplas etapas, o que pode dificultar a escalabilidade de manufatura, aumentando o custo de fabrico, o que em última instância comprometerá o design e o processo de fabricação dos exosqueletos. Com o objetivo de encontrar alternativas aos sensores convencionais, alguns desenvolvimentos têm sido feitos numa tentativa de incorporar a tecnologia de impressão 3D ao mundo dos sensores. Uma das grandes vantagens desta simbiose é a possibilidade de poder, numa só etapa, produzir e integrar o sensor, sem limitações de design, no local desejado, neste caso na interface do exosqueleto. Como tal, o objetivo deste trabalho seria o desenvolvimento de uma interface de um exosqueleto, impressa em 3D, com sensores de EMG e de força incorporados, também impressos em 3D. O exosqueleto que será utilizado provirá de um projeto em desenvolvimento pelo grupo Brussels Human Robotics Research Center, BruBotics, mais especificamente pelo projeto BioMot. Neste projeto em específico, devido à complexidade do objetivo estipulado, apenas os sensores de EMG e de força, impressos em 3D, foram desenvolvidos e testados. Para além dos sensores, um estudo sobre a deformação dos músculos da parte inferior da perna, durante ciclo de marcha, foi também realizado, de modo a facilitar o futuro design da interface do exosqueleto. Um sensor de EMG é constituído por dois elétrodos condutores, isolados por um material não condutor, de modo a possibilitar a captação dos sinais elétricos provenientes dos músculos, que, por sua vez, refletem a intenção do utilizador. Como tal, para produzir este tipo de sensores, utilizando técnicas de impressão 3D, mais especificamente, técnicas de impressão FDM (modelagem por deposição fundida), é preciso: um material condutor (neste caso semicondutores, devido à inexistência de filamentos condutores, para este tipo de impressão 3D) e um material não condutor. Para este projeto foram utilizados: o filamento semicondutor Proto-pasta conductive PLA (Protoplant, Inc., USA) e o filamento não condutor Ultimaker TPU 95A (Ultimaker B.V., The Netherlands). Com estes dois materiais foi possível, com algumas limitações, produzir um sensor EMG funcional, que poderá, possivelmente, vir a ser integrado num exosqueleto, em trabalho futuro. É necessário, no entanto realizar primeiro um estudo intensivo, de modo a compreender as restrições de funcionamento deste mesmo sensor. Relativamente aos sensores de força, o seu design/modo de funcionamento, foi baseado num condensador de elétrodos paralelos. De forma a produzir este tipo de sensor, é necessário um material semicondutor (dado, mais uma vez, a inexistência de materiais condutores para o tipo de técnica de impressão 3D que será utilizado) e um material não condutor. A ideia seria imprimir um sensor com duas finas placas semicondutoras, separadas por outra fina placa não condutora, denominado de dielétrico. Neste tipo de sensores, quando uma força é aplicada, a distância entre as placas semicondutoras diminui, induzindo um aumento da capacidade do condensador, sendo que este aumento será proporcional à força aplicada ao sensor, permitindo assim o seu registo. Com o objetivo de desenvolver este tipo de sensor, foi necessário primeiro desenvolver um sistema capaz de captar, e posteriormente transferir para um computador, as variações da capacidade do sensor de forma a possibilitar a sua posterior análise. Para além do sistema de registo, foi também necessário testar vários tipos de materiais e as várias definições de impressão, de modo a selecionar quais os mais adequados para a impressão deste sensor, dado que. Neste caso, os materiais e as definições de impressão mais adequadas, seriam as que conferissem ao dielétrico a maior flexibilidade possível dado que, quanto maior a flexibilidade do dielétrico, maior a variação da capacidade, e, como tal, maior resolução dos sinais captados. Após o desenvolvimento de um sistema de registo, e da escolha dos materiais mais adequados ao objetivo deste projeto, um sensor capacitivo foi produzido. As placas condutoras foram impressas com o filamento PI-ETPU 95-250 Carbon Black (Palmiga Innovation, Sweden) e o dielétrico com o filamento não condutor NinjaFlex 85A (Fenner Inc., USA). Ao contrário das placas condutoras, o dielétrico foi impresso com um preenchimento concêntrico ocupando apenas 50% do espaço, conferindo deste modo uma maior flexibilidade ao sensor. Com a produção do sensor completa, o mesmo foi testado. A partir dos resultados dos testes realizados, foi possível verificar um aumento da capacidade do sensor quando sujeito à aplicação de uma força, sendo que este aumento foi proporcional à magnitude da força aplicada. Apesar dos resultados terem sido bastante positivos, o sensor demonstrou ter uma elevada histerese, como tal, antes da implementação destes sensores em exosqueletos, os mesmos terão de ser rigorosamente testados, com vista a melhor compreender as suas limitações e modular, se possível, a resposta dos sensores tendo em conta a sua histerese, dependência do tempo de aplicação das forças, entre outros fatores. Após o desenvolvimento dos dois tipos de sensores, foi crucial compreender qual o melhor local para os aplicar, de modo a otimizar a informação proveniente dos sinais, por eles captados. Seguindo esta ordem de pensamentos, um algoritmo foi desenvolvido de modo a melhor compreender a deformação da superfície da parte inferior da perna, e como tal dos músculos que a constituem, durante o ciclo de marcha. Esta informação é especialmente relevante aquando da implementação dos sensores de EMG, dado que os locais onde os mesmos devem ser colocados, correspondem à zona mais proeminente dos músculos que estão a ser avaliados, que naturalmente estão sujeitos a maiores níveis de deformação. Para compreender quais os vários locais de deformação da parte inferior da perna, vários varrimentos de imagem (scans) de vários indivíduos, em várias fases do ciclo de marcha, foram obtidos, e comparados entre si, através do algoritmo desenvolvido, nestes scans as parte mais proeminentes dos músculos em estudo foram assinaladas com marcadores. O algoritmo desenvolvido tem a capacidade de identificar, com algum erro associado, os marcadores, alinhar os diversos scans das várias fases do ciclo de marcha, com base na localização espacial desses mesmos marcadores e segmentar transversalmente os scans, nas zonas mais proeminentes dos músculos. A análise da deformação é feita a partir do raio de curvatura deste segmento em zonas especificas previamente estipuladas. Apesar do algoritmo precisar de alguns melhoramentos, de forma a possibilitar uma avaliação pormenorizada e exata da deformação da superfície da parte inferior da perna, foi possível concluir, a partir dos resultados de saída do algoritmo, que as maiores deformações ocorrem nos limites dos músculos e não nas zonas mais proeminentes dos músculos (apesar de existir um deslocamento espacial das mesmas zonas). Esta informação será bastante relevante para a construção da interface do exosqueleto, mais especificamente para a escolha dos materiais, mais rígidos ou mais flexíveis por exemplo, e onde os corretamente colocar, de modo a assegurar o constante contacto entre o utilizador e os sensores, enquanto a eficiência do exosqueleto é assegurada.There has been an increasing interest on the research of exoskeletons in the last years, with novel designs and concepts emerging to develop the next generation of devices. One of many research areas, involved in the optimization of the exoskeletons’ performance, is the integration of sensors, more specifically Electromyography (EMG) sensors and force sensors, into the exoskeleton’s interfaces, being the interfaces, the exoskeleton’s component responsible for the power transmission from the exoskeleton to the user’s biological structures. The integration of sensors into the exoskeletons’ interfaces can potentially improve the exoskeleton’s control, comfort, safety, and ergonomics. However, the integration of the sensors that are currently on the market into the exoskeletons’ interfaces has complications such as the sensors’ fixed geometry, lack of customisation and fabrication costs. One alternative to these conventional sensors is combining the 3D printing technology to the sensor’s world and produce 3D printed orthosis embedded with 3D printed sensors, where an integrated manufacturing strategy can be adopted, allowing the production of customized interfaces. Therefore, the goal of this project was to develop and test 3D printed EMG and force sensors to be integrated, in future work, into the cuffs of 3D printed orthotic devices. To help the design of these orthotic devices, an analysis of the deformation of the lower limb muscles, during the gait cycle will was also performed. In this project a working 3D printed EMG sensor, along with a 3D printed capacitance-based force sensor were successfully produced, also an efficient reading system for the force sensor was developed. Besides the 3D printed sensors, an algorithm, able to detect possible deformations, and measure those same deformations, was developed. From the algorithm’s results, it was possible to conclude the existence of variations in the muscle’s limits due to changes in the gait cycle positions

Online Assessment of Human-Robot Interaction for Hybrid Control of Walking

Restoration of walking ability of Spinal Cord Injury subjects can be achieved by different approaches, as the use of robotic exoskeletons or electrical stimulation of the user’s muscles. The combined (hybrid) approach has the potential to provide a solution to the drawback of each approach. Specific challenges must be addressed with specific sensory systems and control strategies. In this paper we present a system and a procedure to estimate muscle fatigue from online physical interaction assessment to provide hybrid control of walking, regarding the performances of the muscles under stimulation

The Influence of Foot-Strike Technique on the Neuromechanical Function of the Foot

This is the author accepted manuscript. The final version is available from Lippincott, Williams & Wilkins via the DOI in this recordPURPOSE: The aim of this study was to investigate the influence of foot-strike technique on longitudinal arch mechanics and intrinsic foot muscle function during running. METHODS: Thirteen healthy participants ran barefoot on a force-instrumented treadmill at 2.8 ms with a forefoot (FFS) and rearfoot (RFS; habitual) running technique, whereas kinetic, kinematic, and electromyographic data from the intrinsic foot muscles were collected simultaneously. The longitudinal arch was modeled as a single "midfoot" joint representing motion of the rearfoot (calcaneus) relative to the forefoot (metatarsals). An inverse dynamic analysis was performed to estimate joint moments generated about the midfoot, as well as mechanical work and power. RESULTS: The midfoot was more plantar flexed (higher arch) at foot contact when running with a forefoot running technique (RFS 0.2 ± 1.8 vs FFS 6.9 ± 3.0°, effect size (ES) = 2.7); however, there was no difference in peak midfoot dorsiflexion in stance (RFS -11.6 ± 3.0 vs FFS -11.4 ± 3.4°, ES = 0.63). When running with a forefoot technique, participants generated greater moments about the midfoot (27% increase, ES = 1.1) and performed more negative work (240% increase, ES = 2.2) and positive work (42% increase, ES = 1.1) about the midfoot. Average stance-phase muscle activation was greater for flexor digitorum brevis (20% increase, ES = 0.56) and abductor hallucis (17% increase, ES = 0.63) when running with a forefoot technique. CONCLUSIONS: Forefoot running increases loading about the longitudinal arch and also increases the mechanical work performed by the intrinsic foot muscles. These findings have substantial implications in terms of injury prevention and management for runners who transition from a rearfoot to a forefoot running technique.Funding for this study was provided via an industry research grant from Asics Oceania (grant identification number 2014000885

Investigation Of Biomechanical Risk Factors Of Medial Tibial Stress Syndrome Through Finite Element Analysis

Medial tibial stress syndrome (MTSS) is an overuse injury in the lower extremity associated with endurance running. MTSS is a palpitation of pain of at least 5 centimeters along the medial tibia with possible microfractures in the tibia. The various risk factors which may lead to the development of MTSS are body mass index, over pronation, heel striking, level of shod in the running shoe, type and angle of running surface, high volume training, age, gender, stride length, range of motion, and calf girth. Few investigations have been made to limit these risk factors through the utilization of finite element analysis (FEA). This study investigates the likelihood of MTSS developing and the possibility of microfractures in the tibia under varying conditions of pronation degree, body mass index, material property, and gait phase. FEA was used in order to measure the von Mises stress of 24 human tibia models. The simulations were run for three main phases of gait “impactâ€, “mid-stanceâ€, and “push-offâ€. The risk factors under investigation were intrinsic in nature, which are over pronation (OP) and body mass index (BMI). Forces were input for 2 male subjects running at 8 miles per hour on a flat surface. Simulations were run for isotropic and orthotropic tibia models with “normal pronation and normal BMIâ€, “over pronation and normal BMIâ€, “normal pronation and high BMIâ€, and “over pronation and high BMIâ€. FEA revealed that the combination of over pronation and high BMI consistently had the greatest von Mises stresses throughout each phase of gait for isotropic and orthotropic tibia models. Statistical results show that material properties had the greatest effect on the measured von Mises stress followed by pronation degree, gait phase, and BMI. A normality test with a confidence interval of 95% proved that the distribution of von Mises stress across was acceptable for all models with P=0.130. Factorial ANOVA was run for gait phase, BMI, pronation degree, and material property, which also confirmed the greatest effects on von Mises stress are material property, pronation degree, gait phase, and then BMI

Correlation of leg impedance and skin deformation during gait

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019O conhecimento da deformação da pele, juntamente com a cinética e cinemática do corpo humano, são essenciais no planeamento e desenvolvimento de dispositivos médicos em contacto próximo e frequente com a pele humana, fornecendo informações adicionais sobre as características únicas da marcha de cada indivíduo. A forma e intensidade como a pele estica e contrai tem especial atenção nas indústrias têxtil, cosmética e médica que pretendem garantir máxima ergonomia sem sacrificar a eficácia do produto. O planeamento de equipamentos médicos em contacto com o corpo humano (e.g. ortóteses, soft exoskeletons) é importante para garantir os sucessos de processos de reabilitação e a melhor adaptação possível ao paciente. A análise cinética do movimento caracteriza todas as forças que atuam sobre o corpo humano com o objectivo de provocar movimento, sendo as variáveis mais informativas a força de reação (GRF) e a evolução da trajetória do centro de pressão (CoP). Estas duas variáveis apresentam um padrão comum em todos os sujeitos saudáveis, permitindo facilmente a identificação de qualquer problema locomotivo quando os valores apresentam um desvio significativo – marcha patológica. A força de reação vertical apresenta um aspecto característico, com dois picos de intensidade relacionados com especificas etapas do ciclo de marcha: o primeiro pico na fase de apoio de peso, o segundo durante a fase de propulsão. Um pico adicional, por vezes registado no início da fase de apoio, encontra-se diretamente relacionado com o impacto do calcanhar e a forma como o peso é distribuído neste instante – este pico ocorre frequentemente em registos de andar sem calçado, onde não existe amortecimento causado pela sola. Na corrida, geralmente apresenta um pico único, com duração mais curta comparativamente ao andar. O centro de pressão caracteriza-se como a progressão da propagação do vetor da força de reação ao longo do pé, durante o movimento. A trajetória do centro de pressão apresenta uma progressão essencialmente retilínea, com ligeiros desvios quando ocorre a transição de peso do calcanhar para o meio do pé e quando o individuo se propulsiona (localizado nos metatarsos). Na corrida a trajetória é muito menor, devido ao apoio e impulso do sujeito localizado principalmente nos metatarsos. Menos avaliada é a análise da velocidade do centro de pressão (VCoP), que relata a rapidez da transição dos pontos do centro de pressão ao longo do movimento, permitindo observar quanto tempo o sujeito apoia o seu peso numa determinada região do pé. Para o ciclo de marcha comum, costuma apresentar um padrão distinto caracterizado pela presença de 3 picos: estes distinguem a transação rápida do vetor na parte posterior e anterior do pé. A presente tese continua e complementa trabalho previamente realizado no Instituto Superior Técnico, com principal objectivo a análise da deformação da pele do tornozelo [1] e correlação de variáveis biomecânicas na marcha normal [2], destacando-se por uma análise da deformação da perna inteira e por uma sincronização exata com as restantes variáveis biomecânicas. É apresentada uma análise detalhada dos ciclos de marcha e corrida de 9 indivíduos saudáveis (2 masculinos, 7 femininos), com idades entre 20-28 anos, demonstrando uma sincronização completa da progressão temporal da deformação da pele da perna, força de reação do solo (GRF), centro de pressão (CoP), velocidade do centro de pressão (VCoP) e evolução angular das articulações principais (joelho e tornozelo). O equipamento de recolha de dados consistiu em duas câmaras de alta velocidade sincronizadas com uma plataforma de força, ambas adquirindo dados durante 3 segundos a uma frequência de 500 imagens (dados) por segundo. De modo a permitir a análise da deformação da pele da perna através de correlação de imagem tridimensional (3D-DIC), foi necessário cumprir os requerimentos necessários de criação e aplicação de um padrão aleatório, anisotrópico e de elevado contraste (i.e. pontos pretos em fundo branco): para tal foram utilizadas tintas acrílicas, atóxicas, para pintar a perna (cor branca), desde a base do pé até a meio da coxa, cobrindo toda a área lateral, anterior e posterior de forma a poder analisar a deformação nas mesmas vistas. Para aplicar o padrão, foi escolhido o método de estampagem, sendo desenhados e impressos em 3D dois carimbos para “marcar” a perna com cor preta: um maior para rapidamente cobrir a área extensa da perna, um mais pequeno para carimbar as zonas de relevo mais acentuado (i.e. joelho e tornozelo). Para a calibração do software de análise foi necessária a criação de uma grelha de calibração (fornecida pelo programa) adequada á experiência: de forma a capturar a evolução de todo o movimento, o campo de visão foi severamente alargado comparativamente a estudos anteriores, focados no estudo do complexo tornozelo-pé – para ocupar este espaço foi necessária a impressão da grelha em formato A1 (594 x 841 mm). A análise de deformação da pele da perna foi realizada usando a ferramenta VIC-3D da Correlated Solutions para obter a deformação Lagrangiana, extraindo 3 variáveis para análise: e1, deformação máxima principal, e2, deformação mínima principal e von Mises, escalar. Os dados de força e momento registados foram obtidos pelo software da placa de forças AMTI e interpretados através de código MATLAB – GRF corresponde diretamente aos valores da componente vertical da força registada, Fz; CoP e VCoP foram obtidos através da aplicação de equações que utilizam os valores de momento e força para extrair o valor destas grandezas. Para a evolução angular das articulações, a sua variação foi medida através da ferramenta Kinovea, ancorando 6 pontos-chave (3 por ângulo medido) nas imagens analisadas e calculando a sua progressão. Para a análise de marcha são apresentadas três vistas: lateral, posterior e anterior. Além do andar e correr, o comportamento de equilíbrio do corpo também foi analisado com o objectivo de identificar um padrão comum na restauração do balanço após os sujeitos serem puxados na direção oposta a meio da fase de apoio. Com a sincronização de todos os dados, é oferecida uma descrição completa da fase de apoio durante a marcha, fornecendo uma base de dados rica e detalhada das suas características desde o início até ao fim do movimento, validada por resultados presentes na literatura. É possível observar os picos de intensidade de GRF conjuntamente com o pico gerado pelo impacto do calcanhar na totalidade dos testes do ciclo de marcha. Uma comparação das mesmas variáveis entre mais 3 sujeitos permite verificar a existência da repetição do mesmo padrão e notar ligeiras diferenças, como a ausência de pico de impacto de calcanhar em alguns sujeitos e um máximo global em diferentes etapas do ciclo (presente no 1º ou 2º pico). A evolução da trajetória do centro de pressão e da velocidade de centro de pressão também se encontram de acordo com o esperado entre os vários sujeitos. A sincronização destas 3 variáveis permite ao utilizador facilmente observar a sua relação e evolução simultânea ao longo da execução do movimento. Nos resultados dos testes de corrida, à semelhança dos testes do andar, os resultados foram os esperados de acordo com o estudo efetuado, com um pico singular de força registado e uma trajetória de centro de pressão bastante reduzida. Nos testes de análise de equilíbrio após perturbação na direção oposta do movimento, foi identificado um padrão na resposta dos sujeitos, no andar e corrida, caracterizado pela ação da perna em balanço como agente principal de restabelecimento de equilíbrio. Uma observação aprofundada do evento do impacto do calcanhar permite identificar um período onde o ângulo entre a perna e o pé se mantêm constante, sugerindo uma rotação de corpo rígido, constituído pelo complexo perna-pé, com o bloquear da articulação do tornozelo. Assim, foi possível introduzir uma nova etapa na descrição do ciclo de marcha, ausente na literatura comum, com a identificação do movimento rígido do complexo-tornozelo-pé após contacto com o chão, que decorre entre o impacto do calcanhar e o apoio total do pé no chão.Knowledge of skin strain, alongside the kinetics and kinematics of the human body are essential for the planning and development of medical devices in close and frequent contact with the human skin and rehabilitation methods, providing further insight into each subject’s unique gait characteristics. The present thesis continues and complements previous work performed at Instituto Superior Técnico aimed at skin strain field analysis of the ankle [1] and correlation of multiple biomechanical quantities in normal gait [2]. The following work features a detailed analysis of walking and running gait of 9 healthy subjects (2 male, 7 female), with ages ranging between 20-28 years old, featuring full synchronization of the temporal progression of leg skin strain, ground reaction force (GRF), centre of pressure (CoP), velocity of centre of pressure (VCoP) and principal joint (knee and ankle) angular evolution. Experimental setup consisted of two high framerate cameras synchronized with a force platform, both acquiring data for 3 seconds at 500 frames (data points) per second. Strain analysis was performed through three-dimensional digital image correlation (3D-DIC) using Correlated Solutions’ VIC-3D tool to obtain the Lagrangian strain; GRF, CoP and VCoP data were obtained from the AMTI force plate software, and interpreted using MATLAB code. For the joint angular evolution, their variation was measured with Kinovea. For walking gait, 3 views are presented: lateral, posterior and anterior. Besides normal walking and running gait, the body’s balance behaviour was also analysed with the purpose of identification of a common pattern in balance restoring after the subjects were pulled midstance in the opposite direction. With the synchronization of all data, a complete description of the stance phase during gait is offered, supplying a rich and detailed database of its characteristics from beginning to end. A close up view on the heel strike transient event also introduces a novel stage in stance gait description, with the identification of a rigid body rotation of the ankle-foot complex after heelstrike

Modelling gait abnormalities and bone deformities in children with cerebel palsy

Cerebral palsy (CP) is a neuromuscular disorder that affects the motor control of muscles. CP children exhibit abnormal walking patterns and frequently develop lower limb, long bone deformities. To improve functionality and guide orthopaedic treatments effectively, it is critical to elucidate the relationship existing between bone morphology and movement of the lower limbs CP children. The hypothesis of this study is that gait abnormalities result in bone deformities. The investigation of this complex relationship represents the core of this thesis. The examination of magnetic resonance images and gait analysis of healthy and CP children showed different development in femoral and tibial morphology and varied gait characteristics between them. Similarly, different correlations between bone morphology and gait characteristics resulted in healthy and CP children. Gait characteristics also varied between CP children. An objective and quantitative graphical classification method of CP gait patterns was developed. This classified the CP children in overlapping clusters according to their gait patterns, confirming the presence of multiple gait abnormalities on the same lower limb for CP children. With the intention to define the effect of the walking characteristics on the bone structure, femoral muscle and hip contact forces in healthy and CP children with different walking strategies were estimated by using inverse dynamic analysis. The different gait styles resulted in different loadings on the developing femur bone. These constituted the loading conditions for bone growth analysis. A three-dimensional finite element model for femoral growth was developed and mechanobiological theories applied in order to predict femur changes over time in healthy and CP children. The models predicted higher femoral anteversion and neck3 shaft angle formation in children with CP, emphasizing how different gait characteristics can influence bone morphology. This information has potential to explain and eventually prevent or treat the development of bone deformities in CP children

Consideration of monoarticular and biarticular mechanisms

Aktuelle In-vivo-Methoden zur Bewertung der Belastung und Dehnung der Achillessehne (AT) in der biomechanischen Literatur haben bestimmte Einschränkungen, die sorgfältig berücksichtigt werden müssen. Daher hatte die erste Studie zum Ziel, die AT-Dehnung und -Kraft während der Fortbewegung mithilfe einer genauen, nicht-invasiven Methode zu messen. Die Länge der AT wurde unter Berücksichtigung ihrer Krümmung mit reflektierenden Folienmarkern von der Insertion am Fersenbein bis zum Übergang zwischen der Muskel-Sehnen-Verbindung des Musculus gastrocnemius medialis (GM-MTJ) gemessen. Die Kraft der AT wurde durch Anpassung einer quadratischen Funktion an die experimentelle Kraft-Längen-Kurve der Sehne ermittelt, die aus maximalen freiwilligen isometrischen Kontraktionen (MVC) gewonnen wurde. Die Ergebnisse der zweiten Studie zeigen, dass eine Erhöhung der Gehgeschwindigkeit zu einer 21%igen Abnahme der maximalen AT-Kraft bei höheren Geschwindigkeiten im Vergleich zur bevorzugten Geschwindigkeit führt, während die Nettobelastung der AT-Kraft am Sprunggelenk (ATF-Arbeit) in Abhängigkeit von der Gehgeschwindigkeit zunimmt. Darüber hinaus trugen eine frühere Plantarflexion, erhöhte elektromyografische Aktivität der Muskeln Sol und GM sowie der Energieübertrag von Knie- zu Sprunggelenk durch die biartikulären Musculi gastrocnemii zu einer 1,7- bzw. 2,4-fachen Zunahme der netto ATF-Mechanik-Arbeit bei Übergangs- und maximalen Gehgeschwindigkeiten bei. Das Ziel der dritten Studie war es, die in der ersten Studie vorgeschlagene Methode zu vereinfachen, indem die Anzahl der reflektierenden Folienmarker reduziert wurde, jedoch die hohe Genauigkeit beibehalten wurde. Die Krümmung der AT wurde mithilfe von reflektierenden Folienmarkern zwischen dem Ursprung des GM-MTJ und dem Einführungsmarker am Fersenbein beurteilt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine Reduzierung der Anzahl der Folienmarker um 70% beim Gehen und um 50% beim Laufen zu einem marginalen Fehler führen würde und somit einen vernachlässigbaren Effekt auf die Länge der AT und die maximale Dehnungsmessung hätte.Current in vivo methods to assess the Achilles tendon (AT) strain and loading in the biomechanics literature have certain limitations that require careful consideration. Therefore, the first study was to measure the AT strain and quantify AT force during locomotion with an accurate non-invasive method. AT length was measured considering its curvature using reflective foil markers from AT insertion at calcaneus to gastrocnemius medialis muscle-tendon junction (GM-MTJ). The force of the AT was calculated by fitting a quadratic function to the experimental tendon force-length curve obtained from maximum voluntary isometric contractions (MVC). The findings in second study indicate that an increase in walking speed leads to a 21% decrease in maximum AT force at higher speeds compared to the preferred speed, yet the net work of the AT force at the ankle joint (ATF-work) increased as a function of walking speed. Additionally, an earlier plantar flexion, increased electromyographic activity of the Sol and GM muscles, and knee-to-ankle joint energy transfer via the biarticular gastrocnemii contributed to a 1.7 and 2.4-fold increase in the net ATF-mechanical work in the transition and maximum walking speeds. The objective of the third study was to simplify the proposed method in the first study by reducing the number of foil reflective markers while preserving high accuracy. The AT curvature was assessed using reflective foil markers between the GM-MTJ origin and the calcaneal insertion marker. Our results indicate that reducing the number of foil markers by 70% during walking and 50% during running would result in a marginal error and, thus, a negligible effect on the AT length and maximum strain measurement