Finite element models of the thigh-buttock complex for assessing static sitting discomfort and pressure sore risk

Being seated for long periods, while part of many leisure or occupational activities, can lead to discomfort, pain and sometimes health issues. The impact of prolonged sitting on the body has been widely studied in the literature, with a large number of human-body finite element models developed to simulate sitting and assess seat-induced discomfort or to investigate the biomechanical factors involved. Here, we review the finite element models developed to investigate sitting discomfort or risk of pressure sores. Our study examines finite element models from twenty-seven papers, seventeen dedicated to assessing seating discomfort and ten dedicated to investigating pressure ulcers caused by prolonged sitting. The models' mesh composition and material properties are found to differ widely. These models share a lack of validation and generally make little allowance for anthropometric diversity

A parametric model of the thigh-buttock complex for developing FE model to estimate seat pressure

5th International Digital Human Modeling Symposium, BONN, ALLEMAGNE, 26-/06/2017 - 28/06/2017Contact pressure on the seat surface is one of the most important factors to consider when assessing sitting discomfort (De Looze et al., 2003). Several finite element models of the thigh-buttock region have been developed to simulate user-seat interaction. However, the models predominantly match one specific body anthropometric type (often the 50th male per-centile in stature), meaning they cannot represent the large range of variation of sitters' population. The objective of this study was to develop a parametric model of the thigh-buttock region including both bones (pelvis and femur) and outer skin of varying ranges of anthropometry. Thirty-six participants (19 males, 17 females) of varying weight (healthy BMI, obese BMI) and stature (small, average height and tall) were recruited for this study. Using a VICON optoelectronic system, 8 pelvis anatomical landmarks were palpated manually in a seated position. Participants were then scanned using a portable handheld laser scanner (Nikon, ModelMaker MMD x /MMC Handheld Scanner) in a position with a thigh-trunk angle of approximately 110°. The position was maintained by an adjustable kneeling structure so that both the torso and the thighs were not supported, making it more accessible to scan the back, buttocks and thighs. After having pre-processed the 3D scans, a principal component analysis was first performed on the coordinates of the surface mesh including anatomical landmarks. Then, a statistical linear regression was run on the retained PC scores with stature, BMI and pelvis-femur angle as predictors in order to obtain a statistical shape model (SSM). Regarding bone surfaces, the SSMs of femur and pelvis were obtained using previously collected CT scans of 54 bodies from the University Libre de Bruxelles, Belgium. The bony landmarks predicted by the SSM of external shape were used as the inputs of the SSM of bones surface. Bone surface estimation was assessed with the use of MRI images of one subject. The parametric model of thigh-buttock complex will be used to generate the meshes of the finite element models to be developed for simulating occupant/seat interaction for a large range of anthropometry

Kinematics of the bow arm of violinists: effect of tempo, string played and play style and their interactions

8th World Congress of Biomechanics, DUBLIN, IRELANDE, 08-/07/2018 - 12/07/2018Bowed string musicians are especially at risk of upper limb injuries (Cayea and Manchester, 1998). While a few risk factors were identified, no causal relations could be found (Baadjou et al., 2016), highlighting the need for biomechanical investigations. Among the music parameters impacting violinists' biomechanics, the tempo, string played and play style have been investigated (Visentin and Shan, 2003; Berque and Gray, 2002). However, interactions between these parameters are not clear. Their knowledge could help defining relevant experimental research plans. The objective was to assess the interactions of the tempo, string played and play style on the bow arm biomechanic

Shoulder joints angles estimation using inertial sensors

XXVI Conference of the International Society of Biomechanics, BRISBANE, AUSTRALIE, 23-/07/2017 - 27/07/2017In a context of musculoskeletal disorders prevention, movement analysis can provide a better understanding of subject exposure to biomechanical factors. In laboratory studies, these analyses are realized using optoelectronic motion capture systems, which are currently considered as a reference regarding their accuracy of measurements. As for ?in the field studies?, movement analysis using these systems is more challenging due to the difficulties related to volume calibration and marker occlusions. For these reasons, an emerging approach, using magneto-inertial measurement units (MIMUs), could be appropriate for in the field movement analysis. Several studies focused on the acquisition of upper limb kinematics using MIMUs. Some studies analyzed the impact of sensor placement and calibration on joint angles estimation, while another study underlined the importance of sensor placement and specific calibration, using a scapula locator, for the scapulo-thoracic movement estimation. However, this last study only investigated the scapulothoracic kinematics during anteflexion and adduction motions. To broaden these first results, this study aimed at estimating various shoulder movements using MIMU data on the upper limb with and without modifying the scapula sensor calibration. Furthermore, both the scapulothoracic and gleno-humeral joint angles will be investigated and compared to the same joint angles computed with an optoelectronic system

Understanding Age and Sex-Related Differences in the Biomechanics of Road Traffic Associated Injuries Through Population Diversity Analyses

Editorial on the Research TopicUnderstanding Age and Sex-Related Differences in the Biomechanics of Road Traffic Associated Injuries Through Population Diversity Analyse

Three-Dimensional Rotations of the Scapula During Arm Abduction: Evaluation of the Acromion Marker Cluster Method in Comparison With a Model-Based Approach Using Biplanar Radiograph Images

Noninvasive methods enabling measurement of shoulder bone positions are paramount in clinical and ergonomics applications. In this study, the acromion marker cluster (AMC) method is assessed in comparison with a model-based approach allowing scapula tracking from low-dose biplanar radiograph images. Six healthy male subjects participated in this study. Data acquisition was performed for 6 arm abduction positions (0°, 45°, 90°, 120°, 150°, 180°). Scapula rotations were calculated using the coordinate systems and angle sequence was defined by the ISB. The comparison analysis was based on root mean square error (RMSE) calculation and nonparametric statistical tests. RMSE remained under 8° for 0° to 90° arm abduction and under 13.5° for 0° to 180° abduction; no significant differences were found between the 2 methods. Compared with previous works, an improved accuracy of the AMC approach at high arm abduction positions was obtained. This could be explained by the different sources of data used as the "gold standard.

Modélisation du corps humain pour une meilleure compréhension de l'apparition de l'inconfort et des pathomécanismes

Cette synthèse présente mon parcours de recherche depuis mon recrutement en 2009 en tant que Maître de Conférences à l'Université Claude Bernard Lyon 1, jusqu'à aujourd'hui, où je me suis consacrée à la modélisation du corps humain pour une meilleure compréhension de l'apparition de l'inconfort et des pathomécanismes. Une de mes thématiques principales concerne la modélisation du corps humain et de ses interactions avec l'environnement afin de pouvoir prédire l'inconfort. Dans le premier chapitre dédié à cette thématique, les travaux de modélisation concernant le doigt et le complexe fesses-cuisses sont détaillés (thèse de J Dallard et thèse de L Savonnet). Les critères d'inconfort existant intègrent le plus souvent des seuils de pression maximale. De ce fait, afin de pouvoir prédire des distributions de pression à l'interface de contact entre l'homme et son environnement, je me suis tournée vers l'usage de modèles éléments finis. Les applications mises en oeuvre ont été l'inconfort de préhension avec un modèle en éléments finis de l'extrémité du doigt, puis l'étude de l'inconfort de l'assise avec un modèle multi-corps de corps entier couplé à un modèle en éléments finis du complexe fesses-cuisses. L'objet principal était de fournir des outils d'évaluation de l'inconfort. Dans un premier temps, les travaux réalisés ont permis de répondre à des interrogations méthodologiques : quels sont les paramètres importants à prendre en compte lors de la modélisation afin de pouvoir prédire au mieux les pressions de contact et ainsi l'inconfort associé à la préhension ou à l'assise ? Les aspects de géométrie et de propriétés des matériaux ont été considérés dans ces questionnements. Enfin, comme plusieurs travaux de recherche ont démontré la prépondérance des déformations des tissus internes dans l'occurrence des lésions de type escarre, l'hypothèse est que l'inconfort pourrait également être mieux objectivé par des données de déformations internes. Mes perspectives de recherche s'orientent donc vers la prédiction de l'inconfort de l'assise à partir des déformations internes dans les tissus mous sous les ischions. Ma seconde thématique porte sur la modélisation de l'épaule afin de prédire les phénomènes mécaniques menant à la lésion ou à la pathologie (pathomécanismes). Lors de mes premières activités de recherche, en thèse et en post-doctorat, mes travaux avaient essentiellement concerné le risque lésionnel de l'épaule en cas d'impact latéral. Dans cette continuité, je m'intéresse aux mécanismes lésionnels touchant l'épaule, non plus dans un contexte de biomécanique des chocs mais dans un contexte ergonomique et clinique. Il s'agit cette fois d'étudier la cinématique de l'épaule lésée et saine afin de tenter d'apporter une meilleure compréhension de son fonctionnement et de ses pathomécanismes à l'aide de modélisations multi-corps rigides. Après un bref descriptif de mes travaux de modélisation, les études présentées concernent la biomécanique de l'épaule d'une population souvent lésée au niveau de l'épaule, les violonistes; et d'une population de patients souffrant d'omarthrose subluxée postérieure. Mon projet de recherche s'oriente ensuite vers plusieurs axes de recherche : la génèse de modèles paramétriques pour les os de l'articulation gléno-humérale, l'intégration d'activation musculaire en éléments finis, l'usage de simulation couplée éléments finis-multi-corps rigides (méthode développée pour l'inconfort d'assise) afin de pouvoir réaliser des simulations aux conditions aux limites réalistes. Des simulations permettant de tester l'impact de différents chargements (cinématique et activité musculaire), géométries et lois matériaux permettront ensuite d'évaluer quelles sont les configurations menant à des déformations importantes du cartilage de la glène. Les pathomécanismes identifiés comme menant à l'omarthrose subluxée postérieure pourront ensuite être discutés avec une équipe clinique pour éventuellement tenter d'émettre des hypothèses concernant la rééducation et les traitements

Modélisation par éléments finis du complexe de l\u27épaule et simulation de sa réponse à un choc latéral

Les traumatismes de lépaule subis lors daccidents automobiles, et plus particulièrement lors de chocs automobiles latéraux, ne nuisent généralement pas à la survie des passagers automobiles mais ils provoquent des séquelles à long terme. Lépaule est au premier plan lors dun choc latéral et les sollicitations transmises au thorax ainsi que la cinématique de la victime dépendent de la réponse au choc de cette articulation. Ainsi, lobjectif de cette étude est dobtenir un modèle en éléments finis permettant de simuler le comportement dynamique de lépaule et dévaluer les risques de blessures en cas de choc latéral. Des essais dynamiques sur clavicule et humérus ont été réalisés. Ces tests ont permis détudier la résistance et les paramètres de rupture de ces os et ont permis lobtention de corridors expérimentaux nécessaires à la validation de modèles éléments finis de ces os. Dans un deuxième temps, des simulations de ces essais expérimentaux ont permis lévaluation de linfluence de la géométrie de ces os sur leurs réponses sous chargement dynamique jusquà rupture et de la nécessité dune personnalisation géométrique de ces os. Par la suite, lépaule du modèle numérique HUMOS a été améliorée et validée à laide dessais expérimentaux de choc latéral sur lépaule, réalisés précédemment au LBMH. Finalement, des simulations ont été réalisées avec un modèle géométriquement personnalisé afin dévaluer linfluence dune telle personnalisation. Ainsi, cette étude fournit des données expérimentales concernant les os de lépaule. De plus, linfluence et la nécessité dune personnalisation géométrique sont étudiées. Le modèle développé ici est une première avancée vers un outil prédictif pour lévaluation des risques lésionnels du complexe de lépaule

Assessing shoulder posture ergonomy thanks to a finite element analysis – Preliminary study

International audienc

Modélisation en éléments finis du complexe de l'épaule et simulation de sa réponse à un choc latéral

Les traumatismes de l épaule subis lors d accidents automobiles, et plus particulièrement lors de chocs automobiles latéraux, ne nuisent généralement pas à la survie des passagers automobiles mais ils provoquent des séquelles à long terme. L épaule est au premier plan lors d un choc latéral et les sollicitations transmises au thorax ainsi que la cinématique de la victime dépendent de la réponse au choc de cette articulation. Ainsi, l objectif de cette étude est d obtenir un modèle en éléments finis permettant de simuler le comportement dynamique de l épaule et d évaluer les risques de blessures en cas de choc latéral. Des essais dynamiques sur clavicule et humérus ont été réalisés. Ces tests ont permis d étudier la résistance et les paramètres de rupture de ces os et ont permis l obtention de corridors expérimentaux nécessaires à la validation de modèles éléments finis de ces os. Dans un deuxième temps, des simulations de ces essais expérimentaux ont permis l évaluation de l influence de la géométrie de ces os sur leurs réponses sous chargement dynamique jusqu à rupture et de la nécessité d une personnalisation géométrique de ces os. Par la suite, l épaule du modèle numérique HUMOS a été améliorée et validée à l aide d essais expérimentaux de choc latéral sur l épaule, réalisés précédemment au LBMH. Finalement, des simulations ont été réalisées avec un modèle géométriquement personnalisé afin d évaluer l influence d une telle personnalisation. Ainsi, cette étude fournit des données expérimentales concernant les os de l épaule. De plus, l influence et la nécessité d une personnalisation géométrique sont étudiées. Le modèle développé ici est une première avancée vers un outil prédictif pour l évaluation des risques lésionnels du complexe de l épaule.In the road accidents the shoulder is at risk, especially during car lateral impacts and if shoulder injuries are rarely fatale, they have long term functional consequences. Furthermore, the mechanical stresses transferred to the global kinematics of the victims during road accidents depend on the impact response of this articulation. Thus, the aim of this study is to obtain a finite element model capable of simulation the dynamic response of the shoulder and assessing injuring risks in the case of car lateral impacts. First, dynamic tests were performed on clavicle and humerus bones. These tests allowed to investigate the injury tolerance of these bone and provided the experimental corridors required for the validation process of shoulder bone models. Secondly, simulations of these experimental tests permitted to assess bone geometry influence on bone responses under loading. Then, the shoulder part of the HUMOS model was enhanced and validated against experimental data from lateral shoulder tests previously carried out at the LBMH. Finally, clavicle and humerus from different geometries were integrated in the global model and simulations were performed in order to assess the influence of shoulder bone personalisation on the global shoulder response under impact. To conclude, this work provides experimental data concerning shoulder bones. Furthermore, the possibility and the need of a shoulder geometrical personalisation is studied. Thus, the shoulder finite element model, developed in this study, is a first step towards shoulder injury prediction.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF