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• W2016391318 abstract "The identification of muscle activation profiles for general motion tasks of the musculoskeletal system is an important and still open problem in biomechanics. In the context of simulation of surgical interventions (e.g. tendon transfer [4] or the shortening/lengthening of specific muscles that significantly influence a pathological motion [5]) the knowledge of the contribution of a single muscle to joint moments during motion can yield information that enables the physician to directly assess a therapy before applying it to a patient. Besides EMG-driven models, which rely on measured muscles activity and static optimization ([6] and [7], respectively), current methodology consists of dynamic optimization where the amplitude and the time history of the activation function is sought by forward dynamic simulations. In this setting, function parameterizations such as discretization through sampling values, rectangular and ramp functions, as well as splines have been investigated. However, typical optimization runs display prohibitively long computation times, which make them unsuitable for on-line approximation of dynamical motions, such as required for example for patient-specific therapy. The present paper proposes a new method for parameterizing muscle activation profiles employing smooth (CË) functions. We analyze the method in comparison to an input sampling approach for a flexion/extension two-joint subsystem of hip and knee, comprising two pairs of antagonistic muscles. The results show that, by using smooth base functions for muscle activation, the number of design variables as well as the required CPU time can be reduced without loss of quality of the ensuing simulations. The method is currently under investigation and is planned to be applied to a full-muscle system of human gait in the near future. Schnelle Identifizierung von Muskelaktivierungsprofilen mit Optimierungsmethoden und glatten Funktionsansätzen Die Identifikation von Muskelaktivierungsprofilen zur Durchführung allgemeiner Bewegungsvorgaben ist ein wichtiges und bisher ungelöstes Problem der Biomechanik. Im Hinblick auf die Simulation von chirurgischen Eingriffen (z. B. Sehnentransfer [4] oder die Verlängerung/Verkürzung von Muskeln, die ein pathologisches Bewegungsmuster signifikant beeinflussen [5]) ist die Kenntnis der Beiträge spezifischer Muskeln zum resultierenden Gelenksmoment von besonderer Bedeutung. Das Wissen um den Einfluss einzelner Muskeln kann den behandelden Ärzten eine Therapiebewertung vor der eigentlichen Anwendung am Patienten ermöglichen. Neben Computermodellen, die eine Bewegung mit Hilfe von EMG-Messungen reproduzieren können ([6], [7]), finden außerdem die Methoden der dynamischen Optimierung Anwendung, bei denen die Amplituden und Zeitverläufe der Aktivierungsprofile mit Hilfe von vorwärtsdynamischen Simulationen bestimmt werden. In diesem Zusammenhang ist die Wahl der Parameterisierung wurden bereits verschiedene Ansätze untersucht (Diskretisierung durch Abtastung, Rechtecks- und Dreiecksfunktionen, Splines). Problematisch bei der Verwendung der Methoden der dynamischen Optimierung sind die typischerweise langen Rechenzeiten, die die Methodik für eine schnelle patientenspezifische Therapieplanung unbrauchbar machen. Der vorliegende Beitrag stellt eine neue Methode vor, Muskelaktivierungsprofile mit Hilfe von glatten (CË) Funktionen zu Parameterisieren. Die Methode wird mit einem Diskretisierungs-Ansatz am Beispiel eines ebenen Teilsystems des menschlichen Beins (Flexion/Extension von Knie- und Hüftgelenk) verglichen und analysiert. Das biomechanische System beinhaltet zwei Paare antagonistischer Muskeln. Die Resultate zeigen, dass durch Verwendung der glatten Funktionsansätze neben der Reduktion der Parameteranzahl auch die notwendigen Rechenzeiten gesenkt werden können; insbesondere ist dies ohne Einbußen in der Qualität der Simulationsergebnisse möglich. Die Methode wird zur Zeit weiter untersucht und soll in Kürze auf ein komplettes Modell der menschlichen unteren Extremität zur Simulation der Gehbewegung angewendet werden." @default.
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