Implementierung eines 3D-CAD-Modells einer Armorthese in die Biomechanik-Simulationssoftware OpenSim

Abstract

Die OpenSim Plattform ermöglicht es den Anwendern Modelle von muskuloskeletalen Strukturen zu entwickeln und damit dynamische Simulationen über bestimmte Bewegungen durchzuführen. Das Ziel dieser Arbeit war es eine einfache Methode zu finden um 3D-CAD Modelle von Orthesen bzw. anderen technischen Hilfsmitteln in OpenSim implementieren zu können und dadurch Einflüsse von Trageposition und vorhandenen Freiheitsgraden auf Kräfte im Interface Mensch-Orthese und Gelenksbelastungen zu untersuchen. Mit Hilfe der CAD-Software CATIA wurden mit OpenSim kompatible Modelle erzeugt und deren Masseeigenschaften bestimmt. Durch die zusätzliche Implementierung des Elastic-Foundation-Kontaktmodells können die Eigenschaften des weichen Gewebes berücksichtigt und die Anbindungen von Mensch zu Orthese abgebildet werden. Mit den aufbereiteten anatomischen Modellen, in welche die Komponenten der Orthese und das Kontaktmodell implementiert wurden, wurden in OpenSim dynamische Simulationen an Hand einer vorgegebenen Bewegung durchgeführt. Durch ein einfaches Testmodell konnte gezeigt werden, dass die vorgestellte Methode der Implementierung grundsätzlich funktioniert. Mit einem verfügbarem biomechanischen Modell der oberen Extremität mit implementierter MUNDUS-Orthese errechnete Werte der Gelenksbelastung sind zumindest teilweise mit Werten aus anderen wissenschaftlichen Arbeiten vergleichbar. Der Einfluss der Trageposition auf die Höhe der Gelenkskräfte mit verschiedenen Modellierungsansätzen wurde untersucht, aber es konnte kein eindeutiger Trend festgestellt werden. Zu hohe Muskelkräfte und durch die Bewegung des Modells erzeugte Zwangskräfte bewirken dass die errechneten Kontaktkräfte höher als erwartet sind und zeigen die Schwierigkeit in der Modellbildung.<br />

The OpenSim platform allows users to develop models of musculoskeletal structures and create dynamic simulations of movement.<br />The purpose of this work was to find a simple approach for the implementation of 3D-CAD models of orthoses or other technical devices into OpenSim, to investigate the influence of positioning and available degrees of freedom on the contact forces at the human-orthosis-interface and the joint loads. In CATIA, a commercial CAD software, models of orthotic devices, which are compatible to OpenSim, can be established and their mass-properties computed. With the implementation of an elastic foundation contact model, the properties of the soft tissue can be taken into account and the linkage between human and orthosis can be reproduced. Dynamic simulations were performed with the developed models, including the implementation of the orthosis and the contact model, based on prescribed motions. On a simple testmodel the presented approach was tested successfully. Resulting joint loads during defined movement, calculated with an available complex biomechanical model of the upper extremity, were of comparable magnitude as reported in the literature. The influence of the wearing position on the peak joint forces was investigated with different modeling approaches, but no distinct trend could be found. Too large muscle forces and constraint forces, created through the movement of the model, resulted in computed contact forces that were higher than expected and showed the difficulties of the modeling process.