Het gebruik van musculoskeletale

gangsimulaties in het ontwerp van

prosthesen: toekomstperspectieven

Wouter Aerts

Biomechanics section

KU Leuven

Motivatie

Onderbeenprothese Dagdagelijkse activiteiten

Evolutie verbetering materiaal en functie

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 2

Motivatie

Onderbeenprothese Dagdagelijkse activiteiten

Evolutie verbetering materiaal en functie

Problematiek: Asymmetrisch gangpatroon:

- Overbelasting gezond been: osteoarthritis

- Onderbelasting geamputeerde been: osteoporosis

- Rugklachten

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 2

Motivatie

Onderbeenprothese Dagdagelijkse activiteiten

Evolutie verbetering materiaal en functie

Problematiek: Asymmetrisch gangpatroon:

- Overbelasting gezond been: osteoarthritis

- Onderbelasting geamputeerde been: osteoporosis

- Rugklachten

Stomp-koker: discomfort en pijn

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 2

Motivatie

Onderbeenprothese Dagdagelijkse activiteiten

Evolutie verbetering materiaal en functie

Problematiek: Asymmetrisch gangpatroon:

Stomp-koker: discomfort en pijn

Oplossing: correct afstellen prothese Statisch uitlijning

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 3

Motivatie

Onderbeenprothese Dagdagelijkse activiteiten

Evolutie verbetering materiaal en functie

Problematiek: Asymmetrisch gangpatroon:

Stomp-koker: discomfort en pijn

Oplossing: correct afstellen prothese Statisch uitlijning

Dynamische uitlijning

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 3

Motivatie

Onderbeenprothese Dagdagelijkse activiteiten

Evolutie verbetering materiaal en functie

Problematiek: Asymmetrisch gangpatroon:

Stomp-koker: discomfort en pijn

Oplossing: correct afstellen prothese Statisch uitlijning

Dynamische uitlijning

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 3

Effecten op kinematica en druk?

Motivatie

Onderbeenprothese Dagdagelijkse activiteiten

Evolutie verbetering materiaal en functie

Problematiek: Asymmetrisch gangpatroon:

Stomp-koker: discomfort en pijn

Oplossing: correct afstellen prothese Statisch uitlijning

Dynamische uitlijning

Twee benaderingen: Experimenteel gedreven: TICOON

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 3

Effecten op kinematica en druk?

Motivatie

Onderbeenprothese Dagdagelijkse activiteiten

Evolutie verbetering materiaal en functie

Problematiek: Asymmetrisch gangpatroon:

Stomp-koker: discomfort en pijn

Oplossing: correct afstellen prothese Statisch uitlijning

Dynamische uitlijning

Twee benaderingen: Experimenteel gedreven: TICOON

Simulatie gebaseerd: : voorspellen van functionele

uitkomst

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 3

Effecten op kinematica en druk?

Simulatie gebaseerd evaluatie-platform

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 4

Simulatie gebaseerd evaluatie-platform

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 4

Simulatie gebaseerd evaluatie-platform

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 4

Optimale uitlijning?

Simulatie gebaseerd evaluatie-platform

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 4

Optimale uitlijning?

Simulatie

Simulatie gebaseerd evaluatie-platform

Modellering: Patiënt + prothese

Druk stomp-koker

Wandelstrategie patiënt

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 4

Optimale uitlijning?

Simulatie

Simulatie gebaseerd evaluatie-platform

Modellering: Patiënt + prothese

Druk stomp-koker

Wandelstrategie patiënt

Evaluatie + input data: experimentele data TICOON

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 4

Optimale uitlijning?

Simulatie

Experimentele data

Samenwerking met Mobilab, Thomas More, Geel IWT-TETRA project TICOON:

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 5

Experimentele data

Samenwerking met Mobilab, Thomas More, Geel IWT-TETRA project TICOON:

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 5

t med-lat (2.4-4.8 cm)

t ant-post (2.4-4.8 cm)

exo-endo (3-6°)

Experimentele data

Samenwerking met Mobilab, Thomas More, Geel IWT-TETRA project TICOON:

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 5

28 markers

2 krachtenplaten

EMG

Stomp-koker druk (M-flex sensoren)

t med-lat (2.4-4.8 cm)

t ant-post (2.4-4.8 cm)

exo-endo (3-6°)

flex-ext (3-6°)

abd-add (3-6°)

Gangsimulaties: OpenSim

OpenSim Open-source ganganalyse software

Maken van eigen modellen

Analyseren van beweging en ‘onmeetbare’ parameters berekenen

(vb. spierkracht)

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 6

Gangsimulaties: OpenSim

OpenSim Open-source ganganalyse software

Maken van eigen modellen

Analyseren van beweging en ‘onmeetbare’ parameters berekenen

(vb. spierkracht)

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 6

Input

Gangsimulaties: OpenSim

OpenSim Open-source ganganalyse software

Maken van eigen modellen

Analyseren van beweging en ‘onmeetbare’ parameters berekenen

(vb. spierkracht)

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 6

Input Output

Modelling: Patient

Gebaseerd op generische model: 13 lichamen

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 7

Modelling: Patient

Gebaseerd op generische model: 13 lichamen

23 vrijheidsgraden (DOF)- Bekken-grond (6 DOF)

- Heup (3 DOF)

- Knie (1 DOF)

- Enkel (1 DOF)

- Subtalair gewricht (1 DOF)

- Metatarsaal gewricht (1 DOF)

- Bekken-torso (3 DOF)

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 7

Modelling: Patient

Gebaseerd op generische model: 13 lichamen

23 vrijheidsgraden (DOF)- Bekken-grond (6 DOF)

- Heup (3 DOF)

- Knie (1 DOF)

- Enkel (1 DOF)

- Subtalair gewricht (1 DOF)

- Metatarsaal gewricht (1 DOF)

- Bekken-torso (3 DOF)

92 spieren

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 7

Modelling: Patient

Gebaseerd op generische model: 13 lichamen

23 vrijheidsgraden (DOF)- Bekken-grond (6 DOF)

- Heup (3 DOF)

- Knie (1 DOF)

- Enkel (1 DOF)

- Subtalair gewricht (1 DOF)

- Metatarsaal gewricht (1 DOF)

- Bekken-torso (3 DOF)

92 spieren

Verwijderen lichamen en spieren (onderbeen)

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 7

Modelling: Patient

Gebaseerd op generische model: 13 lichamen

23 vrijheidsgraden (DOF)- Bekken-grond (6 DOF)

- Heup (3 DOF)

- Knie (1 DOF)

- Enkel (1 DOF)

- Subtalair gewricht (1 DOF)

- Metatarsaal gewricht (1 DOF)

- Bekken-torso (3 DOF)

92 spieren

Verwijderen lichamen en spieren (onderbeen)

Verkorten gastrocnemius

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 7

Modellering: Prothese

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 8

Fotos (360°)

Modellering: Prothese

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 8

Fotos (360°)

VisualSFM

Modellering: Prothese

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 8

Fotos (360°)

VisualSFM

Meshlab

Modellering: Prothese

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 8

Fotos (360°)

VisualSFM

Meshlab

3-matics

Modellering: Prothese

Definitie vrijheidsgraden

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 9

t med-lat (2.4-4.8 cm)

t ant-post (2.4-4.8 cm)

exo-endo (3-6°)

flex-ext (3-6°)

abd-add (3-6°)

Koker

Pyloon

Prothesevoet

Modellering: Prothese

Inertie parameters: Massa

Massacentrum

Inertiemomenten

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 10

Modellering: Prothese

Inertie parameters: Massa

Massacentrum

Inertiemomenten

Modelleren onderdelen

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 10

Modellering: Prothese

Inertie parameters: Massa

Massacentrum

Inertiemomenten

Modelleren onderdelen

CT-scan Koker

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 10

Modellering: Prothese

Inertie parameters: Massa

Massacentrum

Inertiemomenten

Modelleren onderdelen

CT-scan Koker

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 10

Modellering: Patiënt + Prothese

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 11

+ =

Modellering: Patiënt + Prothese

6DOF beperkte beweging

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 11

+ =

Modellering: Patiënt + Prothese

6DOF beperkte beweging

Initiële stand: statische meting

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 11

+ =

Analysen: Spierkrachten en gewrichtskrachten

e

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 12

Analysen: Spierkrachten en gewrichtskrachten

e

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 12

Spierkrachten

Analysen: Spierkrachten en gewrichtskrachten

e

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 12

Spierkrachten Gewrichtskrachten

Analysen: Spierkrachten en gewrichtskrachten

e

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 12

Spierkrachten Gewrichtskrachten

1. Patiënt – gezonde persoon?

2. Aangedane been – gezonde been

3. Effect prothese uitlijning

Gewrichtskrachten in onderrug/knie/heup:

Analysen: Spierkrachten en gewrichtskrachten

e

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 12

Spierkrachten Gewrichtskrachten

1. Patiënt – gezonde persoon?

2. Aangedane been – gezonde been

3. Effect prothese uitlijning

Gewrichtskrachten in onderrug/knie/heup:

Osetoarthritis?

Osteoporosis?

Rugklachten?

Analysen: Spierkrachten en gewrichtskrachten

e

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 12

Spierkrachten Gewrichtskrachten

1. Patiënt – gezonde persoon?

2. Aangedane been – gezonde been

3. Effect prothese uitlijning

Gewrichtskrachten in onderrug/knie/heup:

Osetoarthritis?

Osteoporosis?

Rugklachten?

Lopend 2-jarig Masterthesis project

Modellering: Druk stomp-koker

Eindige elementen modelering (EEM): Zeer accuraat

MAAR: grote rekentijd (veel elementen)

Statische situaties

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 13

Modellering: Druk stomp-koker

Eindige elementen modelering (EEM): Zeer accuraat

MAAR: grote rekentijd (veel elementen)

Statische situaties

Discrete elementen modelering (DEM) Onafhankelijke veer/demper elementen

Lagere rekentijd dynamische simulatie

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 13

𝑥 𝑡 , 𝑣(𝑡)

𝐹 𝑡

Modellering: Druk stomp-koker

Eindige elementen modelering (EEM): Zeer accuraat

MAAR: grote rekentijd (veel elementen)

Statische situaties

Discrete elementen modelering (DEM) Onafhankelijke veer/demper elementen

Lagere rekentijd dynamische simulatie

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 13

𝑥 𝑡 , 𝑣(𝑡)

𝐹 𝑡

Modellering: Druk stomp-koker

Eindige elementen modelering (EEM): Zeer accuraat

MAAR: grote rekentijd (veel elementen)

Statische situaties

Discrete elementen modelering (DEM) Onafhankelijke veer/demper elementen

Lagere rekentijd dynamische simulatie

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 13

𝑥 𝑡 , 𝑣(𝑡)

𝐹 𝑡

Modellering: Druk stomp-koker

Eindige elementen modelering (EEM): Zeer accuraat

MAAR: grote rekentijd (veel elementen)

Statische situaties

Discrete elementen modelering (DEM) Onafhankelijke veer/demper elementen

Lagere rekentijd dynamische simulatie

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 13

𝑥 𝑡 , 𝑣(𝑡)

𝐹 𝑡

Modellering: Druk stomp-koker

dfg

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 14

Modellering: Druk stomp-koker

dfg

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 14

Modellering: Druk stomp-koker

dfg

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 14

Evaluatie met opgemeten drukken

Toekomstig werk

Volledig voorspellende simulatie

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 15

Toekomstig werk

Volledig voorspellende simulatie Geen experimentele data

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 15

Toekomstig werk

Volledig voorspellende simulatie Geen experimentele data

aangedreven door spierexcitaties- Wandelstrategie? (v.b. minimale metabole energie, minimale druk)

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 15

Toekomstig werk

Volledig voorspellende simulatie Geen experimentele data

aangedreven door spierexcitaties- Wandelstrategie? (v.b. minimale metabole energie, minimale druk)

Grond reactiekracht simuleren

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 15

Toekomstig werk

Volledig voorspellende simulatie Geen experimentele data

aangedreven door spierexcitaties- Wandelstrategie? (v.b. minimale metabole energie, minimale druk)

Grond reactiekracht simuleren

Optimaliseren uitlijning

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 15

Toekomstig werk

Volledig voorspellende simulatie Geen experimentele data

aangedreven door spierexcitaties- Wandelstrategie? (v.b. minimale metabole energie, minimale druk)

Grond reactiekracht simuleren

Optimaliseren uitlijning

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 15

Toekomstig werk

Volledig voorspellende simulatie Geen experimentele data

aangedreven door spierexcitaties- Wandelstrategie? (v.b. minimale metabole energie, minimale druk)

Grond reactiekracht simuleren

Optimaliseren uitlijning

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 15

Klinische richtlijnen

Toekomstig werk

Volledig voorspellende simulatie Geen experimentele data

aangedreven door spierexcitaties- Wandelstrategie? (v.b. minimale metabole energie, minimale druk)

Grond reactiekracht simuleren

Optimaliseren uitlijning

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 15

Klinische richtlijnen

Evalueren van alternatieve

prosthese-ontwerpen

27/02/2015Wouter Aerts IWT-grant 131040 16

Acknowledgement:

Funding:

Agency for Innovation by Science and

Technology (IWT, grant 131040)

J. Vander Sloten

F. De Groote

I. Jonkers

Bedankt voor

uw aandacht