Patient specific musculoskeletal modeling to relate intra operative muscle force data to gait in cerebral palsy

Abstract

Diz ekstansiyonuna karşı artan patolojik direnç, serebral palside (CP) karakteristik bir patolojik durumdur. Spastik diz fleksör kaslarının aktif ve pasif kuvvetleri,diz hareketini bükülmüş pozisyonlarda tutan yüksek kuvvetlerle ilişkilendirilmiştir.Ancak, bu kuvvetleri doğrudan ölçen çalışmalar nadirdir. Bu çalışmanın amacı (1)spastik kas-tendon kompleksi uzunluğu aralığının sağlıklı kas ile karşılaştırılabilir olupolmadığını ve (2) spastik kas kuvvetinin kas-tendon kompleksi uzunluğunun fonksiyonuolarak nasıl değiştiğini tespit etmektir. Hastalara özgü iskelet kas sistemi modelleri, CPhastalarının yürüyüş analizi verileri kullanılarak OpenSim yazılımı ile geliştirilmiştir.Sonuçlar, hastaların kas-tendon kompleks uzunluğu eğilimlerinin sağlıklı bireylerinkine benzer olduğunu göstermektedir. Minimum ve maksimum MTL arasındaki fark,sağlıklı ST-GRA kasları için sırasıyla %13 ve %8'dir. Bu fark spastik ST kasları için%7 ila %14, ve spastik GRA kasları için %4 ile %9 arasında salınmaktadır. Ek olarak,daha uzun kas-tendon kompleks uzunluklarında daha yüksek pasif ve aktif spastikkas kuvvetleri ölçülmüş, ve toplam kuvvetin baskın bileşenini aktif kas kuvveti oluşturmuştur. GRA için pik aktif kas kuvveti, pasif kuvvetin 5 katından fazladır. STiçin, aktif aktif kas kuvveti, pasif kuvvetin yaklaşık 4 katıdır. Bu değerlendirmeninsonucu, spastik kasların mekanik özelliklerinin, sağlıklı kasların özelliklerinden farklıolmak zorunda olmadığıdır. Bu, spastik kasların kısalmış ve mekanik olarak anormalkaslar olarak değerlendirilmesiyle CP hastalarının kısıtlı eklem hareketleri için yapılanaçıklamaların basite indirgenmiş olabileceği anlamına gelir.

Increased pathological resistance against knee extension is a characteristic pathological condition in cerebral palsy (CP). Active and passive forces of spastic knee flexormuscles have been associated with the high forces which constrain the knee movementin flexed positions. However, studies quantifying these forces directly are rare. Theaim of this study was to determine (1) if the range for spastic muscle-tendon complex length is comparable to that of healthy muscle and (2) how spastic muscle forcechanges as a function of muscle-tendon complex length. Musculoskeletal patient specific models were developed using OpenSim software by using the gait analysis dataof CP patients. The results suggest that the muscle-tendon complex length trends ofthe patients are similar to those of healthy individuals. The difference between theminimum and maximum MTL is 13% and 8% for healthy ST-GRA muscles respectively, while this difference oscillates between 7% and 14% for spastic ST muscles and4%-9% for spastic GRA muscles of the patients. In addition, at longer muscle-tendoncomplex lengths higher passive and active forces of spastic muscles were measured andthe dominant component of the total force is the active muscle force. For the GRA,peak active muscle force is more than 5 times that of passive force. For the ST, peakactive muscle force is approximately 4 times that of passive force. The outcome ofthis assessment suggests that mechanical characteristics of spastic muscles may notnecessarily differ from those of healthy muscles. This implies that, an explanation forthe restricted joint movement of CP patients via the consideration of spastic musclesas shortened and mechanically abnormal muscles is a simplistic one.