Extended Biomechanical Model of the Ankle-Foot Complex: Incorporation of Muscles and Ligaments

Abstract

Current musculoskeletal foot-ankle models have a limited complexity and therefore they are not able to capture the full functionality of the foot-ankle complex. However, in the context of the Aladyn project, which aims at developing custom insoles with dynamic structures through 3D printing, there is need to model this complexity for extending the level of scientific evidenced-based insole design using multi-body dynamic simulations. In this work, an extended musculoskeletal foot model is developed in OpenSim, incorporating the foot anatomical structures, intrinsic muscles and ligaments. A five-segment foot model is developed including a talus, calcaneus, midfoot, forefoot and toes segment. Five joints interconnect these segments and connect them with the lower leg segment: ankle (tibia-talus), subtalar (talus-calcaneus), chopart (calcaneusmidfoot), tarsometatarsal (midfoot-forefoot) and metatarsophalangeal (forefoot-toes). Two foot models were constructed with di↵erent number of degrees-of-freedom (DOF): an eight DOF and a fifteen DOF. Based on the number of foot segments spanned, thirty intrinsic muscles and thirty-six ligaments are included. The characteristic parameters of these anatomical structures are retrieved from literature. Experimental motion capture data, including marker trajectories, force and plantar pressure data of five healthy subjects is used to perform the scaling, inverse kinematics and inverse dynamics analysis. Both the kinematic and dynamic results, are very consistent with literature. The eight DOF model proved to be more suitable to serve the purpose of this project. It presented less inter-subject variability when compared to the fifteen DOF model. The presence of ligaments in the model is found to contribute to the generation of joint moment and power. However, further work on the refinement of the parameters that characterize the intrinsic muscles and ligaments is necessary before proceeding to forward simulation analysis, and as such that it can be used in clinical practice.

Actualmente, os modelos tridimensionais musculoesquel´eticos do complexo p´e-tornozelo n˜ao s˜ao representativos de toda a funcionalidade e complexidade do p´e humano. Neste trabalho, inserido no projeto Aladyn (cujo objetivo ´e desenvolver palmilhas personalisadas com estruturas dinˆamicas atrav´es da impress˜ao 3D), h´a necessidade de criar um modelo mais representativo desta complexidade para elevar o n´ıvel cient´ıfico do design de palmilhas atrav´es de simula¸c˜oes dinˆamicas de corpos m´ultiplos. Assim, ´e desenvolvido um modelo musculoesquel´etico do p´e-tornozelo em OpenSim, incorporando estruturas anat´omicas ao n´ıvel do p´e: m´usculos intr´ınsecos e ligamentos. O modelo cont´em cinco segmentos: calcˆaneo, t´alus, m´edio-p´e, ante-p´e e dedos. Os segmentos s˜ao interligados por quatro articula¸c˜oes: subtalar (t´alus - calcˆaneo), chopart (calcˆaneo - m´edio-p´e), tarsometatarsal (m´edio-p´e - ante-p´e) e metatarsofalangeana (ante-p´e - dedos); e por sua vez, estes s˜ao ligados `a parte inferior da perna atrav´es da articula¸c˜ao do tornozelo (tibia - t´alus). Tendo em conta o n´umero de articula¸c˜oes, s˜ao constru´ıdos dois modelos com diferentes graus de liberdade: um deles com oito e o outro com quinze graus de liberdade. De acordo com o n´umero de segmentos do p´e, s˜ao inclu´ıdos trinta m´usculos intr´ınsecos e trinta e seis ligamentos. Dados experimentais de captura de movimentos humanos motion capture, for¸ca e press˜ao plantar de 5 sujeitos saud´aveis s˜ao usados para realizar o dimensionamento do modelo, bem como an´alises de cinem´atica inversa e dinˆamica inversa. Os resultados obtidos, tanto cinem´aticos como cin´eticos est˜ao de acordo com a literatura. O modelo de oito graus de liberdade revela ser mais adequado para o prop´osito deste projeto, pois apresenta menos variabilidade inter-sujeito quando comparado com o modelo de 15 graus de liberdade. A incorpora¸c˜ao de ligamentos no modelo demonstra contribuir para a gera¸c˜ao de momento e energia, principalmente ao n´ıvel das articula¸c˜oes do m´edio-p´e e ante-p´e. E necess´ario trabalho futuro no ´ sentido de ajustar os parˆametros que caracterizam os m´usculos e os ligamentos, antes de se avan¸car para aplica¸c˜oes em dinˆamica direta, tal que o modelo possa ser utilizado em pr´aticas cl´ınicas.