A comparison among different Hill-type contraction dynamics formulations for muscle force estimation

Abstract

El músculo es un tipo de tejido capaz de contraerse y, por lo tanto, acortarse, produciendo una fuerza capaz de generar movimiento. El análisis de su actividad es esencial para entender cómo se genera la fuerza para realizar un movimiento y cómo esa fuerza puede ser estimada a partir de las medidas directas o indirectas. El modelo muscular Hill-tipo es uno de los modelos más utilizados para describir el mecanismo de producción de fuerza. Está compuesto por diferentes elementos que describen el comportamiento del músculo contráctil (serie, paralelo y elástica elemento elástico) y el tendón. En este trabajo analizamos las diferencias entre diferentes formulaciones encontradas en la literatura para estos elementos. Para evaluar las diferencias, un flexo-movimiento de extensión del brazo se realiza, utilizando como entrada a los distintos modelos de electromiografía de superficie de la señal grabada y del músculo-tendón longitudes y por las velocidades de contracción obtenida a partir del análisis dinámico inverso. Los resultados muestran que la fuerza predicha por los diferentes modelos es similar y las principales diferencias en la predicción de la fuerza muscular se observaron en la flexión completa. Se espera que los resultados contribuyan a seleccionar las diferentes formulaciones del modelo muscular tipo Hill para resolver un problema específico.

Muscle is a type of tissue able to contract and, thus, shorten, producing a pulling force able to generate movement. The analysis of its activity is essential to understand how the force is generated to perform a movement and how that force can be estimated from direct or indirect measurements. Hill-type muscle model is one of the most used models to describe the mechanism of force production. It is composed by different elements that describe the behaviour of the muscle (contractile, series elastic and parallel elastic element) and tendon. In this work we analyze the differences between different formulations found in the literature for these elements. To evaluate the differences, a flexo-extension movement of the arm was performed, using as input to the different models the surface electromyography signal recorded and the muscle-tendon lengths and contraction velocities obtained by means of inverse dynamic analysis. The results show that the force predicted by the different models is similar and the main differences in muscle force prediction were observed at full-flexion. The results are expected to contribute in the selection of the different formulations of Hill-type muscle model to solve a specific problem.