Achieving kinematic identity across shape diversity in musculoskeletal modeling
Plain Language Abstract
The internal details of animal movement can now be understood through musculoskeletal modeling, a novel technique increasingly used in the study of extinct animals. These models require virtual representations of the musculoskeletal system as well as information that controls model movement to simulate locomotion. Frequently, models of extinct animals are compared to those of living animals. Because extant and extinct species differ in terms of musculoskeletal morphology, comparisons can be complicated if different motion profiles for extinct and extant animals are used because results will reflect both morphology and motion. Here we present a technique that allows a model of a modern human to reflect the shape of early hominins while maintaining identical movement profiles for simulations of walking. While this work focuses on aspects of human evolution, the technique is broadly applicable to extinct species, offering a valuable tool for studying extinct animal locomotion.
Resumen en Español
Logrando identidad cinemática a través de la diversidad de formas en la modelación musculoesquelética
La modelación musculoesquelética está surgiendo como un enfoque poderoso para investigar la biomecánica locomotora de taxones extintos. Estos modelos se basan en la morfología ósea para definir las ubicaciones articulares y la geometría muscular. El uso de perfiles de movimiento diferentes para impulsar modelos de taxones extintos y actuales complica las comparaciones porque los resultados reflejan tanto diferencias morfológicas como cinemáticas. Aquí informamos sobre un enfoque que permite cambios en la forma mientras se mantiene la cinemática del modelo.
Utilizando un modelo musculoesquelético humano, llevamos a cabo simulaciones de marcha de diez personas. Luego, modificamos la pelvis y el fémur proximal del modelo para que coincidieran con una pelvis y un fémur proximal de australopiteco reconstruidos. Utilizando los resultados cinemáticos de las simulaciones de marcha humana, creamos nuevos archivos de movimiento basados en las posiciones de los centros articulares y las ubicaciones anatómicas rastreadas. Estos archivos se utilizaron para impulsar simulaciones de los mismos ensayos de marcha con el modelo de australopiteco. Se compararon los centros articulares y ejes de los modelos humano y de australopiteco para cada simulación de ensayo de marcha.
Descubrimos que los centros articulares en las simulaciones de australopiteco estaban típicamente dentro de ~1 µm de sus ubicaciones en las simulaciones humanas, y los ejes articulares diferían en menos de 0.005 grados. Tales diferencias pequeñas tienen efectos despreciables en los momentos articulares externos calculados durante los análisis de dinámica inversa. Esta comparación conservadora servirá como línea de base para simulaciones más complejas. Aunque este trabajo se centra en un taxón, el enfoque delineado es aplicable a una amplia variedad de animales extintos.
Palabras clave: hominino; biomecánica; locomoción; cadera; pelvis
Traducción: Francesco Gascó (Grupo de Biología Evolutiva, UNED y Sociedad Española de Paleontología)
Deutsche Zusammenfassung
Erzielung einer kinematischen Identität über die Formenvielfalt hinweg bei der muskuloskelettalen Modellierung
Muskuloskelettale Modellierung entwickelt sich zu einem leistungsfähigen Ansatz bei der Untersuchung der Biomechanik des Bewegungsapparats ausgestorbener Taxa. Diese Modelle stützen sich auf die Knochenmorphologie, um die Lage der Gelenke und die Muskelgeometrie zu definieren. Die Verwendung unterschiedlicher Bewegungsprofile zur Steuerung von Modellen ausgestorbener und lebender Taxa erschwert Vergleiche, da die Ergebnisse sowohl morphologische als auch kinematische Unterschiede widerspiegeln. Hier berichten wir über einen Ansatz, der Formänderungen unter Beibehaltung der Modellkinematik ermöglicht.
Anhand eines menschlichen muskuloskelettalen Modells haben wir das Gehen von zehn Menschen simuliert. Anschließend haben wir das Becken und den proximalen Oberschenkelknochen des Modells so gemorpht, dass sie einem rekonstruierten australopithecinen Becken und proximalen Oberschenkelknochen entsprechen. Anhand der kinematischen Ergebnisse aus den menschlichen Laufsimulationen erstellten wir neue Bewegungsdateien, die auf den Positionen der Gelenkzentren und den verfolgten anatomischen Positionen basierten. Diese Dateien wurden verwendet, um die gleichen Gehversuche mit dem australopithecinen Modell zu simulieren. Die Gelenkzentren und Achsen des menschlichen und des australopithecinen Modells wurden für jede Gehversuchssimulation verglichen.
Wir fanden heraus, dass die Gelenkzentren in den australopithecinen Simulationen typischerweise innerhalb von ~1µm von ihren Positionen in den menschlichen Simulationen lagen, und die Gelenkachsen unterschieden sich um weniger als 0,005 Grad. Solch kleine Unterschiede haben vernachlässigbare Auswirkungen auf die externen Gelenkmomente, die während der Analysen der inversen Dynamik berechnet werden. Dieser konservative Vergleich wird als Grundlage für komplexere Simulationen dienen. Obwohl sich diese Arbeit auf ein Taxon konzentriert, ist der skizzierte Ansatz auf eine Vielzahl von ausgestorbenen Tieren anwendbar.
Schlüsselwörter: hominin; Biomechanik; Lokomotion; Hüfte; Becken
Translator: Eva Gebauer
Arabic
Translator: Ashraf M.T. Elewa
Polski
Osiąganie tożsamości kinematycznej poprzez różnorodność kształtów w modelowaniu układu mięśniowo-szkieletowego
Modelowanie układu mięśniowo-szkieletowego staje się skuteczną metodą badania biomechaniki lokomotorycznej wymarłych taksonów. Modele te opierają się na morfologii kości w celu określenia lokalizacji stawów i geometrii mięśni. Używanie różnych profili ruchu do sterowania modelami wymarłych i istniejących taksonów komplikuje porównania, ponieważ wyniki odzwierciedlają zarówno różnice morfologiczne, jak i kinematyczne. Tutaj opisujemy podejście, które pozwala na zmiany kształtu przy zachowaniu kinematyki modelu. Wykorzystując model układu mięśniowo-szkieletowego człowieka, przeprowadziliśmy symulacje chodzenia dziesięciu ludzi. Następnie przekształciliśmy model miednicy i bliższej kości udowej, aby dopasować je do zrekonstruowanej miednicy i bliższej kości udowej australopiteka. Korzystając z wyników kinematyki uzyskanych z symulacji chodu człowieka, stworzyliśmy nowe pliki ruchu w oparciu o położenie środków stawów i śledzone lokalizacje anatomiczne. Pliki te wykorzystano do przeprowadzenia symulacji tych samych prób chodzenia z modelem australopiteka. Porównano centra i osie stawów modelu ludzkiego i australopiteka w każdej symulacji próby chodzenia. Odkryliśmy, że wspólne centra w symulacjach australopiteków znajdowały się zazwyczaj w odległości ~1 µm od ich lokalizacji w symulacjach u ludzi, a osie stawów różniły się o mniej niż 0,005 stopnia. Tak małe różnice mają znikomy wpływ na zewnętrzne momenty złącza obliczane podczas analiz dynamiki odwrotnej. To konserwatywne porównanie posłuży jako punkt odniesienia dla bardziej złożonych symulacji. Chociaż niniejsza praca koncentruje się na jednym taksonie, przedstawione podejście ma zastosowanie do wielu różnych wymarłych zwierząt.
Słowa kluczowe: człowiekowate; biomechanika; lokomocja; biodro; miednica
Translator: Krzysztof Stefaniak
Russian
Достижение кинематической идентичности через разнообразии форм при моделировании скелетно-мышечной системы
Моделирование скелетно-мышечной системы становится мощным подходом к исследованию локомоторной биомеханики вымерших таксонов. Эти модели опираются на морфологию костей для определения местоположения суставов и геометрии мышц. Использование разных профилей движения для создания моделей вымерших и современных таксонов усложняет сравнения, поскольку результаты отражают как морфологические, так и кинематические различия. Здесь мы рассматриваем подход, который позволяет изменять форму, сохраняя при этом кинематику модели.
Используя модель скелетно-мышечной системы человека, мы провели симуляцию ходьбы десяти человек. Затем мы трансформировали модельный таз и проксимальный отдел бедренной кости, чтобы они соответствовали реконструированному тазу и проксимальному отделу бедренной кости австралопитеков. Используя кинематические результаты моделирования ходьбы человека, мы создали новые файлы движений на основе положений суставных центров и отслеживания их анатомические смещения. Эти файлы использовались для моделирования ходьбы австралопитека. Центры и оси суставов моделей человека и австралопитека сравнивались для каждой модельной ситуации.
Мы обнаружили, что суставные центры в моделях австралопитеков обычно находились в пределах ~ 1 мкм от их местоположения в моделях человека, а оси суставов различались менее чем на 0,005 градуса. Такие небольшие различия оказывают незначительное влияние на внешние моменты суставов, рассчитанные во время анализа обратной динамики. Это консервативное сравнение послужит основой для более сложных симуляций. Хотя эта работа сосредоточена на одном таксоне, изложенный подход применим для широкого круга вымерших животных.
Ключевые слова: гоминини; биомеханика; локомоция; бедро; таз
Translator: Leonid Voyta
Ukrainian
Досягнення кінематичної ідентичності через різноманіття форм у моделюванні опорно-рухового апарату
Моделювання опорно-рухового апарату стає потужним підходом до дослідження локомоторної біомеханіки вимерлих таксонів. Ці моделі покладаються на морфологію кісток для визначення розташування суглобів і геометрії м’язів. Використання різних профілів руху для керування моделями вимерлих і рецентних таксонів ускладнює порівняння, оскільки результати відображають як морфологічні, так і кінематичні відмінності. У цій статті ми повідомляємо про підхід, який дозволяє змінювати форму, зберігаючи кінематику моделі. Використовуючи модель опорно-рухового апарату людини, ми змоделювали ходьбу десяти людей. Далі ми трансформували модель тазу та проксимальний відділ стегнової кістки для досягнення їх відповідності відповідних елементів скелета австралопітека. Використовуючи кінематичні результати моделювання ходьби людини, ми створили нові файли руху на основі положень центрів суглобів і відстежених анатомічних місць. Ці файли використовувалися для симуляції тих самих випробувань ходьби з моделлю австралопітека. Центри та осі суглобів моделей людини та австралопітека порівнювали для кожної симуляції випробування ходьбою. Ми виявили, що центри суглобів у симуляції австралопітеків зазвичай були в межах ~1 мкм від їхнього розташування в симуляції людини, а осі суглобів відрізнялися менш ніж на 0,005 градусів. Такі невеликі відмінності мають незначний вплив на зовнішні з’єднувальні моменти, розраховані під час аналізу зворотної динаміки. Це консервативне порівняння слугуватиме базою для більш складних симуляцій. Хоча ця робота зосереджена на одному таксоні, викладений підхід може бути застосований до широкого спектру вимерлих тварин.
Ключові слова: гомінін; біомеханіка; локомоція; стегно; таз
Translator: Oleksandr Kovalchuk. National Museum of Natural History NAS of Ukraine
Résumé en Français
In progress
Translator: Denis Audo. Centre de Recherche en Paléontologie - Sorbonne Université or Vincent Perrier.
Chinese
在肌肉骨骼建模中实现形态多样性下的运动学一致性
肌肉骨骼建模正逐渐成为研究灭绝分类动物运动生物力学的强大方法。这些模型依赖于骨骼形态学来定义关节位置和肌肉几何形状。使用不同的运动剖面来驱动灭绝和现存分类的模型使比较变得复杂，因为结果反映了形态和运动学的差异。本文报道了一种在保持模型运动学的同时允许形态变化的方法。
使用人类肌肉骨骼模型，本文开展了十个人的行走模拟。然后，我们改变模型的骨盆和近端股骨以匹配灭绝分类南方猿人的骨盆和近端股骨。利用人类行走模拟的运动学结果，我们基于关节中心和跟踪解剖位置创建了新的运动文件。这些文件用于驱动相同行走试验的南方猿人模型模拟。人类和南方猿人模型的关节中心和轴在每个行走模拟中进行了比较。
本文发现南方猿人模拟中的关节中心通常在人类模拟中的位置附近约1微米，关节轴的差异小于0.005度。这种微小差异对于反向动力学分析期间计算的外部关节力矩几乎没有影响。这种保守的比较将作为更复杂模拟的基准。尽管这项工作集中在一个分类单元之上，但所提出的方法适用于各种各样的灭绝动物。
关键词：人类；生物力学；运动；髋关节；骨盆
Translator: Chenyang Cai. Nanjing Institute of Geology and Palaeontology, Chinese Academy of Sciences
