Patellofemoral and tibiofemoral forces during knee extension: simulations to strength training and rehabilitation exercises

Abstract

Abstract Introduction: Limited evidence has been shown on ways to optimize the mechanical design of machines in order to minimize knee loads. Objective: This study compared six computer simulated models of open kinetic knee extension exercises for patellofemoral pressure and tibiofemoral forces. Methods: A musculoskeletal model of the lower limb was developed using six different cam radius to change resistive forces. A default machine, a constant cam radius, a torque-angle model, a free-weight model and two optimized models were simulated. Optimized models reduced cam radius at target knee flexion angles to minimize knee forces. Cam radius, human force, tibiofemoral compressive and shear force, and patellofemoral pressure were compared for the six models using data from five knee flexion angles. Results: Large reductions in cam radius comparing the free-weight model to other models (73-180%) were limited to the large human force for the constant cam model to other models (9-36%). Larger human force (13 -36%) was estimated to perform knee extension using a constant cam radius compared other models without large effects in knee joint forces. Conclusion: Changes in cam design effected human without a potential impact in knee loads.Resumo Introdução: As evidências são limitadas quanto às formas de otimização do arranjo mecânico das máquinas a fim de minimizar as forças na articulação do joelho. Objetivo: O presente estudo comparou seis modelos de extensão de joelhos realizados em cadeia cinética aberta sob a pressão aplicada nas articulações patelofemoral e tibiofemoral. Métodos: Um modelo do sistema musculo-esquelético do membro inferior foi desenvolvido utilizando seis desenhos de roldana com o objetivo de alterar as forças resistivas. Uma máquina referência foi utilizada, uma com uma roldana concêntrica, um modelo baseado na relação torque-ângulo dos extensores do joelho, um modelo de peso livre e dois modelos otimizando a aplicação de cargas foram simulados. A otimização foi aplicada visando reduzir o raio da roldana excêntrica e minimizar as forças aplicadas no joelho. O raio da roldana, a força produzida pelo executante, as forças compressivas e de cisalhamento nas articulações tibiofemoral e a pressão na articulação patelofemoral foram comparadas para os seis modelos de máquina utilizando cinco ângulos de flexão do joelho. Resultados: Reduções no raio da roldana foram observadas comparando o modelo de peso livre com os demais modelos (73-180%). Maior força produzida foi observada para o modelo de roldana constante comparado aos demais modelos (9-36%). Maior força produzida foi estimada para realizar a extensão do joelho utilizando a roldana constante comparada com os demais modelos (13-36%) sem efeitos sobre as forças no joelho. Conclusão: O arranjo mecânico das máquinas alterou a força produzida pelo executante sem afetar as forças aplicadas no joelho.