[EN] This PhD Thesis presents a research on trunk kinematics in seated posture, applied to defining a biomechanical model of the flexion-extension movement, and exploring the relationship between the trunk movement and the mechanisms of reclining work chairs. This research starts from a new way of characterizing human body movements. The proposed method uses a unified vector notation to analyze velocities as well as finite displacements. The main parameter was the instantaneous axis of rotation, which describes the geometric characteristics of movement, and may be used to interpret how body segments are joined. The analysis is based on explicit formulas, which allow a mathematical estimation of instrumental errors and controlling their size, which is critical in the calculation of the instantaneous axis. The trunk was modeled as a kinematic chain consisting of two rigid bodies (pelvis and thorax) that move relative to the seat. No restrictions were imposed on the movement beforehand, so that this free model let the movement describe itself. We conducted a series of experiments to validate the theory that supported the methodology, to quantify the errors that affected the measures, and to study the trunk movement in relation to a variety of office chairs. These experiments yielded a biomechanical model of trunk flexion in seated posture, that showed a rotation axis of the pelvis higher than former models, and a sequential rotation of lumbar vertebrae. We also studied experimentally the kinematics of reclining chairs mechanisms, and how they altered the movement of the thorax when subjects sat on them. The results of this research provide a new insight on human movement in general, and about seated posture in particular, and they also contribute to developing new ideas about the design of chairs and their relation to trunk mobility / [ES] En esta tesis doctoral se presenta el desarrollo de una investigación sobre la cinemática del tronco en la postura sedente, aplicada a la definición de un modelo biomecánico del movimiento de flexo-extensión, y al estudio de la relación entre el movimiento del tronco y los mecanismos de reclinación de las sillas de trabajo. Esta investigación parte de una nueva forma de caracterizar los movimientos del cuerpo humano. Se ha utilizado una notación vectorial unificada para estudiar las velocidades y los desplazamientos finitos. El principal elemento de estudio ha sido el eje instantáneo de rotación, que describe las características geométricas del movimiento y sirve para interpretar cómo se encuentran articulados los segmentos corporales. El procedimiento de análisis se basa en fórmulas explícitas, que permiten una estimación matemática de los errores instrumentales y controlar su magnitud, aspecto crítico a la hora de calcular los ejes instantáneos de rotación. El tronco se ha modelado como una cadena cinemática formada por dos cuerpos rígidos (pelvis y tórax) que se mueven respecto al asiento. No se ha impuesto ningún tipo de restricción previa al modelo, dejándole libertad para que el movimiento se describiese a sí mismo. Se ha llevado a cabo una serie de experimentos para validar la teoría que da base a la metodología, cuantificar los errores que afectaban a las medidas, y estudiar el movimiento del tronco en relación con una serie de sillas de oficina. Se ha definido un modelo biomecánico de la flexión del tronco en la postura sedente sin respaldo, que presenta un eje de rotación de la pelvis más elevado que el de modelos previos y una rotación secuencial de las vértebras lumbares. Además se ha estudiado experimentalmente la cinemática de los mecanismos de sillas reclinables y cómo se altera el movimiento del tórax al sentarse en ellas. Los resultados obtenidos aportan una nueva visión sobre el movimiento humano en general y el de la postura sedente en particular, y también contribuyen al desarrollo de nuevas ideas sobre el diseño de sillas y su relación con la movilidad del tronco. / [CA] En aquesta tesi doctoral es presenta el desenvolupament d’una investigació sobre la cinemàtica del tronc en la postura sedent, aplicada a la definició d’un model biomecànic del moviment de flexo-extensió, i a l’estudi de la relació entre el moviment del tronc i els mecanismes de reclinació de les cadires de treball. Aquesta investigació parteix d’una nova forma de caracteritzar els moviments del cos humà. S’ha utilitzat una notació vectorial unificada per a estudiar les velocitats i els desplaçaments finits. El principal element d’estudi ha estat l’eix instantani de rotació, que descriu les característiques geomètriques del moviment i serveix per a interpretar com es troben articulats els segments corporals. El procediment d’anàlisi es basa en fórmules explícites, que permeteixen una estimació matemàtica dels errors instrumentals i controlar la seva magnitud, aspecte crític a l’hora de calcular els eixos instantanis de rotació. El tronc s’ha modelat com una cadena cinemàtica formada per dos cossos rígids (pelvis i tòrax) que es mouen respecte al seient. No s’ha imposat cap tipus de restricció prèvia al model, deixant llibertat per a que el moviment es descriga a si mateix. S’ha dut a terme una sèrie d’experiments per a validar la teoria que dóna base a la metodologia, quantificar els errors que afectaven a les mesures, i estudiar el moviment del tronc en relació amb una sèrie de cadires d’oficina. S’ha definit un model biomecànic de la flexió del tronc en la postura sedent sense respatller, que presenta un eix de rotació de la pelvis més elevat que el considerat per models previs i una rotació seqüencial de les vèrtebres lumbars. A més s’ha estudiat experimentalment la cinemàtica dels mecanismes de cadires reclinables i com s’altera el moviment del tòrax al seure-hi. Els resultats obtinguts aporten una nueva visió sobre el moviment humà en general i el de la postura sedent en particular, i també contribueixen al desenvolupament de noves idees sobre el disseny de cadires i la seva relació amb la mobilitat del tronc. / A los Planes Nacionales de I+D coordinados entre la UPV y el IBV, Nuevos Modelos Biomecánicos Basados en Sistemas No Paramétricos (DPI2003-07883-C02-02), Generación de Criterios para el Desarrollo de Modelos Biomecánicos Articulares a partir de Datos Antropométricos Funcionales (DPI2006-14722-C02-02) y Modelado cinemático y dinámico del movimiento de los tejidos blandos (DPI2009-13830-C02-02). Son éstos los proyectos que han dado la oportunidad de llevar a cabo la investigación, y han facilitado el intercambio de conocimientos en análisis de mecanismos y en biomecánica, necesario para el éxito del trabajo. / De Rosario Martínez, H. (2010). Cinemática de la flexión del tronco en postura sedente. Aproximación basada en el eje instantáneo de rotación [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/142775 / TESIS

[ES] El hombro es una articulación compleja en la que interaccionan múltiples estructuras, lo que permite la realización de movimientos de gran amplitud. Debido a esta característica, puede ser fácilmente alterada si alguno de los componentes falla. Las patologías del hombro son variadas, así como diversa es la sintomatología y el nivel de alteración funcional. El grado de afectación funcional puede ser valorado ya sea mediante escalas clínicas, o con pruebas biomecánicas basadas en el análisis cinemático, que añaden objetividad a los resultados. No obstante, los modelos cinemáticos disponibles en la actualidad no ofrecen una representación realista del movimiento articular, lo que supone una importante limitación a la hora de desarrollar sistemas de valoración funcional. El objetivo principal de esta tesis fue describir el movimiento del hombro mediante técnicas cinemáticas avanzadas que incluyeran el uso de variables funcionales asociadas a la posición, velocidad y aceleración, así como la descripción de la trayectoria del eje instantáneo de rotación, con la finalidad de desarrollar un nuevo enfoque en las técnicas de valoración funcional del hombro. La muestra de estudio estuvo compuesta por 41 sujetos sanos y 15 sujetos con patología de hombro. Se analizaron los movimientos de abducción en el plano frontal y escapular, sin peso y con una maza de 1kg. Se utilizó la escala EVA (Escala Visual Analógica), para determinar el nivel de dolor percibido y la escala DASH (Disabilities of the arm, shoulder and hand), para definir el grado funcional. Se realizó un análisis de variables numéricas, variables funcionales, reproducibilidad y armonía del movimiento y descripción de la trayectoria del eje instantáneo de rotación (EIR). Como resultado, se ha demostrado la alta fiabilidad del procedimiento. Las diferencias encontradas entre los sujetos sanos y patológicos, solo eran evidentes a nivel de grupos, además la dispersión de la muestra era considerable. Los valores de reproducibilidad y armonía fueron similares para los dos grupos. En promedio, los sujetos patológicos tenían menor ángulo, velocidad y aceleración, pérdida que se producía de forma continua a lo largo del ciclo, como se observa en el análisis de las funciones del movimiento. Se encontró que la escala DASH guardaba una relación con las variables cinemáticas funcionales, si bien, era moderada. Por otra parte, al aumentar el nivel de afectación, se observaba una clara disminución de la velocidad angular, y un cambio en el patrón de movimiento. Con respecto al efecto de la carga, no se encontraron diferencias claras en la población de estudio. Finalmente, la trayectoria del EIR describía una ruta de inicio por debajo del acromion, seguido de un desplazamiento vertical y medio-lateral, con un patrón que aunque era similar entre los grupos, se veía afectado de forma diferente por el dolor o el nivel de afectación funcional en la muestra de patológicos. En conclusión, los resultados indican que las variables funcionales son más sensibles a los cambios que las variables numéricas clásicas basadas en rangos o valores máximos. Por otra parte, las diferencias encontradas entre los sujetos patológicos y los sanos, solo son claras a nivel de conjunto, pero no separan de forma nítida a los individuos de cada grupo, pudiendo ser solo evidentes en caso de afectaciones muy severas, pero no con niveles moderados o bajos. El estudio del EIR es novedoso y proporciona información acerca de la coordinación del movimiento, aspecto de especial relevancia dada la composición del complejo articular del hombro. Finalmente, de los resultados se extrae el interés del uso de medidas repetidas usando el sujeto como factor y utilizando las escalas de valoración funcional, ya que el uso solo de datos biomecánicos no parece ser suficiente. / [CAT] El muscle és una articulació complexa en la qual interaccionen múltiples estructures, la qual cosa permet la realització de moviments de gran amplitud. A causa d'aquesta característica, pot ser facilment alterada si algun dels components falla. Les patologies del muscle són variades, així com diversa és la simptomatologia i el nivell d'alteració funcional. El grau d'afectació funcional pot ser valorat ja siga mitjanvant escales clíniques, o amb proves biomecaniques basades en l'analisi cinematica, que afigen objectivitat als resultats. No obstant aixo, els models cinematics disponibles en l'actualitat no ofereixen una representació realista del moviment articular, la qual cosa suposa una important limitació a l'hora de desenvolupar sistemes de valoració funcional. L'objectiu principal d'aquesta tesi va ser descriure el moviment del muscle mitjanvant tecniques cinematiques avanvades que inclogueren l'ús de variables funcionals associades a la posició, velocitat i acceleració, així com la descripció de la trajectoria de l'eix instantani de rotació, amb la finalitat de desenvolupar un nou enfocament en les tecniques de valoració funcional del muscle. La mostra d'estudi va estar composta per 41 subjectes sans i 15 subjectes amb patología de muscle. Es van analitzar els moviments d'abducció en el pla frontal i en el pla escapular, amb pes d'1 quilogram i sense pes. Es va utilitzar l'escala EVA (escala visual analogica), per a determinar el nivell de dolor percebut i l'escala DASH (Disabilities of the arm, shoulder and hand), per a definir el grau funcional. Es va realitzar una analisi de variables numeriques, variables funcionals, reproducibilitat i harmonia del moviment i descripció de la trajectoria de l'eix instantani de rotació. Com a resultat, s'ha demostrat l'alta fiabilitat del procediment. Les diferencies oposades entre els subjectes sans i patologics, només eren evidents a nivell de grups, a més la dispersió de la mostra era considerable. Els valors de reproducibilitat i harmonia van ser similars per als dos grups. En mitjana, els subjectes patologics tenien menor angle, velocitat i acceleració, perdua que es produia de forma contínua al llarg del cicle, com s'observa en l'analisi de les funcions del moviment. Es va trobar que l'escala DASH guardava una relació con les variables cinematiques funcionals, si bé, era moderada. D'altra banda, en augmentar el nivell d'afectació, s'observava una clara disminució de la velocitat angular, i un canvi en el patró de moviment. Respecte a l'efecte de la carrega, no es van trobar diferencies clares en la població d'estudi. Finalment, la trajectoria del EIR descrivia una ruta d'inici per davall de l'acromi, seguit d'un desplavament vertical i mig-lateral, amb un patró que encara que era similar entre els grups, es veia afectat de forma diferent pel dolor o el nivell d'afectació funcional en la mostra de patologics. En conclusió, els resultats indiquen que les variables funcionals són més sensibles als canvis que les variables numeriques classiques basades en rangs o valors maxims. D'altra banda, les diferencies oposades entre els subjectes patologics i els sans, només són clares a nivell de conjunt, pero no separen de forma nítida als individus de cada grup, podent ser només evidents en cas d'afectacions molt severes, pero no amb nivells moderats o baixos. L'estudi del EIR és nou i proporciona informació sobre la coordinació del moviment, aspecte d'especial rellevancia donada la composició del complex articular del muscle. Finalment, dels resultats s'extrau l'interés de l'ús de mesures repetides usant el subjecte com a factor i utilitzant les escales de valoració funcional, ja que l'ús sol de dades biomecanics no sembla ser suficient. / [EN] The shoulder complex is a structure of joints with the largest range of motion. Consequently, it is susceptible to injury. Shoulder pathologies involve different levels of functional impairment that can be assessed either by clinical scales or by objective methods such as kinematic analysis. However, currently available kinematic models do not offer a realistic representation of joint movement, which is an important limitation when developing functional assessment systems. The main goal of current dissertation is to describe the movement of the shoulder, using advanced kinematic techniques that include the use of position, velocity and acceleration variables, as well as the use of the instantaneous helical axis, in order to develop new techniques of functional assessment. This study included 41 healthy subjects and 15 subjects with shoulder pathology. Subjects performed humeral elevation in 2 planes (frontal and scapular) and 2 conditions (loaded and unloaded). The VAS (visual analog scale) was used to determine the level of perceived pain and the DASH scale (Disabilities of the arm, shoulder and hand) to define the functional impairment. An analysis of numerical variables, functional variables, reproducibility and harmony of the movement and description of the trajectory of the instantaneous helical axis (IHA) was carried out. As a result, the high reliability of the procedure has been demostrated. Significative differences were found between healthy and pathological subjects. However, it was only evident about groups, in addition the dispersion was considerable. Reproducibility and harmony values were similar for both. The functional analysis showed that the pathological group had lower angle, velocity and acceleration throughout the entire cycle. It was found that the DASH scale had a moderate relation with the functional kinematic variables. On the other hand, when increasing the level of affectation, an obvious decrease of the angular velocity, and a change in the movement pattern was observed. Regarding the effect of loading, no clear differences were found in the study population. Finally, the IHA described a vertical and mid-lateral displacement, with an initial point below the acromion. The pattern was similar in both groups, however it was affected by the level of pain and functional impairment. In conclusion, these findings suggest that functional variables are more sensitive to changes than classical numerical variables. On the other hand, differences between healthy and pathological subjects are only evident at group level. It seems that it is only evident in highly affected patients, not in those with a mild or intermediate impairment. Moreover, the study of the IHA is novel and provides relevant information about the shoulder joint coordination. Finally, we concluded that the use of repeated measurements using the subject as a factor along with the use of scales of functional assessment provides a better description of the movement since the exclusive use of biomechanical data, does not seem to be sufficient. / Cáceres Cáceres, ML. (2019). Aplicación de la cinemática articular a la valoración funcional del hombro [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/133994 / TESIS

[ES] En esta Tesis Doctoral se plantea un nuevo modelado biomecánico del cuello para su aplicación en los campos de la valoración funcional y la ergonomía. Se ha realizado un estudio cinemático para describir los axoides asociados a los ejes instantáneos de rotación (EIR) del movimiento de la cabeza respecto del tórax, así como las variables cinemáticas (posiciones, velocidades y aceleraciones), que se describen como funciones continuas mediante técnicas de Análisis de Datos Funcionales (FDA). Se han analizado movimientos cíclicos continuos. El movimiento más reproducible es el de flexo-extensión. Para el análisis dinámico, se ha elaborado un modelo articular de dinámica inversa, que permite estimar las fuerzas, momentos a nivel de C7 y potencia desarrollada, a partir de la cinemática del movimiento y de las características inerciales del sistema cuello-cabeza, obtenidas a partir de estudios previos y ajustadas mediante un procedimiento de calibración. El modelo ha sido validado experimentalmente y se ha cuantificado su fiabilidad, que resulta suficiente para aplicaciones clínicas. Se han estudiado una muestra de sujetos sanos (n=45) con la finalidad de obtener una base de normalidad, analizar el efecto de características individuales (edad, sexo y características antropométricas), y una muestra de pacientes con dolor inespecífico de cuello (n=24), para analizar las diferencias asociados a la patología. Este es el primer estudio en el que se obtiene una representación continua del EIR y se realiza una descripción de la cinemática y dinámica usando funciones continuas mediante técnicas estadísticas de FDA. Los resultados muestran que los patrones cinemáticos y dinámicos están influidos por el sexo y por la longitud del cuello. Las mujeres presentan más movilidad que los hombres y una mayor longitud del cuello va asociada a movimientos más lentos. El efecto de la edad no es demasiado acusado en la muestra analizada, con edades inferiores a 50 años en la mayoría de casos. Las diferencias cinemáticas entre personas sanas y con dolor de cuello son muy claras, siendo mayores en las variables de posición y de aceleración que en los rangos, por lo que son éstas variables más adecuadas para definir protocolos de valoración biomecánica clínica. Desde el punto de vista dinámico, hay diferencias muy claras en las fuerzas y en la potencia desarrollada, aunque no tanto en el momento articular. Las diferencias en las variables funcionales son mucho más evidentes que en las correspondientes variables numéricas extraídas de éstas (rangos, valores máximos y mínimos). En definitiva, se demuestra que el registro de movimientos continuo y el uso conjunto de información cinemática y dinámica ofrece una visión más completa de los patrones biomecánicos de movimiento del cuello y puede mejorar los actuales sistemas de valoración funcional. / [CA] En aquesta tesi doctoral es planteja un nou modelatge biomecànic de el coll per la seva aplicació en els camps de la valoració funcional i l'ergonomia. S'ha realitzat un estudi cinemàtic per descriure els axoides associats als eixos instantanis de rotació (EIR) de el moviment del cap respecte de tòrax, així com les variables cinemàtiques (posicions, velocitats i acceleracions), que es descriuen com a funcions contínues mitjançant tècniques d'Anàlisi de Dades Funcionals (FDA). S'han analitzat moviments cíclics continus. El moviment més reproduïble és el de flexo-extensió. Per a l'anàlisi dinàmic, s'ha elaborat un model articular de dinàmica inversa, que permet estimar les forces, moments a nivell de C7 i potència desenvolupada, a partir de la cinemàtica de el moviment i de les característiques inercials de sistema coll-cap, obtingudes a partir d'estudis previs i ajustades mitjançant un procediment de calibratge. El model ha estat validat experimentalment i s'ha quantificat la seva fiabilitat, que resulta suficient per a aplicacions clíniques. S'han estudiat una mostra de subjectes sans (n = 45) amb la finalitat d'obtenir una base de normalitat, analitzar l'efecte de característiques individuals (edat, sexe i característiques antropomètriques), i una mostra de pacients amb dolor inespecífic de coll (n = 24), per analitzar les diferències associats a la patologia. Aquest és el primer estudi en el qual s'obté una representació contínua de l'AIR i es realitza una descripció de la cinemàtica i dinàmica usant funcions contínues mitjançant tècniques estadístiques de FDA. Els resultats mostren que els patrons cinemàtics i dinàmics estan influïts pel sexe i per la longitud de coll. Les dones presenten més mobilitat que els homes i una major longitud de coll va associada a moviments més lents. L'efecte de l'edat no és massa acusat en la mostra analitzada, amb edats inferiors a 50 anys en la majoria de casos. Les diferències cinemàtiques entre persones sanes i amb mal de coll són molt clares, sent majors en les variables de posició i d'acceleració que en els rangs, de manera que són aquestes variables més adequades per definir protocols de valoració biomecànica clínica. Des del punt de vista dinàmic, hi ha diferències molt clares en les forces i en la potència desenvolupada, encara que no tant en el moment articular. Les diferències en les variables funcionals són molt més evidents que en les corresponents variables numèriques extretes d'aquestes (rangs, valors màxims i mínims). En definitiva, es demostra que el registre de moviments continu i l'ús conjunt d'informació cinemàtica i dinàmica ofereix una visió més completa dels patrons biomecànics de moviment de coll i pot millorar els actuals sistemes de valoració funcional. / [EN] In this Doctoral Thesis, a new biomechanical modeling of the neck is proposed for its application in the fields of functional assessment and ergonomics. A kinematic study has been carried out to describe the axoids associated with the instantaneous axes of rotation (EIR) of the movement of the head with respect to the thorax, as well as the kinematic variables (positions, velocities and accelerations), which are described as continuous functions using techniques of Functional Data Analysis (FDA). Continuous cyclical movements have been analyzed. The most reproducible movement is flexion-extension. For the dynamic analysis, a joint model of inverse dynamics has been developed, which allows estimating the forces, moments at the C7 level and developed power, from the kinematics of the movement and the inertial characteristics of the neck-head system, obtained from starting from previous studies and adjusted by means of a calibration procedure. The model has been experimentally validated and its reliability has been quantified, which is sufficient for clinical applications. A sample of healthy subjects (n = 45) were studied in order to obtain a normality base, analyze the effect of individual characteristics (age, sex and anthropometric characteristics), and a sample of patients with nonspecific neck pain (n = 24), to analyze the differences associated with the pathology. This is the first study in which a continuous representation of the EIR is obtained and a description of the kinematics and dynamics is made using continuous functions using FDA statistical techniques. The results show that the kinematic and dynamic patterns are influenced by gender and neck length. Women are more mobile than men and longer neck length is associated with slower movements. The effect of age is not too pronounced in the analyzed sample, with ages less than 50 years in most cases. The kinematic differences between healthy people and those with neck pain are very clear, being greater in the position and acceleration variables than in the ranges, making these variables more suitable for defining clinical biomechanical assessment protocols. From the dynamic point of view, there are very clear differences in the forces and the power developed, although not so much in the articulation moment. The differences in the functional variables are much more evident than in the corresponding numerical variables extracted from them (ranges, maximum and minimum values). In short, it has been shown that continuous movement recording and the joint use of kinematic and dynamic information offers a more complete view of the biomechanical patterns of neck movement and can improve current functional assessment systems. / Este trabajo ha sido desarrollado en el Instituto Universitario de Ingeniería Mecánica y Biomecánica de la Universitat Politècnica de València, y ha sido financiado con el proyecto de investigación Junior PIJ-15-08 de la Escuela Politécnica Nacional de Quito-Ecuador. / Venegas Toro, WR. (2021). Modelado biomecánico del cuello basado en la imagen cinemática de la función articular para su aplicación en tecnologías para la salud y el bienestar del ser humano [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/174522 / TESIS