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Amedeo Sebastian Alvaro

• The drastic increase in sitting times in recent decades has led to a special interest of many research groups in the physiological effects and comfort of sitting. The finite element method has proven to be a valuable tool to provide additional insights into the functional mechanics of both the entire human body and individual structures thereof, that would be unobtainable experimentally. However,The drastic increase in sitting times in recent decades has led to a special interest of many research groups in the physiological effects and comfort of sitting. The finite element method has proven to be a valuable tool to provide additional insights into the functional mechanics of both the entire human body and individual structures thereof, that would be unobtainable experimentally. However, accurate modelling and a thorough validation process are needed to obtain reliable results in this method. The Virtual Human Jo developed at Simuserv GmbH is a state-of-the-art full body human model that is primarily used to investigate sitting conditions using the Abaqus simulation software (Dassault Systèmes, Vélizy-Villacoublay, France). The model is validated with experimental data of body segments and global parameters such as sitting-pressure distribution. The scope of this thesis was to validate Jo in various sitting postures by using intradiscal pressure values from in vivo trials at the L4L5 lumbar level. To ensure a physiological development of intradiscal pressures in these postures, the mechanical behaviour of Jo’s lumbar spine was revised to better fit range of motion and intradiscal pressure values from in vitro trials. After the calibration process the lumbar spine model was implemented to Jo. Thereafter, a simplified torso model was extracted from Jo to simulate three sitting postures for the validation process. To closely replicate all postures, spinal alignment and muscle activity in these postures were assessed from literature by spinopelvic parameter and electromyography studies and incorporated in the simulations. Findings suggest that intradiscal pressure is predominantly defined by muscle activity in all postures. While results indicate that the Virtual Human Jo is able to accurately depict intradiscal pressure in different postures when muscle activity is known, the lack of overlapping electromyography data with intradiscal pressure data of sitting postures hinder the validation process. An alternative way to estimate muscle forces in additional sitting postures, and thus further the validation process, may be the use of inverse dynamic models.…
• In den letzten Jahrzehnten ist die durchschnittliche Zeit im Sitzen drastisch angestiegen. Dies spiegelt sich in der Zunahme verwandter Forschungsfragen wider. Viele Forschungsgruppen beschäftigen sich mit den physiologischen Auswirkungen durch das Sitzen, oder versuchen den Sitzkomfort objektiv zu parametrisieren. Die Finite-Elemente Methode hat sich als wertvolle Methode erwiesen, um zusätzlicheIn den letzten Jahrzehnten ist die durchschnittliche Zeit im Sitzen drastisch angestiegen. Dies spiegelt sich in der Zunahme verwandter Forschungsfragen wider. Viele Forschungsgruppen beschäftigen sich mit den physiologischen Auswirkungen durch das Sitzen, oder versuchen den Sitzkomfort objektiv zu parametrisieren. Die Finite-Elemente Methode hat sich als wertvolle Methode erwiesen, um zusätzliche Einblicke in die funktionelle Mechanik sowohl des gesamten menschlichen Körpers, als auch einzelner Strukturen zu gewinnen, die auf experimentellem Wege nicht möglich wären. Allerdings ist eine genaue Modellierung und eine gründliche Validierung erforderlich, um mit dieser Methode zuverlässige Ergebnisse zu erzielen. Der Virtual Human Jo (Simuserv GmbH) ist ein Ganzkörper-Modell des Menschen, das in erster Linie zur Untersuchung von Sitzbedingungen in Abaqus (Dassault Systèmes, Vélizy-Villacoublay, Frankreich) eingesetzt wird. Die Validierung von Jo erfolgte über experimentelle Daten von Körpersegmenten und globalen Parametern, wie beispielsweise der Sitzdruckverteilung. Ziel dieser Arbeit war es, Jo in verschiedenen Sitzhaltungen mithilfe der Bandscheibendrücke im Bereich der Lendenwirbelsäule aus In Vivo-Versuchen zu validieren. Um physiologische Bandscheibendrücke in diesen Haltungen im Jo Modell zu gewährleisten, wurde das mechanische Verhalten bezüglich des Bewegungsumfangs und des Bandscheibendruckes von Jo’s Lendenwirbelsäule mithilfe von In Vitro-Versuchen kalibriert. Anschließend wurden Simulationen von drei verschiedenen Sitzhaltungen aus den In Vivo-Versuchen mit einem vereinfachten Oberkörpermodell, welches die neu kalibrierte Lendenwirbelsäule enthielt, durchgeführt. Um die Sitzhaltungen akkurat nachzubilden, wurde die Ausrichtung der Wirbelsäule und die Muskelaktivität in diesen Haltungen anhand von spinopelvischen Parametern und elektromyografischen Studien aus der Literatur bewertet und in die Simulationen miteinbezogen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Bandscheibendruck in allen Körperhaltungen hauptsächlich durch die Muskelaktivität bestimmt wird. Zwar scheint Jo den Bandscheibendruck bei bekannter Muskelaktivität präzise wiederzugeben, jedoch ist die Bestimmung dieser Muskelaktivität aufgrund fehlender elektromyografischer Messungen in verschieden Sitzhaltungen stark eingeschränkt. Die Anwendung von Inverse Dynamik Modellen könnte eine vielversprechende Alternative sein, um diese Muskelkräfte abzuschätzen.…