يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

جهاز منخفض التكلفة لقياس علاقات القوة والسرعة في العضلات

138 مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/71757

⸱

أغسطس 14, 2026

 , 
1Department of Biological Sciences, University of Massachusetts Lowell

في هذه المقالة

ملخص

تم تطوير جهاز ميسور التكلفة ومنخفض التكلفة لقياس العلاقات بين القوة والسرعة والقدرة في العضلات البشرية باستخدام مواد غير مكلفة، وترس مطبوع بتقنية ثلاثية الأبعاد، ومقياس تسارع في هاتف ذكي، وبرمجيات Python المجانية. وقد أظهر التحقق من صحة الجهاز مقارنة بجهاز إرجوميتر معياري قياسات ذات صلة فسيولوجياً، مع توفير فرص تعليمية عملية وعادلة في بيئة الفصول الدراسية لمرحلة البكالوريوس.

الملخص

تمثل العلاقة بين قوة العضلة وسرعة الانقباض والقدرة نموذجاً قائماً منذ ما يقرب من قرن في علم الفسيولوجيا وحجر زاوية في فهمنا لوظائف الجهاز العضلي الهيكلي. ومع ذلك، نادراً ما يتم دراسة هذا النموذج بشكل مباشر في فصول علم الفسيولوجيا والميكانيكا الحيوية بسبب التكلفة الباهظة للمعدات المطلوبة. سعت هذه الدراسة إلى تصميم والتحقق من صحة جهاز منخفض التكلفة باستخدام نظام بكرات مطبوع ثلاثي الأبعاد يشتمل على ترس سداسي (ratchet-and-pawl)، والذي يمكن بناؤه وتهيئته بسهولة لجمع بيانات القوة والسرعة والقدرة من عضلات أصابع الإنسان عبر مقياس تسارع في الهاتف الذكي باستخدام تطبيق Phyphox المجاني. ويقوم نص برمجى مخصص بلغة Python بتحويل قياسات مقياس التسارع الخام إلى مخرجات السرعة والقدرة، والتي يتم مقارنتها بعد ذلك لكل شخص على حدة مع القياسات التي تم الحصول عليها باستخدام نظام رافعة ثنائي الوضع وهو المعيار الذهبي. وقد كشفت المقارنات الزوجية لخمس متغيرات ملخصة (ذروة القوة، Fmax؛ ذروة السرعة، Vmax؛ ذروة القدرة، Pmax؛ السرعة المثلى، Vopt؛ وانحناء القوة-السرعة، a/Fmax) عن عدم وجود فروق ذات دلالة إحصائية بين بيانات القوة والسرعة والقدرة التي تم جمعها باستخدام الجهازين (اختبارات t المقترنة، p > 0.05). وبناءً على ذلك، وبدون انخفاض ملموس في جودة البيانات، يوفر هذا الجهاز غير المكلف وسيلة ميسورة وآمنة وفعالة من حيث التكلفة لتدريس ودراسة مبادئ الميكانيكا الحيوية والفسيولوجيا. ويمتلك هذا الجهاز القدرة على إتاحة تعليم فسيولوجيا العضلات والميكانيكا الحيوية للجميع، لا سيما في البيئات التعليمية ذات التمويل المحدود والموارد المحدودة في جميع أنحاء العالم.

المقدمة

تعتبر العضلة المخططة هي المحرك الذي يولد الحركة الهيكلية في البشر والحيوانات الأخرى. ويؤدي تداخل العوامل المؤثرة عبر المقاييس المختلفة على توليد القوة وإنتاج الشغل إلى تعقيد فهم تركيبها الهرمي الفريد1,2. وربما بسبب هذه التعقيدات، قد تكون وظيفة العضلات مكوناً غير معطى الأولوية الكافية في مناهج التشريح ووظائف الأعضاء، وذلك لافتقار المعلمين إلى الأدوات اللازمة لاستعراض الجوانب الأساسية والأكثر إثارة للاهتمام في وظيفة العضلات بشكل صحيح3,4,5,6.

لقد وُصفت وظيفة العضلات تاريخياً من خلال العديد من النماذج الراسخة، ولا يوجد منها نموذج أكثر شهرة من المقايضة بين القوة والسرعة التي وصفها لأول مرة قبل ما يقرب من قرن من الزمان أرشيبالد فيفيان هيل1,2,3,4,5,6. تصف هذه العلاقة الفسيولوجية الأساسية المقايضة بين سرعة انقباض العضلات والقوة، حيث تكون الانقباضات المتساوية القياس (isometric) أو انقباضات التقصير البطيئة جداً هي الأقوى عموماً، وتنتج ذروة قوة العضلة (Fmax)، بينما تكون الانقباضات متساوية التوتر (isotonic) الأسرع التي تقترب من ذروة سرعة العضلة (Vmax) هي الأضعف عادةً1. عندما وصف هيل العلاقة بين القوة والسرعة والقدرة (FVP) في عام 1938، قدم دالة لا تزال تحمل اسمه حتى الآن. تربط معادلة هيل (المعادلة 1) بين ذروة القوة المتولدة أثناء الانقباض متساوي القياس (مع تثبيت نهايتي العضلة) وذروة السرعة التي يتم تحقيقها في غياب حمولة خارجية.

المعادلة 1: (v + b) (F + a) = b (Fmax + a)

حيث تمثل v سرعة التقصير، وF قوة العضلة، وFmax القوة الأيزومترية القصوى، بينما تمثل a و b ثوابت تصف العلاقة بين القوة والسرعة والخصائص الطاقية لتقصير العضلة1.

تتضمن هذه العلاقة الجوهرية عدة مفاهيم رئيسية لوظيفة العضلات، ممثلة بخمسة معاملات كمية تحدد علاقة FVP. يُعد حاصل ضرب القوة العضلية اللحظية والسرعة هو القدرة، والتي تصل عادةً إلى قيمة قصوى (Pmax) عند حوالي ثلث Vmax7. وتُسمى السرعة التي تحدث عندها Pmax بالسرعة المثلى (Vopt)، ويعد موقعها ضمن نطاق سرعات التقصير (من V0 إلى Vmax) خاصية مهمة لعلاقتي القوة-السرعة والقدرة-السرعة. فعلى سبيل المثال، تؤدي القيمة الأعلى لـ Vopt إلى تقديم ذروة القدرة عند سرعة تقصير أعلى. وضمن علاقة القوة-السرعة نفسها، ترتبط ذروة القوة (Fmax) وذروة السرعة (Vmax) عبر علاقات قوة-سرعة متوسطة وبشكل منحني (الشكل 5A). وتظهر في الشكل 1 علاقات تمثيلية للقوة-السرعة والقدرة-السرعة تم الحصول عليها باستخدام المنهجية الحالية. ويُشار إلى ميل هذا المنحنى بانحناء القوة-السرعة، والذي يصف معدل انخفاض القوة مع زيادة السرعة. ويُعرَّف الانحناء على أنه a/Fmax8، حيث a هي الثوابت الديناميكية الحرارية في معادلة Hill التي تقيس توليد الحرارة الاحتكاكية بواسطة عضلة تقصر دون حمل1. ويؤثر الانحناء على موقع Vopt في منحنى القوة-السرعة، ويحدد مقدار القوة التي يمكن للعضلة توليدها عند سرعة تقصير معينة. كما وُصف الانحناء أيضاً باستخدام نسبة القدرة العضلية (المعادلة 2)9.

المعادلة 2:  معادلة نسبة الكفاءة، Pmax/vmax*Fmax، لتحليل الأنظمة الميكانيكية.

حيث تمثل Pmax الحد الأقصى لإنتاج قدرة العضلات، بينما تمثل Vmax و Fmax الحد الأقصى لسرعة التقصير والحد الأقصى للقوة المتساوية القياس، على التوالي.

توفر الطبيعة البديهية للعلاقات بين القوة والسرعة، وبين القدرة والسرعة، نقاط انطلاق فعالة عند تدريس وظائف العضلات في فصول العلوم الحياتية. وتتجلى أهمية تزويد الطلاب بفرص تطبيقية لبناء فهم أكثر اكتمالاً لعلاقات FVP في حقيقة أن التعلم العملي قد ثبت أنه يحسن من استبقاء المعرفة10. علاوة على ذلك، من المعروف أن التعلم التجريبي يعزز الأساس اللازم لتقييم وظائف العضلات، سواء في سياق علمي أساسي أو كتمهيد للمهن في مجال الرعاية الصحية، بما في ذلك الوقاية من الإصابات، والتأهيل، والتدريب البدني.

تتميز الأدوات التقليدية لاختبار الخصائص الفسيولوجية للعضلات، مثل أنظمة الروافع التي تعمل بمحرك 서보 ثنائي الوضع، بدقة وإحكام عاليين، ولكنها تتطلب تكاليف باهظة، مما يشكل عوائق كبيرة أمام تنفيذها في معظم البيئات الصفية7. ولمعالجة هذه القيود وتوسيع فرص التعلم العملي، تم تطوير بديل منخفض التكلفة. يعتمد الجهاز في تكوينه على بكرة مطبوعة ثلاثية الأبعاد تشتمل على ترس وسقاطة، ويستخدم قضبان ألومنيوم مشقوقة متوفرة تجارياً، وسلكاً صلباً، وهاتفاً ذكياً مثبتاً على حامل يشغل تطبيقاً مجانياً للحصول على البيانات (الشكل 2). وقد تم اختيار الهاتف الذكي بدلاً من أجهزة قياس التسارع المتخصصة نظراً لتوفر الهواتف الذكية على نطاق واسع وتزويدها عادةً بمقاييس تسارع دقيقة وقوية11. وقد سبق إثبات فائدة الهواتف الذكية كأجهزة قياس علمية، بما في ذلك دمج مقياس تسارع لهاتف ذكي متاح تجارياً في وحدة القياس بالقصور الذاتي لمروحية Ingenuity المريخية12.

على الرغم من وجود بعض الأدوات منخفضة التكلفة المتاحة لتدريس فيزيولوجيا العضلات، إلا أنها تستهدف مفاهيم مختلفة: فقد طور Judge وآخرون6 أنشطة ميسورة التكلفة تعتمد على SpikerBox لتسجيل النشاط الكهربائي للعضلات، بينما صمم Medeiros وآخرون10 نموذجاً منخفض التكلفة لـ sarcomere ثنائي الأبعاد لتوضيح الميكانيكا المرتبطة ببروتين titin. ومع ذلك، لا توجد أداة منخفضة التكلفة تسمح للطلاب بقياس علاقات FVP مباشرة لعضلة بشرية منقبضة وتوليد بيانات كمية قابلة للمقارنة بالبيانات البحثية. ويهدف الجهاز الحالي إلى سد هذه الفجوة من خلال تقديم قياسات FVP معتمدة وفق المعايير الذهبية بتكلفة تقل عن 300 دولار.

تتناول الدراسة الحالية بناء جهاز FVP منخفض التكلفة مع إجراء تحقق متبادل مقابل المعيار الذهبي الصناعي. تعتمد تحليلات التحقق على المقارنات الزوجية لمتغيرات FVP الموجزة الخمسة المعترف بها، والتي تم قياسها في نفس الأشخاص على كلا الجهازين. وتختبر هذه التحليلات فرضية أن كلا الجهازين يولدان منحنيات قوة-سرعة ومنحنيات قدرة-سرعة متكافئة. ومن خلال نجاح التحقق المتبادل، يمكن للجهاز منخفض التكلفة أن يساهم في إتاحة دراسات فسيولوجيا العضلات والميكانيكا الحيوية للجهاز العضلي الهيكلي في الفصول الدراسية عن طريق خفض الحاجز المالي لاقتناء الأجهزة، مع الحفاظ على الدقة التجريبية وبالتالي الرصانة العلمية. ومن المتوقع أن يلهم الجهاز منخفض التكلفة الطلاب والمعلمين في فصول الفسيولوجيا والميكانيكا الحيوية حول العالم، الذين يدرسون ويقومون بتدريس تشريح العضلات بالفعل، لاستكشاف إحدى العلاقات الأساسية للعضلات بشكل عملي. ومن خلال تضمين نشاط تطبيقي لتوليد قياسات فسيولوجية، يمكن للفصول الدراسية تحقيق فهم متعدد الوسائط وتحسين استبقاء المعرفة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

تمت الموافقة على جميع التجارب التي شكلت أساس هذا البحث من قبل مجلس المراجعة المؤسسية في جامعة ماساتشوستس لويل (بروتوكول رقم 21-163-KON-XPD).

ملاحظة: يستخدم الجهاز هاتفاً ذكياً معلقاً بأحمال خارجية من خلال نظام بكرات مطبوع ثلاثي الأبعاد. يتم جمع بيانات التسارع بتردد 100 Hz باستخدام تطبيق لجمع البيانات يعتمد على الهاتف الذكي. تُحسب القوة بضرب الكتلة المجمعة للهاتف الذكي والحمل الخارجي في التسارع. ويتم الحصول على السرعة عن طريق تكامل التسارع، بينما تُحسب القدرة كحاصل ضرب القوة في السرعة (ملف الترميز التكميلي 1).

1. تجميع الجهاز

  1. قم بتثبيت عارضتين قصيرتين من الألومنيوم في الجانب السفلي من عارضة ألومنيوم طويلة باستخدام مثبتات إطار ألومنيوم. ضع العارضتين القصيرتين على مسافة 8 cm تقريباً من كل طرف من طرفي العارضة الطويلة لتشكيل قاعدة ثابتة وغير قابلة للانثناء.
    ملاحظة: يُشار إلى هذا التجميع فيما يلي باسم الإطار.
  2. بناء حامل البكرة
    1. ضع كتلة كبيرة من كلوريد متعدد الفاينيل الخلوي بحيث يكون الجانب الذي يبلغ طوله 7 in موجهاً رأسياً والجانب الذي يبلغ طوله 6.75 in موجهاً أفقياً.
    2. قس مسافة 2.75 in من الزاوية السفلية اليسرى على طول الحافة اليسرى وحدد الموقع.
    3. قس مسافة 2.75 in من الزاوية العلوية اليسرى على طول الحافة العلوية وحدد الموقع.
    4. ارسم خطاً مستقيماً يربط بين الموقعين المحددين.
    5. اقطع على طول الخط المحدد وأزل المقطع المثلثي الناتج.
    6. احفر ثقباً بقطر 7/16 in على مسافة 1.25 in من الزاوية العلوية اليمنى.
    7. كرر الخطوات من 1.2.1 إلى 1.2.6 للكتلة الكبيرة الثانية.
    8. ضع كتلة كلوريد متعدد الفاينيل الخلوي الصغيرة خلف الإطار.
    9. ثبت كلتا الكتلتين الكبيرتين بالكتلة الصغيرة بحيث تكون المسافة بينهما 8 in. وجه القطوع القطرية لتكون فوق الكتلة الصغيرة وضع الثقوب المحفورة خارج حافة الكتلة الصغيرة.
  3. ثبت حامل البكرة بإحكام بمشبك في زاوية طاولة أو منضدة.
    ملاحظة: ضع الحامل بحيث تمتد البكرة خارج حافة الطاولة. يمنع هذا ملامسة الأوزان المعلقة والهاتف الذكي لأرجل الطاولة أثناء الانقباضات.
  4. بناء وتثبيت مسند الذراع
    1. اقطع كتلة مسند الذراع من كلوريد متعدد الفاينيل الخلوي التي يبلغ طولها 14 in إلى ثلاث قطع تتكون من قسمين بطول 1.5 in وقسم واحد بطول 3.5 in.
    2. اصنع حزاً بمقاس 2 in x 1/8 in في السطح العلوي لكل قسم صغير، مع وضع الحز على مسافة 1 in من الحافة الأمامية.
    3. ثبت الأقسام الصغيرة في الجانب السفلي من القسم الأكبر عند كل طرف. قم بمحاذاة الحزوز مع بعضها البعض.
    4. غطِّ السطح العلوي للقسم الأكبر بشريط لاصق من نوع "هوك آند لوب" (Hook-and-loop fastener).
    5. مرر حزام الساعد عبر الحزّين.
    6. ثبت مسند الذراع في الإطار باستخدام براغي وصواميل T قابلة للإسقاط. ضع مسند الذراع على مسافة 14 in من حامل البكرة مع توجيه حزام الساعد بعيداً عن البكرة.
  5. أدخل محامل الكرات (ball bearings) في مجاري مكونات الترس الداخلي والترس الخارجي (Supplemental File 1).
  6. مرر 40 cm من حزام التوقيت عبر الشق الجانبي لمكون الترس الداخلي. اصنع حلقة بتداخل قدره 2 cm وثبت التداخل داخل الشق.
  7. أدخل المحور المعدني عبر حامل البكرة الأيسر، وسدادة، ومكون الترس الداخلي، ومكون نقل القوة، ومكون الترس الخارجي، وسدادة ثانية، وحامل البكرة الأيمن.
    ملاحظة: وجه الشق الجانبي للترس الداخلي نحو الإطار. ضع كلتا السدادتين على مسافة 1 mm من كلا جانبي تجميع البكرة.
  8. ركب سدادتين إضافيتين على المحور، مع وضع كل سدادة على مسافة 1 mm من حوامل البكرة لمنع الحركة الجانبية.
  9. مرر 40 cm من سلك فولاذي متعدد الخيوط عبر دعامة الإصبع وثبته بملزمة كبس (crimp). مرر الطرف المقابل عبر Karabiner A وثبته بملزمة كبس ثانية.
    ملاحظة: Karabiners A و B متطابقان وقد تم تسميتهما فقط للتمييز بينهما أثناء التجميع.
  10. صل مكون الترس الداخلي بـ Carabiner A باستخدام حزام التوقيت المرفق. ثبت التداخل باستخدام Key A.
    ملاحظة: Keys A و B و C متطابقة. يمكن طباعة مفاتيح إضافية لأنها مصممة كمكونات تضحوية تنكسر قبل أن تتضرر الأجزاء الأخرى من الجهاز.
  11. مرر 10 cm من سلك فولاذي متعدد الخيوط حول Carabiner A وثبته بملزمة كبس. مرر الطرف المقابل حول مثبت إطار ألومنيوم، واكبس السلك، وثبت المثبت في الإطار.
    ملاحظة: يُشار إلى هذا التجميع فيما يلي باسم مسمار الأمان.
  12. اصنع حلقة باستخدام 40 cm من حزام التوقيت مع تداخل 2 cm وأدخل الحلقة في Key B. مرر الطرف المقابل حول Carabiner B وثبت التداخل باستخدام Key C.
  13. أدخل Key B في أكبر طبقة من مكون الترس الخارجي.
  14. ثبت حامل ذراع الهاتف الذكي بـ Carabiner B باستخدام إما حلقة ذراع الهاتف أو فتحات كابل سماعة الرأس.
  15. علق وزن البداية المطلوب من Carabiner B باستخدام سلك فولاذي ملفوف ومكبوس.

2. إعداد الحصول على البيانات

  1. قم بتثبيت تطبيق الحصول على البيانات على هاتف ذكي مجهز بمقياس تسارع.
  2. افتح الـ التسارع (بدون g) وحدة تعليمية
  3. ضع الهاتف الذكي في حامل الذراع المتصل بـ Carabiner B.
  4. اجمع البيانات وفقاً للقسم 3.
  5. صدّر البيانات المسجلة كملف بصيغة .xls. وخصّص اسم ملف فريداً يتوافق مع المشارك.
  6. انقل ملف .xls إلى جهاز كمبيوتر متصل بالإنترنت.
  7. معالجة البيانات باستخدام ملف البرمجة التكميلي 1
    ملاحظة: يقوم البرنامج النصي بحساب السرعة باستخدام تكامل إيولر الأمامي للتسارع الرأسي المقاس (المعادلة 3). ويتم حساب الموضع باستخدام معادلة الكينماتيكا للتسارع الثابت (المعادلة 4). تعتمد الحسابات على قيم التسارع الخام دون إجراء أي عمليات تنعيم أو ترشيح.
    المعادلة 3: vi = vi-1 + ai ∆ت
    المعادلة 4:  معادلة الحركة في الفيزياء: \( p_i = p_{i-1} + v_{i-1} \Delta t + \frac{1}{2} a_i \Delta t^2 \)؛ التحليل الديناميكي.
    1. قم بتثبيت الـ ملف الترميز التكميلي 1.
    2. ثبّت لغة Python على الحاسوب المستخدم لمعالجة البيانات.
    3. افتح نافذة الطرفية (terminal window) ونفّذ ما يلي: pip install streamlit pandas matplotlib scipy openpyxl xlrd.
    4. انتقل إلى المجلد الذي يحتوي على ملف البرمجة التكميلي 1 وقم بتنفيذ ما يلي: تشغيل streamlit run muscle_velocity_gui.py.
      ملاحظة: عند استخدام Windows PowerShell، قم بتنفيذ الأمر: python -m streamlit run muscle_velocity_gui.py. إذا طُلب منك إدخال عنوان بريد إلكتروني، فاترك الحقل فارغاً واضغط على Enter.
    5. انقر على رفع ثم اختر ملف .xls الذي تم تصديره.
    6. انقر على معالجة البيانات لتحميل مجموعة البيانات وتحليلها.
    7. راجع مخططات التسارع والسرعة والموضع التي تم إنشاؤها للتجربة الأولى.
    8. حدد القمم المكتشفة المقابلة لانقباضات عضلية صالحة باستخدام مربعات الاختيار المجاورة لكل قمة.
      ملاحظة: تظهر القمم الصالحة عادةً قبل أن يصبح تتبع التسارع سالباً، وتكون مرتبطة بقيم موجبة للسرعة والموضع. قد يحدد خوارزمية الكشف التلقائي عن القمم قممًا بشكل غير صحيح، ولذلك تتطلب عملية تحقق يدوية.
    9. ضبط معايير الكشف عن القمم
      ملاحظة: إذا لم يحدد البرنامج القمم بشكل صحيح، قم بتوسيع الإعدادات القابلة للتعديل المتقدمة > معايير الكشف عن القمم وضبط إعدادات الكشف.
      1. ضبط عتبة صفرية لتحديد نطاق التسارع الذي يُعتبر ساكناً.
        ملاحظة: قم بزيادة هذه القيمة عندما تحتوي آثار التسارع على ضوضاء مفرطة. تُعرض العتبة على شكل خطوط مرجعية حمراء في مخطط التسارع. القيمة الافتراضية = 0.30. النطاق المقترح = 0.10–5.00.
      2. ضبط السرعة الدنيا للقمة لتحديد الحد الأدنى المقبول لذروة السرعة.
        ملاحظة: قم بخفض هذه القيمة إذا تم استبعاد قمم صالحة. يتم عرض حد العتبة كخط مرجعي أخضر سفلي في مخطط السرعة. القيمة الافتراضية = 0.30. النطاق المقترح = 0.10–10.00.
      3. ضبط نطاق صفري لتحديد الحد الأدنى من عينات التسارع القريبة من الصفر والمتتالية المطلوبة لتحديد فترة السكون.
        ملاحظة: قلل هذه القيمة إذا فشلت مسارات السرعة والموضع في إعادة الضبط. القيمة الافتراضية = 10. النطاق المقترح = 3-25.
      4. ضبط السرعة القصوى للقمة لتحديد الحد الأقصى المقبول لذروة السرعة.
        ملاحظة: قم بزيادة هذه القيمة إذا تجاوزت القمم الصالحة الحد المسموح به. يظهر هذا الحد كخط مرجعي أخضر علوي في مخطط السرعة. القيمة الافتراضية = 10.00. النطاق المقترح = 10.00–30.00.
      5. ضبط أدنى مسافة بين القمم لتحديد الحد الأدنى لعدد العينات بين القمم المكتشفة.
        ملاحظة: القيمة الافتراضية = 2. النطاق المقترح = 1-10. التعديل غير ضروري بشكل عام.
      6. ضبط الحد الأدنى لبروز القمة لتحديد البروز المطلوب للكشف عن القمم.
        ملاحظة: تؤدي القيم المنخفضة إلى زيادة الحساسية وقد تحدد قممًا إضافية. القيمة الافتراضية = 0.10. النطاق المقترح = 0.01-0.90. التعديل غير ضروري بشكل عام.
    10. بعد تحديد جميع القمم الصالحة للتجربة الحالية، انقر فوق التالي للانتقال إلى التجربة التالية.
    11. كرر الخطوات من 2.7.7 إلى 2.7.10 حتى تتم معالجة جميع التجارب.
      ملاحظة: لا تقم بتعديل معايير اكتشاف القمم بعد معالجة التجربة الأولى. وفي حال أصبحت التغييرات في المعايير ضرورية، كرر التحليل لجميع التجارب التي تمت معالجتها مسبقاً باستخدام الإعدادات المحدثة.
    12. انسخ بيانات السرعة والتسارع المختارة إلى جدول بيانات لإجراء تحليلات القوة والسرعة والقدرة لاحقاً.

3. البروتوكول التجريبي

  1. ثبّت ساعد المشارك بمسند الذراع باستخدام حزام الساعد. أحكم ربط الحزام بما يكفي لمنع الساعد من التحرك للأمام.
  2. ضع دعامة الإصبع على إبهام المشارك وأحكم ربط الدعامة جيداً.
  3. قم بإزالة الارتخاء من نظام البكرة عن طريق تدوير البكرة عبر آلية السقاطة حتى يصبح حزام التوقيت مشدوداً.
    ملاحظة: تُصدر آلية السقاطة صوت طقطقة مسموعاً أثناء انتقالها بين المواضع.
  4. حرك مسمار الأمان باتجاه البكرة حتى يشد السلك الواصل بين مسمار الأمان والمشبك A.
  5. اختر ثقلين بكتلة متساوية تقريبًا، يزن كل منهما 1.25 كجم تقريبًا.
  6. تسلسل اختبار ثابت
    1. اختبر المستوى الأكبر، والمستوى المتوسط، والمستوى الأصغر باستخدام ثقل واحد والهاتف الذكي.
    2. اختبر الطبقة الأصغر، والطبقة المتوسطة، والطبقة الأكبر باستخدام وزنين والهاتف الذكي.
    3. اختبر المستوى الأكبر والمستوى الأصغر باستخدام الهاتف الذكي فقط.
      ملاحظة: استخدم التسلسل ذاته لجميع المشاركين لتقليل الانحياز المرتبط بالإرشاد.
  7. نقر بدء التسجيل في تطبيق الحصول على البيانات.
  8. وجّه المشارك لتقليص إبهامه بأسرع وأقوى ما يمكن.
    ملاحظة: يمكن أن يؤثر تحفيز المشارك بشكل كبير على الأداء. لذا، يجب تقديم تشجيع لفظي مستمر طوال فترة الاختبار لتحفيز بذل أقصى جهد ممكن.
  9. أوقف تسجيل البيانات بعد كل تجربة. اضبط مستوى البكرة وحالة التحميل وفقاً للتسلسل المحدد في الخطوة 3.6.
  10. استأنف تسجيل البيانات وكرر الخطوتين 3.8 و3.9 حتى يتم إكمال جميع مجموعات مستويات البكرة والتحميل الثماني.
  11. راقب المشارك طوال فترة الاختبار، وأعد المحاولات التي تأثرت بحركة الذراع المفرطة أو الجهد غير المكتمل.
  12. راجع مخطط التسارع بعد كل تجربة.
    ملاحظة: يجب تكرار التجارب التي تظهر ذروات تسارع أولية منخفضة بشكل غير طبيعي، أو تذبذبات مفرطة، أو استمرار حركة الهاتف الذكي بين الانقباضات، حيث إن هذه الحالات قد تؤثر سلبًا على جودة البيانات.
  13. سجل ملاحظات لكل تجربة، بما في ذلك التجارب المكررة أو المستبعدة، لتسهيل تحليل البيانات لاحقاً.

4. استخدام جهاز إرجومتر المعياري

  1. تجهيز جهاز قياس الجهد البدني المعياري
    1. قم بتشغيل الكمبيوتر وتشغيل برنامج الحصول على البيانات. افتح ملف إجراء نظام الرافعة ثنائي الوضع.
    2. اضبط إزاحة القوة على 10 وإزاحة الطول على 9 في وحدة التحكم في الرافعة.
    3. قم بتشغيل نظام الرافعة ثنائي الوضع ووحدة الحصول على البيانات.
    4. تحقق من التشغيل السليم للمحرك عن طريق تدوير الرافعة برفق والتأكد من وجود مقاومة.
    5. مرر سلكاً فولاذياً متعدد الشعيرات بطول 40 سم في الثقب الثاني من أسفل الرافعة، ثم ثبّت السلك باستخدام ملاقط كبس (crimp).
    6. مرر الطرف المقابل للسلك عبر دعامة الإصبع، ثم ثبته باستخدام مشبك كبس.
    7. قم بتثبيت نظام الرافعة ثنائي الوضع في الإطار 3 أمام مسند الذراع.
  2. ثبّت ساعد المشارك بمسند الذراع وضع الإبهام داخل دعامة الإصبع.
  3. حرك ذراع المشارك إلى الأمام حتى يصل الإبهام إلى أقصى درجة من الثني ويكون الكابل تحت شد خفيف.
  4. أحكم ربط حزام الساعد بما يكفي لمنع حركة الذراع في الاتجاهين الأمامي أو الجانبي.
  5. تكوين إعدادات الحصول على البيانات
    1. فتح جهاز التحكم في المسح Dev6.
    2. مجموعة عدد العينات إلى 60,000.
    3. مجموعة حساب متوسط العينات إلى 1.
    4. مجموعة فترة أخذ العينات إلى 0.0001.
    5. مجموعة فترة التحويل إلى 0.
    6. مجموعة عينات ما بعد التحفيز إلى 0.
    7. مجموعة مصدر تحفيز المرجع إلى /Dev6/PFI1.
    8. ضبط نوع 2x إلى رقمي.
    9. مجموعة 2x Lever1 إلى 0.
    10. مجموعة 2x Lever2 إلى 0.
    11. مجموعة المنوال إلى حقنة واحدة.
    12. مجموعة العودة فوراً إلى إيقاف.
    13. مجموعة محفز البدء إلى إيقاف.
    14. مجموعة مصدر القدح إلى /Dev6/PFI0.
    15. مجموعة ساعة العينات إلى إيقاف.
    16. مجموعة مصدر الساعة إلى /Dev6/PFI7.
    17. مجموعة تحويل الساعة إلى إيقاف.
    18. مجموعة تحويل مصدر الساعة إلى /Dev6/PFI2.
    19. اختر القناة 1 + القناة 2 تحت تحديد القنوات المراد مسحها.
  6. انقر على ابدأ في جهاز التحكم في المسح وتوجيه المشارك لتقليص إبهامه بأسرع وأقوى ما يمكن.
    ملاحظة: يمكن أن يؤثر تحفيز المشارك بشكل كبير على الأداء. لذا، يجب تقديم تشجيع لفظي مستمر طوال فترة الاختبار لضمان بذل أقصى جهد ممكن.
  7. انقر على الحصول على الموجات وحفظ البيانات الناتجة باستخدام معرف المشارك وقيمة إزاحة القوة الحالية.
    ملاحظة: بالنسبة للانقباض الأول، يكون إزاحة القوة 10.
  8. قلل إزاحة القوة بزيادات قدرها 1.0.
    ملاحظة: مثال على التدرج: 10.0 > 9.0 > 8.0.
  9. كرر الخطوات 4.6-4.8 حتى لا يظهر أي مقاومة ملحوظة من المحرك لحركة الإبهام.
  10. استخرج قيم ذروة القوة وذروة السرعة من كل تجربة باستخدام إجراء التحليل الموضح في ملف البرمجة التكميلي 2.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

تم جمع بيانات القوة-السرعة والقدرة-السرعة من عينة من طلاب المرحلة الجامعية (N = 15) باستخدام كل من جهاز الإرغومتر المعياري والجهاز منخفض التكلفة لتقييم المخرجات الوظيفية لكل نظام تحت بروتوكول تجريبي متماثل. تظهر بيانات كل مشارك في الشكل 1، بينما تظهر البيانات الملخصة لكل جهاز في الشكل 3.

تم تقييم الجهاز منخفض التكلفة كبديل محتمل في الفصول الدراسية لجهاز الإيرغومتر الذي يمثل المعيار الذهبي، وذلك باستخدام المقارنات الزوجية للمتغيرات الم...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

تم التحقق من كفاءة جهاز منخفض التكلفة كبديل لأجهزة الإرجومتر القياسية لقياس علاقات القوة-السرعة والقدرة-السرعة للعضلات البشرية في الفصل الدراسي.

تدعم نتائج التحقق من الصحة التأكيد بأن جهازاً منخفض التكلفة، وبالتالي أكثر سهولة من الناحية الاقتصادية والتكنولوجية، يمكنه إنتاج قياسات لا يمكن تمييزها إحصائياً عن تلك التي يتم الحصول عليها باستخدام مقياس جهد (ergometer) معياري. إن قدرة الجهاز منخفض التكلفة على توليد علاقات عالية الجودة بين القوة والسرعة، وبين القدرة والسرعة، تدعم فائدته كأداة تعليمية...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

ليس لدى المؤلفين أي إفصاحات للإعلان عنها.

شكر وتقدير

يتوجه المؤلفون بالشكر للطلاب المسجلين في مقرر بيولوجيا العضلات (UML BIOL4890، 2023-2025) وطلاب مدرسة لورانس الثانوية (لورانس، ماساتشوستس) لمشاركتهم في مشروع التخرج الذي كان بمثابة الأساس لهذه الأطروحة المتميزة (GC). كما يتوجهون بالشكر إلى ماثيو بوروكوفسكي من شركة Aurora Scientific لدعمه المستمر، وإلى فيكتوريا فلينت وسامويل ديلاب لجهودهم الأولية في تطوير وتطبيق وحدة ثني الأصابع المخصصة لمساق جامعة ماساتشوستس لويل (UML). كما يشكر المؤلفون دانيال بارتليت وداريل لا للمساعدة في مناهج التحليل. تم تمويل هذا العمل من خلال زمالة كلية الشرف بجامعة ماساتشوستس لويل (لـ GC)، ومن مؤسسة العلوم الوطنية (المنحة 2217246)، بالإضافة إلى صناديق التأسيس من جامعة ماساتشوستس لويل (لـ NK).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
أوزان 1.25 kgNEXO FitnessASIN: B09JHQ6QB8يمكن استبدالها بأوزان عامة تبلغ حوالي 1-2 kg
العدد المطلوب: 2
حزام توقيت لطابعة ثلاثية الأبعاد‎حزام طابعة ثلاثية الأبعاد 10mASIN: B08974S1CCيمكن استبداله بأحزمة توقيت عامة للطابعات ثلاثية الأبعاد: خطوة 2mm، وعرض 6mm، ومصنوع من المطاط والألياف الزجاجية
العدد المطلوب: 1
الجزء ثلاثي الأبعاد 1 - الترس الداخليغير متوفرغير متوفرراجع ملفات STL التكميلية - يُطبع بمادة ABS
العدد المطلوب: 1
الجزء ثلاثي الأبعاد 2 - الترس الخارجيغير متوفرغير متوفرراجع ملفات STL التكميلية - يُطبع بمادة ABS
العدد المطلوب: 1
الجزء ثلاثي الأبعاد 3 - خابورةغير متوفرغير متوفرراجع ملفات STL التكميلية - تُطبع 3-5 مرات بمادة ABS
العدد المطلوب: 1
الجزء ثلاثي الأبعاد 4 - حامل القوةغير متوفرغير متوفرراجع ملفات STL التكميلية - يُطبع بمادة PLA
العدد المطلوب: 1
عارضة ألومنيوم طويلة80/20 inc10201 in x 2 in x 32 in
العدد المطلوب: 1
عارضة ألومنيوم قصيرة80/20 inc10101 in x 1 in x 12 in
العدد المطلوب: 2
مثبت إطار ألومنيوم / مسمار أمان80/20 inc4108 العدد المطلوب: 3
دعامة ذراع FEATOLASIN: B0CGX8QZ3Cيمكن استبدالها بدعامة ذراع عامة
العدد المطلوب: 1
كتلة بولي كلوريد الفينيل الخلوي لمسند الذراعAzek boardالسماكة 8/4 التقليدية فقط14 in x 6 1/2 in x 3/4 in
العدد المطلوب: 14
حلقات تسلق (كارابينر)RewoalzxASIN:  B0FB3VYV3N العدد المطلوب: 2
محامل كرات من صلب سبيكي كروميuxcellUXCELL 6900 2RS - ASIN: B07FVX92MJالأبعاد: القطر الداخلي 10 mm، القطر الخارجي 22 mm، العرض 6 mm.
العدد المطلوب: 1
إكسل/جدول بياناتMicrosoftExcelيمكن استبداله بأي برنامج جداول بيانات
العدد المطلوب: 1
دعامة إصبعSopitoASIN:  B0B5C6RWR4 يمكن استبدالها بدعامة إصبع عامة
العدد المطلوب: 1
IGOR 8 PROWavemetrics.com8 PROيُستخدم مع أجهزة Aurora Scientific ولحساب a/Fmax.
العدد المطلوب: 1
لوح بولي كلوريد الفينيل الخلوي كبيرAzek boardالسماكة 8/4 التقليدية فقط6 3/4 in x 7 in x 3/4 in
العدد المطلوب: 2
محور معدنيعامASIN: B0CC8T8X77قضيب صلب بسماكة 9.97 mm وطول 45 cm.
العدد المطلوب: 1
سلك صلب متعدد الخيوط Catch All TackleASIN: B00JTWDSQSقطر 1.4mm وقوة تحمل 400lb#
العدد المطلوب: 2
حامل هاتفTribeASIN: B00SXRXUFEالعدد المطلوب: 1
تطبيق PhyphoxPhyphox.orgغير متوفريُحمل من متجر تطبيقات Apple أو متجر Google Play
العدد المطلوب: 1
برمجية Pythonغير متوفرغير متوفريمكن تحميلها من: المستند التكميلي 1 muscle_velocity_gui.py
العدد المطلوب: 1
لوح بولي كلوريد الفينيل الخلوي صغيرAzek boardالسماكة 8/4 التقليدية فقط1 in x 3 1/4 in x 3/4 in
العدد المطلوب: 1
هاتف ذكيAppleIPhone 11يمكن استبداله بأي هاتف ذكي يحتوي على مقياس تسارع
العدد المطلوب: 1
مرابط سلك صلبCatch All TackleASIN: B00JTWDSQSقوة تحمل 400lb#
العدد المطلوب: 6
سداداتBefenybayASIN: B0B1C6BPKQالقطر الداخلي 10 mm، القطر الخارجي 20 mm، العرض 20 mm
العدد المطلوب: 2

المراجع

  1. Hill AV. The heat of shortening and the dynamic constants of muscle. Proc R Soc Lond B Biol Sci. 1938;126:136-195.
  2. Huxley AF. Muscle structure and theories of contraction. Prog Biophys Biophys Chem. 1957;7:255-318.
  3. Seow CY. Hill's equation of muscle performance and its hidden insight on molecular mechanisms. J Gen Physiol. 2013;142:561-573.
  4. Alcazar J, Csapo R, Ara I, Alegre LM. On the shape of the force-velocity relationship in skeletal muscles: the linear, the hyperbolic, and the double-hyperbolic. Front Physiol. 2019;10:769.
  5. Huxley AF, Simmons RM. Proposed mechanism of force generation in striated muscle. Nature. 1971;233:533-538.
  6. Judge JL, Cazares VA, Thompson Z, Skidmore LA. Development of low-cost cardiac and skeletal muscle laboratory activities to teach physiology concepts and the scientific method. Adv Physiol Educ. 2020;44:181-187.
  7. Nelson FE, Gabaldón AM, Roberts TJ. Force-velocity properties of two avian hindlimb muscles. Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol. 2004;137:711-721.
  8. Wilkie DR. The relation between force and velocity in human muscle. J Physiol. 1949;110:249-280.
  9. Marsh RL, Bennett AF. Thermal dependence of contractile properties of skeletal muscle from the lizard Sceloporus occidentalis with comments on methods for fitting and comparing force-velocity curves. J Exp Biol. 1986;126:63-77.
  10. Medeiros HBO, Fontana HB, Herzog W. A low-cost 2-D sarcomere model to demonstrate titin-related mechanisms for force production. Adv Physiol Educ. 2024;48:92-96.
  11. Capuano V, Xu L, Estrada Benavides J. Smartphone MEMS accelerometer and gyroscope measurement errors: laboratory testing and analysis of the effects on positioning performance. Sensors. 2023;23:7609.
  12. Balaram J, et al. Mars Helicopter technology demonstrator [conference presentation]. Presented at: AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference, AIAA SciTech Forum; Kissimmee, FL; 2018. Available from: https://doi.org/10.2514/6.2018-0023
  13. Marsh RL. How muscles deal with real-world loads: the influence of length trajectory on muscle performance. J Exp Biol. 1999;202:3377-3385.
  14. Kontra C, Lyons DJ, Fischer SM, Beilock SL. Physical experience enhances science learning. Psychol Sci. 2015;26:737-749.
  15. Freeman S, et al. Active learning increases student performance in science, engineering, and mathematics. Proc Natl Acad Sci U S A. 2014;111:8410-8415.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

قياس قوة العضلاتبكرة مطبوعة ثلاثية الأبعادترس سقاطةمقياس تسارع الهاتف الذكيتطبيق Phyphoxتحليل البيانات بلغة Pythonتعليم فسيولوجيا العضلاتتدريس الميكانيكا الحيوية

تم نشر هذه المقالة

الفيديو قريباً

تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

حقوق الطبع والنشر © 2026 MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.