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

مقالة منهجية

جهاز منخفض التكلفة لقياس علاقات القوة والسرعة في العضلات

201 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

تُعد العضلات المخططة المحرك الذي يولّد الحركة الهيكلية لدى البشر والحيوانات الأخرى. ويصعب فهم تركيبها الهرمي الفريد بسبب عوامل عابرة للمقاييس تؤثر على توليد القوة وإنتاج الشغل1,2. وربما بسبب هذه التعقيدات، قد تكون وظيفة العضلات مكوناً غير مُعطى الأولوية الكافية في مناهج التشريح ووظائف الأعضاء، نظراً لافتقار المعلمين إلى الأدوات اللازمة لعرض الجوانب الأساسية والأكثر إثارة للاهتمام في وظيفة العضلات بشكل صحيح3,4,5,6.

لقد وُصفت وظيفة العضلات تاريخياً من خلال عدة نماذج راسخة، لا يوجد من بينها نموذج أكثر شهرة من مقايضة القوة والسرعة التي حددها لأول مرة منذ ما يقرب من قرن من الزمان أرشيبالد فيفيان هيل1,2,3,4,5,6. تصف هذه العلاقة الفسيولوجية الأساسية المقايضة بين سرعة انقباض العضلة 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 علاقة 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 نهايات العضلة) وذروة السرعة التي يتم تحقيقها في غياب حمل خارجي.

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

حيث تمثل v سرعة التقصير، وF قوة العضلة، وFmax القوة المتساوية القياس القصوى، بينما يمثل a وb  ثوابت تصف العلاقة بين القوة والسرعة والخصائص الطاقية لتقصير العضلات1.

تتضمن هذه العلاقة الجوهرية عدة مفاهيم رئيسية لوظيفة العضلات، متمثلة في خمسة معايير كمية تحدد علاقة القوة بالسرعة (FVP). ويُعد حاصل ضرب القوة العضلية اللحظية في السرعة هو القدرة، والتي تصل عادةً إلى قيمة قصوى (Pالحد الأقصى) عند حوالي ثلث Vالحد الأقصى7السرعة التي  Pالحد الأقصى يُشار إليها بالسرعة المثلى (Vتحسين)، وموقعه ضمن نطاق سرعات التقصير (من V0 إلى Vأقصىتُعدُّ ( ) سمةً مهمةً في علاقات القوة والسرعة، وعلاقات القدرة والسرعة. فعلى سبيل المثال، تؤدي زيادة Vتحسين مما يؤدي إلى توصيل ذروة القدرة عند سرعة تقصير أعلى. وضمن علاقة القوة والسرعة ذاتها، فإن ذروة القوة (Fالحد الأقصى) وسرعة الذروة (Vالحد الأقصى) ترتبط بعلاقات وسيطة بين القوة والسرعة بطريقة منحنية (الشكل 5أتظهر في (الشكل/الرسم) علاقات القوة-السرعة والقدرة-السرعة النموذجية التي تم الحصول عليها باستخدام المنهجية الحالية. الشكل 1. يُشار إلى ميل هذا المنحنى باسم انحناء القوة والسرعة، والذي يصف معدل انخفاض القوة مع زيادة السرعة. ويُعرَّف الانحناء على أنه a/فالحد الأقصى8، حيث يمثل a الثوابت الديناميكية الحرارية في معادلة هيل التي تحدد كمية الحرارة الاحتكاكية المتولدة عن انكماش عضلة غير محملة1يؤثر الانحناء على موضع Vتحسين على منحنى القوة-السرعة، ويحدد مقدار القوة التي يمكن للعضلة توليدها عند سرعة تقصير محددة. التقوس كما تم وصفها أيضاً باستخدام نسبة القوة العضلية (المعادلة 2)9. 

المعادلة 2:  figure-introduction-1

حيث تمثل Pmax أقصى قدرة عضلية مخرجة، بينما تمثل Vmax و Fmax أقصى سرعة تقصير وأقصى قوة متساوية 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 التطبيقي قد ثبت أنه يحسن من استبقاء المعرفة10. علاوة على ذلك، من المعروف أن التعلم التجريبي يعزز الأساس لتقييم وظائف العضلات، سواء في السياق العلمي الأساسي أو كتمهيد للمهن في مجال الرعاية الصحية، بما في ذلك الوقاية من الإصابات، وإعادة التأهيل، والتدريب البدني.

تتميز الأدوات التقليدية المستخدمة في اختبار الخصائص الفسيولوجية للعضلات، مثل أنظمة الروافع ذات المحركات المؤازرة ثنائية الوضع، بدقة وإحكام عاليين، إلا أنها تترتب عليها تكاليف باهظة، مما يضع عوائق كبيرة أمام تطبيقها في معظم البيئات التعليمية.7ولمعالجة هذه القصور وتوسيع فرص التعلم العملي، تم تطوير بديل منخفض التكلفة. يتكون الجهاز من بكرة مطبوعة ثلاثية الأبعاد تشتمل على ترس ذي سقاطة ومسنن، ويستخدم قضبان ألومنيوم مشقوقة متوفرة تجارياً، وسلكاً صلباً، وهاتفاً ذكياً مثبتاً على حامل تشغيل يعمل بتطبيق مجاني لجمع البيانات (الشكل 2تم اختيار الهاتف الذكي بدلاً من الأجهزة المخصصة لقياس التسارع نظراً لتوافر الهواتف الذكية على نطاق واسع وتجهيزها عادةً بمقاييس تسارع دقيقة وقوية.11لقد تم إثبات فائدة الهواتف الذكية كأجهزة قياس علمية سابقاً، بما في ذلك دمج مقياس تسارع من هاتف ذكي متاح تجارياً في وحدة القياس بالقصور الذاتي للمروحية المريخية Ingenuity.12.

على الرغم من وجود بعض الأدوات منخفضة التكلفة المتاحة لتدريس فسيولوجيا العضلات، إلا أنها تستهدف مفاهيم مختلفة؛ حيث طوّر Judge et al.6 أنشطة ميسورة التكلفة تعتمد على SpikerBox لتسجيل النشاط الكهربائي للعضلات، بينما صمم Medeiros et al.10 نموذجًا منخفض التكلفة ثنائي الأبعاد لـ sarcomere لتوضيح الميكانيكا المرتبطة ببروتين titin. ومع ذلك، لا توجد أداة منخفضة التكلفة تسمح للطلاب بقياس علاقات FVP مباشرة في عضلة بشرية منقبضة وتوليد بيانات كمية قابلة للمقارنة بالأبحاث. 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. وتعتمد تحليلات التحقق على مقارنات زوجية لمتغيرات FVP الملخصة الخمسة المعترف بها، والتي تم قياسها لدى نفس الأشخاص باستخدام كلا الجهازين. وتختبر هذه التحليلات الفرضية القائلة بأن كلا الجهازين يولدان منحنيات متكافئة للقوة والسرعة والقدرة والسرعة. ومن خلال التحقق المتبادل الناجح، يمكن للجهاز منخفض التكلفة أن يساهم في إتاحة دراسات فسيولوجيا العضلات والميكانيكا الحيوية للجهاز العضلي الهيكلي في الفصول الدراسية من خلال خفض الحاجز المالي لاقتناء الأجهزة، مع الحفاظ على الدقة التجريبية وبالتالي الدقة العلمية. ومن المتوقع أن يلهم الجهاز منخفض التكلفة الطلاب والمعلمين في فصول الفسيولوجيا والميكانيكا الحيوية في جميع أنحاء العالم، ممن يدرسون ويدرسون تشريح العضلات بالفعل، لاستكشاف إحدى أكثر العلاقات تأسيسًا في العضلات بشكل عملي. ومن خلال إدراج نشاط تطبيقي لتوليد القياسات الفسيولوجية، 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 المنشور من قبل مجلس المراجعة المؤسسية في جامعة ماساتشوستس لويل (بروتوكول رقم 21-163-KON-XPD).

ملاحظة: يستخدم الجهاز هاتفاً ذكيًا معلقًا بأحمال خارجية بواسطة نظام بكرات مطبوع ثلاثي الأبعاد. يتم جمع بيانات التسارع بتردد 100 Hz باستخدام تطبيق لاستقصاء البيانات مثبت 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 لعارضة ألومنيوم طويلة باستخدام مثبتات إطارات الألومنيوم. ضع العارضتين القصيرتين على بُعد 8 cm تقريبًا من كل طرف من طرفي العارضة الطويلة لتشكيل قاعدة مستقرة وغير قابلة للانحناء.
    ملاحظة: يُشار إلى هذه المجموعة 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 موجهًا رأسيًا والجانب الذي يبلغ طوله 6.75 in موجهًا أفقيًا.
    2. قس 2.75 in من الزاوية السفلية اليسرى على طول الحافة اليسرى وحدد الموقع.
    3. قس 2.75 in من الزاوية العلوية اليسرى على طول الحافة العلوية وحدد الموقع.
    4. ارسم خطًا مستقيمًا يربط بين الموقعين المحددين.
    5. اقطع على طول الخط المحدد وأزل المقطع المثلثي الناتج.
    6. احفر ثقبًا بقطر 7/16 in على بُعد 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 الكتلتين الكبيرتين بالكتلة الصغيرة بحيث تكون المسافة بينهما 8 in. وجه القطوع القطرية فوق الكتلة الصغيرة وضع الثقوب المحفورة خارج حافة الكتلة الصغيرة.
  3. ثبت حامل البكرة بإحكام باستخدام مشبك عند زاوية طاولة أو منضدة.
    ملاحظة: ضع الحامل بحيث تبرز البكرة خارج حافة الطاولة. يمنع ذلك الأوزان المعلقة والهاتف الذكي من ملامسة أرجل 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 ثلمًا بمقاس 2 in x 1/8 in في السطح العلوي لكل قسم صغير، مع وضع الثلم على بُعد 1 in من الحافة الأمامية.
    3. ثبت الأقسام الصغيرة في الجانب السفلي من القسم الأكبر عند كل طرف. قم بمحاذاة الثلم مع الآخر.
    4. غطِ السطح العلوي للقسم الأكبر بشريط لاصق من نوع "هوك آند لوب" (hook-and-loop).
    5. مرر حزام الساعد عبر الثلمَين.
    6. ثبت مسند الذراع في الإطار باستخدام البراغي وصواميل T ذات الإسقاط. ضع مسند الذراع على بُعد 14 in من حامل البكرة بحيث يكون حزام الساعد موجهًا بعيدًا عن البكرة.
  5. أدخل كرات المحامل في مجاري مكونات الترس الداخلي والترس الخارجي (Supplemental File 1).
  6. مرر 40 cm من حزام التوقيت عبر الفتحة الجانبية لمكون الترس الداخلي. اصنع حلقة مع تداخل بمقدار 2 cm وثبت التداخل داخل الفتحة.
  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 الفتحة الجانبية للترس الداخلي نحو الإطار. ضع السدادتين على بُعد 1 mm من كلا جانبي مجموعة البكرة.
  8. ثبت سدادتين إضافيتين على المحور، مع وضع كل سدادة على بُعد 1 mm من حوامل البكرة لمنع الحركة الجانبية.
  9. مرر 40 cm من سلك فولاذي متعدد الخيوط عبر دعامة الإصبع وثبته بـ "كرمب" (crimp). مرر الطرف المقابل عبر Karabiner A وثبته بـ "كرمب" ثانٍ.
    ملاحظة: Karabiners A و B متطابقان وتم تسميتهما فقط للتعريف أثناء التجميع.
  10. صِل مكون الترس الداخلي بـ Karabiner A باستخدام حزام التوقيت الملحق. ثبت التداخل باستخدام Key A.
    ملاحظة: Keys A و B و C متطابقة. يمكن طباعة مفاتيح إضافية لأنها مصممة كمكونات تضحوية تتعطل قبل تلف أجزاء أخرى من الجهاز.
  11. مرر 10 cm من سلك فولاذي متعدد الخيوط حول Karabiner A وثبته بـ "كرمب". مرر الطرف المقابل حول مثبت إطار ألومنيوم، واكبس السلك، وثبت المثبت في الإطار.
    ملاحظة: يُشار إلى هذه المجموعة 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 Karabiner B وثبت التداخل باستخدام Key C.
  13. أدخل Key B في أكبر طبقة من مكون الترس الخارجي.
  14. ثبت حامل ذراع الهاتف الذكي في Karabiner B باستخدام إما حلقة ذراع الهاتف أو فتحات كابل سماعات الرأس.
  15. علق وزن البداية المطلوب من Karabiner B باستخدام سلك فولاذي ملفوف ومكبوس.

2. إعداد الحصول على البيانات

  1. ثبّت تطبيق الحصول على البيانات على هاتف ذكي مجهز بمقياس تسارع.
  2. افتح الـ التسارع (بدون g) وحدة تعليمية
  3. ضع الهاتف الذكي في حامل رباط الذراع المتصل بالمشبك B.
  4. اجمع البيانات وفقاً للقسم 3.
  5. قم بتصدير البيانات المسجلة كملف بصيغة .xls. وخصّص اسم ملف فريداً يتوافق مع المشارك.
  6. انقل ملف .xls إلى جهاز كمبيوتر يتوفر فيه اتصال بالإنترنت.
  7. عالج البيانات باستخدام ملف الترميز التكميلي 1
    ملاحظة: يقوم البرنامج بحساب السرعة باستخدام تكامل أويلر الأمامي للتسارع الرأسي المقاس (المعادلة 3). ويتم حساب الموضع باستخدام معادلة الكينماتيكا للتسارع الثابت (المعادلة 4). وتعتمد الحسابات على قيم التسارع الخام دون إجراء أي عمليات تنعيم أو ترشيح.
    المعادلة 3: علاوة على ذلك، يمكن استخدام هذا النهج لزيادة حساسية الكشف عن المؤشرات الحيوية، مما يسمح بتحديد التركيزات المنخفضة جدًا من الجزيئات المستهدفة في العينات السريرية. ومن خلال دمج هذه التقنية في سير العمل التشخيصي، يمكن تحسين دقة التشخيص المبكر للمرض، مما يؤدي بدوره إلى تحسين نتائج المرضى من خلال التدخل العلاجي السريع. تتطلب هذه الطريقة تحكمًا دقيقًا في ظروف التفاعل لضمان القابلية للتكرار وتقليل الضوضاء الخلفية، وهو أمر ضروري لتحقيق حدود كشف موثوقة. = سi-1 + ai ∆تـ
    المعادلة 4:  figure-protocol-1
    1. قم بتثبيت الـ ملف البرمجة التكميلي 1.
    2. قم بتثبيت لغة Python على الحاسوب المستخدم لمعالجة البيانات.
    3. افتح نافذة الطرفية (terminal) ونفذ ما يلي: pip install streamlit pandas matplotlib scipy openpyxl xlrd.
    4. انتقل إلى المجلد الذي يحتوي على ملف الترميز التكميلي 1 (Supplemental Coding File 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 تحميل ثم اختر ملف .xls المُصدَّر.
    6. انقر على معالجة البيانات لتحميل مجموعة البيانات وتحليلها.
    7. راجع مخططات التسارع والسرعة والموضع التي تم إنشاؤها للتجربة الأولى.
    8. حدد القمم المكتشفة التي تقابل انقباضات 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 بعض القمم بشكل غير صحيح، ولذلك يتطلب الأمر تحققاً يدوياً.
    9. ضبط معايير الكشف عن القمم
      ملاحظة: إذا لم يحدد البرنامج القمم بشكل صحيح، فقم بتوسيع الإعدادات المتقدمة القابلة للتعديل > معايير اكتشاف القمم وضبط إعدادات الكشف.
      1. ضبط عتبة صفرية لتحديد نطاق التسارع الذي يُعتبر مستقراً.
        ملاحظة: قم بزيادة هذه القيمة عندما تحتوي آثار التسارع على ضجيج مفرط. يتم عرض العتبة كخطوط 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. تظهر عتبة القيمة كخط مرجعي أخضر سفلي في مخطط السرعة. القيمة الافتراضية = 0.30. النطاق المقترح = 0.10-10.00.
      3. ضبط تصفير المنظار لتحديد الحد الأدنى لعدد عينات التسارع المتتالية القريبة من الصفر المطلوبة لتحديد فترة السكون.
        ملاحظة: قم بتقليل هذه القيمة إذا فشلت مسارات السرعة والموضع في إعادة الضبط. القيمة الافتراضية = 10. النطاق المقترح = 3–25.
      4. ضبط السرعة القصوى للقمة لتحديد ذروة السرعة القصوى المقبولة.
        ملاحظة: قم بزيادة هذه القيمة إذا تجاوزت القمم الصالحة الحد المسموح به. يتم عرض الحد المسموح به كخط مرجعي أخضر علوي في مخطط السرعة. القيمة الافتراضية = 10.00. النطاق المقترح = 10.00–30.00.
      5. ضبط الحد الأدنى للمسافة 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 أدنى بروز للقمة لتحديد البروز المطلوب للكشف عن القمم.
        ملاحظة: تؤدي القيم المنخفضة إلى زيادة الحساسية وقد تساهم في تحديد قمم إضافية. القيمة الافتراضية = 0.10. النطاق المقترح = 0.01–0.90. وبوجه عام، لا داعي لتعديل هذه القيمة.
    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 معاملات الكشف عن القمم بعد معالجة التجربة الأولى. وإذا أصبحت التغييرات في المعاملات 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 اللاحقة.

3. البروتوكول التجريبي

  1. ثبّت ساعد المشارك على مسند الذراع باستخدام حزام الساعد. أحكم ربط الحزام بشكل كافٍ لمنع الساعد من التحرك للأمام.
  2. ضع دعامة الإصبع على إبهام المشارك وأحكم ربط الدعامة بإحكام.
  3. قم بإزالة الارتخاء من نظام البكرة عن طريق تدوير البكرة عبر آلية السقاطة حتى يصبح حزام التوقيت مشدوداً.
    ملاحظة: تُصدر آلية السقاطة صوت نقرة مسموعة عند انتقالها بين المواضع.
  4. حرّك مسمار الأمان باتجاه البكرة حتى يصبح السلك الواصل بين مسمار الأمان والمشبك A مشدوداً.
  5. اختر ثقلين بكتلة متساوية تقريباً، بحيث يزن كل منهما 1.25 كجم تقريباً.
  6. تسلسل اختبار ثابت
    1. اختبر الطبقة الأكبر، والطبقة الوسطى، والطبقة الأصغر باستخدام وزن واحد والهاتف الذكي.
    2. اختبر الطبقة الأصغر، والطبقة المتوسطة، والطبقة الأكبر باستخدام وزنين والهاتف الذكي.
    3. اختبر الفئة الأكبر والفئة الأصغر باستخدام الهاتف الذكي فقط.
      ملاحظة: استخدم التسلسل ذاته لجميع المشاركين لتقليل الانحياز المرتبط بالإجهاد.
  7. صنبور بدء التسجيل في تطبيق الحصول على البيانات.
  8. وجّه المشارك لتقليص الإبهام بأقصى سرعة وقوة ممكنة.
    ملاحظة: يمكن أن يؤثر تحفيز المشارك بشكل كبير على الأداء. لذا، يرجى تقديم تشجيع لفظي مستمر طوال فترة الاختبار لتحفيز بذل أقصى جهد ممكن.
  9. أوقف تسجيل البيانات بعد كل تجربة. قم بضبط مستوى البكرة وحالة التحميل وفقاً للتسلسل المحدد في الخطوة 3.6.
  10. استأنِف تسجيل البيانات وكرر الخطوتين 3.8 و3.9 حتى يتم استكمال جميع مجموعات طبقة البكرة والتحميل الثماني.
  11. راقب المشارك طوال فترة الاختبار، وكرر التجارب التي تأثرت بحركة الذراع المفرطة أو الجهد غير المكتمل.
  12. راجع مخطط التسارع بعد كل تجربة.
    ملاحظة: يجب تكرار التجارب التي تظهر قمم تسارع أولية منخفضة بشكل غير طبيعي، أو تذبذبات مفرطة، أو حركة مستمرة للهاتف الذكي بين الانقباضات، حيث إن هذه الظروف قد تؤثر سلباً على جودة البيانات.
  13. سجل ملاحظات لكل تجربة، بما في ذلك التجارب المكررة أو المستبعدة، لتسهيل تحليل البيانات لاحقاً.

4. استخدام مقياس الجهد البدني المعياري (الذهبي)

  1. تجهيز مقياس الجهد (ergometer) المعياري
    1. قم بتشغيل الكمبيوتر وتشغيل برنامج الحصول على البيانات، ثم 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 40 cm من سلك فولاذي متعدد الأسلاك عبر الثقب الثاني من أسفل الرافعة وثبّت السلك باستخدام مشبك كبس (crimp).
    6. مرر الطرف المقابل للسلك عبر دعامة الإصبع وثبّت السلك باستخدام مشبك كبس (crimp).
    7. ثبّت نظام الرافعة ثنائي الوضع في الإطار على مسافة 3 in أمام مسند الذراع.
  2. ثبّت ساعد المشارك في مسند الذراع وضع الإبهام داخل دعامة الإصبع.
  3. حرّك ذراع المشارك للأمام حتى يصل الإبهام إلى أقصى ثني ويكون الكابل تحت شد خفيف.
  4. أحكم ربط حزام الساعد بما يكفي لمنع حركة الذراع في الاتجاهات الأمامية أو الجانبية.
  5. تكوين إعدادات الحصول على البيانات
    1. افتح  Scan Control Device Dev6.
    2. اضبط Number of Samples  على  60,000.
    3. اضبط Averaging Samples  على  1.
    4. اضبط Sample Period  على  0.0001.
    5. اضبط Convert Period  على  0.
    6. اضبط Post Trigger Samples  على  0.
    7. اضبط Reference Trigger Source  على  /Dev6/PFI1.
    8. اضبط 2x Type  على  Digital.
    9. اضبط 2x Lever1  على  0.
    10. اضبط 2x Lever2  على  0.
    11. اضبط Mode  على  One Shot.
    12. اضبط Return Immediately  على  Off.
    13. اضبط Start Trigger  على  Off.
    14. اضبط Trigger Source  على  /Dev6/PFI0.
    15. اضبط Sample Clock  على  Off.
    16. اضبط Clock Source  على  /Dev6/PFI7.
    17. اضبط Convert Clock  على  Off.
    18. اضبط Convert Clock Source  على  /Dev6/PFI2.
    19. اختر Channel 1 + Channel 2  ضمن Select Channels to Scan.
  6. انقر على Start في Scan Control Device واطلب من المشارك قبض الإبهام بأقصى سرعة وقوة ممكنة.
    ملاحظة: يمكن أن يؤثر تحفيز المشارك بشكل كبير على الأداء. قدم تشجيعاً لفظياً مستمراً طوال فترة الاختبار لضمان بذل أقصى جهد.
  7. انقر على GetWaves واحفظ البيانات الناتجة باستخدام معرف المشارك وقيمة إزاحة القوة الحالية.
    ملاحظة: بالنسبة للانقباض الأول، تكون 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 يوفر المحرك أي مقاومة ملحوظة لحركة الإبهام.
  10. استخرج قيم ذروة القوة وذروة السرعة من كل تجربة باستخدام إجراء التحليل الموضح في Supplemental Coding File 2.

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

النتائج

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

تم تقييم الجهاز منخفض التكلفة كبديل محتمل في الفصول الدراسية لجهاز الإرغومتر المعياري باستخدام مقارنات زوجية للمتغيرات الملخصة (

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

المناقشة

تم التحقق من كفاءة جهاز منخفض التكلفة كبديل لأجهزة الإيرغومتر المعيارية لقياس علاقات القوة-السرعة والقدرة-السرعة للعضلات البشرية في البيئة التعليمية.

تدعم نتائج التحقق من الصحة التأكيد على أن جهازاً منخفض التكلفة، وبالتالي أكثر سهولة من الناحية الاقتصادية والتكنولوجية، يمكنه تقديم قياسات لا تختلف إحصائياً عن تلك التي يتم الحصول عليها باستخدام مقياس جهد (ergometer) معياري. كما أن قدرة الجهاز منخفض التكلفة على توليد علاقات عالية الجودة بين القوة والسرعة (force–velocity) وبين القدرة والسرعة (powe...

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

استكشف المزيد من المقالات

قياس قوة العضلاتبكرة مطبوعة ثلاثية الأبعادترس سقاطةمقياس تسارع الهاتف الذكيتطبيق Phyphoxتحليل البيانات بلغة Pythonتعليم فسيولوجيا العضلاتتدريس الميكانيكا الحيوية
جهاز منخفض التكلفة لقياس علاقات القوة والسرعة في العضلات
تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

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