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Methodenartikel

Niederglied Biomechanische Analyse gesunder Teilnehmer

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DOI:

10.3791/60720

⸱

15. April 2020

 , 
1Orthopaedic Research Institute, Bournemouth University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Dieser Artikel stellt eine umfassende experimentelle Methodik zu zwei der neuesten verfügbaren Technologien vor, um die Biomechanik der unteren Gliedmaßen von Individuen zu messen.

Zusammenfassung

Biomechanische Analysetechniken sind nützlich bei der Untersuchung der menschlichen Bewegung. Ziel dieser Studie war es, eine Technik für die biomechanische Bewertung der unteren Gliedmaßen bei gesunden Teilnehmern unter Verwendung kommerziell verfügbarer Systeme einzuführen. Für die Ganganalyse und Muskelkrafttestsysteme wurden separate Protokolle eingeführt. Um eine maximale Genauigkeit bei der Gangbewertung zu gewährleisten, sollte auf die Markerplatzierungen und die selbststufige Eingewöhnungszeit des Laufbandes geachtet werden. In ähnlicher Weise sind die Positionierung der Teilnehmer, eine Praxisprüfung und verbale Ermutigung drei kritische Phasen bei Muskelkrafttests. Die aktuellen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die in diesem Artikel beschriebene Methodik für die Bewertung der Biomechanik der unteren Gliedmaßen wirksam sein könnte.

Einleitung

Die Disziplin der Biomechanik umfasst in erster Linie das Studium von Stress, Dehnung, Belastungen und Bewegung biologischer Systeme - fest und flüssig gleichermaßen. Es beinhaltet auch die Modellierung von mechanischen Auswirkungen auf die Struktur, Größe, Form und Bewegung des Körpers1. Seit vielen Jahren haben Entwicklungen in diesem Bereich unser Verständnis von normalem und pathologischem Gang, Mechanik der neuromuskulären Kontrolle und Mechanik des Wachstums und der Form2verbessert.

Das Hauptziel dieses Artikels ist es, eine umfassende Methodik zu zwei der neuesten verfügbaren Technologien zur Messung der Biomechanik der unteren Gliedmaßen von Individuen zu präsentieren. Das Ganganalysesystem misst und quantifiziert die Gangbiomechanik mithilfe eines selbstlaufenden (SP) Laufbandes in Kombination mit einer Augmented Reality-Umgebung, die einen SP-Algorithmus integriert, um die Geschwindigkeit des Laufbandes zu regulieren, wie von Sloot et al3beschrieben. Die Muskelkraftprüfgeräte werden als Bewertungs- und Behandlungswerkzeug für die Rehabilitation der oberen Extremität4verwendet. Dieses Gerät kann objektiv eine Vielzahl physiologischer Bewegungsmuster oder Jobsimulationsaufgaben im isometrischen und isotonischen Modus bewerten. Es ist derzeit als Goldstandard für die Stärke der oberen Gliedmaßen5 anerkannt, aber die Beweise speziell auf die untere Extremität beziehen sich unklar. In diesem Artikel wird das detaillierte Protokoll für die Beurteilung der Gang- und Isometriefestigkeit für die untere Extremität erläutert.

Innerhalb der biomechanischen Analyse ist es sinnvoll, Beurteilungen der funktionellen Leistung (z. B. Ganganalyse) mit spezifischen Tests der Muskelleistung zu kombinieren. Dies liegt daran, während es angenommen werden kann, dass erhöhte Muskelkraft verbessert die funktionelle Leistung, dies kann nicht immer offensichtlich sein6. Dieses Verständnis ist für die verbesserte zukünftige Gestaltung von Rehabilitationsprotokollen und Forschungsstrategien erforderlich, um diese Ansätze zu bewerten.

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Protokoll

Die gemeldete Methode wurde in einer Studie befolgt, die von der Bournemouth University Research Ethics Committee (Referenz 15005) ethisch genehmigt wurde.

1. Teilnehmer

  1. Rekrutieren Sie gesunde Erwachsene (im Alter von 23 bis 63 Jahren, Mittelwert s.D.; 42,0 x 13,4, Körpermasse 70,4 x 15,3 kg, Höhe 175,5 x 9,8 cm; 15 Männer, 15 Frauen), um an der Studie teilzunehmen. Für diese Studie wurden 30 Teilnehmer rekrutiert.
  2. Stellen Sie sicher, dass es keine selbst gemeldete Geschichte von Schwindel, Gleichgewichtsstörungen oder Gehschwierigkeiten bei den Teilnehmern gibt.
  3. Stellen Sie sicher, dass die Teilnehmer nicht an einer bekannten neuromuskulären Verletzung oder Einem Zustand leiden, der das Gleichgewicht oder das Gehen beeinträchtigt.

2. Einrichtung und Verfahren für die Ganganalyse

  1. Verwenden Sie ein Ganganalysesystem (Abbildung 1), das aus einem mit Zweiriemen-Kraftplatten instrumentierten Laufband, einem Bewegungsaufnahmesystem mit 10 Kameras und einer virtuellen Umgebung besteht, die einen optischen Fluss bietet.
  2. Stellen Sie sicher, dass der Teilnehmer sehr enge, nicht reflektierende Kleidung wie Fahrradshorts oder Leggings trägt.
  3. Mit doppelseitigen Klebebändern befestigen 25 passive reflektierende Marker und platzieren sie entsprechend der Unterkörperkonfiguration des Human Body Model (HBM)7, wie in Tabelle 1 und Abbildung 2beschrieben. Die Informationen in diesem Dokument stammen aus dem HBM-Referenzhandbuch8.
  4. Verwenden Sie ein Gelenklineal, um die erforderliche Knie- und Knöchelbreite für den HBM6zu messen.
  5. Sichern Sie den Teilnehmer an einem Sicherheitsgurt, der an einem Overhead-Rahmen befestigt ist.
  6. Starten Sie eine neue Sitzung in der Datenbank, und stellen Sie sicher, dass sie aktiv ist (hervorgehoben).
  7. Erstellen Sie über die Registerkarte Betreff einen neuen Teilnehmer über die Schaltfläche Skelett beschriften.
  8. Navigieren Sie zur Datei "LowerLimb HBM_N2.vst" und geben Sie dann den Namen des Teilnehmers ein. Der neue Teilnehmer wird im Bereich Themen angezeigt.
  9. Wechseln Sie zum Bereich Extras, und öffnen Sie die Registerkarte Antragstellervorbereitung.
  10. Null nivellieren Sie die Kraftplatten über die Hardware-Registerkarte. Stellen Sie sicher, dass kein Gewicht auf die Kraftplatten ausgeübt wird.
  11. Bereiten Sie den Teilnehmer auf die ROM-Prüfung vor, indem Sie sie in der Mitte des Laufbandes fertig stellen.
  12. Um sicherzustellen, dass sich der Teilnehmer an das selbstgebastelte Laufband gewöhnen kann, bitten sie, zu Beginn der Session9,,105 Min. mit einer komfortablen Geschwindigkeit zu laufen.
  13. Bitten Sie den Teilnehmer nach der Eingewöhnung und ohne Verzögerung summieren Sie den Teilnehmer, mindestens 5 min10,11zu gehen.
  14. Stellen Sie sicher, dass die Teilnehmer für das Timing der Aufnahmen geblendet sind.
  15. Stellen Sie sicher, dass Sie das Laufband starten und Datenaufzeichnungen starten, indem Sie auf die Schaltfläche Aufnahme starten 12klicken. Dies kann mit integrierter Software (Tabelle der Materialien) erfolgen.
  16. Beenden Sie die Aufzeichnung, nachdem Sie die gewünschte Datenmenge erfasst haben. Es wird empfohlen, drei Sätze von 25 Zyklen zu sammeln.
  17. Öffnen Sie die Verarbeitungssoftware (Materialtabelle) und entfernen Sie das hochfrequente Rauschen auf Daten, indem Sie einen Tiefpassfilter zu den Markerdaten auswählen, z. B. einen Butterworth-Filter zweiter Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 6 Hz.
  18. Wechseln Sie zu Datei, und wählen Sie dann Exportieren aus, um als .csv zu speichern.
  19. Bestimmen Sie einzelne Schritte aus vertikalen Kraftdaten und verwenden Sie die Fußmarkierungen, um Gangereignisse zu ermitteln13.
  20. Analysieren Sie die Gangparameter wie kinematische, kinetische und räumlich-zeitliche Daten in Matlab R2017a (Supplementary File).

3. Aufbau und Verfahren für Muskelkrafttest

  1. Verwenden Sie die Muskelkraftprüfgeräte (multimodaler Dynamometer) (Abbildung 3), um die Muskelkraft der Teilnehmer basierend auf Maximum Voluntary Isometric Contraction (MVIC)14zu messen.
  2. Befestigen Sie die Werkzeug-/Pad-Nummer 701 am Übungskopf des Dynamometers.
  3. Die rechte und linke Knie-Isometrie-Muskelkraft des Testteilnehmers.
  4. Testteilnehmer in einer sitzenden Position auf einem Stuhl mit Rückenlehne.
  5. Richten Sie die Dynamometerachse mit dem Auf-/Abschalter an der anatomischen Drehachse des Kniegelenks aus. Platzieren Sie das Pad des Werkzeugs zentral am unteren Teil des Schienbeins der Tibia.
  6. Halten Sie das Knie bei 90° Flexion, die Hüfte in neutraler Rotation und Entführung und den Fuß in der Plantarbeube.
  7. Legen Sie die Hände des Teilnehmers auf den Bauch und stabilisieren Sie den Rumpf, die Hüften und den Mittelschenklauf mit Velcro Riemen auf dem Stuhl.
  8. Führen Sie eine Übungsstudie durch, damit sich die Teilnehmer an das Testmanöver gewöhnen können.
  9. Weisen Sie den Teilnehmer an, sein Knie zu verlängern (Druck nach oben auf das Pad auszuüben), gefolgt von Flex (Druck nach unten auf das Pad ausüben), um eine maximale Kontraktion auf dem Befehl Go for 3 s auszuüben.
  10. Geben Sie während der Festigkeitsprüfung verbale Aufforderungen und Ermutigungen ("Push" für nach oben und "Pull" für nach unten).
  11. Stellen Sie sicher, dass die Teilnehmer sich bewusst sind, dass sie den Test sofort abbrechen können, wenn sie ungewöhnliche Schmerzen oder Beschwerden haben.
  12. Lassen Sie die Teilnehmer für 2 min ruhen.
  13. Wiederholen Sie die Schritte 3.1 - 3.12, dreimal für das linke bein und das rechte Bein und zeichnen Sie die Daten in Newtons (N) auf.
  14. Speichern Sie alle Daten und exportieren Sie sie als Bericht für die Analyse.

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Ergebnisse

Der Mittelwert und die Standardabweichung der räumlich-zeitlichen, kinematischen und kinetischen Gangparameter sind in Tabelle 2angegeben. Die MVIC-Daten für alle 30 Teilnehmer sind in Tabelle 3zusammengefasst. Ein typischer Datensatz für die linke und rechte Seite eines Teilnehmers, der die grafische Darstellung der Gangparameter zeigt, ist in Abbildung 4 bzw. Abbildung 5enthalten.

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Diskussion

Der Beitrag dieser Studie besteht darin, die Techniken für kombinierte Ganganalyse und Muskelkrafttests, die bisher nicht zusammen beschrieben wurden, in einem Protokoll genau und umfassend zu beschreiben.

Um genaue Ergebnisse für die Ganganalyse zu erzielen, gibt es zwei Bereiche, die maximale Aufmerksamkeit erfordern: 1) Markerplatzierungen und 2) Akklimatisierungszeit. Die Genauigkeit der Messdaten hängt stark von der Genauigkeit des verwendeten Modells ab. Die anderen Schlüsselfaktoren, di...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Danksagungen

Wir danken Dr. Johnathan Williams für seine Beratung zur MATLAB Datenverarbeitung.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
701 Small leverBaltimore Therapeutic Equipment Company (BTE)Nicht verfügbar - Online-Link in der Beschreibung bereitgestelltDer einzigartige Aufsatz für den Primus RS zur Messung der Kniestreckung/-beugung - https://store.btetech.com/collections/primus/products/701-small-lever
D-Flow Software - Version 3.26Motekforce Linknicht verfügbar - Online-Link in der Beschreibung bereitgestelltSoftware zur Steuerung des GRAIL-Systems - https://summitmedsci.co.uk/products/motek-dflow-hbm-software/
Gait Offline Analysis (GOAT) - Version 2.3Motekforce Linknicht verfügbar - Online-Link in der BeschreibungangegebenSoftware für die Analyse der Gangparameter - https://www.motekmedical.com/product/grail/
Gait Real-time Analysis Interactive Lab (GRAIL)Motekforce LinkNicht verfügbar - Online-Link in der BeschreibungangegebenDas GRAIL-System misst und quantifiziert die Biomechanik des Gangs mit Hilfe eines auf Virtual Reality basierenden Laufbandes zum Selbststudium (SP) - https://www.motekmedical.com/product/grail/
Leg Pad for 701Baltimore Therapeutic Equipment Company (BTE)Nicht verfügbar - Online-Link in der BeschreibungangegebenDer einzigartige Aufsatz für den Primus RS zur Messung der Kniestreckung/-beugung - https://store.btetech.com/collections/primus/products/701-802-leg-pad
Positioning ChairBaltimore Therapeutic Equipment Company (BTE)Nicht verfügbar - Online-Link in der BeschreibungangegebenDer Participant Positioning Chair ist für die Beurteilung und Behandlung der unteren Exteremetrien konzipiert. Der Stuhl ist für mehrere Positionen ausgelegt. https://www.btetech.com/product/primus/
Primus RSBaltimore Therapeutic Equipment Company (BTE)Nicht verfügbar - Online-Link in der Beschreibung bereitgestelltPrimus RS-Gerät erfasst und meldet objektive Echtzeitdaten in den Modi Isotonische, Isometrische und Isokinetische Resistenz - https://www.btetech.com/wp-content/uploads/BTE-Rehabilitation-Equipment-PrimusRS-Brochure-1.pdf

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