Oscilación y de la Junta de Reacción técnicas para estimar inerciales propiedades de una prótesis debajo de la rodilla
8 de mayo de 2014
Se requieren segmentarias del cuerpo inercial para el modelado de la dinámica inversa. Usando una técnica de oscilación y tablero de reacción, propiedades inerciales de prótesis debajo de la rodilla se midieron. El uso de medidas directas de inercia prótesis en el modelo de la dinámica inversa de la pierna protésica resultó en magnitudes más bajas de las fuerzas y momentos conjuntas resultantes.
El objetivo general de este procedimiento es estimar las propiedades inerciales de una prótesis por debajo de la rodilla. Esto se logra midiendo primero el período de oscilación con la prótesis suspendida dentro de una jaula. El segundo paso es utilizar una técnica de tablero de reacción para estimar la ubicación del centro de masa para el sistema combinado de prótesis y jaula.
A continuación, se retira la prótesis de la jaula y se utiliza la técnica de tablero de reacción para estimar la ubicación del centro de masa de la jaula. El paso final es medir el período de oscilación solo para la jaula. Finalmente, este sistema de medición inercial se validó utilizando sólidos geométricos conocidos, como un bloque de madera de cuatro por cuatro.
Los resultados de estos experimentos se presentan en el apéndice. Las mediciones inerciales de la jaula se restan de las mediciones de la prótesis y la jaula combinadas para proporcionar estimaciones de las propiedades inerciales de la prótesis. La principal ventaja de esta técnica sobre los métodos existentes, como suponer que las propiedades inerciales del lado protésico, son similares a las del lado intacto, es que la inercia de la pierna protésica se representa con mayor precisión en el modelo biomecánico de la persona. Para empezar, siente al amputado en una silla donde la pierna protésica se pueda levantar cómodamente del asiento para que el sujeto pueda realizar una serie de flexiones de rodilla y acciones de extensión.
A continuación, identifique el centro de rotación de la rodilla o COR, y coloque un pequeño trozo de cinta en el COR. A continuación, mida la distancia desde el labio de la prótesis hasta la rodilla, COR. Si el COR de la rodilla se encuentra por debajo del labio de la prótesis, este valor debe registrarse como un valor negativo.
A continuación, determine la distancia entre la COR de la rodilla y la COR del tobillo. A continuación, retire la prótesis y el manguito subyacente para tomar medidas del muñón utilizando una cinta métrica flexible para estimar las propiedades inerciales del muñón. A continuación, mida la circunferencia proximal del muñón, la circunferencia más grande, aproximadamente a dos dedos de ancho de la articulación de la rodilla.
A continuación, determine la circunferencia distal del muñón en la última prominencia ósea en el extremo distal. A continuación, mida la longitud del muñón, la distancia desde la cabeza del peroné hasta el aspecto más distal del muñón. Retire la jaula interior de la cremallera de oscilación quitando el eje, coloque el revestimiento del sujeto y la capa dentro del encaje de la prótesis.
A continuación, coloque la prótesis de forma segura con el zapato aún puesto dentro de la jaula de oscilación interior, utilizando una correa de Velcro para asegurar el pie de la prótesis en la placa distal de la jaula. A continuación, vuelva a colocar la jaula interior dentro de la cremallera de oscilación asegurando el eje. Alinee el brazo de suspensión de la jaula interior con el tornillo de fijación, lo que establecerá el ángulo de oscilación a menos de cinco grados.
Para comenzar una prueba de oscilación, tire de la jaula interior hacia atrás hasta que toque el tornillo de fijación y, a continuación, muévala hacia adelante hasta que el espacio entre el tornillo de fijación y la jaula interior sea visible. Recoja tres ensayos de oscilación con la prótesis colocada en la jaula interior y registre el tiempo medio de un ciclo completo de oscilación para cada ensayo. Antes de cambiar las medidas de la tabla de reacción, mantenga la prótesis fija en el bastidor y coloque la jaula interior horizontalmente apoyándola en los bordes de la cuchilla.
A continuación, registre la distancia entre la placa ajustable superior y el travesaño fijo en la parte superior de la jaula interior utilizando calibradores digitales y una cinta métrica flexible. A continuación, mida la distancia entre la placa ajustable inferior y el travesaño fijo en la parte superior de la jaula interior, y determine la distancia entre la placa ajustable inferior y el travesaño fijo en la parte inferior de la jaula interior. A continuación, mida la distancia entre los dos filos de la cuchilla.
Después de rasgar la escala a cero, coloque el bastidor y la extremidad protésica en el conjunto de la placa de reacción. A continuación, coloque un extremo de la jaula interior sobre la escala y coloque el filo de la cuchilla en la parte inferior de la jaula interior de modo que quede nivelado y no haya tensión entre los dos filos de la cuchilla. Levante el extremo de la báscula varias veces y vuelva a colocarlo en la báscula.
Registre el valor una vez que se logre una lectura consistente de la escala. A continuación, retire la prótesis de la jaula interior y registre la lectura de la placa de reacción solo para la jaula. Retire el zapato de la prótesis y mida la masa del zapato.
A continuación, obtenga la masa de la prótesis sin el zapato. A continuación, mida la distancia entre el COR del tobillo y la superficie plantar del pie. A continuación, determine la longitud del pie protésico sin el zapato.
Vuelva a colocar el zapato en la prótesis y mida la distancia desde el tobillo COR hasta la suela del zapato y la longitud del pie con el zapato puesto. A continuación, vuelva a colocar la jaula interior dentro del bastidor de oscilación, asegurándose de que la esquina negra con cinta reflectante esté más cerca de la fotocélula. Asegure el eje y asegúrese de que el brazo de suspensión de la jaula interior esté alineado con el tornillo de fijación.
Finalmente, reúna 10 ensayos de oscilación que registren solo el primer período de oscilación de cada ensayo C apéndice A para obtener una explicación de por qué solo se registra el primer período de oscilación cuando la jaula está vacía. Las propiedades inerciales del lado protésico fueron significativamente más bajas que las propiedades inerciales de la pierna intacta. La masa del lado protésico fue un 39% menor.
El momento de inercia fue un 52% menor, y el centro de masa estuvo un 24% más cerca de la rodilla que las estimaciones intactas. Se determinaron las fuerzas de reacción articular del tobillo, la rodilla y la cadera en las direcciones anterior, posterior y vertical. La fase de apoyo comienza al 0% del ciclo de marcha y termina aproximadamente al 60% del ciclo de marcha.
El balanceo continúa hasta el siguiente contacto con el pie de la misma pierna al 100%Se obtuvieron los siguientes resultados al analizar los momentos articulares alrededor de un eje transversal a través de la articulación del tobillo, la rodilla y la cadera. Los perfiles cinéticos del lado protésico durante el balanceo se asemejaban más a los de una extremidad intacta. Cuando se utilizaron las propiedades inerciales de una extremidad intacta para modelar el lado protésico Una vez dominado, esta técnica se puede realizar en 30 minutos si se hace correctamente.
Resumen
Este estudio se centra en la estimación de las propiedades inerciales de prótesis por debajo de la rodilla mediante una técnica de tabla de oscilación y reacción. Los resultados indican que las mediciones directas de la inercia de la prótesis conducen a modelos biomecánicos más precisos, lo que resulta en fuerzas y momentos articulares menores.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Biomecánica
- Prótesis
- Medición inercial
Antecedentes
- Comprender las propiedades inerciales es fundamental para un modelado preciso de la dinámica inversa.
- Los métodos existentes suelen asumir que la inercia de las prótesis es similar a la de las extremidades intactas.
- Mediciones precisas pueden mejorar la representación biomecánica de las extremidades protésicas.
- Este estudio valida una nueva técnica de medición utilizando sólidos geométricos conocidos.
Objetivo del estudio
- Estimar las propiedades inerciales de prótesis por debajo de la rodilla.
- Mejorar la precisión de los modelos biomecánicos para amputados.
- Validar la técnica de medición frente a estándares conocidos.
Métodos Utilizados
- Medición de los períodos de oscilación para la prótesis y la jaula.
- Uso de una tabla de reacción para estimar el centro de masa.
- Comparación de las propiedades inerciales del lado protésico con la pierna intacta.
- Recolección de múltiples ensayos para asegurar la precisión de las mediciones.
Resultados Principales
- Se encontró que la masa del lado protésico era un 39 % menor que la de la pierna intacta.
- El momento de inercia fue un 52 % más bajo, y el centro de masa estaba un 24 % más cerca de la rodilla.
- Las fuerzas de reacción articular se analizaron en múltiples direcciones.
- Los resultados indican una mayor precisión en la modelización de la dinámica del miembro protésico.
Conclusiones
- La nueva técnica de medición proporciona una representación más precisa de la inercia protésica.
- Las mediciones directas pueden reducir significativamente las fuerzas y momentos articulares estimados.
- Este enfoque podría mejorar el diseño y la funcionalidad de los dispositivos protésicos.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
La estimación precisa de las propiedades inerciales de las prótesis es fundamental para la modelización biomecánica en la investigación de rehabilitación y el desarrollo de dispositivos. Las técnicas de medición directa reducen los supuestos del modelo que podrían distorsionar la cinética articular, especialmente durante la fase de oscilación. Esto permite una evaluación preclínica más confiable de los diseños protésicos y de los resultados funcionales.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite la comprobación de hipótesis sobre la dinámica de miembros protésicos al proporcionar parámetros inerciales derivados empíricamente.
- Valor operativo: Reduce la dependencia de suposiciones basadas en el miembro intacto, mejorando la especificidad del modelo para cohortes de amputados.
Desarrollo de Pruebas y Cribado
- Valor científico: Genera salidas cuantitativas y reproducibles (masa, momento de inercia, centro de masa) para sistemas protésicos.
- Valor operativo: Estandariza la medición de la inercia entre laboratorios, favoreciendo la preparación del ensayo para estudios comparativos.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Valor científico: Mejora la confianza predictiva en la modelización de la dinámica inversa al alinear la cinética simulada con el comportamiento medido durante la fase de oscilación.
- Valor operativo: Facilita la continuidad desde la medición en banco de pruebas hasta los flujos de trabajo de análisis de la marcha preclínico.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
Este método se integra en los flujos de trabajo de descubrimiento temprano, donde la caracterización del sistema biológico orienta la evaluación funcional posterior.
- Biología del Descubrimiento: Proporciona datos inerciales empíricos para refinar hipótesis biomecánicas sobre la interacción de miembros protésicos.
- Selección: Ofrece parámetros inerciales estandarizados de prótesis para una evaluación consistente entre condiciones experimentales.
- Análisis: Genera métricas de masa, inercia y centro de masa que permiten la comparación cuantitativa de diseños protésicos.
- Investigación Traducional: Conecta la medición en laboratorio con la validación preclínica al mejorar la precisión del modelo para la simulación de la marcha.
- Reutilización Empresarial: Establece una plataforma reutilizable para la caracterización inercial de dispositivos de asistencia en múltiples proyectos.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza predictiva en las estimaciones de carga articular al reducir el error de modelado inercial.
- Valor operativo: Mejora la reproducibilidad y la estandarización de las evaluaciones biomecánicas de prótesis.
- Valor estratégico: Facilita decisiones más acertadas sobre continuar o descartar diseños de prótesis al proporcionar retroalimentación biomecánica más precisa.
- Impacto en la cartera: Permite el avance ajustado al riesgo de conceptos protésicos mediante una reducción mecanicista mejorada de riesgos.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en técnicas de medición inercial y biomecánica.
- Depende del bastidor de oscilación, la tabla de reacción y los instrumentos de medición de tiempo.
- Necesita estandarización entre usuarios para protocolos consistentes de oscilación y posicionamiento.
- Implica consideraciones de adaptación al aplicarse a diferentes modelos de prótesis o geometrías del miembro residual.
- Limitado por la necesidad de acceso físico a la prótesis y condiciones controladas de oscilación.
