Un appareil à faible coût pour mesurer les relations force-vitesse musculaires

Résumé

Un appareil accessible et peu coûteux permettant de mesurer les relations force–vitesse–puissance musculaire humaine a été conçu à l’aide de matériaux abordables, d’un engrenage imprimé en 3D, d’un accéléromètre de smartphone et d’un logiciel libre en Python. La validation par rapport à un ergomètre de référence a démontré des mesures physiologiquement pertinentes tout en offrant des opportunités d’apprentissage pratique équitables dans un cadre pédagogique universitaire.

Résumé

La relation entre la force musculaire, la vitesse de contraction et la puissance représente un paradigme presque centenaire en physiologie et un pilier de notre compréhension du fonctionnement musculosquelettique. Toutefois, ce paradigme est rarement étudié directement dans les cours de physiologie et de biomécanique en raison du coût prohibitif du matériel requis. Cette étude visait à concevoir et à valider un dispositif peu coûteux utilisant un système de poulie imprimée en 3D intégrant un mécanisme à cliquet et rochet, facile à construire et à configurer pour recueillir des données force–vitesse–puissance à partir des muscles des doigts humains au moyen d'un accéléromètre de smartphone et de l'application gratuite Phyphox. Un script Python personnalisé convertit les mesures brutes de l'accéléromètre en vitesses et puissances, puis les compare individu par individu à des mesures obtenues à l’aide d’un système de levier bimodal considéré comme référence. Des comparaisons par paires de cinq variables résumées (force maximale, Fmax ; vitesse maximale, Vmax ; puissance maximale, Pmax ; vitesse optimale, Vopt ; et courbure de la relation force–vitesse, a/Fmax) n’ont révélé aucune différence statistiquement significative entre les données force–vitesse–puissance recueillies avec les deux dispositifs (tests t appariés, p > 0,05). Ainsi, sans réduction significative de la qualité des données, le dispositif peu coûteux offre un moyen accessible, sûr et économique d’enseigner et d’étudier les principes biomécaniques et physiologiques. Ce dispositif pourrait démocratiser l’enseignement de la physiologie musculaire et de la biomécanique, en particulier dans les établissements éducatifs sous-financés et à ressources limitées à travers le monde.

Introduction

Le muscle strié est le moteur qui génère les mouvements squelettiques chez l'humain et les autres animaux. La compréhension de sa composition hiérarchique unique est compliquée par des facteurs multiscales influant sur la génération de force et la production de travail^1,2. Peut-être en raison de ces complexités, la fonction musculaire peut être un aspect sous-estimé dans les programmes d'anatomie et de physiologie, car les enseignants manquent d'outils nécessaires pour mettre correctement en valeur les aspects fondamentaux et les plus fascinants de la fonction musculaire^3,

Protocole

Toutes les expériences ayant servi de base à cette publication ont été approuvées par le comité d'éthique de l'Université du Massachusetts Lowell (protocole n° 21-163-KON-XPD).

REMARQUE : L'appareil utilise un smartphone suspendu avec des charges externes à un système de poulie imprimé en 3D. Les données d'accélération sont collectées à 100 Hz à l'aide d'une application de saisie de données basée sur un smartphone. La force est calculée en multipliant la masse totale du smartphone et de la charge externe par l'accélération. La vitesse est obtenue en intégrant l'accélération, et la puissance est calculée comme le produit de la force par la v....

Résultats

Des données force-vitesse et puissance-vitesse ont été recueillies auprès d'un échantillon d'étudiants de premier cycle (N = 15) à l'aide à la fois de l'ergomètre de référence et du dispositif peu coûteux, afin d'évaluer les sorties fonctionnelles de chaque système selon un protocole expérimental identique. Les données individuelles des sujets sont présentées dans la Figure 1, et les données récapitulatives pour chaque appareil sont présentées dans la Figure 3.<.......

Discussion

Un appareil peu coûteux a été validé comme une alternative aux ergomètres de référence pour mesurer les relations force-vitesse et puissance-vitesse des muscles humains en milieu pédagogique.

Les résultats de validation appuient l'affirmation selon laquelle un appareil peu coûteux, et donc plus accessible sur le plan économique et technologique, peut produire des mesures statistiquement indistinguables de celles obtenues à l’aide d’un ergomètre de référence. La capacité de l’appareil peu coûte.......

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Poids de 1,25 kg	NEXO Fitness	ASIN : B09JHQ6QB8	Peut être remplacé par des poids génériques d'environ 1-2 kg nombre nécessaire : 2
Courroie d'entraînement pour imprimante 3D	‎Courroie d'imprimante 3D de 10 m	ASIN : B08974S1CC	Peut être remplacée par des courroies crantées génériques pour imprimante 3D : pas de 2 mm, largeur de 6 mm, en caoutchouc et fibre de verre nombre nécessaire : 1
3DPart1 - Pignon intérieur	N/A	N/A	Voir les fichiers STL supplémentaires - À imprimer en ABS nombre nécessaire : 1
3DPart2 - Pignon extérieur	N/A	N/A	Voir les fichiers STL supplémentaires - À imprimer en ABS nombre nécessaire : 1
3DPart3 - Clavette	N/A	N/A	Voir les fichiers STL supplémentaires - Imprimer 3 à 5 fois en ABS nombre nécessaire : 1
3DPart4 - Support de force	N/A	N/A	Voir les fichiers STL supplémentaires - À imprimer en PLA nombre nécessaire : 1
Poutre en aluminium longue	80/20 inc	1020	1 po x 2 po x 32 po nombre nécessaire : 1
Poutre en aluminium courte	80/20 inc	1010	1 po x 1 po x 12 po nombre nécessaire : 2
Fixation pour cadre en aluminium / boulon de sécurité	80/20 inc	4108	nombre nécessaire : 3
Attelle d'avant-bras	FEATOL	ASIN : B0CGX8QZ3C	Peut être remplacée par une attelle d'avant-bras générique nombre nécessaire : 1
Bloc en polychlorure de vinyle cellulaire pour repose-bras	Azek board	8/4 X Épaisseur Traditionnel uniquement	14 po x 6 1/2 po x 3/4 po nombre nécessaire : 14
Mousquetons	Rewoalzx	ASIN :  B0FB3VYV3N	nombre nécessaire : 2
Roulements à billes en acier allié chromé	uxcell	UXCELL 6900 2RS - ASIN : B07FVX92MJ	Dimensions : diamètre intérieur 10 mm, diamètre extérieur 22 mm, largeur 6 mm. nombre nécessaire : 1
Excel/Tableur	Microsoft	Excel	Peut être remplacé par tout logiciel de tableur nombre nécessaire : 1
Attelle de doigt	Sopito	ASIN :  B0B5C6RWR4	Peut être remplacée par une attelle de doigt générique nombre nécessaire : 1
IGOR 8 PRO	Wavemetrics.com	8 PRO	Utilisé avec les appareils Aurora Scientific et pour le calcul de a/Fmax. nombre nécessaire : 1
Grande plaque en polychlorure de vinyle cellulaire	Azek board	8/4 X Épaisseur Traditionnel uniquement	6 3/4 po x 7 po x 3/4 po nombre nécessaire : 2
Axe métallique	Générique	ASIN : B0CC8T8X77	Tige en acier de 9,97 mm d'épaisseur, 45 cm de long. nombre nécessaire : 1
Câble en acier multibrins	Catch All Tackle	ASIN : B00JTWDSQS	Diamètre de 1,4 mm, résistance nominale 400 lb nombre nécessaire : 2
Support de téléphone	Tribe	ASIN : B00SXRXUFE	nombre nécessaire : 1
Application Phyphox	Phyphox.org	N/A	Téléchargeable sur l'Apple App Store ou le Google Play Store nombre nécessaire : 1
Script Python	N/A	N/A	Peut être téléchargé : Document supplémentaire 1 muscle_velocity_gui.py nombre nécessaire : 1
Petite plaque en polychlorure de vinyle cellulaire	Azek board	8/4 X Épaisseur Traditionnel uniquement	1 po x 3 1/4 po x 3/4 po nombre nécessaire : 1
Smartphone	Apple	IPhone 11	Peut être remplacé par tout smartphone équipé d'un accéléromètre nombre nécessaire : 1
Cosses pour câble en acier	Catch All Tackle	ASIN : B00JTWDSQS	Résistance nominale 400 lb nombre nécessaire : 6
Butées	Befenybay	ASIN : B0B1C6BPKQ	diamètre intérieur 10 mm, diamètre extérieur 20 mm, largeur 20 mm nombre nécessaire : 2