הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

מכשיר בעלות נמוכה למדידת קשרי כוח-מהירות של שרירים

201 צפיות

⸱

DOI:

10.3791/71757

⸱

14 באוגוסט 2026

 , 
1Department of Biological Sciences, University of Massachusetts Lowell

במאמר זה

סיכום

פותח מכשיר נגיש וזול למדידת יחסי כוח-מהירות-הספק בשריר אנושי, תוך שימוש בחומרים זולים, גלגל שיניים המודפס בתלת-ממד, מד תאוצה (accelerometer) של סמארטפון ותוכנת פייתון (Python) חופשית. תיקוף מול ארגומטר המהווה סטנדרט זהב הראה מדידות רלוונטיות מבחינה פיזיולוגית, תוך אספקת הזדמנויות למידה מעשיות ושוויוניות במסגרת כיתת תואר ראשון.

תקציר

הקשר בין כוח השריר, מהירות הכיווץ וההספק מהווה פרדיגמה בתחום הפיזיולוגיה מזה כמעט מאה שנה ואבן יסוד בהבנתנו את התפקוד השריר-שלדי. עם זאת, פרדיגמה זו נלמדת לעיתים רחוקות באופן ישיר בכיתות לפיזיולוגיה וביומכניקה בשל העלות המגבילה של הציוד הנדרש. מחקר זה ביקש לתכנן ולתקף מכשיר בעלות נמוכה המשתמש במערכת פוליים מודפסת בתלת-ממד, הכוללת גלגל שיניים עם רצוף (ratchet-and-pawl), שניתן להרכיבו ולהגדירו בקלות לאיסוף נתוני כוח–מהירות–הספק משרירי האצבע האנושיים באמצעות מד תאוצה של סמארטפון ובסיוע האפליקציה החינמית Phyphox. סקריפט Python מותאם להמיר את מדידות מד התאוצה הגולמיות לנתוני מהירות והספק, אשר הושוו לאחר מכן עבור כל נבדק למדידות שהתקבלו באמצעות מערכת מנוף דו-מצב (dual-mode lever system) שנחשבת לסטנדרט הזהב. השוואות זוגיות של חמישה משתני סיכום (כוח שיא, Fmax; מהירות שיא, Vmax; הספק שיא, Pmax; מהירות אופטימלית, Vopt; ועקומת כוח-מהירות, a/Fmax) לא גילו הבדלים מובהקים סטטיסטית בין נתוני הכוח-מהירות-הספק שנאספו באמצעות שני המכשירים (מבחני t מזווגים, p > 0.05). לפיכרון, ללא פגיעה משמעותית באיכות הנתונים, המכשיר הזול מציע אמצעי נגיש, בטוח וכלכלי להוראה ולמחקר של עקרונות ביומכניים ופיזיולוגיים. למכשיר זה יש פוטנציאל להנגיש את החינוך לפיזיולוגיה של השריר ולביומכניקה, במיוחד במסגרות חינוכיות עם תסביג תקציבי ומשאבים מוגבלים ברחבי העולם.

מבוא

שריר משורר הוא המנוע המייצר תנועה של השלד בבני אדם ובבעלי חיים אחרים. הבנת ההרכבה ההיררכית הייחודית שלו מסובכת בשל גורמים רב-קנה-מידה המשפיעים על ייצור הכוח והפעלת עבודה1,2. ייתכן שבשל מורכבויות אלו, תפקוד השריר עשוי להיות רכיב שאינו זוכה לתעדוף מספיק בתוכניות הלימודים של אנטומיה ופיזיולוגיה, מכיוון שלמחנכים חסרים הכלים הדרושים כדי להציג כראוי את ההיבטים הבסיסיים והמרתקים ביותר של תפקוד השריר3,4,5,6.

תפקוד השרירים תואר היסטורית באמצעות מספר פרדיגמות עמידות, ואין מהן מוכרת יותר מהטרייד-אוף בין כוח למהירות, שאותו הגדיר לראשונה לפני כמעט מאה שנה ארצ'יבולד ויויאן היל1,2,3,4,5,6. קשר פיזיולוגי בסיסי זה מתאר את הטרייד-אוף בין מהירות התכווצות השריר לבין הכוח, שבו התכווצויות איזומטריות או התכווצויות קיצור איטיות מאוד הן בדרך כלל החזקות ביותר, ומייצרות את כוח השריר המקסימלי (Fmax), בעוד שהתכווצויות איזוטוניות מהירות ביותר המתקרבות למהירות השריר המקסימלית (Vmax) הן בדרך כלל החלשות ביותר1. כאשר היל תיאר את הקשר בין כוח-מהירות-הספק (FVP) בשנת 1938, הוא הציג פונקציה שעדיין נושאת את שמו. משוואת היל (משוואה 1) מקשרת בין הכוח המקסימלי הנוצר במהלך התכווצות איזומטרית (עם קצוות שריר קבועים) לבין המהירות המקסימלית המושגת בהיעדר עומס חיצוני.

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

כאשר v היא מהירות הקיצור, F הוא כוח השריר, Fmax הוא הכוח האיזומטרי המקסימלי, ו-a ו-b הם קבועים המתארים את היחס בין כוח למהירות ואת התכונות האנרגטיות של קיצור השריר1.

בתוך קשר בסיסי זה טמונים מספר מושגי מפתח של תפקוד השריר, המיוצגים על ידי חמישה פרמטרים כמותיים המגדירים את קשר ה-FVP. המכפלה של כוח השריר הרגעי והמהירות היא ההספק, אשר בדרך כלל מגיע לערך מקסימלי (Pmax) בערך בשליש מ-Vmax7. המהירות שבה  Pmax מתרחשת מכונה המהירות האופטימלית (Vopt), ומיקומה בטווח מהירויות ההתקצרות (מ-V0 עד Vmax) הוא מאפיין חשוב של קשרי הכוח–מהירות וההספק–מהירות. לדוגמה, Vopt גבוה יותר גורם לכך שההספק בשיאו יסופק במהירות התקצרות גבוהה יותר. בתוך קשר הכוח–מהירות עצמו, כוח השיא (Fmax) ומהירות השיא (Vmax) מקושרים על ידי קשרי כוח–מהירות ביניים באופן קווני (איור 5A). קשרי כוח–מהירות והספק–מהירות מייצגים שהתקבלו באמצעות המתודולוגיה הנוכחית מוצגים ב-איור 1. השיפוע של עקומה זו מכונה עקמומיות הכוח–מהירות, המתארת את קצב ירידת הכוח עם עליית המהירות. העקמומיות מוגדרת כ- a/Fmax8, כאשר a הוא הקבועים התרמודינמיים במשוואת היל (Hill equation) המכמתת את ייצור החום החיכוכי על ידי שריר המתקצר ללא עומס1. העקמומיות משפיעה על מיקומו של Vopt על עקומת הכוח–מהירות וקובעת כמה כוח שריר יכול להפיק במהירות התקצרות נתונה. העקמומיות תוארה גם באמצעות יחס ההספק השרירי (משוואה 2)9. 

משוואה 2:  figure-introduction-1

כאשר Pmax הוא תפוקת הכוח המקסימלית של השריר, ו-Vmax ו-Fmax הם מהירות ההתקצרות המקסימלית והכוח האיזומטרי המקסימלי, בהתאמה.

הטבע האינטואיטיבי של מערכות היחסים בין כוח למהירות ובין הספק למהירות מספק נקודות כניסה יעילות בעת הוראת תפקוד השריר בכיתות של מדעי החיים. החשיבות של מתן הזדמנויות מעשיות לסטודנטים כדי לבנות הבנה מלאה יותר של מערכות יחסי FVP מודגשת על ידי העובדה שלמידה מעשית הוכחה כמשפרת את שימור הידע10. יתרה מכך, ידוע כי למידה ניסויית מחזקת את הבסיס להערכת תפקוד השריר, הן בהקשר מדעי בסיסי והן כהכנה למקצועות בתחום הבריאות, כולל מניעת פגיעות, שיקום ואימון גופני.

מכשירים מסורתיים לבדיקת תכונות פיזיולוגיות של שרירים, כגון מערכות מנוף סרוו בעלות מצב כפול, הם מדויקים מאוד אך עלויותיהם גבוהות, ולכן הם מהווים חסם משמעותי ליישום ברוב סביבות הכיתה7. כדי להתגבר על מגבלות אלו ולהרחיב את ההזדמנויות ללמידה מעשית, פותחה חלופה בעלות נמוכה. המכשיר מבוסס על גלגלת מודפסת בתלת-ממד המשלבת גלגל שיניים עם רצ'ט ומעצור (ratchet-and-pawl gear), ומשתמש במסילות אלומיניום חרוצות זמינות מהמדף, תיל קשיח וסמארטפון המותקן על מעמד ומריץ אפליקציה חינמית לרכישת נתונים (איור 2). סמארטפון נבחר במקום מכשירים ייעודיים למדידת תאוצה מכיוון שסמארטפונים נפוצים מאוד ובדרך כלל מצוידים במד תאוצה (accelerometer) מדויק ועמיד11. התועלת של סמארטפונים כמכשירי מדידה מדעיים הוכחה בעבר, כולל שילוב של מד תאוצה של סמארטפון זמין מסחרית ביחידת המדידה האינרציאלית של מסוק המאדים Ingenuity12.

בעוד שקיימים מספר כלים זולים להוראת פיזיולוגיה של השריר, הם מתמקדים במושגים שונים: Judge et al.6 פיתחו פעילויות זולות המבוססות על SpikerBox להקלטה של פעילות חשמלית בשריר, ו-Medeiros et al.10 יצרו מודל סרקומר דו-ממדי זול להדגמת מכניקה הקשורה לטיטין. עם זאת, אף כלי זול קיים אינו מאפשר לסטודנטים למדוד ישירות את קשרי ה-FVP של שריר אנושי מתכווץ ולהפיק נתונים כמותיים הניתנים להשוואה למחקרים. המכשיר הנוכחי נועד למלא פער זה על ידי אספקת מדידות FVP המהו validates לפי "תקן הזהב" בעלות של פחות מ-300$.

המחקר הנוכחי מדווח על בנייה של מכשיר FVP בעלות נמוכה עם תיקוף צולב מול תקן הזהב התעשייתי. ניתוחי התיקוף מתבססים על השוואות זוגיות של חמשת משתני הסיכום המוכרים של FVP, שנמדדו באותם נבדקים בשני המכשירים. הניתוחים בוחנים את ההשערה ששני המכשירים מייצרים עקומות כוח-מהירות ועקומות הספק-מהירות שוות. עם תיקוף צולב מוצלח, המכשיר בעלות הנמוכה יכול להנגיש מחקרי כיתה בפיזיולוגיה של השריר ובביומכניקה של השלד והשרירים על ידי הורדת החסם הפיננסי לרכישת המכשיר, תוך שמירה על דיוק ניסיוני ובכך על קפדנות מדעית. צפוי כי המכשיר בעלות הנמוכה יוכל להעניק השראה ולאפשר לסטודנטים ומחנכים בכיתות לפיזיולוגיה וביומכניקה ברחבי העולם, שכבר לומדים ומלמדים אנטומיה של השריר, לחקור באופן מעשי את אחד הקשרים הבסיסיים ביותר של השריר. על ידי שילוב של פעילות מעשית להפקת מדידות פיזיולוגיות, כיתות הלימוד יכולות להשיג הבנה רב-מודאלית ושיפור בשימור הידע.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

כל הניסויים המהווים את הבסיס לפרסום זה אושרו על ידי ועדת הבקרת המוסדית (IRB) באוניברסיטת מסצ'וסטס לואל (פרוטוקול מס' 21-163-KON-XPD).

הערה: המכשיר משתמש בסמארטפון התלוי עם עומסים חיצוניים ממערכת גלגלות מודפסת בתלת-ממד. נתוני תאוצה נאספים בתדר של 100 Hz באמצעות אפליקציה לרכישת נתונים המותקנת בסמארטפון. הכוח מחושב על ידי הכפלת המסה המשולבת של הסמארטפון והעומס החיצוני בתאוצה. המהירות מתקבלת על ידי אינטגרציה של התאוצה, וההספק מחושב כמכפלה של הכוח במהירות (קובץ קידוד משלים 1).

1. הרכבת המכשיר

  1. חבר שתי קורות אלומיניום קצרות לצדו התחתון של קורת אלומיניום ארוכה אחת באמצעות מחברי מסגרת מאלומיניום. מקם את הקורות הקצרות במרחק של כ-8 cm מכל קצה של הקורה הארוכה כדי ליצור בסיס יציב שאינו גמיש.
    הערה: הרכיב המורכב זה ייקרא להלן המסגרת.
  2. בנה את תושבת הגלגלת
    1. מקם בלוק גדול של polyvinyl chloride תאי כך שצד ה-7 in מופנה אנכית וצד ה-6.75 in מופנה אופקית.
    2. מדוד 2.75 in מהפינה השמאלית התחתונה לאורך הקצה השמאלי וסמן את המיקום.
    3. מדוד 2.75 in מהפינה השמאלית העליונה לאורך הקצה העליון וסמן את המיקום.
    4. שרטט קו ישר המחבר בין שני המיקומים המסומנים.
    5. גזור לאורך הקו המסומן והסר את החלק המשולש שנוצר.
    6. קדח חור בקוטר 7/16 in במרחק של 1.25 in מהפינה הימנית העליונה.
    7. חזור על שלבים 1.2.1–1.2.6 עבור הבלוק הגדול השני.
    8. מקם את בלוק ה-polyvinyl chloride התאי הקטן מאחורי המסגרת.
    9. אבטח את שני הבלוקים הגדולים לבלוק הקטן כך שהם יהיו במרחק של 8 in זה מזה. הפנה את החיתוכים האלכסוניים מעל הבלוק הקטן ומקם את החורים הקדוחים מעבר לקצה של הבלוק הקטן.
  3. הדק את תושבת הגלגלת בביטחון לפינת שולחן או דלפק.
    הערה: מקם את התושבת כך שהגלגלת תבלוט מעבר לקצה השולחן. פעולה זו מונעת מהמשקולות התלויות ומהסמארטפון לבוא במגע עם רגלי השולחן במהלך הכיווצים.
  4. בנה וחבר את משענת הזרוע
    1. גזור את בלוק משענת הזרוע מ-polyvinyl chloride התאי באורך 14 in לשלושה חלקים המורכבים משני קטעים של 1.5 in וקטע אחד של 3.5 in.
    2. גזור חריץ של 2 in x 1/8 in במשטח העליון של כל אחד מהקטעים הקטנים יותר, כאשר החריץ ממוקם במרחק של 1 in מהקצה הקדמי.
    3. אבטח את הקטעים הקטנים יותר לצדו התחתון של הקטע הגדול יותר בכל קצה. יישר את החריצים זה מול זה.
    4. כסה את המשטח העליון של הקטע הגדול יותר בסרט סקוץ' (hook-and-loop fastener tape).
    5. השחל את רצועת האמה דרך שני החריצים.
    6. חבר את משענת הזרוע למסגרת באמצעות ברגים ו-T-nuts להחדרה. מקם את משענת הזרוע במרחק של 14 in מתושבת הגלגלת, כאשר רצועת האמה פונה הרחק מהגלגלת.
  5. הכנס מיסבי כדור לחריצים של רכיבי הגלגל הפנימי והגלגל החיצוני (Supplemental File 1).
  6. השחל 40 cm של רצועת תזמון (timing belt) דרך החריץ הצדי של רכיב הגלגל הפנימי. צור לולאה עם חפיפה של 2 cm ואבטח את החפיפה בתוך החריץ.
  7. השחל את הציר המתכתי דרך תושבת הגלגלת השמאלית, מעצור, רכיב הגלגל הפנימי, רכיב העברת הכוח, רכיב הגלגל החיצוני, מעצור שני ותושבת הגלגלת הימנית.
    הערה: הפנה את החריץ הצדי של הגלגל הפנימי לכיוון המסגרת. מקם את שני המעצורים במרחק של 1 mm מכל צד של מכלול הגלגלת.
  8. התקן שני מעצורים נוספים על הציר, תוך מיקום כל מעצור במרחק של 1 mm מתושבות הגלגלת כדי למנוע תנועה צידית.
  9. לפף 40 cm של חוט פלדה רב-גידי דרך תמיכת האצבע ואבטח אותו באמצעות כלי כיווץ (crimp). לפף את הקצה הנגדי דרך Carabiner A ואבטח אותו באמצעות כלי כיווץ שני.
    הערה: Carabiners A ו-B זהים ומסומנים רק לצורך זיהוי במהלך ההרכבה.
  10. חבר את רכיב הגלגל הפנימי ל-Carabiner A באמצעות רצועת התזמון המחוברת. אבטח את החפיפה באמצעות Key A.
    הערה: Keys A, B ו-C זהים. ניתן להדפיס מפתחות נוספים מכיוון שהם תוכננו כרכיבים מתכלים שנשברים לפני שחלקים אחרים של המכשיר ניזוקים.
  11. לפף 10 cm של חוט פלדה רב-גידי סביב Carabiner A ואבטח אותו באמצעות כלי כיווץ. לפף את הקצה הנגדי סביב מחבר מסגרת מאלומיניום, כווץ את החוט ואבטח את המחבר למסגרת.
    הערה: הרכיב המורכב זה ייקרא להלן בורג הבטיחות.
  12. צור לולאה באמצעות 40 cm של רצועת תזמון עם חפיפה של 2 cm והכנס את הלולאה לתוך Key B. לפף את הקצה הנגדי סביב Carabiner B ואבטח את החפיפה באמצעות Key C.
  13. הכנס את Key B לשכבה הגדולה ביותר של רכיב הגלגל החיצוני.
  14. חבר את מחזיק רצועת הזרוע לסמארטפון ל-Carabiner B באמצעות לולאת רצועת הזרוע או פתחי כבלי האוזניות.
  15. תלה את משקל ההתחלה הרצוי מ-Carabiner B באמצעות חוט פלדה מלופף ומכוвץ.

2. הגדרת רכישת נתונים

  1. התקינו את אפליקציית רכישת הנתונים בסמארטפון המצויד במד תאוצה (accelerometer).
  2. פתחו את מודול Acceleration (without g).
  3. מקמו את הסמארטפון במחזיק הזרוע המחובר לקרבינר B.
  4. אספו נתונים בהתאם לסעיף 3.
  5. ייצאו את הנתונים שהוקלטו כקובץ .xls. הגדירו שם קובץ ייחודי התואם למשתתף.
  6. העבירו את קובץ ה-.xls למחשב עם גישה לאינטרנט.
  7. עבדו את הנתונים באמצעות Supplemental Coding File 1
    הערה: הסקריפט מחשב מהירות באמצעות אינטגרציה של Euler קדימה של התאוצה האנכית שנמדדה (משוואה 3). המיקום מחושב באמצעות משוואת קינמטיקה לתאוצה קבועה (משוואה 4). החישובים משתמשים בערכי תאוצה גולמיים ללא החלקה או סינון.
    משוואה 3: vi = vi-1 + ai ∆t
    משוואה 4:  figure-protocol-1
    1. התקינו את Supplemental Coding File 1.
    2. התקינו Python במחשב המשמש לעיבוד הנתונים.
    3. פתחו חלון טרמינל והריצו: pip install streamlit pandas matplotlib scipy openpyxl xlrd.
    4. נווטו לתיקייה המכילה את Supplemental Coding File 1 והריצו: streamlit run muscle_velocity_gui.py.
      הערה: בעת שימוש ב-Windows PowerShell, הריצו: python -m streamlit run muscle_velocity_gui.py. אם תתבקשו להזין כתובת אימייל, השאירו את השדה ריק ולחצו על Enter.
    5. לחצו על Upload ובחרו את קובץ ה-.xls שיוצא.
    6. לחצו על Process Data כדי לטעון ולנתח את מערכת הנתונים.
    7. סקרו את תרשימי התאוצה, המהירות והמיקום שנוצרו עבור הניסוי הראשון.
    8. בחרו את השיאים (peaks) שזוהו והתואמים לכיווצי שרירים תקפים באמצעות תיבות הסימון הסמוכות לכל שיא.
      הערה: שיאים תקפים מופיעים בדרך כלל לפני שעקבה התאוצה הופכת לשלילית והם קשורים לערכי מהירות ומיקום חיוביים. אלגוריתם זיהוי השיאים האוטומטי עלול לזהות שיאים באופן שגוי ולכן נדרש אימות ידני.
    9. התאימו את פרמטרי זיהוי השיאים
      הערה: אם התוכנה אינה מזהה שיאים באופן נכון, הרחיבו את Advanced Tweakables > Peak Detection Parameters והתאימו את הגדרות הזיהוי.
      1. התאימו את Zero Threshold כדי להגדיר את טווח התאוצה הנחשב כסטטי.
        הערה: הגבירו ערך זה כאשר עקבות התאוצה מכילים רעש מופרז. הסף מוצג כקווי ייחוס אדומים בתרשים התאוצה. ערך ברירת מחדל = 0.30. טווח מוצע = 0.10–5.00.
      2. התאימו את Min Velocity for Peak כדי להגדיר את שיא המהירות המינימלי המקובל.
        הערה: הנמיכו ערך זה אם שיאים תקפים מושמטים. הסף מוצג כקו הייחוס הירוק התחתון בתרשים המהירות. ערך ברירת מחדל = 0.30. טווח מוצע = 0.10–10.00.
      3. התאימו את Zero Scope כדי להגדיר את המספר המינימלי של דגימות תאוצה רצופות הקרובות לאפס הדרושות לזיהוי תקופה סטטית.
        הערה: הנמיכו ערך זה אם עקבות המהירות והמיקום אינם מתאפסים. ערך ברירת מחדל = 10. טווח מוצע = 3–25.
      4. התאימו את Max Velocity for Peak כדי להגדיר את שיא המהירות המקסימלי המקובל.
        הערה: הגבירו ערך זה אם שיאים תקפים חורגים מהסף. הסף מוצג כקו הייחוס הירוק העליון בתרשים המהירות. ערך ברירת מחדל = 10.00. טווח מוצע = 10.00–30.00.
      5. התאימו את Min Peak Distance כדי להגדיר את מספר הדגימות המינימלי בין שיאים שזוהו.
        הערה: ערך ברירת מחדל = 2. טווח מוצע = 1–10. שינוי של פרמטר זה בדרך כלל אינו נחוץ.
      6. התאימו את Min Peak Prominence כדי להגדיר את הבולטות הנדרשת לזיהוי שיא.
        הערה: ערכים נמוכים יותר מגבירים את הרגישות ועשויים לזהות שיאים נוספים. ערך ברירת מחדל = 0.10. טווח מוצע = 0.01–0.90. שינוי של פרמטר זה בדרך כלל אינו נחוץ.
    10. לאחר זיהוי כל השיאים התקינים עבור הניסוי הנוכחי, לחצו על Next כדי לעבור לניסוי הבא.
    11. חזרו על שלבים 2.7.7–2.7.10 עד שכל הניסויים יעובדו.
      הערה: אין לשנות את פרמטרי זיהוי השיאים לאחר עיבוד הניסוי הראשון. אם שינויי פרמטרים הופכים לנחוצים, חזרו על הניתוח עבור כל הניסויים שעובדו קודם לכן באמצעות ההגדרות המעודכנות.
    12. העתיקו את נתוני המהירות והתאוצה שנבחרו לגיליון נתונים לצורך ניתוחי כוח–מהירות–הספק עתידיים.

3. פרוטוקול ניסויי

  1. קבעו את אמה של המשתתף למשענת הזרוע באמצעות רצועת האמה. הדקו את הרצועה מספיק כדי למנוע מהאמה לנוע קדימה.
  2. הניחו את סד האצבע על בהיר המשתתף והדקו את הסד היטב.
  3. הסר את השמיטה ממערכת הגלגלות על ידי סיבוב הגלגלת באמצעות מנגנון הראצ'ט עד להדקה של רצועת התזמון.
    הערה: מנגנון השליפה (ratchet) מייצר נקישה נשמעת בעת מעברו בין המצבים.
  4. החליקו את בריח הבטיחות לכיוון הפולי עד שהחוט המחבר בין בריח הבטיחות לקרבינר A יהיה מתוח.
  5. בחרו שתי משקולות בעלות מסה שווה בקירוב, שמשקל כל אחת מהן הוא כ-1.25 ק"ג.
  6. רצף בדיקה קבוע
    1. בחנו את השכבה הגדולה ביותר, השכבה האמצעית והשכבה הקטנה ביותר באמצעות משקולת אחת והסמארטפון.
    2. בדקו את השכבה הקטנה ביותר, השכבה האמצעית והשכבה הגדולה ביותר באמצעות שני משקולות והסמארטפון.
    3. בדקו את השכבה הגדולה ביותר ואת השכבה הקטנה ביותר באמצעות הסמארטפון בלבד.
      הערה: השתמשו באותו רצף עבור כל המשתתפים כדי למזער הטיות הקשורות לעייפות.
  7. הנקה (Tap) התחל הקלטה ביישום רכישת הנתונים.
  8. הנחה את המשתתף לכווץ את האגודל במהירות ובכוח רב ככל האפשר.
    הערה: מוטיבציית המשתתף עשויה להשפיע באופן משמעותי על הביצועים. יש לספק עידוד מילולי עקבי לאורך הבדיקה כדי לקדם מאמץ מרבי.
  9. השעו את הקלטת הנתונים לאחר כל ניסוי. התאימו את דרגית הפולי ואת תנאי העומס בהתאם לרצף שנקבע בשלב 3.6.
  10. יש לחדש את רישום הנתונים ולחזור על שלבים 3.8–3.9 עד להשלמת כל שמונת השילובים של רמת הפולי והעומס.
  11. יש לעקוב אחר המשתתף לאורך הבדיקה ולחזור על ניסיונות שנפגעו מתנועת זרוע מוגברת או ממאמץ לא מלא.
  12. יש לסקור את גרף התאוצה לאחר כל ניסוי.
    הערה: יש לחזור על ניסויים המראים שיאי תאוצה ראשוניים נמוכים באופן חריג, תנודות מופרזות או תנועה מתמשכת של הסמארטפון בין התכווצויות, שכן תנאים אלו עלולים לפגוע באיכות הנתונים.
  13. יש לתעד הערות עבור כל ניסוי, כולל ניסויים חוזרים או כאלו שהוחרגו, כדי להקל על ניתוח הנתונים לאחר מכן.

4. שימוש בארגומטר בתקן הזהב

  1. הקמת הארגומטר המהווה את תו התקן (Gold-standard)
    1. הפעילו את המחשב והפעילו את התוכנה לרכישת נתונים. פתחו את קובץ הפרוצדורה של מערכת המנוף במצב כפול.
    2. הגדירו את היסט הכוח (force offset) ל-10 ואת היסט האורך (length offset) ל-9 ביחידת הבקרה של המנוף.
    3. הפעילו את מערכת המנוף בעלת שני המצבים ואת יחידת רכישת הנתונים.
    4. יש לאמת את תפעולו התקין של המנוע על ידי סיבוב עדין של המנוף ואישור קיומה של התנגדות.
    5. השחילו לולאה של 40 ס"מ של תיל פלדה רב-גידי דרך החור השני מלמטה של המנוף, ואבטחו את התיל באמצעות תפס לחיצה (crimp).
    6. השחילו את הקצה השני של התיל בלולאה דרך תומך האצבע והדקו את התיל באמצעות מחץ (crimp).
    7. חבר את מערכת המנופים בעלת שני מצבי הפעולה למסגרת 3 בחזית משענת הזרוע.
  2. קבעו את אמה של המשתתפת/המשתתף למשענת הזרוע ומקמו את האגודל בתוך תומך האצבעות.
  3. הזריקו את זרוע המשתתף קדימה עד שהאגודל מגיע לכפיפה מקסימלית והכבל נמצא תחת מתיחה קלה.
  4. הדק את רצועת האמה מספיק כדי למנוע תנועה של הזרוע קדימה או לצדדים.
  5. הגדרת הגדרות רכישת נתונים
    1. פתח מכשיר בקרת סריקה Dev6.
    2. קבע מספר הדגימות אל 60,000.
    3. סט ממוצע דגימות אל 1.
    4. ערכה תקופת דגימה אל 0.0001.
    5. ערכה המרה מחזורית אל 0.
    6. קבע דגימות לאחר ההפעלה אל 0.
    7. קבע מקור טריגר ייחוס אל /Dev6/PFI1.
    8. קבוצה סוג 2x ל- דיגיטלי.
    9. ערכה 2x Lever1 אל 0.
    10. ערכה 2x Lever2 אל 0.
    11. ערכה מצב אל פעולה אחת (One Shot).
    12. סט חזור מיד אל כבוי.
    13. ערכה טריגר הפעלה אל כבוי.
    14. ערכה מקור הטריגר אל /Dev6/PFI0.
    15. ערכה שעון דגימה אל כבוי.
    16. קבוצה מקור שעון אל /Dev6/PFI7.
    17. סט המרה של שעון אל כבוי.
    18. סט המרה של מקור השעון אל /Dev6/PFI2.
    19. בחר ערוץ 1 + ערוץ 2 תחת בחירת ערוצים לסריקה.
  6. לחץ על התחל ב- מכשיר בקרת סריקה והדריכו את המשתתף לכבץ את האגודל במהירות ובכוח רב ככל האפשר.
    הערה: המוטיבציה של המשתתף עשויה להשפיע באופן משמעותי על הביצועים. יש לספק עידוד מילולי עקבי לאורך הבדיקה כדי לעודד מאמץ מקסימלי.
  7. לחץ על קבלת גלים (GetWaves) ושמרו את הנתונים שהתקבלו תוך שימוש במזהה המשתתף ובערך הסטה (offset) הנוכחי של הכוח.
    הערה: עבור הכיווץ הראשון, היסט כוח (force offset) הוא 10.
  8. הפחית את היסט הכוח (force offset) במרווחים של 1.0.
    הערה: דוגמה להתקדמות: 10.0 > 9.0 > 8.0.
  9. חזור על שלבים 4.6–4.8 עד שהמנוע לא יספק התנגדות מורגשת לתנועת האגודל.
  10. חלץ ערכי כוח שיא ומהירות שיא מכל ניסוי באמצעות הליך הניתוח המתואר ב- קובץ קידוד משלים 2.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

נתוני כוח–מהירות והספק–מהירות נאספו ממדגם של סטודנטים לתואר ראשון (N = 15) באמצעות הארגומטר המהווה את תקן הזהב ומכשיר בעלות נמוכה, וזאת כדי להעריך את התפוקות התפקודיות של כל מערכת תחת פרוטוקול ניסויי זהה. נתונים של נבדקים בודדים מוצגים באיור 1, ונתוני סיכום עבור כל מכשיר מוצגים באיור 3.

המכשיר בעל העלות הנמוכה הוערך כתחליף פוטנציאלי בכיתה לארגומטר המהווה את תו התקן (gold-standard), זאת באמצעות השוואות זוגיות של משתני סיכום (טב...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

מכשיר בעלות נמוכה תוקף כחלופה לארגומטרים המהווים את "תו התקן" (gold-standard) למדידת יחסי כוח-מהירות והספק-מהירות של שרירים אנושיים במסגרת לימודית בכיתה.

תוצאות התיקוף תומכות בטענה כי מכשיר בעלות נמוכה, ולכן נגיש יותר מבחינה כלכלית וטכנולוגית, יכול להניב מדידות שאינן נבדלות סטטיסטית מאלו המתקבלות באמצעות ארגומטר בתקן הזהב. יכולתו של המכשיר בעל העלות הנמוכה להפיק קשרי כוח-מהירות והספק-מהירות באיכות גבוהה תומכת בתועלתו ככלי הוראה בכיתה. עם זאת, תוצאות התיקוף, שבהן רק אחד מחמשת משתני הביצוע עמד ב...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

למחברים אין הצהרות לגבי ניגודים ענייניים.

תודות

המחברים מודים לסטודנטים הרשומים לקורס ביולוגיה של השריר (UML BIOL4890, 2023–2025) ולתלמידים מבית הספר התיכון לורנס (Lawrence, MA) על השתתפותם בפרויקט הגמר ששימש כבסיס לעבודת הגמר למסלול מצטיינים זו (GC). כמו כן, תודות למתיו בורוקובסקי מ-Aurora Scientific על תמיכתו המתמשכת,ולויקטוריה פלינט וסמואל דלאפ על מאמציהם הראשוניים בפיתוח והטמעת מודול מכפיפי האצבעות עבור הקורס ב-UML. המחברים מודים גם לדניאל ברטלט ודארל לה על סיוע בגישות הניתוח. העבודה ממומנת על ידי מלגת Honors College של UMass Lowell (עבור GC), ועל ידי הקרן הלאומית למדע (מענק 2217246), וכן באמצעות כספי התנעה מ-UMass Lowell (עבור NK).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
משקולות 1.25 kgNEXO FitnessASIN: B09JHQ6QB8ניתן להחליף במשקולות גנריות של כ-1-2 kg
מספר נדרש: 2
רצועת תזמון למדפסת תלת-ממד‎רצועה למדפסת תלת-ממד 10mASIN: B08974S1CCניתן להחליף ברצועות תזמון גנריות למדפסת תלת-ממד: פסיעה (Pitch) של 2mm, רוחב 6mm, עשויות גומי ופיברגלס
מספר נדרש: 1
3DPart1 - גלגל שיניים פנימיN/AN/Aראה קבצי STL נלווים - הדפסה ב-ABS
מספר נדרש: 1
3DPart2 - גלגל שיניים חיצוניN/AN/Aראה קבצי STL נלווים - הדפסה ב-ABS
מספר נדרש: 1
3DPart3 - פין (Key)N/AN/Aראה קבצי STL נלווים - הדפסה של 3-5 פעמים ב-ABS
מספר נדרש: 1
3DPart4 - נשאת כוח (Force Carry)N/AN/Aראה קבצי STL נלווים - הדפסה ב-PLA
מספר נדרש: 1
קורת אלומיניום ארוכה80/20 inc10201 in x 2 in x 32 in
מספר נדרש: 1
קורת אלומיניום קצרה80/20 inc10101 in x 1 in x 12 in
מספר נדרש: 2
מחבר מסגרת אלומיניום / בורג בטיחות80/20 inc4108 מספר נדרש: 3
ספלינט לזרוע FEATOLASIN: B0CGX8QZ3Cניתן להחליף בספלינט זרוע גנרי
מספר נדרש: 1
בלוק PVC תאי למשענת זרועAzek board8/4 X Thickness Traditional Only14 in x 6 1/2 in x 3/4 in
מספר נדרש: 14
קרבינריםRewoalzxASIN:  B0FB3VYV3N מספר נדרש: 2
מיסבי כדור מפלסגסה כרומיuxcellUXCELL 6900 2RS - ASIN: B07FVX92MJמידות: קוטר פנימי 10 mm, קוטר חיצוני 22 mm, רוחב 6 mm.
מספר נדרש: 1
Excel/גיליון אלקטרוניMicrosoftExcelניתן להחליף בכל תוכנת גיליונות אלקטרוניים
מספר נדרש: 1
ספלינט לאצבעSopitoASIN:  B0B5C6RWR4 ניתן להחליף בספלינט אצבע גנרי
מספר נדרש: 1
IGOR 8 PROWavemetrics.com8 PROמשמש עבור Aurora Scientific Apparatus ועבור חישוב a/Fmax.
מספר נדרש: 1
לוח PVC תאי גדולAzek board8/4 X Thickness Traditional Only6 3/4 in x 7 in x 3/4 in
מספר נדרש: 2
ציר מתכתגנריASIN: B0CC8T8X77מוט פלדה בעובי 9.97 mm, אורך 45 cm.
מספר נדרש: 1
חוט פלדה רב-גידי Catch All TackleASIN: B00JTWDSQSקוטר 1.4mm, דירוג #400lb
מספר נדרש: 2
מחזיק טלפוןTribeASIN: B00SXRXUFEמספר נדרש: 1
אפליקציית PhyphoxPhyphox.orgN/Aלהורדה מ-Apple App Store או מ-Google Play Store
מספר נדרש: 1
סקריפט PythonN/AN/Aניתן להורדה: מסמך נלווה 1 muscle_velocity_gui.py
מספר נדרש: 1
לוח PVC תאי קטןAzek board8/4 X Thickness Traditional Only1 in x 3 1/4 in x 3/4 in
מספר נדרש: 1
סמארטפוןAppleIPhone 11ניתן להחליף בכל סמארטפון בעל מד תאוצה (accelerometer)
מספר נדרש: 1
מהצים לחוטי פלדהCatch All TackleASIN: B00JTWDSQSדירוג #400lb
מספר נדרש: 6
סטופריםBefenybayASIN: B0B1C6BPKQקוטר פנימי 10 mm, קוטר חיצוני 20 mm, רוחב 20 mm
מספר נדרש: 2

מקורות

  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.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

גלה מאמרים נוספים

מדידת הספק שרירגלגלת מודפסת בתלת-ממדגלגל שיניים עם פאוול (Ratchet Pawl)מד תאוצה של סמארטפוןאפליקציית Phyphoxניתוח נתונים ב-Pythonהוראת פיזיולוגיה של השרירהוראת ביומכניקה
מכשיר בעלות נמוכה למדידת קשרי כוח-מהירות של שרירים
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.