Method Article

Utilizzando un tapis roulant Split-cintura per valutare la generalizzazione dell'adattamento dell'apparato locomotore umano

DOI:

10.3791/55424

⸱

August 23rd, 2017

 ,  , 
1Physical Therapy, School of Health Technology and Management, Stony Brook University, 2Motor Learning Lab, Moss Rehabilitation Research Institute, Einstein Healthcare Network

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Descriviamo un protocollo per lo studio di adattamento dell'apparato locomotore umano utilizzando il tapis roulant di Spalato-cintura, che ha due cinghie che possono guidare ogni gamba ad una velocità diversa. In particolare ci concentriamo su un paradigma progettato per testare la generalizzazione dei modelli di locomotore adattati a diversi contesti a piedi (ad es., velocità di andatura, pochi ambienti).

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La comprensione dei meccanismi sottostante apprendimento motorio aiuta i ricercatori e i clinici ottimizzare andatura riqualificazione nell'ambito della riabilitazione motoria. Tuttavia, lo studio di apprendimento motorio umano può essere impegnativo. Durante l'infanzia e la fanciullezza, il sistema neuromuscolare è piuttosto immaturo, ed è improbabile che apprendimento motorio durante le prime fasi di sviluppo è governata dagli stessi meccanismi come in età adulta. Da tempo gli esseri umani raggiungono la maturità, essi sono così abili a camminare che è difficile a venire con un'attività sufficientemente romanzo allo Studio de novo di apprendimento motorio. Il tapis roulant di Spalato-cintura, che ha due cinghie che possono guidare ogni gamba ad una velocità diversa, permette lo studio di entrambi breve-(cioè, immediati) e a lungo termine (cioè, nei minuti-giorni; una forma di apprendimento motorio) andatura modifiche in risposta a una romanzo cambiamento nell'ambiente a piedi. Gli individui possono facilmente essere schermati per l'esposizione precedente a tapis roulant Spalato-cintura, assicurando così che tutti i partecipanti sperimentali non (o equivalente) esperienza pregressa. Questo articolo descrive un protocollo di adattamento tipica Spalato-cintura tapis roulant che incorpora i metodi di prova per quantificare l'apprendimento motorio e generalizzazione di questo apprendimento ad altri contesti a piedi. Una discussione di importanti considerazioni per la progettazione di tapis roulant Spalato-cintura esperimenti segue, tra cui fattori come la velocità del nastro tapis roulant, pause di riposo e distrattori. Inoltre, potenziali ma understudied variabili di confusione (ad es., movimenti del braccio, precedente esperienza) sono considerate nella discussione.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Un tapis roulant di Spalato-cinghia ha due cinghie che possono guidare ogni gamba ad una velocità diversa o in una direzione diversa. Questo dispositivo fu usato più di 45 anni fa come uno strumento per lo studio di coordinamento tra le gambe (cioè, coordinamento interlimb) durante la deambulazione1. Questo e altri studi iniziali utilizzata principalmente gatti come un modello sperimentale1,2,3, ma gli insetti sono stati anche studiati4. Le prime indagini di locomozione di Spalato-cintura nei neonati e negli adulti sono state pubblicate nel 1987 e 1994, rispettivamente5,6. Questi studi iniziali in animali umani e non umani studiato per lo più a breve termine (cioè, immediati) regolazioni in coordinamento interlimb per preservare la stabilità e la progressione in avanti quando le gambe sono spinti a velocità diverse. Uno studio del 1995 notato che lunghi periodi (alcuni minuti) di Spalato-cintura camminare alterato la capacità dei soggetti adulti con precisione percepire la velocità del nastro di tapis roulant e apportare modifiche di equalizzare velocità su ogni lato. Ciò suggerisce che il mapping sensorimotorio di camminare era stato ricalibrato7. Tuttavia, è non stato fino a che il primo rapporto cinematico di adattamento motore umano dettagliato oltre 10 minuti di camminata della pedana mobile di Spalato-cintura il 2005 è stato pubblicato8.

Adattamento del motore si intende un processo basato su errore, durante il quale vengono regolati sensorimotorio mapping dei movimenti ben istruiti in risposta a un nuovo, prevedibile domanda9. È una forma di apprendimento motorio che avviene dopo un periodo di pratica estesa (minuti a ore) e risultati in postumi, che sono i cambiamenti nel modello movimento quando la domanda viene rimosso e/o condizioni di tornare alla normalità. Ad esempio, camminando su Spalato-cinture inizialmente induce la gente a camminare con coordinamento interlimb asimmetrica, simile ad un limp. Nel corso di alcuni minuti di Spalato-cintura a piedi, persone adattare loro coordinamento a piedi in modo che loro andatura diventa più simmetrica. Quando le due cinghie successivamente tornare alla stessa velocità (cioè legato-cinture), ristabilendo normali condizioni a piedi, persone dimostrano postumi camminando con coordinamento asimmetrica. Questi postumi devono essere attivamente de-adattati o ignoranti per diversi minuti di nastro legato a piedi prima normale coordinamento a piedi è restaurato8.

Dopo il 2005 Reisman et al. 8 analisi cinematica della cintura di Spalato a piedi negli esseri umani, l'uso del tapis roulant Spalato-cintura in ricerca pubblicata è aumentato approssimativamente dieci volte rispetto al decennio precedente. Perché è il tapis roulant Spalato-cintura diventando sempre più popolare come uno strumento sperimentale? Split-cintura della deambulazione è chiaramente un'attività di laboratorio – l'analogico reali più vicino è tornitura o a piedi in un cerchio stretto, ma il tapis roulant Spalato-cintura induce una versione molto più estrema della tornitura, con una gamba sola essendo guidata due - a quattro volte più velocemente rispetto agli altri. Il fatto che il tapis roulant di Spalato-cintura è che un'attività altamente insolita a piedi offre diversi vantaggi per lo studio di apprendimento motorio. In primo luogo, è romanzo per la maggior parte delle persone indipendentemente dall'età e indipendente di camminare esperienza; è facile ai partecipanti sperimentale di schermo per novità di Spalato-cintura a piedi. In secondo luogo, il tapis roulant Spalato-cintura induce i cambiamenti consistenti in coordinamento interlimb che non sono risolti rapidamente. Le tariffe relativamente lente di adattamento e de-adeguamento ha permesso di studiare la formazione come i diversi interventi possono alterare queste tariffe senza avvicinarsi un soffitto. Terzo, la cinematica8,10, cinetica11,12,13,14, elettromiografici6,15,16 , e percettivo7,17,18,19 modifiche che si verificano con adattamento di Spalato-cintura tapis roulant sono state ben studiate, come ha il controllo neurale di questo compito20 ,21,22. In altre parole, gli adattamenti per il tapis roulant Spalato-cintura hanno stati documentati e replicati da diversi gruppi differenti, rendendo questo un compito di apprendimento motorio ben caratterizzati.

Negli ultimi dieci anni, diversi studi hanno dimostrato la natura di specifiche attività e contesto dell'adattamento di Spalato-cintura. Postumi dopo Spalato-cintura adattamento sono significativamente ridotti in ampiezza se vengono testati in condizioni diverse dalla condizione di allenamento. Ad esempio, postumi sono più piccoli se la persona viene spostata in un ambiente diverso (ad esempio, su un terreno a piedi23), esegue un compito motorio diverso (ad esempio, con le versioni precedenti camminando o correndo13, 24), o anche cammina ad una velocità che si differenzia dalla velocità del nastro più lento durante adattamento25. Sono in corso sforzi per stabilire i parametri che regolano la generalizzazione dell'adattamento dell'apparato locomotore.

L'obiettivo di questa carta è di descrivere un protocollo per l'utilizzo il tapis roulant Spalato-cintura per indagare l'adattamento dell'apparato locomotore umano e generalizzazione del modello adattato ad altri contesti a piedi (cioè, la velocità a piedi diverse e ambienti). Mentre il protocollo descritto qui è più direttamente derivata da quella utilizzata in Jade_vampire et al. 25 (Figura 1a), va notato che questo protocollo è stato informato da un certo numero di studi che lo hanno preceduto8,23,24,26, 27,28. Il metodo è stato originariamente sviluppato per verificare l'ipotesi che mantenere la costanza della velocità di deambulazione tra tapis roulant e negli ambienti di terra migliorerebbe la generalizzazione di Spalato-cintura a piedi attraverso questi diversi ambienti25. Nella sezione protocollo sottostante, diamo le istruzioni su come replicare questa versione del metodo split-cintura tapis roulant, con note che indicano come alcuni passaggi del protocollo possono essere modificati a fini di metodo diverso.

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Protocol

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tutte le procedure sono state approvate dal comitato di revisione istituzionale presso la Stony Brook University.

1. set-up sperimentale

Nota: fare riferimento al File supplementari 1-definizioni per le definizioni dei termini comuni utilizzati in esperimenti di tapis roulant Spalato-cintura.

  1. Schermo tutti i partecipanti per la precedente esperienza con il tapis roulant Spalato-cintura.
    Nota: Le persone hanno dimostrati di riadattare più velocemente per il tapis roulant di Spalato-cintura seguendo una precedente esposizione ad esso 29 , 30. La scala cronologica sopra che la gente " dimenticare " tapis roulant Spalato-cintura non è attualmente noto; quindi, precedente esperienza con il tapis roulant Spalato-cintura può essere una variabile di confusione se non è controllato.
  2. Condurre tutti i test in un ambiente tranquillo e ridurre l'attività in camera test.
  3. Set up un movimento sistema (secondo le istruzioni di sistema) di rilevamento di movimento discografico su un tapis roulant di Spalato-cintura e uno su terra passerella.
    Nota: ad esempio, l'attuale protocollo utilizzato un sistema di tracciamento con indicatori LED attivi del movimento. Quattro unità di sensore montato su treppiede rilevato la posizione tridimensionale dei marcatori attivi, con due unità collocati su entrambi i lati (destra e sinistra del tapis roulant) e due su entrambi i lati di un 7m passerella terra.
  4. Outfit il partecipante con motion tracking marcatori, elettromiografia, ecc.
  5. Considerare inclusa una partizione tra le due cinghie di tapis roulant Spalato-cintura per impedire le gambe da traversata sopra alla cintura controlaterale. Questa partizione non è strettamente necessaria per adulti neurologico intatto ma può essere utile per verificare se i bambini o popolazioni cliniche. Si noti che la presenza di una partizione probabilmente aumenta la larghezza di passaggio; Tuttavia, nella misura in cui questo problema riguarda Spalato-cintura adattamento è sconosciuta.
  6. Impostare un'imbracatura di sicurezza sopra il tapis roulant per proteggere il partecipante di cadere durante la camminata della pedana mobile.
    Nota: L'imbracatura non deve sostenere peso corporeo, a meno che non si tratta di parte della domanda di ricerca. Anche se cade durante la deambulazione di tapis roulant è eccessivamente raro, molte schede di etica di ricerca richiedono uso di imbracatura di sicurezza.
  7. Mantenere coerenza nel braccio di movimento tra il paradigma sperimentale e tra i partecipanti. Quando decidere il tipo di movimento del braccio (per es., holding di corrimani, oscillare le braccia naturalmente), si consideri che cosa sarà confortevole per il gruppo del soggetto e se forcellone tipico nasconderanno la visibilità degli indicatori critici utilizzati per movimento catturare ( ad esempio, per marcatori inseriti sui fianchi).
    1. Indipendentemente dal movimento del braccio, indicare tutti i partecipanti a tenere corrimano durante l'avvio e l'arresto il tapis roulant per sicurezza.
  8. Mantenere la coerenza nella pendenza attraverso il paradigma sperimentale.
    Nota: A nostra conoscenza, tutti i protocolli pubblicati Spalato-cintura tapis roulant, compresa quella attuale, hanno utilizzato zero pendenza per tapis roulant e oltre a piedi terra.

2. Periodo di previsione

Nota: lo scopo del periodo di riferimento è quello di stabilire quali coordinamento camminare normale è per ogni persona. Coordinamento della linea di base deve essere testato in tutte le condizioni in cui vengono testati postumi. Ad esempio, nel protocollo attuale, i postumi sono stati testati durante il tapis roulant e sopra terra camminare a velocità diverse (0,7 e 1,4 m/s). Pertanto, linea di base sopra terra e tapis roulant prove a 0,7 e 1,4 m/s sono stati inclusi. Questo consente un confronto diretto dei postumi per il coordinamento a piedi della linea di base alla stessa velocità e contesto. Sopra terra camminando basale prove possono essere eliminate quando gli obiettivi sperimentali non includono generalizzazione per sopra terra camminando.

  1. Per nel corso di prove di linea di base di terra, indicare al partecipante di camminare sopra la terra su una strada pedonale dove possono essere raccolti dati di cattura del movimento. Raccogliere un minimo di 10 cicli di falcata per stabilire la linea di base su terra a piedi.
    1. Se il motion capture sistema consente solo di motion capture all'interno di uno spazio limitato, che il partecipante eseguire diversi passaggi (ad esempio, prove) attraverso lo spazio di cattura del movimento. Alla fine di ogni prova, istruire il partecipante di fermarsi, girare in luogo e preparare per il ricercatore ' cue s per iniziare la prossima prova.
    2. Per ogni prova, assicurarsi che almeno due cicli di falcata sono eseguite all'interno dello spazio di cattura del movimento, non compresi i cicli di primo e l'ultimo passo.
      Nota: Questi cicli del passo iniziale e finale verranno scartati dalla analisi come sono passi di accelerazione/decelerazione, non allo steady-state camminando.
    3. Avere i partecipanti eseguire diverse (in genere 10) sopra terra camminando prove.
      1. Se si desidera una velocità specifica, hanno la passeggiata partecipante a quella velocità sul tapis roulant (il legato-cinture) a lui/lei familiarizzare con l'attività. Quindi, spostare nuovamente la passerella, istruire il partecipante a camminare alla stessa velocità come lui/lei ha fatto sul tapis roulant e tempo il partecipante durante ogni prova di sopra terra camminando. Dare un feedback verbale tra ogni prova per accelerare o rallentare giù, se necessario 25.
  2. Per le prove di linea di base di tapis roulant, indicare al partecipante di camminare su legato-cinture per un minimo di 1-5
    Nota: Ciò costituisce una prova singola linea di base. Se il partecipante è poco familiare con tapis roulant a piedi, questo periodo può essere allungato per permettere alla persona di sentirsi a proprio agio con il compito. Prove
    1. partita l'avanzamento della linea di base per l'avanzamento in cui verranno testati i postumi, per consentire il confronto di coordinamento pre- e post-adattamento di andatura a velocità equivalenti.
      Nota: Più prove di linea di base (cioè, blocchi di 1-5 min) alle diverse velocità del nastro legato possono essere richieste; ad esempio, nel protocollo attuale, prove di previsione alle velocità nastro legato di 0,7 m/s e 1,4 m/s sono stati raccolti perché quelle erano le velocità utilizzate per valutare gli post-effetti.

3. Tirocinio di adattamento

Nota: i partecipanti non devono essere istruiti che sono circa a piedi su Spalato-cinture. In molti esperimenti, compresa quella attuale, i partecipanti non sono detto se cinture sarà legato - o Spalato-; Essi sono semplicemente detto quando verrà a partire o fermare il tapis roulant. In tal caso lo sperimentatore misurare gli effetti di un cambiamento imprevisto nell'ambiente a piedi.

  1. Mentre il partecipante sta levandosi in piedi sui nastri tapis roulant stazionarie, avviare il tapis roulant Spalato-cintura con una cintura in esecuzione più velocemente rispetto agli altri e permettere al partecipante di camminare per almeno 7 minuti (10-15 min è più comune).
    1. Istruire il partecipante a guardare dritto, non giù ai loro piedi.
    2. Impostare una velocità del nastro più velocemente rispetto agli altri (ad es., 2-3 volte le differenze tra velocità del nastro).
      Nota: I rapporti di velocità più elevati sono stati utilizzati in passato 8 , 31. L'attuale protocollo utilizza 0.7:1.4 m/s per un rapporto di 2:1.
      1. Randomizzare quale gamba è guidato dalla cinghia più lenta o costantemente scegliere una gamba (dominante o non dominante) della gamba che è guidato dalla cinghia lenta.
      2. La velocità del nastro differenziale può essere introdotto gradualmente (velocità del nastro veloce è gradualmente aumentata e/o lento cintura velocità incrementalmente in diminuzione sopra parecchi min) o bruscamente (dalla posizione di fermo, cinture accelerano alla velocità di destinazione in pochi secondi).
        Nota: Il modo che Spalato-cinture vengono introdotti può interessare come adattano gli individui, quanto bene essi trasferire il modello adattato ai diversi ambienti a piedi, e quanto bene si adattano nuovamente a Spalato-cinture 24 h successive 27 , 32. attualmente, Spalato-cintura maggior parte dei protocolli a piedi (compreso quello attuale) introdurre le cinture Spalato bruscamente.
      3. Se si prevede che le interruzioni saranno necessari (ad es., per bambini piccoli, anziani o persone con mobilità limitata), aggiungere pause di riposo predeterminata al protocollo per tutti i partecipanti. Assicurarsi che la lunghezza di queste rotture sia coerenza; interruzioni impreviste devono essere registrate e temporizzate, come questo può essere un fattore da considerare nell'analisi 33.

4. Prendere la prova

Nota: Catch prove sono eseguite sul tapis roulant (legato-cinture) e vengono utilizzate per testare brevemente il partecipante ' postumi s finora nel protocollo, che indica quanto si sono adattati. Una prova di cattura è un breve (solitamente < 20 s) periodo di cintura legata a piedi per valutare rapidamente lo sviluppo di effetti collaterali durante il periodo di adattamento di Spalato-cintura.

  1. Una volta il partecipante è completamente adattato a Spalato-cinture (minimo 7 min a piedi Spalato-cintura), brevemente interrompere le cinture e riavviare il tapis roulant con entrambe le cinture in esecuzione alla stessa velocità. Eseguire la prova di cattura avviando il tapis roulant alla stessa velocità come la cintura più lenta durante l'adattamento di Spalato-cintura 28 come postumi sarà più grande qui.
    1. Per massimizzare l'ampiezza di dopo-effetto successivo adattamento di Spalato-cintura a 0.7:1.4 m/s, eseguire la prova di cattura a 0,7 m/s.
  2. Per attenuare de-adattamento, terminare il processo di cattura (cioè, arrestare il tapis roulant) una volta che il partecipante ha fatto passi da circa cinque presso il desiderato prendere prova velocità (~ 10-15 s).
  3. Per valutare i postumi in prove di cattura eseguita alle più diverse velocità a piedi (o altre modifiche a pochi contesti, ad esempio, in avanti e indietro a piedi 24), ri-adattare il partecipante per almeno 2 min su Spalato-cinture tra ogni cattura prova.
    Nota: L'ordine di cattura prove deve essere randomizzato 25 e/o la prima prova di cattura dovrebbe essere ritestata vicino alla fine del periodo di adattamento per determinare se ci fosse una sistematica diminuzione nella dimensione di ripercussione con ripetute di commutazione tra legato-cinture (cattura prove) e Spalato-cinture (riadattamento) 28.
  4. Seguendo l'ultimo prendere trial, arrestare il tapis roulant e riavviarlo con Spalato-cinture (stessa configurazione di adattamento - Vedi punto 3.1.2) per 2-5 min consentire al partecipante di riadattare.

5. Post-adattamento-test postumi durante sopra terra Walking

Nota: questo passaggio è facoltativo e dipende dagli obiettivi dell'esperimento. Nel presente protocollo, gli obiettivi incluso valutazione di generalizzazione per sopra terra a piedi, così un post-adattamento nel corso di test a terra era periodo incluso.

  1. Arrestare il tapis roulant e trasferire il partecipante agli oltre terra passerella utilizzando una sedia a rotelle, per impedire che i partecipanti non registrati passi prima di raggiungere l'area di registrazione.
  2. Istruire il partecipante a camminare lungo la passerella sopra-terra, come descritto al punto 2.1.
    1. Se si desidera una specifica velocità di camminata, istruire gli individui per replicare la linea di base a piedi velocità 25.
    2. Completamente wash-out sopra terra camminando postumi così che persone tornano al loro coordinamento della linea di base, hanno i partecipanti eseguire 10-15 a piedi passa su un 6 m sopra la passerella di terra
      Nota: Questo ha dimostrato di essere sufficiente 26 , 27 e ammonta a circa 30 passi 27. Se sopra la terra a piedi non è continuamente registrati (ad esempio, diversi passaggi sono presi attraverso l'area di registrazione), ci saranno diversi passaggi che non vengono analizzati tra ciascuno sopra terra camminando prova, come il partecipante rallenta, si trasforma in luogo, e inizia a camminare nella direzione opposta. Il tasso di de-adattamento nel corso di studi post-adattamento (OG PA) terra deve essere interpretato con cautela, a meno che il set-up sperimentale consente registrazione continua sulla terra a piedi.

6. Post-adattamento-test postumi durante il tapis roulant a piedi

Nota: come nel passaggio 5, questo passaggio è facoltativo e dipende gli obiettivi di studio. Se un periodo di OG PA è stato incluso, il periodo post-adattamento di tapis roulant successive prove per la presenza di postumi dopo tapis roulant sopra postumi di terra sono state slavato 23 , 26 , 27. se non c'era nessun periodo di OG PA, il periodo di post-adattamento tapis roulant può essere utilizzato per valutare gli post-effetti tapis roulant (prima 1-5 falcate di post-adattamento) e/o de-adattamento tapis roulant prezzo 22 , 29 , 34.

  1. Se non c'era nessun PA OG, alla fine del periodo di adattamento, una breve sosta il tapis roulant e ri-iniziare con cinture legato. Se ci fosse un over terra breve periodo, utilizzano la sedia a rotelle per il trasporto il partecipante torna al tapis roulant stazionarie e ri-iniziare con cinghie legato; la carrozzina è importante ridurre al minimo il numero di passaggi che non vengono registrati.
    1. Di misurare semplicemente la dimensione post- dell'effetto, registrare cintura legata a piedi per un breve periodo (ad esempio, 30 s). Al fine di valutare i tassi di-adattamento, registrano continuo cintura legata a piedi per un minimo di 10 min per garantire completa sbiaditura di postumi.
    2. Impostare la velocità di cinghie legato durante il periodo post-adattamento secondo le ipotesi poste, come il tapis roulant più grande postumi si verificano quando la velocità del nastro legato corrisponda a quella della cinghia più lenta durante l'adattamento di Spalato-cintura 25 , 28. Se adattamento viene eseguita ad una velocità di Spalato-cintura di 0,7 e 1,4 m/s, impostare la velocità del nastro legato a 0,7 m/s per osservare gli post-effetti più grandi.

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Results

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Camminare su un tapis roulant di Spalato-cintura inizialmente provoca grandi asimmetrie nel coordinamento interlimb. Per un periodo di 10-15 min, simmetria in molte di queste misure viene gradualmente ripristinato. Descrizioni dettagliate di come cinematica a piedi parametri cambia sopra il corso di adattamento tapis roulant Spalato-cintura stato pubblicato altrove8,10. Questo documento si concent...

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Discussion

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Numerosi studi hanno ora dimostrato che persone adattarsi andatura coordinamento su un tapis roulant di Spalato-cintura al fine di ristabilire la simmetria nei parametri di coordinamento interlimb come lunghezza del passo e supporto doppia durata. Quando condizioni naturali a piedi sono restaurato seguente Spalato-cintura a piedi, i partecipanti continuano utilizzando il modello di andatura adattato, che conduce a conseguenze che devono essere ignoranti per tornare alla normale coordinamento a piedi. I ricercatori utiliz...

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Disclosures

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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgements

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Questo lavoro è stato finanziato da un americano cuore associazione scienziato Development Grant (#12SDG12200001) a E. Vasudevan. Affiliazione corrente di R. Hamzey è il dipartimento di ingegneria meccanica, Boston University, Boston, MA, USA. Affiliazione corrente di E. Kirk è il reparto di MGH Institute di professioni sanitarie della terapia fisica.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Tapis roulant a cinghia divisaWoodway
Codamotion CX1Charmwood Dynamics, Ltd, Leicestershire, Regno Unito

References

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