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著者は、本名誉論文（GC）の基礎となったキャップストーンプロジェクトに参加した、筋肉生物学（UML BIOL4890, 2023–2025）の履修学生およびローレンス高校（マサチューセッツ州ローレンス）の学生に感謝いたします。また、継続的なサポートをいただいたAurora Scientific社のMatthew Borokowski氏、ならびにUMLのコース向けに指屈筋モジュールの開発&#160;および導入に尽力したVictoria Flint氏とSamuel DeLap氏に感謝いたします。さらに、解析手法において助言をいただいたDaniel Bartlett氏とDarrell La氏に感謝いたします。本研究は、UMass Lowell Honors Collegeのフェローシップ（GC宛て）および国立科学財団（助成番号 2217246）、ならびにUMass Lowellからのスタートアップ資金（NK宛て）による支援を受けて行われました。

<ol>
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</ol>

著者らに開示すべき事項はありません。

教室でのヒト筋肉の力–速度およびパワー–速度関係の測定において、低コストの装置がゴールドスタンダードであるエルゴメーターの代替案として検証されました。
検証結果は、低コストで、したがって経済的および技術的により入手しやすい装置が、ゴールドスタンダードのエルゴメーターを用いて得られた測定値と統計的に区別がつかない測定値を生成できるという主張を裏付けています。高品質な力-速度およびパワー-速度関係を生成できる低コスト装置の能力は、教室での教育ツールとしての有用性を支持しています。しかしながら、5つのパフォーマンス変数のうち1つしか両方のTOST基準を満たさなかったという検証結果は、この低コスト装置がゴールドスタンダードのエルゴメーターに代わる研究グレードの代替品としては適さない可能性を示唆しています。
この低コスト装置の主な利点はその手頃な価格にあり、ゴールドスタンダードのエルゴメーターが約$30,000であるのに対し、総コストは$300未満です。追加の要件として、3Dプリンターとスマートフォンの利用環境が必要です。しかし、これら...

横紋筋は、ヒトやその他の動物において骨格運動を生成するモーターの役割を果たしています。その独自の階層的構成を理解することは、力の発生や仕事の産生に影響を与えるクロススケール要因があるため、困難を伴います1,2。おそらくこうした複雑さがあるため、教育者が筋機能の基本的かつ最も興味深い側面を適切に示すためのツールを欠いていることから、解剖学および生理学のカリキュラムにおいて筋機能が軽視される傾向にあります3,4,5,6。
筋肉の機能は、歴史的にいくつかの不変のパラダイムを通じて説明されてきましたが、その中でも最も広く認識されているのが、約1世紀前にArchibald Vivian Hillによって初めて定義された力-速度トレードオフです1,2,3,4,5,6。この基本的な生理学的関係は、筋肉の収縮速度と力の間のトレードオフを記述しており、等尺性収縮または極めて低速の短縮収縮が一般に最も強く、最大筋力（Fmax）を生成する一方で、最大筋速度（Vmax）に近い最速の等張性収縮は通常、最も弱くなります1。Hillが1938年に力-速度-パワー（FVP）関係を記述した際、今なお彼の名を冠する関数を導入しました。Hillの式（式1）は、等尺性収縮（筋肉の両端が固定された状態）時に発生するピークフォースと、外荷重がない状態で達成されるピーク速度を関連付けるものです。
式 1：&#160;(v + b) (F + a) = b (Fmax + a)
ここで、vは短縮速度、Fは筋力、Fmaxは最大等尺性筋力、そしてaおよびbは&#160;力–速度関係および筋短縮のエネルギー特性を表す定数である1。
この基本的な関係の中には、FVP関係を定義する5つの定量的パラメータによって表される、筋肉機能のいくつかの重要な概念が含まれています。瞬時の筋力と速度の積はパワーであり、これは通常、最大値（P最大値) Vの約3分の1のところで最大値7〜の速度で&#160;&#160;P最大&#160;は、最適速度（V）と呼ばれます。最適化）、および短縮速度の範囲内（Vから0 ～すること最大）は、力–速度関係およびパワー–速度関係における重要な特性である。例えば、より大きなV最適化 その結果、より高い短縮速度でピークパワーが発揮されることになる。力-速度関係において、ピーク力（F最大)およびピーク速度（V最大) は、中間的な力-速度関係によって曲線的に結ばれている（図5A）。本手法を用いて得られた代表的な力－速度およびパワー－速度関係を、以下に示す。 図1.&#160;この曲線の傾きは力–速度曲率と呼ばれ、速度の増加に伴う力の低下率を表します。曲率は以下のように定義されます。 a/F最大値8ここで、aは&#160;負荷のない短縮筋による摩擦熱発生量を定量化するヒルの方程式における熱力学的定数1曲率はVの配置に影響を及ぼす。最適化 力–速度曲線上にあり、特定の短縮速度において筋肉がどれだけの力を発生させることができるかを決定します。曲率&#160;また、筋パワー比（式2）を用いて記述されています。9.&#160;
式 2:&#160;&#160;<img alt="式 2" src="/files/ftp_upload/71757/71757eq2.jpg" style="margin:auto;" />
ここで、Pmaxは最大筋出力、VmaxおよびFmaxはそれぞれ最大短縮速度および最大等尺性筋力を示す。
力-速度およびパワー-速度関係の直感的な性質は、生命科学の教室で筋肉機能を教える際の効果的な導入点となります。学生に実践的な機会を提供してFVP関係へのより完全な理解を深めてもらうことの重要性は、実践的な学習が知識の定着を改善することが示されているという事実によって強調されます10。さらに、実験的な学習は、基礎的な科学的文脈における筋肉機能の評価、および傷害予防、リハビリテーション、フィジカルトレーニングを含むヘルスケア職への準備の両面において、その基礎を強化することが知られています。
デュアルモード・サーボモーター・レバーシステムなどの筋肉の生理学的特性を測定するための従来の器具は、極めて精密で正確ですが、コストが非常に高く、そのためほとんどの教室環境への導入には大きな障壁となっています7。これらの制限を解消し、実践的な学習機会を拡大するために、低コストの代替案が開発されました。この装置は、ラチェットとパウルギアを組み込んだ3Dプリント製のプーリーを中心に構成されており、市販のスロット付きアルミニウムレール、硬いワイヤー、および無料のデータ収集アプリケーションを実行するキャディ搭載のスマートフォンを使用しています（図2）。専用の加速度測定装置ではなくスマートフォンを選択したのは、スマートフォンが広く普及しており、通常、正確で堅牢な加速度計が搭載されているためです11。科学的な測定装置としてのスマートフォンの有用性は、市販のスマートフォン加速度計が火星ヘリコプター「インジェニュイティ」の慣性計測装置に組み込まれた例を含め、以前に実証されています12。
筋生理学を教えるための低コストのツールはいくつか存在するが、それらは異なる概念を対象としている。Judgeら6は、&#160;筋肉の電気活動を記録するための手頃なSpikerBoxベースのアクティビティを開発し、Medeirosら10は、タイチンの力学を実証するための低コストな2次元サルコメアモデルを作成した。しかし、収縮するヒト筋肉のFVP関係を直接測定し、研究レベルに匹敵する定量的なデータを生成できる低コストのツールはまだ存在しない。本装置は、300ドル未満でゴールドスタンダードとして検証されたFVP測定を提供することで、このギャップを埋めることを目的としている。
本研究では、業界のゴールドスタンダードとのクロスバリデーションを用いた、低コストなFVP装置の構築について報告する。バリデーション解析は、両方の装置を用いて同一の被験者から測定された、認められている5つのFVP要約変数のペア比較に基づいている。これらの解析では、両方の装置が同等の力-速度曲線およびパワー-速度曲線を生成するという仮説を検証する。クロスバリデーションに成功すれば、この低コスト装置は、実験の精度と科学的な厳密さを維持しつつ、装置導入の財政的ハードルを下げることで、筋生理学および筋骨格バイオメカニクスの教室での研究を民主化できる。この低コスト装置により、筋解剖学をすでに学習・指導している世界中の生理学およびバイオメカニクスの教室の学生や教育者が、筋肉の最も基礎的な関係の一つを実践的に探究することが可能になると期待される。生理学的測定値を生成するハンズオン活動を取り入れることで、教室ではマルチモーダルな理解と知識定着率の向上が達成される。

<table><tbody><tr><td>1.25 kg 分銅</td><td>NEXO Fitness</td><td>ASIN: B09JHQ6QB8</td><td>約 1-2 kg の汎用分銅で代用可能&lt;br/&gt; 必要数: 2</td></tr><tr><td>3Dプリンター用タイミングベルト</td><td>&amp;lrm;3Dプリンターベルト 10m</td><td>ASIN: B08974S1CC</td><td>汎用の3Dプリンター用タイミングベルト（ピッチ 2mm、幅 6mm、ゴムおよびガラス繊維製）で代用可能&lt;br/&gt; 必要数: 1</td></tr><tr><td>3DPart1 - インナーギア</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>補足STLファイルを参照 - ABSでプリント&lt;br/&gt; 必要数: 1</td></tr><tr><td>3DPart2 - アウターギア</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>補足STLファイルを参照 - ABSでプリント&lt;br/&gt; 必要数: 1</td></tr><tr><td>3DPart3 - キー</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>補足STLファイルを参照 - ABSで3-5個プリント&lt;br/&gt; 必要数: 1</td></tr><tr><td>3DPart4 - フォースキャリー</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>補足STLファイルを参照 - PLAでプリント&lt;br/&gt; 必要数: 1</td></tr><tr><td>アルミビーム（長）</td><td>80/20 inc</td><td>1020</td><td>1 in x 2 in x 32 in&lt;br/&gt; 必要数: 1</td></tr><tr><td>アルミビーム（短）</td><td>80/20 inc</td><td>1010</td><td>1 in x 1 in x 12 in&lt;br/&gt; 必要数: 2</td></tr><tr><td>アルミフレーム用ファスナー / 安全ボルト</td><td>80/20 inc</td><td>4108</td><td>&amp;nbsp;必要数: 3</td></tr><tr><td>アームブレース</td><td>&amp;nbsp;FEATOL</td><td>ASIN: B0CGX8QZ3C</td><td>汎用のアームブレースで代用可能&lt;br/&gt; 必要数: 1</td></tr><tr><td>アームレスト用セルラーポリ塩化ビニルブロック</td><td>Azek board</td><td>8/4 X Thickness Traditional Only</td><td>14 in x 6 1/2 in x 3/4 in&lt;br/&gt; 必要数: 14</td></tr><tr><td>カラビナ</td><td>Rewoalzx</td><td>ASIN:&amp;nbsp; B0FB3VYV3N&amp;nbsp;</td><td>必要数: 2</td></tr><tr><td>クロム合金鋼ボールベアリング</td><td>uxcell</td><td>UXCELL 6900 2RS - ASIN: B07FVX92MJ</td><td>寸法：内径 10 mm、外径 22 mm、幅 6 mm。&lt;br/&gt; 必要数: 1</td></tr><tr><td>Excel/スプレッドシート</td><td>Microsoft</td><td>Excel</td><td>任意の表計算ソフトで代用可能&lt;br/&gt; 必要数: 1</td></tr><tr><td>フィンガーブレース</td><td>Sopito</td><td>ASIN:&amp;nbsp; B0B5C6RWR4&amp;nbsp;</td><td>汎用のフィンガーブレースで代用可能&lt;br/&gt; 必要数: 1</td></tr><tr><td>IGOR 8 PRO</td><td>Wavemetrics.com</td><td>8 PRO</td><td>Aurora Scientific Apparatus と共に、a/Fmax 計算に使用&lt;br/&gt; 必要数: 1</td></tr><tr><td>大型セルラーポリ塩化ビニルボード</td><td>Azek board</td><td>8/4 X Thickness Traditional Only</td><td>6 3/4 in x 7 in x 3/4 in&lt;br/&gt; 必要数: 2</td></tr><tr><td>金属製アクスル</td><td>Generic</td><td>ASIN: B0CC8T8X77</td><td>鋼棒 厚さ 9.97 mm、長さ 45 cm&lt;br/&gt; 必要数: 1</td></tr><tr><td>マルチストランド鋼ワイヤー&amp;nbsp;</td><td>Catch All Tackle</td><td>ASIN: B00JTWDSQS</td><td>直径 1.4mm、定格 #400lb&lt;br/&gt; 必要数: 2</td></tr><tr><td>スマートフォンホルダー</td><td>Tribe</td><td>ASIN: B00SXRXUFE</td><td>必要数: 1</td></tr><tr><td>Phyphoxアプリ</td><td>Phyphox.org</td><td>N/A</td><td>Apple App Store または Google Play ストアからダウンロード&lt;br/&gt; 必要数: 1</td></tr><tr><td>Pythonスクリプト</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>ダウンロード可能：補足資料 1 muscle_velocity_gui.py&lt;br/&gt; 必要数: 1</td></tr><tr><td>小型セルラーポリ塩化ビニルボード</td><td>Azek board</td><td>8/4 X Thickness Traditional Only</td><td>1 in x 3 1/4 in x 3/4 in&lt;br/&gt; 必要数: 1</td></tr><tr><td>スマートフォン</td><td>Apple</td><td>IPhone 11</td><td>加速度計を搭載した任意のスマートフォンで代用可能&lt;br/&gt; 必要数: 1</td></tr><tr><td>鋼ワイヤー用クリンプ</td><td>Catch All Tackle</td><td>ASIN: B00JTWDSQS</td><td>定格 #400lb&lt;br/&gt; 必要数: 6</td></tr><tr><td>ストッパー</td><td>Befenybay</td><td>ASIN: B0B1C6BPKQ</td><td>内径 10 mm、外径 20 mm、幅 20 mm&lt;br/&gt; 必要数: 2</td></tr></tbody></table>

筋力-速度関係を測定するための低コスト装置

A Low-Cost Apparatus for Measuring Muscle Force&#8211;Velocity Relationships

筋力、収縮速度、およびパワーの関係は、生理学において1世紀近くにわたるパラダイムであり、筋骨格機能の理解における基盤となっています。しかし、このパラダイムは、必要な装置が高額であるため、生理学やバイオメカニクスの講義で直接研究されることは稀です。本研究では、3Dプリントされたプーリーシステムとラチェットおよびポール機構を組み込み、無料のPhyphoxアプリケーションを用いてスマートフォンの加速度計でヒトの指筋からの力・速度・パワーデータを容易に収集・構成できる、低コストな装置の設計と検証を目的としました。カスタムのPythonスクリプトにより、加速度計の生測定値を速度およびパワー出力に変換し、それらを被験者ごとにゴールドスタンダードであるデュアルモードレバーシステムを用いて得られた測定値と比較しました。5つの要約変数（最大筋力 Fmax、最大速度 Vmax、最大パワー Pmax、最適速度 Vopt、および力–速度曲率 a/Fmax）のペア比較の結果、2つの装置を用いて収集された力・速度・パワーデータの間に統計的に有意な差は認められませんでした（対応のあるt検定、p &#62; 0.05）。したがって、データ品質を大幅に低下させることなく、この安価な装置はバイオメカニクスおよび生理学的原理を教え、研究するための、アクセシビリティが高く安全で費用対効果に優れた手段を提供します。本装置は、特に世界中の資金不足や資源が限られた教育現場において、筋生理学およびバイオメカニクスの教育を民主化する可能性を秘めています。

同一の実験プロトコルの下で各システムの機能的出力を評価するため、ゴールドスタンダードのエルゴメーターと低コスト装置の両方を用い、学部生のサンプル（N = 15）から力–速度およびパワー–速度データを収集した。個々の被験者のデータは図1に、各装置の要約データは図3に示している。
この低コストの装置が、ゴールドスタンダードであるエルゴメーターの教室での代替品となり得るかを、要約変数のペア比較（Table 1）、等価性に関する2つの片側検定（TOST）（Table 2）、および両装置によって生成された力-速度およびパワー-速度関係の統計的パラメトリックマッピング（SPM）解析（Figure 4）を用いて評価しました。装置間の統計的な差を評価するために対応のあるt検定を用い、2つのシステムからの測定値があらかじめ定義された等価性マージン内で統計的...

安価な材料、3Dプリントされたギア、スマートフォンの加速度計、およびPythonフリーウェアを用いて、ヒトの筋肉の力・速度・パワーの関係を測定するための、アクセシブルで低コストな装置を開発しました。ゴールドスタンダードであるエルゴメーターを用いて検証した結果、生理学的に妥当な測定値が得られることが示され、学部生の教室環境において公平な体験型学習の機会を提供することが可能となりました。

筋力、収縮速度、およびパワーの間の関係は、生理学における1世紀近くにわたるパラダイムであり、我々の...の基礎となるものです。

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Research

JoVE Journal

Biology

生物学

単離骨格筋のミオ - 機械的分析

このビデオでは、外科的な準備やラット内側腓腹筋の筋標本の収縮反応を研究するために必要な手順を示しています...

ラットのための手順<em&gt;その場で</em&gt;骨格筋収縮特性

我々は、直接筋力、筋パワー、収縮動態との単離された骨格筋の疲労を測定する方法を説明します...

隔離された骨格筋の収縮、倦怠感や交互の ex vivo での評価

力の測定は、開発、傷害、疾病、治療または化学毒性による筋機能の変化を示すために使用することができる。このビデオでは、我々は、ゼブラフィッシュ幼生体幹筋の最大収縮時の力を測定する方法を示しています。...

ゼブラフィッシュ幼生における筋機能を評価するために、収縮時の力測定

我々は、動的な活動中にミリ秒以下の時間分解能で、筋肉の収縮速度、歪みやひずみ率を測定するための新しい超音波ベースのベクトル組織ドプライメージング技術について説明します。このアプローチは、動的な筋機能の補完的な測定値を提供し、筋骨格障害のメカニズムのよりよい理解につながる可能性があります。...

筋骨格超音波画像の新規応用

化学的に皮を剥がれ、または透過化、骨格筋線維の収縮特性の分析は、単一の筋細胞のレベルでの筋機能を評価することにより、強力な手段を提供しています。この記事では、製造するのに有効かつ信頼性の高い技術の概要を説明し、試験は、in vitroでの骨格筋線維を透過処理しました。...

透過性に骨格筋線維によって生成される最大等尺性力の測定

ここでは、筋肉の膜特性を調べる新しい方法である筋肉速度回復サイクル(MVRC)の記録のためのプロトコルです。MVRCは、筋肉膜の電位および病理に関する筋肉イオンチャネル機能の変化のインビボ評価を可能にし、神経原性筋における筋脱分極の実証を可能にする。...

筋肉の膜の特性を調べるために筋肉の速度回復サイクル

がんに関連する疲労の運動面を客観的かつ定量的に測定するシンプルでアクセス可能な方法を開発しました。単純なハンドグリップ装置を用いた物理的疲労試験の管理方法と疲労指数の計算方法について詳しく説明します。...

ハンドヘルドダイナモメーターを用いた癌関連疲労の運動面の測定

ここで提示されるプロトコルは、ナノニュートン分解能を有する線条筋筋筋線維の収縮特性を評価する。このプロトコルは、干渉法ベースの光学力プローブを用いたセットアップを採用しています。この設定は、高い信号対雑音比を持つデータを生成し、myofibrilsの収縮運動の評価を可能にします。...

骨格筋生検からミオフィブリルを分離し、ナノニュートン分解力トランスデューサーによる収縮機能を決定する

本プロトコールは、麻酔ブタにおける一般的な腓骨神経の電気刺激を介して得られたin...

インビボ ブタからの後肢背筋アイソメトリックトルクの測定

ここでは、経皮的筋肉刺激を使用して、ラット足底屈筋のトルク-角速度-出力関係 をin vivoで 非侵襲的に測定するための新しいプロトコルを提示します。このセットアップにより、力変換器/長さコントローラー...

ラット足底屈筋の in vivo における 定荷重 (等張) および等速 (等速) トルク - 速度 - パワープロファイルの構築

このプロトコルは、前十字靭帯再建術後のトルクと速度の関係をどのように評価できるかを示すことを目的としています。...

トルク-速度関係を用いた前十字靭帯再建後の回復を定量化する

University of Massachusetts Lowell.  An accessible, low-cost apparatus for measuring human muscle force–velocity–power relationships was developed using inexpensive materials, a 3D-printed gear, a smartphone accelerometer, and Python freeware. Validation against a gold-standard ergometer demonstrated physiologically relevant measurements while providing equitable, hands-on learning opportunities in an undergraduate classroom setting.

筋力-速度関係を測定するための低コスト装置

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