Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Onderste ledematen biomechanische analyse van gezonde deelnemers

8.5K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/60720

⸱

15 april 2020

 , 
1Orthopaedic Research Institute, Bournemouth University

In dit artikel

Samenvatting

Dit artikel introduceert een uitgebreide experimentele methodologie op twee van de nieuwste technologieën beschikbaar om de onderste ledematen biomechanica van individuen te meten.

Samenvatting

Biomechanische analysetechnieken zijn nuttig bij de studie van menselijke beweging. Het doel van deze studie was om een techniek in te voeren voor de biomechanische beoordeling van de onderste ledematen bij gezonde deelnemers met behulp van commercieel beschikbare systemen. Aparte protocollen werden geïntroduceerd voor de gang analyse en spierkracht testen systemen. Om maximale nauwkeurigheid voor gangbeoordeling te garanderen, moet aandacht worden besteed aan de markerplaatsingen en de acclimatisatietijd van de loopband op eigen tempo. Op dezelfde manier, deelnemer positionering, een praktijk proef, en verbale aanmoediging zijn drie kritische stadia in spierkracht testen. Het huidige bewijs suggereert dat de methodologie die in dit artikel wordt beschreven, effectief kan zijn voor de beoordeling van biomechanica met een lager been.

Inleiding

De discipline van de biomechanica omvat voornamelijk de studie van stress, spanning, belastingen en beweging van biologische systemen - zowel vaste als vloeiende. Het omvat ook het modelleren van mechanische effecten op de structuur, grootte, vorm en beweging van het lichaam1. Voor vele jaren, ontwikkelingen op dit gebied hebben ons begrip van normale en pathologische gang, mechanica van neuromusculaire controle, en mechanica van de groei en vorm2verbeterd.

De belangrijkste doelstelling van dit artikel is om een uitgebreide methodologie te presenteren over twee van de nieuwste technologieën die beschikbaar zijn om biomechanica van lagere ledematen van individuen te meten. Het ganganalysesysteem meet en kwantificeert gangbiomechanica met behulp van een self-paced (SP) loopband in combinatie met een augmented reality-omgeving, die een SP-algoritme integreert om de snelheid van de loopband te reguleren, zoals beschreven door Sloot etal. 3. De spiersterkte testapparatuur wordt gebruikt als een beoordeling en een behandeling instrument voor bovenste extremiteit revalidatie4. Dit apparaat kan objectief een verscheidenheid aan fysiologische bewegingspatronen of taaksimulatietaken in isometrische en isotone modi beoordelen. Het is momenteel erkend als de gouden standaard voor bovenste ledematen sterkte meting5, maar het bewijs met betrekking tot specifiek de onderste ledemaat blijft onduidelijk. Dit document legt het gedetailleerde protocol voor het voltooien van een beoordeling van gang en isometrische sterkte voor de onderste extremiteit.

Binnen de biomechanische analyse is het nuttig om beoordelingen van functionele prestaties (zoals loopanalyse) te combineren met specifieke tests van spierprestaties. Dit komt omdat, terwijl kan worden aangenomen dat verhoogde spierkracht verbetert de functionele prestaties, dit kan niet altijd duidelijk6. Dit inzicht is nodig voor een betere toekomstige opzet van revalidatieprotocollen en onderzoeksstrategieën om deze benaderingen te beoordelen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

De gerapporteerde methode werd gevolgd in een studie die ethische goedkeuring kreeg van de Bournemouth University Research Ethics Committee (Referentie 15005).

1. Deelnemers

  1. Rekruteer gezonde volwassenen (in de leeftijd van 23 tot 63 jaar, gemiddelde ± S.D.; 42,0 ± 13,4, lichaamsmassa 70,4 ± 15,3 kg, hoogte 175,5 ± 9,8 cm; 15 mannen, 15 vrouwtjes) om deel te nemen aan de studie. Dertig deelnemers werden aangeworven voor dit onderzoek.
  2. Zorg ervoor dat er geen zelfgerapporteerde geschiedenis van duizeligheid, evenwichtsproblemen of loopproblemen bij de deelnemers is.
  3. Zorg ervoor dat de deelnemers geen last hebben van een bekende neuromusculaire verwonding of aandoening die het evenwicht of het lopen.

2. Opstelling en procedures voor loopanalyse

  1. Gebruik een loopanalysesysteem(figuur 1)bestaande uit een loopband met dubbele gordels, een bewegingsopnamesysteem met 10 camera's en een virtuele omgeving die optische stroom biedt.
  2. Zorg ervoor dat de deelnemer zeer strakke niet-reflecterende kleding draagt, zoals een fietsbroek of legging.
  3. Met behulp van dubbelzijdige kleefbanden bevestig 25 passieve reflecterende markers en plaats volgens de onderlichaam configuratie van het Menselijk Lichaam Model (HBM)7 zoals beschreven in tabel 1 en figuur 2. De informatie in dit document is afkomstig uit het HBM Referentiehandboek8.
  4. Gebruik een gezamenlijke liniaal om metingen te doen van de vereiste knie- en enkelbreedtes voor de HBM6.
  5. Beveilig de deelnemer aan een veiligheidsharnas dat is bevestigd aan een bovenframe.
  6. Start een nieuwe sessie in de database en zorg ervoor dat deze actief is (gemarkeerd).
  7. Maak met het tabblad Onderwerp een nieuwe deelnemer via de knop Skeletlabeling.
  8. Blader naar het bestand 'LowerLimb HBM_N2.vst' en voer de naam van de deelnemer in. De nieuwe deelnemer wordt weergegeven in het deelvenster Onderwerpen.
  9. Ga naar het deelvenster Gereedschappen en open het tabblad Onderwerpvoorbereiding.
  10. Nul niveau van de forceplates via de Hardware tab. Zorg ervoor dat er geen gewicht wordt uitgeoefend op de kracht platen.
  11. Bereid de deelnemer voor op de ROM-proef door ze klaar te hebben in het midden van de loopband.
  12. Om ervoor te zorgen dat de deelnemer zich kan aanpassen aan de loopband op eigen tempo, vraag hem dan om aan het begin van desessie,5 minuten lang 5 minuten telopen.
  13. Na de acclimatisatie en zonder enige vertraging, vraag de deelnemer om te lopen voor een minimum van 5 min10,11.
  14. Zorg ervoor dat de deelnemers blind zijn voor de timing van de opnames.
  15. Zorg ervoor dat u de loopband start en gegevensopnamen start door op de knop Startopname 12te klikken. Dit kan met geïntegreerde software (Table of Materials).
  16. Stop de opname na het verkrijgen van de gewenste hoeveelheid gegevens. Het wordt aanbevolen om drie sets van 25 cycli te verzamelen.
  17. Open de verwerkingssoftware (Tabel van materialen) en verwijder de hoogfrequente ruis op gegevens, door een low-pass filter te selecteren op de markergegevens, zoals een butterworth-filter met tweede orde met een cut-off frequentie van 6 Hz.
  18. Ga naar Bestanden selecteer Exporteren om op te slaan als csv.
  19. Bepaal individuele passen op basis van verticale krachtgegevens en gebruik de voetmarkeringen om ganggebeurtenissen vast te stellen13.
  20. Analyseer de gangparameters zoals kinematische, kinetische en ruimtelijk-temporele gegevens in Matlab R2017a (Aanvullend Bestand).

3. Opstelling en procedures voor spierkrachttest

  1. Gebruik de spierkrachttestapparatuur (multimodale dynamometer) (figuur 3) om de spierkracht van de deelnemers te meten op basis van maximale vrijwillige isometrische contractie (MVIC)14.
  2. Bevestig het gereedschap/padnummer 701 aan de oefenkop van de dynamometer.
  3. Test deelnemer rechter en linker knie isometrische spierkracht.
  4. Test deelnemers in een zittende positie op een stoel met rugleuning.
  5. Met behulp van de omhoog/omlaag schakelaar, lijn de dynamometer as met anatomische rotatie as van het kniegewricht. Plaats het pad van het gereedschap centraal op het onderste deel van het scheenbeen van het scheenbeen.
  6. Houd de knie op 90° flexie, de heup bij neutrale rotatie en ontvoering, en de voet in plantaire flexie.
  7. Plaats de handen van de deelnemer op hun buik en stabiliseer de romp, heupen en halverwege de dij op de stoel met klittenband.
  8. Voer een oefenproef uit voor deelnemers om te wennen aan de testmanoeuvre.
  9. Instrueer de deelnemer om zijn knie uit te breiden (druk naar boven uit te oefenen op het pad) gevolgd door flex (druk naar beneden uitoefenen op het pad) om een maximale samentrekking uit te oefenen op het commando Go voor 3 s.
  10. Geef verbale aanwijzingen en aanmoediging ("Push" voor naar boven en "Pull" voor naar beneden) tijdens de sterkte testen.
  11. Zorg ervoor dat deelnemers zich ervan bewust zijn dat ze de test onmiddellijk kunnen stoppen als ze ongewone pijn of ongemak ervaren.
  12. Laat de deelnemers 2 min rusten.
  13. Herhaal stap 3.1 - 3.12, drie keer voor het linkerbeen en rechterbeen en neem de gegevens op in newton (N).
  14. Sla alle gegevens op en exporteer als rapport voor de analyse.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

De gemiddelde en standaarddeviatie van de ruimtelijk-temporele, kinematica en kinetische gangparameters worden gegeven in tabel 2. MVIC-gegevens voor alle 30 deelnemers worden samengevat in tabel 3. Een typische set gegevens voor de linker- en rechterkant van een deelnemer met grafische weergave van gangparameters is weergegeven in respectievelijk figuur 4 en figuur 5.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

De bijdrage van deze studie is om binnen één protocol nauwkeurig en uitgebreid de technieken te beschrijven voor gecombineerde loopanalyse en spierkrachttesten die nog niet eerder samen zijn beschreven.

Om nauwkeurige resultaten voor ganganalyse te bereiken, zijn er twee gebieden die maximale aandacht vereisen: 1) markerplaatsingen en 2) acclimatisatietijd. De nauwkeurigheid van de gemeten gegevens is sterk afhankelijk van de nauwkeurigheid van het gebruikte model. De andere belangrijke factor...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

We willen Dr. Johnathan Williams bedanken voor zijn advies over MATLAB gegevensverwerking.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
701 Small leverBaltimore Therapeutic Equipment Company (BTE)Niet beschikbaar - Online link in beschrijving gegevenDe unieke bevestiging ontworpen voor de Primus RS om Knee Extension/Flexion te meten - https://store.btetech.com/collections/primus/products/701-small-lever
D-Flow Software - Vresion 3.26Motekforce LinkNiet beschikbaar - Online link in beschrijving gegevenSoftware gebruikt om het GRAIL-systeem te bedienen - https://summitmedsci.co.uk/products/motek-dflow-hbm-software/
Gait Offline Analysis (GOAT) - Version 2.3Motekforce LinkNiet beschikbaar - Online link in beschrijving gegevenSoftware gebruikt voor de analyse van de loopparameters - https://www.motekmedical.com/product/grail/
Gait Real-time Analysis Interactive Lab (GRAIL)Motekforce LinkNiet beschikbaar - Online link in beschrijving gegevenGRAIL-systeem meet en kwantificeert loopbiomechanica door middel van een op virtual reality gebaseerde zelfgestuurde (SP) loopband - https://www.motekmedical.com/product/grail/
Leg Pad for 701Baltimore Therapeutic Equipment Company (BTE)Niet beschikbaar - Online link in beschrijving gegevenDe unieke bevestiging ontworpen voor de Primus RS om Knee Extension/Flexion te meten - https://store.btetech.com/collections/primus/products/701-802-leg-pad
Positioning ChairBaltimore Therapeutic Equipment Company (BTE)Niet beschikbaar - Online link in beschrijving gegevenPositioneringsstoel voor deelnemers is ontworpen voor beoordeling en behandeling van de onderste ledematen. De stoel is ontworpen voor meerdere posities. https://www.btetech.com/product/primus/
Primus RSBaltimore Therapeutic Equipment Company (BTE)Niet beschikbaar - Online link in beschrijving gegevenPrimus RS-apparatuur registreert en rapporteert objectieve gegevens in realtime in isotone, isometrische en isokinetische weerstandsmodi - https://www.btetech.com/wp-content/uploads/BTE-Rehabilitation-Equipment-PrimusRS-Brochure-1.pdf

Referenties

  1. Lu, T. W., Chang, C. F. Biomechanics of human movement and its clinical applications. The Kaohsiung Journal of Medical Sciences. 28 (2 Suppl), S13-S25 (2012).
  2. Kaufman, K., An, K., et al. Kelley and Firestein's Textbook of Rheumatology (Tenth Edition). Firestein, G. S., et al. , Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-31696-5.00006-1 78-89 (2017).
  3. Sloot, L. H., van der Krogt, M. M., Harlaar, J. Self-paced versus fixed speed treadmill walking. Gait & Posture. 39 (1), 478-484 (2014).
  4. Beaton, D. E., O'Driscoll, S. W., Richards, R. R. Grip strength testing using the BTE work simulator and the jamar dynamometer: A comparative study. The Journal of Hand Surgery. 20 (2), 293-298 (1995).
  5. Jindal, P., Narayan, A., Ganesan, S., MacDermid, J. C. Muscle strength differences in healthy young adults with and without generalized joint hypermobility: a cross-sectional study. BMC Sports Science, Medicine & Rehabilitation. 8, 12(2016).
  6. Muehlbauer, T., Granacher, U., Borde, R., Hortobágyi, T. Non-Discriminant Relationships between Leg Muscle Strength, Mass and Gait Performance in Healthy Young and Old Adults. Gerontology. 64 (1), 11-18 (2018).
  7. van den Bogert, A. J., Geijtenbeek, T., Even-Zohar, O., Steenbrink, F., Hardin, E. C. A real-time system for biomechanical analysis of human movement and muscle function. Medical & Biological Engineering & Computing. 51 (10), 1069-1077 (2013).
  8. HBM2 Reference Manual. , Motek Medical B.V. The Netherlands. 9-11 (2017).
  9. Sloot, L. H., van der Krogt, M. M., Harlaar, J. Effects of adding a virtual reality environment to different modes of treadmill walking. Gait Posture. 39 (3), 939-945 (2014).
  10. Liu, W. Y., et al. Reproducibility and Validity of the 6-Minute Walk Test Using the Gait Real-Time Analysis Interactive Lab in Patients with COPD and Healthy Elderly. PLoS One. 11 (9), e0162444(2016).
  11. Herman, T., Mirelman, A., Giladi, N., Schweiger, A., Hausdorff, J. M. Executive Control Deficits as a Prodrome to Falls in Healthy Older Adults: A Prospective Study Linking Thinking, Walking, and Falling. The Journals of Gerontology: Series A. 65 (10), 1086-1092 (2010).
  12. Geijtenbeek, T., Steenbrink, F., Otten, B., Even-Zohar, O. Proceedings of the 10th International Conference on Virtual Reality Continuum and Its Applications in Industry. , ACM. Hong Kong, China. 201-208 (2011).
  13. Zeni, J. A., Higginson, J. S. Gait parameters and stride-to-stride variability during familiarization to walking on a split-belt treadmill. Clinical Biomechanics (Bristol, Avon). 25 (4), 383-386 (2010).
  14. Meldrum, D., Cahalane, E., Conroy, R., Fitzgerald, D., Hardiman, O. Maximum voluntary isometric contraction: reference values and clinical application. Amyotroph Lateral Sclerosis. 8 (1), 47-55 (2007).
  15. Ancillao, A. Modern Functional Evaluation Methods for Muscle Strength and Gait Analysis. , Springer. 133(2018).
  16. Mun, J. H. A method for the reduction of skin marker artifacts during walking : Application to the knee. KSME International Journal. 17 (6), 825-835 (2003).
  17. Liu, P. C., Liu, J. F., Chen, L. Y., Xia, K., Wu, X. Intermittent pneumatic compression devices combined with anticoagulants for prevention of symptomatic deep vein thrombosis after total knee arthroplasty: a pilot study. Therapeutics and Clinical Risk Management. 13, 179-183 (2017).
  18. Al-Amri, M., Al Balushi, H., Mashabi, A. Intra-rater repeatability of gait parameters in healthy adults during self-paced treadmill-based virtual reality walking. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 20 (16), 1669-1677 (2017).
  19. Zeni, J. Jr, Richards, J., Higginson, J. Two simple methods for determining gait events during treadmill and overground walking using kinematic data. Gait & Posture. 27 (4), 710-714 (2008).
  20. Tsaopoulos, D. E., Baltzopoulos, V., Richards, P. J., Maganaris, C. N. Mechanical correction of dynamometer moment for the effects of segment motion during isometric knee-extension tests. Journal of Applied Physiology. 111 (1), 68-74 (2011).
  21. Abernethy, P., Wilson, G., Logan, P. Strength and power assessment. Issues, controversies and challenges. Sports Medicine. 19 (6), 401-417 (1995).
  22. Kroll, W. Reliability of a Selected Measure of Human Strength. Research Quarterly, American Association for Health, Physical Education and Recreation. 33 (3), 410-417 (1962).
  23. Anzak, A., Tan, H., Pogosyan, A., Brown, P. Doing better than your best: loud auditory stimulation yields improvements in maximal voluntary force. Experimental Brain Research. 208 (2), 237-243 (2011).
  24. Belkhiria, C., De Marco, G., Driss, T. Effects of verbal encouragement on force and electromyographic activations during exercise. Journal of Sports Medicine and Physical Fitness. 58 (5), 750-757 (2018).
  25. Bickers, M. J. Does verbal encouragement work? The effect of verbal encouragement on a muscular endurance task. Clinical Rehabilitation. 7 (3), 196-200 (1993).
  26. Karaba-Jakovljevic, D., Popadic-Gacesa, J., Grujic, N., Barak, O., Drapsin, M. Motivation and motoric tests in sports. Medicinki Pregled. 60 (5-6), 231-236 (2007).
  27. Andreacci, J. L., et al. The effects of frequency of encouragement on performance during maximal exercise testing. Journal of Sports Science. 20 (4), 345-352 (2002).
  28. Rendos, N. K., et al. Variations in Verbal Encouragement Modify Isokinetic Performance. Journal of Strength and Conditioning Research. 33 (3), 708-716 (2019).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Tags

Biomechanica van de onderste ledematenganganalysespierkrachtmetingmarkerplaatsingacclimatisatie aan de loopbandkalibratie van de krachtplaatisometrische contractiekinematische analysekinetische analysespatiotemporele gegevens
Onderste ledematen biomechanische analyse van gezonde deelnemers
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.