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

Methodenartikel

Een goedkoop apparaat voor het meten van kracht-snelheidsrelaties van spieren

143 weergaven

⸱

DOI:

10.3791/71757

⸱

14 augustus 2026

 , 
1Department of Biological Sciences, University of Massachusetts Lowell

In dit artikel

Samenvatting

Er is een toegankelijk en goedkoop apparaat ontwikkeld voor het meten van de kracht-snelheid-vermogenrelaties van menselijke spieren, gebruikmakend van goedkope materialen, een 3D-geprint tandwiel, een versnellingsmeter van een smartphone en gratis Python-software. Validatie tegenover een gouden standaard ergometer toonde fysiologisch relevante metingen aan, terwijl het gelijke, praktijkgerichte leermogelijkheden bood in een onderwijsomgeving voor bachelorstudenten.

Samenvatting

De relatie tussen spierkracht, contractiesnelheid en vermogen vertegenwoordigt een bijna eeuw oud paradigma in de fysiologie en vormt een hoeksteen van ons begrip van de musculoskeletale functie. Dit paradigma wordt echter zelden direct bestudeerd in lokalen voor fysiologie en biomechanica vanwege de prohibitieve kosten van de benodigde apparatuur. Deze studie streefde ernaar een goedkoop apparaat te ontwerpen en valideren met behulp van een 3D-geprint katrolsysteem met een pal-en-ratelmechanisme, dat eenvoudig kan worden geconstrueerd en geconfigureerd om kracht-snelheid-vermogensgegevens van menselijke vingerspieren te verzamelen via een smartphone-accelerometer met de gratis Phyphox-applicatie. Een aangepast Python-script zet ruwe accelerometermetingen om in snelheids- en vermogensoutputs, die vervolgens per proefpersoon worden vergeleken met metingen verkregen met een gouden standaard dual-mode hefboomsysteem. Paarsgewijze vergelijkingen van vijf samenvattende variabelen (piekkracht, Fmax; peaksnelheid, Vmax; piekvermogen, Pmax; optimale snelheid, Vopt; en kracht-snelheidscurvatuur, a/Fmax) toonden geen statistisch significante verschillen aan tussen de kracht-snelheid-vermogensgegevens die met de twee apparaten zijn verzameld (gepaarde t-toetsen, p > 0.05). Daarom biedt het goedkope apparaat, zonder een significante vermindering van de datakwaliteit, een toegankelijke, veilige en kosteneffectieve manier om biomechanische en fysiologische principes te onderwijzen en te bestuderen. Dit apparaat heeft het potentieel om het onderwijs in spierfysiologie en biomechanica te democratiseren, in het bijzonder in ondergefinancierde en beperkte educatieve omgevingen wereldwijd.

Inleiding

Gestreepte spieren vormen de motor die skeletbewegingen bij mensen en andere dieren genereert. Het begrijpen van de unieke hiërarchische samenstelling ervan is complex vanwege factoren op verschillende schalen die de krachtgeneratie en arbeidsproductie beïnvloeden1,2. Mogelijk is spierfunctie, vanwege deze complexiteiten, een onderbelicht onderdeel in curricula voor anatomie en fysiologie, omdat docenten niet over de benodigde instrumenten beschikken om de fundamentele en meest fascinerende aspecten van de spierfunctie adequaat te demonstreren3,4,5,6.

De spierfunctie is historisch gezien beschreven aan de hand van verschillende hardnekkige paradigma's, waarvan geen zo algemeen erkend is als de kracht-snelheid-afruil, die bijna een eeuw geleden voor het eerst werd gekarakteriseerd door Archibald Vivian Hill1,2,3,4,5,6. Deze fundamentele fysiologische relatie beschrijft de afruil tussen de contractiesnelheid van de spier en de kracht, waarbij isometrische of zeer langzame verkortingscontracties over het algemeen de sterkste zijn en de maximale spierkracht (Fmax) produceren, terwijl de snelste isotone contracties die de maximale spiersnelheid (Vmax) benaderen, doorgaans de zwakste zijn1. Toen Hill in 1938 de kracht-snelheid-vermogen (FVP)-relatie beschreef, introduceerde hij een functie die nog steeds zijn naam draagt. De Hill-vergelijking (Vergelijking 1) relateert de maximale kracht die wordt gegenereerd tijdens een isometrische contractie (met vaste spiereinden) aan de maximale snelheid die wordt bereikt in afwezigheid van een externe belasting.

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

waarbij v de verkortingssnelheid is, F de spierkracht, Fmax de maximale isometrische kracht, en a en b constanten zijn die de kracht-snelheidsrelatie en de energetische eigenschappen van spierverkorting beschrijven1.

Binnen deze fundamentele relatie liggen verschillende kernconcepten van spierfunctie besloten, vertegenwoordigd door vijf kwantitatieve parameters die de FVP-relatie definiëren. Het product van de momentane spierkracht en snelheid is het vermogen, dat doorgaans een maximale waarde (Pmax) bereikt bij ongeveer één derde van Vmax7. De snelheid waarbij Pmax optreedt, wordt aangeduid als de optimale snelheid (Vopt), en de positie hiervan binnen het bereik van verkortingssnelheden (van V0 tot Vmax) is een belangrijke eigenschap van de kracht-snelheids- en vermogens-snelheidsrelaties. Een grotere Vopt resulteert bijvoorbeeld in een piekvermogen dat wordt geleverd bij een hogere verkortingssnelheid. Binnen de kracht-snelheidsrelatie zelf zijn de piekkracht (Fmax) en de pieksnelheid (Vmax) op een curvilineaire wijze verbonden door tussenliggende kracht-snelheidsrelaties (Afbeelding 5A). Representatieve kracht-snelheids- en vermogens-snelheidsrelaties, verkregen met de huidige methodologie, worden weergegeven in Afbeelding 1. De helling van deze curve wordt aangeduid als de kracht-snelheidskromming, die de snelheid van de krachtafname bij toenemende snelheid beschrijft. Kromming wordt gedefinieerd als a/Fmax8, waarbij a de thermodynamische constanten in de Hill-vergelijking zijn die de generatie van wrijvingswarmte door een onbelaste verkortende spier kwantificeren1. Kromming beïnvloedt de positie van Vopt op de kracht-snelheidscurve en bepaalt hoeveel kracht een spier kan genereren bij een gegeven verkortingssnelheid. Kromming is ook beschreven aan de hand van de musculaire vermogensratio (Vergelijking 2)9.

Vergelijking 2:  Vergelijking van de efficiëntieverhouding, Pmax/vmax*Fmax, voor mechanische systeemanalyse.

waarbij Pmax het maximale spiervermogen is, en Vmax en Fmax respectievelijk de maximale verkortingssnelheid en de maximale isometrische kracht zijn.

Het intuïtieve karakter van de kracht-snelheid- en vermogen-snelheidsrelaties biedt effectieve aanknopingspunten bij het onderwijzen van spierfuncties in het onderwijs voor de levenswetenschappen. Het belang van het bieden van praktische mogelijkheden aan studenten om een completer begrip van de FVP-relaties op te bouwen, wordt onderstreept door het feit dat is aangetoond dat actief leren de kennisretentie verbetert10. Bovendien staat vast dat experimenteel leren de basis versterkt voor het beoordelen van de spierfunctie, zowel in een fundamentele wetenschappelijke context als ter voorbereiding op beroepen in de gezondheidszorg, waaronder blessurepreventie, revalidatie en fysieke training.

Traditionele instrumenten voor het testen van fysiologische spiereigenschappen, zoals dual-mode servomotor hefboomsystemen, zijn zeer precies en nauwkeurig, maar brengen prohibitieve kosten met zich mee en vormen daarom aanzienlijke barrières voor implementatie in de meeste klasomgevingen7. Om deze beperkingen aan te pakken en de mogelijkheden voor praktijkgericht leren te vergroten, is een goedkoop alternatief ontwikkeld. De opstelling is gebouwd rond een 3D-geprinte katrol met een palmechanisme en maakt gebruik van standaard gesleufde aluminium rails, stijve draad en een in een houder gemonteerde smartphone waarop een gratis applicatie voor gegevensverwerving draait (Figuur 2). Er is gekozen voor een smartphone in plaats van specifieke versnellingsmeters omdat smartphones breed beschikbaar zijn en doorgaans zijn uitgerust met nauwkeurige en robuuste accelerometers11. Het nut van smartphones als wetenschappelijke meetinstrumenten is eerder aangetoond, waaronder de integratie van een commercieel beschikbare smartphone-accelerometer in de traagheidsmeeteenheid van de Ingenuity Mars Helicopter12.

Hoewel er enkele bestaande goedkope hulpmiddelen zijn voor het onderwijzen van spierfysiologie, richten deze zich op verschillende concepten: Judge et al.6 ontwikkelden betaalbare activiteiten op basis van SpikerBox voor het registreren van elektrische spieractiviteit, en Medeiros et al.10 creëerden een goedkoop 2-D sarcomerenmodel om titine-gerelateerde mechanica aan te tonen. Er bestaat echter geen goedkoop hulpmiddel waarmee studenten direct de FVP-relaties van een samentrekkende menselijke spier kunnen meten en kwantitatieve, met onderzoek vergelijkbare gegevens kunnen genereren. De huidige apparatus is bedoeld om dit gat te vullen door FVP-metingen te leveren die gevalideerd zijn volgens de gouden standaard voor minder dan $300.

De huidige studie rapporteert over de constructie van een goedkoop FVP-apparaat met een kruisvalidatie tegenover de gouden standaard uit de industrie. De validatieanalyses zijn gebaseerd op paarsgewijze vergelijkingen van de vijf erkende FVP-samenvattingsvariabelen, gemeten bij dezelfde proefpersonen op beide apparaten. De analyses testen de hypothese dat beide apparaten equivalente kracht-snelheids- en vermogen-snelheidscurves genereren. Na een succesvolle kruisvalidatie kan het goedkope apparaat studies naar spierfysiologie en musculoskeletale biomechanica in klaslokalen democratiseren door de financiële drempel voor de aanschaf van apparatuur te verlagen, terwijl de experimentele nauwkeurigheid en daarmee de wetenschappelijke rigor behouden blijven. Er wordt verwacht dat het goedkope apparaat studenten en docenten in fysiologie- en biomechanica-klases wereldwijd, die al spieranatomie bestuderen en onderwijzen, kan inspireren en in staat stellen om een van de meest fundamentele relaties van de spier praktisch te onderzoeken. Door een praktijkactiviteit voor het genereren van fysiologische metingen op te nemen, kunnen klaslokalen een multimodaal begrip en een verbeterde kennisretentie bereiken.

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

Protocol

Alle experimenten die ten grondslag liggen aan deze publicatie zijn goedgekeurd door de Institutional Review Board van de University of Massachusetts Lowell (Protocol nr. 21-163-KON-XPD).

OPMERKING: De apparatus maakt gebruik van een smartphone die met externe lasten is opgehangen aan een 3D-geprint katrolsysteem. Acceleratiedata worden verzameld bij 100 Hz met behulp van een op een smartphone gebaseerde data-acquisitieapplicatie. De kracht wordt berekend door de gecombineerde massa van de smartphone en de externe last te vermenigvuldigen met de acceleratie. De snelheid wordt verkregen door de acceleratie te integreren, en het vermogen wordt berekend als het product van kracht en snelheid (Supplemental Coding File 1).

1. Assemblage van de apparatuur

  1. Bevestig twee korte aluminium balken aan de onderzijde van één lange aluminium balk met behulp van aluminium framebevestigingen. Positioneer de korte balken ongeveer 8 cm vanaf elk uiteinde van de lange balk om een stabiele, niet-flexibele basis te vormen.
    OPMERKING: Deze assemblage wordt hierna aangeduid als het frame.
  2. Bouw de katrolhouder
    1. Positioneer een groot cellulair polyvinylchlorideblok met de zijde van 7 in verticaal en de zijde van 6,75 in horizontaal georiënteerd.
    2. Meet 2,75 in vanaf de linkerbenedenhoek langs de linkerzijde en markeer deze locatie.
    3. Meet 2,75 in vanaf de linkerbovenhoek langs de bovenzijde en markeer deze locatie.
    4. Trek een rechte lijn die de twee gemarkeerde locaties verbindt.
    5. Snijd langs de gemarkeerde lijn en verwijder het resulterende driehoekige gedeelte.
    6. Boor een gat van 7/16 in op 1,25 in vanaf de rechterbovenhoek.
    7. Herhaal stappen 1.2.1–1.2.6 voor het tweede grote blok.
    8. Positioneer het kleine cellulaire polyvinylchlorideblok achter het frame.
    9. Bevestig beide grote blokken aan het kleine blok zodanig dat ze 8 in uit elkaar staan. Orienteer de diagonale inkepingen boven het kleine blok en positioneer de geboorde gaten buiten de rand van het kleine blok.
  3. Klem de katrolhouder stevig aan de hoek van een tafel of aanrecht.
    OPMERKING: Positioneer de houder zodanig dat de katrol over de tafelrand steekt. Dit voorkomt dat de opgehangen gewichten en de smartphone de tafelpoten raken tijdens contracties.
  4. Bouw en bevestig de armsteun
    1. Snijd het cellulaire polyvinylchloride armsteunblok van 14 in in drie stukken, bestaande uit twee secties van 1,5 in en één sectie van 3,5 in.
    2. Snijd een inkeping van 2 in x 1/8 in in het bovenoppervlak van elke kleinere sectie, waarbij de inkeping 1 in vanaf de voorzijde wordt geplaatst.
    3. Bevestig de kleinere secties aan de onderzijde van de grotere sectie aan beide uiteinden. Lijn de inkepingen met elkaar uit.
    4. Bedek het bovenoppervlak van de grotere sectie met klittenband.
    5. Rijg de onderarmband door de twee inkepingen.
    6. Bevestig de armsteun aan het frame met bouten en insteek-T-moeren. Positioneer de armsteun 14 in vanaf de katrolhouder, met de onderarmband van de katrol af gericht.
  5. Plaats kogellagers in de groeven van de componenten van het binnenste tandwiel en het buitenste tandwiel (Supplemental File 1).
  6. Rijg 40 cm tijdriem door de laterale gleuf van de component van het binnenste tandwiel. Maak een lus met een overlap van 2 cm en bevestig de overlap binnen de gleuf.
  7. Steek de metalen as door de linker katrolhouder, een stopper, de component van het binnenste tandwiel, de krachtoverbrengingscomponent, de component van het buitenste tandwiel, een tweede stopper en de rechter katrolhouder.
    OPMERKING: Orienteer de laterale gleuf van het binnenste tandwiel richting het frame. Positioneer beide stoppers 1 mm vanaf beide zijden van de katrolassemblage.
  8. Installeer twee extra stoppers op de as, waarbij elke stopper 1 mm vanaf de katrolhouders wordt geplaatst om laterale beweging te voorkomen.
  9. Rijg 40 cm meerdradige staaldraad door de vingersteun en bevestig deze met een krimpbus. Rijg het tegenovergestelde uiteinde door Karabiner A en bevestig dit met een tweede krimpbus.
    OPMERKING: Karabiners A en B zijn identiek en zijn alleen gelabeld ter identificatie tijdens de assemblage.
  10. Verbind de component van het binnenste tandwiel met Karabiner A met behulp van de bevestigde tijdriem. Bevestig de overlap met Sleutel A.
    OPMERKING: Sleutels A, B en C zijn identiek. Extra sleutels kunnen worden geprint omdat ze zijn ontworpen als offercomponenten die falen voordat andere delen van het apparaat beschadigd raken.
  11. Slinger 10 cm meerdradige staaldraad om Karabiner A en bevestig deze met een krimpbus. Slinger het tegenovergestelde uiteinde om een aluminium framebevestiging, krimp de draad en bevestig de bevestiging aan het frame.
    OPMERKING: Deze assemblage wordt hierna aangeduid als de veiligheidsbout.
  12. Maak een lus met 40 cm tijdriem met een overlap van 2 cm en steek de lus in Sleutel B. Slinger het tegenovergestelde uiteinde om Karabiner B en bevestig de overlap met Sleutel C.
  13. Steek Sleutel B in de grootste laag van de component van het buitenste tandwiel.
  14. Bevestig de smartphone-armbandhouder aan Karabiner B met behulp van ofwel de armbandlus of de openingen voor de koptelefoonkabel.
  15. Hang het gewenste startgewicht op aan Karabiner B met behulp van een geluste en gekrimpte staaldraad.

2. Opstelling voor gegevensacquisitie

  1. Installeer de applicatie voor gegevensverwerving op een smartphone die is uitgerust met een versnellingsmeter.
  2. Open de Versnelling (zonder g) module
  3. Plaats de smartphone in de armbandhouder die is bevestigd aan Karabiner B.
  4. Verzamel gegevens volgens sectie 3.
  5. Exporteer de geregistreerde gegevens als een .xls-bestand. Ken een unieke bestandsnaam toe die correspondeert met de deelnemer.
  6. Zet het .xls-bestand over naar een computer met internettoegang.
  7. Verwerk de gegevens met behulp van Aanvullend codebestand 1
    OPMERKING: Het script berekent de snelheid met behulp van forward Euler-integratie van de gemeten verticale versnelling (Vergelijking 3). De positie wordt berekend met de kinematische vergelijking voor constante versnelling (Vergelijking 4). De berekeningen maken gebruik van ruwe versnellingswaarden zonder afglatting of filtering.
    Vergelijking 3: vi = vi-1 + ai ∆t
    Vergelijking 4:  Natuurkundige bewegingsvergelijking: \( p_i = p_{i-1} + v_{i-1} \Delta t + \frac{1}{2} a_i \Delta t^2 \); dynamische analyse.
    1. Installeer de Aanvullend codebestand 1.
    2. Installeer Python op de computer die wordt gebruikt voor de gegevensverwerking.
    3. Open een terminalvenster en voer uit: pip install streamlit pandas matplotlib scipy openpyxl xlrd.
    4. Navigeer naar de map waarin Supplemental Coding File 1 zich bevindt en voer uit: streamlit run muscle_velocity_gui.py.
      OPMERKING: Voer bij gebruik van Windows PowerShell het volgende uit: python -m streamlit run muscle_velocity_gui.py. Als er om een e-mailadres wordt gevraagd, laat het veld dan leeg en druk op Enter.
    5. Klik op Uploaden en selecteer het geëxporteerde .xls-bestand.
    6. Klik op Gegevens verwerken om de dataset te laden en te analyseren.
    7. Beoordeel de versnellings-, snelheid- en positieplots die zijn gegenereerd voor de eerste proef.
    8. Selecteer de gedetecteerde pieken die overeenkomen met geldige spiersamentrekkingen via de selectievakjes naast elke piek.
      OPMERKING: Geldige pieken treden doorgaans op voordat het versnellingsspoor negatief wordt en zijn geassocieerd met positieve waarden voor snelheid en positie. Het geautomatiseerde algoritme voor piekdetectie kan pieken onjuist identificeren en vereist daarom handmatige verificatie.
    9. Pas de parameters voor piekdetectie aan
      OPMERKING: Als de software de pieken niet correct identificeert, breid dan uit Geavanceerde instelbare parameters > Parameters voor piekdetectie en pas de detectie-instellingen aan.
      1. Aanpassen Nuldrempel om het versnellingsbereik te definiëren dat als stationair wordt beschouwd.
        OPMERKING: Verhoog deze waarde wanneer versnellingssporen overmatige ruis bevatten. De drempelwaarde wordt weergegeven als rode referentielijnen op de versnellingsplot. Standaardwaarde = 0,30. Aanbevolen bereik = 0,10–5,00.
      2. Afstellen Minimale snelheid voor piek om de minimaal aanvaardbare snelheidspiek te definiëren.
        OPMERKING: Verlaag deze waarde als geldige pieken worden uitgesloten. De drempelwaarde wordt weergegeven als de onderste groene referentielijn op het snelheidsdiagram. Standaardwaarde = 0,30. Aanbevolen bereik = 0,10–10,00.
      3. Aanpassen Nulpuntsinstelling om het minimale aantal opeenvolgende versnellingsmonsters nabij nul te definiëren dat nodig is om een stationaire periode te identificeren.
        OPMERKING: Verlaag deze waarde als de snelheid- en positiecurves niet worden gereset. Standaardwaarde = 10. Aanbevolen bereik = 3–25.
      4. Aanpassen Maximale snelheid voor piek om de maximaal aanvaardbare snelheidspiek te definiëren.
        OPMERKING: Verhoog deze waarde als het aantal geldige pieken de drempelwaarde overschrijdt. De drempelwaarde wordt weergegeven als de bovenste groene referentielijn op het snelheidsprofiel. Standaardwaarde = 10,00. Aanbevolen bereik = 10,00–30,00.
      5. Aanpassen Minimale piekafstand om het minimale aantal monsters tussen gedetecteerde pieken te definiëren.
        OPMERKING: Standaardwaarde = 2. Aanbevolen bereik = 1–10. Aanpassing is over het algemeen niet noodzakelijk.
      6. Aanpassen Minimale piekprominentie om de prominentie te definiëren die vereist is voor piekdetectie.
        OPMERKING: Lagere waarden verhogen de gevoeligheid en kunnen extra pieken identificeren. Standaardwaarde = 0,10. Aanbevolen bereik = 0,01–0,90. Aanpassing is doorgaans niet nodig.
    10. Nadat alle geldige pieken voor de huidige proef zijn geïdentificeerd, klikt u op Volgende om door te gaan naar de volgende trial.
    11. Herhaal stappen 2.7.7–2.7.10 totdat alle proeven zijn verwerkt.
      OPMERKING: Wijzig de parameters voor piekdetectie niet na het verwerken van de eerste trial. Indien parameterwijzigingen noodzakelijk zijn, moet de analyse voor alle eerder verwerkte trials worden herhaald met de bijgewerkte instellingen.
    12. Kopieer de geselecteerde snelheids- en versnellingsgegevens naar een spreadsheet voor daaropvolgende kracht-snelheid-vermogensanalyses.

3. Experimenteel protocol

  1. Zet de onderarm van de deelnemer vast aan de armsteun met de onderarmsband. Trek de band voldoende aan om te voorkomen dat de onderarm naar voren beweegt.
  2. Plaats de vingerbrace om de duim van de deelnemer en trek de brace stevig aan.
  3. Verwijder de speling uit het katrolsysteem door de katrol via het ratchetmechanisme te draaien totdat de timingriem gespannen is.
    OPMERKING: Het palmechanisme produceert een hoorbare klik terwijl het tussen de posities verschuift.
  4. Schuif de veiligheidsbout naar de katrol toe totdat de draad die de veiligheidsbout met karabijnhaak A verbindt, gespannen is.
  5. Selecteer twee gewichten met een nagenoeg gelijke massa, elk met een gewicht van ongeveer 1,25 kg.
  6. Vaste testsequentie
    1. Test de grootste laag, de middelste laag en de kleinste laag met behulp van één gewicht en de smartphone.
    2. Test de kleinste laag, de middelste laag en de grootste laag met behulp van twee gewichten en de smartphone.
    3. Test de grootste laag en de kleinste laag uitsluitend met de smartphone.
      OPMERKING: Gebruik voor alle participanten dezelfde sequentie om bias door vermoeidheid te minimaliseren.
  7. Tikken Start opname in de applicatie voor gegevensverwerving.
  8. Instrueer de deelnemer om de duim zo snel en krachtig mogelijk aan te spannen.
    OPMERKING: De motivatie van de deelnemer kan de prestaties aanzienlijk beïnvloeden. Bied gedurende de gehele test consistente verbale aanmoediging om een maximale inspanning te stimuleren.
  9. Pauzeer de gegevensregistratie na elke trial. Pas de katroltrap en de belastingsconditie aan volgens de volgorde die in stap 3.6 is vastgesteld.
  10. Zet de gegevensregistratie voort en herhaal stappen 3.8–3.9 totdat alle acht combinaties van katrolniveau en belasting zijn voltooid.
  11. Houd de deelnemer gedurende de gehele testtijd in de gaten en herhaal de proeven die beïnvloed zijn door overmatige armbewegingen of onvolledige inspanning.
  12. Beoordeel het acceleratiespoor na elke proef.
    OPMERKING: Herhaal proeven die abnormaal lage initiële acceleratiepieken, excessieve oscillaties of aanhoudende beweging van de smartphone tussen de contracties vertonen, aangezien deze omstandigheden de datakwaliteit kunnen beïnvloeden.
  13. Noteer voor elke proef, inclusief herhaalde of uitgesloten proeven, aantekeningen om de daaropvolgende data-analyse te vergemakkelijken.

4. Gebruik van de gouden standaard ergometer

  1. Stel de gouden standaard ergometer in
    1. Zet de computer aan en start de software voor gegevensverwerving. Open het procedurebestand voor het dual-mode hefboomsysteem.
    2. Stel de kracht-offset in op 10 en de lengte-offset op 9 op de bedieningseenheid van de hefboom.
    3. Zet het dual-mode hefboomsysteem en de eenheid voor gegevensverwerving aan.
    4. Verifieer de juiste werking van de motor door de hefboom voorzichtig te draaien en te bevestigen dat er weerstand aanwezig is.
    5. Haal 40 cm meerdradige staaldraad door het tweede gat vanaf de onderkant van de hefboom en zet de draad vast met een krimpring.
    6. Haal het tegenovergestelde uiteinde van de draad door de vingersteun en zet de draad vast met een krimpring.
    7. Bevestig het dual-mode hefboomsysteem aan het frame 3 in voor de armsteun.
  2. Zet de onderarm van de deelnemer vast aan de armsteun en positioneer de duim in de vingersteun.
  3. Schuif de arm van de deelnemer naar voren tot de duim maximale flexie bereikt en de kabel onder lichte spanning staat.
  4. Zet de armband voldoende strak om beweging van de arm in voorwaartse of zijwaartse richting te voorkomen.
  5. Configureer de instellingen voor gegevensverwerving
    1. Open Scan Control Device Dev6.
    2. Stel Number of Samples in op 60,000.
    3. Stel Averaging Samples in op 1.
    4. Stel Sample Period in op 0.0001.
    5. Stel Convert Period in op 0.
    6. Stel Post Trigger Samples in op 0.
    7. Stel Reference Trigger Source in op /Dev6/PFI1.
    8. Stel 2x Type in op Digital.
    9. Stel 2x Lever1 in op 0.
    10. Stel 2x Lever2 in op 0.
    11. Stel Mode in op One Shot.
    12. Stel Return Immediately in op Off.
    13. Stel Start Trigger in op Off.
    14. Stel Trigger Source in op /Dev6/PFI0.
    15. Stel Sample Clock in op Off.
    16. Stel Clock Source in op /Dev6/PFI7.
    17. Stel Convert Clock in op Off.
    18. Stel Convert Clock Source in op /Dev6/PFI2.
    19. Selecteer Channel 1 + Channel 2 onder Select Channels to Scan.
  6. Klik op Start in Scan Control Device en instrueer de deelnemer om de duim zo snel en krachtig mogelijk aan te spannen.
    OPMERKING: De motivatie van de deelnemer kan de prestatie aanzienlijk beïnvloeden. Bied gedurende de gehele test consistente verbale aanmoediging om een maximale inspanning te stimuleren.
  7. Klik op GetWaves en sla de resulterende gegevens op met de identificatie van de deelnemer en de huidige waarde van de kracht-offset.
    OPMERKING: Voor de eerste contractie is de kracht-offset 10.
  8. Verlaag de kracht-offset in stappen van 1,0.
    OPMERKING: Voorbeeld van progressie: 10,0 > 9,0 > 8,0.
  9. Herhaal stappen 4.6–4.8 totdat de motor geen merkbare weerstand meer biedt bij de beweging van de duim.
  10. Extraheer de piekwaarden voor kracht en snelheid uit elke trial met behulp van de analyseprocedure beschreven in Supplemental Coding File 2.

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

Resultaten

Kracht-snelheids- en vermogen-snelheidsgegevens werden verzameld bij een steekproef van bachelorstudenten (N = 15) met gebruik van zowel de gouden standaard ergometer als het goedkope apparaat om de functionele output van elk systeem onder een identiek experimenteel protocol te evalueren. Individuele proefpersoonsgegevens worden weergegeven in Figuur 1, en samenvattende gegevens voor elk apparaat worden weergegeven in Figuur 3.

Het go...

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

Discussie

Een goedkoop apparaat is gevalideerd als alternatief voor gouden-standaard ergometers voor het meten van kracht-snelheids- en vermogen-snelheidsrelaties van menselijke spieren in de klas.

De validatieresultaten ondersteunen de bewering dat een goedkoop, en daarmee economisch en technologisch toegankelijker, apparaat metingen kan genereren die statistisch niet te onderscheiden zijn van die verkregen met een gouden standaard ergometer. Het vermogen van het goedkope apparaat om hoogwaardige krach...

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

Openbaarmakingen

De auteurs hebben geen belangenverstrengelingen te verklaren.

Dankbetuigingen

De auteurs danken de studenten die ingeschreven stonden voor Biology of Muscle (UML BIOL4890, 2023–2025) en de studenten van de Lawrence High School (Lawrence, MA) voor hun deelname aan het afsluitende project dat als basis diende voor deze honors-thesis (GC). Daarnaast gaan de dankwoorden naar Matthew Borokowski van Aurora Scientific voor zijn voortdurende steun, en naar Victoria Flint en Samuel DeLap voor hun initiële inspanningen bij de ontwikkeling en implementatie van de vingerbuigmodule voor de UML-cursus. De auteurs danken tevens Daniel Bartlett en Darrell La voor hulp bij de analysebenaderingen. Gefinancierd door een UMass Lowell Honors College-beurs (aan GC) en door de National Science Foundation (subsidie 2217246), evenals door startfondsen van UMass Lowell (aan NK).

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

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
1,25 kg GewichtenNEXO FitnessASIN: B09JHQ6QB8Kan worden vervangen door generieke gewichten van ca. 1-2 kg
aantal nodig: 2
3D-printer timingriem‎3D-printerriem 10mASIN: B08974S1CCKan worden vervangen door generieke 3D-printer timingriemen: 2mm pitch, 6mm breedte, gemaakt van rubber en glasvezel
aantal nodig: 1
3DPart1 - BinnentandwielN.v.t.N.v.t.Zie aanvullende STL's - Printen in ABS
aantal nodig: 1
3DPart2 - BuitentandwielN.v.t.N.v.t.Zie aanvullende STL's - Printen in ABS
aantal nodig: 1
3DPart3 - PenN.v.t.N.v.t.Zie aanvullende STL's - 3-5x printen in ABS
aantal nodig: 1
3DPart4 - KrachtoverdrachtN.v.t.N.v.t.Zie aanvullende STL's - Printen in PLA
aantal nodig: 1
Aluminium balk Lang80/20 inc10201 in x 2 in x 32 in
aantal nodig: 1
Aluminium balk Kort80/20 inc10101 in x 1 in x 12 in
aantal nodig: 2
Bevestiging aluminium frame / Veiligheidsbout80/20 inc4108 aantal nodig: 3
Armsteun FEATOLASIN: B0CGX8QZ3CKan worden vervangen door een generieke armsteun
aantal nodig: 1
Celulair polyvinylchloride blok voor armsteunAzek board8/4 X Dikte Alleen Traditioneel14 in x 6 1/2 in x 3/4 in
aantal nodig: 14
KarabinersRewoalzxASIN:  B0FB3VYV3N aantal nodig: 2
Kogellagers van chroomlegeringsstaaluxcellUXCELL 6900 2RS - ASIN: B07FVX92MJAfmetingen: binnendiameter 10 mm, buitendiameter 22 mm, breedte 6 mm.
aantal nodig: 1
Excel/SpreadsheetMicrosoftExcelKan worden vervangen door elke spreadsheetsoftware
aantal nodig: 1
VingersteunSopitoASIN:  B0B5C6RWR4 Kan worden vervangen door een generieke vingersteun
aantal nodig: 1
IGOR 8 PROWavemetrics.com8 PROGebruikt met Aurora Scientific Apparatus en voor a/Fmax berekening.
aantal nodig: 1
Groot celulair polyvinylchloride bordAzek board8/4 X Dikte Alleen Traditioneel6 3/4 in x 7 in x 3/4 in
aantal nodig: 2
Metalen asGeneriekASIN: B0CC8T8X77Stalen staaf 9,97 mm dik, 45 cm lang.
aantal nodig: 1
Meerstrengs staaldraad Catch All TackleASIN: B00JTWDSQS1,4mm diameter #400lb classificatie
aantal nodig: 2
TelefoonhouderTribeASIN: B00SXRXUFEaantal nodig: 1
Phyphox-appPhyphox.orgN.v.t.Downloaden via Apple App Store of Google Play Store
aantal nodig: 1
Python-scriptN.v.t.N.v.t.Kan worden gedownload: Aanvullend document 1 muscle_velocity_gui.py
aantal nodig: 1
Klein celulair polyvinylchloride bordAzek board8/4 X Dikte Alleen Traditioneel1 in x 3 1/4 in x 3/4 in
aantal nodig: 1
SmartphoneAppleIPhone 11Kan worden vervangen door elke smartphone met een accelerometer
aantal nodig: 1
Staaldraad krimpkousen/klemmenCatch All TackleASIN: B00JTWDSQS#400lb classificatie
aantal nodig: 6
StoppersBefenybayASIN: B0B1C6BPKQbinnendiameter 10 mm, buitendiameter 20 mm, breedte 20 mm
aantal nodig: 2

Referenties

  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.

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

Herprints en machtigingen

Tags

Meting van spierkracht3D-geprint katrolsysteemratelpalmechanismesmartphone-accelerometerPhyphox-applicatiePython-data-analyseonderwijs in spierfysiologieonderwijsmateriaal biomechanica

Dit artikel is gepubliceerd

Video binnenkort beschikbaar

Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.