Oscillatie en Reaction Board technieken voor het schatten van inerte eigenschappen van een onder-knieprothese
8 mei 2014
Body segmentale inerte eigenschappen zijn vereist voor inverse dynamica modellering. Met behulp van een slinger-en reactie boord techniek, inerte eigenschappen van onder-knieprothesen werden gemeten. Met behulp van directe maatregelen van de prothese inertie in de inverse dynamica model van de beenprothese resulteerde in lagere magnitudes van daaruit voortvloeiende gezamenlijke krachten en momenten.
Het algemene doel van deze procedure is om de traagheidseigenschappen van een onderbeenprothese te schatten. Dit wordt bereikt door eerst de oscillatieperiode te meten met de prothese opgehangen in een kooi. De tweede stap is het gebruik van een reactiebordtechniek om de locatie van het zwaartepunt te schatten voor de gecombineerde prothese en kooi. Het systeem.
Vervolgens wordt de prothese uit de kooi verwijderd en wordt de reactiebordtechniek gebruikt om de locatie van het zwaartepunt van alleen de kooi te schatten. De laatste stap is het meten van de oscillatieperiode voor de kooi alleen. Uiteindelijk werd dit traagheidsmeetsysteem gevalideerd met behulp van bekende geometrische soliden, zoals een houten blok van vier bij vier.
De resultaten van deze experimenten worden gepresenteerd in de bijlage. A traagheidsmetingen van de kooi worden afgetrokken van de metingen van de prothese en de gecombineerde kooi om schattingen te geven van de traagheidseigenschappen van de prothese. Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden, zoals het aannemen van traagheidseigenschappen van de prothetische zijde, die vergelijkbaar zijn met die van de intacte zijde, is dat de inertie van het prothetische been nauwkeuriger wordt weergegeven in het biomechanische model van de persoon. Om te beginnen zit de amputee in een stoel waar de prothetische been comfortabel van het zitvlak kan worden opgetild, zodat het onderwerp een reeks knieflexie- en extensieacties kan uitvoeren.
Vervolgens identificeer je het rotatiecentrum of COR van de knie en plaats je een klein stukje tape op het COR. Meet vervolgens de afstand van de rand van de prothese tot het knie COR. Als het knie COR zich onder de rand van de prothese bevindt, moet deze waarde als een negatieve waarde worden geregistreerd.
Bepaal vervolgens de afstand tussen het knie COR en het enkel COR. Verwijder vervolgens de prothese en de onderliggende manchet om metingen te doen van het restlidmaat met behulp van een flexibele meetlint om de traagheidseigenschappen van het restlidmaat te schatten. Meet vervolgens de proximale omtrek van het restlidmaat, de grootste omtrek, ongeveer twee vingerbreedten van de kniegewricht.
Bepaal vervolgens de distale omtrek van het restlidmaat bij de laatste botprominence aan het distale uiteinde. Meet vervolgens de lengte van het restlidmaat, de afstand van het fibulahoofd tot het meest distale aspect van het restlidmaat. Verwijder de binnenkooi uit de oscillatierak door de as te verwijderen, plaats de liner en ply van het onderwerp in de socket van de prothese.
Bevestig vervolgens de prothese stevig met de schoen nog aan binnen in de binnenste oscillatiekooi, met behulp van een klittenbandriem om de voet van de prothese op de distale plaat van de kooi te bevestigen. Plaats vervolgens de binnenste kooi opnieuw in de oscillatierak door de as vast te zetten. Lijn de ophangarm van de binnenste kooi uit met de stelschroef, die de oscillatiehoek zal instellen op minder dan vijf graden.
Om een oscillatieproef te beginnen, trek je de binnenste kooi terug tot deze de stelschroef raakt en beweeg je hem vervolgens naar voren totdat de ruimte tussen de stelschroef en de binnenste kooi zichtbaar is. Verzamel drie oscillatieproeven met de prothese gepositioneerd in de binnenste kooi en noteer de gemiddelde tijd voor één volledige oscillatiecyclus voor elke proef. Voordat je de reactiebordmetingen verschuift, houd je de prothese vast in de rek en plaats je de binnenste kooi horizontaal rustend op de mesranden.
Noteer vervolgens de afstand tussen de bovenste instelbare plaat en het vaste dwarslid aan de bovenkant van de binnenste kooi met behulp van digitale schuifmaten en een flexibele meetlint. Meet vervolgens de afstand tussen de onderste instelbare plaat en het vaste dwarslid aan de bovenkant van de binnenste kooi en bepaal de afstand tussen de onderste instelbare plaat en het vaste dwarslid aan de onderkant van de binnenste kooi. Meet vervolgens de afstand tussen de twee mesranden.
Nadat de weegschaal op nul is gezet, plaats je de rek en het prothetische lidmaat in de reactiebordsamenstelling. Plaats vervolgens een uiteinde van de binnenste kooi over de weegschaal en plaats de mesrand aan de onderkant van de binnenste kooi zodat deze vlak is en er geen spanning is tussen de twee mesranden. Til de weegschaal-einde verschillende keren op en plaats hem terug op de weegschaal.
Noteer de waarde zodra een consistente lezing van de weegschaal is bereikt. Vervolgens verwijder je de prothese uit de binnenste kooi en noteer je de reactiebordwaarde voor alleen de kooi. Verwijder de schoen van het prothetische lidmaat en meet de massa van de schoen.
Verkrijg vervolgens de massa van de prothese zonder de schoen. Meet vervolgens de afstand tussen het COR van de enkel en het plantaire oppervlak van de voet. Bepaal vervolgens de lengte van de prothetische voet zonder de schoen.
Plaats de schoen terug op de prothese en meet de afstand van het enkel COR tot de zool van de schoen en de lengte van de voet met de schoen aan. Plaats vervolgens de binnenste kooi opnieuw in de oscillatierak, zorg ervoor dat de zwarte hoek met reflecterende tape het dichtst bij de fotocel staat. Bevestig de as en zorg ervoor dat de ophangarm van de binnenste kooi lijnt met de stelschroef.
Verzamel ten slotte 10 oscillatieproeven en noteer alleen de eerste oscillatieperiode van elke proef C bijlage A voor een uitleg waarom alleen de eerste oscillatieperiode wordt geregistreerd wanneer de kooi leeg is. De traagheidseigenschappen van de prothetische zijde waren significant lager dan de traagheidseigenschappen van het intacte been. De massa van de prothetische zijde was 39% minder.
Het traagheidsmoment was 52% minder en het zwaartepunt lag 24% dichter bij de knie dan intacte schattingen. Gewrichtsreactiekrachten van de enkel, knie en heup werden bepaald in de anterieure, posterieure en verticale richtingen. De standfase begint bij 0% van de loopcyclus en eindigt bij ongeveer 60% van de loopcyclus.
De slinger continueert tot de volgende voetcontact van hetzelf
Overzicht
Deze studie richt zich op het schatten van de inertie-eigenschappen van onderbeenprothesen met behulp van een oscillatie- en reactieplaattechniek. De resultaten tonen aan dat directe metingen van de inertie van de prothese leiden tot nauwkeurigere biomechanische modellen, wat resulteert in lagere gewrichtskrachten en momenten.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk gebied
- Biomechanica
- Prothesen
- Traagheidsmeting
Achtergrond
- Het begrijpen van traagheids-eigenschappen is essentieel voor nauwkeurige inverse dynamische modellering.
- Bestaande methoden gaan er vaak van uit dat de traagheid van een prothese vergelijkbaar is met die van intacte ledematen.
- Nauwkeurige metingen kunnen de biomechanische representatie van prothetische ledematen verbeteren.
- Deze studie valideert een nieuwe meettechniek met behulp van bekende geometrische lichamen.
Doel van de studie
- Om de traagheids-eigenschappen van onderbeenprothesen te schatten.
- Om de nauwkeurigheid van biomechanische modellen voor geamputeerden te verbeteren.
- Om de meettechniek te valideren aan de hand van bekende standaarden.
Gebruikte methoden
- Meting van de oscillatieperioden voor de prothese en de cage.
- Gebruik van een reactieplaat om het massamiddelpunt te schatten.
- Vergelijking van de traagheidseigenschappen van de prothesezijde met het intacte been.
- Verzameling van meerdere metingen om de nauwkeurigheid van de resultaten te waarborgen.
Belangrijkste resultaten
- De massa van de prothetische zijde bleek 39% lager te zijn dan die van het intacte been.
- Het traagheidsmoment was 52% lager en het massamiddelpunt lag 24% dichter bij de knie.
- De gewrichtsreactiekrachten werden in meerdere richtingen geanalyseerd.
- De resultaten duiden op een verbeterde nauwkeurigheid bij het modelleren van de dynamica van het prothetische ledemaat.
Conclusies
- De nieuwe meettechniek biedt een nauwkeurigere weergave van de traagheid van de prothese.
- Directe metingen kunnen de geschatte gewrichtskrachten en momenten aanzienlijk verminderen.
- Deze benadering kan het ontwerp en de functionaliteit van prothetische hulpmiddelen verbeteren.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Directie
Een nauwkeurige schatting van de traagheideigenschappen van prothesen is essentieel voor biomechanische modellering in revalidatieonderzoek en apparaatontwikkeling. Directe meettechnieken verminderen modelleringsaannames die de gewrichtskinetiek kunnen vervormen, met name tijdens de zwaaifase. Dit draagt bij aan een betrouwbaardere preklinische evaluatie van protheseontwerpen en functionele uitkomsten.
Strategische Toepassingen in Biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt hypothesetoetsing over de dynamiek van prothetische ledematen mogelijk door empirisch afgeleide traagheidsparameters te leveren.
- Operationele waarde: Vermindert de afhankelijkheid van aannames over intacte ledematen, waardoor de modelspecificiteit voor amputatiecohorten wordt verbeterd.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert kwantitatieve, reproduceerbare resultaten (massa, traagheidsmoment, massamiddelpunt) voor prothetische systemen.
- Operationele waarde: Standaardiseert traagheidsmetingen tussen laboratoria, wat de analysebereidheid voor vergelijkende studies ondersteunt.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Verbetert het voorspellende vertrouwen in inverse dynamica-modellering door gesimuleerde kinetiek af te stemmen op gemeten gedrag tijdens de zwaaifase.
- Operationele waarde: Ondersteunt de continuïteit van laboratoriummetingen naar preklinische workflows voor ganganalyse.
Integratie van Pipeline & Workflow
Deze methode past binnen vroege discovery-workflows waarbij de karakterisering van biologische systemen ten grondslag ligt aan vervolgstappen voor functionele beoordeling.
- Discovery Biology: Levert empirische traagheidsgegevens om biomechanische hypothesen over de interactie van protheseledematen te verfijnen.
- Screening: Levert gestandaardiseerde traagheidsparameters van prothesen voor een consistente evaluatie over verschillende experimentele condities.
- Analytics: Genereert metrieken voor massa, traagheid en zwaartepunt die een kwantitatieve vergelijking van protheseontwerpen mogelijk maken.
- Translationeel onderzoek: Slaat een brug tussen laboratoriummetingen en preklinische validatie door de nauwkeurigheid van modellen voor gangsimulatie te verbeteren.
- Enterprise Reuse: Vestigt een herbruikbaar platform voor traagheidskarakterisering van hulpmiddelen over meerdere projecten heen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen in schattingen van gewrichtsbelasting door de fout in de traagheidsmodellering te verminderen.
- Operationele waarde: Verbeterde reproduceerbaarheid en standaardisatie van biomechanische beoordelingen van prothesen.
- Strategische waarde: Ondersteunt betere go/no-go-beslissingen bij het ontwerp van prothesen door nauwkeurigere biomechanische feedback te verschaffen.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde voortgang van prothetische concepten mogelijk door verbeterde mechanistische risicoreductie.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in biomechanica en inertiële meettechnieken.
- Afhankelijk van een oscillatierak, een reactieplatform en timinginstrumentatie.
- Standaardisatie tussen gebruikers is noodzakelijk voor consistente oscillatie- en positioneringsprotocollen.
- Houdt rekening met aanpassingen bij toepassing op verschillende prothesemodellen of geometrieën van het stompgebied.
- Beperkt door de noodzaak van fysieke toegang tot de prothese en gecontroleerde oscillatieomstandigheden.
