ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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&#160;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).

Alle experimenten die de basis vormen van deze publicatie zijn goedgekeurd door de Institutional Review Board van de University of Massachusetts Lowell (Protocol No. 21-163-KON-XPD).
OPMERKING: Het apparaat maakt gebruik van een smartphone die met externe lasten is opgehangen aan een 3D-geprint katrolsysteem. Acceleratiegegevens worden verzameld bij 100 Hz met behulp van een op een smartphone gebaseerde applicatie voor gegevensverwerving. 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 (Aanvullend coderingsbestand 1).
1. Montage van de apparatus
<ol>
	<li>Bevestig twee korte aluminium balken aan de onderzijde van één lange aluminium balk met aluminium framebevestigingen. Plaats 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.</li>
	<li>Bouw de katrolhouder
	<ol>
		<li>Positioneer een groot blok cellulair polyvinylchloride met de zijde van 7 in verticaal en de zijde van 6,75 in horizontaal.</li>
		<li>Meet 2,75 in vanaf de linkerbenedenhoek langs de linkerzijde en markeer deze locatie.</li>
		<li>Meet 2,75 in vanaf de linkerbovenhoek langs de bovenzijde en markeer deze locatie.</li>
		<li>Trek een rechte lijn die de twee gemarkeerde locaties verbindt.</li>
		<li>Snijd langs de gemarkeerde lijn en verwijder het resulterende driehoekige gedeelte.</li>
		<li>Boor een gat van 7/16 in op 1,25 in vanaf de rechterbovenhoek.</li>
		<li>Herhaal stappen 1.2.1–1.2.6 voor het tweede grote blok.</li>
		<li>Positioneer het kleine blok cellulair polyvinylchloride achter het frame.</li>
		<li>Bevestig beide grote blokken aan het kleine blok zodanig dat ze 8 in uit elkaar staan. Richt de diagonale sneden boven het kleine blok en positioneer de geboorde gaten buiten de rand van het kleine blok.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Klem de katrolhouder stevig aan de hoek van een tafel of aanrecht. 
	OPMERKING: Positioneer de houder zodanig dat de katrol buiten de tafelrand steekt. Dit voorkomt dat de opgehangen gewichten en de smartphone de tafelpoten raken tijdens contracties.</li>
	<li>Bouw en bevestig de armsteun
	<ol>
		<li>Snijd het 14 in blok cellulair polyvinylchloride voor de armsteun in drie stukken, bestaande uit twee secties van 1,5 in en één sectie van 3,5 in.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Bevestig de kleinere secties aan de onderzijde van de grotere sectie aan elk uiteinde. Lijn de inkepingen met elkaar uit.</li>
		<li>Bedek het bovenoppervlak van de grotere sectie met klittenband.</li>
		<li>Rijg de onderarmband door de twee inkepingen.</li>
		<li>Bevestig de armsteun aan het frame met bouten en T-moeren. Positioneer de armsteun 14 in vanaf de katrolhouder, met de onderarmband van de katrol af gericht.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Plaats kogellagers in de groeven van de componenten van het binnenwiel en het buitenwiel (Supplemental File 1).</li>
	<li>Rijg 40 cm tandriem door de laterale sleuf van de component van het binnenwiel. Maak een lus met een overlap van 2 cm en bevestig de overlap in de sleuf.</li>
	<li>Steek de metalen as door de linker katrolhouder, een stopper, de component van het binnenwiel, de krachtoverbrengingscomponent, de component van het buitenwiel, een tweede stopper en de rechter katrolhouder. 
	OPMERKING: Richt de laterale sleuf van het binnenwiel naar het frame. Positioneer beide stoppers 1 mm vanaf elke zijde van de katrolassemblage.</li>
	<li>Installeer twee extra stoppers op de as, waarbij elke stopper 1 mm vanaf de katrolhouders wordt geplaatst om laterale beweging te voorkomen.</li>
	<li>Lust 40 cm meerstrengs staaldraad door de vingerbrace en bevestig deze met een krimpmof. Lust het tegenovergestelde uiteinde door Karabiner A en bevestig deze met een tweede krimpmof. 
	OPMERKING: Karabiners A en B zijn identiek en zijn enkel gelabeld voor identificatie tijdens de assemblage.</li>
	<li>Verbind de component van het binnenwiel met Karabiner A met behulp van de bevestigde tandriem. Bevestig de overlap met Sleutel A. 
	OPMERKING: Sleutels A, B en C zijn identiek. Er kunnen extra sleutels worden geprint omdat ze zijn ontworpen als opofferingscomponenten die falen voordat andere delen van het apparaat beschadigd raken.</li>
	<li>Lust 10 cm meerstrengs staaldraad rond Karabiner A en bevestig deze met een krimpmof. Lust het tegenovergestelde uiteinde rond een aluminium framebevestiging, krimp de draad en bevestig de bevestiging aan het frame. 
	OPMERKING: Deze assemblage wordt hierna aangeduid als de veiligheidsbout.</li>
	<li>Maak een lus met 40 cm tandriem met een overlap van 2 cm en steek de lus in Sleutel B. Lust het tegenovergestelde uiteinde rond Karabiner B en bevestig de overlap met Sleutel C.</li>
	<li>Steek Sleutel B in de grootste laag van de component van het buitenwiel.</li>
	<li>Bevestig de smartphone-armbandhouder aan Karabiner B met behulp van ofwel de armbandlus of de openingen voor de hoofdtelefoonkabel.</li>
	<li>Hang het gewenste startgewicht op aan Karabiner B met behulp van een geluste en gekrimpte staaldraad.</li>
</ol>
2. Opstelling voor data-acquisitie
<ol>
	<li>Installeer de applicatie voor gegevensacquisitie op een smartphone die is uitgerust met een accelerometer.</li>
	<li>Open de Versnelling (zonder g) module</li>
	<li>Plaats de smartphone in de armbandhouder die is bevestigd aan karabijnhaak B.</li>
	<li>Verzamel gegevens volgens sectie 3.</li>
	<li>Exporteer de geregistreerde gegevens als een .xls-bestand. Ken een unieke bestandsnaam toe die correspondeert met de deelnemer.</li>
	<li>Zet het .xls-bestand over naar een computer met internettoegang.</li>
	<li>Verwerk de gegevens met behulp van Aanvullend coderingsbestand 1 
	OPMERKING: Het script berekent de snelheid middels 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 smoothing of filtering. 
	Vergelijking 3: vi = vi-1&#160;+ ai&#160;&#8710;t 
	Vergelijking 4:&#160;&#160;<img alt="Vergelijking 4" src="/files/ftp_upload/71757/71757eq4.jpg" style="margin:auto;" />
	<ol>
		<li>Installeer de Aanvullend codebestand 1.</li>
		<li>Installeer Python op de computer die wordt gebruikt voor de gegevensverwerking.</li>
		<li>Open een terminalvenster en voer uit: pip install streamlit pandas matplotlib scipy openpyxl xlrd.</li>
		<li>Navigeer naar de map waarin Supplemental Coding File 1 zich bevindt en voer het volgende 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. Laat het veld leeg en druk op Enter als er om een e-mailadres wordt gevraagd.</li>
		<li>Klik op Uploaden en selecteer het geëxporteerde .xls-bestand.</li>
		<li>Klik op Gegevens verwerken om de dataset te laden en te analyseren.</li>
		<li>Beoordeel de versnellings-, snelheids- en positiegrafieken die zijn gegenereerd voor de eerste proef.</li>
		<li>Selecteer de gedetecteerde pieken die overeenkomen met geldige spiercontracties met behulp van de selectievakjes naast elke piek. 
		OPMERKING: Geldige pieken treden doorgaans op voordat het versnellingsverloop negatief wordt en zijn geassocieerd met positieve waarden voor snelheid en positie. Het geautomatiseerde algoritme voor piekdetectie kan onjuist pieken identificeren en vereist daarom handmatige verificatie.</li>
		<li>Pas de parameters voor piekdetectie aan 
		OPMERKING: Als de software de pieken niet correct identificeert, breid dan uit Geavanceerde instelbare parameters &#62; Parameters voor piekdetectie en pas de detectie-instellingen aan.
		<ol>
			<li>Aanpassen Nuldrempel om het versnellingsbereik te definiëren dat als stationair wordt beschouwd. 
			OPMERKING: Verhoog deze waarde wanneer de acceleratiecurven overmatige ruis bevatten. De drempelwaarde wordt weergegeven als rode referentielijnen in de acceleratieplot. Standaardwaarde = 0,30. Aanbevolen bereik = 0,10–5,00.</li>
			<li>Aanpassen 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.</li>
			<li>Aanpassen Zero Scope om het minimumaantal opeenvolgende versnellingsmonsters nabij nul te definiëren dat nodig is om een stationaire periode te identificeren. 
			OPMERKING: Verlaag deze waarde als de snelheids- en positiecurven niet worden gereset. Standaardwaarde = 10. Aanbevolen bereik = 3–25.</li>
			<li>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 in de snelheidsgrafiek. Standaardwaarde = 10,00. Aanbevolen bereik = 10,00–30,00.</li>
			<li>Aanpassen Minimale piekafstand om het minimum aantal monsters tussen gedetecteerde pieken te definiëren. 
			OPMERKING: Standaardwaarde = 2. Aanbevolen bereik = 1–10. Aanpassing is over het algemeen niet nodig.</li>
			<li>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 over het algemeen niet nodig.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Nadat alle geldige pieken voor de huidige proef zijn geïdentificeerd, klikt u op Volgende om door te gaan naar de volgende trial.</li>
		<li>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 worden, dient de analyse voor alle eerder verwerkte trials te worden herhaald met gebruik van de bijgewerkte instellingen.</li>
		<li>Kopieer de geselecteerde snelheid- en versnellingsgegevens naar een spreadsheet voor daaropvolgende kracht-snelheid-vermogenanalyses.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Experimenteel protocol
<ol>
	<li>Bevestig de onderarm van de deelnemer aan de armsteun met de onderarmband. Trek de band voldoende aan om te voorkomen dat de onderarm naar voren schuift.</li>
	<li>Plaats de vingerbrace om de duim van de deelnemer en trek de brace stevig aan.</li>
	<li>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 wanneer het tussen de posities verschuift.</li>
	<li>Schuif de veiligheidsbout naar de katrol toe totdat de draad die de veiligheidsbout en Karabijnhaak A verbindt, gespannen is.</li>
	<li>Selecteer twee gewichten van ongeveer gelijke massa, elk met een gewicht van ongeveer 1,25 kg.</li>
	<li>Vaste testsequentie
	<ol>
		<li>Test de grootste laag, de middelste laag en de kleinste laag met behulp van één gewicht en de smartphone.</li>
		<li>Test de kleinste laag, de middelste laag en de grootste laag met behulp van twee gewichten en de smartphone.</li>
		<li>Test de grootste laag en de kleinste laag uitsluitend met de smartphone. 
		OPMERKING: Gebruik voor alle deelnemers dezelfde volgorde om bias door vermoeidheid te minimaliseren.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Kraan Opname starten in de applicatie voor gegevensverwerving.</li>
	<li>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 consistent verbale aanmoediging om een maximale inspanning te stimuleren.</li>
	<li>Pauzeer de gegevensregistratie na elke trial. Pas de katrollaag en de belastingsconditie aan volgens de in stap 3.6 vastgestelde volgorde.</li>
	<li>Hervat de gegevensregistratie en herhaal stappen 3.8–3.9 totdat alle acht combinaties van katrollagen en belastingen zijn voltooid.</li>
	<li>Houd de deelnemer gedurende de gehele test nauwlettend in de gaten en herhaal de tests die beïnvloed zijn door overmatige armbewegingen of onvoldoende inzet.</li>
	<li>Beoordeel het acceleratiespoor na elke trial. 
	OPMERKING: Herhaal proeven die abnormaal lage initiële acceleratiepieken, overmatige oscillaties of aanhoudende beweging van de smartphone tussen de contracties vertonen, aangezien deze omstandigheden de datakwaliteit kunnen compromitteren.</li>
	<li>Noteer voor elke trial aantekeningen, inclusief herhaalde of uitgesloten trials, om de daaropvolgende data-analyse te vergemakkelijken.</li>
</ol>
4. Gebruik van de gouden standaard ergometer
<ol>
	<li>Stel de gold-standard ergometer in
	<ol>
		<li>Zet de computer aan en start de software voor gegevensverwerving. Open het procedurebestand voor het dual-mode hevelsysteem.</li>
		<li>Stel op de besturingseenheid van de hevel de krachtoffset (force offset) in op 10 en de lengteoffset (length offset) op 9.</li>
		<li>Zet het dual-mode hevelsysteem en de gegevensverwervingseenheid aan.</li>
		<li>Verifieer de juiste werking van de motor door de hevel voorzichtig te draaien en te bevestigen dat er weerstand aanwezig is.</li>
		<li>Haal 40 cm meerdraadige staaldraad door het tweede gat vanaf de onderkant van de hevel en bevestig de draad met een krimpbus.</li>
		<li>Haal het andere uiteinde van de draad door de vingersteun en bevestig de draad met een krimpbus.</li>
		<li>Bevestig het dual-mode hevelsysteem aan het frame op 3 inch vóór de armsteun.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Bevestig de onderarm van de proefpersoon aan de armsteun en positioneer de duim in de vingersteun.</li>
	<li>Schuif de arm van de proefpersoon naar voren totdat de duim maximale flexie bereikt en de kabel onder lichte spanning staat.</li>
	<li>Zet de armband voldoende vast om beweging van de arm in voorwaartse of zijdelingse richting te voorkomen.</li>
	<li>Configureer de instellingen voor gegevensverwerving
	<ol>
		<li>Open&#160;Scan Control Device Dev6.</li>
		<li>Stel Number of Samples&#160;in op&#160;60.000.</li>
		<li>Stel Averaging Samples&#160;in op&#160;1.</li>
		<li>Stel Sample Period&#160;in op&#160;0,0001.</li>
		<li>Stel Convert Period&#160;in op&#160;0.</li>
		<li>Stel Post Trigger Samples&#160;in op&#160;0.</li>
		<li>Stel Reference Trigger Source&#160;in op&#160;/Dev6/PFI1.</li>
		<li>Stel 2x Type&#160;in op&#160;Digital.</li>
		<li>Stel 2x Lever1&#160;in op&#160;0.</li>
		<li>Stel 2x Lever2&#160;in op&#160;0.</li>
		<li>Stel Mode&#160;in op&#160;One Shot.</li>
		<li>Stel Return Immediately&#160;in op&#160;Off.</li>
		<li>Stel Start Trigger&#160;in op&#160;Off.</li>
		<li>Stel Trigger Source&#160;in op&#160;/Dev6/PFI0.</li>
		<li>Stel Sample Clock&#160;in op&#160;Off.</li>
		<li>Stel Clock Source&#160;in op&#160;/Dev6/PFI7.</li>
		<li>Stel Convert Clock&#160;in op&#160;Off.</li>
		<li>Stel Convert Clock Source&#160;in op&#160;/Dev6/PFI2.</li>
		<li>Selecteer Channel 1 + Channel 2&#160;onder Select Channels to Scan.</li>
	</ol>
	 </li>
	<li>Klik op Start in Scan Control Device en instrueer de proefpersoon om de duim zo snel en krachtig mogelijk aan te spannen. 
	OPMERKING: De motivatie van de proefpersoon kan de prestaties aanzienlijk beïnvloeden. Geef gedurende de gehele test consistente verbale aanmoediging om een maximale inspanning te bevorderen.</li>
	<li>Klik op GetWaves en sla de resulterende gegevens op met de identificatie van de proefpersoon en de huidige waarde van de krachtoffset. 
	OPMERKING: Voor de eerste contractie is de krachtoffset 10.</li>
	<li>Verlaag de krachtoffset in stappen van 1,0. 
	OPMERKING: Voorbeeld van progressie: 10,0 &#62; 9,0 &#62; 8,0.</li>
	<li>Herhaal stappen 4.6–4.8 totdat de motor geen merkbare weerstand meer biedt bij de beweging van de duim.</li>
	<li>Extraheer de piekkracht- en pieksnelheidswaarden van elke trial met de analyseprocedure die beschreven staat in Supplemental Coding File 2.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Hill AV. The heat of shortening and the dynamic constants of muscle. Proc R Soc Lond B Biol Sci. 1938;126:136-195.</li>
	<li>Huxley AF. Muscle structure and theories of contraction. Prog Biophys Biophys Chem. 1957;7:255-318.</li>
	<li>Seow CY. Hill&#39;s equation of muscle performance and its hidden insight on molecular mechanisms. J Gen Physiol. 2013;142:561-573.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Huxley AF, Simmons RM. Proposed mechanism of force generation in striated muscle. Nature. 1971;233:533-538.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Nelson FE, Gabald&#243;n AM, Roberts TJ. Force-velocity properties of two avian hindlimb muscles. Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol. 2004;137:711-721.</li>
	<li>Wilkie DR. The relation between force and velocity in human muscle. J Physiol. 1949;110:249-280.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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</li>
	<li>Marsh RL. How muscles deal with real-world loads: the influence of length trajectory on muscle performance. J Exp Biol. 1999;202:3377-3385.</li>
	<li>Kontra C, Lyons DJ, Fischer SM, Beilock SL. Physical experience enhances science learning. Psychol Sci. 2015;26:737-749.</li>
	<li>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.</li>
</ol>

De auteurs hebben geen belangenverstrengelingen te verklaren.

Een goedkope apparatus is gevalideerd als alternatief voor gouden-standaard ergometers voor het meten van kracht-snelheids- en vermogen-snelheidsrelaties van menselijke spieren in het klaslokaal.
De validatieresultaten ondersteunen de stelling 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 hoogwaardi...

Gestreepte spieren vormen de motor die skeletbewegingen genereert bij mensen en andere dieren. Het begrijpen van de unieke hiërarchische samenstelling ervan wordt bemoeilijkt door factoren op verschillende schalen die de generatie van kracht en de productie van arbeid beïnvloeden1,2. Wellicht is spierfunctie, vanwege deze complexiteiten, een onderbelicht onderdeel in curricula voor anatomie en fysiologie, omdat docenten niet beschikken over de benodigde instrumenten om de fundamentele en meest fascinerende aspecten van de spierfunctie adequaat te demonstreren3,4,5,6.
Spiersfunctie is historisch gezien beschreven aan de hand van verschillende hardnekkige paradigma's, waarvan geen zo algemeen erkend is als de kracht-snelheidruil, 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 afweging 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:&#160;(v + b) (F + a) = b (Fmax + a)
waarbij v de verkortingssnelheid is, F de spierkracht, Fmax de maximale isometrische kracht, en a en b &#160;constanten zijn die de kracht-snelheidsrelatie en de energetische eigenschappen van spierverkorting beschrijven1.
Binnen deze fundamentele relatie bevinden zich verschillende kernconcepten van de spierfunctie, vertegenwoordigd door vijf kwantitatieve parameters die de FVP-relatie definiëren. Het product van de momentane spierkracht en snelheid is het vermogen, dat gewoonlijk een maximale waarde (Pmax) bereikt bij ongeveer een derde van Vmax7. De snelheid waarbij&#160;&#160;Pmax&#160;optreedt, wordt aangeduid als de optimale snelheid (Vopt), en de positie hiervan binnen het bereik van verkortingssnelheden (van V0 tot Vmax) is een belangrijk kenmerk van de kracht-snelheids- en vermogen-snelheidsrelaties. Een grotere Vopt resulteert bijvoorbeeld in een piekvermogen dat wordt geleverd bij een hogere verkortingssnelheid. Binnen de kracht-snelheidsrelatie zelf zijn de maximale kracht (Fmax) en de maximale snelheid (Vmax) op curvilineaire wijze verbonden door intermediaire kracht-snelheidsrelaties (Figuur 5A). Representatieve kracht-snelheids- en vermogen-snelheidsrelaties verkregen met de huidige methodologie worden getoond in Figuur 1.&#160;De helling van deze curve wordt de kracht-snelheidskromming genoemd, welke de snelheid van de krachtafname beschrijft bij toenemende snelheid. Kromming wordt gedefinieerd als a/Fmax8, waarbij a de&#160;thermodynamische constanten in de Hill-vergelijking zijn die de generatie van wrijtingswarmte 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&#160;is ook beschreven met behulp van de musculaire vermogensratio (Vergelijking 2)9.&#160;
Vergelijking 2:&#160;&#160;<img alt="Vergelijking 2" src="/files/ftp_upload/71757/71757eq2.jpg" style="margin:auto;" />
waarbij Pmax het maximale spiervermogen is, en Vmax en Fmax respectievelijk de maximale verkortingssnelheid en de maximale isometrische kracht zijn.
De intuïtieve aard van de kracht-snelheids- en vermogen-snelheidsrelaties biedt effectieve aanknopingspunten bij het onderwijzen van spierfuncties in het biologielokaal. 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 praktijkgericht leren de kennisretentie verbetert10. Bovendien staat bekend 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 onderwijsomgevingen7. Om deze beperkingen aan te pakken en de mogelijkheden voor praktijkgericht leren uit te breiden, is er een goedkoop alternatief ontwikkeld. Het apparaat is gebouwd rond een 3D-geprinte katrol met een palmechanisme en maakt gebruik van standaard gegroefde aluminium rails, stijve draad en een in een houder gemonteerde smartphone met een gratis data-acquisitieapplicatie (Figuur 2). Er is gekozen voor een smartphone in plaats van speciale 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-helikopter12.
Hoewel er enkele bestaande goedkope hulpmiddelen zijn voor het onderwijzen van spierfysiologie, richten deze zich op verschillende concepten: Judge et al.6 ontwikkelden&#160;betaalbare activiteiten op basis van de SpikerBox voor het registreren van elektrische spieractiviteit, en Medeiros et al.10 creëerden een goedkoop 2-D sarcomerenmodel om titine-gerelateerde mechanica te demonstreren. Er is echter geen bestaand goedkoop hulpmiddel waarmee studenten direct de FVP-relaties van een samentrekkende menselijke spier kunnen meten en kwantitatieve, met onderzoek vergelijkbare gegevens kunnen genereren. Het huidige apparaat is bedoeld om dit gat te vullen door goudstandaard-gevalideerde FVP-metingen te leveren voor minder dan $300.
De huidige studie rapporteert over de constructie van een goedkoop FVP-apparaat met een kruisvalidatie tegen de industriële gouden standaard. De validatieanalyses zijn gebaseerd op paarsgewijze vergelijkingen van de vijf erkende FVP-samenvattingsvariabelen, gemeten bij dezelfde proefpersonen op beide apparaten. De analyses toetsen de hypothese dat beide apparaten equivalente kracht-snelheids- en vermogen-snelheidscurves genereren. Na een succesvolle kruisvalidatie kan het goedkope apparaat klaslokaalonderzoek naar spierfysiologie en musculoskeletale biomechanica democratiseren door de financiële drempel voor de aanschaf van apparatuur te verlagen, terwijl de experimentele nauwkeurigheid en daarmee de wetenschappelijke rigor worden behouden. Er wordt verwacht dat het goedkope apparaat studenten en docenten in fysiologie- en biomechanica-lessen 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 verkennen. Door een praktische activiteit voor het genereren van fysiologische metingen op te nemen, kunnen klaslokalen een multimodaal begrip en een verbeterde kennisretentie bereiken.

<table><tbody><tr><td>1,25 kg Gewichten</td><td>NEXO Fitness</td><td>ASIN: B09JHQ6QB8</td><td>Kan worden vervangen door generieke gewichten van ca. 1-2 kg&lt;br/&gt; aantal nodig: 2</td></tr><tr><td>3D-printer timingriem</td><td>&amp;lrm;3D-printerriem 10m</td><td>ASIN: B08974S1CC</td><td>Kan worden vervangen door generieke 3D-printer timingriemen: 2mm pitch, 6mm breedte, gemaakt van rubber en glasvezel&lt;br/&gt; aantal nodig: 1</td></tr><tr><td>3DPart1 - Binnentandwiel</td><td>N.v.t.</td><td>N.v.t.</td><td>Zie aanvullende STL's - Printen in ABS&lt;br/&gt; aantal nodig: 1</td></tr><tr><td>3DPart2 - Buitentandwiel</td><td>N.v.t.</td><td>N.v.t.</td><td>Zie aanvullende STL's - Printen in ABS&lt;br/&gt; aantal nodig: 1</td></tr><tr><td>3DPart3 - Pen</td><td>N.v.t.</td><td>N.v.t.</td><td>Zie aanvullende STL's - 3-5x printen in ABS&lt;br/&gt; aantal nodig: 1</td></tr><tr><td>3DPart4 - Krachtoverdracht</td><td>N.v.t.</td><td>N.v.t.</td><td>Zie aanvullende STL's - Printen in PLA&lt;br/&gt; aantal nodig: 1</td></tr><tr><td>Aluminium balk Lang</td><td>80/20 inc</td><td>1020</td><td>1 in x 2 in x 32 in&lt;br/&gt; aantal nodig: 1</td></tr><tr><td>Aluminium balk Kort</td><td>80/20 inc</td><td>1010</td><td>1 in x 1 in x 12 in&lt;br/&gt; aantal nodig: 2</td></tr><tr><td>Bevestiging aluminium frame / Veiligheidsbout</td><td>80/20 inc</td><td>4108</td><td>&amp;nbsp;aantal nodig: 3</td></tr><tr><td>Armsteun</td><td>&amp;nbsp;FEATOL</td><td>ASIN: B0CGX8QZ3C</td><td>Kan worden vervangen door een generieke armsteun&lt;br/&gt; aantal nodig: 1</td></tr><tr><td>Celulair polyvinylchloride blok voor armsteun</td><td>Azek board</td><td>8/4 X Dikte Alleen Traditioneel</td><td>14 in x 6 1/2 in x 3/4 in&lt;br/&gt; aantal nodig: 14</td></tr><tr><td>Karabiners</td><td>Rewoalzx</td><td>ASIN:&amp;nbsp; B0FB3VYV3N&amp;nbsp;</td><td>aantal nodig: 2</td></tr><tr><td>Kogellagers van chroomlegeringsstaal</td><td>uxcell</td><td>UXCELL 6900 2RS - ASIN: B07FVX92MJ</td><td>Afmetingen: binnendiameter 10 mm, buitendiameter 22 mm, breedte 6 mm.&lt;br/&gt; aantal nodig: 1</td></tr><tr><td>Excel/Spreadsheet</td><td>Microsoft</td><td>Excel</td><td>Kan worden vervangen door elke spreadsheetsoftware&lt;br/&gt; aantal nodig: 1</td></tr><tr><td>Vingersteun</td><td>Sopito</td><td>ASIN:&amp;nbsp; B0B5C6RWR4&amp;nbsp;</td><td>Kan worden vervangen door een generieke vingersteun&lt;br/&gt; aantal nodig: 1</td></tr><tr><td>IGOR 8 PRO</td><td>Wavemetrics.com</td><td>8 PRO</td><td>Gebruikt met Aurora Scientific Apparatus en voor a/Fmax berekening.&lt;br/&gt; aantal nodig: 1</td></tr><tr><td>Groot celulair polyvinylchloride bord</td><td>Azek board</td><td>8/4 X Dikte Alleen Traditioneel</td><td>6 3/4 in x 7 in x 3/4 in&lt;br/&gt; aantal nodig: 2</td></tr><tr><td>Metalen as</td><td>Generiek</td><td>ASIN: B0CC8T8X77</td><td>Stalen staaf 9,97 mm dik, 45 cm lang.&lt;br/&gt; aantal nodig: 1</td></tr><tr><td>Meerstrengs staaldraad&amp;nbsp;</td><td>Catch All Tackle</td><td>ASIN: B00JTWDSQS</td><td>1,4mm diameter #400lb classificatie&lt;br/&gt; aantal nodig: 2</td></tr><tr><td>Telefoonhouder</td><td>Tribe</td><td>ASIN: B00SXRXUFE</td><td>aantal nodig: 1</td></tr><tr><td>Phyphox-app</td><td>Phyphox.org</td><td>N.v.t.</td><td>Downloaden via Apple App Store of Google Play Store&lt;br/&gt; aantal nodig: 1</td></tr><tr><td>Python-script</td><td>N.v.t.</td><td>N.v.t.</td><td>Kan worden gedownload: Aanvullend document 1 muscle_velocity_gui.py&lt;br/&gt; aantal nodig: 1</td></tr><tr><td>Klein celulair polyvinylchloride bord</td><td>Azek board</td><td>8/4 X Dikte Alleen Traditioneel</td><td>1 in x 3 1/4 in x 3/4 in&lt;br/&gt; aantal nodig: 1</td></tr><tr><td>Smartphone</td><td>Apple</td><td>IPhone 11</td><td>Kan worden vervangen door elke smartphone met een accelerometer&lt;br/&gt; aantal nodig: 1</td></tr><tr><td>Staaldraad krimpkousen/klemmen</td><td>Catch All Tackle</td><td>ASIN: B00JTWDSQS</td><td>#400lb classificatie&lt;br/&gt; aantal nodig: 6</td></tr><tr><td>Stoppers</td><td>Befenybay</td><td>ASIN: B0B1C6BPKQ</td><td>binnendiameter 10 mm, buitendiameter 20 mm, breedte 20 mm&lt;br/&gt; aantal nodig: 2</td></tr></tbody></table>

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

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

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 &#62; 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.

Kracht-snelheids- en vermogen-snelheidsgegevens werden verzameld bij een steekproef van bachelorstudenten (N = 15) met behulp 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.
De goed...

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.

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

De relatie tussen spierkracht, contractiesnelheid en vermogen vormt een bijna een eeuw oud paradigma in de fysiologie en een hoeksteen van ons ...

a-low-cost-apparatus-for-measuring-muscle-forcevelocity-relationships

Research

JoVE Journal

Biology

Biologie

Myo-mechanische analyse van geïsoleerde Skeletal Muscle

Deze video toont de chirurgische voorbereiding en procedures die nodig zijn om de contractiele responsen van de rat mediale gastrocnemius spier voorbereiding...

Procedures voor Rat<em&gt; In situ</em&gt; Skeletspier contractiele eigenschappen

We beschrijven een methode om direct te meten spierkracht, spierkracht, contractiele kinetiek en vermoeidheid van geïsoleerde skeletspieren in...

Ex Vivo Beoordeling van contractiliteit, vermoeidheid en alternantie in geïsoleerde skeletspieren

Krachtmetingen kunnen worden om veranderingen in spierfunctie gevolg van ontwikkeling, verwonding, ziekte, behandeling of chemische toxiciteit tonen. In deze video, tonen we een methode om kracht te meten tijdens een maximale contractie van de zebravis larven romp spieren.

Force Measurement Tijdens Inkrimping naar Muscle Function beoordelen in zebravis Larven

We beschrijven een nieuwe echografie gebaseerde vector tissue Doppler imaging techniek om spiercontractie snelheid, spanning en reksnelheid met minder dan een milliseconde tijdsresolutie tijdens dynamische activiteiten te meten. Deze aanpak biedt aanvullende metingen van dynamische spierfunctie en kan leiden tot een beter begrip van de mechanismen die ten grondslag liggen aan aandoeningen van het bewegingsapparaat.

Een nieuwe toepassing van musculoskeletale echografie

Analyse van de contractiele eigenschappen van chemisch huid of doorlaatbaar gemaakt, skeletspier vezels een krachtig middel om spierfunctie beoordeeld op het niveau van de interne spiercel. In dit artikel schetsen we een valide en betrouwbare techniek bereid en getest doorlaatbaar skeletspier vezels in vitro.

Meting van de maximale isometrische kracht die door gepermeabiliseerd Skeletal Muscle Vezels

Hier gepresenteerd is een protocol voor de registratie van spiersnelheid herstelcycli (MVRCs), een nieuwe methode voor het onderzoeken van spiermembraan eigenschappen. MVRCs maken in vivo beoordeling van spiermembraanpotentieel en veranderingen in spier-ionkanaalfunctie met betrekking tot pathologie mogelijk, en het maakt de demonstratie van spierdepolarisatie in neurogene spieren mogelijk.

Spiersnelheid Recovery Cycli om spiermembraan eigenschappen te onderzoeken

Eenvoudige en toegankelijke methoden werden ontwikkeld om het motorische aspect van kankergerelateerde vermoeidheid objectief en kwantitatief te meten. We beschrijven, in detail, manieren om de fysieke vermoeidheidstest toe te dienen met behulp van een eenvoudig handgreepapparaat en methoden om vermoeidheidsindexen te berekenen.

Het meten van het motorische aspect van kankergerelateerde vermoeidheid met behulp van een handheld dynamometer

Hier gepresenteerd is een protocol om de contractiele eigenschappen van gestreepte spier myofibrils met nano-Newton resolutie te beoordelen. Het protocol maakt gebruik van een setup met een interferometrie-gebaseerde, optische kracht sonde. Deze opstelling genereert gegevens met een hoge signaal-ruisverhouding en maakt de beoordeling van de contractiele kinetiek van myofibrils mogelijk.

Myofibrils isoleren van skeletspierbiopten en het bepalen van contractielfunctie met een Nano-Newton Resolution Force Transducer

Het huidige protocol beschrijft beknopte experimentele details over de evaluatie en interpretatie van in vivo koppelgegevens verkregen via elektrische stimulatie van de gemeenschappelijke peroneuszenuw bij verdoofde varkens.

In vivo Meting van Hindlimb Dorsiflexor Isometrisch koppel van varken

Hier presenteren we een nieuw protocol om de koppel-hoeksnelheid-krachtrelatie in vivo in de plantaire flexoren van ratten niet-invasief te meten met behulp van transcutane spierstimulatie. Deze opstelling maakt het mogelijk om eenvoudig isotone spiercontracties te testen op een krachttransducer/lengtecontrollersysteem om de constante belasting van dagelijkse bewegingen beter weer te geven.

Constructie van constante-belasting (isotoon) en constante-snelheid (isokinetisch) koppel-snelheid-vermogen profielen In vivo voor de ratten plantaire flexoren

Dit protocol is bedoeld om aan te tonen hoe clinici de koppel-snelheidsrelatie kunnen evalueren na reconstructie van het voorste kruisband.

Kwantificering van herstel na reconstructie van het voorste kruisband met behulp van de koppel-snelheidsrelatie

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.

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

Meer video's verkennen