Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Analiza biomechaniczna kończyn dolnych zdrowych uczestników

8.5K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/60720

⸱

15 kwietnia 2020

 , 
1Orthopaedic Research Institute, Bournemouth University

W tym artykule

Podsumowanie

Ten artykuł przedstawia obszerną metodologię eksperymentalną dotyczącą dwóch najnowszych dostępnych technologii pomiaru biomechaniki kończyn dolnych u osób.

Streszczenie

Techniki analizy biomechanicznej są przydatne w badaniu ruchu człowieka. Celem pracy było wprowadzenie techniki oceny biomechanicznej kończyn dolnych u zdrowych uczestników z wykorzystaniem dostępnych na rynku systemów. Wprowadzono odrębne protokoły dla systemów analizy chodu i testowania siły mięśniowej. Aby zapewnić maksymalną dokładność oceny chodu, należy zwrócić uwagę na rozmieszczenie znaczników i czas aklimatyzacji na bieżni we własnym tempie. Podobnie, pozycjonowanie uczestnika, próba próbna i zachęta werbalna to trzy krytyczne etapy w testowaniu siły mięśni. Obecne dane sugerują, że metodologia opisana w tym artykule może być skuteczna w ocenie biomechaniki kończyn dolnych.

Wprowadzenie

Dyscyplina biomechaniki przede wszystkim obejmuje badanie naprężeń, odkształceń, obciążeń i ruchu systemów biologicznych - zarówno stałych, jak i płynnych. Obejmuje również modelowanie wpływu mechanicznego na strukturę, rozmiar, kształt i ruch ciała1. Przez wiele lat rozwój w tej dziedzinie pogłębił naszą wiedzę na temat normalnego i patologicznego chodu, mechaniki kontroli nerwowo-mięśniowej oraz mechaniki wzrostu i formy2.

Głównym celem tego artykułu jest przedstawienie kompleksowej metodologii dwóch najnowszych dostępnych technologii pomiaru biomechaniki kończyn dolnych u osób. System analizy chodu mierzy i określa ilościowo biomechanikę chodu za pomocą bieżni do samodzielnego wykonywania (SP) w połączeniu ze środowiskiem rzeczywistości rozszerzonej, które integruje algorytm SP do regulacji prędkości bieżni, zgodnie z opisem Sloot i in3. Sprzęt do testowania siły mięśniowej jest używany jako narzędzie oceny i leczenia rehabilitacji kończyn górnych4. Urządzenie to może obiektywnie oceniać różne fizjologiczne wzorce ruchowe lub zadania symulacji pracy w trybie izometrycznym i izotonicznym. Obecnie jest uznawany za złoty standard pomiaru siły kończyn górnych5, ale dowody związane konkretnie z kończyną dolną pozostają niejasne. W artykule wyjaśniono szczegółowy protokół przeprowadzania oceny chodu i siły izometrycznej kończyny dolnej.

W ramach analizy biomechanicznej warto połączyć oceny sprawności funkcjonalnej (takie jak analiza chodu) ze specyficznymi testami wydajności mięśniowej. Dzieje się tak dlatego, że chociaż można założyć, że zwiększona siła mięśni poprawia wydajność funkcjonalną, nie zawsze musi to być oczywiste6. Wiedza ta jest niezbędna do lepszego projektowania przyszłych protokołów rehabilitacji i strategii badawczych w celu oceny tych podejść.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Opisana metoda została zastosowana w badaniu, które otrzymało etyczną aprobatę od Komitetu Etyki Badań Uniwersytetu w Bournemouth (Odnośnik 15005).

1. Uczestnicy

  1. Do udziału w badaniu należy zrekrutować zdrowe osoby dorosłe (w wieku od 23 do 63 lat, średnia ± S.D.; 42,0 ± 13,4, masa ciała 70,4 ± 15,3 kg, wzrost 175,5 ± 9,8 cm; 15 mężczyzn, 15 kobiet). Do tego badania zrekrutowano trzydziestu uczestników.
  2. Upewnij się, że u uczestników nie ma zgłaszanej przez nich historii zawrotów głowy, problemów z równowagą lub trudności z chodzeniem.
  3. Upewnij się, że uczestnicy nie cierpieli na żadne znane urazy nerwowo-mięśniowe lub stany wpływające na równowagę lub chodzenie.

2. Konfiguracja i procedury analizy chodu

  1. Użyj systemu analizy chodu (Rysunek 1) składającego się z bieżni z podwójnym pasem, systemu przechwytywania ruchu z 10 kamerami i środowiska wirtualnego, które zapewnia przepływ optyczny.
  2. Upewnij się, że uczestnik ma na sobie bardzo obcisłą odzież nieodblaskową, taką jak spodenki rowerowe lub legginsy.
  3. Za pomocą dwustronnych taśm klejących przymocuj 25 pasywnych znaczników odblaskowych i umieść je zgodnie z konfiguracją dolnej części ciała Modelu Ciała Ludzkiego (HBM)7, jak opisano w Tabeli 1 i Rysunek 2. Informacje zawarte w tym dokumencie pochodzą z Podręcznika referencyjnego HBM8.
  4. Użyj linijki do stawów, aby zmierzyć wymagane szerokości kolan i kostek dla klasy HBM6.
  5. Przymocuj uczestnika do uprzęży bezpieczeństwa, która jest przymocowana do ramy nad głową.
  6. Rozpocznij nową sesję w bazie danych i upewnij się, że jest aktywna (podświetlona).
  7. Korzystając z karty tematu, utwórz nowego uczestnika za pomocą przycisku Etykietowanie szkieletu.
  8. Przejdź do pliku "Kończyna dolna HBM_N2.vst", a następnie wprowadź imię i nazwisko uczestnika. Nowy uczestnik pojawi się w okienku Tematy.
  9. Przejdź do okienka Narzędzia i otwórz kartę Przygotowanie tematu.
  10. Wyzeruj płytki siłowe za pomocą zakładki Sprzęt. Upewnij się, że na płyty siłowe nie jest wywierany żaden ciężar.
  11. Przygotuj uczestnika do próby ROM, przygotowując go na środku bieżni.
  12. Aby upewnić się, że uczestnik może przyzwyczaić się do bieżni we własnym tempie, poproś go, aby chodził z komfortową prędkością przez 5 minut na początku sesji9,10.
  13. Po aklimatyzacji i bez żadnego czasu zwłoki poproś uczestnika o chodzenie przez minimum 5 min10,11.
  14. Upewnij się, że uczestnicy są ślepi na czas nagrań.
  15. Upewnij się, że uruchomiłeś bieżnię i rozpocznij rejestrację danych, klikając przycisk Rozpocznij nagrywanie12. Można to zrobić za pomocą zintegrowanego oprogramowania (Tabela materiałów).
  16. Zatrzymaj nagrywanie po uzyskaniu żądanej ilości danych. Zaleca się zebranie trzech zestawów po 25 cykli.
  17. Otwórz oprogramowanie do przetwarzania (Tabela materiałów) i usuń szum o wysokiej częstotliwości z danych, wybierając filtr dolnoprzepustowy do danych znacznika, taki jak filtr Butterwortha drugiego rzędu z częstotliwością odcięcia 6 Hz.
  18. Przejdź do pozycji Plik, a następnie wybierz pozycję Eksportuj, aby zapisać jako .csv.
  19. Określ poszczególne kroki na podstawie danych o sile pionowej i użyj znaczników stopy, aby ustalić zdarzenia chodu13.
  20. Analizuj parametry chodu, takie jak dane kinematyczne, kinetyczne i przestrzenno-czasowe w Matlab R2017a (plik uzupełniający).

3. Konfiguracja i procedury do testu siły mięśniowej

  1. Użyj sprzętu do testowania siły mięśniowej (dynamometr multimodalny) (Rysunek 3), aby zmierzyć siłę mięśni uczestników w oparciu o maksymalny dobrowolny skurcz izometryczny (MVIC)14.
  2. Przymocuj narzędzie/podkładkę numer 701 do głowicy ćwiczeniowej dynamometru.
  3. Izometryczna siła mięśni prawego i lewego kolana uczestnika testu.
  4. Uczestnicy badania w pozycji siedzącej na krześle z oparciem.
  5. Za pomocą przełącznika góra/dół wyrównaj oś dynamometru z anatomiczną osią obrotu stawu kolanowego. Umieść podkładkę narzędzia centralnie w dolnej części goleni kości piszczelowej.
  6. Utrzymuj kolano w zgięciu pod kątem 90°, biodro w neutralnej rotacji i odwodzeniu, a stopę w zgięciu podeszwowym.
  7. Połóż dłonie uczestnika na jego brzuchu i ustabilizuj tułów, biodra i połowę uda na krześle za pomocą pasków na rzepy.
  8. Przeprowadź próbę próbną, aby uczestnicy mogli przyzwyczaić się do manewru testowego.
  9. Poinstruuj uczestnika, aby wyprostował kolano (wywierał nacisk w górę na podkładkę), a następnie zgiął (wywierał nacisk w dół na podkładkę), aby wywrzeć maksymalny skurcz na polecenie Go przez 3 sekundy.
  10. Udzielaj słownych podpowiedzi i zachęt ("Pchnij" w górę i "Ciągnij" w dół) podczas testów wytrzymałościowych.
  11. Upewnij się, że uczestnicy są świadomi, że mogą natychmiast przerwać test, jeśli doświadczą nietypowego bólu lub dyskomfortu.
  12. Pozwól uczestnikom odpocząć przez 2 minuty.
  13. Powtórz kroki 3.1 - 3.12, trzy razy dla lewej i prawej nogi i zapisz dane w niutonach (N).
  14. Zapisz wszystkie dane i wyeksportuj je jako raport do analizy.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Średnie i odchylenia standardowe parametrów czasoprzestrzennych, kinematycznych i kinetycznych chodu przedstawiono w Tabeli 2. Dane MVIC dla wszystkich 30 uczestników podsumowano w Tabeli 3. Typowy zestaw danych dla lewej i prawej strony jednego uczestnika, ukazujący graficzną reprezentację parametrów chodu, przedstawiono odpowiednio na Rysunku 4 i Rysunku 5.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Wkładem tego badania jest dokładne i kompleksowe opisanie w ramach jednego protokołu technik połączonej analizy chodu i badania siły mięśni, które wcześniej nie były opisywane razem.

Aby uzyskać dokładne wyniki analizy chodu, istnieją dwa obszary, które wymagają maksymalnej uwagi: 1) rozmieszczenie znaczników i 2) czas aklimatyzacji. Dokładność mierzonych danych jest w dużym stopniu uzależniona od dokładności zastosowanego modelu. Inne kluczowe czynniki wpływające na dokładność obejmują błędne...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Chcielibyśmy podziękować Dr. Johnathanowi Williamsowi za jego rady dotyczące przetwarzania danych w MATLAB.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
701 Mała dźwigniaBaltimore Therapeutic Equipment Company (BTE)Niedostępne - Link online podany w opisieUnikalna przystawka zaprojektowana dla Primus RS do pomiaru wyprostu / zgięcia kolana - https://store.btetech.com/collections/primus/products/701-small-lever
D-Flow Software - Vresion 3.26Motekforce LinkNot Available - Link online podany w opisieOprogramowanie używane do sterowania systemem GRAIL - https://summitmedsci.co.uk/products/motek-dflow-hbm-software/
Gait Offline Analysis (GOAT) - Wersja 2.3Motekforce LinkNiedostępny - Link online podany w opisieOprogramowanie służące do analizy parametrów chodu - https://www.motekmedical.com/product/grail/
Gait Real-time Analysis Interactive Lab (GRAIL)MotekforceLink Not Available - Link online podany w opisieSystem GRAIL mierzy i określa ilościowo biomechanikę chodu za pomocą bieżni do samodzielnego wykonywania (SP) opartej na rzeczywistości wirtualnej - https://www.motekmedical.com/product/grail/
Podkładka pod nogi dla 701Baltimore Therapeutic Equipment Company (BTE)Niedostępna - Link online podany w opisieUnikalna przystawka zaprojektowana dla Primus RS do pomiaru wyprostu / zgięcia kolana - https://store.btetech.com/collections/primus/products/701-802-leg-pad
Krzesło do pozycjonowaniaBaltimore Therapeutic Equipment Company (BTE)Niedostępne - Link online podany w opisieFotel Pozycjonowania Uczestnika jest przeznaczony do oceny i leczenia dolnych teremecji. Krzesło przeznaczone jest do pracy w wielu pozycjach. https://www.btetech.com/product/primus/
Primus RSBaltimore Therapeutic Equipment Company (BTE)Niedostępne - Link online podany w opisieSprzęt Primus RS przechwytuje i raportuje obiektywne dane w czasie rzeczywistym w trybach odporności izotonicznej, izometrycznej i izokinetycznej - https://www.btetech.com/wp-content/uploads/BTE-Rehabilitation-Equipment-PrimusRS-Brochure-1.pdf

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Biomechanika kończyn dolnychanaliza chodubadanie siły mięśniowejrozmieszczenie markerówaklimatyzacja do bieżnikalibracja platformy dynamometrycznejskurcz izometrycznyanaliza kinematycznaanaliza kinetycznadane czasoprzestrzenne
Analiza biomechaniczna kończyn dolnych zdrowych uczestników
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.