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

Artykuł metodologiczny

Niskokosztowe urządzenie do pomiaru zależności między siłą a prędkością skurczu mięśnia

201 wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/71757

⸱

14 sierpnia 2026

 , 
1Department of Biological Sciences, University of Massachusetts Lowell

W tym artykule

Podsumowanie

Opracowano przystępne i niskokosztowe urządzenie do pomiaru relacji siła–prędkość–moc mięśni ludzkich, wykorzystując tanie materiały, wydrukowaną w technologii 3D przekładnię, akcelerometr w smartfonie oraz bezpłatne oprogramowanie w języku Python. Walidacja z użyciem ergometru będącego złotym standardem wykazała fizjologicznie istotne pomiary, zapewniając jednocześnie sprawiedliwe możliwości praktycznej nauki w warunkach zajęć dla studentów studiów licencjackich.

Streszczenie

Zależność między siłą mięśniową, prędkością skurczu a mocą stanowi niemal stuletni paradygmat w fizjologii i jest kamieniem węgielnym naszego rozumienia funkcji układu mięśniowo-szkieletowego. Paradygmat ten jest jednak rzadko badany bezpośrednio w salach wykładowych z fizjologii i biomechaniki ze względu na zaporowe koszty wymaganego sprzętu. Niniejsze badanie miało na celu zaprojektowanie i walidację niskokosztowego urządzenia wykorzystującego wydrukowany w technologii 3D system bloczków z zastosowaniem mechanizmu zapadkowego, które można łatwo skonstruować i skonfigurować do zbierania danych dotyczących siły, prędkości i mocy mięśni palców człowieka za pomocą akcelerometru w smartfonie i bezpłatnej aplikacji Phyphox. Specjalny skrypt w języku Python konwertuje surowe pomiary z akcelerometru na wartości prędkości i mocy, które są następnie porównywane dla każdego badanego z pomiarami uzyskanymi przy użyciu referencyjnego dwutrybowego systemu dźwigni. Porównania parzyste pięciu zmiennych podsumowujących (siła maksymalna, Fmax; prędkość maksymalna, Vmax; moc maksymalna, Pmax; prędkość optymalna, Vopt oraz krzywizna zależności siła-prędkość, a/Fmax) nie wykazały statystycznie istotnych różnic między danymi dotyczącymi siły, prędkości i mocy zebranymi za pomocą obu urządzeń (testy t dla prób zależnych, p > 0,05). W związku z tym, bez znaczącego obniżenia jakości danych, niedrogie urządzenie oferuje dostępny, bezpieczny i kosztowo efektywny sposób nauczania i badania zasad biomechanicznych i fizjologicznych. Aparatura ta ma potencjał, aby zdemokratyzować edukację w zakresie fizjologii mięśni i biomechaniki, szczególnie w niedofinansowanych i ograniczonych zasobowo placówkach edukacyjnych na całym świecie.

Wprowadzenie

Mięśnie prążkowane stanowią motor napędzający ruchy szkieletowe u ludzi i innych zwierząt. Zrozumienie ich unikalnej kompozycji hierarchicznej jest utrudnione przez czynniki wieloskalowe wpływające na generowanie siły i wykonywanie pracy1,2. Być może ze względu na te złożoności, funkcja mięśni może być elementem niedocenianym w programach nauczania anatomii i fizjologii, ponieważ edukatorzy nie dysponują narzędziami niezbędnymi do odpowiedniego zaprezentowania podstawowych i najbardziej fascynujących aspektów funkcjonowania mięśni3,4,5,6.

Funkcję mięśni opisywano historycznie za pomocą kilku trwałych paradygmatów, z których najbardziej rozpoznawalnym jest zależność siła–prędkość, po raz pierwszy scharakteryzowana niemal wiek temu przez Archibalda Viviana Hilla1,2,3,4,5,6. Ta fundamentalna relacja fizjologiczna opisuje kompromis między prędkością skracania mięśnia a siłą, zgodnie z którym skurcze izometryczne lub bardzo powolne skracanie są zazwyczaj najsilniejsze i generują maksymalną siłę mięśnia (Fmax), podczas gdy najszybsze skurcze izotoniczne, zbliżające się do maksymalnej prędkości mięśnia (Vmax), są zazwyczaj najsłabsze1. Kiedy Hill opisywał zależność siła–prędkość–moc (FVP) w 1938 roku, wprowadził funkcję, która do dziś nosi jego imię. Równanie Hilla (Równanie 1) wiąże maksymalną siłę generowaną podczas skurczu izometrycznego (przy unieruchomionych końcach mięśnia) z maksymalną prędkością osiąganą w przypadku braku obciążenia zewnętrznego.

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

gdzie v to prędkość skracania, F to siła mięśnia, Fmax to maksymalna siła izometryczna, a a i b to stałe opisujące zależność siły od prędkości oraz właściwości energetyczne skracania mięśnia1.

W ramach tej podstawowej zależności kryje się kilka kluczowych koncepcji funkcji mięśni, reprezentowanych przez pięć parametrów ilościowych definiujących relację FVP. Iloczyn chwilowej siły i prędkości mięśnia stanowi moc, która zazwyczaj osiąga wartość maksymalną (Pmax) przy prędkości wynoszącej około jedną trzecią Vmax7. Prędkość, przy której  występuje Pmax , nazywana jest prędkością optymalną (Vopt), a jej położenie w zakresie prędkości skracania (od V0 do Vmax) jest istotną charakterystyką relacji siła–prędkość oraz moc–prędkość. Na przykład większa wartość Vopt powoduje, że moc szczytowa jest dostarczana przy wyższej prędkości skracania. W samej relacji siła–prędkość siła szczytowa (Fmax) i prędkość szczytowa (Vmax) są połączone za pomocą pośrednich zależności siła–prędkość w sposób krzywoliniowy (Rysunek 5A). Reprezentatywne relacje siła–prędkość i moc–prędkość uzyskane przy zastosowaniu obecnej metodologii przedstawiono na Rysunku 1. Nachylenie tej krzywej określa się jako krzywiznę siła–prędkość, która opisuje tempo spadku siły wraz ze wzrostem prędkości. Krzywiznę definiuje się jako a/Fmax8, gdzie a to stałe termodynamiczne w równaniu Hilla, które kwantyfikuje generowanie ciepła tarcia przez skracający się mięsień bez obciążenia1. Krzywizna wpływa na położenie Vopt na krzywej siła–prędkość i determinuje, jaką siłę mięsień może wygenerować przy danej prędkości skracania. Krzywiznę opisywano również za pomocą wskaźnika mocy mięśniowej (Równanie 2)9. 

Równanie 2:  figure-introduction-1

gdzie Pmax to maksymalna moc mięśniowa, a Vmax i Fmax to odpowiednio maksymalna prędkość skracania i maksymalna siła izometryczna.

Intuicyjny charakter zależności siła-prędkość oraz moc-prędkość stanowi efektywny punkt wyjścia podczas nauczania o funkcji mięśni w ramach nauk o życiu. Znaczenie zapewnienia studentom praktycznych możliwości zbudowania pełniejszego zrozumienia zależności FVP podkreśla fakt, że nauka poprzez praktykę przyczynia się do lepszego zapamiętywania wiedzy10. Ponadto wiadomo, że uczenie się eksperymentalne wzmacnia podstawy oceny funkcji mięśni, zarówno w kontekście fundamentalnych badań naukowych, jak i w ramach przygotowania do zawodów z obszaru opieki zdrowotnej, w tym profilaktyki urazów, rehabilitacji oraz treningu fizycznego.

Tradycyjne instrumenty do badania właściwości fizjologicznych mięśni, takie jak dwufunkcyjne systemy dźwigni z serwomotorami, są wysoce precyzyjne i dokładne, lecz generują prohibitive koszty, co stanowi istotną barierę w ich wdrożeniu w większości środowisk dydaktycznych7. Aby wyeliminować te ograniczenia i zwiększyć możliwości praktycznej nauki, opracowano niskokosztową alternatywę. Aparatura opiera się na wydrukowanej w technologii 3D bloczkowej przekładni z mechanizmem zapadkowym i wykorzystuje dostępne w sprzedaży szczelinowe szyny aluminiowe, sztywny drut oraz zamontowany w uchwycie smartfon z bezpłatną aplikacją do akwizycji danych (Rysunek 2). Wybrano smartfon zamiast dedykowanych urządzeń do pomiaru przyspieszenia, ponieważ smartfony są powszechnie dostępne i zazwyczaj wyposażone w dokładne i niezawodne akcelerometry11. Użyteczność smartfonów jako urządzeń pomiarowych w nauce została wykazana wcześniej, w tym poprzez włączenie komercyjnie dostępnego akcelerometra ze smartfona do jednostki pomiaru bezwładnościowego helikoptera Mars Helicopter Ingenuity12.

Choć istnieje kilka niedrogich narzędzi do nauczania fizjologii mięśni, koncentrują się one na różnych koncepcjach: Judge i wsp.6 opracowali przystępne cenowo ćwiczenia oparte na systemie SpikerBox do rejestracji aktywności elektrycznej mięśni, a Medeiros i wsp.10 stworzyli niskokosztowy dwuwymiarowy model sarkomeru w celu zademonstrowania mechaniki związanej z tytyną. Jednak żadne z istniejących niedrogich narzędzi nie pozwala studentom na bezpośredni pomiar zależności FVP w kurczącym się mięśniu człowieka i generowanie ilościowych danych porównywalnych z wynikami badań naukowych. Niniejsze urządzenie ma na celu wypełnienie tej luki, zapewniając pomiary FVP zwalidowane zgodnie ze złotym standardem za kwotę poniżej 300 USD.

Niniejsze badanie opisuje konstrukcję niedrogiego aparatu FVP wraz z walidacją krzyżową w odniesieniu do uznanego standardu przemysłowego. Analizy walidacyjne opierają się na porównaniach parowych pięciu uznanych zmiennych podsumowujących FVP, zmierzonych u tych samych badanych przy użyciu obu aparatów. Analizy te weryfikują hipotezę, według której oba aparaty generują równoważne krzywe siła-prędkość oraz moc-prędkość. Dzięki pomyślnej walidacji krzyżowej, niedrogi aparat może zdemokratyzować zajęcia z fizjologii mięśni i biomechaniki układu mięśniowo-szkieletowego poprzez obniżenie bariery finansowej związanej z nabyciem sprzętu, przy jednoczesnym zachowaniu dokładności eksperymentalnej, a tym samym rygoru naukowego. Przewiduje się, że niedrogi aparat zainspiruje i umożliwi studentom oraz wykładowcom fizjologii i biomechaniki na całym świecie, którzy już studiują i nauczają anatomii mięśni, praktyczne zbadanie jednej z najbardziej fundamentalnych zależności mięśniowych. Dzięki włączeniu praktycznych ćwiczeń z pomiarów fizjologicznych, w dydaktyce można osiągnąć multimodalne zrozumienie i lepszą retencję wiedzy.

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

Protokół

Wszystkie eksperymenty stanowiące podstawę niniejszej publikacji zostały zatwierdzone przez Instytucjonalną Komisję Rewizyjną (Institutional Review Board) na Uniwersytecie Massachusetts Lowell (protokół nr 21-163-KON-XPD).

UWAGA: Aparatura wykorzystuje smartfon zawieszony z zewnętrznymi obciążeniami na wydrukowanym w technologii 3D systemie bloczków. Dane dotyczące przyspieszenia są zbierane z częstotliwością 100 Hz przy użyciu aplikacji do akwizycji danych zainstalowanej na smartfonie. Siłę oblicza się, mnożąc łączną masę smartfona i obciążenia zewnętrznego przez przyspieszenie. Prędkość uzyskuje się poprzez całkowanie przyspieszenia, a moc oblicza się jako iloczyn siły i prędkości (Supplemental Coding File 1).

1. Montaż aparatury

  1. Przymocuj dwie krótkie belki aluminiowe do dolnej strony jednej długiej belki aluminiowej, używając mocowań do ram aluminiowych. Umieść krótkie belki w odległości około 8 cm od każdego końca długiej belki, aby utworzyć stabilną, sztywną podstawę.
    UWAGA: Zespół ten będzie w dalszej części określany jako rama.
  2. Zbuduj uchwyt bloczka
    1. Ustaw duży blok z spienionego polichlorku winylu tak, aby bok o długości 7 in był zorientowany pionowo, a bok o długości 6,75 in poziomo.
    2. Odlicz 2,75 in od dolnego lewego narożnika wzdłuż lewej krawędzi i zaznacz to miejsce.
    3. Odlicz 2,75 in od górnego lewego narożnika wzdłuż górnej krawędzi i zaznacz to miejsce.
    4. Narysuj linię prostą łączącą dwa zaznaczone miejsca.
    5. Wytnij wzdłuż zaznaczonej linii i usuń powstały trójkątny fragment.
    6. Wywierć otwór o średnicy 7/16 in w odległości 1,25 in od górnego prawego narożnika.
    7. Powtórz kroki 1.2.1–1.2.6 dla drugiego dużego bloku.
    8. Umieść mały blok z spienionego polichlorku winylu za ramą.
    9. Przymocuj oba duże bloki do małego bloku w taki sposób, aby były od siebie oddalone o 8 in. Zorientuj skośne cięcia nad małym blokiem, a wywiercone otwory umieść poza krawędzią małego bloku.
  3. Mocno przymocuj uchwyt bloczka do narożnika stołu lub blatu.
    UWAGA: Ustaw uchwyt tak, aby bloczek wystawał poza krawędź stołu. Zapobiega to kontaktowi zawieszonych ciężarków i smartfona z nogami stołu podczas skurczów.
  4. Zbuduj i przymocuj podkładkę pod przedramię
    1. Potnij 14-calowy blok z spienionego polichlorku winylu na trzy części: dwie sekcje o długości 1,5 in i jedną sekcję o długości 3,5 in.
    2. Wytnij w górnej powierzchni każdej mniejszej sekcji wcięcie o wymiarach 2 in x 1/8 in, umieszczając wcięcie 1 in od przedniej krawędzi.
    3. Przymocuj mniejsze sekcje do dolnej strony większej sekcji na obu końcach. Wyrównaj wcięcia względem siebie.
    4. Pokryj górną powierzchnię większej sekcji taśmą rzepową.
    5. Przewlecz pasek przedramienia przez dwa wcięcia.
    6. Przymocuj podkładkę pod przedramię do ramy za pomocą śrub i nakrętek T. Umieść podkładkę w odległości 14 in od uchwytu bloczka, tak aby pasek przedramienia był skierowany w stronę przeciwną do bloczka.
  5. Włóż łożyska kulkowe w rowki elementów wewnętrznej i zewnętrznej przekładni (Supplemental File 1).
  6. Przewlecz 40 cm paska zębatego przez boczny otwór elementu wewnętrznej przekładni. Utwórz pętlę z 2-centymetrowym nakładaniem i zabezpiecz nakładkę wewnątrz otworu.
  7. Wsuń metalną oś przez lewy uchwyt bloczka, ogranicznik, element wewnętrznej przekładni, element przenoszący siłę, element zewnętrznej przekładni, drugi ogranicznik i prawy uchwyt bloczka.
    UWAGA: Zorientuj boczny otwór wewnętrznej przekładni w stronę ramy. Umieść oba ograniczniki w odległości 1 mm od obu stron zestawu bloczków.
  8. Zainstaluj dwa dodatkowe ograniczniki na osi, umieszczając każdy z nich 1 mm od uchwytów bloczków, aby zapobiec przesunięciu bocznemu.
  9. Przewlecz 40 cm wielowodnej stalowej linki przez stabilizator palca i zabezpiecz ją zaciskiem. Przewlecz przeciwny koniec przez karabińczyk A i zabezpiecz drugim zaciskiem.
    UWAGA: Karabińczyki A i B są identyczne i zostały oznaczone wyłącznie w celu identyfikacji podczas montażu.
  10. Połącz element wewnętrznej przekładni z karabińczykiem A za pomocą dołączonego paska zębatego. Zabezpiecz nakładkę za pomocą Klucza A.
    UWAGA: Klucze A, B i C są identyczne. Można wydrukować dodatkowe klucze, ponieważ są one zaprojektowane jako elementy poświęcalne, które ulegają uszkodzeniu przed zniszczeniem innych części aparatury.
  11. Owijaj 10 cm wielowodnej stalowej linki wokół karabińczyka A i zabezpiecz ją zaciskiem. Owij przeciwny koniec wokół mocowania do ramy aluminiowej, zacznij linkę i przymocuj mocowanie do ramy.
    UWAGA: Zespół ten będzie w dalszej części określany jako śruba zabezpieczająca.
  12. Utwórz pętlę z 40 cm paska zębatego z 2-centymetrowym nakładaniem i włóż pętlę do Klucza B. Owij przeciwny koniec wokół karabińczyka B i zabezpiecz nakładkę za pomocą Klucza C.
  13. Wsuń Klucz B do największego stopnia elementu zewnętrznej przekładni.
  14. Przymocuj uchwyt opaski na smartfona do karabińczyka B, używając pętli opaski lub otworów na kabel słuchawkowy.
  15. Zawieś wybrany ciężar początkowy na karabińczyku B, używając zapętlonej i zaciskanej stalowej linki.

2. Konfiguracja systemu akwizycji danych

  1. Zainstaluj aplikację do akwizycji danych na smartfonie wyposażonym w akcelerometr.
  2. Otwórz moduł Acceleration (without g).
  3. Umieść smartfon w uchwycie na ramię przymocowanym do karabinka B.
  4. Zbierz dane zgodnie z sekcją 3.
  5. Wyeksportuj zapisane dane do pliku .xls. Przypisz unikalną nazwę pliku odpowiadającą uczestnikowi.
  6. Prześlij plik .xls na komputer z dostępem do Internetu.
  7. Przetwórz dane, korzystając z Supplemental Coding File 1
    UWAGA: Skrypt oblicza prędkość za pomocą całkowania metodą Eulera w przód dla zmierzonego przyspieszenia pionowego (Równanie 3). Położenie jest obliczane przy użyciu kinematycznego równania ruchu jednostajnie przyspieszonego (Równanie 4). Obliczenia wykorzystują surowe wartości przyspieszenia bez wygładzania lub filtrowania.
    Równanie 3: vi = vi-1 + ai ∆t
    Równanie 4:  figure-protocol-1
    1. Zainstaluj Supplemental Coding File 1.
    2. Zainstaluj język Python na komputerze używanym do przetwarzania danych.
    3. Otwórz okno terminala i wykonaj polecenie: pip install streamlit pandas matplotlib scipy openpyxl xlrd.
    4. Przejdź do folderu zawierającego Supplemental Coding File 1 i wykonaj polecenie: streamlit run muscle_velocity_gui.py.
      UWAGA: W przypadku korzystania z Windows PowerShell wykonaj polecenie: python -m streamlit run muscle_velocity_gui.py. Jeśli pojawi się prośba o podanie adresu e-mail, pozostaw pole puste i naciśnij Enter.
    5. Kliknij Upload i wybierz wyeksportowany plik .xls.
    6. Kliknij Process Data, aby wczytać i przeanalizować zbiór danych.
    7. Przejrzyj wykresy przyspieszenia, prędkości i położenia wygenerowane dla pierwszej próby.
    8. Wybierz wykryte piki odpowiadające prawidłowym skurczom mięśni, korzystając z pól wyboru znajdujących się obok każdego piku.
      UWAGA: Prawidłowe piki zazwyczaj występują przed momentem, gdy ślad przyspieszenia staje się ujemny, i są powiązane z dodatnimi wartościami prędkości i położenia. Automatyczny algorytm detekcji piki może błędnie identyfikować piki, dlatego wymagana jest ręczna weryfikacja.
    9. Dostosuj parametry detekcji piki
      UWAGA: Jeśli oprogramowanie nie identyfikuje poprawnie piki, rozwiń sekcję Advanced Tweakables > Peak Detection Parameters i dostosuj ustawienia detekcji.
      1. Dostosuj Zero Threshold, aby zdefiniować zakres przyspieszenia uznawany za stan spoczynku.
        UWAGA: Zwiększ tę wartość, gdy ślady przyspieszenia zawierają nadmierny szum. Próg jest wyświetlany jako czerwone linie referencyjne na wykresie przyspieszenia. Wartość domyślna = 0.30. Sugerowany zakres = 0.10–5.00.
      2. Dostosuj Min Velocity for Peak, aby zdefiniować minimalny akceptowalny pik prędkości.
        UWAGA: Zmniejsz tę wartość, jeśli prawidłowe piki są pomijane. Próg jest wyświetlany jako dolna zielona linia referencyjna na wykresie prędkości. Wartość domyślna = 0.30. Sugerowany zakres = 0.10–10.00.
      3. Dostosuj Zero Scope, aby zdefiniować minimalną liczbę następujących po sobie próbek przyspieszenia bliskich zeru, wymaganych do zidentyfikowania okresu spoczynku.
        UWAGA: Zmniejsz tę wartość, jeśli ślady prędkości i położenia nie resetują się. Wartość domyślna = 10. Sugerowany zakres = 3–25.
      4. Dostosuj Max Velocity for Peak, aby zdefiniować maksymalny akceptowalny pik prędkości.
        UWAGA: Zwiększ tę wartość, jeśli prawidłowe piki przekraczają próg. Próg jest wyświetlany jako górna zielona linia referencyjna na wykresie prędkości. Wartość domyślna = 10.00. Sugerowany zakres = 10.00–30.00.
      5. Dostosuj Min Peak Distance, aby zdefiniować minimalną liczbę próbek między wykrytymi pikami.
        UWAGA: Wartość domyślna = 2. Sugerowany zakres = 1–10. Modyfikacja jest zazwyczaj zbędna.
      6. Dostosuj Min Peak Prominence, aby zdefiniować wypukłość wymaganą do detekcji piku.
        UWAGA: Niższe wartości zwiększają czułość i mogą zidentyfikować dodatkowe piki. Wartość domyślna = 0.10. Sugerowany zakres = 0.01–0.90. Modyfikacja jest zazwyczaj zbędna.
    10. Po zidentyfikowaniu wszystkich prawidłowych piki dla obecnej próby kliknij Next, aby przejść do następnej próby.
    11. Powtórz kroki 2.7.7–2.7.10, aż wszystkie próby zostaną przetworzone.
      UWAGA: Nie modyfikuj parametrów detekcji piki po przetworzeniu pierwszej próby. Jeśli zmiana parametrów stanie się konieczna, powtórz analizę dla wszystkich wcześniej przetworzonych prób przy użyciu zaktualizowanych ustawień.
    12. Skopiuj wybrane dane prędkości i przyspieszenia do arkusza kalkulacyjnego do późniejszej analizy zależności siła–prędkość–moc.

3. Protokół eksperymentalny

  1. Przymocuj przedramię uczestnika do podłokietnika za pomocą paska na przedramię. Zaciśnij pasek na tyle mocno, aby zapobiec przesuwaniu się przedramienia do przodu.
  2. Umieść stabilizator palca na kciuku uczestnika i bezpiecznie go zaciśnij.
  3. Usuń luz z systemu bloczków, obracając bloczek za pomocą mechanizmu zapadkowego, aż pasek zębaty zostanie napięty.
    UWAGA: Mechanizm zapadkowy wydaje słyszalny dźwięk kliknięcia podczas przemieszczania się między pozycjami.
  4. Przesuń śrubę zabezpieczającą w stronę bloczka, aż drut łączący śrubę zabezpieczającą z karabinkiem A zostanie napięty.
  5. Wybierz dwa obciążniki o zbliżonej masie, z których każdy waży około 1,25 kg.
  6. Stała sekwencja testowa
    1. Przetestuj największy, średni i najmniejszy poziom bloczka, używając jednego obciążnika oraz smartfona.
    2. Przetestuj najmniejszy, średni i największy poziom bloczka, używając dwóch obciążników oraz smartfona.
    3. Przetestuj największy i najmniejszy poziom bloczka, używając tylko smartfona.
      UWAGA: Dla wszystkich uczestników stosuj tę samą sekwencję, aby zminimalizować błąd związany ze zmęczeniem.
  7. Stuknij Start Recording w aplikacji do akwizycji danych.
  8. Poleć uczestnikowi, aby skurczył kciuk tak szybko i mocno, jak to możliwe.
    UWAGA: Motywacja uczestnika może istotnie wpłynąć na wyniki. Przez cały czas trwania testów stosuj spójne zachęty słowne, aby promować maksymalny wysiłek.
  9. Wstrzymaj rejestrację danych po każdej próbie. Dostosuj poziom bloczka i warunki obciążenia zgodnie z sekwencją ustaloną w kroku 3.6.
  10. Wznów rejestrację danych i powtórz kroki 3.8–3.9, aż zostaną zrealizowane wszystkie osiem kombinacji poziomów bloczka i obciążeń.
  11. Monitoruj uczestnika podczas całego testowania i powtórz próby, w których wystąpił nadmierny ruch ramienia lub niedostateczny wysiłek.
  12. Przejrzyj wykres przyspieszenia po każdej próbie.
    UWAGA: Powtórz próby wykazujące nienaturalnie niskie początkowe piki przyspieszenia, nadmierne oscylacje lub ciągły ruch smartfona między skurczami, ponieważ warunki te mogą obniżyć jakość danych.
  13. Zanotuj uwagi do każdej próby, w tym do prób powtórzonych lub wykluczonych, aby ułatwić późniejszą analizę danych.

4. Obsługa ergometru złotego standardu

  1. Przygotowanie ergometru wzorcowego
    1. Włącz komputer i uruchom oprogramowanie do akwizycji danych. Otwórz plik procedury dla systemu dźwigni w trybie podwójnym.
    2. Ustaw przesunięcie siły (force offset) na 10 oraz przesunięcie długości (length offset) na 9 w jednostce sterującej dźwignią.
    3. Włącz dwutrybowy system dźwigniowy oraz jednostkę akwizycji danych.
    4. Należy sprawdzić prawidłowe działanie silnika, delikatnie obracając dźwignię i potwierdzając występowanie oporu.
    5. Przezącz 40 cm wielożyłowego stalowego drutu przez drugi otwór od dołu dźwigni i zabezpiecz drut za pomocą zacisku.
    6. Przełóż przeciwległy koniec drutu przez wspornik palca i zabezpiecz go za pomocą tulejki zaciskowej.
    7. Przymocuj dwutrybowy system dźwigni do ramy 3 przed podłokietnikiem.
  2. Przymocuj przedramię uczestnika do podstawnika i umieść kciuk w stabilizatorze palca.
  3. Przesuń ramię uczestnika do przodu, aż kciuk osiągnie maksymalne zgięcie, a linka znajdzie się pod lekkim napięciem.
  4. Zaciśnij pasek na przedramieniu dostatecznie mocno, aby zapobiec ruchom ramienia w kierunku przednim lub bocznym.
  5. Konfiguracja ustawień akwizycji danych
    1. Otwórz Urządzenie sterujące skanowaniem Dev6.
    2. Zestaw Liczba próbek do 60,000.
    3. Zestaw Uśrednianie próbek do 1.
    4. Zestaw Okres próbkowania Proszę podać tekst źródłowy do przetłumaczenia. 0.0001.
    5. Zestaw Okres konwersji do 0.
    6. Zestaw Próbki po wyzwalaniu Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. 0.
    7. Zestaw Źródło wyzwalacza referencyjnego do /Dev6/PFI1.
    8. Zestaw 2x typ do Cyfrowy.
    9. Zestaw 2x Lever1 do 0.
    10. Zestaw 2x Lever2 do 0.
    11. Zestaw Tryb do Jednorazowy.
    12. Zestaw Niezwłoczny zwrot do Wyłączone.
    13. Zestaw Wyzwalacz startu do Wyłączone.
    14. Zbiór Źródło wyzwalania do /Dev6/PFI0.
    15. Zestaw Zegar próbkowania do Wyłączone.
    16. Zbiór Źródło taktowania do /Dev6/PFI7.
    17. Zbiór Konwerter zegara do Wyłączony.
    18. Zestaw Konwersja źródła zegara do /Dev6/PFI2.
    19. Wybierz Kanał 1 + Kanał 2 pod Wybór kanałów do skanowania.
  6. Kliknij w Start w Urządzenie sterujące skanowaniem i poprosić uczestnika o możliwie jak najszybszy i najsilniejszy skurcz kciuka.
    UWAGA: Motywacja uczestnika może mieć istotny wpływ na wyniki. Przez cały czas trwania testów należy stosować spójne zachęty słowne, aby stymulować do maksymalnego wysiłku.
  7. Kliknij w GetWaves następnie należy zapisać uzyskane dane, używając identyfikatora uczestnika oraz aktualnej wartości przesunięcia siły.
    UWAGA: Dla pierwszej kontrakcji przesunięcie siły wynosi 10.
  8. Zmniejsz offset siły w przyrostach o 1,0.
    UWAGA: Przykładowy przebieg: 10.0 > 9.0 > 8.0.
  9. Powtarzaj kroki 4.6–4.8 do momentu, aż silnik nie będzie stawiał zauważalnego oporu przy ruchu kciuka.
  10. Wyodrębnij wartości siły szczytowej i prędkości szczytowej z każdej próby, stosując procedurę analizy opisaną w Dodatkowy plik z kodem 2.

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

Wyniki

Dane dotyczące zależności siła–prędkość oraz moc–prędkość zebrało się od grupy studentów studiów licencjackich (N = 15), wykorzystując zarówno ergometr będący złotym standardem, jak i niskokosztowe urządzenie, aby ocenić wyniki funkcjonalne każdego z systemów przy zastosowaniu identycznego protokołu eksperymentalnego. Indywidualne dane badanych przedstawiono na Rysunku 1, a zestawienie danych dla każdego urządzenia na Rysunku 3.

Nisko...

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

Dyskusja

Niskokosztowy aparat został zwalidowany jako alternatywa dla ergometrów będących złotym standardem do pomiaru relacji siła–prędkość oraz moc–prędkość mięśni ludzkich w warunkach zajęć klasowych.

Wyniki walidacji potwierdzają tezę, że niedrogie i tym samym bardziej dostępne ekonomicznie i technologicznie urządzenie może generować pomiary statystycznie nieodróżnialne od tych uzyskanych przy użyciu ergometru uznawanego za złoty standard. Zdolność tego taniego urządzenia do generowania wysokiej ja...

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

Oświadczenia

Autorzy nie mają żadnych konfliktów interesów do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy dziękują studentom uczestniczącym w kursie Biologii Mięśni (UML BIOL4890, 2023–2025) oraz uczniom z Lawrence High School (Lawrence, MA) za udział w projekcie końcowym, który posłużył jako podstawa do tej pracy dyplomowej z wyróżnieniem (GC). Podziękowania kierujemy również do Matthew Borokowskiego z Aurora Scientific za nieustające wsparcie oraz do Victorii Flint i Samuela DeLapa za ich początkowe wysiłki w opracowaniu i wdrożeniu modułu zginaczy palców dla kursu na UML. Autorzy dziękują również Danielowi Bartlettowi i Darrellowi La za pomoc w doborze metod analizy. Praca została sfinansowana ze stypendium UMass Lowell Honors College (dla GC) oraz przez National Science Foundation (grant 2217246), a także z funduszy startowych UMass Lowell (dla NK).

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

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Obciążniki 1,25 kgNEXO FitnessASIN: B09JHQ6QB8Można zastąpić zwykłymi obciążnikami ok. 1-2 kg
liczba potrzebna: 2
Zębatkowy pasek do drukarki 3D‎pasek do drukarki 3D 10mASIN: B08974S1CCMożna zastąpić zwykłymi zębatkowymi paskami do drukarek 3D: skok 2mm, szerokość 6mm, wykonane z gumy i włókna szklanego
liczba potrzebna: 1
3DPart1 - Koło zębate wewnętrzneN/DN/DPatrz uzupełniające pliki STL - drukować w ABS
liczba potrzebna: 1
3DPart2 - Koło zębate zewnętrzneN/DN/DPatrz uzupełniające pliki STL - drukować w ABS
liczba potrzebna: 1
3DPart3 - KlinN/DN/DPatrz uzupełniające pliki STL - drukować 3-5x w ABS
liczba potrzebna: 1
3DPart4 - Uchwyt siłyN/DN/DPatrz uzupełniające pliki STL - drukować w PLA
liczba potrzebna: 1
Długa belka aluminiowa80/20 inc10201 in x 2 in x 32 in
liczba potrzebna: 1
Krótka belka aluminiowa80/20 inc10101 in x 1 in x 12 in
liczba potrzebna: 2
Mocowanie ramy aluminiowej / śruba zabezpieczająca80/20 inc4108 liczba potrzebna: 3
Stabilizator ramienia FEATOLASIN: B0CGX8QZ3CMożna zastąpić zwykłym stabilizatorem ramienia
liczba potrzebna: 1
Blok z komórkowego polichlorku winylu na podparcie ramieniapłyta AzekGrubość 8/4 tylko tradycyjna14 in x 6 1/2 in x 3/4 in
liczba potrzebna: 14
KarabinkiRewoalzxASIN:  B0FB3VYV3N liczba potrzebna: 2
Łożyska kulkowe ze stali stopowej chromowejuxcellUXCELL 6900 2RS - ASIN: B07FVX92MJWymiary: średnica wewnętrzna 10 mm, średnica zewnętrzna 22 mm, szerokość 6 mm.
liczba potrzebna: 1
Excel/Arkusz kalkulacyjnyMicrosoftExcelMożna zastąpić dowolnym oprogramowaniem do arkuszy kalkulacyjnych
liczba potrzebna: 1
Stabilizator palcaSopitoASIN:  B0B5C6RWR4 Można zastąpić zwykłym stabilizatorem palca
liczba potrzebna: 1
IGOR 8 PROWavemetrics.com8 PROUżywany z aparaturą Aurora Scientific oraz do obliczeń a/Fmax.
liczba potrzebna: 1
Duża płyta z komórkowego polichlorku winylupłyta AzekGrubość 8/4 tylko tradycyjna6 3/4 in x 7 in x 3/4 in
liczba potrzebna: 2
Metalowa ośGenerycznaASIN: B0CC8T8X77Pręt stalowy grubości 9,97 mm, długości 45 cm.
liczba potrzebna: 1
Wielowarstwowy drut stalowy Catch All TackleASIN: B00JTWDSQSśrednica 1,4mm, wytrzymałość 400lb
liczba potrzebna: 2
Uchwyt na telefonTribeASIN: B00SXRXUFEliczba potrzebna: 1
Aplikacja PhyphoxPhyphox.orgN/DPobrać z Apple App Store lub Google Play Store
liczba potrzebna: 1
Skrypt PythonN/DN/DMożna pobrać: Dokument uzupełniający 1 muscle_velocity_gui.py
liczba potrzebna: 1
Mała płyta z komórkowego polichlorku winylupłyta AzekGrubość 8/4 tylko tradycyjna1 in x 3 1/4 in x 3/4 in
liczba potrzebna: 1
SmartfonAppleIPhone 11Można zastąpić dowolnym smartfonem z akcelerometrem
liczba potrzebna: 1
Zaciски do drutu stalowegoCatch All TackleASIN: B00JTWDSQSwytrzymałość 400lb
liczba potrzebna: 6
StoperyBefenybayASIN: B0B1C6BPKQśrednica wewnętrzna 10 mm, średnica zewnętrzna 20 mm, szerokość 20 mm
liczba potrzebna: 2

Bibliografia

  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.

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

Przedruki i uprawnienia

Przeglądaj więcej artykułów

Pomiar mocy mięśniowejdruk 3D koła pasowegomechanizm zapadkowyakcelerometr smartfonaaplikacja Phyphoxanaliza danych w języku Pythonnauczanie fizjologii mięśnidydaktyka biomechaniki
Niskokosztowe urządzenie do pomiaru zależności między siłą a prędkością skurczu mięśnia
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.