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

137 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

Mięsień prążkowany jest silnikiem generującym ruchy szkieletowe u ludzi i innych zwierząt. Zrozumienie jego unikalnej hierarchicznej budowy jest utrudnione przez czynniki wielkoskalowe wpływające na generowanie siły i wykonywanie pracy1,2. Być może ze względu na te komplikacje, funkcja mięśni może być niedocenianym elementem programów nauczania anatomii i fizjologii, ponieważ edukatorom brakuje narzędzi niezbędnych do właściwego zaprezentowania fundamentalnych i najbardziej fascynujących aspektów funkcjonowania mięśni3,4,5,6.

Funkcję mięśni opisywano historycznie za pomocą kilku trwałych paradygmatów, z których najlepiej rozpoznawalnym jest kompromis między siłą a prędkością, po raz pierwszy scharakteryzowany niemal wiek temu przez Archibalda Viviana Hilla1,2,3,4,5,6. Ta fundamentalna relacja fizjologiczna opisuje zależność między prędkością skurczu mięśnia a siłą, zgodnie z którą skurcze izometryczne lub bardzo powolne skracanie są zazwyczaj najsilniejsze, generując maksymalną siłę mięśnia (Fmax), podczas gdy najszybsze skurcze izotoniczne zbliżające się do maksymalnej prędkości mięśnia (Vmax) są zazwyczaj najsłabsze1. Kiedy Hill opisał relację 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 nieruchomych końcach mięśnia) z maksymalną prędkością osiąganą wykluczając obciążenie zewnętrzne.

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 siła–prędkość oraz właściwości energetyczne skracania mięśnia1.

W ramach tej fundamentalnej zależności kryje się kilka kluczowych koncepcji funkcjonowania 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 jednej trzeciej 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 zależności siła–prędkość oraz moc–prędkość. Przykładowo, większa wartość Vopt sprawia, że moc szczytowa jest generowana przy wyższej prędkości skracania. W samej zależności siła–prędkość, siła maksymalna (Fmax) i prędkość maksymalna (Vmax) są połączone poprzez pośrednie relacje siła–prędkość w sposób krzywoliniowy (Rysunek 5A). Reprezentatywne zależności siła–prędkość oraz moc–prędkość uzyskane przy użyciu zastosowanej metodologii przedstawiono na Rysunku 1. Nachylenie tej krzywej określa się mianem krzywizny 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 określa, jaką siłę mięsień może wygenerować przy danej prędkości skracania. Krzywiznę opisano również za pomocą wskaźnika mocy mięśniowej (Równanie 2)9.

Równanie 2:  Równanie współczynnika sprawności, Pmax/vmax*Fmax, dla analizy systemów mechanicznych.

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

Intuicyjny charakter zależności siła-prędkość oraz moc-prędkość stanowi efektywny punkt wyjścia podczas nauczania funkcji mięśni w ramach nauk biologicznych. Znaczenie zapewnienia studentom możliwości praktycznego zapoznania się z tymi zależnościami w celu zbudowania pełniejszego zrozumienia jest podkreślane przez fakt, że nauka poprzez praktykę wykazuje poprawę w zakresie zapamiętywania wiedzy10. Co więcej, wiadomo, że nauka eksperymentalna wzmacnia fundamenty oceny funkcji mięśni, zarówno w podstawowym kontekście naukowym, jak i jako przygotowanie do zawodów w sektorze ochrony zdrowia, w tym zapobiegania kontuzjom, rehabilitacji oraz treningu fizycznego.

Tradycyjne urządzenia do badania właściwości fizjologicznych mięśni, takie jak dwufunkcyjne systemy dźwigni z serwomotorami, charakteryzują się wysoką precyzją i dokładnością, lecz generują prohibitywne koszty, co stanowi istotną barierę w ich wdrażaniu w większości środowisk dydaktycznych7. Aby zniwelować te ograniczenia i zwiększyć możliwości praktycznej nauki, opracowano niskokosztową alternatywę. Aparatura opiera się na wydrukowanej w technologii 3D bloczkowej przekładni z zapadką i grzebieniem, wykorzystując dostępne w sprzedaży aluminiowe szyny profilowane, sztywny drut oraz zamocowany w uchwycie smartfon z bezpłatną aplikacją do akwizycji danych (Rysunek 2). Wybór smartfona zamiast dedykowanych urządzeń do pomiaru przyspieszenia wynika z ich powszechnej dostępności oraz zazwyczaj wysokiej dokładności i niezawodności wbudowanych akcelerometrów1. Użyteczność smartfonów jako urządzeń pomiarowych w nauce została wykazana wcześniej, w tym poprzez zastosowanie komercyjnego akcelerometra ze smartfona w jednostce pomiarowej inercyjnej śmigłowca Ingenuity na Marsie12.

Choć istnieją niektóre niskokosztowe narzędzia do nauczania fizjologii mięśni, dotyczą one innych zagadnień: Judge i wsp.6 opracowali przystępne cenowo ćwiczenia oparte na systemie SpikerBox do rejestrowania aktywności elektrycznej mięśni, a Medeiros i wsp.10 stworzyli niskokosztowy model sarkomeru 2-D w celu zademonstrowania mechaniki związanej z tytyną. Jednak żadne z istniejących tanich narzędzi nie pozwala studentom na bezpośredni pomiar zależności FVP w kurczącym się mięśniu człowieka i generowanie ilościowych danych porównywalnych z danymi badawczymi. Niniejszy aparat ma na celu wypełnienie tej luki, dostarczając pomiarów FVP zwalidowanych zgodnie ze złotym standardem w cenie poniżej 30 $.

Niniejsze badanie opisuje konstrukcję niskokosztowego aparatu do pomiaru FVP wraz z walidacją krzyżową w odniesieniu do przemysłowego standardu złotej wersji. Analizy walidacyjne opierają się na porównaniach parowych pięciu uznanych zmiennych podsumowujących FVP, zmierzonych u tych samych badanych na obu aparatach. Analizy weryfikują hipotezę, że oba aparaty generują równoważne krzywe siła-prędkość oraz moc-prędkość. Dzięki pomyślnej walidacji krzyżowej niskokosztowy aparat może zdemokratyzować studia nad fizjologią mięśni i biomechaniką układu mięśniowo-szkieletowego w ramach zajęć dydaktycznych, obniżając barierę finansową nabycia sprzętu, przy jednoczesnym zachowaniu dokładności eksperymentalnej i rygoru naukowego. Przewiduje się, że niskokosztowy aparat zainspiruje i umożliwi studentom oraz nauczycielom fizjologii i biomechaniki na całym świecie, którzy już teraz studiują i nauczają anatomii mięśni, praktyczne zgłębianie jednej z najbardziej fundamentalnych zależności mięśniowych. Dzięki włączeniu praktycznej aktywności polegającej na generowaniu pomiarów fizjologicznych, w ramach zajęć można osiągnąć multimodalne zrozumienie oraz 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 w Lowell (Protokół nr 21-163-KON-XPD).

UWAGA: Aparatura wykorzystuje smartfon zawieszony z obciążeniami zewnętrznymi na systemie bloczków wydrukowanych w technologii 3D. Dane dotyczące przyspieszenia są zbierane z częstotliwością 10 Hz przy użyciu aplikacji do akwizycji danych zainstalowanej na smartfonie. Siłę oblicza się poprzez pomnożenie łącznej masy smartfona i obciążenia zewnętrznego przez przyspieszenie. Prędkość uzyskuje się poprzez całkowanie przyspieszenia, a moc oblicza się jako iloczyn siły i prędkości (Plik uzupełniający z kodem 1).

1. Montaż aparatury

  1. Przymocuj dwie krótkie aluminiowe belki do spodniej strony jednej długiej belki aluminiowej, używając mocowań ramy aluminiowej. 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 piankowego 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 prawego górnego narożnika.
    7. Powtórz kroki 1.2.1–1.2.6 dla drugiego dużego bloku.
    8. Ustaw mały blok z piankowego polichlorku winylu za ramą.
    9. Przymocuj oba duże bloki do małego bloku w taki sposób, aby były oddalone od siebie o 8 in. Skieruj skośne cięcia nad mały blok, a wywiercone otwory umieść poza krawędzią małego bloku.
  3. Mocno przytwierdź 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 piankowego 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 je 1 in od przedniej krawędzi.
    3. Przymocuj mniejsze sekcje do spodniej 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 do rowków 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 zakładką i zabezpiecz zakładkę wewnątrz otworu.
  7. Wsuń metalową oś przez lewy uchwyt bloczka, ogranicznik, element wewnętrznej przekładni, element przenoszący siłę, element zewnętrznej przekładni, drugi ogranicznik i prawy uchwyt bloczka.
    UWAGA: Skieruj boczny otwór wewnętrznej przekładni w stronę ramy. Umieść oba ograniczniki w odległości 1 mm od każdej strony zespołu bloczków.
  8. Zainstaluj dwa dodatkowe ograniczniki na osi, umieszczając każdy ogranicznik 1 mm od uchwytów bloczków, aby zapobiec przesunięciom bocznym.
  9. Przewlecz 40 cm wielożyłowego stalowego drutu przez stabilizator palca i zabezpiecz go zaciskiem. Przewlecz przeciwległy koniec przez Karabińczyk A i zabezpiecz go 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 zakładkę 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 innymi częściami aparatury.
  11. Owiń 10 cm wielożyłowego stalowego drutu wokół Karabińczyka A i zabezpiecz go zaciskiem. Owiń przeciwległy koniec wokół mocowania ramy aluminiowej, zaciśnij drut 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-centymetrową zakładką i włóż pętlę do Klucza B. Owiń przeciwległy koniec wokół Karabińczyka B i zabezpiecz zakładkę za pomocą Klucza C.
  13. Wsuń Klucz B do największego stopnia elementu zewnętrznej przekładni.
  14. Przymocuj uchwyt opaski na smartfon do Karabińczyka B, korzystając z pętli opaski lub otworów na kabel słuchawek.
  15. Zawieś wybrany ciężarek początkowy na Karabińczyku B, używając zapętlonego i zaciśniętego stalowego drutu.

2. Konfiguracja akwizycji danych

  1. Zainstaluj aplikację do akwizycji danych na smartfonie wyposażonym w akcelerometr.
  2. Otwórz Przyspieszenie (bez g) moduł
  3. Umieść smartfon w uchwycie na ramię przymocowanym do karabinka B.
  4. Należy zebrać dane zgodnie z sekcją 3.
  5. Wyeksportuj zapisane dane do pliku .xls. Przypisz unikalną nazwę pliku odpowiadającą uczestnikowi.
  6. Przenieś plik .xls na komputer z dostępem do Internetu.
  7. Przetwórz dane za pomocą Uzupełniający plik z kodem 1
    UWAGA: Skrypt oblicza prędkość, stosując całkowanie metodą Eulera w przód dla zmierzonego przyspieszenia pionowego (Równanie 3). Położenie jest obliczane przy użyciu kinematycznego równania dla stałego przyspieszenia (Równanie 4). Obliczenia wykorzystują surowe wartości przyspieszenia, bez wygładzania ani filtrowania.
    Równanie 3: vi = vi-1 + ai ∆t
    Równanie 4:  Równanie ruchu w fizyce: \( p_i = p_{i-1} + v_{i-1} \Delta t + \frac{1}{2} a_i \Delta t^2 \); analiza dynamiczna.
    1. Zainstaluj Dodatkowy plik z kodem 1.
    2. Zainstaluj język Python na komputerze wykorzystywanym do przetwarzania danych.
    3. Otwórz okno terminala i wykonaj: pip install streamlit pandas matplotlib scipy openpyxl xlrd.
    4. Przejdź do folderu zawierającego pomocniczy plik z kodem 1 (Supplemental Coding File 1) i wykonaj: streamlit run muscle_velocity_gui.py.
      UWAGA: Podczas korzystania z Windows PowerShell należy wykonać polecenie: python -m streamlit run muscle_velocity_gui.py. Jeśli pojawi się prośba o podanie adresu e-mail, należy pozostawić pole puste i nacisnąć Enter.
    5. Kliknij w Prześlij i wybierz wyeksportowany plik .xls.
    6. Kliknij w Przetwarzanie danych w celu załadowania i przeanalizowania zbioru danych.
    7. Przeanalizuj 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: Ważne piki zazwyczaj występują przed momentem, gdy ślad przyspieszenia stanie się ujemny, i wiążą się z dodatnimi wartościami prędkości oraz położenia. Automatyczny algorytm wykrywania pików może błędnie identyfikować piki, dlatego wymagana jest weryfikacja ręczna.
    9. Dostosuj parametry detekcji pików
      UWAGA: Jeśli oprogramowanie nie identyfikuje poprawnie pików, należy rozszerzyć Zaawansowane parametry konfiguracyjne > Parametry wykrywania piku oraz dostosuj ustawienia detekcji.
      1. Dostosuj Próg zerowy aby zdefiniować zakres przyspieszenia uznawany za stacjonarny.
        UWAGA: Wartość tę należy zwiększyć, gdy ślady przyspieszenia zawierają nadmierny szum. Próg jest wyświetlany jako czerwone linie referencyjne na wykresie przyspieszenia. Wartość domyślna = 0,30. Sugerowany zakres = 0,10–5,0.
      2. Dostosuj Minimalna prędkość dla piku w celu zdefiniowania minimalnego akceptowalnego piku prędkości.
        UWAGA: Zmniejsz tę wartość, jeśli poprawne piki zostały wykluczone. Próg jest wyświetlany jako dolna zielona linia referencyjna na wykresie prędkości. Wartość domyślna = 0,30. Sugerowany zakres = 0,10–10,0.
      3. Dostosuj Zerowanie celownika w celu zdefiniowania minimalnej liczby następujących po sobie próbek przyspieszenia bliskiego zeru, wymaganych do zidentyfikowania okresu stacjonarności.
        UWAGA: Zmniejsz tę wartość, jeśli ślady prędkości i położenia nie resetują się. Wartość domyślna = 10. Sugerowany zakres = 3–25.
      4. Dostosować Maksymalna prędkość dla piku aby zdefiniować maksymalny dopuszczalny szczyt prędkości.
        UWAGA: Zwiększ tę wartość, jeśli liczba prawidłowych pików przekracza próg. Próg jest wyświetlany jako górna zielona linia referencyjna na wykresie prędkości. Wartość domyślna = 10,0. Sugerowany zakres = 10,0–30,0.
      5. Dostosować Minimalna odległość między pikami aby określić minimalną liczbę próbek pomiędzy wykrytymi pikami.
        UWAGA: Wartość domyślna = 2. Sugerowany zakres = 1–10. Modyfikacja jest zazwyczaj niepotrzebna.
      6. Dostosuj Minimalna prominencja piku w celu zdefiniowania wartości prominencji wymaganej do detekcji piku.
        UWAGA: Niższe wartości zwiększają czułość i mogą pozwolić na zidentyfikowanie dodatkowych pików. Wartość domyślna = 0,10. Sugerowany zakres = 0,01–0,90. Modyfikacja jest zazwyczaj niepotrzebna.
    10. Po zidentyfikowaniu wszystkich prawidłowych pików dla aktualnej próby, kliknij Następny aby przejść do następnej próby.
    11. Powtórz kroki 2.7.7–2.7.10, aż do czasu przetworzenia wszystkich prób.
      UWAGA: Nie należy zmieniać parametrów detekcji pików po przetworzeniu pierwszej próby. Jeśli zmiana parametrów okaże się konieczna, należy powtórzyć analizę wszystkich wcześniej przetworzonych prób z zastosowaniem zaktualizowanych ustawień.
    12. Skopiuj wybrane dane dotyczące prędkości i przyspieszenia do arkusza kalkulacyjnego w celu przeprowadzenia późniejszych analiz zależności siła–prędkość–moc.

3. Protokół eksperymentalny

  1. Przymocuj przedramię uczestnika do podstawnika za pomocą paska na przedramię. Zaciśnij pasek wystarczająco mocno, aby zapobiec przesuwaniu się przedramienia do przodu.
  2. Załóż stabilizator palca na kciuk uczestnika i mocno go zaciśnij.
  3. Usuń luz z systemu bloczków, obracając bloczek za pomocą mechanizmu zapadkowego, aż pasek zębaty zostanie naprężony.
    UWAGA: Mechanizm zapadkowy wydaje słyszalne kliknięcie podczas przechodzenia między pozycjami.
  4. Przesuń śrubę zabezpieczającą w stronę bloczka, aż drut łączący śrubę zabezpieczającą z karabińczykiem A zostanie naprężony.
  5. Wybierz dwa obciążniki o zbliżonej masie, każdy o wadze około 1,25 kg.
  6. Stała sekwencja testowa
    1. Przetestuj największy, średni i najmniejszy poziom bloczka, używając jednego obciążnika i smartfona.
    2. Przetestuj najmniejszy, średni i największy poziom bloczka, używając dwóch obciążników i smartfona.
    3. Przetestuj największy i najmniejszy poziom bloczka, używając wyłącznie 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 silnie, jak to możliwe.
    UWAGA: Motywacja uczestnika może znacząco wpłynąć na wyniki. Przez cały czas trwania testów stosuj spójne zachęty słowne, aby stymulować maksymalny wysiłek.
  9. Wstrzymaj rejestrację danych po każdej próbie. Dostosuj poziom bloczka i warunki obciążenia zgodnie z sekwencją określoną w kroku 3.6.
  10. Wznów rejestrację danych i powtarzaj kroki 3.8–3.9, aż wszystkie osiem kombinacji poziomu bloczka i obciążenia zostanie zrealizowanych.
  11. Monitoruj uczestnika podczas całego testu i powtórz próby, na które wpłynął nadmierny ruch ramienia lub niepełny wysiłek.
  12. Przejrzyj wykres przyspieszenia po każdej próbie.
    UWAGA: Powtórz próby wykazujące nienaturalnie niskie początkowe piki przyspieszenia, nadmierne oscylacje lub utrzymujący się ruch smartfona pomiędzy skurczami, ponieważ warunki te mogą obniżyć jakość danych.
  13. Zapisuj uwagi do każdej próby, w tym do prób powtórzonych lub wykluczonych, aby ułatwić późniejszą analizę danych.

4. Obsługa ergometru złotego standardu

  1. Konfiguracja ergometru uznawanego za złoty standard
    1. Włącz komputer i uruchom oprogramowanie do akwizycji danych. Otwórz plik procedury systemu dźwigni dwumodułowej.
    2. Ustaw przesunięcie siły na 10 oraz przesunięcie długości na 9 w jednostce sterującej dźwignią.
    3. Włącz dwutrybowy system dźwigniowy oraz jednostkę akwizycji danych.
    4. Zweryfikuj prawidłowe działanie silnika, delikatnie obracając dźwignię i potwierdzając obecność oporu.
    5. Przełóż 40 cm wielożyłowego stalowego drutu przez drugi otwór od dołu dźwigni i zabezpiecz go za pomocą zacisku.
    6. Przełóż przeciwległy koniec drutu przez wspornik palca i zabezpiecz go za pomocą tulejki zaciskowej.
    7. Przymocuj dw trybowy system dźwigni do ramy 3 przed podłokietnikiem.
  2. Przymocuj przedramię uczestnika do uchwytu i umieść kciuk w stabilizatorze palca.
  3. Przesuń ramię uczestnika do przodu, aż kciuk osiągnie maksymalne zgięcie, a kabel znajdzie się pod lekkim napięciem.
  4. Zaciśnij pas przedramienia wystarczająco 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 Proszę podać tekst źródłowy, który mam przetłumaczyć. 1.
    4. Zestaw Okres pobierania próbek Proszę podać tekst źródłowy do przetłumaczenia. 0.0001.
    5. Zestaw Okres konwersji Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. 0.
    6. Zestaw Próbki po wyzwalaczu Proszę podać tekst do tłumaczenia. 0.
    7. Zestaw Źródło wyzwalacza referencyjnego Proszę podać tekst źródłowy do przetłumaczenia. /Dev6/PFI1.
    8. Zestaw Typ 2x Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. Cyfrowy.
    9. Zestaw 2x Dźwignia1 To jest pusty tekst źródłowy. Proszę o dostarczenie treści do tłumaczenia. 0.
    10. Zestaw 2x Lever2 Proszę podać tekst źródłowy w języku angielskim, który należy przetłumaczyć. 0.
    11. Zestaw Tryb do Jednorazowo.
    12. Zestaw Niezwłoczny zwrot Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. Wyłączony.
    13. Zestaw Wyzwalacz startowy Proszę o dostarczenie tekstu źródłowego do tłumaczenia. Wyłączone.
    14. Zestaw Źródło wyzwalania Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. /Dev6/PFI0.
    15. Zestaw Zegar próbkowania Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. Wył..
    16. Zestaw Źródło taktowania Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. /Dev6/PFI7.
    17. Zestaw Konwersja zegara Proszę podać tekst źródłowy do przetłumaczenia. Wyłączone.
    18. Zestaw Konwersja źródła taktowania Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. /Dev6/PFI2.
    19. Wybierz Kanał 1 + Kanał 2 pod Wybór kanałów do skanowania.
  6. Kliknij w Start w Urządzenie sterujące skanowaniem oraz polecić uczestnikowi, aby skurczył kciuk tak szybko i mocno, jak to możliwe.
    UWAGA: Motywacja uczestnika może mieć istotny wpływ na wyniki. Przez cały czas trwania testów należy stosować spójne zachęty słowne, aby promować maksymalny wysiłek.
  7. Kliknij w GetWaves i zapisz uzyskane dane, używając identyfikatora uczestnika oraz aktualnej wartości przesunięcia siły.
    UWAGA: W przypadku pierwszego skurczu przesunięcie siły wynosi 10.
  8. Zmniejsz przesunięcie siły (force offset) w przyrostach o 1,0.
    UWAGA: Przykładowy postęp: 10.0 > 9.0 > 8.0.
  9. Powtarzać kroki 4.6–4.8 do momentu, aż silnik nie będzie stawiał zauważalnego oporu podczas ruchu kciuka.
  10. Wyekstrahuć wartości maksymalnej siły oraz maksymalnej prędkości z każdej próby, stosując procedurę analizy opisaną w Uzupełniający 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 zostały zebrane od grupy studentów studiów licencjackich (N = 15) przy użyciu zarówno ergomtru uznawanego za złoty standard, jak i urządzenia niskokosztowego, aby ocenić wyniki funkcjonalne każdego z systemów w ramach identycznego protokołu doświadczalnego. Indywidualne dane badanych przedstawiono na Ryc. 1, a zbiorcze dane dla każdego urządzenia na Ryc. 3.

Niskokosztowy aparat...

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

Dyskusja

Niskokosztowy aparat został zwalidowany jako alternatywa dla ergometrów uznawanych za złoty standard w pomiarach zależności siła–prędkość oraz moc–prędkość mięśni ludzkich w warunkach szkolnych.

Wyniki walidacji potwierdzają tezę, że urządzenie o niskim koszcie, a tym samym bardziej dostępne ekonomicznie i technologicznie, może generować pomiary statystycznie nierozróżnialne od tych uzyskanych przy użyciu ergometru będącego złotym standardem. Zdolność taniego urządzenia do generowania wysokiej...

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

Tagi

Pomiar mocy mięśniowejdruk 3D koła pasowegomechanizm zapadkowyakcelerometr smartfonaaplikacja Phyphoxanaliza danych w języku Pythonnauczanie fizjologii mięśnidydaktyka biomechaniki

Ten artykuł został opublikowany

Film wkrótce dostępny

Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.