Techniki oscylacji i reakcji do szacowania właściwości bezwładności protezy poniżej kolana
8 maja 2014
Właściwości inercyjne segmentu ciała są wymagane do modelowania dynamiki odwrotnej. Za pomocą techniki płytki oscylacyjnej i reakcyjnej zmierzono właściwości inercyjne protez poniżej kolana. Zastosowanie bezpośrednich pomiarów bezwładności protezy w modelu dynamiki odwrotnej protezy nogi skutkowało mniejszymi wielkościami wypadkowych sił i momentów stawowych.
Ogólnym celem tej procedury jest oszacowanie właściwości bezwładności protezy poniżej kolana. Osiąga się to poprzez pierwszy pomiar okresu oscylacji protezy zawieszonej w klatce. Drugim krokiem jest zastosowanie techniki tablicy reakcyjnej w celu oszacowania położenia środka masy dla połączonego systemu protezy i klatki.
Następnie proteza jest wyjmowana z klatki i stosuje się technikę deski reakcyjnej do oszacowania położenia środka masy samej klatki. Ostatnim krokiem jest zmierzenie okresu oscylacji dla samej klatki. Ostatecznie ten inercyjny system pomiarowy został zweryfikowany przy użyciu znanych brył geometrycznych, takich jak drewniany klocek o wymiarach cztery na cztery.
Wyniki tych eksperymentów przedstawiono w załączniku. Pomiary inercyjne klatki są odejmowane od pomiarów protezy i klatki połączonych w celu oszacowania właściwości bezwładności protezy. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak założenie, że właściwości bezwładności strony protezy są podobne do właściwości strony nienaruszonej, jest to, że bezwładność protezy nogi jest dokładniej odwzorowana w modelu biomechanicznym osoby Aby rozpocząć, posadź osobę po amputacji na krześle, na którym protezę nogi można wygodnie podnieść z siedzenia, aby osoba badana mogła wykonać serię zgięć kolana i Akcje rozszerzenia.
Następnie zidentyfikuj środek obrotu kolana lub COR i umieść mały kawałek taśmy w COR. Następnie zmierz odległość od krawędzi protezy do kolana, COR. Jeżeli COR kolana znajduje się niżej niż warga protezy, wartość tę należy zapisać jako wartość ujemną.
Następnie określ odległość między COR kolana a COR kostki. Następnie zdejmij protezę i leżący pod nią rękaw, aby wykonać pomiary kikuta za pomocą elastycznej taśmy mierniczej w celu oszacowania właściwości bezwładności kikuta. Następnie zmierz proksymalny obwód kikuta, największy obwód, w przybliżeniu dwie szerokości palców od stawu kolanowego.
Następnie określ dystalny obwód kikuta w ostatnim wypukłości kostnej na dystalnym końcu. Następnie zmierz długość kikuta, odległość od głowy kości strzałkowej do najbardziej dystalnej części kikuta. Wyjmij klatkę wewnętrzną ze stojaka oscylacyjnego, zdejmując oś, umieść wkładkę pacjenta i umieść ją w leju protezy.
Następnie bezpiecznie umieść protezę z butem nadal założonym w wewnętrznej klatce oscylacyjnej, używając paska na rzep, aby zabezpieczyć stopę protezy na dystalnej płycie klatki. Następnie zmień położenie klatki wewnętrznej w listwie oscylacyjnej, zabezpieczając oś. Dopasuj ramię zawieszające klatki wewnętrznej do ustalającej, która ustawi kąt oscylacji na mniej niż pięć stopni.
Aby rozpocząć próbę oscylacji, pociągnij klatkę wewnętrzną do tyłu, aż uderzy w ustalającą, a następnie przesuń ją do przodu, aż przestrzeń między śrubą ustalającą a klatką wewnętrzną będzie widoczna. Zbierz trzy próby oscylacji z protezą umieszczoną w wewnętrznej klatce i zapisz średni czas dla jednego pełnego cyklu oscylacji dla każdej próby. Przed przesunięciem wymiarów tablicy reakcyjnej należy przytrzymać protezę zamocowaną w stojaku i ustawić wewnętrzną klatkę poziomo, opierając ją na krawędziach noża.
Następnie zapisz odległość między górną regulowaną płytką a stałą belką poprzeczną w górnej części klatki wewnętrznej za pomocą suwmiarki cyfrowej i elastycznej taśmy mierniczej. Następnie zmierz odległość między dolną regulowaną płytą a stałą belką poprzeczną w górnej części klatki wewnętrznej i określ odległość między dolną regulowaną płytą a stałą belką poprzeczną na dole klatki wewnętrznej. Następnie zmierz odległość między dwiema krawędziami noża.
Po rozerwaniu skali do zera, umieść stojak i protezę kończyny w zespole płyty reakcyjnej. Następnie umieść jeden koniec klatki wewnętrznej nad skalą i umieść krawędź noża na dole klatki wewnętrznej tak, aby była wypoziomowana i nie było naprężeń między dwiema krawędziami noża. Podnieś kilkakrotnie koniec wagi i umieść go z powrotem na wadze.
Zapisz wartość po osiągnięciu spójnego odczytu z wagi. Następnie wyjmij protezę z klatki wewnętrznej i zapisz odczyt tablicy reakcyjnej tylko dla klatki. Zdejmij but z protezy kończyny i zmierz masę buta.
Następnie należy uzyskać masę protezy bez buta. Następnie zmierz odległość między COR kostki a podeszwową powierzchnią stopy. Następnie określ długość stopy protezowej bez buta.
Umieść but z powrotem na protezie i zmierz odległość od kostki COR do podeszwy buta oraz długość stopy z założonym butem. Następnie zmień położenie wewnętrznej klatki w stojaku oscylacyjnym, upewniając się, że róg z taśmą odblaskową znajduje się najbliżej fotokomórki. Zabezpiecz oś i upewnij się, że ramię zawieszające klatki wewnętrznej jest wyrównane ze śrubą ustalającą.
Na koniec zbierz 10 prób oscylacji, rejestrując tylko pierwszy okres oscylacji każdej próby C w załączniku A, aby wyjaśnić, dlaczego rejestrowany jest tylko pierwszy okres oscylacji, gdy klatka jest pusta. Właściwości bezwładnościowe strony protetycznej były istotnie niższe niż właściwości bezwładności nienaruszonej nogi. Masa strony protetycznej była o 39% mniejsza.
Moment bezwładności był o 52% mniejszy, a środek masy znajdował się o 24% bliżej kolana niż nienaruszone szacunki. Siły reakcji stawów skokowych, kolanowych i biodrowych określono w kierunku przednim, tylnym i pionowym. Faza podparcia rozpoczyna się przy 0% cyklu chodu i kończy się na około 60% cyklu chodu.
Wymach trwa do następnego kontaktu stopy tej samej nogi na 100%Następujące wyniki uzyskano podczas analizy momentów stawowych wokół osi poprzecznej przez staw skokowy, kolanowy i biodrowy. Profile kinetyczne strony protetycznej podczas zamachu bardziej przypominały profile nienaruszonej kończyny. Gdy do modelowania strony protezy wykorzystano właściwości bezwładnościowe nienaruszonej kończyny Po opanowaniu tej techniki można wykonać w ciągu 30 minut, jeśli zostanie wykonana prawidłowo.
Przegląd
Niniejsze badanie koncentruje się na szacowaniu właściwości bezwładnościowych protez podkolanowych z wykorzystaniem techniki tablicy oscylacyjnej i reakcyjnej. Wyniki wskazują, że bezpośrednie pomiary bezwładności protezy prowadzą do stworzenia dokładniejszych modeli biomechanicznych, co skutkuje niższymi wartościami sił i momentów w stawach.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Biomechanika
- Protetyka
- Pomiary bezwładnościowe
Wstęp
- Zrozumienie właściwości bezwładnościowych jest kluczowe dla dokładnego modelowania dynamiki odwrotnej.
- Istniejące metody często zakładają, że bezwładność protezy jest zbliżona do bezwładności kończyn zdrowych.
- Dokładne pomiary mogą poprawić biomechaniczną reprezentację protez kończyn.
- Niniejsze badanie waliduje nową technikę pomiarową z wykorzystaniem znanych brył geometrycznych.
Cel badania
- W celu oszacowania właściwości bezwładnościowych protez podkolanowych.
- W celu poprawy dokładności modeli biomechanicznych dla osób po amputacjach.
- W celu walidacji techniki pomiarowej w odniesieniu do znanych standardów.
Zastosowane metody
- Pomiar okresów drgań protezy i klatki.
- Wykorzystanie platformy reakcyjnej do oszacowania środka masy.
- Porównanie właściwości bezwładnościowych strony protezowanej z nogą zdrową.
- Przeprowadzenie wielu prób w celu zapewnienia dokładności pomiarów.
Główne wyniki
- Stwierdzono, że masa strony z protezą była o 39% mniejsza niż w przypadku nogi zdrowej.
- Moment bezwładności był niższy o 52%, a środek masy znajdował się o 24% bliżej kolana.
- Siły reakcji w stawach analizowano w wielu kierunkach.
- Wyniki wskazują na poprawę dokładności modelowania dynamiki kończyny protezowej.
Wnioski
- Nowa technika pomiarowa zapewnia dokładniejsze odwzorowanie bezwładności protezy.
- Pomiary bezpośrednie mogą znacząco zredukować szacowane siły i momenty w stawach.
- Podejście to może usprawnić projektowanie i funkcjonalność urządzeń protetycznych.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Dokładna ocena właściwości bezwładnościowych protezy ma kluczowe znaczenie dla modelowania biomechanicznego w badaniach nad rehabilitacją i opracowywaniem urządzeń. Techniki bezpośredniego pomiaru ograniczają liczbę założeń modelowych, które mogą zniekształcać kinetykę stawów, szczególnie w fazie przenoszenia. Wspiera to bardziej wiarygodną przedkliniczną ocenę konstrukcji protez oraz wyników funkcjonalnych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju BioPharma
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia testowanie hipotez dotyczących dynamiki protez kończyn poprzez dostarczenie empirycznie wyznaczonych parametrów bezwładności.
- Wartość operacyjna: Zmniejsza zależność od założeń dotyczących nienaruszonych kończyn, co poprawia specyficzność modelu dla grup osób z amputacjami.
Przesiewanie i opracowanie testu
- Wartość naukowa: Generuje ilościowe, powtarzalne wyniki (masa, moment bezwładności, środek masy) dla systemów protetycznych.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje pomiary bezwładności między laboratoriami, wspierając przygotowanie analiz do badań porównawczych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Poprawia pewność prognostyczną w modelowaniu dynamiki odwrotnej poprzez dopasowanie symulowanej kinetyki do zmierzonego zachowania w fazie przenoszenia.
- Wartość operacyjna: Zapewnia ciągłość przejścia od pomiarów laboratoryjnych do przedklinicznych procesów analizy chodu.
Integracja potoków i przepływów pracy
Metoda ta wpisuje się w etapy wczesnego odkrywania, w których charakterystyka układu biologicznego służy do późniejszej oceny funkcjonalnej.
- Biologia odkrywcza: dostarcza empirycznych danych inercyjnych w celu doprecyzowania hipotez biomechanicznych dotyczących interakcji z protezą kończyny.
- Przesiewanie: dostarcza standaryzowanych parametrów inercyjnych protez dla spójnej oceny w różnych warunkach eksperymentalnych.
- Analityka: generuje wskaźniki masy, inercji i środka masy, które umożliwiają ilościowe porównanie konstrukcji protez.
- Badania translacyjne: łączą pomiary laboratoryjne z walidacją przedkliniczną poprzez poprawę dokładności modelu symulacji chodu.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: tworzy platformę wielokrotnego użytku do charakterystyki inercyjnej urządzeń wspomagających w wielu projektach.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwa
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną szacunków obciążenia stawów poprzez redukcję błędu modelowania bezwładności.
- Wartość operacyjna: Poprawia powtarzalność i standaryzację biomechanicznych ocen protez.
- Wartość strategiczna: Wspiera lepsze podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu prac (go/no-go) w projektowaniu protez dzięki dostarczeniu dokładniejszych informacji zwrotnych w zakresie biomechaniki.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia dostosowane do ryzyka wdrażanie koncepcji protez poprzez lepszą mechanistyczną redukcję ryzyka.
Uwagi dotyczące implementacji
- Wymaga wiedzy specjalistycznej z zakresu biomechaniki i technik pomiaru inercyjnego.
- Zależy od stanu stelaża oscylacyjnego, platformy reakcji oraz aparatury pomiarowej czasu.
- Wymaga standaryzacji wśród użytkowników w celu zapewnienia spójnych protokołów oscylacji i pozycjonowania.
- Wiąże się z koniecznością uwzględnienia adaptacji przy zastosowaniu różnych modeli protez lub geometrii kikuta.
- Ograniczone koniecznością fizycznego dostępu do protezy oraz zapewnieniem kontrolowanych warunków oscylacji.
