Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Нижняя лимба биомеханический анализ здоровых участников

8.5K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/60720

⸱

15 апреля 2020 г.

 , 
1Orthopaedic Research Institute, Bournemouth University

В этой статье

Краткое содержание

В этой статье представлена комплексная экспериментальная методология по двум новейшим технологиям, доступным для измерения биомеханики нижних конечностей отдельных лиц.

Аннотация

Методы биомеханического анализа полезны при изучении движения человека. Цель этого исследования состояла в том, чтобы внедрить методику биомеханической оценки нижних конечностей у здоровых участников с использованием коммерчески доступных систем. Были введены отдельные протоколы для анализа походки и систем ыхсилки. Чтобы обеспечить максимальную точность оценки походки, следует обратить внимание на размещение маркеров и самостоятельно развивающийся беговой дорожке акклиматизации времени. Аналогичным образом, позиционирование участников, практика суда, и словесное поощрение три критических этапов в тестировании мышечной силы. Имеющиеся в настоящее время данные свидетельствуют о том, что методология, изложенная в настоящей статье, может быть эффективной для оценки биомеханики нижних конечностей.

Введение

Дисциплина биомеханики в первую очередь включает в себя изучение стресса, напряжения, нагрузок и движения биологических систем - как твердых, так и жидких. Она также включает в себя моделирование механического воздействия на структуру, размер, форму и движение тела1. На протяжении многих лет, события в этой области улучшили наше понимание нормальной и патологической походки, механики нервно-мышечного контроля, а также механики роста и формы2.

Основная цель этой статьи заключается в представлении всеобъемлющей методологии по двум новейшим технологиям, доступным для измерения биомеханики нижних конечностей отдельных лиц. Система анализа походки измеряет и количественно биомеханика походки с помощью самостоятельно развивающейся (SP) беговой дорожки в сочетании с окружающей средой дополненной реальности, которая интегрирует алгоритм SP для регулирования скорости беговой дорожки, как описано Sloot et al3. Оборудование для проверки мышечной силы используется в качестве оценки и лечебного средства для реабилитации верхних конечностей4. Это устройство может объективно оценить различные физиологические модели движения или задачи моделирования работы в изометрических и изотонических режимах. В настоящее время признается в качестве золотого стандарта для измерения силы верхних конечностей5, но доказательства, связанные конкретно с нижней конечности остается неясным. В настоящем документе разъясняется подробный протокол для завершения оценки походки и изометрической силы нижних конечностей.

В рамках биомеханического анализа полезно сочетать оценки функциональной работоспособности (например, анализ походки) с конкретными тестами мышечной работоспособности. Это потому, что в то время как можно предположить, что увеличение мышечной силы улучшает функциональную производительность, это не всегда может быть очевидным6. Это понимание необходимо для совершенствования будущей разработки протоколов реабилитации и стратегий исследований для оценки этих подходов.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Метод сообщил и следовал в исследовании, которое получило этичное одобрение от Борнмутского университета исследовательский комитет по этике (Справка 15005).

1. Участники

  1. Для участия в исследовании можно завербовать здоровых взрослых (в возрасте от 23 до 63 лет, среднее s.D.; 42.0 и 13.4, массу тела 70,4 и 15,3 кг, рост 175,5 и 9,8 см; 15 мужчин, 15 женщин). Для этого исследования было набрано 30 участников.
  2. Убедитесь, что нет самостоятельной сообщили истории головокружение, проблемы с балансом или ходьба трудности в участников.
  3. Убедитесь, что участники не страдают от каких-либо известных нервно-мышечной травмы или состояния, влияющих на баланс или ходьбу.

2. Настройка и процедуры анализа походки

  1. Используйте систему анализа походки(Рисунок 1),состоящую из двухпоясной силовой беговой дорожки, 10-камерной системы захвата движения и виртуальной среды, обеспечивающей оптический поток.
  2. Убедитесь, что участник носит очень туго неотражающую одежду, такую как велосипедные шорты или леггинсы.
  3. Использование двусторонних клеевых лент прикрепляют 25 пассивных светоотражающих маркеров и место в соответствии с нижней конфигурацией тела человека модели (HBM)7, как подробно описано в таблице 1 и рисунок 2. Информация в этом документе взята из Справочного руководства HBM8.
  4. Используйте совместную линейку для измерения требуемой ширины колена и лодыжки для HBM6.
  5. Безопасный участник ремня безопасности, который крепится к накладной раме.
  6. Запустите новый сеанс в базе данных и убедитесь, что он активен (выделен).
  7. Используя вкладку предмета, создайте нового участника из кнопки «Скелет» маркировки.
  8. Просмотрите файл "LowerLimb HBM_N2.vst", а затем введите имя участника. Новый участник появляется в панели тем.
  9. Перейдите к панели инструментов и откройте вкладку «Подготовка вопроса».
  10. Нулевой уровень силовых пластин через вкладку Оборудование. Убедитесь, что никакой вес не оказывается на силовые пластины.
  11. Подготовьте участника к пробе ROM, приготовив его в середине беговой дорожки.
  12. Чтобы участник мог приучить себя к самостоятельно развивающейся беговой дорожке, попросите его ходить на комфортной скорости в течение 5 минут в начале сеанса9,,10.
  13. После акклиматизации и без промедления, попросите участника ходить в течение как минимум 5 мин10,11.
  14. Убедитесь, что участники ослеплены временем записей.
  15. Убедитесь, что для начала беговой дорожке и начать запись данных, нажав кнопку записи Запуска 12. Это можно сделать с интегрированным программным обеспечением(Таблица материалов).
  16. Остановите запись после получения необходимого объема данных. Рекомендуется собрать три комплекта из 25 циклов.
  17. Откройте программное обеспечение для обработки(Таблица материалов)и удалите высокочастотный шум на данных, выбрав фильтр с низким проходом для маркерных данных, таких как фильтр второго порядка Butterworth с частотой отсечения 6 Гц.
  18. Перейти к файлу,а затем выбрать Экспорт, чтобы сохранить как .csv.
  19. Определите индивидуальные шаги от вертикальных данных силы и используйте маркеры ноги для того чтобы установить события походки13.
  20. Проанализируйте параметры походки, такие как кинематические, кинетические и пространственно-временные данные в Matlab R2017a(Дополнительный файл).

3. Настройка и процедуры для теста на мышечную силу

  1. Используйте оборудование для тестирования мышечной силы (мультимодальный динамометр)(рисунок 3),чтобы измерить мышечную силу участников на основе максимального добровольного изометрического сокращения (MVIC)14.
  2. Прикрепите инструмент/панель номер 701 к головке упражнения динамометра.
  3. Тест участника правого и левого колена изометрической мышечной силы.
  4. Участники тестирования в сидячем положении на стуле с спинкой.
  5. Используя переключатель вверх/вниз, выровняйте ось динамометра с анатомической осью коленного сустава вращения. Поместите колодку инструмента централизованно в нижней части глений голени.
  6. Держите колено на 90 "сгибание, бедра в нейтральном вращении и похищения, и ноги в подошвенный сгибание.
  7. Поместите руки участника на живот и стабилизировать туловище, бедра и середину бедра на стуле с Velcro ремнями.
  8. Запустите пробную пробную версию для участников, чтобы привыкнуть к испытательному маневру.
  9. Поручить участнику расширить колено (надавите вверх на колодку), а затем сгибать (оказывать давление вниз на площадку) для оказания максимального сокращения на команду Go в течение 3 с.
  10. Обеспечить словесные подсказки и поощрения ("Push" для вверх и "Pull" для вниз) во время тестирования на прочность.
  11. Убедитесь, что участники знают, что они могут остановить тест немедленно, если они испытывают какие-либо необычные боли или дискомфорта.
  12. Разрешить участникам отдохнуть в течение 2 мин.
  13. Повторите шаги 3.1 - 3.12, три раза для левой ноги и правой ноги и запишите данные в ньютонах (N).
  14. Сохранить все данные и экспорт в качестве отчета для анализа.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Среднее и стандартное отклонение пространственно-временных, кинематических и кинетической походки приведено в таблице 2. Данные MVIC для всех 30 участников приведены в таблице 3. Типичный набор данных для левой и правой стороны одного участника, показывающий графическое представление параметров походки, представлен на рисунке 4 и рисунке 5соответственно.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Вклад этого исследования заключается в точном и всестороннем описании в рамках одного протокола методов комбинированного анализа походки и тестирования мышечной силы, которые ранее не были описаны вместе.

Для достижения точных результатов для анализа походки, Есть две области, которые требуют максимального внимания: 1) маркер размещения и 2) акклиматизации времени. Точность измеренных данных в значительной степени зависит от точности используемой модели. Другие ключевые факторы, влияющие на то...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Мы хотели бы поблагодарить д-ра Джонатана Уильямса за его советы по обработке данных MATLAB.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
701 Малый рычагBaltimore Therapeutic Equipment Company (BTE)Нет в наличии - Онлайн-ссылка указана в описанииУникальная насадка, разработанная для Primus RS для измерения разгибания/сгибания колена - https://store.btetech.com/collections/primus/products/701-small-lever
D-Flow Software - Vresion 3.26MotekforceLink Not Available - Онлайн-ссылка предоставлена в описанииПрограммное обеспечение, используемое для управления системой GRAIL - https://summitmedsci.co.uk/products/motek-dflow-hbm-software/Gait
Offline Analysis (GOAT) - Версия 2.3Motekforce LinkNot Available - Онлайн-ссылка предоставлена в описанииПрограммное обеспечение, используемое для анализа параметров походки - https://www.motekmedical.com/product/grail/Gait
Real-time Analysis Interactive Lab (GRAIL)MotekforceLink Not Available - Онлайн-ссылка указана в описанииСистема GRAIL измеряет и количественно оценивает биомеханику походки с помощью беговой дорожки для самостоятельного изучения (SP) на основе виртуальной реальности - https://www.motekmedical.com/product/grail/
Leg Pad for 701Baltimore Therapeutic Equipment Company (BTE)Недоступно - Онлайн-ссылка предоставлена в описанииУникальная насадка, разработанная для Primus RS для измерения разгибания/сгибания колена - https://store.btetech.com/collections/primus/products/701-802-leg-pad
Positioning ChairBaltimore Therapeutic Equipment Company (BTE)Недоступно - Онлайн-ссылка представлена в описанииКресло для позиционирования участников предназначено для оценки и лечения нижних конечностей. Кресло рассчитано на несколько положений. https://www.btetech.com/product/primus/
Primus RSBaltimore Therapeutic Equipment Company (BTE)Недоступно - Онлайн-ссылка предоставлена в описанииОборудование Primus RS захватывает и сообщает объективные данные в режиме реального времени в режимах изотонического, изометрического и изокинетического сопротивления - https://www.btetech.com/wp-content/uploads/BTE-Rehabilitation-Equipment-PrimusRS-Brochure-1.pdf

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Биомеханика нижних конечностейанализ походкитестирование мышечной силыналожение маркеровакклиматизация к беговой дорожкекалибровка силовых платформизометрическое сокращениекинематический анализкинетический анализпространственно-временные данные
Нижняя лимба биомеханический анализ здоровых участников
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.