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

Методическая статья

Недорогое устройство для измерения зависимости силы мышц от скорости их сокращения

140 просмотров

⸱

DOI:

10.3791/71757

⸱

14 августа 2026 г.

 , 
1Department of Biological Sciences, University of Massachusetts Lowell

В этой статье

Краткое содержание

С помощью недорогих материалов, шестерни, напечатанной на 3D-принтере, акселерометра смартфона и бесплатного программного обеспечения на языке Python была разработана доступная и недорогая установка для измерения зависимости силы, скорости и мощности человеческих мышц. Валидация по сравнению с эталонным эргометром продемонстрировала физиологически значимые результаты измерений, обеспечивая при этом равные возможности для практического обучения в условиях учебных курсов для студентов бакалавриата.

Аннотация

Взаимосвязь между мышечным усилием, скоростью сокращения и мощностью представляет собой парадигму в физиологии с почти столетней историей и является краеугольным камнем нашего понимания функционирования опорно-двигательного аппарата. Однако эта парадигма редко изучается непосредственно в учебных курсах по физиологии и биомеханике из-за непомерно высокой стоимости необходимого оборудования. Целью данной работы стала разработка и валидация недорогого устройства на основе системы шкивов, напечатанных на 3D-принтере, с использованием механизма храповика и собачки, которое можно легко собрать и настроить для сбора данных о силе, скорости и мощности мышц пальцев человека с помощью акселерометра смартфона и бесплатного приложения Phyphox. Специальный скрипт на языке Python преобразует необработанные измерения акселерометра в показатели скорости и мощности, которые затем сравниваются для каждого испытуемого с измерениями, полученными с помощью эталонной двухрежимной рычажной системы. Попарное сравнение пяти сводных переменных (пиковая сила, Fmax; пиковая скорость, Vmax; пиковая мощность, Pmax; оптимальная скорость, Vopt; и кривизна зависимости силы от скорости, a/Fmax) не выявило статистически значимых различий между данными о силе, скорости и мощности, собранными с помощью двух устройств (парный t-критерий, p > 0,05). Таким образом, без существенного снижения качества данных, недорогое устройство представляет собой доступный, безопасный и экономически эффективный способ обучения и изучения биомеханических и физиологических принципов. Данный аппарат обладает потенциалом для демократизации образования в области физиологии и биомеханики мышц, особенно в недостаточно финансируемых и ограниченных в ресурсах образовательных учреждениях по всему миру.

Введение

Поперечнополосатая мышечная ткань представляет собой двигатель, обеспечивающий движение скелета у человека и других животных. Понимание её уникальной иерархической структуры осложняется факторами различного масштаба, которые влияют на развитие силы и совершение работы1,2. Вероятно, из-за этих сложностей функции мышц могут занимать второстепенное место в программах по анатомии и физиологии, поскольку преподавателям не хватает инструментов, необходимых для надлежащей демонстрации фундаментальных и наиболее захватывающих аспектов функционирования мышц3,4,5,6.

Функционирование мышц исторически описывалось с помощью нескольких устойчивых парадигм, наиболее известной из которых является зависимость между силой и скоростью, впервые описанная почти столетие назад Арчибальдом Вивианом Хиллом1,2,3,4,5,6. Эта фундаментальная физиологическая взаимосвязь описывает компромисс между скоростью сокращения мышцы и развиваемой силой, согласно которому изометрические сокращения или сокращения с очень медленным укорочением, как правило, являются самыми сильными, обеспечивая пиковую силу мышцы (Fmax), тогда как самые быстрые изотонические сокращения, приближающиеся к пиковой скорости мышцы (Vmax), обычно являются самыми слабыми1. Когда в 1938 году Хилл описал зависимость «сила–скорость–мощность» (FVP), он предложил функцию, которая до сих пор носит его имя. Уравнение Хилла (уравнение 1) связывает пиковую силу, развиваемую при изометрическом сокращении (с фиксированными концами мышцы), с пиковой скоростью, достигаемой в отсутствие внешней нагрузки.

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

где v — скорость укорочения, F — мышечная сила, Fmax — максимальная изометрическая сила, а a и b — константы, описывающие зависимость силы от скорости и энергетические свойства укорочения мышц1.

Эта фундаментальная зависимость включает в себя несколько ключевых концепций функционирования мышц, представленных пятью количественными параметрами, которые определяют взаимосвязь FVP. Произведение мгновенной силы мышцы и скорости является мощностью, которая обычно достигает максимального значения (Pmax) примерно при одной трети Vmax7. Скорость, при которой достигается Pmax, называется оптимальной скоростью (Vopt), а ее положение в диапазоне скоростей сокращения (от V0 до Vmax) является важной характеристикой зависимостей «сила–скорость» и «мощность–скорость». Например, более высокая Vopt приводит к тому, что пиковая мощность достигается при более высокой скорости сокращения. В самой зависимости «сила–скорость» пиковая сила (Fmax) и пиковая скорость (Vmax) связаны промежуточными значениями силы и скорости нелинейным образом (Рисунок 5A). Типичные зависимости «сила–скорость» и «мощность–скорость», полученные с помощью данной методики, показаны на Рисунке 1. Наклон этой кривой называют кривизной зависимости «сила–скорость», которая описывает скорость снижения силы при увеличении скорости. Кривизна определяется как a/Fmax8, где a — термодинамическая константа в уравнении Хилла, количественно определяющая генерацию сил трения при сокращении мышцы без нагрузки1. Кривизна влияет на положение Vopt на кривой «сила–скорость» и определяет, какую силу может развить мышца при заданной скорости сокращения. Кривизна также была описана с использованием коэффициента мышечной мощности (Уравнение 2)9.

Уравнение 2:  Уравнение коэффициента эффективности, Pmax/vmax*Fmax, для анализа механических систем.

где Pmax — максимальная мощность мышц, а Vmax и Fmax — максимальная скорость укорочения и максимальная изометрическая сила соответственно.

Интуитивно понятный характер зависимостей «сила-скорость» и «мощность-скорость» обеспечивает эффективные точки входа при изучении функций мышц в рамках курса наук о жизни. Важность предоставления студентам возможности практического освоения материала для формирования более полного понимания зависимостей FVP подчеркивается тем фактом, что практическое обучение, как было показано, улучшает закрепление знаний10. Более того, известно, что экспериментальное обучение укрепляет базу для оценки функции мышц как в фундаментальном научном контексте, так и в качестве подготовки к профессиональной деятельности в сфере здравоохранения, включая профилактику травм, реабилитацию и физическую подготовку.

Традиционные приборы для тестирования физиологических свойств мышц, такие как двухрежимные системы с сервомоторным рычагом, обладают высокой точностью и прецизионностью, однако их стоимость непомерно высока, что создает значительные препятствия для внедрения в большинство учебных аудиторий7. Чтобы преодолеть эти ограничения и расширить возможности практического обучения, была разработана недорогая альтернатива. Аппарат построен на основе напечатанного на 3D-принтере шкива с механизмом храповика и собачки и использует стандартные алюминиевые направляющие с прорезями, жесткую проволоку и закрепленный в держателе смартфон с установленным бесплатным приложением для сбора данных (Рисунок 2). Смартфон был выбран вместо специализированных устройств для измерения ускорения, так как смартфоны широко доступны и обычно оснащены точными и надежными акселерометрами11. Полезность смартфонов в качестве научно-измерительных приборов была продемонстрирована ранее, включая интеграцию коммерчески доступного акселерометра смартфона в инерциальный измерительный блок марсианского вертолета Ingenuity12.

Хотя существует несколько недорогих инструментов для изучения физиологии мышц, они направлены на разные концепции: Judge et al.6 разработали доступные упражнения на базе SpikerBox для регистрации электрической активности мышц, а Medeiros et al.10 создали недорогую 2D-модель саркомера для демонстрации механики, связанной с титином. Однако ни один из существующих бюджетных инструментов не позволяет студентам напрямую измерять зависимости FVP сокращающейся мышцы человека и получать количественные данные, сопоставимые с результатами полноценных исследований. Данный аппарат предназначен для восполнения этого пробела, обеспечивая измерения FVP, валидированные по «золотому стандарту», при стоимости менее $300.

В данной работе описывается создание недорогого аппарата для измерения FVP с перекрестной валидацией по сравнению с общепринятым промышленным стандартом. Валидационный анализ основан на попарном сравнении пяти общепризнанных сводных переменных FVP, измеренных у одних и тех же испытуемых на обоих аппаратах. В ходе анализа проверяется гипотеза о том, что оба аппарата формируют эквивалентные кривые «сила — скорость» и «мощность — скорость». При успешной перекрестной валидации недорогой аппарат позволит сделать лабораторные исследования физиологии мышц и биомеханики опорно-двигательного аппарата более доступными, снизив финансовый барьер для приобретения оборудования при сохранении точности экспериментов и, следовательно, научной строгости. Ожидается, что этот доступный аппарат вдохновит и позволит студентам и преподавателям физиологии и биомеханики во всем мире, которые уже изучают и преподают анатомию мышц, практически исследовать одну из основополагающих зависимостей в работе мышц. Внедрение практических занятий по получению физиологических измерений позволит обеспечить мультимодальное понимание и улучшить закрепление знаний в учебном процессе.

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

Протокол

Все эксперименты, легшие в основу данной публикации, были одобрены Институциональным наблюдательным советом Университета Массачусетса в Лоуэлле (Протокол № 21-163-KON-XPD).

ПРИМЕЧАНИЕ: В установке используется смартфон, подвешенный с внешними грузами на системе шкивов, напечатанных на 3D-принтере. Данные об ускорении собираются с частотой 100 Hz с помощью приложения для сбора данных на базе смартфона. Сила рассчитывается путем умножения суммарной массы смартфона и внешнего груза на ускорение. Скорость определяется путем интегрирования ускорения, а мощность рассчитывается как произведение силы на скорость (Дополнительный файл с кодом 1).

1. Сборка аппаратуры

  1. Прикрепите две короткие алюминиевые балки к нижней стороне одной длинной алюминиевой балки с помощью алюминиевых крепежей для рамы. Расположите короткие балки примерно в 8 cm от каждого конца длинной балки, чтобы создать устойчивое, негнущееся основание.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Данный узел в дальнейшем именуется рамой.
  2. Соберите крепление шкива
    1. Расположите большой блок из вспененного поливинилхлорида так, чтобы сторона длиной 7 in была ориентирована вертикально, а сторона 6,75 in — горизонтально.
    2. Отмерьте 2,75 in от нижнего левого угла вдоль левого края и отметьте эту точку.
    3. Отмерьте 2,75 in от верхнего левого угла вдоль верхнего края и отметьте эту точку.
    4. Проведите прямую линию, соединяющую две отмеченные точки.
    5. Отрежьте по отмеченной линии и удалите получившийся треугольный сегмент.
    6. Просверлите отверстие диаметром 7/16 in на расстоянии 1,25 in от верхнего правого угла.
    7. Повторите шаги 1.2.1–1.2.6 для второго большого блока.
    8. Расположите малый блок из вспененного поливинилхлорида позади рамы.
    9. Закрепите оба больших блока на малом блоке так, чтобы расстояние между ними составляло 8 in. Ориентируйте диагональные срезы над малым блоком, а просверленные отверстия расположите за краем малого блока.
  3. Надежно закрепите крепление шкива зажимом к углу стола или столешницы.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Расположите крепление так, чтобы шкив выступал за край стола. Это предотвратит соприкосновение подвешенных грузов и смартфона с ножками стола во время сокращений.
  4. Изготовьте и установите подлокотник
    1. Разрежьте блок подлокотника из вспененного поливинилхлорида длиной 14 in на три части: два сегмента по 1,5 in и один сегмент длиной 3,5 in.
    2. Вырежьте паз размером 2 in x 1/8 in на верхней поверхности каждого меньшего сегмента, расположив паз в 1 in от переднего края.
    3. Закрепите меньшие сегменты на нижней стороне большего сегмента с каждого конца. Совместите пазы друг с другом.
    4. Покройте верхнюю поверхность большего сегмента лентой-липучкой.
    5. Проденьте ремень для предплечья через два паза.
    6. Прикрепите подлокотник к раме с помощью болтов и вставных Т-гаек. Расположите подлокотник в 14 in от крепления шкива так, чтобы ремень для предплечья был направлен в сторону от шкива.
  5. Вставьте шарикоподшипники в пазы компонентов внутренней и внешней шестерен (Supplemental File 1).
  6. Проденьте 40 cm зубчатого ремня через боковую прорезь компонента внутренней шестерни. Сформируйте петлю с перекрытием 2 cm и зафиксируйте перекрытие внутри прорези.
  7. Проденьте металлический вал через левое крепление шкива, ограничитель, компонент внутренней шестерни, компонент передачи усилия, компонент внешней шестерни, второй ограничитель и правое крепление шкива.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Ориентируйте боковую прорезь внутренней шестерни в сторону рамы. Расположите оба ограничителя на расстоянии 1 mm с каждой стороны узла шкива.
  8. Установите на валу два дополнительных ограничителя, расположив каждый ограничитель в 1 mm от креплений шкива для предотвращения бокового смещения.
  9. Пропустите 40 cm многожильного стального троса через фиксатор пальца и закрепите его обжимкой. Пропустите противоположный конец через карабин A и закрепите второй обжимкой.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Карабины A и B идентичны и помечены только для удобства идентификации при сборке.
  10. Соедините компонент внутренней шестерни с карабином A с помощью закрепленного зубчатого ремня. Зафиксируйте перекрытие с помощью ключа A.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Ключи A, B и C идентичны. Можно распечатать дополнительные ключи, так как они спроектированы как расходные компоненты, которые выходят из строя раньше, чем повреждаются другие части аппарата.
  11. Оберните 10 cm многожильного стального троса вокруг карабина A и закрепите обжимкой. Оберните противоположный конец вокруг алюминиевого крепежа рамы, обжимкой зафиксируйте трос и прикрепите крепеж к раме.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Данный узел в дальнейшем именуется предохранительным болтом.
  12. Сформируйте петлю из 40 cm зубчатого ремня с перекрытием 2 cm и вставьте петлю в ключ B. Оберните противоположный конец вокруг карабина B и зафиксируйте перекрытие с помощью ключа C.
  13. Вставьте ключ B в самый большой ярус компонента внешней шестерни.
  14. Прикрепите держатель для смартфона к карабину B, используя либо петлю нарукавника, либо отверстия для кабеля наушников.
  15. Подвесьте необходимый начальный груз к карабину B с помощью зацикленного и обжатого стального троса.

2. Настройка сбора данных

  1. Установите приложение для сбора данных на смартфон, оснащенный акселерометром.
  2. Откройте модуль Acceleration (without g).
  3. Поместите смартфон в держатель на нарукавную повязку, прикрепленный к карабину B.
  4. Соберите данные в соответствии с разделом 3.
  5. Экспортируйте записанные данные в файл формата .xls. Присвойте файлу уникальное имя, соответствующее участнику.
  6. Перенесите .xls файл на компьютер с доступом в интернет.
  7. Обработайте данные с помощью Supplemental Coding File 1
    ПРИМЕЧАНИЕ: Скрипт вычисляет скорость с помощью прямого интегрирования Эйлера измеренного вертикального ускорения (Уравнение 3). Положение вычисляется по кинематическому уравнению для равноускоренного движения (Уравнение 4). Расчеты производятся с использованием необработанных значений ускорения без сглаживания или фильтрации.
    Уравнение 3: vi = vi-1 + ai ∆t
    Уравнение 4:  Уравнение движения: \( p_i = p_{i-1} + v_{i-1} \Delta t + \frac{1}{2} a_i \Delta t^2 \); динамический анализ.
    1. Установите Supplemental Coding File 1.
    2. Установите Python на компьютер, используемый для обработки данных.
    3. Откройте окно терминала и выполните команду: pip install streamlit pandas matplotlib scipy openpyxl xlrd.
    4. Перейдите в папку, содержащую Supplemental Coding File 1, и выполните команду: streamlit run muscle_velocity_gui.py.
      ПРИМЕЧАНИЕ: При использовании Windows PowerShell выполните команду: python -m streamlit run muscle_velocity_gui.py. Если программа запросит адрес электронной почты, оставьте поле пустым и нажмите Enter.
    5. Нажмите Upload и выберите экспортированный .xls файл.
    6. Нажмите Process Data, чтобы загрузить и проанализировать набор данных.
    7. Изучите графики ускорения, скорости и положения, построенные для первого испытания.
    8. Выберите обнаруженные пики, соответствующие достоверным мышечным сокращениям, используя флажки рядом с каждым пиком.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Достоверные пики обычно возникают до того, как кривая ускорения становится отрицательной, и связаны с положительными значениями скорости и положения. Алгоритм автоматического обнаружения пиков может ошибочно определять пики, поэтому требуется ручная проверка.
    9. Отрегулируйте параметры обнаружения пиков
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если программное обеспечение неправильно определяет пики, разверните раздел Advanced Tweakables > Peak Detection Parameters и настройте параметры обнаружения.
      1. Отрегулируйте Zero Threshold, чтобы определить диапазон ускорения, считающийся стационарным.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Увеличьте это значение, если кривые ускорения содержат избыточный шум. Порог отображается в виде красных справочных линий на графике ускорения. Значение по умолчанию = 0.30. Рекомендуемый диапазон = 0.10–5.00.
      2. Отрегулируйте Min Velocity for Peak, чтобы определить минимально допустимый пик скорости.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Уменьшите это значение, если достоверные пики исключаются. Порог отображается в виде нижней зеленой справочной линии на графике скорости. Значение по умолчанию = 0.30. Рекомендуемый диапазон = 0.10–10.00.
      3. Отрегулируйте Zero Scope, чтобы определить минимальное количество последовательных отсчетов ускорения, близких к нулю, необходимых для идентификации стационарного периода.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Уменьшите это значение, если кривые скорости и положения не сбрасываются. Значение по умолчанию = 10. Рекомендуемый диапазон = 3–25.
      4. Отрегулируйте Max Velocity for Peak, чтобы определить максимально допустимый пик скорости.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Увеличьте это значение, если достоверные пики превышают порог. Порог отображается в виде верхней зеленой справочной линии на графике скорости. Значение по умолчанию = 10.00. Рекомендуемый диапазон = 10.00–30.00.
      5. Отрегулируйте Min Peak Distance, чтобы определить минимальное количество отсчетов между обнаруженными пиками.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Значение по умолчанию = 2. Рекомендуемый диапазон = 1–10. Изменение обычно не требуется.
      6. Отрегулируйте Min Peak Prominence, чтобы определить выраженность, необходимую для обнаружения пика.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Более низкие значения повышают чувствительность и могут выявить дополнительные пики. Значение по умолчанию = 0.10. Рекомендуемый диапазон = 0.01–0.90. Изменение обычно не требуется.
    10. После идентификации всех достоверных пиков для текущего испытания нажмите Next, чтобы перейти к следующему испытанию.
    11. Повторяйте шаги 2.7.7–2.7.10 до тех пор, пока не будут обработаны все испытания.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Не изменяйте параметры обнаружения пиков после обработки первого испытания. Если изменение параметров станет необходимым, повторите анализ для всех ранее обработанных испытаний с использованием обновленных настроек.
    12. Скопируйте выбранные данные о скорости и ускорении в электронную таблицу для последующего анализа зависимости «сила–скорость–мощность».

3. Экспериментальный протокол

  1. Зафиксируйте предплечье участника на подлокотнике с помощью ремня для предплечья. Затяните ремень достаточно плотно, чтобы предотвратить смещение предплечья вперед.
  2. Наденьте фиксатор на большой палец участника и надежно затяните его.
  3. Устраните слабину в системе блоков, вращая блок через храповой механизм до тех пор, пока зубчатый ремень не станет натянутым.
    ПРИМЕЧАНИЕ: При переключении между положениями храповой механизм издает отчетливый щелчок.
  4. Сдвиньте предохранительный болт в сторону блока, пока трос, соединяющий предохранительный болт и карабин A, не натянется.
  5. Выберите два груза примерно равной массы, каждый весом около 1.25 kg.
  6. Фиксированная последовательность тестирования
    1. Протестируйте самый большой, средний и самый маленький уровни блока, используя один груз и смартфон.
    2. Протестируйте самый маленький, средний и самый большой уровни блока, используя два груза и смартфон.
    3. Протестируйте самый большой и самый маленький уровни блока, используя только смартфон.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте одну и ту же последовательность для всех участников, чтобы минимизировать погрешность, связанную с утомлением.
  7. Нажмите Start Recording в приложении для сбора данных.
  8. Попросите участника сократить мышцу большого пальца максимально быстро и с максимальной силой.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Мотивация участника может существенно повлиять на результат. В течение всего тестирования используйте единообразное вербальное стимулирование для достижения максимальных усилий.
  9. Приостанавливайте запись данных после каждой попытки. Измените уровень блока и условия нагрузки в соответствии с последовательностью, установленной в пункте 3.6.
  10. Возобновите запись данных и повторяйте шаги 3.8–3.9, пока не будут выполнены все восемь комбинаций уровней блока и нагрузок.
  11. Наблюдайте за участником в течение всего тестирования и повторяйте попытки, на которые повлияло избыточное движение руки или недостаточное усилие.
  12. Проверяйте кривую ускорения после каждой попытки.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Повторяйте попытки с аномально низкими начальными пиками ускорения, избыточными колебаниями или продолжающимся движением смартфона между сокращениями, так как эти условия могут снизить качество данных.
  13. Делайте заметки по каждой попытке, включая повторные или исключенные, для облегчения последующего анализа данных.

4. Использование эталонного эргометра

  1. Подготовка эргометра золотого стандарта
    1. Включите компьютер и запустите программное обеспечение для сбора данных. Откройте файл процедуры для двухрежимной рычажной системы.
    2. Установите смещение по силе на 10, а смещение по длине на 9 на блоке управления рычагом.
    3. Включите питание двухрежимной рычажной системы и блока сбора данных.
    4. Проверьте правильность работы двигателя, осторожно повернув рычаг и убедившись в наличии сопротивления.
    5. Проденьте 40 см многожильного стального провода через второе отверстие снизу рычага и закрепите его с помощью обжимного кольца.
    6. Проденьте противоположный конец проволоки через пальцевый фиксатор и закрепите её с помощью обжимного кольца.
    7. Прикрепите систему двухрежимного рычага к раме 3 перед подлокотником.
  2. Зафиксируйте предплечье участника на подлокотнике и поместите большой палец в фиксатор для пальцев.
  3. Сдвиньте руку участника вперед до тех пор, пока большой палец не достигнет максимального сгибания, а трос не окажется под легким натяжением.
  4. Затяните ремешок на предплечье достаточно плотно, чтобы предотвратить смещение руки вперед или в стороны.
  5. Настройка параметров сбора данных
    1. Открыть Устройство управления сканированием Dev6.
    2. Набор Количество образцов в/к (внутрикожно) / до / к / для / в соответствии с (в зависимости от контекста) 60,000.
    3. Набор Усреднение образцов к 1.
    4. Набор Период отбора проб в / к / для 0.0001.
    5. Набор Период конверсии в (или «до», в зависимости от контекста) 0.
    6. Набор Образцы после срабатывания триггера к 0.
    7. Набор Источник опорного триггера в / к / для (в зависимости от контекста) /Dev6/PFI1.
    8. Набор Тип 2x к Цифровой.
    9. Набор 2x рычаг 1 в/к 0.
    10. Набор 2x Lever2 к 0.
    11. Набор Режим в / к / до / для (в зависимости от контекста) Однократный ввод.
    12. Набор Немедленно вернуться к Выкл..
    13. Набор Пусковой триггер в/к Выкл..
    14. Набор Источник триггера к /Dev6/PFI0.
    15. Набор Тактовая частота дискретизации в/к Выкл..
    16. Набор Источник тактовых импульсов к /Dev6/PFI7.
    17. Набор Преобразователь часов в/к Выкл..
    18. Набор Преобразование источника тактовых импульсов в /Dev6/PFI2.
    19. Выберите Канал 1 + Канал 2 под Выберите каналы для сканирования.
  6. Нажмите на Начало в Устройство управления сканированием и проинструктируйте участника максимально быстро и сильно сократить большой палец.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Мотивация участника может существенно повлиять на результаты. В течение всего процесса тестирования следует оказывать постоянную вербальную поддержку для обеспечения максимальных усилий.
  7. Нажмите на GetWaves и сохраните полученные данные, используя идентификатор участника и текущее значение смещения силы.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для первого сокращения смещение по силе составляет 10.
  8. Уменьшайте смещение силы с шагом 1,0.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Пример последовательности: 10.0 > 9.0 > 8.0.
  9. Повторяйте шаги 4.6–4.8 до тех пор, пока двигатель не перестанет оказывать заметное сопротивление движению большого пальца.
  10. Извлеките значения пиковой силы и пиковой скорости для каждого испытания, используя процедуру анализа, описанную в Дополнительный файл с кодом 2.

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

Результаты

Данные о зависимости силы от скорости и мощности от скорости были собраны на выборке студентов бакалавриата (N = 15) с использованием как эталонного эргометра, так и недорогого аппарата для оценки функциональных показателей каждой системы при идентичном экспериментальном протоколе. Индивидуальные данные испытуемых представлены на рисунке 1, а обобщенные данные для каждого аппарата — на рисунке 3.

Бюджетный аппарат оценивали как потенц...

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

Обсуждение

Был валидирован недорогой аппарат в качестве альтернативы эргометрам золотого стандарта для измерения зависимостей сила–скорость и мощность–скорость мышц человека в условиях учебного класса.

Результаты валидации подтверждают утверждение о том, что недорогой и, следовательно, более экономически и технологически доступный аппарат может обеспечивать измерения, которые статистически не отличаются от полученных с помощью эталонного эргометра. Способность бюджетного аппарата формировать высококачест...

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

Раскрытие информации

Авторы не имеют конфликтов интересов, подлежащих раскрытию.

Благодарности

Авторы выражают благодарность студентам, обучавшимся по курсу «Биология мышц» (UML BIOL4890, 2023–2025), и учащимся средней школы Лоуренса (Лоуренс, Массачусетс) за участие в итоговом проекте, который лег в основу данной выпускной квалификационной работы (GC). Также выражается благодарность Мэттью Бороковскому из Aurora Scientific за неоценимую поддержку, а также Виктории Флинт и Сэмюэлю ДеЛапу за их первоначальный вклад в разработку и внедрение модуля сгибателей пальцев для курса UML. Авторы также благодарят Дэниела Бартлетта и Даррелла Ла за помощь в выборе подходов к анализу. Работа финансировалась за счет стипендии Honors College Университета Массачусетса в Лоуэлле (GC), Национального научного фонда (грант 2217246), а также за счет стартовых средств Университета Массачусетса в Лоуэлле (NK).

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

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Грузы 1.25 kgNEXO FitnessASIN: B09JHQ6QB8Могут быть заменены стандартными грузами примерно 1-2 kg
необходимое количество: 2
Зубчатый ремень для 3D-принтера‎Ремень для 3D-принтера 10mASIN: B08974S1CCМожет быть заменен стандартными зубчатыми ремнями для 3D-принтеров: шаг 2mm, ширина 6mm, материал — резина и стекловолокно
необходимое количество: 1
3D-деталь 1 — Внутренняя шестерняН/ДН/ДСм. дополнительные STL-файлы — печать из ABS
необходимое количество: 1
3D-деталь 2 — Внешняя шестерняН/ДН/ДСм. дополнительные STL-файлы — печать из ABS
необходимое количество: 1
3D-деталь 3 — ШпонкаН/ДН/ДСм. дополнительные STL-файлы — напечатать 3-5 шт. из ABS
необходимое количество: 1
3D-деталь 4 — Держатель силыН/ДН/ДСм. дополнительные STL-файлы — печать из PLA
необходимое количество: 1
Алюминиевый профиль (длинный)80/20 inc10201 in x 2 in x 32 in
необходимое количество: 1
Алюминиевый профиль (короткий)80/20 inc10101 in x 1 in x 12 in
необходимое количество: 2
Крепеж/предохранительный болт алюминиевой рамы80/20 inc4108 необходимое количество: 3
Фиксатор руки FEATOLASIN: B0CGX8QZ3CМожет быть заменен стандартным фиксатором руки
необходимое количество: 1
Блок из вспененного поливинилхлорида для подлоктникаAzek board8/4 X Thickness Traditional Only14 in x 6 1/2 in x 3/4 in
необходимое количество: 14
КарабиныRewoalzxASIN:  B0FB3VYV3N необходимое количество: 2
Шарикоподшипники из хромированной легированной сталиuxcellUXCELL 6900 2RS - ASIN: B07FVX92MJРазмеры: внутренний диаметр 10 mm, внешний диаметр 22 mm, ширина 6 mm.
необходимое количество: 1
Excel/электронная таблицаMicrosoftExcelМожет быть заменено любым программным обеспечением для работы с электронными таблицами
необходимое количество: 1
Фиксатор пальцаSopitoASIN:  B0B5C6RWR4 Может быть заменен стандартным фиксатором пальца
необходимое количество: 1
IGOR 8 PROWavemetrics.com8 PROИспользуется с оборудованием Aurora Scientific и для расчета a/Fmax.
необходимое количество: 1
Большая панель из вспененного поливинилхлоридаAzek board8/4 X Thickness Traditional Only6 3/4 in x 7 in x 3/4 in
необходимое количество: 2
Металлическая осьСтандартнаяASIN: B0CC8T8X77Стальной стержень толщиной 9.97 mm, длиной 45 cm.
необходимое количество: 1
Многожильный стальной трос Catch All TackleASIN: B00JTWDSQSДиаметр 1.4mm, разрывная нагрузка 400lb
необходимое количество: 2
Держатель для телефонаTribeASIN: B00SXRUFEнеобходимое количество: 1
Приложение PhyphoxPhyphox.orgН/ДЗагрузите из Apple App Store или Google Play Store
необходимое количество: 1
Python-скриптН/ДН/ДМожно скачать: Дополнительный документ 1 muscle_velocity_gui.py
необходимое количество: 1
Малая панель из вспененного поливинилхлоридаAzek board8/4 X Thickness Traditional Only1 in x 3 1/4 in x 3/4 in
необходимое количество: 1
СмартфонAppleIPhone 11Может быть заменен любым смартфоном с акселерометром
необходимое количество: 1
Кримперы для стального тросаCatch All TackleASIN: B00JTWDSQSРазрывная нагрузка 400lb
необходимое количество: 6
СтопорыBefenybayASIN: B0B1C6BPKQвнутренний диаметр 10 mm, внешний диаметр 20 mm, ширина 20 mm
необходимое количество: 2

Ссылки

  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.

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

Перепечатки и разрешения

Теги

Измерение мощности мышц3D-печатный блокхраповой механизмакселерометр смартфонаприложение Phyphoxанализ данных на Pythonобучение физиологии мышцпреподавание биомеханики

Эта статья была опубликована

Видео скоро будет доступно

Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.