Осцилляционные и реакция Совета методов оценки инерционных свойств в Ниже колена протезирования
8 мая 2014 г.
Сегментные тела инерционные свойства необходимы для моделирования обратной динамики. Использование колебание и технику реакция доска, инерционные свойства ниже колена протезы были измерены. Использование прямых мер протеза инерции в модели обратной динамики протеза ноги привело к снижению величины полученных совместных сил и моментов.
Общая цель этой процедуры заключается в оценке инерционных свойств протеза ниже колена. Это достигается путем предварительного измерения периода колебаний с протезом, подвешенным в клетке. Второй шаг заключается в использовании метода реакционной доски для оценки расположения центра масс для комбинированной системы протеза и клетки.
Затем протез извлекается из кейджа и используется техника реакционной доски для оценки расположения центра масс только клетки. Последним шагом является измерение периода колебаний только для клетки. В конечном счете, эта инерциальная измерительная система была проверена с использованием известных геометрических тел, таких как деревянный блок четыре на четыре.
Результаты этих экспериментов представлены в приложении. Инерционные измерения кейджа вычитаются из измерений протеза и кейджа вместе взятых, чтобы получить оценку инерционных свойств протеза. Основное преимущество данной методики перед существующими методами, как и предположение об инерционных свойствах ортопедической стороны, аналогичных таковым у интактной стороны, заключается в том, что инерция протеза ноги более точно представлена в биомеханической модели человека. Для начала усадите пациента с ампутированной конечностью в кресло, где протез ноги может быть удобно оторвана от сиденья так, чтобы испытуемый мог выполнить серию сгибаний колена и действия по расширению.
Затем определите центр вращения колена или COR, и поместите небольшой кусочек ленты в COR. Затем измерьте расстояние от края протеза до колена, COR. Если COR колена находится ниже губы протеза, это значение должно быть зарегистрировано как отрицательное значение.
Далее определяют расстояние между КОР коленного сустава и КОР голеностопного сустава. Затем снимите протез и лежащую под ним втулку, чтобы провести измерения культи с помощью гибкой рулетки для оценки инерционных свойств культи. Далее измерьте проксимальную окружность культи, наибольшую окружность, примерно на две ширины пальцев от коленного сустава.
Затем определите дистальную окружность культи на последнем костном выступе на дистальном конце. Далее измерьте длину культи, расстояние от головки малоберцовой кости до самой дистальной части культи. Снимите внутренний каркас с осцилляционной стойки, сняв ось, поместите вкладыш объекта и наложите его на гильзу протеза.
Затем надежно расположите протез с неподвижным обувью внутри внутреннего осцилляционного каркаса, используя ремешок Velcro, чтобы зафиксировать стопу протеза на дистальной пластине клетки. Затем переместите внутренний каркас в колеблющуюся рейку, закрепив ось. Совместите подвешивающий рычаг внутреннего каркаса с установочным винтом, который установит угол колебания менее пяти градусов.
Чтобы начать испытание колебаний, потяните внутреннюю каретку назад до тех пор, пока она не коснется установочного винта, а затем переместите ее вперед, пока не станет видно пространство между установочным винтом и внутренней кареткой. Соберите данные о трех попытках колебаний с протезом, расположенным во внутреннем каркасе, и запишите среднее время одного полного цикла колебаний для каждой попытки. Перед перемещением измерений реакционной доски держите протез неподвижным в стойке и расположите внутреннюю клетку горизонтально, упираясь ею в края ножа.
Затем запишите расстояние между верхней регулируемой пластиной и неподвижной поперечиной в верхней части внутренней клетки с помощью цифровых штангенциркулей и гибкой измерительной ленты. Затем измерьте расстояние между нижней регулируемой пластиной и неподвижной поперечиной в верхней части внутреннего каркаса и определите расстояние между нижней регулируемой пластиной и неподвижной поперечиной в нижней части внутреннего каркаса. Затем измерьте расстояние между двумя лезвиями ножа.
После разрыва весов до нуля расположите стойку и протез в сборе реакционной платы. Затем поместите один конец внутренней клетки на чешую и расположите край ножа в нижней части внутренней клетки так, чтобы она была ровной и между двумя лезвиями ножа не было натяжения. Поднимите конец весов несколько раз и положите его обратно на весы.
Запишите значение, как только будут достигнуты стабильные показания весов. Затем извлеките протез из внутренней клетки и запишите показания реакционной доски только для клетки. Снимите обувь с протеза конечности и измерьте массу обуви.
Затем получите массу протеза без обуви. Далее измерьте расстояние между COR голеностопного сустава и подошвенной поверхностью стопы. Затем определите длину модуля стопы без обуви.
Положите обувь обратно на протез и измерьте расстояние от COR лодыжки до подошвы обуви и длину стопы в обуви. Затем переместите внутреннюю клетку в пределах осциллирующей стойки, убедившись, что черный угол со светоотражающей лентой находится ближе всего к фотоэлементу. Закрепите ось и убедитесь, что подвешивающий рычаг внутреннего каркаса совпал с установочным винтом.
Наконец, соберите 10 испытаний колебаний, регистрирующих только первый период колебаний каждого испытания C приложение А, чтобы объяснить, почему регистрируется только первый период колебаний, когда клетка пуста. Инерционные свойства ортопедической стороны были значительно ниже, чем инерционные свойства интактной ноги. Масса ортопедической стороны была на 39% меньше.
Момент инерции был на 52% меньше, а центр масс был на 24% ближе к колену, чем по неповрежденным оценкам. Совместные силы реакции голеностопного, коленного и тазобедренного суставов определяли в переднем, заднем и вертикальном направлениях. Фаза стойки начинается на 0% цикла ходьбы и заканчивается примерно на 60% цикла ходьбы.
Мах продолжается до следующего контакта стопы с той же ногой на 100%Следующие результаты были получены при анализе моментов сустава вокруг поперечной оси через голеностопный, коленный и тазобедренный суставы. Кинетические профили ортопедической стороны при раскачивании больше напоминали профили неповрежденной конечности. Когда инерционные свойства интактной конечности были использованы для моделирования ортопедической стороны, после освоения этой техники она может быть выполнена в течение 30 минут при правильном выполнении.
Обзор
Данное исследование посвящено оценке инерционных свойств протезов голени с помощью метода осцилляции и реакционной платформы. Результаты показывают, что прямые измерения инерции протеза позволяют создавать более точные биомеханические модели, что приводит к снижению расчетных сил и моментов в суставах.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Биомеханика
- Протезирование
- Инерциальные измерения
Теоретическая часть
- Понимание инерционных свойств имеет решающее значение для точного моделирования обратной динамики.
- Существующие методы часто предполагают, что инерция протеза аналогична инерции здоровых конечностей.
- Точные измерения позволяют улучшить биомеханическое представление протезов конечностей.
- В данном исследовании проводится валидация нового метода измерения с использованием известных геометрических тел.
Цель исследования
- Оценить инерционные свойства протезов голени.
- Повысить точность биомеханических моделей для людей с ампутациями.
- Проверить метод измерения на соответствие известным стандартам.
Используемые методы
- Измерение периодов колебаний для протеза и корзины.
- Использование реактивной платформы для оценки центра масс.
- Сравнение инерционных свойств стороны с протезом и здоровой ноги.
- Проведение нескольких серий испытаний для обеспечения точности измерений.
Основные результаты
- Было установлено, что масса стороны с протезом на 39% меньше массы здоровой ноги.
- Момент инерции был ниже на 52%, а центр масс находился на 24% ближе к колену.
- Реакции суставов анализировались в нескольких направлениях.
- Результаты свидетельствуют о повышении точности моделирования динамики протеза конечности.
Выводы
- Новый метод измерения обеспечивает более точное представление инерции протеза.
- Прямые измерения могут значительно снизить расчетные силы и моменты в суставах.
- Данный подход может улучшить конструкцию и функциональность протезных устройств.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Точная оценка инерционных характеристик протеза имеет решающее значение для биомеханического моделирования в исследованиях по реабилитации и разработке устройств. Методы прямого измерения позволяют сократить количество допущений при моделировании, которые могут исказить кинетику суставов, особенно в фазе переноса. Это обеспечивает более надежную доклиническую оценку конструкций протезов и функциональных результатов.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет проверять гипотезы о динамике протезов конечностей, предоставляя эмпирически выведенные инерционные параметры.
- Практическая ценность: снижает зависимость от допущений о сохранности конечности, повышая специфичность модели для когорт пациентов с ампутацией.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: позволяет получать количественные, воспроизводимые данные (массу, момент инерции, центр масс) для протезных систем.
- Практическая ценность: стандартизирует измерение инерции в различных лабораториях, обеспечивая готовность анализа для сравнительных исследований.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Повышает достоверность прогнозов при моделировании обратной динамики путем согласования симулированной кинетики с измеренным поведением в фазе переноса.
- Практическая ценность: Обеспечивает преемственность между лабораторными измерениями и рабочими процессами доклинического анализа походки.
Интеграция в конвейер и рабочий процесс
Данный метод применим в рамках рабочих процессов раннего поиска, где характеристика биологической системы служит основой для последующей функциональной оценки.
- Фундаментальная биология: обеспечивает получение эмпирических данных об инерции для уточнения биомеханических гипотез о взаимодействии протезов конечностей.
- Скрининг: предоставляет стандартизированные инерционные параметры протезов для согласованной оценки в различных экспериментальных условиях.
- Аналитика: позволяет вычислять показатели массы, инерции и центра масс для количественного сравнения конструкций протезов.
- Трансляционные исследования: связывает лабораторные измерения с доклинической валидацией за счет повышения точности моделей при симуляции походки.
- Корпоративное повторное использование: создает многоразовую платформу для определения инерционных характеристик вспомогательных устройств в рамках нескольких проектов.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает достоверность прогнозных оценок нагрузки на суставы за счет снижения ошибки инерционного моделирования.
- Операционная ценность: Повышает воспроизводимость и стандартизацию биомеханических оценок протезов.
- Стратегическая ценность: Обеспечивает принятие более обоснованных решений о целесообразности продолжения разработки протезов за счет предоставления более точной биомеханической обратной связи.
- Влияние на портфель проектов: Позволяет осуществлять корректировку рисков при развитии концепций протезирования за счет улучшенного механистического снижения рисков.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области биомеханики и методов инерциальных измерений.
- Зависит от наличия осцилляторного стенда, реактивной платформы и приборов для хронометрии.
- Необходима стандартизация действий всех пользователей для обеспечения единообразия протоколов осцилляции и позиционирования.
- Требуется учет особенностей адаптации при применении метода к различным моделям протезов или геометрии культи конечности.
- Ограничено необходимостью физического доступа к протезу и созданием контролируемых условий осцилляции.
