Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

التذبذب والتفاعل المجلس تقنيات لتقدير خصائص بالقصور الذاتي من تعويضات تحت الركبة

Published: May 8, 2014 doi: 10.3791/50977
Automatic Translation
1, 1, 1, 2, 3
1School of Sport & Exercise Science, University of Northern Colorado, 2Kinesiology Program, Arizona State University, 3Department of Kinesiology, Iowa State University

Summary

ويلزم قطعي الجسم خصائص بالقصور الذاتي للديناميات عكسية النمذجة. باستخدام تقنية التذبذب ومجلس التفاعل، خصائص بالقصور الذاتي من الأطراف الاصطناعية تحت الركبة وتم قياس. باستخدام تدابير مباشرة لبدلة الجمود في نموذج ديناميات معكوس الساق الاصطناعية أدى إلى مقادير أقل من القوات المشتركة الناتجة واللحظات.

Abstract

وكان الغرض من هذه الدراسة ذات شقين: 1) يبرهن على وجود تقنية يمكن استخدامها مباشرة لتقدير خصائص بالقصور الذاتي من بدلة تحت الركبة، و 2) على النقيض من آثار هذه التقنية المقترحة والتي من استخدام أطرافهم سليمة خصائص بالقصور الذاتي على تقديرات الحركية المشتركة أثناء المشي في جانب واحد، مبتوري الأطراف transtibial. تم التحقق من صحة نظام التذبذب ومجلس التفاعل وأظهرت أنه يمكن التعويل عليها عند قياس خصائص بالقصور الذاتي من المواد الصلبة الهندسية المعروفة. عندما استخدمت قياسات مباشرة لخصائص بالقصور الذاتي للبدلة في ديناميات عكسية نمذجة السفلى مقارنة مع تقديرات بالقصور الذاتي على أساس ساق سليمة والقدم، كانت حركية مشتركة في الورك والركبة أقل بكثير خلال المرحلة البديل من المشي. الاختلافات في حركية مشتركة خلال الموقف، ومع ذلك، كانت أصغر من تلك التي لوحظت خلال سوينغ. وبالتالي، يجب على الباحثين التركيز على مرحلة التحول من المشي تنظر في تأثير prosthesهي تقديرات الملكية الجمود على نتائج الدراسة. لموقف، فإن أي واحد من اثنين من نماذج بالقصور الذاتي التحقيق في دراستنا المرجح أن تؤدي إلى نتائج مماثلة مع تقييم ديناميات العكسية.

Introduction

لتحديد القوات المشتركة الناتجة حظات وأثناء الحركة، وهناك حاجة إلى نموذج ديناميات العكسية لنظام الفائدة عند العمل مع البيانات التجريبية. لانخفاض الميكانيكا الحيوية أقصى، وديناميات النماذج العكسية تمثل عادة القدم، عرقوب، والفخذ الهيئات جامدة كما. المدخلات لهذه النماذج تأتي من ثلاثة مصادر رئيسية هي: أ) الحركيات الحركة، ب) قوى رد فعل الأرض، وج) علم قياسات الجسم البشري وقطاع العقارات بالقصور الذاتي. يتم جمع البيانات الحركة مع مجموعة متنوعة من أنظمة تحليل الحركة، ولكن كل الأنظمة توفر أساسا الحركيات الأساسية لحركة (الموقف، والسرعة، والتسارع). يتم جمع قوى رد فعل الارض مع لوحة القوة وتوفير القوات اتصال تعمل على القدمين. علم قياسات الجسم البشري هي قياسات مأخوذة مباشرة من الجسم باستخدام الحكام، والأشرطة المرنة، و / أو الفرجار. وتستخدم هذه القياسات الأنثروبومترية لتقدير خصائص بالقصور الذاتي للقطاعات الجسم المستخدمة في dynami عكسيةتحليل خدمات العملاء. وتشمل خصائص بالقصور الذاتي الكتلة، مركز الكتلة (COM) موقع وعزم القصور الذاتي (وزارة الداخلية) من الجزء النسبي لمحور من خلال COM أو الجزء الداني القاصي أو مشتركة. المنهجيات والمعدات المستخدمة لجمع البيانات الحركة وقوة رد فعل الارض متشابهة بين المجموعات البحثية، ولكن التقديرات بالقصور الذاتي من شرائح الجسم يمكن أن تختلف على نطاق واسع بين الباحثين اعتمادا على الطريقة التي يختار الباحث لتقدير هذه الخصائص بالقصور الذاتي.

التقنيات المختلفة المتاحة لتقدير خصائص بالقصور الذاتي من شريحة جسم الإنسان سليمة تماما ما يلي: 1) معادلات الانحدار استنادا إلى بيانات جيفة 1-5، 2) النماذج الرياضية (أي نماذج هندسية) 6،7، و 3) المسح الضوئي والتصوير تقنيات 8-15. العديد من هذه التقنيات تتطلب قياسات مباشرة من الجسم، ولكن قد سبق تبين أن بغض النظر عن طريقة التقدير المستخدمة، ودقة ثوانى الجسمتقديرات بالقصور الذاتي منة على أساس هذه الأساليب مرتفع 16. وقد تبين أيضا أن الأخطاء في تقديرات خصائص بالقصور الذاتي من شرائح الجسم سليمة لها تأثير ضئيل على مقادير من لحظات مشتركة الناتجة أثناء المشي 17،18. تتأثر لحظات مشتركة إلى حد كبير من قبل قوات رد فعل الارض، وسط ضغوط المواقع، لحظة أطوال الذراع، وعلم الحركة شريحة 17-19. وبالتالي، فإنه ليس من المستغرب أن أساليب لتقدير خصائص بالقصور الذاتي من شرائح الجسم تختلف على نطاق واسع في جميع أنحاء الأدب عند استخدام الأفراد القادرين على العمل على النحو الوارد المشاركين الأبحاث أن الأخطاء الصغيرة في هذه التقديرات من المحتمل أن يكون له تأثير يذكر على نتائج الدراسة.

وغالبا ما تستخدم العديد من هذه التقديرات بالقصور الذاتي لشريحة الجسم سليمة تماما لتقدير خصائص بالقصور الذاتي من الأطراف الاصطناعية لمبتوري الأطراف السفلية أقصى. هي ملفقة أقل الأعضاء الاصطناعية الحديثة باستخدام مواد خفيفة الوزن resultiنانوغرام في الاطراف الصناعية التي هي أخف بكثير من أطرافه يحلون محلهم. وهو ما يؤدي إلى عدم التماثل بالقصور الذاتي بين الأطراف الاصطناعية وأطرافه سليمة. مقارنة مع عرقوب نموذجية سليمة والقدم، وكتلة بدلة تحت الركبة والطرف المتبقي هو ما يقرب من 35٪ أقل ولها مركز الكتلة يقع أقرب ما يقرب من 35٪ إلى مفصل الركبة 20-23. انخفاض كتلة وتوزيع أكثر الشامل القريبة من أطراف صناعية تنتج أيضا أقل من ذلك بكثير (~ 60٪) لحظة من الجمود النسبي لمفصل الركبة لأطرافهم الاصطناعية مقارنة بما كان عليه من ساق سليمة والقدم. على الرغم من أن الباحثين 24،25 وقد اقترح في السابق أن استخدام تقديرات سليمة بالقصور الذاتي للأطراف صناعية يكون لها أثر يذكر على تقديرات الحركية المشتركة، هذه المقارنات يركز على لحظات مشتركة الناتجة خلال مرحلة موقف من المشي، حيث يسيطر على قوة رد فعل الارض لحظة إنتاجها في المشترك. أثناء التأرجح، حيث قوى رد فعل الارض ليست موجودة، وتخفيض خصائصه بالقصور الذاتي من بدلة هم أكثر عرضة للتأثير على التقديرات من لحظات مشتركة الناتجة. بالنظر إلى أن بعض الباحثين على سبيل المثال، 26-32 الاستفادة سليمة خصائص قطاع الجمود لتمثيل بدلة خصائص بالقصور الذاتي وغيرها على سبيل المثال 21-23 تقدير بدلة خصائص بالقصور الذاتي مباشرة، فمن المهم أن نفهم تأثير الطرق المختارة لتقدير خصائص بالقصور الذاتي للبدلة . التقليل من الوقت اللازم لقياس خصائص بالقصور الذاتي من بدلة وكان أحد الاعتبارات الهامة في تطوير أسلوبنا. في هذه التقنية المعروضة هنا لا تزال سليمة بدلة كاملة عن جميع القياسات لتقليل مرات القياس وتجنب أي الأوقات الإضافية المرتبطة إعادة تنظيم بدلة بعد القياس.

وبالتالي، كان الغرض من هذه الدراسة ذات شقين: 1) يبرهن على وجود تقنية يمكن استخدامها مباشرة لتقدير خصائص بالقصور الذاتي من أساسهاelow الركبة الاصطناعي، و 2) على النقيض من آثار هذه التقنية المقترحة والتي من استخدام أطرافهم سليمة خصائص بالقصور الذاتي على تقديرات مشتركة الحركية أثناء المشي في جانب واحد، مبتوري الأطراف transtibial. كان الافتراض بأن مقادير الحركية المشتركة هي أكبر عندما يتم استخدام الخصائص بالقصور الذاتي للساق والقدم كما سليمة التقديرات بالقصور الذاتي للبدلة مقارنة القياسات المباشرة للبدلة خصائص بالقصور الذاتي.

Protocol

المشاركين

(العمر = 46 ± 16 سنة والكتلة = 104.7 ± 9.7 كجم، ارتفاع = 1.75 ± 0.08 م 5 الذكور؛؛ 1 أنثى) وشارك في هذه الدراسة ستة من جانب واحد، مبتوري الأطراف transtibial. وكان خمسة من ستة مبتور بتر الأطراف بسبب الإصابات مع الآخر بسبب أمراض العظام الخلقية. تستخدم جميع المبتورين قفل ودبوس نوع نظام تعليق للواجهة مأخذ الاصطناعية واستجابة مرنة ديناميكية القدم الاصطناعية (3 كوليدج بارك، 2 فليكس القدم، وسفر التكوين 1 الثاني). وركزت على تجنيد المشاركين المبتورين الذين كانوا الإسعافية تماما، قد استخدمت أقل بدلة أطرافهم لمدة سنة واحدة على الأقل، والحفاظ على درجة معينة من النشاط البدني سواء في أنشطتهم المهنية أو اليومية. تمت الموافقة على البروتوكول من قبل مجلس المراجعة المؤسساتي في الجامعة، وتم الحصول على الموافقة المسبقة من كل مشارك قبل المشاركة.

المحاكمات المشي فوق الارض

الطبقة = "jove_content"> تم تحديد المفضل سرعة المشي كل مشارك أثناء مغادرة المشاركين على طول الممر 20 مترا باستخدام سرعة مريحة كما لو المشي من سيارتهم إلى مدخل المتجر. تم استخدام نظام توقيت القائم ضوئية لقياس الوقت اللازم لاجتياز ما يقرب من القسم 5 م في وسط الممشى. وكان كميا يفضل سرعة المشي كما يعني من خمس محاكمات. ثم أكمل كل مشارك خمس تجارب ناجحة فوق الارض المشي في حين تم جمع قوى رد فعل الارض من صفيحتين القوة (480 هرتز) والحركة (60 هرتز) البيانات من نظام تحليل حركة ستة الكاميرا. وكانت التجارب ناجحة داخل تلك ± 3٪ من سرعة المفضل المشارك وليس هناك إشارة مرئية من ضبط خطوة في الاتصال منصة القوة. وضعت علامات العاكس ثنائيا على المدور الكبير، اللقمة الفخذية الوحشية، الكعب الوحشي، الجانب الوحشي من الكعب، ورئيس مشط القدم الخامسة قبل داجمع تا.

تم استخدام ثلاثة الجزء الرفيع (الفخذ، الساق، والقدم) ديناميات معكوس المستوى السهمي نموذج لتقدير القوات المشتركة الناتجة واللحظات في الورك والركبة، والكاحل. وقدرت الجزء خصائص بالقصور الذاتي لشرائح الجسم سليما على أساس معادلات الانحدار من يفا دي 8. تم قياس الخصائص بالقصور الذاتي من بدلة وأطرافهم المتبقية مباشرة وتوزيعها بين الأطراف الاصطناعية وعرقوب القدم (انظر خطوة خطوة بروتوكول أدناه). تم استخدام عامل MANOVA واحد مع التدابير المتكررة لتحديد تأثير تقديرات بدلة الجمود، إما تدابير مباشرة أو باستخدام تقديرات للجزء سليمة، وعلى القوات المشتركة الناتجة الذروة وخلال لحظات الموقف والبديل. بالنظر إلى أن قوة رد الفعل المشترك والتشكيلات الناتجة حظة كانت متشابهة بين جميع المشاركين، وكتب خوارزمية في MATLAB (ماثووركس، ناتيك، MA) للتركيز على ويندوز محددة داخل دورة مشية لتعريف كل من الفرد الذروة الكميهالمنشأ (انظر دورة مشية٪ في الجدول رقم 2). وقدم التعديل Bonferroni إلى فترات الثقة على أساس عدد من المتغيرات التابعة. واعتبرت فروق ذات دلالة في ع <0.05.

وصف التذبذب والتفاعل نظم المجلس

نظام التذبذب المستخدمة لقياس خصائص بالقصور الذاتي من بدلة يتضمن القفص الخارجي أو هيكل الدعم مصنوعة من 80/20 الألومنيوم، قفص الألومنيوم الداخلية التي هو قابل للتعديل، والكهروضوئية الأشعة تحت الحمراء (انظر الشكل 1A). وعلقت القفص الداخلية من القفص الخارجي مع المحور الذي يمر من خلال اثنين من الاحتكاك المنخفض الصحافة تناسب المحامل. لاستيعاب مختلف الأطراف الاصطناعية الحجم يمكن اختصارها القفص داخلية أو يطيل من قبل ما يقرب من 15 سم (أو 6 بوصات). بالإضافة إلى ذلك، لديه قفص الداخلية أيضا صفيحتين قابل للتعديل التي تستخدم لضمان تناسب آمنة للبدلة داخل القفص. صفيحة مع مجموعة المسمار هو استخدامد لضمان أن التذبذبات من القفص الداخلية لديها أقل من 5 ° من السعة بحيث لا يمكن أن تعتمد التقديرات على معادلات الحركة التوافقية البسيطة. من سلكية ضوئية مباشرة إلى عداد على بطاقة الحصول على البيانات في الكمبيوتر لتسجيل كل نبضة TTL مع مرور القفص أمام ضوئية. ويستخدم برنامج ابفيف صك الظاهري (السادس) لجمع ومعالجة البقول TTL. يستخدم القفص الداخلي للنظام التذبذب (الشكل 1A) ونظام مجلس التفاعل (الشكل 2) في توليفة مع النطاق مع مجموعة تصل إلى 10 كجم وحساسية إلى أقرب 1 جرام واثنين من حواف سكين تستخدم لدعم القفص الداخلية خلال القياسات مجلس التفاعل. تقنية لقياس خصائص بالقصور الذاتي من بدلة تحت الركبة تتضمن ثلاث خطوات رئيسية: 1) التذبذب والتفاعل بروتوكول مجلس، 2) المعادلات الرياضية لتقدير التعويضات الجمود، و3) توزيع تعويضات الجمود في القدم والساق SEG و الإدلاء بالبيانات.

الشكل 1
الشكل 1. A) صورة الرف التذبذب تستخدم لقياس الفترة من التذبذب. لاحظت أن هناك هيكل الدعم الخارجي الذي لا تزال ثابتة كما القفص الداخلية، التي يتم إصلاح بدلة، تتأرجح ذهابا وإيابا أمام ضوئية تستخدم لتوقيت. B) عن قرب نظرا للمحور التذبذب التي تظهر أيضا مجموعة المسمار يستخدم لتعيين سعة التذبذب إلى أقل من 5 درجات. C) عن قرب نظرا لالكهروضوئية والنهاية البعيدة من القفص الداخلية لتوضيح وحات نهاية قابل للتعديل. نلاحظ أن لخفض الوزن من القفص الداخلية استخدمنا رقيقة من الألومنيوم وإزالة أي فائض الألومنيوم دون التضحية قوة الهيكل.

ighres.jpg "/>
الشكل 2. مجلس التخطيطي رد الفعل من تعديل الإطار الألومنيوم (أي قفص الداخلية) إزالتها من هيكل الدعم الخارجي للنظام التذبذب يدل على الإعداد المجلس رد فعل المستخدمة لتقدير مركز النظام الشامل. لاحظ أن محورين (الملقب، حواف سكين وتستخدم) لدعم القفص الداخلية؛ واحد على اليسار (البعيدة) حافة القفص والآخر (الداني) وضعه على الجزء العلوي من الجدول. المسافة بين هذه المحاور دعم اثنين يمثل طول اللوح رد الفعل. محور التذبذب هو الخروج من الصفحة.

1. بروتوكول القياس بالقصور الذاتي

  1. في البداية، يكون الاعتصام المبتور في كرسي حيث الساق الاصطناعية يمكن رفع مريح قبالة مقعد حتى أن الشخص يمكن أن تؤدي سلسلة من ثني الركبة والإجراءات تمديد كمركز الركبة التناوب (مجلس النواب) والتي تم تحديدها.
  2. مرة واحدة يتم التعرف على النواب الركبة (قد يكون من المفيد أن تضع فطيرة صغيرةم من الشريط في مجلس النواب)، لديها موقف المبتور وقياس ما يلي.
    1. قياس المسافة من أعلى (الشفة) من بدلة لمجلس النواب في الركبة؛ إذا كان مجلس النواب الركبة يجلس أدنى من الشفة من بدلة وينبغي تسجيل هذه القيمة كقيمة سلبية.
    2. قياس المسافة بين النواب الركبة والكاحل مجلس النواب. يفترض مجلس النواب في الكاحل ليكون في موقع مماثلة كما ان من الكاحل سليمة.
  3. مع بدلة والكامنة كم إزالتها، ويستغرق عدة قياسات أطرافهم المتبقية باستخدام شريط قياس مرونة. استخدام هذه القياسات لتقدير خصائص بالقصور الذاتي من أطرافهم المتبقية على أساس النمذجة أطرافهم المتبقية مثل المخروط الناقص من حق دائري مخروط 6،21 وعلى افتراض وجود كثافة الأنسجة موحدة من 1.1 ز ∙ سم -3 13.
    1. قياس محيط القريب من أطرافهم المتبقية. ينبغي قياس محيط هذه كأكبر محيط بالقرب من مفصل الركبة (<م> على سبيل المثال، عادة ما يقرب من اثنين بعرض الاصبع من مفصل الركبة).
    2. قياس محيط البعيدة للأطرافهم المتبقية. ينبغي قياس محيط هذا في بروز عظمي الماضي على النهاية البعيدة من الأطراف المتبقية.
    3. قياس طول العضو المتبقي والمسافة من رأس الشظية لمعظم الجوانب البعيدة من الأطراف المتبقية.
  4. إزالة القفص الداخلية من رف التذبذب عن طريق إزالة المحور. وضع بطانة من مبتوري الأطراف وأي رقائق من مبتوري الأطراف يستخدم حاليا داخل المقبس من بدلة. ثم وضع آمن بدلة مع حذاء لا يزال على داخل قفص التذبذب الداخلية (الشكل 1). في هذا النظام، واثنين من لوحات قابل للتعديل الانزلاق أفقيا وعندما شددت في الموقف تأمين الجزء العلوي من بدلة داخل القفص. لسفح بدلة استخدام حزام الفيلكرو لضمان الحصول عليها على لوحة البعيدة من القفص.
  5. إعادة القفص الداخلية داخل رف التذبذب. اأمنإعادة المحور والتأكد من الذراع بتوقيف من القفص الداخلي ينسجم مع المسمار مجموعة من شأنها أن تعيين زاوية التذبذب إلى أقل من 5 درجات.
  6. جمع ثلاث محاكمات التذبذب مع بدلة وضعه في قفص الداخلية. سوف فترة التذبذب تمثل الوقت المستغرق لإكمال التذبذب واحدة كاملة مع يتأرجح قفص الداخلية تحت وزنه وأثرت فقط عن طريق الجاذبية. لبدء محاكمة التذبذب سحب القفص الداخلية مرة أخرى حتى أنه يضرب المسمار مجموعة ومن ثم تحريكه إلى الأمام حتى مسافة بين المسمار مجموعة وقفص الداخلية مرئيا. تسجيل متوسط ​​الوقت لدورة كاملة واحدة من التذبذب لكل المحاكمة.
  7. قبل التحول إلى القياسات المجلس رد فعل، وقياس وتسجيل الأبعاد التالية من القفص الداخلية مع بدلة تزال ثابتة في رف باستخدام الفرجار الرقمية أو شريط القياس المرن. وسوف تستخدم هذه التدابير إذا كانت التغييرات التكوين قفص الداخلية على إزالة بدلة في الخطوة 1.9 وأيضا خلال تقديرات خصائص بالقصور الذاتي للنظام. هذه القياسات هي أسهل لاتخاذ مع القفص الداخلية ضعه أفقيا ويستريح على حواف سكين لاختبار رد فعل المجلس.
    1. قياس المسافة بين أعلى لوحة قابل للتعديل وعبر أعضاء ثابتة في الجزء العلوي من القفص الداخلية.
    2. قياس المسافة بين لوحة قابل للتعديل في قاع البحار وعبر أعضاء ثابتة في الجزء العلوي من القفص الداخلية.
    3. قياس المسافة بين لوحة قابل للتعديل في قاع البحار وعبر أعضاء ثابتة في الجزء السفلي من القفص الداخلية.
    4. قياس طول اللوح رد فعل؛ هذه هي المسافة بين مواقع حواف اثنين السكين التي سيتم استخدامها في الدعم خلال اختبار رد فعل المجلس.
  8. وضع رف والأطراف الاصطناعية في رد فعل الإعداد متنها. تأكد من أن نطاق يقرأ الصفر عند هذه النقطة. وضع واحدة من نهاية القفص الداخلي على نطاق واسع، ووضع على حافة سكين في أسفل طقفص nner حتى لا يكون هناك أي توتر بين اثنين من خلق حواف سكين والقفص الداخلي هو المستوى. رفع نهاية نطاق عدة مرات ووضعه التراجع على نطاق واسع. مرة واحدة يتم التوصل إلى القراءة متسقة من المقياس، تسجيل هذه القيمة.
  9. إزالة بدلة من القفص الداخلية. إذا كان لوحات أعلى و / أو أسفل لنقلها إلى إزالة بدلة، والعودة لوحات إلى موقعها الأصلي وذلك باستخدام قياس أبعاد في الخطوة 1.7. مرة واحدة هي أبعاد القفص ما كانت عليه مع بدلة في القفص، كرر الخطوة 1.8 لتسجيل لوحة رد فعل القراءة لمجرد القفص.
  10. إزالة الحذاء من أطراف صناعية وقياس كتلة الحذاء، تليها كتلة بدلة من دون حذاء.
  11. يستغرق عدة قياسات للبدلة.
    1. قياس المسافة بين النواب من الكاحل والسطح الأخمصي للقدم.
    2. قياس طول القدم الاصطناعية من دون حذاء.
    3. وضع الحذاء مرة أخرى على عrosthesis وقياس المسافة من مجلس النواب إلى الكاحل وحيد من الأحذية وطول القدم مع الحذاء على.
  12. إعادة القفص الداخلية داخل رف التذبذب التأكد من أن الركن الأسود مع تعكس الشريط هو الأقرب إلى الخلية الكهروضوئية. تأمين محور والتأكد من الذراع بتوقيف من القفص الداخلي ينسجم مع المسمار مجموعة من شأنها أن تعيين زاوية التذبذب إلى أقل من 5 درجات. جمع 10 محاكمات التذبذب، حيث سيتم تسجيل هذا الوقت فقط فترة التذبذب الأول من كل محاكمة. ملاحظة: انظر الملحق (أ) للحصول على شرح حول لماذا نحن فقط استخدام فترة التذبذب الأولى عندما تأرجحت القفص الداخلي في حد ذاته من دون بدلة.

2. المعادلات الرياضية لتقدير التعويضات الجمود

  1. ضبط كتلة الجسم لحساب كتلة خفضت من قبل الأطراف الاصطناعية لتقدير شريحة سليمة خصائص بالقصور الذاتي باستخدام المعادلة التالية:
    حيث ABM هي كتلة الجسم المعدلة، MBM هو قياس كتلة الجسم في حين يرتدي بدلة، محاسن M هي كتلة من بدلة، M المتبقية هي كتلة من أطرافهم المتبقية (الهياكل التشريحية تحت الركبة التي تبقى بعد البتر)، و ج (0.057 للذكور؛ 0.061 للإناث) هي تمثل في المئة من ABM عليها سليمة وساق القدم 8.
  2. تقدير خصائص بالقصور الذاتي من الفخذ، الساق والقدم من الساق سليمة وفخذ الساق الاصطناعية على أساس ABM وأطوالها جزء منها 8.
  3. وأعرب المركز بدلة من موقع الشامل الأول بالنسبة إلى محور المرجعية (الشكل 2):
    CM pros_ax = (Lrxn * (R + إيجابيات الإطار - R الإطار)) / م الايجابيات (2)
    حيث يمثل Lrxn المسافة بين نقطة الدعم، وإيجابيات R + الإطار يمثل القراءة على نطاق و لبدلة والألومنيوم الإطار معا، R يمثل الإطار القراءة على نطاق وللإطار فقط، وإيجابيات م يمثل كتلة بدلة.
  4. على أساس المسافة بين التذبذب ومحاور المرجعية (Losc_ref) ويعبر عن مركز موقع كتلة بدلة بالنسبة إلى محور التذبذب:
    CM pros_osc = Losc_ref - CM pros_ax (3)
    هناك حاجة إلى ذلك في حسابات لاحقة لحظة من الجمود من بدلة نسبة إلى هذا المحور التذبذب.
  5. وأخيرا، أعرب المركز عن الموقع النسبي الشامل لنهاية القريبة من مأخذ الاصطناعية على أساس المسافة بين محور التذبذب وأعلى لوحة نهاية قابل للتعديل (d_plate):
    CM pros_prox = CM pros_osc - d_plate (4)
  6. حساب عزم القصور الذاتي لكل حالة (القفص وحده، وقفص + بدلة):
    977eq5.jpg "/> (5)
    حيث كنت أكسيس هي لحظة من الجمود النسبي لمحور التذبذب، τ هو متوسط ​​فترة التذبذب واحد، m هو كتلة من النظام، ز هو تسارع الجاذبية، ود هي المسافة بين محور التذبذب و مركز الكتلة للنظام. يتم حساب عزم القصور الذاتي للبدلة نسبة إلى محور التذبذب على أنها الفرق بين I محور القفص وحدي وأنا محور القفص بالإضافة إلى بدلة. ثم يتم استخدام محور نظرية موازية للتعبير عن لحظة القصور الذاتي للبدلة حول محور عرضية من خلال مفصل الركبة.
  7. الجمع بين خصائص بالقصور الذاتي من أطرافهم المتبقية وبدلة لتحديد مجتمعة الشامل، وسط موقف الكتلة النسبية إلى الركبة، وباستخدام نظرية محور مواز تعبير عن لحظة القصور الذاتي للنظام حول محور عرضية من خلال مركز مجتمعة من موقع الشامل .

3. توزيعبدلة الجمود في القدم والساق قطاعات

لتوزيع خصائص بالقصور الذاتي من بدلة والأطراف المتبقية في القدم (القدم الاصطناعية فقط) والجزء عرقوب تم تحديد (مأخذ الاصطناعية، الصرح، والأطراف المتبقية) لديناميات الجزء النمذجة خصائص معكوس بالقصور الذاتي استنادا إلى بيانات من بدلة تفكيكها. كانت الكتلة الاجمالية للأطراف صناعية تفكيك 2.126 كجم، مع كتلة المقبس (بما في ذلك الصرح الشامل) من 1.406 كجم وكتلة سفح 0.72 كجم. وبالتالي، تم تقسيمه 66٪ من مجموع كتلة بدلة إلى المقبس الاصطناعية وتم تقسيمه بنسبة 34٪ في القدم. تم إجراء تحليل الحساسية لتحديد ما أثر ذلك على اللحظة المقدرة القصور الذاتي للبدلة حول مفصل الركبة. واستند هذا التحليل على القياسات التجريبية من الخصائص بالقصور الذاتي من ستة أدناه الاصطناعية في الركبة من مسائل من وآخرون (تم الحصول على البيانات عن طريق الاتصالات الشخصية مع الكتاب) 21. عندما الايجابياتتم تحديد thetic عرقوب القدم والجماهير استنادا ليفا دي 8 (القدم = 24٪؛ عرقوب = 76٪ من مجموع كتلة بدلة)، والتقليل من لحظة الجمود مجموعه من بدلة حول مفصل الركبة بحوالي 5٪ مقارنة الفعلي تقدر قيمة تجريبية باستخدام تقنية التذبذب. باستخدام النسب المئوية على أساس بدلة تفكيك للقدم (34٪) وعرقوب (66٪) الجماهير، والمبالغة في تقدير هذه اللحظة مجموعه الجمود حول مفصل الركبة بنحو 2٪ مقارنة مع التدبير التجريبية.

  1. توزيع الشامل بين بدلة القدم الاصطناعية (34٪) ومأخذ (66٪) شرائح على أساس القياسات من أحد أطرافه الاصطناعية تفكيكها.
  2. تم تحديد موقع COM القدم الاصطناعية على أساس معادلات الانحدار لحالها القدم 8. واستندت هذه الخطوة على نتائج تحليلات الحساسية من ميلر 25 و Czerniecki وآخرون 24. يقدر ميلر 25 لحظات مشتركة الناتجة في KNEالبريد باستخدام: أ) القياسات المباشرة للبدلة خصائص بالقصور الذاتي، وب) باستخدام بدلة خصائص بالقصور الذاتي المقدرة من انحدارات المعادلات لساق سليمة والقدم. كان متوسط ​​الفرق بين الركبة ملامح حظة لاثنين من أساليب مختلفة وللموضوعين حوالي 3 N · م. هذا الاختلاف في متوسط ​​حجم بلغت أقل من 2٪ من لحظة الذروة في الركبة خلال الموقف. Czerniecki وآخرون 24 تفكيكها متعددة الأطراف الاصطناعية تحت الركبة والقدم الاصطناعية متوازنة على حد السكين لتحديد موقع COM لها. عندما قورنت هذه النتائج لتقديرات تستند إلى معادلات الانحدار لقدم سليمة، وجدوا أن هناك فارق كبير بين التقديرين.
  3. على الرغم يتم تحديد COM وذلك باستخدام دي 8 انحدارات ليفا في لقدم سليمة والشامل القدم المقدرة من الخطوة 1. يتم التعبير عن وزارة الداخلية من القدم الاصطناعية حول محور عرضية وزارة الداخلية من القدم أيضا نسبة إلى النقيب مفصل الركبةز محور نظرية موازية.
    (6)
    (7)
  4. تم تحديد موقع COM من مأخذ الاصطناعية (CMpros_sock) من خلال الجمع بين تقدير للموقف COM لبدلة بأكمله (CMpros_limb؛ ليس بما في ذلك الطرف خصائص بالقصور الذاتي المتبقية)، وحصل مع تقنية متن رد الفعل، وموقع COM تعيين من الأطراف الصناعية القدم النسبي لمفصل الركبة (CMpros_ft) من الخطوة 3.2. تم تقييد CMpros_sock على الاستلقاء على خط مستقيم بين الركبة والكاحل وكان مصمما على النحو التالي:
    (8)
  5. وزارة الداخلية من القدم الاصطناعية حول محور على الرغم من أن مفصل الركبة وتطرح من القياس التجريبي لوزارة الداخلية من أطراف صناعية كاملة حول مفصل الركبة (Iknee_limb) لتحديد وزارة الداخلية فقط مأخذ الاصطناعيةحول مفصل الركبة (Iknee_sock). ثم تم تطبيق نظرية محور مواز للتعبير عن وزارة الداخلية من مأخذ الاصطناعية حول محور من خلال COM لها (Icm_sock).
    (9)
    (10)
  6. تم الجمع بين خصائص بالقصور الذاتي من أطرافهم المتبقية (الهياكل التشريحية المتبقية تحت الركبة بعد البتر) مع خصائص بالقصور الذاتي من عرقوب بدلة، والتي كانت تستخدم لخصائص بالقصور الذاتي للجزء عرقوب على الجانب الاصطناعية في نموذج ديناميات العكسية.
    (11)
    (12)
    (13)
    (14)

    نص

Representative Results

كانت خصائص بالقصور الذاتي من القاصي الساق الاصطناعية في الركبة أقل من تلك الساق سليمة (الجدول 1). وبلغ متوسط ​​عبر المشاركون، كان كتلة الجانب التعويضية 39٪ أقل، وكانت لحظة من الجمود حول محور عرضية من خلال الركبة 52٪ أقل، وكانت مركزا للموقع الشامل أقرب 24٪ إلى الركبة مقارنة مع قيم الساق سليمة.

موضوع سليمة * الكتلة (كجم) الايجابيات † الكتلة (كجم) مؤسسة. الفرق الشامل (كجم) ‡ Iknee سليمة (كلغ · م 2) الايجابيات Iknee (كلغ · م 2) CM سليمة تحت مفصل الركبة (م) الايجابيات CM أدناه مفصل الركبة (م)
A 6.03 4.27 1.76 0.604 0.325 0.268 0.215
B 6.07 3.39 2.68 0.400 0.196 0.215 0.177
C 5.80 3.12 2.68 0.575 0.194 0.264 0.198
D 5.72 3.17 2.55 0.559 0.317 0.265 0.191
E 7.14 4.65 2.49 0.742 0.325 0.276 0.200
F 6.23 4.22 2.01 0.585 0.287 0.260 0.192
يعني ± STD 6.17 ± 0.51 3.80 ± 0.66 2.36 ± 0.38 0.578 ± 0.109 0.274 ± 0.063 0.258 و# 177؛ 0.022 0.196 ± 0.013

* يشير إلى القيم السليمة للساق سليمة مجتمعة والقدم.
† الايجابيات يشير إلى القيم لبدلة مجتمعة وأطرافهم المتبقية.
‡ لحظة من الجمود حول محور عرضية عن طريق الركبة.

الجدول 1. مقارنة بين خصائص بالقصور الذاتي بين الاطراف الصناعية وسليمة من الركبة إلى أسفل.

تأثرت القوات المشتركة الناتجة (الشكل 3) واللحظات (الشكل 4) في الكاحل والركبة، والورك من قبل المعلمات بالقصور الذاتي المستخدمة في النموذج ديناميات العكسية. على وجه التحديد، تم تخفيض حركية مشتركة أثناء بدء البديل (~ 65٪ من دورة مشية) وإنهاء سوينغ (~ 95٪ من دورة مشية) عندما استخدمت تدابير مباشرة من الجمود بدلة في تقييم ديناميات عكسية مقارنة مع انحدارات يعتمد على التشريح سليمة ( الشكلين 3 و 4). خلال موقف، شوهد عدد من فروق ذات دلالة إحصائية. ولوحظ أكبر حجم تأثير لأي الفرق خلال موقف لالورك anterioposterior القوة المشتركة الناتجة (ES = 0.86). على الرغم من أن هذا الحجم هو تأثير كبير والتي لا تزال تعتبر جزءا من الموقف، وقعت قيمة الذروة لهذا الإجراء خلال موقف محطة (~ 52٪)، أو كما أطرافهم تم الانتقال إلى البديل. أحجام تأثير لجميع significa أخرىوتراوحت الخلافات الإقليم الشمالي لوحظ خلال موقف 0،01-0،41، والتي سينظر آثار صغيرة مع أكبر من هذه القيم التي لوحظت في الورك الناتجة قوات الرد المشتركة. على الرغم من أن وجدت اختلافات كبيرة خلال الموقف، وهذه الاختلافات عند النظر من حيث حجم الفرق (أي أحجام التأثير) قد يؤدي إلى التشكيك في مغزى هذه الاختلافات.

الرقم 3
الرقم 3. قوات الرد المشتركة الناتجة من الكاحل والركبة، والورك في anterioposterior (لوحات اليسار) والاتجاهات العمودية (لوحات اليمين). وبلغ متوسط ​​البيانات عبر موضوعات للعرض. المرحلة يبدأ في موقف 0٪ من دورة مشية مع اتصال القدم وينتهي في حوالي 60٪ من دورة مشية مع اصبع القدم حالا. تواصل التأرجح حتى الاتصال القدم المقبل من رانه نفس الساق في 100٪ من دورة المشي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 4
الشكل 4. حظات المشتركة الناتجة عن المحور العرضي (الملقب، المحور الناصف الوحشي) من خلال الكاحل، الركبة، والورك. وبلغ متوسط ​​البيانات عبر موضوعات للعرض. المرحلة يبدأ في موقف 0٪ من دورة مشية مع اتصال القدم وينتهي في حوالي 60٪ من دورة مشية مع اصبع القدم حالا. تواصل التأرجح حتى الاتصال القدم المقبل من نفس الساق في 100٪ من دورة المشي.

الجدول 2
الجدول 2. الذروة رد فعل مشترك الناتجةوبلغ متوسط ​​القوات حظات عبر الموضوعات ومقارنات إحصائية بين النموذجين بالقصور الذاتي للحركية مشتركة الجانب الاصطناعية في ملاحظات: يتم عرض البيانات كما يعني متوسط ​​(SD). يمثل العمود٪ مشية دورة متوسط ​​النسبة المئوية في الموضوعات التي وقع فيها قيمة الذروة لهذا المتغير. ف <.05 تعتبر كبيرة.

Discussion

قدمت تقنية متن التذبذب ورد فعل لتقدير خصائص بالقصور الذاتي من الأطراف الاصطناعية تحت الركبة. تم التحقق من صحة هذا النظام وثبت أن تكون موثوقة عند تقدير خصائص بالقصور الذاتي من المواد الصلبة الهندسية المعروفة (الملحق أ). وقدرت بدلة أطرافهم خصائص بالقصور الذاتي لمجموعة من جانب واحد، مبتوري الأطراف transtibial بطريقتين: أ) بواسطة القياس المباشر باستخدام تقنيات التذبذب ومجلس التفاعل، وب) باستخدام معادلات التنبؤ القياسية خلقت لأطرافه سليمة. وكانت تقديرات الناتج الملكية بالقصور الذاتي للأطراف صناعية مختلفة إلى حد كبير عن النهجين. أدى هذا الاختلاف في خصائص بالقصور الذاتي في تقديرات مختلفة إلى حد كبير من حركية مشتركة أثناء المشي، مع وجود اختلافات كبيرة يجري لوحظ خلال سوينغ.

على الرغم من اختلافات كبيرة في حركية مشتركة وقعت خلال الموقف باستخدام اثنين من مختلف تقديرات المعلمة بالقصور الذاتي، وكانت هذه الفروق لياليمول عند النظر في الآثار الأحجام لهذه الخلافات والاختلافات بالمقارنة مع وحظ خلال سوينغ. في معظم الدراسات من حركة الإنسان، وهذه فروق ذات دلالة إحصائية خلال الموقف قد لا يكون لها تأثير على نتائج في الدراسة. قوات رد فعل الارض يكون لها تأثير كبير على مقادير أقل من لحظة الشاملة المفاصل أقصى خلال مرحلة موقف من المشي. 17-19 على الرغم من وجود فروق ذات دلالة إحصائية في معلمات بالقصور الذاتي لكلا النموذجين، وكانت هذه الفروق ليست كافية للتغلب على أهمية الأرض قوة الرد مساهمة لإنتاج حظة مشتركة خلال الموقف. ميلر 25 كما اقترح في وقت سابق ان خصائص بالقصور الذاتي من جانب الأطراف الاصطناعية لم يكن لها أثر يذكر على مقادير أقل من حركية مشتركة أقصى خلال المرحلة موقف التوالي. ومع ذلك، ميلر 25 استغرق فقط في الاعتبار الاختلافات في كتلة ووسط الموقع الشامل للطرف عند تغيير المواليةأطرافهم sthetic في خصائص بالقصور الذاتي لنموذج ديناميات العكسية. لم تسجل فروق في لحظة من الجمود في النموذج، ولكن أشير إلى أنه حتى لو تمت مضاعفة لحظة من الجمود أو النصف فإنه من المرجح أن يكون لها أثر يذكر على حجم حظة المشتركة. شكلت المدى Iα في معادلة الحركة لأقل من 3٪ من لحظة مشتركة الشاملة في أي لحظة معينة خلال المرحلة موقف التوالي. بالأرقام المطلقة، لوحظ أن أكبر تغيير في حجم حظة لدراستنا في لحظة مفصل الورك في ~ 11٪ من دورة مشية حيث كان متوسط ​​زيادة حجم ~ 2 N · م. كان هذا تقريبا نصف حجم الزيادة التي تمت ملاحظتها بواسطة ميلر 25 خلال المرحلة موقف التوالي. نتائجنا جنبا إلى جنب مع تلك التي تشير إلى أن ميلر تدابير مباشرة لبدلة الجمود، بما في ذلك لحظة الجمود، ليس لها سوى تأثير ضئيل أو لا تذكر على مقادير حظة مشتركة في الورك والركبة خلال stancالمرحلة (ه) من المشي أو الجري.

فيما يتعلق مرحلة التحول من المشي، واختيار نموذج بالقصور الذاتي لا يكون لها تأثير كبير على مقادير أقل من حركية مشتركة أقصى. أثناء التأرجح، وليس هناك قوة خارجية كبيرة، مثل قوة رد فعل الارض خلال الموقف. حركة أطرافهم أكثر اعتمادا بكثير على الجمود في النظام والتفاعلات بين القطاعات. وقد انعكس ذلك من خلال التغيرات الكبيرة في مقادير الحركية مشتركة لوحظ عندما استخدمت اثنين من نماذج مختلفة بالقصور الذاتي في تحليل ديناميات العكسية. باستخدام معادلات الانحدار على أساس التشريح سليمة لنموذج أطرافهم الاصطناعية أثناء التأرجح، واقترح أن هناك حاجة إلى جهد عضلي أكبر مما كانت عليه عندما كانت تستخدم الخصائص المقاسة بالقصور الذاتي الفعلي للبدلة.

تقنية وصفها في هذه الورقة لقياس مباشرة خصائص بالقصور الذاتي من بدلة تحت الركبة لديها العديد من القيود. وصفناها طرق لأدلى الثانية القياسات الملكية الجمود في الساقين فقط ليحلل المستوى السهمي. وتشمل التحسينات على هذا النظام خلق بنية القفص الداخلية التي يمكن تعليقها من ثلاثة محاور مختلفة بحيث يمكن قياس كل اللحظات الرئيسية الثلاثة من الجمود. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام هذه التقنية لوحة رد فعل لجميع الطائرات الثلاث لقياس موقع ثلاثية الأبعاد من مركز بدلة الكتلة. أن التحسن أخرى التي يمكن أن تجعل تقديرات العضو المتبقي الشامل قليلا أكثر دقة يكون لاستخدام تقييم الحجمي كما وصفها Czerniecki وزملاؤه 24 حيث علق العضو المتبقي في اسطوانة من الماء لتقدير حجمه في حين أن كثافة الأنسجة هي موحدة تطبيق لتقدير كتلة أطرافهم و. بالإضافة إلى ذلك، بدلا من استخدام نسبة يفترض أن توزيع مجموع كتلة بدلة بين مأخذ الاصطناعية والقدم، يمكن المفككة كل بدلة في الكاحل بحيث أن كل عنصر يمكن أن يكون weigheد مستقل. قيود أخرى من أسلوبنا هو أنه لا يتطلب بعض الوقت الإضافي خلال جلسة تجريبية. بشكل عام، وذلك باستخدام تقنية لدينا لقياس مباشرة الجمود بدلة من المرجح أن إضافة 30 دقيقة إلى الساعة الكلي اللازم لدورة جمع البيانات.

لأن لدينا عينة صغيرة من تحت الركبة الاصطناعية مع تصاميم مماثلة (أي قفل ودبوس المعلقات واستجابة مرنة ديناميكية قدم الاصطناعية)، وضع توصيات محددة لتقدير خصائص بالقصور الذاتي من دون الركبة الاطراف الصناعية بنسب بسيطة اعتبارا من خصائص سليمة أطرافهم الجمود هو إشكالية . ومع ذلك، والجمع بين نتائجنا مع تقديرات بالقصور الذاتي للالاصطناعية تحت الركبة من دراسات أخرى 20،21،23 ومقارنة هذه النتائج إلى الجمود تقديرات لأطرافه سليمة، وبعض الاتجاهات متسقة تصبح واضحة. بالمقارنة مع أطرافه سليمة، كتلة من الجانب الاصطناعية باستمرار 30-40٪ أقل، موقع COM هو 25-35٪ جالخاسر لمفصل الركبة، وزارة الداخلية هو 50-60٪ أقل عن محور عرضية من خلال مفصل الركبة.

في الختام، سوف باستخدام معادلات الانحدار لساق سليمة وقدم لنموذج خصائص بالقصور الذاتي من بدلة تحت الركبة تؤثر على مقادير من التقديرات الحركية المشتركة خلال سوينغ، ولكن لن يكون لها سوى تأثير ضئيل أو أدنى على هذه المقادير خلال الموقف. وبالتالي، للتركيز فقط على الباحثين المرحلة موقف للتنقل باستخدام خصائص بالقصور الذاتي من طرف سليمة لنموذج الجانب التعويضية لن يغير من المرجح استنتاجات الدراسة. ومع ذلك، بالنسبة لأولئك المهتمين في حركية مرحلة التأرجح، وينبغي النظر في اتخاذ تدابير مباشرة لبدلة خصائص بالقصور الذاتي لتجنب تشويه ديناميات الحقيقية للأطراف الاصطناعية أرجوحة الساق.

التذييل ألف

موثوقية وصلاحية لحظة من الجمود ومركز التقديرات قداس

لتقييم موثوقية وصحةذ من القياسات التجريبية لدينا من بدلة لحظة من الجمود ووسط الموقع الشامل، أجريت تجربتين بسيطة. في التجربة الأولى، وقدرت لحظات من الجمود ووسط مواقع كتلة من أربعة أشياء تجريبيا في ثلاث محاكمات منفصلة. كانت الكائنات الأربعة: 1) 9 × 9 × 61 سم كتلة من الخشب المعالجة (الكتلة = 2.8 كجم)، 2) 9 × 9 × 64 سم كتلة من الخشب غير المعالجة (الكتلة = 2.5 كجم)، 3) 7 × 9 × 65 سم كتلة من الخشب غير المعالجة (الكتلة = 1.8 كجم)، و 4) قطعة 61 سم طويلة من الأنابيب البلاستيكية مع وداخل القطر 8 سم وقطرها خارج 9 سم (0.8 كجم = الشامل). تم استخدام تقنية التذبذب 12 لتقدير حظة كل كائن من الجمود حول محور عرضية من خلال كتلته المركز. عندما تتأرجح كائن حول محور ثابت، فترة التذبذب (τ) للكائن يتناسب حظة الكائن من الجمود حول هذا المحور الثابت. إذا كانت السعة التذبذب هو أقل من 5 ° النسبي لموقف محايد،لحظة القصور الذاتي للجسم ويمكن تقدير يستند إلى حركة البندول البسيط:

المعادلة A1 (A.1)

حيث كنت أكسيس هي لحظة من الجمود النسبي لمحور التذبذب، m هو كتلة من النظام، ز هو تسارع الجاذبية، ود هي المسافة بين محور التذبذب ومركز الكتلة للنظام.

تم استخدام تقنية تفاعل المجلس لتقدير مركز كل كائن من موقع الشامل. وكان من المفترض توازن ثابت (لحظات Σ = 0) واللحظات التي تنتجها وزن الجسم، وقد لخص الوزن من الإطار، وقوة رد فعل حول محور المرجعية الثابتة. لحظة من الجمود ووسط موقع كتلة كل جسم وأيضا تقدر على أساس معادلات هندسية بسيطة. وتمت مقارنة لدينا تدابير تجريبية لهذه estimatio هندسيةنانوثانية لتقييم الصلاحية. تم تقييم موثوقية تقديراتنا للمركز موقع الشامل وعزم القصور الذاتي باستخدام اثنين (واحد لتقدير COM واحدة لتقدير وزارة الداخلية)، واحد عامل النموذج الخطي العام ANOVAs، مع 3 التدابير المتكررة التي تعكس التجارب الثلاث. تم حساب معاملات الارتباط Intraclass (ICCS) أيضا لتحديد التكرار من تقديراتنا.

في التجربة الثانية، قمنا بتقييم مدى موثوقية فترتنا من التذبذب (τ) القياس. وقد تم قياس τ لمدة 10 محاكمات متتالية فقط مع هيكل من الألومنيوم مع وقف التنفيذ من محور التذبذب و 10 محاكمات متتالية مع كتلة خشبية (الكتلة = 2.8 كجم، أبعاد = 9 × 9 × 61 سم) مضمونة في إطار من الألومنيوم وعلقت على حد سواء من محور التذبذب. خلال كل محاكمة، وقد تم قياس τ لمدة 10 التذبذبات متتالية باستخدام خلية ضوئية الذي يعتمد على شدة الضوء المنعكس الجهد تختلف الإخراج. كان موثوقية القياس لدينا τ لssessed باستخدام أربعة، عامل واحد النموذج الخطي العام ANOVAs، مع 10 تدابير المتكررة. واستخدمت اثنين (واحد لإطار المحاكمات فقط، واحدة للكتلة الإطار + تجارب) ANOVAs لتحديد ما إذا τ تختلف بين التذبذبات متتالية (أي كان مصفوفة بيانات الإعداد بحيث كان العامل فترات متتالية من التذبذب خلال المحاكمة معين). ثم تم استدارة مصفوفات البيانات بنسبة 90 درجة بحيث كان العامل محاكمات متتالية، وكانت تستخدم اثنين من أكثر ANOVAs لتحديد ما إذا اختلف τ عبر محاكمات متتالية. تم حساب معاملات الارتباط Intraclass (ICCS) أيضا لتحديد التكرار قياساتنا.

نتائج التجربة 1 - أربعة كائنات

وقد بالغت حظة كل كائن من الجمود حول محور عرضية من خلال مركز كتلته (I_obj_cm) باستمرار (بواسطة ~ 5٪ للكتل خشبية و~ 12٪ لأنابيب PVC) بالمقارنة مع التقديرات على أساس كل objectR17، ق الشامل والهندسة (عز) (الجدول 3). تقديرات لدينا، ومع ذلك، كانت موثوقة للغاية. لم يكن هناك فرق في لحظة من الجمود يعني (F = 2،6 0.154، P = 0.861) لأربعة كائنات عبر المحاكمات الثلاث. بالإضافة إلى ذلك، كشفت ICCS التي عبر التجارب كان لدينا لحظة من الجمود تقدير تكرار للغاية (ICC = 1.00). وبالتالي، على الرغم من تقديرنا تميل إلى المبالغة في تقدير حظة الكائن من الجمود مقارنة بالتقديرات هندسية كانت تقديراتنا موثوق بها.

كان لدينا مركز لتقدير موقع الشامل باستخدام تقنية تفاعل المجلس بما يتفق مع التقديرات على أساس افتراض كثافة موحدة ونموذجا هندسية. وكانت الخلافات أقل من 1٪. لم يكن هناك اختلاف في مركز متوسط ​​الموقع الشامل (F = 2،6 1.126، P = 0.384) لأربعة كائنات عبر المحاكمات الثلاث. بالإضافة إلى ذلك، كشفت ICCS التي عبر التجارب كان مركزنا التقدير الشامل تكرار للغاية (ICC> 0.99). وبالتالي،كانت مركزنا لتقديرات الشامل صحيحة وموثوقة.

الجدول 3
. الجدول 3 لدينا تقديرات تجريبية لحظات من الجمود ومركز من المواقع الشامل للكائنات الأربعة مقارنة مع تقديرات على أساس كتلة وهندسة كل كائن انقر هنا للحصول موسع للرأي من الجدول. تعريفات المتغير: mframe = كتلة الإطار الألومنيوم؛ mobject = كتلة الجسم؛ t_frame = الفترة من التذبذب الإطار فقط؛ وتم تحديد الفترة من التذبذب كما يعني من 10 التذبذبات متتالية وعبر ثلاث تجارب متتالية. t_object = الفترة من التذبذب من الإطار والاعتراض معا؛ تحديد نفس t_frame؛ I_Frame_osc = أنا من الإطار نسبة إلى محور التذبذب؛I_Frame_obj_osc = أنا من الإطار بالإضافة إلى كائن نسبة إلى محور التذبذب؛ I_obj_osc = أنا من كائن نسبة إلى محور التذبذب؛ I_obj_cm = أنا الكائن حول محور من خلال مركز الكائن الكتلة؛ عز = التنبؤ النظري من أنا حول CM الكائن باستخدام معادلات التنبؤ هندسية التالية:
PVC: ؛ حيث كان نصف قطرها R الخارجي، كانت ص نصف قطرها الداخلي، وكان طول ح
الخشب: ؛ حيث هو طول وب هو كان من المتوقع عرض موقع CM هندسية إلى 50٪ من طول الجسم.

نتائج التجربة 2 - حقبة التذبذب (τ) تقييم

عندما علقت على هيكل من الألومنيوم وحده من محور التذبذب وتأرجح، τ باستمرار وبصورة منتظمة انخفضت (F = 9،81 123.25؛ ع <0.001) على مدى 10 oscil الأولىالنتهاكات بنحو 6 ميللي ثانية في جميع المحاكمات التذبذب 10 (الشكل 5؛ اللوحة اليسرى). عبر التجارب، تم العثور على فترة من التذبذب يعني أيضا أن هناك اختلاف كبير (F = 9،81 13.97؛ ع <0.001) عندما تأرجحت فقط الإطار. ومع ذلك، كشفت ICCS أنه في غضون محاكمة معينة كان الانخفاض المنتظم في τ خلال التذبذبات 10 أول تكرار (ICC = 0.99). عندما تتأرجح الإطار وكتلة خشبية (م = 2797 ز) معا، لم τ لا تتغير مع مرور التذبذبات 10 الأولى (F = 9،81 3.031، P = 0.116) وτ فإن متوسط ​​في 10 محاكمات متتالية لا تختلف كثيرا ( F = 9،81 3.533، P = 0.093) (الشكل 5؛ اللوحة اليمنى). ICCS للإطار كائن زائد التجارب تشير إلى أنه في غضون τ المحاكمة نظرا ليست للتكرار من التذبذب إلى التذبذب (ICC = 0.17). وتشير هذه البيانات إلى أن للإطار ويقدر فقط محاكمات τ أفضل كوسيلة من التذبذب الأول في سلسلة من ثلاثي المرض وأنه عندما تأرجحت كائن مع خصائص مماثلة لتلك التي من بدلة تحت الركبة، ويقدر τ أفضل كما يعني التذبذبات عبر متتالية وعبر عدد من المحاكمات.

الرقم 5
الرقم 5. الفترة من التذبذب قياس ل(A) هيكل من الألومنيوم فقط و (ب) الإطار وكتلة خشبية (كتلة كتلة = 2.8 كجم، أبعاد كتلة = 9 × 9 × 61 سم). يظهر كل لوحة 10 محاكمات منفصلة مع أول 10 عرض التذبذبات كل محاكمة. فقط مع الإطار علقت من محور التذبذب (اللوحة اليسرى)، وانخفضت τ منهجي خلال التذبذبات 10 الأولى. ومع ذلك، عندما تمت إضافة كتلة خشبية إلى الإطار، τ لم تختلف بشكل منهجي عبر التذبذبات 10 الأولى (اللوحة اليمنى).

حساسية لحظة من الجمود لفترة من التذبذب

ر "> لأن النتائج من التجربة 1 تشير المبالغة في تقدير تقديراتنا للحظة كائن من الجمود باستمرار والنتائج من تجربة 2 تشير إلى أن τ الإطار النقصان خلال التذبذبات 10 الأولى، أجرينا تحليل الحساسية لتحديد أفضل طريقة لقياس . τ عن الإطار فقط المحاكمات والإطار بالإضافة إلى التجارب كائن (جدول 4) τ يتناسب طرديا مع لحظة القصور الذاتي للجسم:

المعادلة A2 (A.2)

حيث كنت أكسيس هي لحظة من الجمود النسبي لمحور التذبذب، m هو كتلة من النظام، ز هو تسارع الجاذبية، ود هي المسافة بين محور التذبذب ومركز الكتلة للنظام. لذلك، إذا يقلل τ، حتى ذلك الحين لا أنا محور لم، ز، د وثوابت في محاكمة معينة. وبما أننا استيتتزاوج لحظة القصور الذاتي للكائن على النحو التالي:

أنا الكائنات = أنا + الإطار الكائنات - إذا رامي (A.3)

والتقليل من شأن لحظة من الجمود من الإطار (الإطار الأول) إنتاج لحظة أكبر من التقدير الجمود لكائن (أنا الكائنات)، وهو ما يتسق مع تقديرات لدينا في التجربة 1. الشكل 6 يعرض τ من التجربة 1 لكل من الإطار فقط التجارب والإطار بالإضافة إلى التجارب كائن لكائن أخف وأثقل الكائن. ويوضح هذا الرقم أن للكائنات أثقل (مثل الركبة بدلة أدناه) عدم وجود انخفاض واضح في τ خلال التذبذبات 10 الأولى، ولكن للكائنات أخف وزنا وجود انخفاض طفيف في منهجية τ.

الجدول 4
الجدول 4. مقارنةوكان أربعة أساليب مختلفة لتحديد فترة التذبذب. الكائن المستخدمة في هذا التحليل سم كتلة 9 × 9 × 61 من الخشب المعالجة. حالة C أنتجت أفضل تقدير للحظة الكائن من الجمود بالمقارنة مع تقدير النظرية البديلة على أساس الشامل للكائن والهندسة. اضغط هنا للحصول على موسع للرأي من الجدول. ملاحظات: تعريفات المتغير هي نفس الجدول 3 الحالة. حسبت t_frame وt_object كفترة متوسط ​​التذبذب من 10 التذبذبات متتالية عبر 3 محاكمات الحالة B: A. حسبت t_frame وt_object مثل متوسط ​​الفترة الأولى من التذبذب في 3 محاكمات منفصلة الحالة C: كما تم تحديد t_frame في حالة باء؛ تم تحديد t_object كما في حالة A. D حالة: تم تحديد t_frame كما هو الحال فيحالة A؛ تم تحديد t_object كما في حالة B.

الرقم 6
الرقم 6. فترات التذبذب للوالأخف وزنا أثقل الكائنات. عرض لوحات ترك فترات ال 10 الاولى من التذبذب في ثلاث محاكمات للإطار فقط، وعرض لوحات اليمين الشيء نفسه بالنسبة للإطار زائد المحاكمات الكائن. كما هو الحال في التجربة 2، وجود انخفاض في منهجية τ خلال التذبذبات 10 الأولى عندما تأرجحت فقط الإطار. عندما تأرجحت جسم ثقيل (م = 2.797 كجم)، لم يكن هناك انخفاض في منهجية τ. ومع ذلك، لوحظ وجود انخفاض طفيف في τ عندما تأرجحت الكائن ضوء (م = 0.716 كجم). وقد تم الإبلاغ عن نموذجي بدلة تحت الركبة الشامل لتتراوح 1،2-2،1 كجم 20،21. وبالتالي، حتى بالنسبة للأطراف اصطناعية أخف الوزن، ويجب أن لا τتظهر انخفاضا كبيرا خلال التذبذبات 10 الأولى.

استنتاج

عندما تأرجحت هيكل من الألومنيوم وحده، وسيتم تحديد فترة التذبذب كما يعني من التذبذب الأولى من التجارب 10 التذبذب. عندما تأرجحت هيكل من الألومنيوم وبدلة، وسيتم تحديد فترة التذبذب كما يعني من 30 التذبذبات (3 المحاكمات، 10 التذبذبات متتالية داخل كل محاكمة).

Disclosures

يعلن الكتاب أنه ليس لديهم مصالح مالية المتنافسة.

Acknowledgments

وقدمت تمويلا من الجمعيات الأمريكية والدولية من الميكانيكا الحيوية لهذه الدراسة.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Oscillation Rack & Reaction Board Custom Built Outer cage made from 80/20 aluminum, inner cage from various thicknesses of solid of aluminum.
Laboratory scale
NI LabView National Instruments Software for recording TTL pulses from infrared photocell.
BNC-1050 National Instruments BNC Breakout box with direct pin connections to the data acquisition card.
MATLAB Mathworks Inc. Software for processing oscillation and reaction board data to predict inertial properties of prosthesis.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Chandler, R. F., Clauser, C. E., McConville, J. T., Reynolds, H. M., Young, S. W. Investigation of the inertial properties of the human body. Pamphlets DOT HS-801 430 and AMRL. , (1975).
  2. Clauser, C. E., McConville, J. T., Young, J. W. Weight, Volume, and Center of Mass of Segments of the Human Body. AMRL Technical Report. , 60-70 (1969).
  3. Dempster, W. Space requirements of the seated operator. , 55-159 (1955).
  4. Hinrichs, R. N., et al. Regression equations to predict segmental moments of inertia from anthropometric measurements: an extension of the data of Chandler et. J Biomech. 18, 621-624 (1985).
  5. Hinrichs, R. N., et al. Adjustments to the segment center of mass proportions of Clauser et al. J Biomech. 23, 949-951 (1990).
  6. Hanavan Jr, E. P. A mathematical model of the human body Amrl-Tr-64-102. AMRL Technical Report. 18, 1-149 (1964).
  7. Hatze, H. A mathematical model for the computational determination of parameter values of anthropomorphic segments. J Biomech. 13, 833-843 (1980).
  8. Leva, P. Adjustments to Zatsiorsky-Seluyanov's segment inertia parameters. J Biomech. 29, 1223-1230 (1996).
  9. Durkin, J. L., Dowling, J. J. Analysis of body segment parameter differences between four human populations and the estimation errors of four popular mathematical models. J Biomech Eng. 125, 515-522 (2003).
  10. Durkin, J. L., Dowling, J. J., Andrews, D. M. The measurement of body segment inertial parameters using dual energy X-ray absorptiometry. J Biomech. 35, 1575-1580 (2002).
  11. Jensen, R. K. Estimation of the biomechanical properties of three body types using a photogrammetric method. J Biomech. 11, 349-358 (1978).
  12. Martin, P. E., Mungiole, M., Marzke, M. W., Longhill, J. M. The use of magnetic resonance imaging for measuring segment inertial properties. J Biomech. 22, 367-376 (1989).
  13. Mungiole, M., Martin, P. E. Estimating segment inertial properties: comparison of magnetic resonance imaging with existing methods. J Biomech. 23, 1039-1046 (1990).
  14. Zatsiorsky, V. M., Seluyanov, V. N. The mass and inertia characteristics of the main segments of the human body. Biomechanics VIII-B. , 1152-1159 (1983).
  15. Zatsiorsky, V. M., Seluyanov, V. N. Biomechanics IX-B. Human Kinetics. , (1985).
  16. Challis, J. H. Precision of the Estimation of Human Limb Inertial Parameters. Journal of Applied Biomechanics. 15, 418-428 (1999).
  17. Challis, J. H. Accuracy of Human Limb Moment of Inertia Estimations and Their Influence on Resultant Joint Moments. Journal of Applied Biomechanics. 12, 517-530 (1996).
  18. Challis, J. H., Kerwin, D. G. Quantification of the uncertainties in resultant joint moments computed in a dynamic activity. J Sports Sci. 14, 219-231 (1996).
  19. Hunter, J. P., Marshall, R. N., McNair, P. J. Segment-interaction analysis of the stance limb in sprint running. J Biomech. 37, 1439-1446 (2004).
  20. Lin-Chan, S. J., et al. The effects of added prosthetic mass on physiologic responses and stride frequency during multiple speeds of walking in persons with transtibial amputation. Arch Phys Med Rehabil. 84, 1865-1871 (2003).
  21. Mattes, S. J., Martin, P. E., Royer, T. D. Walking symmetry and energy cost in persons with unilateral transtibial amputations: matching prosthetic and intact limb inertial properties. Arch Phys Med Rehabil. 81, 561-568 (2000).
  22. Smith, J. D., Martin, P. E. Short and longer term changes in amputee walking patterns due to increased prosthesis inertia. J Prosthet Orthot. 23, 114-123 (2011).
  23. Smith, J. D., Martin, P. E. Effects of prosthetic mass distribution on metabolic costs and walking symmetry. J Appl Biomech. 29, 317-328 (2013).
  24. Czerniecki, J. M., Gitter, A., Munro, C. Joint moment and muscle power output characteristics of below knee amputees during running: the influence of energy storing prosthetic feet. J Biomech. 24, 63-75 (1991).
  25. Miller, D. I. Resultant lower extremity joint moments in below-knee amputees during running stance. J Biomech. 20, 529-541 (1987).
  26. Vanicek, N., Strike, S., McNaughton, L., Polman, R. Gait patterns in transtibial amputee fallers vs. non-fallers: Biomechanical differences during level walking. Gait & Posture. 29, 415-420 (2009).
  27. Royer, T., Koenig, M. Joint loading and bone mineral density in persons with unilateral, trans-tibial amputation. Clin Biomech. 20, 1119-1125 (2005).
  28. Underwood, H. A., Tokuno, C. D., Eng, J. J. A comparison of two prosthetic feet on the multi-joint and multi-plane kinetic gait compensations in individuals with a unilateral trans-tibial amputation. Clin Biomech. 19, 609-616 (2004).
  29. Sjodahl, C., Jarnlo, G. B., Soderberg, B., Persson, B. M. Kinematic and kinetic gait analysis in the sagittal plane of trans-femoral amputees before and after special gait re-education. Prosthet Orthot Int. 26, 101-112 (2002).
  30. Bateni, H., Olney, S. Kinematic and kinetic variations of below-knee amputee gait. Journal of Prosthetics and Orthotics. 14, 2-12 (2002).
  31. Buckley, J. G. Biomechanical adaptations of transtibial amputee sprinting in athletes using dedicated prostheses. Clin Biomech. 15, 352-358 (2000).
  32. Yack, H. J., Nielsen, D. H., Shurr, D. G. Kinetic patterns during stair ascent in patients with transtibial amputations using three different prostheses. Journal of Prosthetics and Orthotics. 11, 57-62 (1999).

Tags

الهندسة الحيوية، العدد 87، بدلة الجمود، المبتور تحرك، تحت الركبة بدلة، المبتور transtibial
التذبذب والتفاعل المجلس تقنيات لتقدير خصائص بالقصور الذاتي من تعويضات تحت الركبة
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Smith, J. D., Ferris, A. E., Heise,… More

Smith, J. D., Ferris, A. E., Heise, G. D., Hinrichs, R. N., Martin, P. E. Oscillation and Reaction Board Techniques for Estimating Inertial Properties of a Below-knee Prosthesis. J. Vis. Exp. (87), e50977, doi:10.3791/50977 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter