Oszillation und Reaktionsvorstands Techniken zur Schätzung Inertial Eigenschaften einer Unterschenkelprothese

Abstract

Der Zweck dieser Studie war zweifach: 1) zeigen eine Technik, die verwendet werden kann, um direkt eine Schätzung der Trägheitseigenschaften einer Unterschenkelprothese, und 2) die Kontrasteffekte der vorgeschlagenen Technik und der Verwendung von intakten Extremität Trägheitseigenschaften gemeinsame kinetische Schätzungen während des Gehens in einseitigen, Unterschenkelamputierte. Eine Schwingungs und Reaktions Board-System wurde validiert und als zuverlässig erwiesen, wenn die Messung Trägheitseigenschaften von bekannten geometrischen Festkörper. Bei direkten Messungen der Trägheitseigenschaften der Prothese wurden in inverse Dynamik Modellierung der unteren Extremität verwendet, verglichen mit Trägheits Schätzungen auf der Grundlage einer intakten Schaft und Fuß, waren gemeinsame Kinetik an der Hüfte und Knie deutlich niedriger während der Schwungphase des Gehens. Unterschiede in der gemeinsamen Kinetik während der Standphase waren jedoch kleiner als die in der Schwung beobachtet. Daher sollten Forscher mit Schwerpunkt auf der Schwungphase des Gehens die Auswirkungen der prosthes betrachtenTrägheit ist Eigentum Schätzungen auf Studienergebnissen. Für Haltung, würde entweder eine der beiden Trägheits Modelle in unserer Studie untersucht, wahrscheinlich ähnliche Ergebnisse mit einer inversen Dynamik Beurteilung führen.

Introduction

Die resultierende Gelenkkräfte und Momente bei der Bewegung zu quantifizieren, wird eine inverse Dynamikmodell des Systems von Interesse erforderlich, wenn mit empirischen Daten. Für untere Extremität Biomechanik, inverse Dynamikmodelle stellen in der Regel den Fuß, Schaft und Oberschenkel als starre Körper. Eingang für diese Modelle stammen aus drei Hauptquellen: a) Bewegungskinematik, b) Bodenreaktionskräfte, und c) Segment Anthropometrie und Trägheitseigenschaften. Bewegungsdaten mit einer Vielzahl von Bewegungsanalysesystemen gesammelt, aber alle Systeme im wesentlichen die Grund Kinematik der Bewegung (Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung). Bodenreaktionskräfte sind mit einer Kraftmessplatte gesammelt und bieten die an den Füßen wirkenden Kontaktkräfte. Anthropometrie sind Messungen direkt aus dem Körper mit Herrschern, flexible Bänder und / oder Bremssättel gemacht. Die anthropometrischen Messungen verwendet werden, um die Trägheitseigenschaften der Körpersegmente im umgekehrten dynamisch verwendet schätzencs-Analysen. Trägheitseigenschaften umfassen die Masse, Schwerpunkt (COM) Lage und Trägheitsmoment (MOI) des Segments relativ zu einer Achse durch das Segment COM oder dem proximalen oder distalen Gelenk. Methoden und Geräte zum Sammeln Bewegung und Bodenreaktionskraft-Daten verwendet werden, sind ähnlich unter den Forschungsgruppen, aber Trägheits Schätzungen der Körpersegmente kann weit unter den Forschern je nachdem, welche Methode der Forscher wählt für die Schätzung dieser Trägheitseigenschaften variieren.

Verschiedene Techniken zur Schätzung der Trägheitseigenschaften eines voll intakten menschlichen Körpersegment verfügbar sind: 1) Regressionsgleichungen, basierend auf Daten kadaver ^1-5, 2) mathematische Modelle (dh geometrische Modelle) ^6,7, und 3) Scannen und Imaging-Techniken ^15.08. Viele dieser Techniken erfordern die direkte Messung von dem Körper, aber es wurde zuvor gezeigt, dass unabhängig von der Schätzverfahren verwendet werden, die Genauigkeit der Körpersegmentement Trägheits Schätzungen auf der Grundlage dieser Methoden ist hoch ^16. Es ist auch gezeigt worden, daß Fehler in den Schätzungen der Trägheitseigenschaften von intakten Körpersegmente haben minimale Auswirkungen auf die Größen der resultierenden gemeinsamen Momenten während des Gehens ^17,18. Gemeinsame Momente werden in einem größeren Ausmaß von Bodenreaktionskräfte, Druckzentrum Standorten Moment Armlängen und Segment Kinematik ^17-19 beeinflusst. Daher ist es nicht verwunderlich, dass Methoden zur Schätzung Trägheitseigenschaften von Körpersegmente bei der Verwendung von nicht behinderten Personen als Forschungsteilnehmer gegeben, dass kleine Fehler in den Schätzungen sind wahrscheinlich wenig Einfluss auf die Ergebnisse der Studie haben große Unterschiede in der Literatur.

Viele dieser Trägheits Schätzungen für eine völlig intakte Körpersegment sind oft für die Schätzung der Trägheitseigenschaften von Prothesen für die unteren Extremität Amputationen verwendet. Moderne Beinprothesen werden mit leichten Materialien hergestellt resulting in Prothesen, die viel leichter als die Glieder, die sie ersetzen sind. Dies führt zu einer Asymmetrie zwischen dem Trägheits Prothese und intakten Extremität. Verglichen mit einer typischen intakten Schaft und Fuß, der Masse eines Unterschenkelprothese und Restglied ist etwa 35% kleiner ist und eine Massenzentrum liegt etwa 35% näher zum Kniegelenk ^20-23. Die geringere Masse und proximalen Massenverteilung der Prothese erzeugt auch eine viel geringere (~ 60%) Trägheitsmoment relativ zu dem Kniegelenk für die Prothese im Vergleich zu derjenigen der intakten Schaft und Fuß. Obwohl Forscher ^24,25 vorher vorgeschlagen, dass unter Verwendung von intakten Trägheits Schätzungen für die Prothese haben wenig Einfluss auf gemeinsame kinetische Schätzungen, diese Vergleiche auf resultierende gemeinsame Momente während der Standphase des Gehens, wo dominiert die Bodenreaktionskraft den Zeitpunkt der erzeugte konzentriert Gelenk. Während Schaukel, wo Bodenreaktionskräfte nicht vorhanden sind, diereduzierte Trägheitseigenschaften der Prothese eher Schätzungen der resultierende gemeinsame Momente zu beeinflussen. Da einige Forscher zB, ^26-32 nutzen intakten Segment Trägheitseigenschaften zu Prothese Trägheitseigenschaften darstellen und andere z. B. ^21-23 Schätzung Prothese Trägheitseigenschaften direkt, es ist wichtig, die Auswirkungen der für die Schätzung der Trägheitseigenschaften der Prothese gewählten Methoden verstehen . Minimierung der Zeit für die Messung Trägheitseigenschaften der Prothese erforderlich war eine wichtige Überlegung bei der Entwicklung der Technik. In der hier vorgestellten Technik bleibt die Prothese vollständig erhalten für alle Messungen zu Messzeiten reduzieren und vermeiden zusätzliche Male mit der Neuausrichtung der Prothese nach der Messung verbunden.

So ist der Zweck dieser Studie war zweifach: 1) zeigen, eine Technik, um die Trägheitseigenschaften ab schätzen direkt verwendet werden könnenelow-Knieprothese, und 2) die Auswirkungen der Kontrast der vorgeschlagenen Technik und der Verwendung von intakten Gliedmaßen Trägheitseigenschaften gemeinsame kinetische Schätzungen während des Gehens in einseitigen, Unterschenkelamputierte. Es wurde vermutet, dass die gemeinsame kinetische Größen sind größer, wenn Trägheitseigenschaften des intakten Schaft und Fuß sind als die Trägheits Schätzungen für die Prothese im Vergleich zu direkten Messungen der Prothesenträgheitseigenschaften verwendet.

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.