Summary
Questo articolo introduce una metodologia sperimentale completa su due delle più recenti tecnologie disponibili per misurare la biomeccanica degli arti inferiori degli individui.
Abstract
Le tecniche di analisi biomeccanica sono utili nello studio del movimento umano. Lo scopo di questo studio era quello di introdurre una tecnica per la valutazione biomeccanica degli arti inferiori nei partecipanti sani utilizzando sistemi disponibili in commercio. Sono stati introdotti protocolli separati per l'analisi dell'andatura e i sistemi di test della forza muscolare. Per garantire la massima precisione per la valutazione dell'andatura, occorre prestare attenzione ai posizionamenti dei marcatori e ai tempi di acclimatazione del tapis roulant autogestiti. Allo stesso modo, il posizionamento dei partecipanti, una prova di pratica e l'incoraggiamento verbale sono tre fasi critiche nel test della forza muscolare. L'evidenza attuale suggerisce che la metodologia delineata in questo articolo può essere efficace per la valutazione della biomeccanica degli arti inferiori.
Introduction
La disciplina della biomeccanica coinvolge principalmente lo studio dello stress, della deformazione, dei carichi e del movimento dei sistemi biologici - solidi e fluidi allo stesso modo. Esso comporta anche la modellazione degli effetti meccanici sulla struttura, dimensione, forma e movimento del corpo1. Per molti anni, gli sviluppi in questo campo hanno migliorato la nostra comprensione dell'andatura normale e patologica, della meccanica del controllo neuromuscolare e della meccanica della crescita e della forma2.
L'obiettivo principale di questo articolo è quello di presentare una metodologia completa su due delle più recenti tecnologie disponibili per misurare la biomeccanica degli arti inferiori degli individui. Il sistema di analisi dell'andatura misura e quantifica la biomeccanica dell'andatura utilizzando un tapis roulant autogestito (SP) in combinazione con un ambiente di realtà aumentata, che integra un algoritmo SP per regolare la velocità del tapis roulant, come descritto da Sloot et al3. L'attrezzatura per il test della resistenza muscolare viene utilizzata come valutazione e strumento di trattamento per la riabilitazione dell'estremità superiore4. Questo dispositivo può valutare oggettivamente una varietà di modelli fisiologici di movimento o attività di simulazione del lavoro in modalità isometrica e isotonica. Attualmente è riconosciuto come il gold standard per la misurazione della forza dell'arto superiore5, ma le prove relative specificamente all'arto inferiore rimangono poco chiare. Questo documento spiega il protocollo dettagliato per completare una valutazione dell'andatura e della forza isometrica per l'estremità inferiore.
All'interno dell'analisi biomeccanica, è utile combinare valutazioni delle prestazioni funzionali (come l'analisi dell'andatura) con test specifici delle prestazioni muscolari. Questo perché mentre si può presumere che l'aumento della forza muscolare migliora le prestazioni funzionali, questo potrebbe non essere sempre evidente6. Questa comprensione è necessaria per migliorare la progettazione futura dei protocolli di riabilitazione e delle strategie di ricerca per valutare questi approcci.
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Protocol
Il metodo riportato è stato seguito in uno studio che ha ricevuto l'approvazione etica dal Comitato Etico della Ricerca dell'Università di Bournemouth (riferimento 15005).
1. Partecipanti
- Recluta adulti sani (di età compresa tra 23 e 63 anni, media: S.D.; 42,0 x 13,4, massa corporea 70,4 x 15,3 kg, altezza 175,5 x 9,8 cm; 15 maschi, 15 femmine) per partecipare allo studio. Trenta partecipanti sono stati assunti per questo studio.
- Assicurarsi che non vi sia alcuna storia auto-segnalata di vertigini, problemi di equilibrio o difficoltà di deambulazione nei partecipanti.
- Assicurarsi che i partecipanti non soffrissero di lesioni o condizioni neuromuscolari note che influenzino l'equilibrio o la camminata.
2. Configurazione e procedure per l'analisi dell'andatura
- Utilizzare un sistema di analisi dell'andatura (Figura 1) costituito da un tapis roulant a doppia cinghia, un sistema di motion capture a 10 telecamere e un ambiente virtuale che fornisce un flusso ottico.
- Assicurarsi che il partecipante indossi indumenti non riflettenti molto stretti come pantaloncini da ciclismo o leggings.
- L'utilizzo di nastri adesivi a doppio lato allega 25 marcatori riflettenti passivi e posizionare in base alla configurazione del corpo inferiore del modello umano (HBM)7 come descritto nella tabella 1 e nella figura 2. Le informazioni contenute in questo documento sono tratte dal Manuale di riferimento8 diHBM.
- Utilizzare un righello articolare per prendere le misure delle larghezze richieste del ginocchio e della caviglia per l'HBM6.
- Fissare il partecipante a un cablaggio di sicurezza che è fissato a un telaio in testa.
- Avviare una nuova sessione nel database e assicurarsi che sia attiva (evidenziata).
- Utilizzando la scheda oggetto, creare un nuovo partecipante dal pulsante Scheletro etichettatura.
- Individuare il file 'LowerLimb HBM_N2.vst' e quindi immettere il nome del partecipante. Il nuovo partecipante viene visualizzato nel riquadro Argomenti.
- Passare al riquadro Strumenti e aprire la scheda Preparazione oggetto.
- Livello zero le piastre di forza tramite la scheda Hardware. Assicurarsi che non venga esercitato alcun peso sulle piastre di forza.
- Preparare il partecipante per lo studio ROM facendolo preparare nel mezzo del tapis roulant.
- Per garantire che il partecipante possa abituarsi al tapis roulant autogestito, chiedi loro di camminare a una velocità confortevole per 5 min all'inizio della sessione9,,10.
- Dopo l'acclimatazione e senza alcun tempo di ritardo, chiedere al partecipante di camminare per un minimo di 5 min10,11.
- Assicurarsi che i partecipanti siano accecati dalla tempistica delle registrazioni.
- Assicurarsi di avviare il tapis roulant e avviare le registrazioni dei dati facendo clic sul pulsante Avvia registrazione 12. Questo può essere fatto con il software integrato (Tabella dei materiali).
- Interrompere la registrazione dopo l'acquisizione della quantità di dati desiderata. Si consiglia di raccogliere tre serie di 25 cicli.
- Aprire il software di elaborazione (Tabella dei materiali) e rimuovere il rumore ad alta frequenza sui dati, selezionando un filtro passa-basso ai dati del marcatore, ad esempio un filtro Butterworth di secondo ordine con una frequenza di cut-off di 6 Hz.
- Vai a Filee quindi seleziona Esporta per salvare come .csv.
- Determinare i singoli passi dai dati di forza verticale e utilizzare i marcatori del piede per accertare gli eventi di andatura13.
- Analizzare i parametri dell'andatura, ad esempio i dati cinematici, cinetici e spazio-temporali in Matlab R2017a (File supplementare).
3. Configurazione e procedure per il test della forza muscolare
- Utilizzare l'apparecchiatura di test della forza muscolare (dinamometro multimodale) (Figura 3), per misurare la forza muscolare dei partecipanti in base alla massima contrazione isometrica volontaria (MVIC)14.
- Attaccare l'utensile/pad numero 701 alla testa dell'esercizio del dinamometro.
- Forza muscolare isometrica del partecipante sinistro e del partecipante.
- Prova i partecipanti in posizione seduta su una sedia con schienale.
- Utilizzando l'interruttore su/giù, allineare l'asse del dinamometro con l'asse anatomico di rotazione dell'articolazione del ginocchio. Posizionare il pad dell'utensile centralmente nella parte inferiore dello stinco della tibia.
- Tieni il ginocchio a una flessione di 90 gradi, l'anca in rotazione e rapimento neutro e il piede in flessione plantare.
- Posizionare le mani del partecipante sull'addome e stabilizzare il tronco, i fianchi e la mezza coscia sulla sedia con Velcro cinghie.
- Eseguire una prova di pratica per i partecipanti di abituarsi alla manovra di test.
- Istruire il partecipante ad estendere il ginocchio (esercitare pressione verso l'alto sul pad) seguito da flex (esercitare pressione verso il basso sul pad) per esercitare una massima contrazione sul comando Vai per 3 s.
- Fornire suggerimenti verbali e incoraggiamento ("Push" per verso l'alto e "Tirare" per verso il basso) durante il test di forza.
- Assicurarsi che i partecipanti siano consapevoli di poter interrompere immediatamente il test se sperimentano dolori o disagi insoliti.
- Consentire ai partecipanti di riposare per 2 min.
- Ripetere i passaggi da 3.1 a 3.12, tre volte per la gamba sinistra e la gamba destra e registrare i dati in newton (N).
- Salvare tutti i dati ed esportarli come report per l'analisi.
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Representative Results
La deviazione media e standard dei parametri spaziali-temporali, cinematica e cinetica sono riportate nella tabella 2. I dati MVIC per tutti e 30 i partecipanti sono riassunti nella tabella 3. Un set tipico di dati per il lato sinistro e destro di un partecipante che mostra la rappresentazione grafica dei parametri di andatura è disponibile rispettivamente nella Figura 4 e Figura 5.
I dati presentati sono rappresentativi dei risultati ottenuti in tutti i partecipanti e sono coerenti con i risultati di riferimento del libro di testo ottenuti per il test dell'andatura e della resistenza isometrica15.
Figura 1: Sistema di analisi dell'andatura. Il sistema GRAIL viene utilizzato per misurare i parametri dell'andatura. Questo sistema è costituito da un tapis roulant strumentato a nastro diviso, uno schermo di proiezione semi-cilindrico da 160 gradi, sensori di forza, videocamere e sistema a infrarossi ottico. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Diagramma dei marcatori utilizzati nel modello del corpo umano (HBM). Questa figura mostra i posizionamenti esatti di tutti i marcatori nel modello HBM della parte inferiore del corpo. Particolare attenzione dovrebbe essere dedicata al posizionamento dei marcatori stampati in verde (grassetto nella tabella 1); questi vengono utilizzati durante l'inizializzazione per definire lo scheletro biomeccanico. Questa cifra è adattata dal Manuale di riferimentoHBM 8. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: L'attrezzatura per il test della forza muscolare (dinamometro multimodale) utilizzata per misurare i partecipanti con forza muscolare degli arti inferiori. Questo sistema viene utilizzato per misurare la forza muscolare dei partecipanti sulla base della massima contrazione isometrica volontaria (MVIC). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Un rapporto di esempio prodotto dall'analisi offline della valutazione dell'andatura utilizzando la tecnica proposta. Dati temporali spaziali e ciclo di andatura cinetica e cinetica per il lato sinistro di un partecipante. Ogni linea rappresenta un ciclo di andatura. L'asse Y rappresenta gli angoli articolari in gradi per le trame cinematiche e il momento articolare in newton metro per chilogrammo per le trame cinetiche. Le linee rosse rappresentano i parametri dell'andatura sul lato sinistro. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Un rapporto di esempio prodotto dall'analisi offline della valutazione dell'andatura utilizzando la tecnica proposta. Dati temporali spaziali e ciclo di andatura cinetica e cinetica per il lato destro di un partecipante. Ogni linea rappresenta un ciclo di andatura. L'asse Y rappresenta gli angoli articolari in gradi per i grafici cinematici e il momento articolare in newton meter per chilogrammo per le trame cinetiche. Le linee verdi rappresentano i parametri di andatura a destra. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Etichetta | Posizione anatomica | Descrizione |
| T10 (in titro | T10 (in titro | Sulla decima vertebra toracica |
| Sacr | Osso di Sacrum | Sull'osso sacrale |
| Navata | Ombelico | Sull'ombelico |
| XYPH (informazioni in stato di xio | Processo Xifiope | Xiphiod procces dello sterno |
| STRN | Sterno | Sulla tacca giugulare dello sterno |
| LASIS | Osso pelvico anteriore sinistro | Colonna vertebrale iliaca superiore anteriore sinistra |
| RASIS | Osso pelvico anteriore destro | Colonna vertebrale iliaca superiore anteriore destra |
| LPSIS | Osso pelvico lasciato indietro | Colonna vertebrale iliaca superiore sinistra |
| Il sistema RPSIS | Osso pelvico posteriore destro | Spina iliaca superiore destra |
| LGTRO | Sinistra maggiore trochanter del femore | Al centro della sinistra trochanter maggiore |
| FLTHI | Coscia sinistra | Su 1/3 sulla linea tra LGTRO e LLEK |
| LLEK | Epicondile laterale sinistro del ginocchio | Sul lato laterale dell'asse del giunto |
| LATI | Anteriore sinistro della tibia | Su 2/3 sulla linea tra Il LLEK e LLM |
| Llm | Malleolo laterale sinistro della caviglia | Il centro del malleolo laterale sinistro |
| LHEE | Tallo sinistro | Centro del tallone alla stessa altezza della dicia |
| LTOE | Dito sinistro | Punta dell'alluce |
| LMT5 | 5 a sinistra meta tarsale | Caput del quinto osso meta tarsale, su linea articolare midfoot/toes |
| RGTRO | Destra maggiore trochanter del femore | Al centro del trochanter maggiore a destra |
| FRTHI | Coscia destra | Il 2/3 sulla linea tra RGTRO e RLEK |
| RLEK | Epicondile laterale destro del ginocchio | Sul lato laterale dell'asse del giunto |
| Rati | Anteriore destro della tibia | Su 1/3 sulla linea tra RLEK e RLM |
| Rlm | Malleolo laterale destro della caviglia | Il centro del malleolo laterale destro |
| Rhee | Tallone destro | Centro del tallone alla stessa altezza della toe |
| RTOE | Allie | Punta dell'alluce |
| RMT5 | 5 a destra meta tarsale | Caput del quinto osso meta tarsale, su linea articolare midfoot/toes |
Tabella 1: Marcatori utilizzati nel modello del corpo umano (HBM). Questa tabella mostra i posizionamenti esatti di tutti i marcatori nel modello HBM della parte inferiore del corpo. Particolare attenzione dovrebbe essere prestata al posizionamento dei marcatori scritti in grassetto; questi vengono utilizzati durante l'inizializzazione per definire lo scheletro biomeccanico. Questa tabella è adattata dal Manuale di riferimentoHBM 8.
| Nome variabile | Lato | Significare | Deviazione standard |
| temporale spaziale | |||
| Velocità di marcia (m/s) | 1.37 | 0.22 | |
| Lunghezza passo (m) | Sinistra | 0.72 | 0.07 |
| va bene | 0.73 | 0.07 | |
| Tempo di stride (s) | Sinistra | 1.07 | 0.10 |
| va bene | 1.07 | 0.10 | |
| Tempo di posizione (s) | Sinistra | 0.70 | 0.08 |
| va bene | 0.70 | 0.08 | |
| Tempo di oscillazione (s) | Sinistra | 0.37 | 0.03 |
| va bene | 0.37 | 0.03 | |
| Cinematica | |||
| Hip Flex (deg) | Sinistra | 30.05 | 9.08 |
| va bene | 29.92 | 8.79 | |
| Hip Ext (deg) | Sinistra | -13.26 | 7.75 |
| va bene | -13.36 | 7.68 | |
| Hip Abd (deg) | Sinistra | -7.27 | 3.00 |
| va bene | -7.72 | 3.17 | |
| Anca Add (deg) | Sinistra | 8.66 | 4.22 |
| va bene | 7.81 | 3.72 | |
| Hip Int Rot (deg) | Sinistra | 5.38 | 6.95 |
| va bene | 6.82 | 6.42 | |
| Hip Ext Rot (deg) | Sinistra | -9.04 | 7.03 |
| va bene | -5.77 | 5.97 | |
| Knee Flex (deg) | Sinistra | 67.46 | 5.16 |
| va bene | 68.47 | 4.75 | |
| Ginocchio Ext (deg) | Sinistra | -0.43 | 2.26 |
| va bene | -0.29 | 2.01 | |
| Ankle Flex (deg) | Sinistra | -17.20 | 6.94 |
| va bene | -14.91 | 6.47 | |
| Ankle Ext (deg) | Sinistra | 18.13 | 5.92 |
| va bene | 19.36 | 6.54 | |
| Cinetica | |||
| Picco Hip Ext (Nm/kg) | Sinistra | 0.82 | 0.21 |
| va bene | 0.80 | 0.24 | |
| Picco Hip Abd (Nm/kg) | Sinistra | 0.91 | 0.15 |
| va bene | 0.92 | 0.11 | |
| Picco Hip Int Rot (Nm/kg) | Sinistra | 0.26 | 0.13 |
| va bene | 0.26 | 0.14 | |
| Picco ginocchio Estratto (Nm/kg) | Sinistra | 0.38 | 0.06 |
| va bene | 0.39 | 0.06 | |
| Picco Ankle Flex (Nm/kg) | Sinistra | 1.85 | 0.21 |
| va bene | 1.86 | 0.22 |
Tabella 2: La media e la deviazione standard dei parametri spaziale-temporale, cinetica, dell'andatura cinetica per i 30 partecipanti. I parametri di andatura vengono riportati separatamente per il lato sinistro e il lato destro.
| Nome variabile | Lato | Significare | Deviazione standard |
| Ext del ginocchio | Sinistra | 527.17 | 136.42 |
| va bene | 550.60 | 132.55 | |
| Ginocchio Flex | Sinistra | 191.60 | 38.53 |
| va bene | 203.87 | 47.67 |
Tabella 3: La media e la deviazione standard della contrazione isometrica massima volontaria (MVIC) per l'articolazione del ginocchio utilizzando l'apparecchiatura di test della forza muscolare per i 30 partecipanti.
File supplementare 1: file di codifica Matlab. Fare clic qui per visualizzare questo file (fare clic con il pulsante destro del mouse per scaricare).
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Discussion
Il contributo di questo studio è quello di descrivere in modo accurato e completo all'interno di un protocollo le tecniche per l'analisi combinata dell'andatura e il test della forza muscolare che non sono stati descritti insieme in precedenza.
Per ottenere risultati accurati per l'analisi dell'andatura, ci sono due aree che richiedono la massima attenzione: 1) posizionamenti dei marcatori e 2) tempo di acclimatazione. L'accuratezza dei dati misurati dipende fortemente dall'accuratezza del modello utilizzato. Gli altri fattori chiave che influenzano la precisione includono il movimento errato del marcatore a causa della deformazione superficiale della pelle rispetto alla struttura scheletrica sottostante e la risoluzione del sistema di tracciamento16. Figura 2 Mostra il posizionamento esatto di tutti i marcatori nel modello hbM corpo inferiore. Particolare attenzione dovrebbe essere data al posizionamento dei marcatori stampati in verde; questi vengono utilizzati durante l'inizializzazione per definire lo scheletro biomeccanico. Ai partecipanti è stato chiesto di camminare per almeno 5 min per adattarsi al tapis roulant SP che cammina17,18. La modalità SP è stata scelta per consentire ai partecipanti una variabilità del passo più naturale3. Tuttavia, gli studi hanno dimostrato che la velocità di deambulazione varia di più durante la camminata SP e il disturbo dell'andatura potrebbe verificarsi attraverso l'accelerazione o la decelerazione della cintura3. In linea con altri studi13,19, per ridurre al minimo questo effetto, si consiglia di almeno cinque minuti19 dovrebbero essere consentiti per l'acclimatazione.
Per misurare la forza muscolare dei partecipanti utilizzando l'apparecchiatura di test muscolare, ci sono tre fasi critiche: 1) allineamento dell'articolazione del ginocchio con l'asse del dinamometro, 2) prova di pratica, e 3) incoraggiamento verbale. L'allineamento inappropriato tra il dinamometro e l'asse di rotazione dell'articolazione del ginocchio può introdurre un fattore di confusione accurato valutazione isometrica20. Nel corso dello studio, a tutti i partecipanti sono state fornite istruzioni precise sul sistema prima di partecipare. Tuttavia, un processo di pratica e un incoraggiamento verbale sono due fattori che possono influenzare notevolmente il MVIC14. Molti degli individui che hanno subito il test di forza hanno un'esperienza molto limitata o nessuna esperienza nell'esecuzione di manovre di test della forza. Test di forza è stato generalmente dimostrato di essere affidabile21, ma è stato dimostrato che i punteggi di forza dei partecipanti alle prime armi sono suscettibili di migliorare sui test successivi come diventano più confortevole e familiarità con il test e il sistema22. Incoraggiamento verbale durante i test di esercizio ha dimostrato di migliorare la forza massima23, tasso di sviluppo della forza23, attivazione muscolare 24 , resistenza muscolare25, potenza26, consumo massimo di ossigeno27, e il tempo di esaurimento27,28.25 Pertanto, si consiglia vivamente di adottare questo passaggio.
Nel complesso, i dati qui presentati sono rappresentativi dei risultati di riferimento dei libri di testo per i test di andatura e resistenza isometrica ottenuti su altre apparecchiature. Pertanto, si propone che la metodologia delineata in questo articolo possa essere considerata efficace nella valutazione dell'andatura e della forza muscolare negli individui sani. Ulteriori studi dovrebbero valutare l'affidabilità di questi sistemi prima che vengano utilizzati in applicazioni cliniche.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Ringraziamo il Dr. Johnathan Williams per i suoi consigli sull'elaborazione dei dati MATLAB.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 701 Small lever | Baltimore Therapeutic Equipment Company (BTE) | Not Available - Online link provided in description | The unique attachment designed for the Primus RS to measure Knee Extension/Flexion - https://store.btetech.com/collections/primus/products/701-small-lever |
| D-Flow Software - Vresion 3.26 | Motekforce Link | Not Available - Online link provided in description | Software used to control GRAIL system - https://summitmedsci.co.uk/products/motek-dflow-hbm-software/ |
| Gait Offline Analysis (GOAT) - Version 2.3 | Motekforce Link | Not Available - Online link provided in description | Software used for the analysis of the gait parameters - https://www.motekmedical.com/product/grail/ |
| Gait Real-time Analysis Interactive Lab (GRAIL) | Motekforce Link | Not Available - Online link provided in description | GRAIL system measures and quantifies gait biomechanics by using a virtual reality based self-paced (SP) treadmill - https://www.motekmedical.com/product/grail/ |
| Leg Pad for 701 | Baltimore Therapeutic Equipment Company (BTE) | Not Available - Online link provided in description | The unique attachment designed for the Primus RS to measure Knee Extension/Flexion - https://store.btetech.com/collections/primus/products/701-802-leg-pad |
| Positioning Chair | Baltimore Therapeutic Equipment Company (BTE) | Not Available - Online link provided in description | Participant Positioning Chair is designed for assessment and treatment of the lower exteremeties. The chair is designed for multiple positions. https://www.btetech.com/product/primus/ |
| Primus RS | Baltimore Therapeutic Equipment Company (BTE) | Not Available - Online link provided in description | Primus RS equipment captures and reports real time objective data in Isotonic, Isometric, and Isokinetic resistance modes - https://www.btetech.com/wp-content/uploads/BTE-Rehabilitation-Equipment-PrimusRS-Brochure-1.pdf |
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