Summary
本稿では、個人の下肢バイオメカニクスを測定するために利用可能な最新の2つの技術に関する包括的な実験方法論を紹介する。
Abstract
生体力学的解析技術は、人間の動きの研究に有用である。本研究の目的は、市販のシステムを用いた健康な参加者における下肢生体力学的評価のための技術を導入することであった。歩行分析と筋力検査システムに別々のプロトコルが導入されました。歩行評価の最大精度を確保するためには、マーカー配置とセルフペーストレッドミル順応時間に注意を払う必要があります。同様に、参加者のポジショニング、練習試験、および言葉による励ましは、筋力検査における3つの重要な段階である。現在の証拠は、この記事で概説されている方法論が下肢バイオメカニクスの評価に有効である可能性があることを示唆している。
Introduction
バイオメカニクスの分野は、主に、固体と流体の生物学的システムのストレス、緊張、負荷および運動の研究を含む。また、体の構造、大きさ、形状、動きに対する機械的効果のモデル化も含みます。長年にわたり、この分野の発展は、正常および病理学的歩行、神経筋制御の力学、および成長と形態2の力学に関する我々の理解を改善した。
この記事の主な目的は、個人の下肢バイオメカニクスを測定するために利用可能な最新の技術の2つの包括的な方法論を提示することです。歩行解析システムは、Slootらら3で説明されているように、トレッドミルの速度を調節するSPアルゴリズムを統合する拡張現実環境と組み合わせて自己ペース(SP)トレッドミルを使用して歩行バイオメカニクスを測定し、定量化する。筋力検査装置は上肢リハビリテーションのための評価および処置具として使用される4.この装置は客観的に等角および等張モードの動きまたはジョブシミュレーションの仕事の仕事の仕事のパターンのいろいろな評価できる。現在、上肢強度測定5のゴールドスタンダードとして認識されているが、下肢に特異的に関連する証拠は不明のままである。この論文では、下肢の歩行と等角線強度の評価を完了するための詳細なプロトコルについて説明する。
生体力学的解析では、機能性能の評価(歩行解析など)と筋肉のパフォーマンスの特定のテストを組み合わせることが有用です。これは、筋力の増加が機能的性能を向上させると仮定する一方で、必ずしも明らかではない場合があるためである。この理解は、これらのアプローチを評価するためのリハビリテーションプロトコルと研究戦略の改善された将来の設計のために必要とされる。
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Protocol
報告された方法は、ボーンマス大学研究倫理委員会(参照15005)から倫理的承認を受けた研究で続いた。
1. 参加者
- 研究に参加するために健康な成人(23歳から63歳、平均±S.D.;42.0 ±13.4、体重70.4±15.3kg、身長175.5±9.8cm;15人の男性、15人の女性)を募集する。この研究のために30人の参加者が募集された。
- 参加者のめまい、バランスの問題や歩行困難の自己報告された歴史がないことを確認してください。
- 参加者が既知の神経筋損傷やバランスや歩行に影響を与える状態に苦しんでいないことを確認してください。
2. 歩行分析のセットアップと手順
- 二重ベルト力板計トレッドミル、10カメラモーションキャプチャシステム、および光学流を提供する仮想環境で構成される歩行解析システム(図1)を使用します。
- 参加者がサイクリングショートパンツやレギンスなどの非常にタイトな反射しない服を着ているかどうかを確認します。
- 両面接着テープを使用して、25個のパッシブ反射マーカーを取り付け、表1および図2に詳述した人体モデル(HBM)7の下半身構成に従って配置する。7このドキュメントの情報は、HBM リファレンスマニュアル8から取得します。
- 関節定規を使用して、HBM 6 に必要な膝と足首の幅を測定します。
- オーバーヘッドフレームに固定された安全ハーネスに参加者を固定します。
- データベースで新しいセッションを開始し、アクティブ (強調表示) になっていることを確認します。
- [件名] タブを使用して、[スケルトンのラベリング] ボタンから新しい参加者を作成します。
- '下肢HBM_N2.vst' ファイルを参照し、参加者の名前を入力します。[件名] ペインに新しい参加者が表示されます。
- [ツール] ウィンドウに移動し、[件名の準備] タブを開きます。
- [ハードウェア]タブでフォースプレートをゼロレベルに設定します。
- トロプミルの真ん中で準備をして、ROMトライアルの参加者を準備します。
- 参加者が自ペースのトレッドミルに慣れることができるように、セッション99、10の開始時に5分間快適な速度で歩くように頼みます。
- 順応に続き、遅滞なく、参加者に最低5分10、11,11分歩いてもらう。
- 参加者が録画のタイミングに目がくらんでいるかどうかを確認します。
- トレッドミルを起動し、記録開始ボタン12をクリックしてデータ記録を開始することを確認します。これは統合ソフトウェア(資料一覧)で行うことができます。
- 必要な量のデータを取得した後、記録を停止します。25サイクルの3セットを収集することをお勧めします。
- 処理ソフトウェア(材料表)を開き、6Hzのカットオフ周波数を持つ2次バターワースフィルターなどのマーカーデータにローパスフィルタを選択して、データ上の高周波ノイズを除去します。
- [ファイル]に移動し、[エクスポート] を選択して .csv として保存します。
- 垂直力データから個々の歩幅を決定し、足のマーカーを使用して歩行イベント13を確認します。
- Matlab R2017a (補足ファイル) で運動学、運動および空間時系列データなどの歩行パラメータを解析します。
3. 筋力テストのセットアップと手順
- 最大自主アイソメトリック収縮(MVIC)14に基づいて参加者の筋力を測定するために、筋力試験装置(マルチモーダルダイナ14モメーター)(図3)を使用します。
- 工具/パッド番号701をダイナモメーターエクササイズヘッドに取り付けます。
- 参加者の右と左の膝の等角筋力をテストします。
- 後ろ向きの椅子に座った位置で参加者をテストします。
- アップ/ダウンスイッチを使用して、ダイナモメーターの軸を膝関節の解剖軸の回転軸に合わせます。工具のパッドを脛脛のすねの下部に中央に置きます。
- 膝を90°屈曲、ヒップを中立な回転と拉致、足を足底屈曲に保ちます。
- 参加者の手を腹部に置き、ベルクロストラップで椅子の上にトランク、腰、太ももの真ん中を安定させる。
- テストの操作に慣れるために、参加者のための練習トライアルを実行します。
- 参加者に膝を伸ばすように指示し(パッド上で上向きに圧力をかける)、続いてフレックス(パッド上の下方に圧力をかける)を行い、3 sのコマンドで最大収縮を発揮するように指示します。
- 強度テスト中に口頭での指示と励まし(上向きの「プッシュ」と下向きの「プル」)を提供します。
- 異常な痛みや不快感が発生した場合は、直ちにテストを中止できることを参加者に認識してください。
- 参加者は2分間休ませてください。
- ステップ 3.1 ~ 3.12 を左脚と右脚に対して 3 回繰り返し、データをニュートン (N) に記録します。
- すべてのデータを保存し、分析用のレポートとしてエクスポートします。
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Representative Results
空間的時間的、運動学的、運動的歩行パラメータの平均と標準偏差を表2に示します。30 人の参加者全員の MVIC データを表 3にまとめています。1 人の参加者の左側と右側の一般的なデータ セットは、それぞれ図 4 と図 5に示されています。
提示されたデータは、全参加者にわたって得られた結果を代表するものであり、歩行及び等角強度試験15のために得られた教科書の参考結果と一致している。
図1:歩行分析システムGRAIL システムは、歩行パラメータの測定に使用されます。このシステムは、スプリットベルト計装トレッドミル、160°半円筒投影スクリーン、力センサー、ビデオカメラ、光学赤外線システムで構成されています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図2:人体モデル(HBM)で使用されるマーカーの図。この図は、HBM 下半身モデル内のすべてのマーカーの正確な配置を示しています。緑色で印刷されたマーカーの配置には、特別な注意が払われるべきです(表1では太字)。これらは、バイオメカニカルスケルトンを定義するために初期化中に使用されます。この図は、HBM リファレンスマニュアル8から取り上がっています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図3:参加者の下肢筋力を測定するために使用される筋力試験装置(マルチモーダルダイナモメーター)。このシステムは、最大自主アイソメトリック収縮(MVIC)に基づいて参加者の筋力を測定するために使用されます。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図4:提案された手法を用いた歩行評価のオフライン分析から作成されたサンプルレポート。1 人の参加者の左側の空間的時間データと運動学的および運動的歩行サイクル。各行は、1 つの歩行サイクルを表します。Y 軸は、運動プロットの運動学的プロットの関節角度を表し、運動プロットのニュートン計あたりのジョイントモーメントを 1 キログラムで表します。赤い線は、左側の歩行パラメータを表します。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図5:提案された手法を用いた歩行評価のオフライン分析から作成されたサンプルレポート。1 人の参加者の右側の空間時間データと運動学的および運動的歩行サイクル。各行は、1 つの歩行サイクルを表します。Y 軸は、運動図の関節角度を度単位で表し、運動プロットの場合は 1 キログラム当たりのニュートンメートルのジョイント モーメントを表します。緑の線は、右側の歩行パラメータを表します。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
| ラベル | 解剖学的位置 | 説明 |
| T10 | T10 | 第10回胸椎について |
| サクル | 仙骨 | 仙骨の骨について |
| 身 廊 | へそ | へそについて |
| XYPH | シフォイドプロセス | 胸骨のシフィオド・プロセス |
| ストルン | 胸骨 | 胸骨の頸部ノッチで |
| ラシス | 骨盤骨左前部 | 左前前腸骨棘 |
| ラシス | 骨盤骨右前 | 右前前腸骨棘 |
| LPSIS | 骨盤骨左後ろ | 左後方腸骨棘 |
| RPSIS | 骨盤骨右後ろ | 右後方腸骨棘 |
| LGTRO | 大腿骨の左大トロシャンター | 左大トロシャンターの中央に |
| FLTHI | 左太もも | LGTROとLLEKの間のライン上の1/3で |
| リュク | 膝の左横の叙事詩 | 関節軸の側面 |
| ラティ | 脛脛部の左前部 | LLEK と LLM 間の回線の 2/3 で |
| Llm | 足首の左横部の可膜 | 左横の大門の中心 |
| LHEE | 左かかと | つま先と同じ高さのかかとの中心 |
| LTOE | 左つま先 | 大きなつま先の先端 |
| LMT5 | 左 5 番目のメタ・タルサル | 5番目のメタ歯骨のカプット、関節ライン中足/つま先 |
| RGTRO | 大腿骨の右大トロシャンター | 右大トロシャンターの中央に |
| FRTHI | 右太もも | RGTROとRLEKの間のライン上の2/3で |
| RLEK | 膝の右横の叙事詩 | 関節軸の側面 |
| ラティ | 脛素の右前部 | RLEKとRLMの間のライン上の1/3で |
| Rlm | 足首の右横部の可鍛性 | 右横のモレオラスの中心 |
| 李 | 右かかと | つま先と同じ高さのかかとの中心 |
| RTOE | 右のつま先 | 大きなつま先の先端 |
| RMT5 | 右5番目のメタ・タルサル | 5番目のメタ歯骨のカプット、関節ライン中足/つま先 |
表1:人体モデル(HBM)で用いられるマーカー。次の表は、HBM 下半身モデル内のすべてのマーカーの正確な配置を示しています。太字で書かれたマーカーの配置には、特別な注意が払われるべきです。これらは、バイオメカニカルスケルトンを定義するために初期化中に使用されます。このテーブルは、HBM リファレンスマニュアル8から取り上がっています。
| 変数名 | 側 | 意味 | 標準偏差 |
| 空間的時間 | |||
| 歩行速度(m/s) | 1.37 | 0.22 | |
| ステップの長さ (m) | 左 | 0.72 | 0.07 |
| そうです | 0.73 | 0.07 | |
| ストライドタイム(複数可) | 左 | 1.07 | 0.10 |
| そうです | 1.07 | 0.10 | |
| スタンス時間(複数可) | 左 | 0.70 | 0.08 |
| そうです | 0.70 | 0.08 | |
| スイング時間(複数可) | 左 | 0.37 | 0.03 |
| そうです | 0.37 | 0.03 | |
| キネマティック | |||
| ヒップフレックス(デグ) | 左 | 30.05 | 9.08 |
| そうです | 29.92 | 8.79 | |
| ヒップエクスク (デグ) | 左 | -13.26 | 7.75 |
| そうです | -13.36 | 7.68 | |
| ヒップアブド(デグ) | 左 | -7.27 | 3.00 |
| そうです | -7.72 | 3.17 | |
| ヒップ追加 (デグ) | 左 | 8.66 | 4.22 |
| そうです | 7.81 | 3.72 | |
| ヒップ・イント・ロート (デグ) | 左 | 5.38 | 6.95 |
| そうです | 6.82 | 6.42 | |
| ヒップ・エクスト・ロート (デグ) | 左 | -9.04 | 7.03 |
| そうです | -5.77 | 5.97 | |
| 膝のフレックス(デグ) | 左 | 67.46 | 5.16 |
| そうです | 68.47 | 4.75 | |
| 膝の内線(デグ) | 左 | -0.43 | 2.26 |
| そうです | -0.29 | 2.01 | |
| アンクルフレックス(デグ) | 左 | -17.20 | 6.94 |
| そうです | -14.91 | 6.47 | |
| アンクル・エクスク (デグ) | 左 | 18.13 | 5.92 |
| そうです | 19.36 | 6.54 | |
| 運動 | |||
| ピークヒップエクスト(Nm/kg) | 左 | 0.82 | 0.21 |
| そうです | 0.80 | 0.24 | |
| ピークヒップアブド(Nm/kg) | 左 | 0.91 | 0.15 |
| そうです | 0.92 | 0.11 | |
| ピークヒップイントロット(Nm/kg) | 左 | 0.26 | 0.13 |
| そうです | 0.26 | 0.14 | |
| ピークニーエクスト(Nm/kg) | 左 | 0.38 | 0.06 |
| そうです | 0.39 | 0.06 | |
| ピークアンクルフレックス(Nm/kg) | 左 | 1.85 | 0.21 |
| そうです | 1.86 | 0.22 |
表2:30人の参加者の空間時間的、運動学的、運動的歩行パラメータの平均と標準偏差。歩行パラメータは、左側と右側に対して個別に報告されます。
| 変数名 | 側 | 意味 | 標準偏差 |
| 膝の内線 | 左 | 527.17 | 136.42 |
| そうです | 550.60 | 132.55 | |
| 膝のフレックス | 左 | 191.60 | 38.53 |
| そうです | 203.87 | 47.67 |
表3:30人の参加者の筋力試験装置を用いた膝関節の最大自主等角収縮(MVIC)の平均と標準偏差。
補足ファイル 1: Matlab コーディング ファイル。このファイルを表示するには、ここをクリックしてください (右クリックしてダウンロードしてください)。
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Discussion
この研究の貢献は、これまで一緒に説明されていない歩行分析と筋力検査を組み合わせた技術を1つのプロトコル内で正確かつ包括的に記述することです。
歩行解析の正確な結果を得るためには、最大の注意が必要な領域が2つあります: 1) マーカー配置と 2) 順応時間。測定されたデータの精度は、使用するモデルの精度に大きく依存します。精度に影響を与える他の重要な要因としては、基になる骨格構造に対する表面的な皮膚変形による誤ったマーカーの動き、および追跡システム16の分解能が含まれる。図 2は、HBM 下半身モデル内のすべてのマーカーの正確な配置を示しています。緑色で印刷されたマーカーの配置には、特別な注意が必要です。これらは、バイオメカニカルスケルトンを定義するために初期化中に使用されます。参加者は、SPトレッドミルウォーキング17、18に適応するために、少なくとも5分間歩くように求められました。参加者がより自然なストライド変動を可能にするためにSPモードを選択しました 3.しかし、研究は、歩行速度がSP歩行中により多く変化し、歩行障害がベルト3の加速または減速によって起こり得る。他の研究13,19に沿って、19この効果を最小限に抑えるために、少なくとも5分19を順応に許可することをお勧めします。
筋肉検査装置を用いて参加者の筋力を測定するには、1)ダイナモメーター軸との膝関節のアライメント、2)練習試験、および3)口頭での励ましの3つの重要な段階がある。ダイナモメーターと膝関節の回転軸との間の不適切な位置合わせは、正確な等角評価20を交配する因子を導入する可能性がある。研究を通じて、すべての参加者は参加する前にシステムに関する正確な指導を受けた。しかし、練習試験と言葉による励ましは、MVIC14に大きな影響を与える可能性のある2つの要因です。強度テストを受けた個人の多くは、強度テストの操縦を行う経験が非常に限られているか、または経験がありません。強度試験は一般に信頼性の高い21であることが示されているが、初心者の参加者の強度スコアは、テストとシステム22に慣れ、より快適になり、その後のテストで改善する可能性が高いことが示されている。運動試験中の言葉による励ましは、最大力23、力の発達率23、筋肉活性化24、筋力持久力25、パワー26、最大酸素消費量27、および疲労27、28,28までの時間を増強することが示されている。したがって、この手順を採用することを強くお勧めします。
全体として、ここで示すデータは、他の機器で得られた歩行と等角強度試験のための教科書の参考結果を表しています。したがって、この記事で概説されている方法論は、健康な個人の歩行と筋力の評価に有効であると考えられることが提案されている。さらなる研究は、臨床応用に使用される前に、これらのシステムの信頼性を評価する必要があります。
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Disclosures
著者らは開示するものは何もない。
Acknowledgments
MATLABデータ処理に関するジョナサン・ウィリアムズ博士のアドバイスに感謝します。
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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