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Medicine

健康参与者的下肢生物力学分析

Published: April 15, 2020 doi: 10.3791/60720

Summary

本文介绍了一种全面的实验方法,对两种可用于测量个体下肢生物力学的最新技术进行了测量。

Abstract

生物力学分析技术在研究人类运动方面非常有用。本研究的目的是在使用商业可用的系统向健康参与者引入下肢生物力学评估技术。为步态分析和肌肉力量测试系统引入了单独的协议。为确保步态评估的最大准确性,应注意标记位置和自定进度的跑步机适应时间。同样,参与者定位、练习试验和言语鼓励是肌肉力量测试的三个关键阶段。目前的证据表明,本文概述的方法可能对下肢生物力学的评估有效。

Introduction

生物力学的学科主要涉及研究压力、应变、载荷和生物系统的运动——固体和流体。它还涉及对车身结构、尺寸、形状和运动的机械效应的建模。多年来,这一领域的发展提高了我们对正常和病理步态、神经肌肉控制机制、生长机制和2型机学的理解。

本文的主要目标是介绍一种综合方法,介绍两种可用于测量个体下肢生物力学的最新技术。步态分析系统测量和量化步态生物力学通过使用自定速 (SP) 跑步机与增强现实环境相结合,该增强现实环境集成了 SP 算法来调节跑步机的速度,如 Sloot 等人3所述。肌肉力量测试设备被用作上肢康复的评估和治疗工具4。该装置可以客观地评估等轴测和等距模式下的各种运动生理模式或工作模拟任务。它目前被认为是上肢力量测量的黄金标准5,但与下肢具体有关的证据仍然不清楚。本文阐述了完成下肢步态和等轴测强度评估的详细方案。

在生物力学分析中,将功能性能评估(如步态分析)与肌肉性能的特定测试相结合是很有用的。这是因为,虽然可以假设增加肌肉力量提高功能性能,这可能并不总是明显的6。这种理解是改进康复方案及研究战略的未来设计,以评估这些方法所必需的。

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Protocol

在一项获得伯恩茅斯大学研究伦理委员会(参考15005)的道德批准下,对所报告的方法进行了跟踪研究。

1. 参与者

  1. 招募健康成年人(年龄从23岁到63岁,均值=S.D.;42.0= 13.4,体重70.4×15.3公斤,身高175.5±9.8厘米;15名男性,15名女性)参加研究。为这项研究招募了30名参与者。
  2. 确保参与者没有自报头晕、平衡问题或行走困难史。
  3. 确保参与者不会遭受任何已知的神经肌肉损伤或影响平衡或行走的情况。

2. 步态分析的设置和程序

  1. 使用步态分析系统 (图 1), 由双带力板仪器跑步机、10 摄像机运动捕捉系统和提供光学流的虚拟环境组成。
  2. 确保参与者穿着非常紧无反光的衣服,如自行车短裤或打底裤。
  3. 使用双面胶带附加25个被动反射标记,并根据人体模型(HBM)7的下体配置放置,如表17图2中详细说明。本文档中的信息取自 HBM 参考手册8
  4. 使用关节尺子测量 HBM6所需的膝盖和脚踝宽度。
  5. 将固定到顶置框架的安全带上保护参与者。
  6. 在数据库中启动新会话并确保其处于活动状态(突出显示)。
  7. 使用主题选项卡,从"标记骨架"按钮创建新参与者。
  8. 浏览到"下肢HBM_N2.vst"文件,然后输入参与者的姓名。新参与者将显示在"主题"窗格中。
  9. 转到"工具"窗格并打开"主题准备"选项卡。
  10. 通过"硬件"选项卡将力板水平为零。确保力板上没有重量。
  11. 让参与者在跑步机中间准备好,为ROM试验做好准备。
  12. 为了确保参与者能够适应自定进度的跑步机,请他们在99、1010节开始时以舒适的速度行走5分钟。
  13. 适应后,不拖延时间,要求参赛者步行最少5分1011。
  14. 确保参与者对录音的时间视而不见。
  15. 通过单击"开始录制"按钮12,确保启动跑步机并开始数据录制。这可以通过集成软件(材料表)来完成。
  16. 获取所需数据量后停止录制。建议收集三组 25 个周期。
  17. 打开处理软件(材料表),通过选择低通滤波器来标记数据(如截止频率为 6 Hz 的二阶巴特沃斯滤波器),消除数据上的高频噪声。
  18. 转到文件,然后选择"导出"以保存为 .csv。
  19. 从垂直力数据确定单个步进,并使用脚标记来确定步态事件13
  20. 分析步态参数,如Matlab R2017a(补充文件)中的运动、动力学和时空数据。

3. 肌肉力量测试的设置和程序

  1. 使用肌肉力量测试设备(多模式测功仪)(图3),根据最大自愿等轴收缩(MVIC)14测量参与者的肌肉力量。14
  2. 将工具/垫号 701 连接到测功机锻炼头。
  3. 测试参与者的右和左膝等轴测量肌肉力量。
  4. 在配有靠背的椅子上的座椅上测试参与者。
  5. 使用向上/向下开关,将测功仪轴与膝关节的解剖旋转轴对齐。将工具垫集中放在头骨小腿的下部。
  6. 保持膝盖在90°弯曲,臀部在中性旋转和绑架,和脚在木板弯曲。
  7. 将参与者的手放在腹部,用 Velcro 表带稳定躯干、臀部和中大腿。
  8. 运行练习试验,让学员习惯测试策略。
  9. 指示参与者伸展膝盖(在垫子上施加压力),然后弯曲(在垫子上向下施加压力),在命令"Go 3 s"上施加最大收缩。
  10. 在力量测试期间提供口头提示和鼓励(向上的"推"和向下的"拉")。
  11. 确保参与者意识到,如果他们遇到任何异常疼痛或不适,他们可以立即停止测试。
  12. 允许参与者休息 2 分钟。
  13. 重复步骤 3.1 - 3.12,左腿和右腿重复三次,并将数据记录在牛顿 (N) 中。
  14. 保存所有数据并将其导出为分析报告。

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Representative Results

表2给出了时空、运动学和动态步态参数的均值和标准差。MVIC所有30名参与者的数据都汇总在表3中。图 4图 5分别提供了一个参与者左侧和右侧的典型数据集,其中显示了步态参数的图形表示形式。

所提交的数据代表了所有参与者获得的结果,并且与为步态和等轴测强度测试15获得的教科书参考结果一致。

Figure 1
图1:盖特分析系统。GRAIL 系统用于测量步态参数。该系统由分带仪表跑步机、160°半圆柱投影屏幕、力传感器、摄像机和光学红外系统组成。请点击此处查看此图形的较大版本。

Figure 2
图2:人体模型 (HBM) 中使用的标记图。此图显示了 HBM 下身模型中所有标记的确切位置。应特别注意以绿色打印的标记的放置(表 1中的粗体);这些在初始化过程中用于定义生物力学骨架。这个数字是从HBM参考手册8改编而成的。请点击此处查看此图形的较大版本。

Figure 3
图3:用于测量参与者下肢肌肉强度的肌肉力量测试设备(多模式测功机)。该系统用于根据最大自愿等轴收缩 (MVIC) 测量参与者的肌肉力量。请点击此处查看此图形的较大版本。

Figure 4
图 4:使用建议的技术对步态评估进行离线分析生成的示例报告。一个参与者左侧的空间时间数据以及运动学和动力学步态循环。每行表示一个步态循环。Y 轴表示运动图的关节角度(度)和动力学图每公斤牛顿米的关节矩。红线表示左侧步态参数。请点击此处查看此图形的较大版本。

Figure 5
图 5:使用建议的技术对步态评估进行离线分析生成的示例报告。一个参与者右侧的空间时间数据以及运动学和动力学步态周期。每行表示一个步态循环。Y 轴表示运动图的关节角度(度)和动力学图每公斤牛顿米的关节矩。绿线表示右侧步态参数。请点击此处查看此图形的较大版本。

标签 解剖位置 描述
T10 T10 在10号胸椎
SACR 萨鲁姆骨 在骨骼上
殿 在肚脐上
XYPH 西福伊工艺 胸骨的西腓德前科
STRN 胸骨 在胸骨的壶口上
拉西斯 佩尔维奇骨左前 左前前上级伊利亚克脊柱
拉西 佩尔维奇骨右前 右前前高级伊利亚克脊柱
LPSIS 佩尔维奇骨左后卫 左后超上脊柱
RPSIS 佩尔维奇骨右背 右后部高级伊利亚克脊柱
LGTRO 左股骨更大的裤 在左边更大的裤装的中心
FLTHI 左大腿 在 LGTRO 和 LLEK 之间的线路上的 1/3
莱克 膝盖左侧侧侧史诗般的 在关节轴的侧侧
拉蒂 离开前的蒂比亚 在 LLEK 和 LLM 之间的线路上的 2/3
LLM 脚踝左侧侧肌 左侧马利奥鲁斯的中心
莱赫 左脚跟 脚跟的中心,脚跟与脚趾高度相同
LTOE 左脚趾 大脚趾尖
LMT5 左第 5 元焦油 第5块元骨的卡普特,在关节线中脚/脚趾
RGTRO 股骨的右大裤 在右边更大的裤装的中心
FRTHI 右大腿 在 RGTRO 和 RLEK 之间的线路上的 2/3
RLEK 膝盖的右侧侧侧史诗 在关节轴的侧侧
RATI 蒂比亚的右前 在 RLEK 和 RLM 之间的线路上的 1/3 上
RLM 脚踝的右侧侧肌 右侧马利奥鲁斯的中心
右脚跟 脚跟的中心,脚跟与脚趾高度相同
RTOE 右脚趾 大脚趾尖
RMT5 右第 5 元焦油 第5块元骨的卡普特,在关节线中脚/脚趾

表1:人体模型(HBM)中使用的标记。此表显示 HBM 下身模型中所有标记的确切位置。应特别注意用粗体书写的标记的放置;这些在初始化过程中用于定义生物力学骨架。此表根据 HBM 参考手册8改编。

变量名称 一边 意味 着 标准偏差
空间时间
步行速度(米/s) 1.37 0.22
步长 (m) 离开 0.72 0.07
0.73 0.07
步幅时间(s) 离开 1.07 0.10
1.07 0.10
姿势时间 (s) 离开 0.70 0.08
0.70 0.08
摆动时间(s) 离开 0.37 0.03
0.37 0.03
运动
髋关节弯曲 (deg) 离开 30.05 9.08
29.92 8.79
嘻哈分部(deg) 离开 -13.26 7.75
-13.36 7.68
嘻哈 Abd (deg) 离开 -7.27 3.00
-7.72 3.17
髋关节添加 (deg) 离开 8.66 4.22
7.81 3.72
髋关节旋转 (deg) 离开 5.38 6.95
6.82 6.42
髋关节旋转 (deg) 离开 -9.04 7.03
-5.77 5.97
膝盖弯曲(deg) 离开 67.46 5.16
68.47 4.75
膝盖分点(deg) 离开 -0.43 2.26
-0.29 2.01
脚踝弯曲 (deg) 离开 -17.20 6.94
-14.91 6.47
脚踝分点(deg) 离开 18.13 5.92
19.36 6.54
动力学
峰值髋关节分发(Nm/kg) 离开 0.82 0.21
0.80 0.24
峰值髋关节(Nm/kg) 离开 0.91 0.15
0.92 0.11
峰值髋关节旋转(Nm/kg) 离开 0.26 0.13
0.26 0.14
峰值膝关节分点(Nm/kg) 离开 0.38 0.06
0.39 0.06
峰值脚踝弹性(Nm/kg) 离开 1.85 0.21
1.86 0.22

表2:30名参与者的空间-时间、运动学、动能步态参数的平均和标准偏差。分别报告左侧和右侧的 Gait 参数。

变量名称 一边 意味 着 标准偏差
膝盖 Ext 离开 527.17 136.42
550.60 132.55
膝盖弯曲 离开 191.60 38.53
203.87 47.67

表3:使用30名参与者的肌肉力量测试设备,膝关节最大自愿等轴收缩(MVIC)的平均和标准偏差。

补充文件 1:Matlab 编码文件。请点击此处查看此文件(右键单击以下载)。

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Discussion

这项研究的贡献是在一个协议中准确和全面地描述以前没有一起描述的步态分析和肌肉力量测试相结合的技术。

为了获得步态分析的准确结果,有两个方面需要最大的关注:1) 标记放置和 2) 适应时间。测量数据的准确性在很大程度上取决于所用模型的准确性。影响准确性的其他关键因素包括相对于底层骨骼结构的表面性皮肤变形引起的错误标记运动,以及跟踪系统的分辨率16图 2显示了 HBM 下身模型中所有标记的确切位置。应特别注意以绿色印刷的标记的放置;这些在初始化过程中用于定义生物力学骨架。参与者被要求步行至少5分钟,以适应SP跑步机行走17,18。17,选择SP模式是为了让参与者有一个更自然的步幅变异性3。然而,研究表明,在SP行走过程中,行走速度变化较大,步态障碍可能通过皮带3的加速或减速而发生。根据其他研究13,19,以尽量减少这种影响,我们建议至少5分钟19应允许适应。13,

要使用肌肉测试设备测量参与者的肌肉力量,有三个关键阶段:1) 膝关节与测功仪轴对齐,2) 练习试验,3) 口头鼓励。测功机和膝关节旋转轴之间的不适当对齐可以引入一个因素混淆精确的等轴测评估20。在整个研究中,所有参与者在参与之前都得到了关于该系统的精确指导。然而,实践试验和口头鼓励是两个因素,可以极大地影响MVIC14。许多接受力量测试的个人在力量测试操作方面经验非常有限或根本没有经验。力量测试通常被证明是可靠的21,但已经表明,新手参与者的强度分数可能会提高在随后的测试,因为他们变得更加舒适和熟悉测试和系统22。运动测试期间的口头鼓励已证明能增强最大力量23,力量发展速度23,肌肉激活24,肌肉耐力25,功率26,最大耗氧27,以及时间耗尽27,28。,28因此,我们强烈建议采用此步骤。

总体而言,此处提供的数据代表了其他设备上获得步态和等轴测强度测试的教科书参考结果。因此,建议本文概述的方法在评估健康个体的步态和肌肉力量方面是有效的。进一步的研究应该评估这些系统的可靠性之前,他们用于临床应用。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

我们要感谢约翰纳森·威廉姆斯博士对MATLAB数据处理的建议。

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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医学, 第 158 期, 生物力学, 盖特, 运动学, 动力学, 时空, 等轴测, 肌肉力量
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Bahadori, S., Wainwright, T. W. Lower Limb Biomechanical Analysis of Healthy Participants. J. Vis. Exp. (158), e60720, doi:10.3791/60720 (2020).

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