Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Kas Kuvvet-Hız İlişkilerini Ölçmek İçin Düşük Maliyetli Bir Düzenek

139 görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/71757

⸱

14 Ağustos 2026

 , 
1Department of Biological Sciences, University of Massachusetts Lowell

Bu makalede

Özet

Ekonomik malzemeler, 3D yazıcıyla basılmış bir dişli, bir akıllı telefon ivmeölçeri ve ücretsiz Python yazılımı kullanılarak, insan kas kuvvet-hız-güç ilişkilerini ölçmek için erişilebilir ve düşük maliyetli bir düzenek geliştirilmiştir. Altın standart bir ergometre ile yapılan doğrulama, lisans düzeyindeki sınıf ortamında eşit ve uygulamalı öğrenme fırsatları sunarken fizyolojik olarak anlamlı ölçümler sağladığını göstermiştir.

Özet

Kas kuvveti, kasılma hızı ve güç arasındaki ilişki, fizyolojide yaklaşık bir asırlık bir paradigmayı temsil etmekte ve kas-iskelet sistemi fonksiyonlarının anlaşılmasının temel taşını oluşturmaktadır. Ancak, gerekli ekipmanların yüksek maliyeti nedeniyle bu paradigma, fizyoloji ve biyomekanik derslerinde nadiren doğrudan incelenmektedir. Bu çalışma, ücretsiz Phyphox uygulaması kullanılarak bir akıllı telefon ivmeölçer aracılığıyla insan parmak kaslarından kuvvet-hız-güç verileri toplamak üzere kolayca inşa edilebilen ve yapılandırılabilen, cırcır mekanizmalı bir dişli içeren 3 boyutlu yazıcıyla üretilmiş bir makara sistemini kullanan düşük maliyetli bir düzeneğin tasarlanmasını ve doğrulanmasını amaçlamıştır. Özel bir Python betiği, ham ivmeölçer ölçümlerini hız ve güç çıktılarına dönüştürmekte ve bu çıktılar ardından altın standart olan çift modlu bir kaldıraç sistemi kullanılarak elde edilen ölçümlerle konu bazlı olarak karşılaştırılmaktadır. Beş özet değişkenin (pik kuvvet, Fmax; pik hız, Vmax; pik güç, Pmax; optimal hız, Vopt; ve kuvvet-hız eğriliği, a/Fmax) ikili karşılaştırmaları, iki düzenek kullanılarak toplanan kuvvet-hız-güç verileri arasında istatistiksel olarak anlamlı bir fark olmadığını ortaya koymuştur (eşleştirilmiş t-testleri, p > 0.05). Bu nedenle, veri kalitesinde anlamlı bir azalma olmaksızın, bu ucuz düzenek biyomekanik ve fizyolojik ilkelerin öğretilmesi ve incelenmesi için erişilebilir, güvenli ve maliyet etkin bir yol sunmaktadır. Bu düzeneğin, özellikle dünya genelinde yetersiz finansman sağlanan ve kaynakları sınırlı olan eğitim ortamlarında kas fizyolojisi ve biyomekanik eğitimini demokratikleştirme potansiyeli bulunmaktadır.

Giriş

Çizgili kas, insanlarda ve diğer hayvanlarda iskelet hareketini sağlayan motordur. Kasın kendine özgü hiyerarşik yapısını anlamak, kuvvet oluşumunu ve iş üretimini etkileyen ölçekler arası faktörler nedeniyle karmaşıktır1,2. Belki de bu karmaşıklıklar nedeniyle, eğitimcilerin kas fonksiyonunun temel ve en büyüleyici yönlerini uygun şekilde sergilemek için gereken araçlardan yoksun olmaları sebebiyle, kas fonksiyonu anatomi ve fizyoloji müfredatlarında yeterince önceliklendirilmeyen bir bileşen olabilmektedir3,4,5,6.

Kas fonksiyonu tarihsel olarak birkaç kalıcı paradigma aracılığıyla tanımlanmıştır; bunların arasında, yaklaşık bir yüzyıl önce Archibald Vivian Hill tarafından ilk kez karakterize edilen kuvvet–hız ödünleşimi kadar yaygın kabul göreni yoktur1,2,3,4,5,6. Bu temel fizyolojik ilişki, kas kasılma hızı ile kuvvet arasındaki ödünleşimi tanımlar; buna göre izometrik veya çok yavaş kısalma kasılmaları genellikle en güçlü olanlardır ve pik kas kuvvetini (Fmax) üretirken, pik kas hızına (Vmax) yaklaşan en hızlı izotonik kasılmalar tipik olarak en zayıflarıdır1. Hill, 1938'de kuvvet–hız–güç (FVP) ilişkisini tanımladığında, hala kendi adını taşıyan bir fonksiyon tanıtmıştır. Hill denklemi (Denklem 1), izometrik bir kasılma sırasında (sabit kas uçlarıyla) üretilen pik kuvveti, harici bir yükün yokluğunda ulaşılan pik hızla ilişkilendirir.

Denklem 1: (v + b) (F + a) = b (Fmax + a)

burada v kısalma hızı, F kas kuvveti, Fmax maksimum izometrik kuvvet, a ve b ise kuvvet-hız ilişkisini ve kas kısalmasının enerjetik özelliklerini tanımlayan sabitlerdir1.

Bu temel ilişkinin içinde, FVP ilişkisini tanımlayan beş kantitatif parametre ile temsil edilen kas fonksiyonuna dair birkaç temel kavram yer almaktadır. Anlık kas kuvveti ile hızın çarpımı güçtür ve bu değer tipik olarak bir maksimum değere (Pmaksimum) yaklaşık olarak V'nin üçte birindemaksimum7P'nin hızımaksimum gerçekleşen değere optimal hız (V) deniropt), ve kısalma hızları aralığındaki (V'den) konumu0 V'yemaksimum) kuvvet-hız ve güç-hız ilişkilerinin önemli bir özelliğidir. Örneğin, daha yüksek bir Vopt pik gücün daha yüksek bir kısalma hızında iletilmesiyle sonuçlanır. Kuvvet-hız ilişkisinin kendisinde, pik kuvvet (Fmaksimum) ve tepe hızı (Vmaksimum) eğrisel bir biçimde ara kuvvet-hız ilişkileriyle birbirine bağlanmıştır (Şekil 5A). Mevcut metodoloji kullanılarak elde edilen temsili kuvvet-hız ve güç-hız ilişkileri şurada gösterilmiştir Şekil 1Bu eğrinin eğimi, kuvvetin hızla birlikte azalma oranını tanımlayan kuvvet-hız eğriliği olarak adlandırılır. Eğrilik şu şekilde tanımlanır: a/Fmaksimum8burada a, yüksüz kısalan bir kasın oluşturduğu sürtünme ısısını nicelleştiren Hill denklemindeki termodinamik sabitlerdir1Eğrilik, V'nin konumunu etkileropt kuvvet-hız eğrisi üzerinde yer alır ve bir kasın belirli bir kısalma hızında ne kadar kuvvet üretebileceğini belirler. Eğrilik, kas gücü oranı (Denklem 2) kullanılarak da tanımlanmıştır9. 

Denklem 2:  Mekanik sistemler analizi için verimlilik oranı denklemi, Pmax/vmax*Fmax.

burada Pmax maksimum kas güç çıktısını, Vmax ve Fmax ise sırasıyla maksimum kısalma hızını ve maksimum izometrik kuvveti temsil eder.

Kuvvet-hız ve güç-hız ilişkilerinin sezgisel doğası, yaşam bilimleri derslerinde kas fonksiyonu öğretilirken etkili giriş noktaları sağlar. Öğrencilere FVP ilişkileri hakkında daha eksiksiz bir anlayış geliştirmeleri için uygulamalı fırsatlar sunmanın önemi, uygulamalı öğrenmenin bilgi kalıcılığını artırdığının gösterilmiş olmasıyla10 vurgulanmaktadır. Dahası, deneysel öğrenmenin, hem temel bilimsel bir bağlamda hem de sakatlık önleme, rehabilitasyon ve fiziksel eğitim dahil olmak üzere sağlık hizmetlerindeki mesleklere hazırlık olarak, kas fonksiyonunu değerlendirme temelini güçlendirdiği bilinmektedir.

Çift modlu servomotor kaldıraç sistemleri gibi kas fizyolojik özelliklerini test etmeye yönelik geleneksel cihazlar oldukça hassas ve doğrudur, ancak maliyetleri çok yüksek olduğundan çoğu sınıf ortamında uygulanmaları önünde önemli engeller teşkil ederler7. Bu kısıtlamaları gidermek ve uygulamalı öğrenme fırsatlarını genişletmek amacıyla düşük maliyetli bir alternatif geliştirilmiştir. Düzenek, cırcır ve mandal dişlisi içeren 3 boyutlu yazıcıyla üretilmiş bir makara etrafında kurulmuştur; hazır kanal tipi alüminyum raylar, sert tel ve ücretsiz bir veri toplama uygulaması çalıştıran, taşıyıcıya monte edilmiş bir akıllı telefon kullanmaktadır (Şekil 2). Akıllı telefonlar yaygın olarak bulunduğu ve genellikle hassas ve dayanıklı ivmeölçerlerle donatıldığı için özel ivme ölçüm cihazları yerine bir akıllı telefon seçilmiştir11. Akıllı telefonların bilimsel ölçüm cihazları olarak kullanışlılığı, ticari olarak mevcut bir akıllı telefon ivmeölçerinin Ingenuity Mars Helikopteri'nin atalet ölçüm birimine entegre edilmesi de dahil olmak üzere daha önce kanıtlanmıştır12.

Kas fizyolojisi eğitiminde kullanılan mevcut birkaç düşük maliyetli araç olsa da bunlar farklı kavramları hedeflemektedir: Judge ve ark.6 kas elektriksel aktivitesini kaydetmek için uygun maliyetli SpikerBox tabanlı etkinlikler geliştirmiş, Medeiros ve ark.10 ise titin ile ilgili mekanikleri göstermek için düşük maliyetli bir 2-D sarkomer modeli oluşturmuştur. Ancak, mevcut düşük maliyetli araçların hiçbiri, öğrencilerin kasılan bir insan kasının FVP ilişkilerini doğrudan ölçmesine ve nicel, araştırmalarla karşılaştırılabilir veriler üretmesine olanak tanımamaktadır. Mevcut düzenek, 300$'ın altında bir maliyetle altın standartla doğrulanmış FVP ölçümleri sunarak bu boşluğu doldurmayı amaçlamaktadır.

Bu çalışma, endüstri altın standardı ile çapraz doğrulaması yapılmış düşük maliyetli bir FVP düzeneğinin kurulumunu rapor etmektedir. Doğrulama analizleri, her iki düzenekte de aynı deneklerde ölçülen beş kabul görmüş FVP özet değişkeninin ikili karşılaştırmalarına dayanmaktadır. Analizler, her iki düzeneğin de eşdeğer kuvvet-hız ve güç-hız eğrileri oluşturduğu hipotezini test etmektedir. Başarılı bir çapraz doğrulama ile düşük maliyetli düzenek, deneysel doğruluğu ve dolayısıyla bilimsel titizliği korurken, düzenek edinimi önündeki finansal engelleri azaltarak kas fizyolojisi ve kas-iskelet biyomekaniği sınıf çalışmalarını demokratikleştirebilir. Düşük maliyetli düzeneğin, dünya çapındaki fizyoloji ve biyomekanik sınıflarında kas anatomisini halihazırda çalışan ve öğreten öğrencilere ve eğitimcilere, kasın en temel ilişkilerinden birini pratik olarak keşfetmeleri için ilham vermesi ve imkan sağlaması öngörülmektedir. Fizyolojik ölçümler oluşturmaya yönelik uygulamalı bir etkinliğin dahil edilmesiyle, sınıflarda çok modlu bir anlayış ve geliştirilmiş bilgi kalıcılığı sağlanabilir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

Bu yayının temelini oluşturan tüm deneyler, Massachusetts Üniversitesi Lowell'deki Kurumsal İnceleme Kurulu tarafından onaylanmıştır (Protokol No. 21-163-KON-XPD).

NOT: Düzenek, 3D yazıcıyla basılmış bir makara sisteminden harici yüklerle askıya alınmış bir akıllı telefon kullanır. İvme verileri, akıllı telefon tabanlı bir veri toplama uygulaması kullanılarak 100 Hz hızında toplanır. Kuvvet, akıllı telefon ve harici yükün toplam kütlesinin ivme ile çarpılmasıyla hesaplanır. Hız, ivmenin entegrasyonu ile elde edilir ve güç, kuvvet ile hızın çarpımı olarak hesaplanır (Ek Kodlama Dosyası 1).

1. Düzenek kurulumu

  1. İki kısa alüminyum kirişi, alüminyum şasi sabitleyiciler kullanarak bir uzun alüminyum kirişin alt kısmına takın. Stabil ve esnemeyen bir taban oluşturmak için kısa kirişleri, uzun kirişin her iki ucundan yaklaşık 8 cm uzağa yerleştirin.
    NOT: Bu düzeneğe bundan böyle şasi denilecektir.
  2. Kasnak tutucuyu oluşturun
    1. 7 in kenarı dikey ve 6,75 in kenarı yatay olacak şekilde büyük bir hücresel polivinil klorür bloğu konumlandırın.
    2. Sol kenar boyunca sol alt köşeden 2,75 in ölçün ve konumu işaretleyin.
    3. Üst kenar boyunca sol üst köşeden 2,75 in ölçün ve konumu işaretleyin.
    4. İşaretlenen iki konumu birbirine bağlayan düz bir çizgi çizin.
    5. İşaretli çizgi boyunca kesin ve ortaya çıkan üçgen bölümü çıkarın.
    6. Sağ üst köşeden 1,25 in uzağa 7/16 in'lik bir delik açın.
    7. İkinci büyük blok için 1.2.1–1.2.6 arasındaki adımları tekrarlayın.
    8. Küçük hücresel polivinil klorür bloğunu şasinin arkasına yerleştirin.
    9. Her iki büyük bloğu, aralarında 8 in mesafe olacak şekilde küçük bloğa sabitleyin. Diyagonal kesimleri küçük bloğun üzerine gelecek şekilde yönlendirin ve açılan delikleri küçük bloğun kenarının dışına konumlandırın.
  3. Kasnak tutucuyu bir masa veya tezgahın köşesine güvenli bir şekilde kelepçeleyin.
    NOT: Tutucuyu, kasnağın masa kenaresinin dışına taşacağı şekilde konumlandırın. Bu, kasılmalar sırasında asılı ağırlıkların ve akıllı telefonun masa ayaklarına temas etmesini önler.
  4. Kol dayama yerini oluşturun ve takın
    1. 14 in'lik hücresel polivinil klorür kol dayama bloğunu, iki adet 1,5 in ve bir adet 3,5 in'lik bölümlerden oluşacak şekilde üç parçaya bölün.
    2. Her bir küçük bölümün üst yüzeyine, ön kenardan 1 in uzağa 2 in x 1/8 in'lik bir çentik açın.
    3. Küçük bölümleri, büyük bölümün her iki ucundaki alt kısma sabitleyin. Çentikleri birbiriyle hizalayın.
    4. Büyük bölümün üst yüzeyini cırt cırtlı bantla kaplayın.
    5. Ön kol kayışını iki çentikten geçirin.
    6. Kol dayama yerini, civatalar ve geçme T-somunlar kullanarak şasiye takın. Kol dayama yerini, ön kol kayışı kasnağın ters yönüne bakacak şekilde kasnak tutucusundan 14 in uzağa yerleştirin.
  5. İç dişli ve dış dişli bileşenlerinin kanallarına bilyalı rulmanlar yerleştirin (Ek Dosya 1).
  6. 40 cm'lik zamanlama kayışını iç dişli bileşeninin yan yuvasından geçirin. 2 cm'lik bir bindirme ile bir döngü oluşturun ve bindirme kısmını yuva içinde sabitleyin.
  7. Metal aksı; sol kasnak tutucudan, bir durdurucudan, iç dişli bileşeninden, kuvvet taşıyıcı bileşenden, dış dişli bileşeninden, ikinci bir durdurucudan ve sağ kasnak tutucudan geçirin.
    NOT: İç dişlinin yan yuvasını şasiye doğru yönlendirin. Her iki durdurucuyu kasnak düzeneğinin her iki yanından 1 mm uzağa yerleştirin.
  8. Yanal hareketi önlemek için aks üzerine, her bir durdurucu kasnak tutuculardan 1 mm uzağa gelecek şekilde iki ek durdurucu takın.
  9. 40 cm'lik çok telli çelik teli parmak desteğinden geçirin ve bir yüksükle sabitleyin. Diğer ucunu Karabina A'dan geçirin ve ikinci bir yüksükle sabitleyin.
    NOT: Karabinalar A ve B özdeştir ve yalnızca montaj sırasında tanımlama amacıyla etiketlenmişlerdir.
  10. İç dişli bileşenini, takılı olan zamanlama kayışını kullanarak Karabina A'ya bağlayın. Bindirme kısmını Anahtar A ile sabitleyin.
    NOT: Anahtarlar A, B ve C özdeştir. Düzenekteki diğer parçalar zarar görmeden önce bozulan feda edilebilir bileşenler olarak tasarlandıkları için ek anahtarlar basılabilir.
  11. 10 cm'lik çok telli çelik teli Karabina A'nın etrafına dolayın ve bir yüksükle sabitleyin. Diğer ucunu bir alüminyum şasi sabitleyicinin etrafına dolayın, teli yüksükleyin ve sabitleyiciyi şasiye sabitleyin.
    NOT: Bu düzeneğe bundan böyle emniyet civatası denilecektir.
  12. 2 cm bindirmeli 40 cm'lik zamanlama kayışı kullanarak bir döngü oluşturun ve döngüyü Anahtar B'ye yerleştirin. Diğer ucu Karabina B'nin etrafına dolayın ve bindirme kısmını Anahtar C kullanarak sabitleyin.
  13. Anahtar B'yi dış dişli bileşeninin en büyük kademesine yerleştirin.
  14. Akıllı telefon kol bandı tutucusunu, kol bandı döngüsünü veya kulaklık kablosu açıklıklarını kullanarak Karabina B'ye takın.
  15. Döngü oluşturulmuş ve yüksüklenmiş bir çelik tel kullanarak, istenen başlangıç ağırlığını Karabina B'den asın.

2. Veri toplama düzeneği

  1. İvmeölçer donanımlı bir akıllı telefona veri toplama uygulamasını yükleyin.
  2. Acceleration (without g) modülünü açın.
  3. Akıllı telefonu, Karabina B'ye takılı olan kol bandı tutucusuna yerleştirin.
  4. Bölüm 3'e göre verileri toplayın.
  5. Kaydedilen verileri .xls dosyası olarak dışa aktarın. Katılımcıya karşılık gelen benzersiz bir dosya adı atayın.
  6. .xls dosyasını internet erişimi olan bir bilgisayara aktarın.
  7. Verileri Supplemental Coding File 1 kullanarak işleyin.
    NOT: Betik, ölçülen dikey ivmenin ileri Euler entegrasyonunu kullanarak hızı hesaplar (Denklem 3). Konum, sabit ivmeli kinematik denklem kullanılarak hesaplanır (Denklem 4). Hesaplamalarda, yumuşatma veya filtreleme uygulanmamış ham ivme değerleri kullanılır.
    Denklem 3: vi = vi-1 + ai ∆t
    Denklem 4:  Fizik hareket denklemi: \( p_i = p_{i-1} + v_{i-1} \Delta t + \frac{1}{2} a_i \Delta t^2 \); dinamik analiz.
    1. Supplemental Coding File 1'i yükleyin.
    2. Veri işleme için kullanılan bilgisayara Python yükleyin.
    3. Bir terminal penceresi açın ve şunu çalıştırın: pip install streamlit pandas matplotlib scipy openpyxl xlrd.
    4. Supplemental Coding File 1'in bulunduğu klasöre gidin ve şunu çalıştırın: streamlit run muscle_velocity_gui.py.
      NOT: Windows PowerShell kullanırken şunu çalıştırın: python -m streamlit run muscle_velocity_gui.py. E-posta adresi istenirse, alanı boş bırakın ve Enter tuşuna basın.
    5. Upload seçeneğine tıklayın ve dışa aktarılan .xls dosyasını seçin.
    6. Veri setini yüklemek ve analiz etmek için Process Data seçeneğine tıklayın.
    7. İlk deneme için oluşturulan ivme, hız ve konum grafiklerini inceleyin.
    8. Her tepe noktasının yanındaki onay kutularını kullanarak geçerli kas kasılmalarına karşılık gelen tespit edilen tepe noktalarını seçin.
      NOT: Geçerli tepe noktaları genellikle ivme izi negatif hale gelmeden önce oluşur ve pozitif hız ve konum değerleri ile ilişkilidir. Otomatik tepe noktası tespit algoritması tepe noktalarını yanlış tanımlayabilir, bu nedenle manuel doğrulama gereklidir.
    9. Tepe noktası tespit parametrelerini ayarlayın
      NOT: Yazılım tepe noktalarını doğru şekilde tanımlamazsa, Advanced Tweakables > Peak Detection Parameters kısmını genişletin ve tespit ayarlarını düzenleyin.
      1. Durağan olarak kabul edilen ivme aralığını tanımlamak için Zero Threshold değerini ayarlayın.
        NOT: İvme izleri aşırı gürültü içerdiğinde bu değeri artırın. Eşik değeri, ivme grafiği üzerinde kırmızı referans çizgileri olarak görüntülenir. Varsayılan değer = 0.30. Önerilen aralık = 0.10–5.00.
      2. Kabul edilebilir minimum hız tepe noktasını tanımlamak için Min Velocity for Peak değerini ayarlayın.
        NOT: Geçerli tepe noktaları hariç tutulursa bu değeri düşürün. Eşik değeri, hız grafiği üzerinde alt yeşil referans çizgisi olarak görüntülenir. Varsayılan değer = 0.30. Önerilen aralık = 0.10–10.00.
      3. Durağan bir dönemi tanımlamak için gereken ardışık sıfıra yakın ivme örneği minimum sayısını tanımlamak için Zero Scope değerini ayarlayın.
        NOT: Hız ve konum izleri sıfırlanmazsa bu değeri düşürün. Varsayılan değer = 10. Önerilen aralık = 3–25.
      4. Kabul edilebilir maksimum hız tepe noktasını tanımlamak için Max Velocity for Peak değerini ayarlayın.
        NOT: Geçerli tepe noktaları eşiği aşarsa bu değeri artırın. Eşik değeri, hız grafiği üzerinde üst yeşil referans çizgisi olarak görüntülenir. Varsayılan değer = 10.00. Önerilen aralık = 10.00–30.00.
      5. Tespit edilen tepe noktaları arasındaki minimum örnek sayısını tanımlamak için Min Peak Distance değerini ayarlayın.
        NOT: Varsayılan değer = 2. Önerilen aralık = 1–10. Düzenleme genellikle gerekli değildir.
      6. Tepe noktası tespiti için gereken belirginliği tanımlamak için Min Peak Prominence değerini ayarlayın.
        NOT: Daha düşük değerler hassasiyeti artırır ve ek tepe noktaları tanımlayabilir. Varsayılan değer = 0.10. Önerilen aralık = 0.01–0.90. Düzenleme genellikle gerekli değildir.
    10. Mevcut deneme için tüm geçerli tepe noktaları tanımlandıktan sonra, bir sonraki denemeye geçmek için Next seçeneğine tıklayın.
    11. Tüm denemeler işlenene kadar 2.7.7–2.7.10 arasındaki adımları tekrarlayın.
      NOT: İlk denemeyi işledikten sonra tepe noktası tespit parametrelerini değiştirmeyin. Parametre değişiklikleri gerekli olursa, güncellenmiş ayarları kullanarak daha önce işlenmiş tüm denemeler için analizi tekrarlayın.
    12. Seçilen hız ve ivme verilerini, sonraki kuvvet-hız-güç analizleri için bir hesap tablosuna kopyalayın.

3. Deneysel protokol

  1. Katılımcının ön kolunu, ön kol kayışı kullanarak kol dayama yerine sabitleyin. Ön kolun ileriye doğru hareket etmesini önlemek için kayışı yeterince sıkın.
  2. Parmak destekleyiciyi katılımcının başparmağına yerleştirin ve desteği güvenli bir şekilde sıkın.
  3. Zamanlama kayışı gergin hale gelene kadar makarayı cırcır mekanizması aracılığıyla döndürerek makara sistemindeki boşluğu alın.
    NOT: Cırcır mekanizması, konumlar arasında ilerlerken duyulabilir bir klik sesi çıkarır.
  4. Güvenlik cıvatasını, güvenlik cıvatası ile Karabiner A'yı birbirine bağlayan tel gergin olana kadar makaraya doğru kaydırın.
  5. Her biri yaklaşık 1,25 kg ağırlığında, yaklaşık olarak eşit kütleye sahip iki ağırlık seçin.
  6. Sabit test dizisi
    1. Bir ağırlık ve akıllı telefon kullanarak en büyük kademeyi, orta kademeyi ve en küçük kademeyi test edin.
    2. İki ağırlık ve akıllı telefon kullanarak en küçük kademeyi, orta kademeyi ve en büyük kademeyi test edin.
    3. Sadece akıllı telefon kullanarak en büyük kademeyi ve en küçük kademeyi test edin.
      NOT: Yorgunluğa bağlı yanlılığı en aza indirmek için tüm katılımcılar için aynı diziyi kullanın.
  7. Veri toplama uygulamasındaki Kayıt Başlat seçeneğine dokunun.
  8. Katılımcıya, başparmağını mümkün olduğunca hızlı ve güçlü bir şekilde kasmasını söyleyin.
    NOT: Katılımcı motivasyonu performansı önemli ölçüde etkileyebilir. Maksimum çabayı teşvik etmek için test boyunca tutarlı sözlü teşvikler sağlayın.
  9. Her denemeden sonra veri kaydını duraklatın. Makara kademesini ve yükleme koşulunu, adım 3.6'da belirlenen diziye göre ayarlayın.
  10. Veri kaydını yeniden başlatın ve sekiz makara kademesi ve yükleme kombinasyonunun tamamı bitene kadar 3.8–3.9 arasındaki adımları tekrarlayın.
  11. Test boyunca katılımcıyı izleyin; aşırı kol hareketi veya yetersiz çabadan etkilenen denemeleri tekrarlayın.
  12. Her denemeden sonra ivme izini gözden geçirin.
    NOT: Anormal derecede düşük başlangıç ivme pikleri, aşırı salınımlar veya kasılmalar arasında devam eden akıllı telefon hareketi sergileyen denemeleri tekrarlayın, çünkü bu durumlar veri kalitesini bozabilir.
  13. Sonraki veri analizini kolaylaştırmak için, tekrarlanan veya hariç tutulan denemeler de dahil olmak üzere her deneme için notlar kaydedin.

4. Altın standart ergometre kullanımı

  1. Altın standart ergometreyi kurun
    1. Bilgisayarı açın ve veri toplama yazılımını başlatın. Çift modlu kaldıraç sistemi prosedür dosyasını açın.
    2. Kaldıraç kontrol ünitesinde kuvvet ofsetini 10'a ve uzunluk ofsetini 9'a ayarlayın.
    3. Çift modlu kaldıraç sistemini ve veri toplama ünitesini açın.
    4. Kolu nazikçe döndürerek direnç olup olmadığını kontrol edin ve motorun düzgün çalıştığını doğrulayın.
    5. 40 cm uzunluğundaki çok telli çelik teli, kolun alttan ikinci deliğinden geçirin ve teli bir sıkma yüksükle sabitleyin.
    6. Telin karşı ucunu parmak desteğinden geçirin ve teli bir sıkma yüksüğü ile sabitleyin.
    7. Çift modlu kaldıraç sistemini, kolçağın önündeki 3 numaralı şasiye takın.
  2. Katılımcının ön kolunu kol dayama yerine sabitleyin ve başparmağı parmak destek aparatının içine yerleştirin.
  3. Katılımcının kolunu, başparmak maksimal fleksiyona ulaşana ve kablo hafif gergin hale gelene kadar ileriye doğru kaydırın.
  4. Kolun ileri veya yan yönlerde hareket etmesini önlemek için ön kol kayışını yeterince sıkın.
  5. Veri toplama ayarlarını yapılandırın
    1. Açık Tarama Kontrol Cihazı Dev6.
    2. Set Örnek Sayısı den/dan; -e/-a 60,000.
    3. Set Numunelerin Ortalamasının Alınması to 1.
    4. Set Örnekleme Dönemi ...-e / ...-a 0.0001.
    5. Set Dönüştürme Periyodu e 0.
    6. Set Tetikleme Sonrası Örnekler e 0.
    7. Set Referans Tetikleme Kaynağı e /Dev6/PFI1.
    8. Set 2x Tip ve Dijital.
    9. Set 2x Lever1 destinasyonuna/yönüne/için (bağlama göre değişiklik gösterir) 0.
    10. Set 2x Lever2 ye 0.
    11. Set Mod veya -e/-a (yönelme durumu eki) Tek Seferlik.
    12. Set Hemen Geri Dönün veya (bağlama göre: -e, -a / için / kadar) Kapalı.
    13. Set Başlatma Tetikleyicisi e Kapalı.
    14. Set Tetikleme Kaynağı e /Dev6/PFI0.
    15. Set Örnekleme Saati ya da Kapalı.
    16. Set Saat Kaynağı e /Dev6/PFI7.
    17. Set Saati Dönüştür e Kapalı.
    18. Set Saat Kaynağını Dönüştür için /Dev6/PFI2.
    19. Seçiniz Kanal 1 + Kanal 2 altında Taranacak Kanalları Seçin.
  6. Tıklayın Başlat içinde Tarama Kontrol Cihazı ve katılımcıya, başparmağını mümkün olduğunca hızlı ve güçlü bir şekilde kasmasını söyleyin.
    NOT: Katılımcı motivasyonu performansı önemli ölçüde etkileyebilir. Maksimum çabayı teşvik etmek için test boyunca tutarlı sözel destek sağlayın.
  7. Tıklayın Dalgaları Al ve elde edilen verileri, katılımcı tanımlayıcısı ve mevcut kuvvet ofset değerini kullanarak kaydedin.
    NOT: İlk kasılma için kuvvet ofseti 10'dur.
  8. Kuvvet ofsetini 1,0'lık artışlarla azaltın.
    NOT: Örnek ilerleyiş: 10.0 > 9.0 > 8.0.
  9. Motor, başparmak hareketine karşı fark edilebilir bir direnç göstermeyene kadar 4.6–4.8 arasındaki adımları tekrarlayın.
  10. ...'da açıklanan analiz prosedürünü kullanarak her bir denemeden tepe kuvvet ve tepe hız değerlerini çıkarın Ek Kod Dosyası 2.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Her bir sistemin fonksiyonel çıktılarını aynı deneysel protokol altında değerlendirmek amacıyla, altın standart ergometre ve düşük maliyetli aparat kullanılarak lisans öğrencisi bir örneklemden (N = 15) kuvvet-hız ve güç-hız verileri toplanmıştır. Bireysel denek verileri Şekil 1'de, her bir aparat için özet veriler ise Şekil 3'te gösterilmektedir.

Düşük maliyetli düzenek; özet değişkenlerin ikili karşılaştırmaları (Tablo 1

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

İnsan kaslarının kuvvet-hız ve güç-hız ilişkilerini sınıfta ölçmek için düşük maliyetli bir düzenek, altın standart ergometrelerin bir alternatifi olarak valide edilmiştir.

Doğrulama sonuçları, düşük maliyetli ve dolayısıyla ekonomik ve teknolojik olarak daha erişilebilir bir düzeneğin, altın standart bir ergometre kullanılarak elde edilenlerle istatistiksel olarak ayırt edilemeyen ölçümler üretebileceği iddiasını desteklemektedir. Düşük maliyetli düzeneğin yüksek kaliteli kuvvet-hız ve güç-hı...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarların beyan edeceği herhangi bir çıkar çatışması yoktur.

Teşekkürler

Yazarlar, bu onur tezinin (GC) temelini oluşturan bitirme projesine katıldıkları için Kas Biyolojisi (UML BIOL4890, 2023–2025) dersine kayıtlı öğrencilere ve Lawrence Lisesi (Lawrence, MA) öğrencilerine teşekkür ederler. Ayrıca, süregelen destekleri için Aurora Scientific'ten Matthew Borokowski'ye ve UML dersi için parmak fleksör modülünün geliştirilmesine ve uygulanmasına yönelik ilk çabaları için Victoria Flint ve Samuel DeLap'e teşekkür ederiz. Yazarlar ayrıca analiz yaklaşımları konusundaki yardımları için Daniel Bartlett ve Darrell La'ya teşekkür ederler. UMass Lowell Onur Koleji bursu (GC'ye) ve Ulusal Bilim Vakfı (ödül 2217246) ile UMass Lowell'den başlangıç fonları (NK'ye) tarafından finanse edilmiştir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
1,25 kg AğırlıklarNEXO FitnessASIN: B09JHQ6QB8Yaklaşık 1-2 kg'lık standart ağırlıklar ile değiştirilebilir
gerekli sayı: 2
3D yazıcı zamanlama kayışı‎3D yazıcı kayışı 10mASIN: B08974S1CCStandart 3D yazıcı zamanlama kayışları ile değiştirilebilir: 2mm Hatve, 6mm Genişlik, Kauçuk ve Fiberglas malzemeden yapılmış
gerekli sayı: 1
3DParça1 - İç DişliN/AN/AEk STL dosyalarına bakınız - ABS ile yazdırın
gerekli sayı: 1
3DParça2 - Dış DişliN/AN/AEk STL dosyalarına bakınız - ABS ile yazdırın
gerekli sayı: 1
3DParça3 - KamaN/AN/AEk STL dosyalarına bakınız - ABS ile 3-5 adet yazdırın
gerekli sayı: 1
3DParça4 - Kuvvet TaşıyıcıN/AN/AEk STL dosyalarına bakınız - PLA ile yazdırın
gerekli sayı: 1
Alüminyum kiriş Uzun80/20 inc10201 in x 2 in x 32 in
gerekli sayı: 1
Alüminyum kiriş Kısa80/20 inc10101 in x 1 in x 12 in
gerekli sayı: 2
Alüminyum çerçeve Bağlantı Elemanı / Emniyet Civatası80/20 inc4108 gerekli sayı: 3
Kol destekleyici FEATOLASIN: B0CGX8QZ3CStandart kol destekleyici ile değiştirilebilir
gerekli sayı: 1
Kol dayama hücresel polivinil klorür blokAzek boardSadece Geleneksel 8/4 X Kalınlık14 in x 6 1/2 in x 3/4 in
gerekli sayı: 14
KarabinalarRewoalzxASIN:  B0FB3VYV3N gerekli sayı: 2
Krom Alaşımlı Çelik Bilyalı RulmanlaruxcellUXCELL 6900 2RS - ASIN: B07FVX92MJBoyutlar: iç çap 10 mm, dış çap 22 mm, genişlik 6 mm.
gerekli sayı: 1
Excel/Hesap TablosuMicrosoftExcelHerhangi bir hesap tablosu yazılımı ile değiştirilebilir
gerekli sayı: 1
Parmak destekleyiciSopitoASIN:  B0B5C6RWR4 Standart parmak destekleyici ile değiştirilebilir
gerekli sayı: 1
IGOR 8 PROWavemetrics.com8 PROAurora Bilimsel Cihazları ile ve a/Fmax hesaplaması için kullanılır.
gerekli sayı: 1
Büyük hücresel polivinil klorür levhaAzek boardSadece Geleneksel 8/4 X Kalınlık6 3/4 in x 7 in x 3/4 in
gerekli sayı: 2
Metal aksGenelASIN: B0CC8T8X77Çelik Çubuk 9,97 mm kalınlıkta, 45 cm uzunlukta.
gerekli sayı: 1
Çok telli çelik tel Catch All TackleASIN: B00JTWDSQS1,4mm çap #400lb dayanım
gerekli sayı: 2
Telefon tutucuTribeASIN: B00SXRXUFEgerekli sayı: 1
Phyphox uygulamasıPhyphox.orgN/AApple App Store veya Google Play Store'dan indirin
gerekli sayı: 1
Python betiğiN/AN/Aİndirilebilir: Ek Doküman 1 muscle_velocity_gui.py
gerekli sayı: 1
Küçük hücresel polivinil klorür levhaAzek boardSadece Geleneksel 8/4 X Kalınlık1 in x 3 1/4 in x 3/4 in
gerekli sayı: 1
Akıllı telefonAppleIPhone 11İvmeölçeri olan herhangi bir Akıllı telefon ile değiştirilebilir
gerekli sayı: 1
Çelik tel sıkma uçlarıCatch All TackleASIN: B00JTWDSQS#400lb dayanım
gerekli sayı: 6
SınırlayıcılarBefenybayASIN: B0B1C6BPKQiç çap 10 mm, dış çap 20 mm, genişlik 20 mm
gerekli sayı: 2

Kaynaklar

  1. Hill AV. The heat of shortening and the dynamic constants of muscle. Proc R Soc Lond B Biol Sci. 1938;126:136-195.
  2. Huxley AF. Muscle structure and theories of contraction. Prog Biophys Biophys Chem. 1957;7:255-318.
  3. Seow CY. Hill's equation of muscle performance and its hidden insight on molecular mechanisms. J Gen Physiol. 2013;142:561-573.
  4. Alcazar J, Csapo R, Ara I, Alegre LM. On the shape of the force-velocity relationship in skeletal muscles: the linear, the hyperbolic, and the double-hyperbolic. Front Physiol. 2019;10:769.
  5. Huxley AF, Simmons RM. Proposed mechanism of force generation in striated muscle. Nature. 1971;233:533-538.
  6. Judge JL, Cazares VA, Thompson Z, Skidmore LA. Development of low-cost cardiac and skeletal muscle laboratory activities to teach physiology concepts and the scientific method. Adv Physiol Educ. 2020;44:181-187.
  7. Nelson FE, Gabaldón AM, Roberts TJ. Force-velocity properties of two avian hindlimb muscles. Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol. 2004;137:711-721.
  8. Wilkie DR. The relation between force and velocity in human muscle. J Physiol. 1949;110:249-280.
  9. Marsh RL, Bennett AF. Thermal dependence of contractile properties of skeletal muscle from the lizard Sceloporus occidentalis with comments on methods for fitting and comparing force-velocity curves. J Exp Biol. 1986;126:63-77.
  10. Medeiros HBO, Fontana HB, Herzog W. A low-cost 2-D sarcomere model to demonstrate titin-related mechanisms for force production. Adv Physiol Educ. 2024;48:92-96.
  11. Capuano V, Xu L, Estrada Benavides J. Smartphone MEMS accelerometer and gyroscope measurement errors: laboratory testing and analysis of the effects on positioning performance. Sensors. 2023;23:7609.
  12. Balaram J, et al. Mars Helicopter technology demonstrator [conference presentation]. Presented at: AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference, AIAA SciTech Forum; Kissimmee, FL; 2018. Available from: https://doi.org/10.2514/6.2018-0023
  13. Marsh RL. How muscles deal with real-world loads: the influence of length trajectory on muscle performance. J Exp Biol. 1999;202:3377-3385.
  14. Kontra C, Lyons DJ, Fischer SM, Beilock SL. Physical experience enhances science learning. Psychol Sci. 2015;26:737-749.
  15. Freeman S, et al. Active learning increases student performance in science, engineering, and mathematics. Proc Natl Acad Sci U S A. 2014;111:8410-8415.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Kas Gücü Ölçümü3D Yazıcıyla Üretilmiş KasnakCırcır Palet MekanizmasıAkıllı Telefon İvmeölçeriPhyphox UygulamasıPython Veri AnaliziKas Fizyolojisi EğitimiBiyomekanik Öğretimi

Bu makale yayımlandı

Video yakında

Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.