Method Article
Dieser Artikel stellt eine umfassende experimentelle Methodik zu zwei der neuesten verfügbaren Technologien vor, um die Biomechanik der unteren Gliedmaßen von Individuen zu messen.
Biomechanische Analysetechniken sind nützlich bei der Untersuchung der menschlichen Bewegung. Ziel dieser Studie war es, eine Technik für die biomechanische Bewertung der unteren Gliedmaßen bei gesunden Teilnehmern unter Verwendung kommerziell verfügbarer Systeme einzuführen. Für die Ganganalyse und Muskelkrafttestsysteme wurden separate Protokolle eingeführt. Um eine maximale Genauigkeit bei der Gangbewertung zu gewährleisten, sollte auf die Markerplatzierungen und die selbststufige Eingewöhnungszeit des Laufbandes geachtet werden. In ähnlicher Weise sind die Positionierung der Teilnehmer, eine Praxisprüfung und verbale Ermutigung drei kritische Phasen bei Muskelkrafttests. Die aktuellen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die in diesem Artikel beschriebene Methodik für die Bewertung der Biomechanik der unteren Gliedmaßen wirksam sein könnte.
Die Disziplin der Biomechanik umfasst in erster Linie das Studium von Stress, Dehnung, Belastungen und Bewegung biologischer Systeme - fest und flüssig gleichermaßen. Es beinhaltet auch die Modellierung von mechanischen Auswirkungen auf die Struktur, Größe, Form und Bewegung des Körpers1. Seit vielen Jahren haben Entwicklungen in diesem Bereich unser Verständnis von normalem und pathologischem Gang, Mechanik der neuromuskulären Kontrolle und Mechanik des Wachstums und der Form2verbessert.
Das Hauptziel dieses Artikels ist es, eine umfassende Methodik zu zwei der neuesten verfügbaren Technologien zur Messung der Biomechanik der unteren Gliedmaßen von Individuen zu präsentieren. Das Ganganalysesystem misst und quantifiziert die Gangbiomechanik mithilfe eines selbstlaufenden (SP) Laufbandes in Kombination mit einer Augmented Reality-Umgebung, die einen SP-Algorithmus integriert, um die Geschwindigkeit des Laufbandes zu regulieren, wie von Sloot et al3beschrieben. Die Muskelkraftprüfgeräte werden als Bewertungs- und Behandlungswerkzeug für die Rehabilitation der oberen Extremität4verwendet. Dieses Gerät kann objektiv eine Vielzahl physiologischer Bewegungsmuster oder Jobsimulationsaufgaben im isometrischen und isotonischen Modus bewerten. Es ist derzeit als Goldstandard für die Stärke der oberen Gliedmaßen5 anerkannt, aber die Beweise speziell auf die untere Extremität beziehen sich unklar. In diesem Artikel wird das detaillierte Protokoll für die Beurteilung der Gang- und Isometriefestigkeit für die untere Extremität erläutert.
Innerhalb der biomechanischen Analyse ist es sinnvoll, Beurteilungen der funktionellen Leistung (z. B. Ganganalyse) mit spezifischen Tests der Muskelleistung zu kombinieren. Dies liegt daran, während es angenommen werden kann, dass erhöhte Muskelkraft verbessert die funktionelle Leistung, dies kann nicht immer offensichtlich sein6. Dieses Verständnis ist für die verbesserte zukünftige Gestaltung von Rehabilitationsprotokollen und Forschungsstrategien erforderlich, um diese Ansätze zu bewerten.
Die gemeldete Methode wurde in einer Studie befolgt, die von der Bournemouth University Research Ethics Committee (Referenz 15005) ethisch genehmigt wurde.
1. Teilnehmer
2. Einrichtung und Verfahren für die Ganganalyse
3. Aufbau und Verfahren für Muskelkrafttest
Der Mittelwert und die Standardabweichung der räumlich-zeitlichen, kinematischen und kinetischen Gangparameter sind in Tabelle 2angegeben. Die MVIC-Daten für alle 30 Teilnehmer sind in Tabelle 3zusammengefasst. Ein typischer Datensatz für die linke und rechte Seite eines Teilnehmers, der die grafische Darstellung der Gangparameter zeigt, ist in Abbildung 4 bzw. Abbildung 5enthalten.
Die vorgelegten Daten sind repräsentativ für die Ergebnisse aller Teilnehmer und stimmen mit den Lehrbuch-Referenzergebnissen für Gang- und isometrische Festigkeitstestsüberein 15.
Abbildung 1: Gait-Analysesystem. Das GRAIL-System dient zur Messung von Gangparametern. Dieses System besteht aus einem mit Split-Riemen instrumentierten Laufband, einer 160° halbzylindrischen Projektionswand, Kraftsensoren, Videokameras und einem optischen Infrarotsystem. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Diagramm der Marker, die im Human Body Model (HBM) verwendet werden. Diese Abbildung zeigt die exakte Platzierung aller Marker im HBM-Unterkörpermodell. Besondere Aufmerksamkeit ist der Platzierung der grün gedruckten Markierungen zu widmen (Fett in Tabelle 1); diese werden während der Initialisierung verwendet, um das biomechanische Skelett zu definieren. Diese Zahl ist dem HBM-Referenzhandbuch8entnommen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Das Muskelkraftprüfgerät (multimodales Dynamometer), mit dem die Teilnehmer der Unteren Gliedmaße die Muskelkraft der unteren Gliedmaßen messen. Dieses System wird verwendet, um die Muskelkraft der Teilnehmer basierend auf Maximum Voluntary Isometric Contraction (MVIC) zu messen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Ein Stichprobenbericht, der aus der Offline-Analyse der Gangbewertung unter Verwendung der vorgeschlagenen Technik erstellt wurde. Räumliche Zeitdaten und kinematischer und kinetischer Gangzyklus für die linke Seite eines Teilnehmers. Jede Linie stellt einen Gangzyklus dar. Die Y-Achse stellt die Gelenkwinkel in Grad für die kinematischen Diagramme und das Gelenkmoment in Newtonmeter pro Kilogramm für die kinetischen Diagramme dar. Rote Linien stellen linke Gangparameter auf der linken Seite dar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Ein Stichprobenbericht, der aus der Offline-Analyse der Gangbewertung unter Verwendung der vorgeschlagenen Technik erstellt wurde. Räumliche Zeitdaten und kinematischer und kinetischer Gangzyklus für die rechte Seite eines Teilnehmers. Jede Linie stellt einen Gangzyklus dar. Die Y-Achse stellt die Gelenkwinkel in Grad für die kinematischen Diagramme und das Gelenkmoment in Newtonmeter pro Kilogramm für die kinetischen Diagramme dar. Die grünen Linien stellen die Parameter für den rechten Gang dar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Etikett | Anatomische Lage | Beschreibung |
T10 | T10 | Am 10. Brustwirbel |
SACR | Sacrumknochen | Auf dem Sakralknochen |
Schiff | Nabel | Auf dem Nabel |
XYPH | Xiphoiden-Prozess | Xiphiod-Procces des Brustbeins |
STRN | Brustbein | Auf der jugularen Kerbe des Brustbeins |
LASIS | Beckenknochen links vorne | Linke vordere überlegene iliac Wirbelsäule |
RASIS | Beckenknochen rechts vorne | Rechte vordere überlegene iliac Wirbelsäule |
LPSIS | Beckenknochen links hinten | Linke hintere überlegene iliac Wirbelsäule |
RPSIS | Beckenknochen rechts hinten | Rechte hintere überlegene iliac Wirbelsäule |
LGTRO | Links größerer Trochanter des Oberschenkelknochens | In der Mitte der linken größeren Trochanter |
FLTHI | Linker Oberschenkel | Am 1/3 auf der Strecke zwischen LGTRO und LLEK |
LLEK | Linke slaterale Epicondyle des Knies | Auf der Seitenseite der Gelenkachse |
LATI | Linke vor der Tibia | Am 2/3 auf der Strecke zwischen LLEK und LLM |
Llm | Linker seitlicher Malleolus des Knöchels | Die Mitte des linken seitenseitigen Malleolus |
LHEE | Linke Ferse | Mitte der Ferse auf der gleichen Höhe wie die Zehen |
LTOE | Linke Zehen | Spitze des großen Zehens |
LMT5 | Links 5. Meta-Tarsal | Caput des 5. Meta-Tarsalknochens, auf Gelenklinie Mittelfuß/Zehen |
RGTRO | Rechts größerer Trochanter des Oberschenkelknochens | In der Mitte der rechten größeren Trochanter |
FRTHI | Rechter Oberschenkel | Am 2/3 auf der Strecke zwischen RGTRO und RLEK |
RLEK | Rechte slaterale Epicondyle des Knies | Auf der Seitenseite der Gelenkachse |
Rati | Rechte vor der Tibia | Am 1/3 auf der Strecke zwischen RLEK und RLM |
Rlm | Rechtes seitliches Malleolus des Knöchels | Die Mitte des rechten seitenseitigen Malleolus |
Rhee | Rechte Ferse | Mitte der Ferse auf der gleichen Höhe wie Zehen |
RTOE | Rechter Zehen | Spitze des großen Zehens |
RMT5 | Rechte 5. Meta-Tarsal | Caput des 5. Meta-Tarsalknochens, auf Gelenklinie Mittelfuß/Zehen |
Tabelle 1: Marker, die im Human Body Model (HBM) verwendet werden. Diese Tabelle zeigt die genaue Platzierung aller Marker im HBM-Unterkörpermodell. Besondere Aufmerksamkeit sollte der Platzierung der fett geschriebenen Markierungen gewidmet werden; diese werden während der Initialisierung verwendet, um das biomechanische Skelett zu definieren. Diese Tabelle ist dem HBM-Referenzhandbuch8angepasst.
Variablenname | Seite | Bedeuten | Standardabweichung |
Räumlich zeitlich | |||
Gehgeschwindigkeit (m/s) | 1.37 | 0.22 | |
Schrittlänge (m) | Links | 0.72 | 0.07 |
Richting | 0.73 | 0.07 | |
Schrittzeit (s) | Links | 1.07 | 0.10 |
Richting | 1.07 | 0.10 | |
Stance-Zeit (s) | Links | 0.70 | 0.08 |
Richting | 0.70 | 0.08 | |
Schwingzeit (s) | Links | 0.37 | 0.03 |
Richting | 0.37 | 0.03 | |
Kinematische | |||
Hip Flex (deg) | Links | 30.05 | 9.08 |
Richting | 29.92 | 8.79 | |
Hip Ext (deg) | Links | -13.26 | 7.75 |
Richting | -13.36 | 7.68 | |
Hip Abd (deg) | Links | -7.27 | 3.00 |
Richting | -7.72 | 3.17 | |
Hip Add (deg) | Links | 8.66 | 4.22 |
Richting | 7.81 | 3.72 | |
Hip Int Rot (deg) | Links | 5.38 | 6.95 |
Richting | 6.82 | 6.42 | |
Hip Ext Rot (deg) | Links | -9.04 | 7.03 |
Richting | -5.77 | 5.97 | |
Knie Flex (deg) | Links | 67.46 | 5.16 |
Richting | 68.47 | 4.75 | |
Knie Ext (deg) | Links | -0.43 | 2.26 |
Richting | -0.29 | 2.01 | |
Knöchel Flex (deg) | Links | -17.20 | 6.94 |
Richting | -14.91 | 6.47 | |
Knöchel Ext (deg) | Links | 18.13 | 5.92 |
Richting | 19.36 | 6.54 | |
Kinetische | |||
Peak Hip Ext (Nm/kg) | Links | 0.82 | 0.21 |
Richting | 0.80 | 0.24 | |
Peak Hip Abd (Nm/kg) | Links | 0.91 | 0.15 |
Richting | 0.92 | 0.11 | |
Peak Hip Int Rot (Nm/kg) | Links | 0.26 | 0.13 |
Richting | 0.26 | 0.14 | |
Peak Knee Ext (Nm/kg) | Links | 0.38 | 0.06 |
Richting | 0.39 | 0.06 | |
Peak Ankle Flex (Nm/kg) | Links | 1.85 | 0.21 |
Richting | 1.86 | 0.22 |
Tabelle 2: Mittelwert und Standardabweichung der räumlich-zeitlichen, kinematischen Gaitparameter für die 30 Teilnehmer. Gait-Parameter werden für die linke und rechte Seite separat gemeldet.
Variablenname | Seite | Bedeuten | Standardabweichung |
Knie Ext | Links | 527.17 | 136.42 |
Richting | 550.60 | 132.55 | |
Knie Flex | Links | 191.60 | 38.53 |
Richting | 203.87 | 47.67 |
Tabelle 3: Mittelwert und Standardabweichung der Maximum Voluntary Isometric Contraction (MVIC) für das Kniegelenk mit dem Muskelkraftprüfgerät für die 30 Teilnehmer.
Ergänzende Datei 1: Matlab-Codierungsdatei. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei anzuzeigen (Rechtsklick zum Herunterladen).
Der Beitrag dieser Studie besteht darin, die Techniken für kombinierte Ganganalyse und Muskelkrafttests, die bisher nicht zusammen beschrieben wurden, in einem Protokoll genau und umfassend zu beschreiben.
Um genaue Ergebnisse für die Ganganalyse zu erzielen, gibt es zwei Bereiche, die maximale Aufmerksamkeit erfordern: 1) Markerplatzierungen und 2) Akklimatisierungszeit. Die Genauigkeit der Messdaten hängt stark von der Genauigkeit des verwendeten Modells ab. Die anderen Schlüsselfaktoren, die die Genauigkeit beeinflussen, sind eine fehlerhafte Markerbewegung aufgrund oberflächlicher Hautverformung relativ zur darunter liegenden Skelettstruktur und die Auflösung des Tracking-Systems16. Abbildung 2 zeigt die genaue Platzierung aller Marker im HBM-Unterkörpermodell. Besondere Aufmerksamkeit sollte der Platzierung der grün gedruckten Marker gewidmet werden; diese werden während der Initialisierung verwendet, um das biomechanische Skelett zu definieren. Die Teilnehmer wurden gebeten, mindestens 5 min zu laufen, um sich an sp Laufband zu fuß17,18anzupassen. Der SP-Modus wurde gewählt, um den Teilnehmern eine natürlichere Schrittvariabilität3zu ermöglichen. Studien haben jedoch gezeigt, dass die Gehgeschwindigkeit während des SP-Gehens stärker variiert und Gangstörungen durch Beschleunigung oder Verzögerung des Gürtels3auftreten können. Im Einklang mit anderen Studien13,19, um diesen Effekt zu minimieren, empfehlen wir mindestens fünf Minuten19 sollte für die Akklimatisierung erlaubt werden.
Um die Muskelkraft der Teilnehmer mit dem Muskeltestgerät zu messen, gibt es drei kritische Phasen: 1) Ausrichtung des Kniegelenks mit der Dynamometerachse, 2) Praxisversuch und 3) verbale Ermutigung. Eine unangemessene Ausrichtung zwischen dem Dynamometer und der Drehachse des Kniegelenks kann zu einem Faktor führen, der eine genaue isometrische Bewertung verwirrt20. Während der gesamten Studie erhielten alle Teilnehmer vor der Teilnahme genaue Anweisungen über das System. Eine Praxisprüfung und verbale Ermutigung sind jedoch zwei Faktoren, die das MVIC14stark beeinflussen können. Viele der Personen, die den Krafttest unterzogen haben sehr begrenzte oder keine Erfahrung in der Durchführung von Krafttests Manöver. Festigkeitstests haben sich im Allgemeinen als zuverlässig21erwiesen, aber es hat sich gezeigt, dass Die Stärke der Anfänger bei späteren Tests wahrscheinlich verbessert wird, da sie sich mit dem Test und dem System22vertrauter machen. Verbale Ermutigung während des Trainings Tests hat gezeigt, um maximale Kraft zu verbessern23, Rate der Kraftentwicklung23, Muskelaktivierung24, Muskelausdauer 25 , Kraft26, maximaler Sauerstoffverbrauch27, und Zeit bis zur Erschöpfung27,28.26 Daher empfehlen wir ihnen dringend, diesen Schritt anzunehmen.
Insgesamt sind die hier vorgestellten Daten repräsentativ für die Referenzergebnisse des Lehrbuchs für Gang- und isometrische Festigkeitsprüfungen, die an anderen Geräten gewonnen wurden. Daher wird vorgeschlagen, dass die in diesem Artikel beschriebene Methodik bei der Beurteilung von Gang und Muskelkraft bei gesunden Personen als wirksam angesehen werden kann. In weiteren Studien sollte die Zuverlässigkeit dieser Systeme bewertet werden, bevor sie in klinischen Anwendungen eingesetzt werden.
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Wir danken Dr. Johnathan Williams für seine Beratung zur MATLAB Datenverarbeitung.
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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