Niederglied Biomechanische Analyse gesunder Teilnehmer

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

1. Rekrutieren Sie gesunde Erwachsene (im Alter von 23 bis 63 Jahren, Mittelwert s.D.; 42,0 x 13,4, Körpermasse 70,4 x 15,3 kg, Höhe 175,5 x 9,8 cm; 15 Männer, 15 Frauen), um an der Studie teilzunehmen. Für diese Studie wurden 30 Teilnehmer rekrutiert.
2. Stellen Sie sicher, dass es keine selbst gemeldete Geschichte von Schwindel, Gleichgewichtsstörungen oder Gehschwierigkeiten bei den Teilnehmern gibt.
3. Stellen Sie sicher, dass die Teilnehmer nicht an einer bekannten neuromuskulären Verletzung oder Einem Zustand leiden, der das Gleichgewicht oder das Gehen beeinträchtigt.

2. Einrichtung und Verfahren für die Ganganalyse

1. Verwenden Sie ein Ganganalysesystem (Abbildung 1), das aus einem mit Zweiriemen-Kraftplatten instrumentierten Laufband, einem Bewegungsaufnahmesystem mit 10 Kameras und einer virtuellen Umgebung besteht, die einen optischen Fluss bietet.
2. Stellen Sie sicher, dass der Teilnehmer sehr enge, nicht reflektierende Kleidung wie Fahrradshorts oder Leggings trägt.
3. Mit doppelseitigen Klebebändern befestigen 25 passive reflektierende Marker und platzieren sie entsprechend der Unterkörperkonfiguration des Human Body Model (HBM)^7, wie in Tabelle 1 und Abbildung 2beschrieben. Die Informationen in diesem Dokument stammen aus dem HBM-Referenzhandbuch⁸.
4. Verwenden Sie ein Gelenklineal, um die erforderliche Knie- und Knöchelbreite für den HBM⁶zu messen.
5. Sichern Sie den Teilnehmer an einem Sicherheitsgurt, der an einem Overhead-Rahmen befestigt ist.
6. Starten Sie eine neue Sitzung in der Datenbank, und stellen Sie sicher, dass sie aktiv ist (hervorgehoben).
7. Erstellen Sie über die Registerkarte Betreff einen neuen Teilnehmer über die Schaltfläche Skelett beschriften.
8. Navigieren Sie zur Datei "LowerLimb HBM_N2.vst" und geben Sie dann den Namen des Teilnehmers ein. Der neue Teilnehmer wird im Bereich Themen angezeigt.
9. Wechseln Sie zum Bereich Extras, und öffnen Sie die Registerkarte Antragstellervorbereitung.
10. Null nivellieren Sie die Kraftplatten über die Hardware-Registerkarte. Stellen Sie sicher, dass kein Gewicht auf die Kraftplatten ausgeübt wird.
11. Bereiten Sie den Teilnehmer auf die ROM-Prüfung vor, indem Sie sie in der Mitte des Laufbandes fertig stellen.
12. Um sicherzustellen, dass sich der Teilnehmer an das selbstgebastelte Laufband gewöhnen kann, bitten sie, zu Beginn der Session^9,,105 Min. mit einer komfortablen Geschwindigkeit zu laufen.
13. Bitten Sie den Teilnehmer nach der Eingewöhnung und ohne Verzögerung summieren Sie den Teilnehmer, mindestens 5 min^10,11zu gehen.
14. Stellen Sie sicher, dass die Teilnehmer für das Timing der Aufnahmen geblendet sind.
15. Stellen Sie sicher, dass Sie das Laufband starten und Datenaufzeichnungen starten, indem Sie auf die Schaltfläche Aufnahme starten ¹²klicken. Dies kann mit integrierter Software (Tabelle der Materialien) erfolgen.
16. Beenden Sie die Aufzeichnung, nachdem Sie die gewünschte Datenmenge erfasst haben. Es wird empfohlen, drei Sätze von 25 Zyklen zu sammeln.
17. Öffnen Sie die Verarbeitungssoftware (Materialtabelle) und entfernen Sie das hochfrequente Rauschen auf Daten, indem Sie einen Tiefpassfilter zu den Markerdaten auswählen, z. B. einen Butterworth-Filter zweiter Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 6 Hz.
18. Wechseln Sie zu Datei, und wählen Sie dann Exportieren aus, um als .csv zu speichern.
19. Bestimmen Sie einzelne Schritte aus vertikalen Kraftdaten und verwenden Sie die Fußmarkierungen, um Gangereignisse zu ermitteln¹³.
20. Analysieren Sie die Gangparameter wie kinematische, kinetische und räumlich-zeitliche Daten in Matlab R2017a (Supplementary File).

3. Aufbau und Verfahren für Muskelkrafttest

1. Verwenden Sie die Muskelkraftprüfgeräte (multimodaler Dynamometer) (Abbildung 3), um die Muskelkraft der Teilnehmer basierend auf Maximum Voluntary Isometric Contraction (MVIC)¹⁴zu messen.
2. Befestigen Sie die Werkzeug-/Pad-Nummer 701 am Übungskopf des Dynamometers.
3. Die rechte und linke Knie-Isometrie-Muskelkraft des Testteilnehmers.
4. Testteilnehmer in einer sitzenden Position auf einem Stuhl mit Rückenlehne.
5. Richten Sie die Dynamometerachse mit dem Auf-/Abschalter an der anatomischen Drehachse des Kniegelenks aus. Platzieren Sie das Pad des Werkzeugs zentral am unteren Teil des Schienbeins der Tibia.
6. Halten Sie das Knie bei 90° Flexion, die Hüfte in neutraler Rotation und Entführung und den Fuß in der Plantarbeube.
7. Legen Sie die Hände des Teilnehmers auf den Bauch und stabilisieren Sie den Rumpf, die Hüften und den Mittelschenklauf mit Velcro Riemen auf dem Stuhl.
8. Führen Sie eine Übungsstudie durch, damit sich die Teilnehmer an das Testmanöver gewöhnen können.
9. Weisen Sie den Teilnehmer an, sein Knie zu verlängern (Druck nach oben auf das Pad auszuüben), gefolgt von Flex (Druck nach unten auf das Pad ausüben), um eine maximale Kontraktion auf dem Befehl Go for 3 s auszuüben.
10. Geben Sie während der Festigkeitsprüfung verbale Aufforderungen und Ermutigungen ("Push" für nach oben und "Pull" für nach unten).
11. Stellen Sie sicher, dass die Teilnehmer sich bewusst sind, dass sie den Test sofort abbrechen können, wenn sie ungewöhnliche Schmerzen oder Beschwerden haben.
12. Lassen Sie die Teilnehmer für 2 min ruhen.
13. Wiederholen Sie die Schritte 3.1 - 3.12, dreimal für das linke bein und das rechte Bein und zeichnen Sie die Daten in Newtons (N) auf.
14. Speichern Sie alle Daten und exportieren Sie sie als Bericht für die Analyse.

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 Festigkeitstests^{überein 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.

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.

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.

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 fuß^17,18anzupassen. 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 Studien^13,19, 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 Erschöpfung^27,28.²⁶ 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.