Нижняя лимба биомеханический анализ здоровых участников

В этой статье представлена комплексная экспериментальная методология по двум новейшим технологиям, доступным для измерения биомеханики нижних конечностей отдельных лиц.

Методы биомеханического анализа полезны при изучении движения человека. Цель этого исследования состояла в том, чтобы внедрить методику биомеханической оценки нижних конечностей у здоровых участников с использованием коммерчески доступных систем. Были введены отдельные протоколы для анализа походки и систем ыхсилки. Чтобы обеспечить максимальную точность оценки походки, следует обратить внимание на размещение маркеров и самостоятельно развивающийся беговой дорожке акклиматизации времени. Аналогичным образом, позиционирование участников, практика суда, и словесное поощрение три критических этапов в тестировании мышечной силы. Имеющиеся в настоящее время данные свидетельствуют о том, что методология, изложенная в настоящей статье, может быть эффективной для оценки биомеханики нижних конечностей.

Дисциплина биомеханики в первую очередь включает в себя изучение стресса, напряжения, нагрузок и движения биологических систем - как твердых, так и жидких. Она также включает в себя моделирование механического воздействия на структуру, размер, форму и движение тела^1. На протяжении многих лет, события в этой области улучшили наше понимание нормальной и патологической походки, механики нервно-мышечного контроля, а также механики роста и формы².

Основная цель этой статьи заключается в представлении всеобъемлющей методологии по двум новейшим технологиям, доступным для измерения биомеханики нижних конечностей отдельных лиц. Система анализа походки измеряет и количественно биомеханика походки с помощью самостоятельно развивающейся (SP) беговой дорожки в сочетании с окружающей средой дополненной реальности, которая интегрирует алгоритм SP для регулирования скорости беговой дорожки, как описано Sloot et al^3. Оборудование для проверки мышечной силы используется в качестве оценки и лечебного средства для реабилитации верхних конечностей^4. Это устройство может объективно оценить различные физиологические модели движения или задачи моделирования работы в изометрических и изотонических режимах. В настоящее время признается в качестве золотого стандарта для измерения силы верхних конечностей^5, но доказательства, связанные конкретно с нижней конечности остается неясным. В настоящем документе разъясняется подробный протокол для завершения оценки походки и изометрической силы нижних конечностей.

В рамках биомеханического анализа полезно сочетать оценки функциональной работоспособности (например, анализ походки) с конкретными тестами мышечной работоспособности. Это потому, что в то время как можно предположить, что увеличение мышечной силы улучшает функциональную производительность, это не всегда может быть очевидным⁶. Это понимание необходимо для совершенствования будущей разработки протоколов реабилитации и стратегий исследований для оценки этих подходов.

Метод сообщил и следовал в исследовании, которое получило этичное одобрение от Борнмутского университета исследовательский комитет по этике (Справка 15005).

1. Участники

1. Для участия в исследовании можно завербовать здоровых взрослых (в возрасте от 23 до 63 лет, среднее s.D.; 42.0 и 13.4, массу тела 70,4 и 15,3 кг, рост 175,5 и 9,8 см; 15 мужчин, 15 женщин). Для этого исследования было набрано 30 участников.
2. Убедитесь, что нет самостоятельной сообщили истории головокружение, проблемы с балансом или ходьба трудности в участников.
3. Убедитесь, что участники не страдают от каких-либо известных нервно-мышечной травмы или состояния, влияющих на баланс или ходьбу.

2. Настройка и процедуры анализа походки

1. Используйте систему анализа походки(Рисунок 1),состоящую из двухпоясной силовой беговой дорожки, 10-камерной системы захвата движения и виртуальной среды, обеспечивающей оптический поток.
2. Убедитесь, что участник носит очень туго неотражающую одежду, такую как велосипедные шорты или леггинсы.
3. Использование двусторонних клеевых лент прикрепляют 25 пассивных светоотражающих маркеров и место в соответствии с нижней конфигурацией тела человека модели (HBM)^7, как подробно описано в таблице 1 и рисунок 2. Информация в этом документе взята из Справочного руководства HBM⁸.
4. Используйте совместную линейку для измерения требуемой ширины колена и лодыжки для HBM^6.
5. Безопасный участник ремня безопасности, который крепится к накладной раме.
6. Запустите новый сеанс в базе данных и убедитесь, что он активен (выделен).
7. Используя вкладку предмета, создайте нового участника из кнопки «Скелет» маркировки.
8. Просмотрите файл "LowerLimb HBM_N2.vst", а затем введите имя участника. Новый участник появляется в панели тем.
9. Перейдите к панели инструментов и откройте вкладку «Подготовка вопроса».
10. Нулевой уровень силовых пластин через вкладку Оборудование. Убедитесь, что никакой вес не оказывается на силовые пластины.
11. Подготовьте участника к пробе ROM, приготовив его в середине беговой дорожки.
12. Чтобы участник мог приучить себя к самостоятельно развивающейся беговой дорожке, попросите его ходить на комфортной скорости в течение 5 минут в начале сеанса^9,,10.
13. После акклиматизации и без промедления, попросите участника ходить в течение как минимум 5 мин^10,11.
14. Убедитесь, что участники ослеплены временем записей.
15. Убедитесь, что для начала беговой дорожке и начать запись данных, нажав кнопку записи Запуска ¹². Это можно сделать с интегрированным программным обеспечением(Таблица материалов).
16. Остановите запись после получения необходимого объема данных. Рекомендуется собрать три комплекта из 25 циклов.
17. Откройте программное обеспечение для обработки(Таблица материалов)и удалите высокочастотный шум на данных, выбрав фильтр с низким проходом для маркерных данных, таких как фильтр второго порядка Butterworth с частотой отсечения 6 Гц.
18. Перейти к файлу,а затем выбрать Экспорт, чтобы сохранить как .csv.
19. Определите индивидуальные шаги от вертикальных данных силы и используйте маркеры ноги для того чтобы установить события походки^13.
20. Проанализируйте параметры походки, такие как кинематические, кинетические и пространственно-временные данные в Matlab R2017a(Дополнительный файл).

3. Настройка и процедуры для теста на мышечную силу

1. Используйте оборудование для тестирования мышечной силы (мультимодальный динамометр)(рисунок 3),чтобы измерить мышечную силу участников на основе максимального добровольного изометрического сокращения (MVIC)¹⁴.
2. Прикрепите инструмент/панель номер 701 к головке упражнения динамометра.
3. Тест участника правого и левого колена изометрической мышечной силы.
4. Участники тестирования в сидячем положении на стуле с спинкой.
5. Используя переключатель вверх/вниз, выровняйте ось динамометра с анатомической осью коленного сустава вращения. Поместите колодку инструмента централизованно в нижней части глений голени.
6. Держите колено на 90 "сгибание, бедра в нейтральном вращении и похищения, и ноги в подошвенный сгибание.
7. Поместите руки участника на живот и стабилизировать туловище, бедра и середину бедра на стуле с Velcro ремнями.
8. Запустите пробную пробную версию для участников, чтобы привыкнуть к испытательному маневру.
9. Поручить участнику расширить колено (надавите вверх на колодку), а затем сгибать (оказывать давление вниз на площадку) для оказания максимального сокращения на команду Go в течение 3 с.
10. Обеспечить словесные подсказки и поощрения ("Push" для вверх и "Pull" для вниз) во время тестирования на прочность.
11. Убедитесь, что участники знают, что они могут остановить тест немедленно, если они испытывают какие-либо необычные боли или дискомфорта.
12. Разрешить участникам отдохнуть в течение 2 мин.
13. Повторите шаги 3.1 - 3.12, три раза для левой ноги и правой ноги и запишите данные в ньютонах (N).
14. Сохранить все данные и экспорт в качестве отчета для анализа.

Среднее и стандартное отклонение пространственно-временных, кинематических и кинетической походки приведено в таблице 2. Данные MVIC для всех 30 участников приведены в таблице 3. Типичный набор данных для левой и правой стороны одного участника, показывающий графическое представление параметров походки, представлен на рисунке 4 и рисунке 5соответственно.

Представленные данные являются репрезентативными результатами, полученными во всех участниках, и согласуются с результатами справочных учебников, полученными для анализа походки и изометрической силы^15.

Рисунок 1: Система анализа gait. Система GRAIL используется для измерения параметров походки. Эта система состоит из сплит-пояса инструментальной беговой дорожке, 160 "полуцилиндрический проекционный экран, датчики силы, видеокамеры и оптической инфракрасной системы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 2: Диаграмма маркеров, используемых в модели человеческого тела (HBM). Эта цифра показывает точное размещение всех маркеров в модели нижней части тела HBM. Особое внимание следует уделить размещению маркеров, напечатанных зеленым цветом (жирный в таблице 1); они используются во время инициализации для определения биомеханического скелета. Эта цифра адаптирована из Справочного руководства HBM⁸. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 3: Оборудование для проверки мышечной силы (мультимодальный динамометр), используемое для измерения силы мышц нижних конечностей. Эта система используется для измерения мышечной силы участников на основе максимального добровольного изометрического сокращения (MVIC). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 4: Образец отчета, подготовленного в результате автономного анализа оценки походки с использованием предлагаемого метода. Пространственные временные данные и цикл кинетической и кинетической походки для левой стороны одного участника. Каждая строка представляет собой один цикл походки. Оси Y представляет собой совместные углы в градусах для кинематических участков и совместный момент в ньютон-метре на килограмм для кинетических участков. Красные линии представляют параметры левой боковой походки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 5: образец отчета, подготовленного в результате автономного анализа оценки походки с использованием предлагаемого метода. Пространственные временные данные и цикл кинетической и кинетической походки для правой стороны одного участника. Каждая строка представляет собой один цикл походки. Оси Y представляет собой совместные углы в градусах для кинематических участков, и совместный момент в ньютон-метре на килограмм для кинетических участков. Зеленые линии представляют параметры правой боковой походки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Таблица 1: Маркеры, используемые в модели человеческого тела (HBM). В этой таблице показаны точные размещения всех маркеров в модели нижней части тела HBM. Особое внимание следует уделить размещению маркеров, написанных жирным шрифтом; они используются во время инициализации для определения биомеханического скелета. Эта таблица адаптирована из Справочного руководства HBM⁸.

Таблица 2: Среднее и стандартное отклонение пространственно-временного, кинематических, кинетических параметров походки для 30 участников. Параметры похода сообщаются для левой и правой стороны отдельно.

Таблица 3: Среднее и стандартное отклонение максимального добровольного изометрического сжатия (MVIC) для коленного сустава с использованием оборудования для тестирования мышечной силы для 30 участников.

Дополнительный файл 1: Файл кодирования Matlab. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть этот файл (Право нажмите, чтобы скачать).

Вклад этого исследования заключается в точном и всестороннем описании в рамках одного протокола методов комбинированного анализа походки и тестирования мышечной силы, которые ранее не были описаны вместе.

Для достижения точных результатов для анализа походки, Есть две области, которые требуют максимального внимания: 1) маркер размещения и 2) акклиматизации времени. Точность измеренных данных в значительной степени зависит от точности используемой модели. Другие ключевые факторы, влияющие на точность включают ошибочное движение маркера из-за поверхностной деформации кожи по отношению к основной скелетной структуры, и разрешение системы слежения¹⁶. На рисунке 2 показаны точные размещения всех маркеров в модели нижней части тела HBM. Особое внимание следует уть размещению маркеров, напечатанных зеленым цветом; они используются во время инициализации для определения биомеханического скелета. Участникам было предложено ходить, по крайней мере 5 минут, чтобы адаптироваться к беговой дорожке SP ходьбе^17,18. Режим SP был выбран для того, чтобы позволить участникам более естественную изменчивость шага³. Тем не менее, исследования показали, что скорость ходьбы больше варьируется во время SP ходьбы и походка нарушения могут произойти через ускорение или замедление пояса³. В соответствии с другими исследованиями^13,19, чтобы свести к минимуму этот эффект, мы рекомендуем по крайней мере пять минут¹⁹ должны быть допущены к акклиматизации.

Для измерения мышечной силы участников с помощью оборудования для мышечного тестирования существует три критических этапа: 1) выравнивание коленного сустава с оси динамометра, 2) практика испытания, и 3) словесное поощрение. Ненадлежащее выравнивание между динамометром и осью коленного сустава вращения может привести к фактору, смешивающему точную изометрическую оценку^20. На протяжении всего исследования, все участники получили точную инструкцию о системе до участия. Тем не менее, практика суда и словесное поощрение являются двумя факторами, которые могут значительно повлиять на MVIC¹⁴. Многие из людей, которые прошли испытание на прочность имеют очень ограниченный или нет опыта в выполнении маневров испытания прочности. Проверка прочности, как правило, показали, чтобы быть надежным²¹, но было показано, что сила десятки начинающих участников, вероятно, улучшится на последующих испытаний, как они становятся более удобными и знакомы с тестом и системы²². Вербальное поощрение во время тестирования упражнений было показано, для повышения максимальной силы²³, скорость развития силы²³, мышечная активация 24 , мышечная выносливость²⁵, мощность²⁶, максимальное потребление кислорода²⁷, и время до истощения^27,28.²⁵ Поэтому мы настоятельно рекомендуем принять этот шаг.

В целом, представленные здесь данные являются репрезентативными для результатов справочных учебников для анализа походки и изометрической прочности, полученных на другом оборудовании. Поэтому предлагается, чтобы методология, изложенная в данной статье, могла считаться эффективной при оценке походки и мышечной силы у здоровых людей. Дальнейшие исследования должны оценить надежность этих систем, прежде чем они будут использованы в клинических приложениях.

Авторам нечего раскрывать.

Мы хотели бы поблагодарить д-ра Джонатана Уильямса за его советы по обработке данных MATLAB.