טכניקות תנודה ודירקטוריון תגובה למאפייני אינרציאליות אומדן של תותב מתחת לברך
Summary
מאפייני אינרציה מגזרי גוף נדרשים לדוגמנות דינמיקה הפוכה. שימוש בתנודה וטכניקת תגובת דירקטוריון, תכונות אינרציה של תותבות מתחת לברך נמדדו. שימוש באמצעים ישירים של אינרציה תותבת במודל הדינמיקה ההפוכה מהרגל התותבת הביא בהירויות נמוכות יותר של כוחות משותפים תוצאתי ורגעים.
Abstract
מטרתו של מחקר זה הייתה כפול: 1) מדגים טכניקה שניתן להשתמש בם כדי להעריך באופן ישיר את מאפייני האינרציה של תותבת מתחת לברך, ו2) בניגוד ההשפעות של הטכניקה ושהציעה להשתמש במאפייני אינרציה איבר שלם על הערכות הקינטית משותפות בזמן הליכה בקטועי גפיים חד צדדיים, transtibial. מערכת תנודה ותגובת המועצה קבלה תוקף והוצגה להיות אמין במדידת תכונות אינרציה של מוצקים גיאומטריים ידועים. כאשר מדידה ישירה של תכונות אינרציה של התותבת שימשו בדוגמנות דינמיקה ההפוכה של הגפיים התחתונים בהשוואה להערכות אינרציה המבוססות על שוק וכף רגל בשלמותה, קינטיקה המשותפת בירך והברך היתה נמוכה משמעותי במהלך שלב התנופה של הליכה. הבדלים במשותפים קינטיקה בעמדה, לעומת זאת, היו קטנים יותר מאלו שנצפו בתנופה. לכן, חוקרים מתמקדים בשלב הנדנדה של הליכה צריכים לשקול את ההשפעה של prosthesהיא הערכות רכוש אינרציה על תוצאות מחקר. על עמדה, או אחד משני דגמי האינרציה נחקרו במחקר שלנו עשוי להוביל לתוצאות דומות עם הערכת דינמיקה הפוכה.
Introduction
כדי לכמת את הכוחות משותפים שנוצר ורגעים במהלך תנועה, יש צורך במודל דינמיקה ההפוכה של המערכת של עניין בעבודה עם נתונים אמפיריים. לביומכניקה בגפיים תחתונה, דגמי דינמיקה הפוכות בדרך כלל מייצגים את הרגל, שוק, ירך וגופים קשיחים כ. קלט עבור דגמים אלה מגיעים משלושה מקורות עיקריים: א) קינמטיקה תנועה, ב) כוחות תגובת קרקע, וג) anthropometrics מגזר ותכונות אינרציה. נתוני תנועה נאספים עם מגוון רחב של מערכות ניתוח תנועה, אבל כל המערכות בעצם מספקות קינמטיקה הבסיסית של התנועה (מיקום, מהירות, ותאוצה). כוחות תגובת קרקע נאספים עם צלחת כוח ולספק את כוחות המגע הפועלים על הרגליים. Anthropometrics הם מדידות שנלקחו ישירות מהגוף באמצעות שליטים, קלטות גמישות, ו / או מחוגה. מדידות אנתרופומטריות אלה משמשות כדי להעריך את תכונות אינרציה של מגזרי הגוף משמשים בdynami ההפוךcs מנתח. תכונות אינרציאליות כוללות מסה, מרכז מסת מיקום (COM) ומומנט התמד (משרד הפנים) של המגזר ביחס לציר דרך COM המגזר או הפרוקסימלי או משותף דיסטלי. מתודולוגיות וציוד המשמשים לאיסוף נתוני תנועה וכוח תגובת קרקע דומות בין קבוצות מחקר, אך הערכות אינרציה של מגזרי גוף יכולות להשתנות במידה רבה בין חוקרים תלוי באיזה שיטת החוקר בוחר להערכת מאפייני אינרציה אלה.
טכניקות שונות זמינות להערכת תכונות האינרציה של מגזר גוף אדם בשלמותה באופן מלא כוללות: 1) משוואות רגרסיה המבוססות על נתונים פגר 1-5, 2) טכניקות מודלים מתמטיים (כלומר, מודלים גיאומטריים) 6,7, וסריקה 3) והדמיה 8-15. רבים של טכניקות אלה דורשים מדידות ישירות מהגוף, אבל זה בעבר כבר הראה כי ללא קשר לשיטת האמידה בשימוש, הדיוק של צינוק גוףהערכות אינרציה ment המבוססות על שיטות אלו היא גבוהים 16. כמו כן, הוכח שיש להם טעויות באומדנים של תכונות אינרציה של מגזרי גוף שלמים השפעה מינימאלית על בהירויות רגעים משותפים שנוצר במהלך ההליכה 17,18. רגעים משותפים מושפעים במידה רבה יותר על ידי כוחות תגובת קרקע, מרכז מקומות לחץ, אורכי זרוע רגע, וקינמטיקה קטע 17-19. לכן, אין זה מפתיע כי שיטות להערכת מאפייני אינרציה של מגזרי גוף משתנות במידה רבה על פני הספרות בעת שימוש באנשים כשירים כפי שנמסרו למשתתפי מחקר שטעויות קטנות בהערכות אלה עשויים להיות להם השפעה מועטת על תוצאות של המחקר.
רבים מהערכות אינרציה אלה עבור פלח גוף שלם במלואו משמשים לעתים קרובות להערכת תכונות האינרציה של תותבות לקטועי גפיים בגפיים התחתונים. תותבות גפיים התחתונות מודרניות מיוצרים באמצעות חומרים קלים resulting בגפיים תותבים שהם הרבה יותר קלים מאשר בגפיים הם מחליפים. התוצאה היא חוסר סימטריה בין אינרציה האיבר תותב וגפיים ללא פגע. בהשוואה עם שוק טיפוסי שלם ורגל, המסה של תותבת מתחת לברך ואיבר שיורי הוא כ 35% פחות ויש לו מרכז המסה ממוקם כ 35% קרוב יותר לברך המשותפת 20-23. המוני והפצה המונית הפרוקסימלי יותר של האיבר תותב התחתונים מייצר גם רגע הרבה יותר נמוך (~ 60%) ביחס אינרציה למפרק הברך לאיבר תותב בהשוואה לזו של השוק וכף רגל בשלמותה. למרות שהחוקרים 24,25 הציעו בעבר כי שימוש באומדני אינרציה ללא פגע לאיבר תותב יש השפעה מועטת על הערכות הקינטית משותפות, השוואות אלה התמקדו ברגעים משותפים שנוצר במהלך שלב העמדה של הליכה, שבו כוח תגובת הקרקע שולט ברגע מיוצר ב משותף. במהלך נדנדה, שבו כוחות תגובת קרקע אינם נוכחים,מאפייני אינרציה מופחתים של התותבת יש סיכוי גבוה יותר להשפיע על הערכות של רגעים משותפים שנוצר. בהתחשב בכך שחלק מהחוקרים למשל, 26-32 לנצל תכונות אינרציה קטע שלמות כדי לייצג את מאפייני אינרציה תותבות ואחרים למשל 21-23 מאפייני אינרציה תותב הערכה ישירות, חשוב להבין את ההשפעה של השיטות שנבחרו להערכת תכונות האינרציה של התותבת . צמצום הזמן הנדרש למדידת תכונות אינרציה של התותבת היה שיקול חשוב בהתפתחותה של הטכניקה שלנו. בטכניקה המוצגת כאן התותבת נותרה בשלמותה באופן מלא לכל המדידות כדי לקצר את זמני מדידה ולהימנע מכל פעמים נוספות הקשורות ליישר את התותבת לאחר מדידה.
לפיכך, מטרתו של מחקר זה הייתה כפול: 1) מדגים טכניקה שניתן להשתמש בם באופן ישיר להעריך את תכונות אינרציה של abתותבת elow הברך, ו 2) בניגוד ההשפעות של הטכניקה ושהציעה להשתמש במאפייני אינרציה איבר שלם על הערכות הקינטית משותפות בזמן הליכה בקטועי גפיים חד צדדיים, transtibial. זה היה שיערו כי בהירויות הקינטית משותפות הן גדולות יותר כאשר תכונות אינרציה של השוק וכף הרגל בשלמותה משמשות כהערכות אינרציה לתותב בהשוואה למדידה ישירה של תכונות אינרציה התותבת.
Protocol
Representative Results
Discussion
טכניקת לוח תנודה והתגובה הוצגה להערכת תכונות האינרציה של תותבות מתחת לברך. מערכת זו קבלה תוקף והוצגה להיות אמין באמידת תכונות אינרציה של מוצקים ידועים גיאומטריים (נספח א '). מאפייני אינרציה גפיים תותב לקבוצה של קטועי גפיים חד צדדיים, transtibial נאמדו בשתי דרכים: א) על ידי מדידה ישירה באמצעות תנודה וטכניקות תגובת דירקטוריון, ב) באמצעות משוואות חיזוי סטנדרטיות יצרו עבור גפיים ללא פגע. הערכות רכוש אינרציה וכתוצאה מכך לאיבר תותב היו שונות באופן משמעותי לשתי גישות. הבדל במאפייני אינרציה זה הביא להערכות שונות באופן משמעותי משותפת קינטיקה בזמן הליכה, עם הבדלים גדולים יותר שנצפו במהלך תנופה.
למרות הבדלים משמעותיים במפרק קינטיקה התרחשו במהלך עמדה באמצעות שתי הערכות פרמטר אינרציה שונות, הבדלים אלה היו שלקניון כאשר בוחנים את השפעות גדלים להבדלים אלו ובהשוואה להבדלים שנצפו בתנופה. ברוב המחקרים של תנועה אנושית, הבדלים משמעותיים מבחינה סטטיסטית אלה במהלך העמדה לא יכולים להיות השפעה על התוצאות במחקר. יש כוחות תגובת קרקע השפעה גדולה על בהירויות רגע הכוללות של מפרקי גפיים התחתונים במהלך שלב העמדה של הליכה. 17-19 למרות שהיו הבדלים משמעותיים בפרמטרי האינרציה לשני הדגמים, הבדלים אלה לא היו מספיק כדי להתגבר על חשיבותו של קרקע תרומת כוח התגובה לייצור הרגע המשותף בעמדה. מילר 25 גם הציע בעבר כי תכונות האינרציה של הצד תותב הייתה השפעה רבה על סדר גודל של קינטיקה המשותפת הגפיים התחתונים במהלך שלב העמדה של ריצה. עם זאת, מילר 25 לקח בחשבון רק את ההבדלים במסה ומרכז המיקום המוני של האיבר, כאשר שינוי פרותכונות האינרציה של איבר sthetic למודל הדינמיקה ההפוכה. הבדלים במומנט התמד לא טופלו במודל, אבל זה הוצע כי גם אם הרגע של רפיון הוכפל או חצויים זה יהיה סביר להניח שיש השפעה מועטת על הגודל של מפרק הרגע. טווח Iα במשוואת התנועה היווה פחות מ -3% של מפרק הרגע הכללי בכל רגע נתון במהלך שלב העמדה של ריצה. במונחים מוחלטים, את השינוי הגדול ביותר בהיקפו רגע למחקר שלנו היה שנצפה במפרק הירך ברגע ~ 11% ממחזור ההליכה בי עליית הגודל הממוצעת הייתה ~ 2 N · מ '. זה היה כמחצית מהעלייה בסדר הגודל שנצפתה על ידי מילר 25 במהלך שלב העמדה של ריצה. התוצאות שלנו בשילוב עם אלו של מילר מצביעות על כך שיש לי אמצעים ישירים של אינרציה תותבת, כוללים הרגע של רפיון, השפעה קטנה או זניחה בלבד על בהירויות רגע המשותפת של הירך והברך במהלך stancשלב דואר של הליכה או ריצה.
לגבי שלב התנופה של הליכה, הבחירה של מודל אינרציה אכן יש השפעה משמעותית על סדרי הגודל של קינטיקה המשותפת בגפיים התחתונים. במהלך נדנדה, אין כוח חיצוני גדול, כגון כוח תגובת הקרקע בעמידה. התנועה של האיבר היא הרבה יותר תלויה ברפיון במערכת ואת האינטראקציות בין המגזרים. זו באה לידי ביטוי על ידי השינויים הגדולים בסדרי גודל הקינטית משותפים נצפו כאשר שני דגמי אינרציה שונים שימשו בניתוח הדינמיקה ההפוכה. שימוש במשוואות רגרסיה המבוססות על האנטומיה שלמה למודל האיבר תותב בתנופה, הציע כי מאמץ שרירי גדול יותר מאשר היה נדרש, כאשר מאפייני אינרציה נמדד בפועל של התותבת היו בשימוש.
יש הטכניקה שתוארה במאמר זה כדי למדוד ישירות את מאפייני האינרציה של תותבת מתחת לברך מספר מגבלות. יש לנו תארנו שיטותnd עשה מדידות רכוש אינרציה של הרגליים רק למישור הסגיטלי מנתח. שיפורים במערכת זו כוללות יצירת מבנה כלוב פנימי שעלולות להיות מושעה משלושה צירים שונים, כך שכל שלושת הרגעים העיקריים של אינרציה ניתן היו למדוד. בנוסף, טכניקת לוח התגובה יוכל לשמש עבור כל שלושת המטוסים כדי למדוד את המיקום תלת ממדים של המרכז תותב של מסה. שיפור נוסף שיכול להפוך את ההערכות של איבר שיורי המוני מעט יותר מדויק יהיה להשתמש הערכת נפח כפי שתואר על ידי Czerniecki ועמיתים 24 בי איבר שיורי מושעה בצילינדר של מים כדי לאמוד את נפחו בזמן שצפיפות רקמה אחידה היא מיושם להעריך המוני של האיבר. בנוסף, במקום להשתמש באחוז הנחה להפצה ההמוני תותב המוחלטת בין השקע והרגל תותבים, כל תותבת יכולה להיות מפורקת בקרסול, כך שכל רכיב יכול להיות weigheבאופן עצמאי ד. מגבלה נוספת של הטכניקה שלנו היא שזה דורש זמן נוסף במהלך הפעלה ניסיונית. באופן כללי, שימוש בטכניקה שלנו כדי למדוד את האינרציה התותבת ישירות צפוי להוסיף 30 דקות לזמן הכולל נדרש להפעלת איסוף נתונים.
בגלל המדגם הקטן שלנו של תותבות מתחת לברך עם עיצובים דומים (השעיות כלומר, מנעול וסיכה ורגליים תותבות תגובת אלסטיות דינמית), פיתוח המלצות סופיות להערכת תכונות אינרציה של מתחת גפיים תותבים בברך האחוזים פשוט כמו של נכסי אינרציה איבר שלמים הוא בעייתי . עם זאת, שילוב של התוצאות שלנו עם הערכות אינרציה לפרוטזות מתחת לברך ממחקרים אחרים 20,21,23 והשוואת תוצאות אלה לאינרצית הערכות לאיבריו שלמים, כמה מגמות עקביות לעין. בהשוואה לאיבר שלם, המסה של הצד תותב היא באופן עקבי 30-40% פחות, מיקום COM הוא 25-35% גלוזר למפרק הברך, ומשרד הפנים הוא 50-60% פחות על ציר רוחבי דרך מפרק הברך.
לסיכום, באמצעות משוואות רגרסיה לשוק וכף רגל בשלמותה למודל תכונות האינרציה של תותבת מתחת לברך ישפיע הבהירויות באומדנים הקינטית משותפים בתנופה, אבל תהיה לו השפעה קטנה או מזערית בלבד בסדרי גודל אלה בעמדה. כך, חוקרים מתמקדים רק בשלב העמדה של תנועה באמצעות מאפייני אינרציה של הגפה השלמה למודל בצד תותב לא צפוי לשנות את המסקנות של המחקר. עם זאת, למי שמעוניין בקינטיקה שלב נדנדה, אמצעים ישירים של מאפייני אינרציה התותבות יש לשקול להימנע ממצג השווא של הדינמיקה האמיתית של רגל נדנדה תותבת.
נספח א '
מהימנות ותוקף של מומנט התמד והמרכז של הערכות המוניות
כדי להעריך את האמינות וvalidity של המדידות הניסיוניות שלנו מהרגע תותב של אינרציה ומרכז המיקום המוני, שני ניסויים פשוטים בוצעו. בניסוי הראשון, רגעים של רפיון ומרכז של מקומות המוניים של ארבעה חפצים נאמדו בניסוי בשלושה ניסויים נפרדים. ארבעה החפצים היו: 1) 9 x 9 x 61 לחסום סנטימטר של עץ שטופל (מסה = 2.8 קילוגרם), 2) 9 x 9 x 64 לחסום סנטימטר של עץ שלא טופל (מסה = 2.5 קילוגרם), 3) 7 x 9 x 65 בלוק סנטימטר של עץ שלא טופל (מסה = 1.8 קילוגרם), ו -4) חתיכה ארוכה 61 ס"מ של צינור PVC ובקוטר פנימי של 8 סנטימטר וקוטר חיצוני של 9 סנטימטר (מסה = 0.8 קילוגרם). טכניקת תנודת 12 שימשה כדי להעריך הרגע של כל אובייקט של אינרציה על ציר רוחבי דרך מסת מרכזה. כאשר אובייקט נע סביב ציר קבוע, לתקופה של התנודה (τ) של האובייקט הוא פרופורציונאלי לרגע של האובייקט של אינרציה על זה ציר קבוע. אם משרעת התנודה של פחות מ -5 מעלות ביחס לעמדה ניטראלית,מומנט התמד של האובייקט יכול להיות מוערך על בסיס התנועה של מטוטלת פשוטה:
(א .1)
איפה אני ציר הוא מומנט התמד ביחס לציר התנודה, M היא המסה של המערכת, גרם היא תאוצת כובד, וd הוא המרחק בין ציר התנודה ומרכז מסה של המערכת.
טכניקת תגובת דירקטוריון שימשה כדי להעריך המרכז של כל אובייקט של מיקום המוני. שיווי משקל סטטי הונח (רגעי Σ = 0) והרגעים המיוצרים על ידי המשקל של האובייקט, בכוח במשקל של המסגרת, ותגובה היו סיכמו על ציר התייחסות קבועה. מומנט התמד ומרכז מיקום מסה של כל אובייקט היה גם הערכה המבוסס על משוואות גיאומטריות פשוטות. הצעדים הניסיוניים שלנו בהשוואה לestimatio הגיאומטרי אלהNS להעריך תוקף. אמינות של ההערכות שלנו למרכז מיקום המוני ומומנט התמד הוערכה באמצעות שני (אחד להערכת COM ואחד להערכת משרד הפנים), מודל ליניארי כללי גורם יחיד ANOVAs, עם 3 צעדים חוזרים ונשנים המשקפים שלושה ניסויים. מקדמי מתאם Intraclass (ICCS) גם חושבו על מנת לקבוע את הדירות של ההערכות שלנו.
בניסוי שני, שהערכנו את מהימנותם של תקופתנו של תנודת מדידה (τ). τ נמדד ל10 משפטים רצופים רק עם מסגרת האלומיניום הושעתה מהציר התנודה ו10 משפטים רצופים עם בלוק עץ (מסה = 2.8 קילוגרם, ממדים = 9 x 9 x 61 סנטימטר) מובטחים במסגרת האלומיניום ושניהם הושעו מ ציר תנודה. במהלך כל משפט, τ נמדד ל10 תנודות ברציפות באמצעות תא פוטואלקטרי מתח מגוון פלט שמבוסס על עוצמת האור המוחזרת. אמינות של המדידה שלנו לτ הייתהssessed באמצעות ארבעה גורם, אחת מודל ליניארי כללי ANOVAs, עם 10 צעדים חוזרים ונשנים. שני (אחת למסגרת ניסויים בלבד ואחד לניסויי מסגרת + בלוק) ANOVAs שימש כדי לקבוע אם τ שונה בין תנודות ברציפות (כלומר, מטריצת הנתונים הייתה התקנה כך שהגורם היה תקופות רצופות של תנודה בתוך משפט נתון). אז מטריצות הנתונים לסובב על ידי 90 ° כך שהגורם היה ניסויים ברציפות ושני ANOVAs יותר שימש כדי לקבוע אם τ שונה על פני ניסויים ברציפות. מקדמי מתאם Intraclass (ICCS) גם חושבו על מנת לקבוע את הדירות של המדידות שלנו.
תוצאות של ניסוי 1 – ארבעה אובייקטים
הרגע של כל אובייקט של אינרציה על ציר רוחבי דרך מרכזה של מסה (I_obj_cm) היה בהערכת באופן עקבי (על ידי ~ 5% לקוביות עץ ועל ידי ~ 12% לצינור PVC) בהשוואה להערכות המבוססות על כל objectR17; של מסה וגיאומטריה (איז) (לוח 3). ההערכות שלנו, לעומת זאת, היו מאוד אמינות. לא היה הבדל בממוצע מומנט התמד (F 2,6 = 0.154, p = 0.861) לארבעת אובייקטים על פני שלושה הניסויים. בנוסף, ICCS גילה כי על פני ניסויים הרגע של הערכת אינרציה שלנו היה הדיר מאוד (ICC = 1.00). כך, למרות שהערכתנו נוטה להפריז בהערכת הרגע של האובייקט של אינרציה בהשוואה לאומדן הגיאומטרי ההערכות שלנו היו אמינות.
מרכז הערכת מיקום ההמוני באמצעות טכניקת תגובת מועצת המנהלים שלנו היה עולה בקנה אחד עם הערכות המבוססות על הנחת שצפיפות אחידה ודגם גיאומטרי. הבדלים היו פחות מ -1%. לא היה הבדל במרכז הממוצע של מיקום ההמוני (F 2,6 = 1.126, p = 0.384) לארבעת אובייקטים על פני שלושה הניסויים. בנוסף, ICCS גילה כי על פני ניסויים מרכז ההערכה המונית שלנו היה הדיר מאוד (ICC> 0.99). כך,מרכז ההערכות המוניות שלנו היו תקף ומהימן.
.. הטבלה 3 ההערכות הניסוייות שלנו רגעים של רפיון ומרכז של מקומות המוניים לארבעה אובייקטים בהשוואה להערכות המבוססות על המסה והגיאומטריה של כל אובייקט לחץ כאן כדי לקבל תצוגה מוגדלת של הטבלה. הגדרות משתנות: mframe = מסה של מסגרת האלומיניום; mobject = מסה של האובייקט; t_frame = תקופה של תנודה של המסגרת בלבד; תקופה של תנודה נקבעה כממוצע של 10 תנודות ברציפות ועל פני שלושה משפטים רצופים. t_object = תקופה של תנודה של מסגרת ואתנגד יחד; נקבע זהה לt_frame; I_Frame_osc = אני של המסגרת ביחס לציר התנודה;I_Frame_obj_osc = אני של המסגרת בתוספת יחסי אובייקט על ציר התנודה; I_obj_osc = אני של האובייקט ביחס לציר התנודה; I_obj_cm = אני של האובייקט על ציר דרך המרכז של האובייקט של מסה; איז = ניבוי תיאורטי שלי על CM של האובייקט באמצעות משוואות חיזוי הגיאומטריות הבאות:
PVC: 
; כאשר R היה רדיוס חיצוני, r היה רדיוס פנימי, והשעות היו אורך
עץ: 
; שבו הוא באורך ואילו b הוא מיקום CM גיאומטרי רוחב נחזה כ50% מאורך האובייקט.
הערכת תקופת התנודה (τ) – תוצאות של ניסוי 2
כאשר מסגרת האלומיניום לבד הושעה מהציר התנודה והניפה, τ ירד באופן עקבי ושיטתי (F = 9,81 123.25; p <0.001) מעל הראשון 10 oscillations בכ 6 אלפיות שניים בכל 10 הניסויים התנודה (איור 5; עזב פנל). פני ניסויים, התקופה הממוצעת של תנודה כן נמצאה שונה באופן משמעותי (F = 9,81 13.97; p <0.001) כאשר רק המסגרת הייתה התנדנדה. עם זאת, גילה כי ICCS זוטא ניתנו הירידה השיטתית בτ מעל הראשונה 10 התנודות הייתה הדיר (ICC = 0.99). כאשר המסגרת ובלוק עץ (מ '= 2797 ז) היו הניפו יחד, τ לא השתנה עם הראשונה 10 התנודות (F = 9,81 3.031, p = 0.116) וτ הממוצע על פני 10 משפטים רצופים לא היה שונה משמעותי ( F = 9,81 3.533, p = 0.093) (איור 5; פנל מימין). נוספים לקליק של הניסויים מסגרת תוספת אובייקט מצביע על כך שבתוך τ משפט נתון הוא לא הדיר מתנודה לתנודה (ICC = 0.17). נתונים אלה מראים כי למסגרת רק τ ניסויים הוא טוב יותר הוערך כממוצע של התנודה הראשונה על פני סדרה של שלושה als וכי כאשר אובייקט עם מאפיינים דומים לאלה של תותבת מתחת לברך היא התנדנדה, τ הוא טוב יותר מוערך כממוצע על פני תנודות ברציפות ועל פני מספר הניסויים.
איור 5. תקופת התנודה נמדדה () מסגרת מסגרת אלומיניום בלבד ו( ב ') ובלוק עץ (מסת בלוק = 2.8 קילוגרם, מידות בלוק = 9 x 9 x 61 סנטימטר). כל פנל מציג 10 ניסויים נפרדים עם 10 הראשונים תנודות של כל ניסוי מוצג. רק עם המסגרת הושעתה מהציר התנודה (פנל משמאל), τ ירד באופן שיטתי על פני הראשונה 10 התנודות. עם זאת, כאשר בלוק עץ התווסף למסגרת, τ לא באופן שיטתי להשתנות על פני הראשונה 10 התנודות (פנל מימין).
רגישות של מומנט התמד לתקופה של תנודה
t "> בגלל תוצאות מניסוי 1 מצביעות על הערכות של הרגע של אובייקט של אינרציה שלנו הן בהערכת העקביות ותוצאות מניסוי 2 מראות כי τ של המסגרת פוחת לאורך הראשונה 10 התנודות, ביצענו ניתוח רגישות כדי לקבוע את השיטה הטובה ביותר לכימות . Τ למסגרת רק ניסויים ומסגרת בתוספת ניסויים אובייקט (טבלה 4) τ הוא ביחס ישר למומנט התמד של אובייקט:
(א. 2)
איפה אני ציר הוא מומנט התמד ביחס לציר התנודה, M היא המסה של המערכת, גרם היא תאוצת כובד, וd הוא המרחק בין ציר התנודה ומרכז מסה של המערכת. לכן, אם τ פוחת, אז כך גם אני ציר בגלל מ ', גרם, וד הם קבועים בתוך משפט נתון. מכיוון שאנו אסתיהזדווג מומנט התמד של אובייקט כ:
אני obj = אני OBJ מסגרת + – אם rame (A.3)
להמעיט את מומנט התמד של המסגרת (אני מסגרת) יהיה לייצר רגע גדול יותר של הערכת אינרציה של האובייקט (אני OBJ), אשר עולה בקנה אחד עם ההערכות שלנו בניסוי 1. איור 6 מציג τ מניסוי 1 עבור שניהם את המסגרת רק ניסויים ומסגרת בתוספת ניסויים אובייקט לאובייקט הקל והאובייקט הכבד ביותר. נתון זה ממחיש כי לחפצים כבדים יותר (למשל, מתחת לתותב בברך) אין ירידה ניכרה בτ מעל הראשונה 10 התנודות, אבל לאובייקטים בהירים יותר יש ירידה שיטתית קלה בτ.
לוח 4. השוואהארבע שיטות שונות לקביעת תקופה של תנודה. האובייקט המשמש בניתוח זה היה בלוק סנטימטר 9 x 9 x 61 של עצים שטופלו. מצב C הפיק את האומדן הטוב ביותר של הרגע של האובייקט של אינרציה בהשוואה להערכה תיאורטית חלופית המבוססת על המסה של האובייקט וגיאומטריה. לחץ כאן כדי לקבל תצוגה מוגדלת של הטבלה. הערות: הגדרות משתנות הנן זהות לטבלה 3 מצב. : T_frame וt_object חושבו כתקופה הממוצעת של תנודה של 10 תנודות ברציפות על פני 3 ניסויים מצב B:. T_frame וt_object חושבו כממוצע של התקופה הראשונה של תנודה על פני 3 ניסויים נפרדים מצב C:. T_frame נקבע כ במצב ב '; t_object היה נחוש כמו במצב א 'מצב D: t_frame נקבע כבמצב; t_object היה נחוש כמו במצב B.
איור 6. תקופות של תנודה לחפצים הכבדים והקלים. הפנלים מהשמאל להציג הראשונות 10 תקופות של תנודה של שלושה ניסויים למסגרת בלבד, והלוחות מימין להציג את אותו למסגרת בתוספת הניסויים אובייקט. כמו בניסוי 2, יש ירידה שיטתית בτ מעל 10 התנודות הראשונות, כאשר רק את המסגרת היא התנדנדה. כאשר החפץ הכבד שנע (מ '= 2.797 קילוגרם), לא הייתה ירידה שיטתית בτ. עם זאת, ירידה קלה בτ נצפתה כאשר אובייקט האור (מ '= 0.716 קילוגרם) נעה. מסת תותבת מתחת לברך טיפוסית דווחה נעה 1.2-2.1 קילוגרם 20,21. לכן, גם לתותבות משקל הקלים, τ לא צריךתערוכת ירידה משמעותית על פני הראשונה 10 התנודות.
מסקנה
כאשר מסגרת האלומיניום לבד היא התנדנדה, תקופה של תנודה תיקבע כממוצע של התנודה הראשונה מ10 ניסויים תנודה. כאשר מסגרת האלומיניום והתותב הם התנדנדו, תקופה של תנודה תיקבע כממוצע של 30 תנודות (3 ניסויים, 10 תנודות ברציפות בתוך כל משפט).
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מימון מהחברות אמריקאיות והבינלאומית של ביומכניקה סופק למחקר זה.
Materials
| Oscillation Rack & Reaction Board | Custom Built | Outer cage made from 80/20 aluminum, inner cage from various thicknesses of solid of aluminum. | |
| Laboratory scale | |||
| NI LabView | National Instruments | Software for recording TTL pulses from infrared photocell. | |
| BNC-1050 | National Instruments | BNC Breakout box with direct pin connections to the data acquisition card | |
| MATLAB | Mathworks Inc. | Software for processing oscillation and reaction board data to predict inertial properties of prosthesis. |
References
- Chandler, R. F., Clauser, C. E., McConville, J. T., Reynolds, H. M., Young, S. W. Investigation of the inertial properties of the human body. Pamphlets DOT HS-801 430 and AMRL. , (1975).
- Clauser, C. E., McConville, J. T., Young, J. W. . Weight, Volume, and Center of Mass of Segments of the Human Body. AMRL Technical Report. , 60-70 (1969).
- Dempster, W. Space requirements of the seated operator. , 55-159 (1955).
- Hinrichs, R. N., et al. Regression equations to predict segmental moments of inertia from anthropometric measurements: an extension of the data of Chandler et. J Biomech. 18, 621-624 (1985).
- Hinrichs, R. N., et al. Adjustments to the segment center of mass proportions of Clauser et al. J Biomech. 23, 949-951 (1990).
- Hanavan Jr, E. P. A mathematical model of the human body Amrl-Tr-64-102. AMRL Technical Report. 18, 1-149 (1964).
- Hatze, H. A mathematical model for the computational determination of parameter values of anthropomorphic segments. J Biomech. 13, 833-843 (1980).
- Leva, P. Adjustments to Zatsiorsky-Seluyanov’s segment inertia parameters. J Biomech. 29, 1223-1230 (1996).
- Durkin, J. L., Dowling, J. J. Analysis of body segment parameter differences between four human populations and the estimation errors of four popular mathematical models. J Biomech Eng. 125, 515-522 (2003).
- Durkin, J. L., Dowling, J. J., Andrews, D. M. The measurement of body segment inertial parameters using dual energy X-ray absorptiometry. J Biomech. 35, 1575-1580 (2002).
- Jensen, R. K. Estimation of the biomechanical properties of three body types using a photogrammetric method. J Biomech. 11, 349-358 (1978).
- Martin, P. E., Mungiole, M., Marzke, M. W., Longhill, J. M. The use of magnetic resonance imaging for measuring segment inertial properties. J Biomech. 22, 367-376 (1989).
- Mungiole, M., Martin, P. E. Estimating segment inertial properties: comparison of magnetic resonance imaging with existing methods. J Biomech. 23, 1039-1046 (1990).
- Zatsiorsky, V. M., Seluyanov, V. N. The mass and inertia characteristics of the main segments of the human body. Biomechanics VIII-B. , 1152-1159 (1983).
- Zatsiorsky, V. M., Seluyanov, V. N. Biomechanics IX-B. Human Kinetics. , (1985).
- Challis, J. H. Precision of the Estimation of Human Limb Inertial Parameters. Journal of Applied Biomechanics. 15, 418-428 (1999).
- Challis, J. H. Accuracy of Human Limb Moment of Inertia Estimations and Their Influence on Resultant Joint Moments. Journal of Applied Biomechanics. 12, 517-530 (1996).
- Challis, J. H., Kerwin, D. G. Quantification of the uncertainties in resultant joint moments computed in a dynamic activity. J Sports Sci. 14, 219-231 (1996).
- Hunter, J. P., Marshall, R. N., McNair, P. J. Segment-interaction analysis of the stance limb in sprint running. J Biomech. 37, 1439-1446 (2004).
- Lin-Chan, S. J., et al. The effects of added prosthetic mass on physiologic responses and stride frequency during multiple speeds of walking in persons with transtibial amputation. Arch Phys Med Rehabil. 84, 1865-1871 (2003).
- Mattes, S. J., Martin, P. E., Royer, T. D. Walking symmetry and energy cost in persons with unilateral transtibial amputations: matching prosthetic and intact limb inertial properties. Arch Phys Med Rehabil. 81, 561-568 (2000).
- Smith, J. D., Martin, P. E. Short and longer term changes in amputee walking patterns due to increased prosthesis inertia. J Prosthet Orthot. 23, 114-123 (2011).
- Smith, J. D., Martin, P. E. Effects of prosthetic mass distribution on metabolic costs and walking symmetry. J Appl Biomech. 29, 317-328 (2013).
- Czerniecki, J. M., Gitter, A., Munro, C. Joint moment and muscle power output characteristics of below knee amputees during running: the influence of energy storing prosthetic feet. J Biomech. 24, 63-75 (1991).
- Miller, D. I. Resultant lower extremity joint moments in below-knee amputees during running stance. J Biomech. 20, 529-541 (1987).
- Vanicek, N., Strike, S., McNaughton, L., Polman, R. Gait patterns in transtibial amputee fallers vs. non-fallers: Biomechanical differences during level walking. Gait & Posture. 29, 415-420 (2009).
- Royer, T., Koenig, M. Joint loading and bone mineral density in persons with unilateral, trans-tibial amputation. Clin Biomech. 20, 1119-1125 (2005).
- Underwood, H. A., Tokuno, C. D., Eng, J. J. A comparison of two prosthetic feet on the multi-joint and multi-plane kinetic gait compensations in individuals with a unilateral trans-tibial amputation. Clin Biomech. 19, 609-616 (2004).
- Sjodahl, C., Jarnlo, G. B., Soderberg, B., Persson, B. M. Kinematic and kinetic gait analysis in the sagittal plane of trans-femoral amputees before and after special gait re-education. Prosthet Orthot Int. 26, 101-112 (2002).
- Bateni, H., Olney, S. Kinematic and kinetic variations of below-knee amputee gait. Journal of Prosthetics and Orthotics. 14, 2-12 (2002).
- Buckley, J. G. Biomechanical adaptations of transtibial amputee sprinting in athletes using dedicated prostheses. Clin Biomech. 15, 352-358 (2000).
- Yack, H. J., Nielsen, D. H., Shurr, D. G. Kinetic patterns during stair ascent in patients with transtibial amputations using three different prostheses. Journal of Prosthetics and Orthotics. 11, 57-62 (1999).
