膝下プロテーゼの推定慣性特性に関する振動及び反応ボードテクニック

参加者 六一側性、下腿切断者（5人の男性、女性1、年齢= 46±16歳、質量は= 104.7±9.7キロ、高さ= 1.75±0.08メートル）は、この研究に参加した。ファイブ6の切断患者は、先天性骨疾患への他との外傷が原因の切断があった。すべての切断患者は補綴ソケットインタフェースと動的弾性応答義足（3カレッジパーク、2フレックスフィート、および1創世記II）のために、ロックピンタイプサスペンションシステムを使用していました。参加者募集は、少なくとも1年間下肢人工関節を完全に歩行可能に使用していたし、切断者に焦点を当て、その職業や日々の活動のいずれかで身体活動のある程度を維持していた。プロトコルは、大学の施設内倫理委員会によって承認され、インフォームドコンセントを参加前に、各参加者から入手した。 地上ウォーキングトライアル <p参加者が自分の車から店の入り口まで歩いているかのように快適な速度を使用して20メートルの歩道に沿って歩いているクラスは、= "jove_content">各参加者の優先歩行速度を測定した。光電池ベースのタイミングシステムは、通路の途中に5μm程度部を横断するのに必要な時間を定量化するために使用した。好ましい歩行速度は、5つの試験の平均値として定量化した。 2つのフォースプレート（480 Hz）の動きとカメラの動き六分析システムから（60Hz）のデータから、床反力を回収しながら各参加者は、5つの成功地上歩行試験を完了した。成功した試験では、参加者の希望する速さの±3％以内のものだったと力プラットフォームに連絡するストライドを調整する目に見える兆候はありませんでした。再帰反射マーカーは大転子、外側大腿顆、外果、踵の外側面、および前Daの第五中足骨の頭の上に左右対称に配置されたTAコレクション。 3セグメント（もも、すね、足）、矢状面、逆動力学モデルは、股関節、膝関節、足首関節で得られた力とモーメントを推定するために使用した。完全な身体セグメントのセグメントの慣性プロパティはデレフ8からの回帰式に基づいて推定された。人工関節と断端の慣性特性を直接測定し、（下のステッププロトコルによる手順を参照）補綴シャンクと足の間に分布していた。反復測定による単一因子MANOVA、プロテーゼ慣性推定値、直接措置のいずれか、またはスタンスとスイング中のピークの得られた関節力及びモーメントに、無傷のセグメントの推定値を使用することの効果を決定するために使用した。結果として生じる関節反力とモーメントプロファイルは、すべての参加者の間で類似していたことを考えると、このアルゴリズムは、個々のピークquantitのそれぞれを識別するために、歩行周期内の特定のウィンドウに焦点を当てることは、MATLAB（Mathworks社、ナティック、マサチューセッツ州）で書かれていますIES（ 表2％の歩行周期を参照してください）。信頼区間のボンフェローニの調整は、従属変数の数に基づいて行った。有意差は、p <0.05であると考えられた。 振動と反応会システムの説明 プロテーゼの慣性特性を測定するために用い発振システムは、80/20アルミニウム、調整可能なインナーアルミニウムケージ、及び赤外線フォトセル（ 図1Aを参照）からなる外側のケージまたは支持構造を含む。内側のかごは、2つの低摩擦ベアリングを圧入通過軸と外側のかごから吊り下げられている。内側のかごを短縮することができ、異なるサイズの補綴物を収容又は約15センチメートル（6インチ）によって長くすること。また、内側のかごはまた、ケージ内にプロテーゼの確実な嵌合を確実にするために使用される2つの調節可能なプレートを有する。止めねじ付きプレートが使用される推計は単振動の方程式に基づいて行うことができるように、内側ケージの振動は振幅の5°未満を持っているようにD。光電池は、ケージがフォトセルの前を通過するように、各TTLパルスを記録するためにコンピュータ内のデータ収集カード上のカウンタに直接接続されている。 LabViewの仮想計測器（VI）のプログラムは、TTLパルスを収集し、処理するために使用されている。振動系（ 図1A）の内側のかごは、反応ボードシステム10 kgおよび感度が最も近い1グラム二ナイフ内側のかごをサポートするために使用されるエッジまでの範囲とスケールとの組み合わせで（ 図2）として使用され反応ボード測定中。膝下プロテーゼの慣性特性を定量化するための技術は、主に3つのステップが必要です。1）発振、反応理事プロトコルを推定する人工慣性のため2）数学の方程式、および3）足とシャンクワンセグに人工慣性の配布メンツ。 振動の周期を測定するために使用される発振ラックの図1 A）画像。 、補綴物が固定された内側のかごのような静止したままタイミングBに使用される光電池の前方に前後に振動）の振動軸のクローズアップビュー外側支持構造体が存在することに気づくことも示してい調整可能なエンドプレートを説明するための光電池と内側保持器の遠位端の5°未満に振動振幅を設定するために使用止めねじ。C）クローズアップ図である。我々は薄いアルミニウムを使用し、構造体の強度を犠牲にすることなく、余分なアルミニウムを除去し、内側保持器の重量を軽減することに注意してください。 ighres.jpg "/> 図2質量系の中心を推定するために用いられる反応ボードのセットアップを示す振動系の外側の支持構造体から除去さ調節可能なアルミニウムフレーム（ すなわち 、内側のかご）の反応ボードの回路図は 、2つの軸（別名、ナイフエッジ注）内側のかごを支持するために使用される;ケージやその他の（近位）の左側（先端）エッジで1スケールの上に位置している。これら二つの支持軸間の距離は、反応基板の長さを表す。振動軸はページから来ています。 1。慣性測定プロトコル最初は、切断者は回転（COR）の膝の中心が特定されるように人は膝の屈曲伸展の一連のアクションを実行できるように、義足が快適に座席を持ち上げることができ、椅子に座っている。 膝CORが識別されると（それは小さなパイを配置すると便利であり得るCORでのテープのCE）は、切断者のスタンドを持っているし、次のように測定します。 膝CORに対する人工関節の上（リップ）からの距離を測定します。膝のCORは、この値が負の値として記録されるべきプロテーゼの唇に劣って座っている場合。 膝と足首COR COR間の距離を測定します。足首のCORは、無傷の足首と同じような位置であると仮定される。 補綴物とその下のスリーブが削除されて柔軟な巻尺を使用して断端のいくつかの測定を行う。直円錐6,21の錐台として残留手足をモデル化し、1.1グラム∙cm -3の13の均一な組織密度を仮定に基づいて断端の慣性特性を推定するために、これらの測定値を使用してください。 残留四肢の近位円周を測定します。この円周は、膝関節に近い最大の周り（<として測定されるべきであるEM>例えば、通常、膝関節から約2指幅）。 断端の先端円周を測定します。この円周は断端の先端に、最後の骨の隆起で測定する必要があります。 断端の最先端の態様と腓骨頭から離れるように断端の長さを測定します。 車軸を削除することにより、発振ラックから内側のケージを取り外します。切断者のライナーと切断者は現在、人工関節のソケット内で使用しているすべてのプライを置く。そして、しっかりと内側の発振ケージ（ 図1）内で、まだ上の靴でプロテーゼを配置します。このシステムでは、2つの調整可能なプレートを水平にスライドさせて所定の位置に締め付けたときに、ケージ内のプロテーゼの上部を固定する。人工関節の足のためにケージの遠位プレート上に固定するためにベルクロストラップを使用しています。 発振ラック内の内側のケージを再配置します。 SECU車軸Reおよび内側のケージの吊りアームが5°未満に振動の角度を設定します止めねじと整列していることを確認します。 内側のケージの中に位置して人工関節を持つ3つの振動試験を収集します。振動の周期は、自重内側ケージ揺動すると、ワン完全な振動を完了するために取り、重力のみの影響を受ける時間を表す。発振トライアルを開始するには、それが止めネジに当たるまでバックインナーケージを引いて止めネジと内側のケージの間にスペースが表示されるまで前方に移動します。各試行のための振動の1サイクルの平均時間を記録します。 反応ボードの測定に移行する前は、まだデジタルノギスや柔軟な測定テープを使用してラックに固定し人工関節内側ケージの以下の寸法を測定し、記録します。これらの措置は、ステップ1.9に補綴物を除去する際に、内側のケージの設定が変更された場合に使用され、また、システムの慣性特性の推定時に。これらの測定は、水平方向に位置する内側のケージと取るが容易であり、反応ボード·テストのためのナイフエッジ上に載っている。 トップ調節可能なプレートとインナーケージの上部に固定された横材間の距離を測定します。 下の調整可能なプレートとインナーケージの上部に固定された横材間の距離を測定します。 下の調整可能なプレートとインナーケージの底部に固定クロスメンバー間の距離を測定します。 反応板の長さを測定。これは、反応基板試験中に担体として使用される2つのナイフエッジの位置の間の距離である。 反応ボードのセットアップ内のラックや義足を配置します。スケールは、この時点でゼロを読み取っていることを確認してください。スケール上のインナーケージの一方の端を置き、私の一番下にナイフエッジを配置nnerケージ2ナイフエッジと内側のケージの間に作成全く緊張が存在しないようにレベルです。スケールエンド数回持ち上げ、スケールダウンの上に戻って配置します。スケールから一貫性のある読み取りが達成されると、この値を記録する。 内側のケージからプロテーゼを取り出します。トップおよび/またはボトムプレートがプロテーゼを除去するために移動する必要があった場合は、ステップ1.7で測定された寸法を使用して元の位置にプレートを返す。ケージの大きさは、彼らがケージに補綴物と一緒にいた何をしたら、ちょうどケージのための読書の反応板を記録するためにステップ1.8を繰り返します。 義肢から靴を取り出して、靴のない補綴物の質量が続く靴の質量を測定する。 人工関節のいくつかの測定を行う。 足首のCORと足の足底表面との距離を測定します。 靴なしで義足の長さを測定。 Pに戻って靴を置くrosthesisと靴底に足首CORからの距離と上の靴と足の長さを測定します。 反射テープと黒のコーナーはフォトセルに最も近いことを確認して発振ラック内の内側のケージを再配置します。軸を固定し、内側のケージの吊りアームが5°未満に振動の角度を設定します止めねじと整列していることを確認します。今回は各試行の最初の振動周期が記録されます10の振動試験を、収集しています。注：我々は唯一のインナーケージが補綴物なしで単体で発振される第1の発振期間を使用する理由についての説明は、付録Aを参照してください。 推定人工慣性のための2。数学の方程式以下の式を用いて無傷のセグメントの慣性特性を推定する前に補綴の換算質量を考慮して、体重を調節する。 <img fo:content-width="2in" sRC = "/ files/ftp_upload/50977/50977eq1.jpg" />（1） ABMは、調整後の身体の質量である、M プロのプロテーゼを装着したまま、肉骨粉は、測定ボディマスあるプロテーゼの質量であり、Mの残留は、断端（切断後に残る膝下解剖学的構造）の質量であり、 C（男性用0.057;女性は0.061）は、ABMの割合がそのままシャンクと足8によって説明される。 ABMとそれぞれのセグメント長8に基づいて義足の完全な足と太も ​​もの大腿部、シャンクと足の慣性特性を推定する。 マスの位置の人工関節センターは、第1の基準軸（ 図2）と比較して表される。 のCM pros_ax =（Lrxn *（R プロ+フレーム – R フレーム ））/ M のプロ （2） Lrxnは、支持点間の距離を表し、R +プロフレームは、スケールの読みを表す一緒に人工器官アルミフレームについて、R フレームは、フレームのみスケールの読み取りを表し、m プロフェッショナルはプロテーゼの質量を表す。 振動と基準軸（Losc_ref）との間の距離に基づいて、プロテーゼの位置の質量中心は、揺動軸に対して表される。 のCM pros_osc = Losc_ref – CM pros_ax（3） これは、この揺動軸にプロテーゼの相対的な慣性モーメントのその後の計算で必要とされる。 最後に、質量中心の位置は、揺動軸とトップ調節可能なエンドプレート（d_plate）との間の距離に基づいて、補綴ソケットの近位端に対して表される。 のCM pros_prox =のCM pros_osc – d_plate（4） 各条件（単独ケージとケージ+人工器官）のために慣性モーメントを計算します。 977eq5.jpg "/>（5） ここで、I 軸が揺動軸に対して慣性モーメントであり、τ一発振の平均周期であり、mは、システムの質量、gは重力加速度であり、dは、揺動軸との間の距離であるシステムの質量中心。揺動軸に補綴物の相対的な慣性モーメントは、私が一人でケージ用軸と私はケージプラス補綴物のために軸との間の差として計算されます。平行軸の定理は、その後、膝関節を通る横軸の周りのプロテーゼの慣性モーメントを発現するために使用される。 質量の位置合わせ中心を通る横軸の周り系の慣性モーメントを発現し、合わせた質量を決定するために、残存肢とプロテーゼの慣性特性を組み合わせる膝質量の相対位置の中心と平行な軸線の定理を用いて。 3。配布足とシャンクのセグメントに人工関節慣性足に人工関節と断端の慣性特性を配布するには（義足のみ）とシャンクセグメントは逆動力学モデリングセグメント慣性特性のため（補綴ソケット、パイロン、残留四肢）が解体人工関節からのデータに基づいて決定した。解体義足の総質量は1.406キロと0.72キロの足の質量の（パイロン質量を含む）ソケット塊で、2.126キロだった。このため、総補綴物の質量の66％は補綴ソケットに配分され、34％が足に配分した。感度分析は、これは膝関節約プロテーゼの慣性の推定モーメントに持っていたどのような影響を与えるかを決定するために実施した。この分析は、マッテスらから人工膝関節下の6の慣性特性の実験的測定に基づいていた。21（データは著者との個人的な通信を介して入手した）。際に賛否断定的なシャンクと足質量がデレフに基づいて8（フィート= 24％、総補綴物の質量のシャンク= 76％）を決定した、膝関節についての人工関節の慣性合計モーメントは、実際に比べて約5％過小評価されました実験値は、発振技術を用いて推定した。解体足用プロテーゼ（34％）とシャンク（66％）の質量に基づいて、百分率を用いて、膝関節回りの慣性モーメントの合計は、実験測定値と比較して約2％過大評価された。 義足（34％）、ソケット（66％）解体義足の測定値に基づいてセグメント間の人工関節の質量を配布します。 義足のCOMの位置はそのまま足8の回帰式に基づいて決定された。このステップは、感度の結果に基づいていたミラー25とCzerniecki ら 24から分析しています。ミラー25は KNEで生じた関節モーメントを推定E使用する：a）直接の補綴物の慣性特性の測定、およびB）をそのままシャンクと足回帰式から推定補綴物の慣性プロパティを使用して。 2種類の方法のためにと2科目のための膝モーメントプロファイル間の平均差は約3 N·mであった。大きさにおけるこの差は、平均立脚時のピーク膝モーメントの2％未満であった。 Czerniecki ら 24のCOMの位置を決定するために、複数の膝下補綴物やナイフエッジでバランスのとれた義足を解体。それらは無傷の足の回帰式に基づいて推定し、これらの結果を比較すると、それらは2つの推定値の間にはほとんど違いがあることがわかった。 そのCOMはステップ1から無傷足と推定足の質量のためレフの8回帰デ使用して決定されるが、横軸を中心と義足のMOI。足のMOIも膝関節資料を使に対して表されているG平行軸の定理。 （6） （7） （;残存肢の慣性特性を含まないCMpros_limb）、反応基板技術、および補綴の割り当てられたCOM位置で得られた補綴ソケット（CMpros_sock）のCOM位置は、全体の補綴用COM位置の推定値を組み合わせることによって決定したステップ3.2からの膝関節（CMpros_ft）へ足を基準。 CMpros_sockは、膝と足首の間の直線上に存在するように制約され、のように決定した。 （8） 軸を中心に義足のMOI膝関節だけ補綴ソケットのMOIを決定するために、膝関節（Iknee_limb）約全体義足のMOIのための実験的な測定値から差し引いたものの膝関節（Iknee_sock）について。平行軸の定理は、そのCOM（Icm_sock）を介して軸回りの補綴ソケットのMOIを発現するために適用した。 （9） （10） 断端（切断後に膝の下に残っている解剖学的構造）の慣性特性は逆動力学モデルでの補綴側のシャンクセグメントの慣性プロパティとして使用された人工器官シャンクの慣性特性と合わせた。 （11） （12） （13） （14） </li>