Oscillation and Reaction Board Techniques for Estimating Inertial Properties of a Below-knee Prosthesis

Jeremy D. Smith; Abbie E. Ferris; Gary D. Heise; Richard N. Hinrichs; Philip E. Martin

doi:10.3791/50977

JoVE Journal > Bioengineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Bioengineering

Altında diz Protezi Tahmin Atalet Özellikleri için salınım ve Reaksiyon Kurulu Teknikleri

Published: May 08, 2014

doi:

10.3791/50977

Jeremy D. Smith¹, Abbie E. Ferris¹, Gary D. Heise¹, Richard N. Hinrichs², Philip E. Martin³

¹School of Sport & Exercise Science,University of Northern Colorado, ²Kinesiology Program,Arizona State University, ³Department of Kinesiology,Iowa State University

Summary

Vücut segmental atalet özellikleri ters dinamik modelleme için gereklidir. Bir salınım ve reaksiyon tahta teknik, aşağıda diz protezlerin atalet özellikleri kullanılarak ölçüldü. Protez bacak ters dinamik modelinde protez atalet doğrudan ölçümleri kullanılarak çıkan eklem kuvvet ve moment düşük çaplara sonuçlandı.

Abstract

Bu çalışmanın amacı, iki kat idi: 1) tam altında bir diz protezi atalet özelliklerini tahmin etmek için kullanılabilecek bir teknik göstermektedir, ve 2) sağlam uzuv atalet özellikleri kullanılarak, önerilen tekniği ve bu etkilerini kontrast tek taraflı, transtibial amputasyon yürüyüş sırasında eklem kinetik tahminleri. Bir salınım ve reaksiyon kurulu sistem valide ve bilinen geometrik katıların atalet özelliklerini ölçerken güvenilir olduğu gösterilmiştir. Protezin atalet özelliklerinin doğrudan ölçümleri sağlam bir şaft ve yürüyerek dayalı atalet tahminleri ile karşılaştırıldığında alt ekstremite ters dinamik modellenmesi kullanıldığı zaman, kalça ve diz eklem kinetik yürüyüş salınım fazında anlamlı olarak düşüktü. Duruşu sırasında eklem kinetik farklılıklar, ancak, salıncak sırasında gözlenen daha küçük. Bu nedenle, yürüyüş salınım fazı odaklanan araştırmacılar prosthes etkisini göz önündeçalışma sonuçlarına atalet özelliği tahminler olduğunu. Duruş için bizim çalışmamızda incelenen iki atalet modellerinden ya bir olasılıkla bir ters dinamik değerlendirme ile benzer sonuçlara yol açacak.

Introduction

Ampirik verilerle çalışırken hareketi sırasında çıkan eklem güçleri ve anları ölçmek için, faiz sisteminin ters dinamiği modeli gereklidir. Alt ekstremite biyomekanik için, ters dinamik modelleri genellikle, sap ayak temsil ve gibi katı cisimler uyluk. A) hareket kinematiği, b) yer reaksiyon kuvvetleri, ve c) segmenti antropometrik ve eylemsizlik özellikleri: bu modeller için giriş üç birincil kaynaklardan gelir. Hareket verileri hareket analizi sistemleri çeşitli toplanan, ancak tüm sistemleri temelde hareketi (konum, hız ve ivme) temel kinematiğini sağlamaktadır. Yer reaksiyon kuvvetleri bir kuvvet plaka ile toplanır ve ayakları üzerinde hareket eden temas kuvvetleri sağlamaktadır. Antropometri hükümdarları, esnek bantlar ve / veya kumpas kullanarak vücudun doğrudan alınan ölçülerdir. Bu antropometrik ölçümler ters dynami kullanılan vücut bölümlerinin atalet özelliklerini tahmin etmek için kullanılırcs analizleri. Atalet özellikleri segmentinde COM veya proksimal veya distal eklem aracılığıyla bir eksene bölüm göreli kütle kütle, merkezi (COM) yer ve atalet momenti (İçişleri Bakanlığı) içerir. Hareket ve yer reaksiyon kuvveti veri toplamak için kullanılan yöntemler ve ekipmanlar araştırma grupları arasında benzer, ancak vücut segmentlerinin atalet tahminleri araştırmacı bu atalet özelliklerini tahmin etmek için seçtiği yöntem bağlı araştırmacılar arasında yaygın olarak değişebilir.

Tamamen bozulmamış insan vücudu segmentinin atalet özelliklerini tahmin etmek için çok çeşitli teknikler şunlardır: 1) kadavra veri ^1-5, 2) matematiksel modeller (yani, geometrik modeller) ^6,7, ve 3) tarama ve görüntüleme teknikleri dayalı regresyon denklemleri ^8-15. Bu tekniklerin çoğu gövdesinden doğrudan ölçümleri gerektirmez, ancak bir önceki ne olursa olsun, tahmin yöntemi kullanıldı ancak şu şartla ki vücut SEG hassas gösterilmiştirBu yöntemlere dayalı ment atalet tahminler, yüksek ^16'dır. Ayrıca sağlam vücut segmentlerinin atalet özelliklerinin tahminlerinde hatalar ^17,18 yürüyüş sırasında çıkan eklem anların büyüklükleri üzerinde minimal bir etkiye sahip olduğu gösterilmiştir. Ortak anlar zemin reaksiyon kuvvetleri, basınç yerle an kol uzunlukları ve segment kinematik ^17-19 merkezi tarafından büyük ölçüde etkilenmektedir. Bu nedenle, araştırma katılımcıları, bu tahminlere küçük hatalar çalışmanın sonuçları üzerinde çok az etkiye sahip olasıdır verilen sağlam bireyler kullanırken vücut bölümlerinin atalet özelliklerini tahmin yöntemleri literatürde çapında büyük ölçüde değişiklik olması şaşırtıcı değildir.

Tamamen sağlam vücut segmenti için bu atalet tahminlerin çoğu genellikle alt ekstremite amputasyonu için protezlerin atalet özelliklerini tahmin etmek için kullanılır. Modern alt ekstremite protezleri hafif malzemeler kullanılarak imal edilir resulting onlar yerine bacaklarda daha hafiftir protez uzuvlar içinde. Bu protez bacak ile sağlam bacak arasında bir atalet asimetri sonuçlanır. Tipik bir sağlam sap ve ayak altında bir diz protezi kütlesine ve kalıntı uzuv ile karşılaştırıldığında yaklaşık% 35 daha az olan ve diz ekleminin ^20-23 için yaklaşık% 35 daha yakın bulunan bir ağırlık merkezi vardır. Düşük kütleli ve protez bacak daha yakın kütle dağılımı, aynı zamanda sağlam ve ayak gövdesinin kıyasla protez bacak için diz eklemine atalet nisbetle çok daha düşük bir (~% 60) an üretir. Araştırmacılar ^24,25 önceden protez bacak için sağlam atalet tahminler kullanılarak ortak kinetik tahminleriniz üzerinde çok az etkiye sahip olduğunu ileri sürmüşlerdir rağmen, bu karşılaştırmalar yer reaksiyon kuvveti üretilen an hakim yürüyüş duruş fazı sırasında çıkan eklem anları odaklanmıştır ortak. Salıncak sırasında, nerede yer reaksiyon kuvvetleri, mevcut değilProtezin düşük atalet özellikleri elde edilen ortak anlar tahminleri etkilemek için daha muhtemeldir. Bazı araştırmacılar örneğin göz önüne alındığında, ^26-32 protez atalet özelliklerini temsil bozulmamış bölüm atalet özelliklerini kullanan ve diğerleri protezin atalet özelliklerini tahmin etmek için seçilen yöntemlerin etkisini anlamak için önemlidir, doğrudan ^21-23 tahmin protez atalet özellikleri örneğin . Protezin atalet özelliklerini ölçmek için gereken süreyi en aza indirerek tekniğin geliştirilmesi de önemli bir husustur oldu. Tüm ölçümler ölçme işleminden sonra protez yeniden düzenledi bağlantılı bir kez daha ölçüm sürelerini azaltmak ve önlemek için burada sunulan teknikte protez tamamen bozulmadan kalır.

Bu nedenle, bu çalışmanın amacı, iki kat idi: 1) ab atalet özelliklerini tahmin etmek için direkt olarak kullanılabilecek bir teknik göstermekelow-diz protezi ve 2) tek taraflı, transtibial amputasyon yürüyüş sırasında eklem kinetik tahminlere sağlam uzuv atalet özelliklerini kullanarak önerilen teknik ve bunun etkilerini kontrast. Bu, sağlam sap ve ayak atalet özellikleri protez atalet özelliklerini doğrudan ölçümleri ile karşılaştırıldığında protez için atalet tahminler olarak kullanıldığı zaman ortak kinetik büyüklükleri daha büyük olduğu varsayılmıştır.

Protocol

Katılımcılar Altı tek taraflı, transtibial amputees (5 erkek, 1 kadın; yaş = 46 ± 16 yıl, kütlesi = 104.7 ± 9.7 kg, boy = 1.75 ± 0.08 m) bu çalışmaya katılmıştır. Beş altı amputasyon konjenital kemik hastalığı diğer travmatik yaralanmalar nedeniyle amputasyon yapıldı. Tüm amputees bir kilit ve pin tipi süspansiyon sistemi ile protez soket arayüzü ve dinamik elastik tepki protez ayak (3 College Park, 2 Flex-ayak ve 1 Genesis II) kullanılır. Katılımcı işe, en az bir yıl için bir alt ekstremite protezi tamamen ayaktan kullandı edildi amputees odaklanmış ve mesleki ya da günlük aktiviteleri ya fiziksel aktivite bir ölçüde korunur. Protokol üniversitenin Kurumsal Değerlendirme Kurulu tarafından onaylanmış ve bilgilendirilmiş onam katılmadan önce her katılımcıdan elde edilmiştir. Yerüstü Yürüyüş Denemeler <pkatılımcının kendi arabadan bir mağaza girişinde yürürken sanki rahat hızı kullanılarak 20 m geçit yürüdü gibi class = "jove_content"> Her katılımcının tercih yürüme hızını tespit edildi. Bir fotosel dayalı zamanlama sistemi geçit ortasında yaklaşık 5 m bölümü geçiş için gereken süreyi ölçmek için kullanıldı. Tercih edilen yürüme hızı beş deneme ortalaması olarak belirlenmiştir. İki kuvvet plakalar (480 Hz) ve hareket altı kamera hareket analizi sistemi (60 Hz) verilerinden yer reaksiyon kuvvetleri toplanmıştır ise her katılımcı ardından beş başarılı zeminde yürüme denemelerini tamamladı. Başarılı denemeler katılımcının tercih hızı ±% 3 içinde olanlar vardı ve kuvvet platformu irtibata adım ayarlama görünür hiçbir belirti yoktu. Retroreflective belirteçler trokantere, lateral femoral kondilin lateral malleol, topuk lateral ve öncesinde Da beşinci metatars başının üzerine bilateral yerleştirildita koleksiyonu. Üç-segment (uyluk, kol ve ayak) sagital düzlem ters dinamiği modeli kalça, diz, ayak bileği de çıkan eklem güçleri ve anları tahmin etmek için kullanılmıştır. Sağlam vücut segmentleri için Segment eylemsizlik özellikleri de Leva 8 regresyon denklemlerine dayalı tahmin edilmiştir. Protez ve Güdüğün atalet özellikleri doğrudan ölçülür ve protez saplı ve ayak (aşağıda adım protokolü tarafından adıma bakın) arasında dağıtılmıştır. Tekrarlı ölçümler ile tek faktör MANOVA protez atalet tahminleri, doğrudan önlem ya da duruş ve salınım sırasında pik çıkan eklem güçleri ve anları, sağlam segmentin tahminler kullanılarak etkisini belirlemek için kullanılmıştır. Sonuçta eklem reaksiyon kuvveti ve moment profilleri tüm katılımcılar arasında benzer olduğu göz önüne alındığında, bir algoritma MATLAB yazılmış (Mathworks, Natick, MA) bireysel zirve quantit her tanımlamak için yürüyüş döngüsü içinde belirli bir pencere odaklanmakies (Tablo 2 de% yürüyüş döngüsü bakınız). Güven aralıkları için bir Bonferroni ayarı bağımlı değişkenlerin sayısına göre yapıldı. Önemi farklılıklar p <0.05 kabul edildi. Salınım ve Reaksiyon Board Systems açıklaması Bir protezin atalet özelliklerini ölçmek için kullanılan salınım sistemi 80/20, alüminyum, ayarlanabilir bir iç alüminyum kafes ve bir kızıl ötesi fotosel (bakınız Şekil 1A) yapılmış bir dış kafes ya da destek yapısı içerir. İç kafes iki düşük sürtünmeli presle yatakları içinden geçer, bir aks ile dış kafes asılıdır. Iç kafes kısaltılabilir farklı büyüklükte protez yerleştirmek ya da yaklaşık 15 cm (ya da 6 inç) tarafından uzatmak. Buna ek olarak, iç kafes, aynı zamanda kafes içinde protezin bir şekilde oturmasını sağlamak için kullanılan iki ayarlanabilir plakaları vardır. Bir ayar vidası ile bir tabak kullanımıtahmin basit harmonik hareket denklemlere dayalı olabilir, böylece iç kafes salınımları genliğinin en az 5 ° olması için d. Fotosel kafes fotosel önünden geçerken her TTL darbe kaydetmek için bilgisayarda bir veri toplama kartı bir sayaç doğrudan kablolu. Bir LabView Sanal Enstrüman (VI) programı toplamak için kullanılan ve TTL bakliyat işleme edilir. Salınım sistemi (Şekil 1A), iç kafes, reaksiyon kartı sistemi 10 kg ve duyarlılık en yakın 1 gram ve iki bıçak iç kafesi desteklemek için kullanılan aralık kenarlarına kadar olan bir ölçekte ile kombinasyon halinde (Şekil 2) olarak kullanılır Reaksiyon kurulu ölçümler sırasında. Altında bir-diz protezi atalet özelliklerini ölçmek için teknik üç ana adımdan oluşur: 1) Salınım ve Reaksiyon Kurulu Protokol, Tahmin Protez Eylemsizlik 2) Matematiksel denklemler, ve 3) Ayak ve Shank Seg içine Protez Ataleti Dağıtma ×. Salınım periyodunu ölçmek için kullanılan salınım raf Şekil 1. A) görüntü. , Protez sabit olduğu iç kafes olarak sabit kalır zamanlama. B için kullanılan bir fotosel önünde ileri geri salınım) titreşim ekseni yakın görünümü bir dış destek yapısı olduğunu fark da gösteriyor ki ayar vidası ayarlanabilir uç plakalarını göstermek için en az 5 ° fotosel ve iç kafesin uzak ucunun. C) yakın görünümü için salınım genlikleri ayarlamak için kullanılır. Bu ince alüminyum kullanılan ve yapının gücünü ödün vermeden herhangi bir aşırı alüminyum uzaklaştırılmıştır, iç kafes ağırlığını azaltmak için unutmayın. ighres.jpg "/> Kütle sistem merkezi tahmin edilmesi için kullanılan reaksiyon kartı kurulumu gösteren salınım sisteminin dış destek yapıdan çıkarıldığında ayarlanabilir alüminyum çerçeve (yani, iç kafes) Şekil 2. Reaksiyon kartı şematik. Not iki eksen (aka, bıçak kenarları ) iç kafesi desteklemek için kullanılır; kafes ve diğer (proksimal) ve sol (uzak) ucunda bir ölçeğin üst kısmı üzerine konumlandırılır. Bu iki destek eksen arasındaki mesafe, reaksiyon kurulu uzunluğunu temsil eder. Salınım ekseni sayfa çıkıyor. 1.. Ataletsel Ölçüm Protokolü Başlangıçta, kişinin diz fleksiyon ve rotasyon diz merkezine (COR) gibi uzantılı bir dizi eylem tespit gerçekleştirmek böylece protez bacak rahat koltuk kaldırılarak edilebilir bir sandalyede ampute oturun. Diz COR tespit edildikten sonra (küçük bir pasta yerleştirmek yararlı olabilirCOR de bant ce), ampute standı var ve aşağıdaki ölçün. Diz COR için protezin üstüne (dudak) olan mesafeyi ölçün; diz COR bu değer negatif bir değer olarak kaydedilmesi gereken protezin dudak aşağı oturur. Diz COR ve ayak bileği COR arasındaki mesafeyi ölçün. Ayak bileği COR sağlam ayak bileği edilene benzer bir konumda olduğu varsayılır. Protez ve altta yatan kol kaldırıldı ile esnek bir mezura kullanarak güdüğün çeşitli ölçümler almak. Sağ dairesel koni 6,21 ve küt olarak kalan uzuv modelleme ve 1.1 düzgün bir doku yoğunluğu g ∙ cm -3 13 varsayarak dayalı Güdüğün atalet özelliklerini tahmin etmek için bu ölçümleri kullanın. Güdüğün yakın çevresini ölçün. Bu, çevre diz eklemine en yakın çevresi (<olarak ölçülmelidirem>, örneğin, genellikle diz eklemi yaklaşık iki parmak genişliğinde). Güdüğün uzak çevresini ölçün. Bu, çevre güdüğün distal ucundaki son kemiği ölçülmelidir. Güdüğün en uzak yönüne fibula başının mesafe olarak Güdüğün uzunluğunu ölçün. Aksı kaldırarak salınım raftan iç kafesini çıkarın. Amputee en astarı ve ampute anda protezin soket içinde kullanarak herhangi bir kata koyun. Sonra güvenli iç salınım kafes (Şekil 1) içinde hala üzerinde ayakkabı ile protezi yerleştirin. Bu sistemde, iki ayarlanabilir tabak, yatay olarak kayan ve yerine sıkıştırıldığında kafesi içinde protezin üst güvenli. Protezin ayak için kafesin uzak tabakta güvenli bir Velcro kayış kullanın. Salınım raf içinde iç kafes yerleştirin. Secuaksın yeniden ve iç kafesin süspansiyon kolu az 5 ° salınım açısını koyacaktır ayar vidası ile aynı hizada emin olun. Iç kafese yerleştirilen protez ile üç salınım denemeler toplayın. Salınım dönemi kendi ağırlığı altında iç kafes sallanan bir tam salınım tamamlamak için alır ve sadece yerçekimi etkisinde zamanı temsil edecek. Bir salınım duruşması ayar vidasını vurur kadar geri iç kafesi çekin ve daha sonra ayar vidası ve iç kafesi arasında boşluk kadar ileriye taşımak başlamak için görünür. Her deneme için salınım tam bir döngüsü için ortalama süre kaydedin. Önce reaksiyon kurulu ölçümlere değişen, ölçmek ve hala dijital kumpas veya esnek bir ölçüm bandı kullanılarak rafa sabit protez ile iç kafesin aşağıdaki boyutları kaydedin. Bu önlemler Adım 1.9 protezin çıkarılması üzerine ve iç kafes yapılandırma değişiklikleri eğer kullanılacakAyrıca, sistemin atalet özellikleri tahminlerine sırasında. Bu ölçümler, yatay olarak yerleştirilmiş, iç kafes ile almak için daha kolay ve reaksiyon, kurulu test için bıçak kenarları üzerine oturtulmuş. En iyi ayarlanabilir plaka ve iç kafes üstündeki sabit çapraz elemanı arasındaki mesafeyi ölçün. Alt ayarlanabilir plaka ve iç kafes üstündeki sabit çapraz elemanı arasındaki mesafeyi ölçün. Alt ayarlanabilir plaka ve iç kafesin altındaki sabit bir çapraz elemanı arasındaki mesafeyi ölçün. Reaksiyon kurulu uzunluğunu ölçün; Bu reaksiyon, tahta test sırasında destek olarak kullanılacak iki bıçak kenarlarının konumlar arasındaki mesafedir. Reaksiyon kurulu kurulumunda raf ve protez bacak yerleştirin. Ölçek bu noktada sıfır okur emin olun. Ölçeği üzerinde iç kafesin bir ucunu ve i altındaki bıçak kenar pozisyonnner kafes iki bıçak kenarları ve iç kafes seviyesi arasında oluşturulan hiçbir gerginlik yok ki. Ölçek sonu birkaç kez kaldırın ve aşağı ölçekte geri yerleştirin. Ölçeğin tutarlı bir okuma elde edildikten sonra, bu değeri kaydedin. Iç kafesinden protezi çıkarın. Üst ve / veya alt plakaları protezi çıkarmak için Taşınacak olsaydı, Adım 1.7 olarak ölçülen boyutları kullanarak kendi orijinal konumuna plakaları dönmek. Kafes boyutları onlar reaksiyon kurulu sadece kafes için okuma kaydetmek için Adım 1.8 tekrarlayın, kafeste protezi ile ne olduğunu bir kez. Protez bacak yandan ayakkabıyı çıkarın ve ayakkabı olmadan protezin kütle takip ayakkabının kütle kadardır. Protezin çeşitli ölçümler al. Ayak bileği COR arasındaki mesafe ve ayak plantar yüzeyi ölçün. Ayakkabı olmadan protez ayak uzunluğunu ölçün. Geri p üzerinde ayakkabı yerleştirinrosthesis ve ayakkabı tabanına ayak bileği COR mesafe ve üzerinde ayakkabı ile ayak uzunluğunu ölçmek. Yansıtıcı bant ile siyah köşe fotosel yakın olduğundan emin olduktan salınım raf içinde iç kafes yerleştirin. Ekseni Güvenli ve iç kafesin süspansiyon kolu az 5 ° salınım açısını koyacaktır ayar vidası ile aynı hizada emin olun. Her denemenin sadece ilk salınım periyodu bu kez kaydedilecektir 10 salınım denemeler, toplayın. Not: iç kafes protez olmadan kendisi tarafından sallanmaktadır zaman biz sadece ilk salınım periyodunu kullanmak hakkında neden açıklama için Ek A'ya bakın. Tahmin Protez Eylemsizlik 2. Matematiksel denklemler Protez önce aşağıdaki denklem kullanılarak sağlam kademeli bir atalet özelliklerini tahmin etmek azaltılmış kütlesi için hesap vücut kütlesini ayarlamak: <img fo:content-width="2in" src = "/ files/ftp_upload/50977/50977eq1.jpg" /> (1) ABM düzeltilmiş vücut kitle olduğu, MBM protezi takan, M artıları protezin kütlesi ise, M rezidüel (anatomik yapılar amputasyon sonra kalan diz altında) Güdüğün kütlesi ölçülen vücut kitle olduğunu ve c (erkeklerde 0.057, kadınlarda 0.061) ABM yüzde sağlam saplı ve yürüyerek 8 ile muhasebeleştirilmesi. Uyluk, incik ve ayak ABM dayalı protez bacağın sağlam bacak ve uyluk ve kendi segmentinde uzunlukları 8 atalet özellikleri tahmin. Kitle konumu protez merkezi ilk referans ekseni (Şekil 2) göre ifade edilir: CM pros_ax = (Lrxn * (R artıları + çerçeve – R kare)) / m artılarını (2) Lrxn destek noktaları arasındaki mesafeyi temsil eder, R artıları + çerçeve ölçek okuma temsil birlikte protez ve alüminyum çerçeve için, R çerçeve sadece çerçeve için ölçek okuma temsil eder, ve m, profesyoneller protezin kütlesini temsil eder. Titreşim ve referans eksenleri (Losc_ref) arasındaki mesafeye göre protezin kütle konumu merkez salınım eksenine göre ifade edilir: CM pros_osc = Losc_ref – CM pros_ax (3) Bu, salınım eksenine göre protez nisbetle atalet momentinin sonraki hesaplamalarda gereklidir. Son olarak, toplu bir konumda merkez salınım ekseni ile en iyi ayarlanabilir uç plakası (d_plate) arasındaki mesafeye göre protez soketi arasında yakın ucuna göreli olarak ifade edilir: CM pros_prox = CM pros_osc – d_plate (4) Her durumda (yalnız kafes ve kafes + protez) için atalet anı hesaplayın: 977eq5.jpg "/> (5) burada I eksenine salınım eksenine göre atalet momenti olan, τ bir salınım ortalama süre, m, sistemin kütlesi, g yerçekimi ivmesi ve d salınım ekseni arasındaki mesafedir sistemin kütle merkezi. Tek başına kafes için eksen ve kafesin artı protezi için eksen arasındaki salınım eksenine nisbetle protez atalet momenti fark olarak hesaplanır. Paralel eksen teoremi sonra diz ekleminin üzerinden bir enine, eksen etrafında protezin atalet momentini ifade etmek için kullanılır. Diz kütle konumundaki birleşik kütlesi, merkezini belirlemek, ve paralel eksenli bir konumda teoremi kütle kombine merkezinden geçen bir enine eksen sistemin atalet momentini ifade kullanarak güdüğün ve protez atalet özelliklerini kombine . 3. DağıtımAyak ve Shank Bölümleri içine Protez Atalet Bir ayak içine protez ve Güdüğün atalet özelliklerini dağıtmak için (protez ayak sadece) ve sap bölümü ters dinamiği modellenmesi segmenti eylemsiz özellikleri (protez soket, pilon ve güdük) bir sökülmüş protez verilere göre belirlenmiştir. Sökülen protez bacak toplam kütlesi 1,406 kg (pilon kütlesi de dahil olmak üzere) bir yuva kütle ve 0.72 kg'lık bir kütleye sahip ayak 2,126 kg idi. Böylece, toplam protez kütlesinin 66% protez soketine paylaştırılır ve% 34 ayak paylaştırılır edildi. Bir duyarlılık analizi bu diz eklemi ile ilgili protezin atalet tahmini anı vardı ne etkisi belirlemek amacıyla yapıldı. Bu analiz, Mattes ve diğ diz protezler aşağıdaki altı atalet özelliklerinin deneysel ölçümlere dayanmaktadır. 21 (veri yazarları, kişisel iletişim yoluyla elde edilmiştir). Ne zaman artılarınıhelenik incik ve ayak kitleler de Leva 8 dayanarak belirlenmiştir (ayak =% 24; sap = total protez kütlesinin% 76), diz eklemi hakkında protezin toplam eylemsizlik momenti gerçek karşılaştırıldığında yaklaşık% 5 oranında hafife edildi Deneysel değer, bir titreşim tekniği kullanılarak tahmin edilmektedir. Demonte ayak için protez (% 34) ve gövdenin (% 66) kitleler dayalı yüzdelerini kullanarak, diz eklemi ile ilgili toplam eylemsizlik momenti deneysel tedbir kıyasla yaklaşık% 2 oranında küçümsenemez. Protez protez ayak arasında kitle (% 34) ve soket (66%), bir tasfiye protez uzvun ölçümlere göre segmentleri dağıtın. Protez ayak COM yeri sağlam bir ayak 8 için regresyon denklemleri baz alınarak belirlenmiştir. Bu adım, duyarlılık sonuçlarına dayanmaktadır Miller 25 ve Czerniecki et al 24 analiz eder. Miller 25 KNE de çıkan ortak anları tahminprotez atalet özelliklerinin) doğrudan yapılan ölçümler, ve b) sağlam bir sap ve ayak için regresyon denklemleri tahmin protez atalet özellikleri kullanılarak: e kullanıyor. Iki farklı yöntem ve iki konularda diz an profiller arasındaki ortalama fark yaklaşık 3 N · m oldu. Büyüklük olarak bu ortalama fark duruşu sırasında tepe diz an az% 2 olarak gerçekleşmiştir. Czerniecki vd. 24. onun COM yerini belirlemek için birden diz altı protez ve bir bıçak kenarında dengeli protez ayak sökülmüş. Onlar sağlam bir ayak için regresyon denklemleri dayalı tahminlere bu sonuçları karşılaştırıldığında, onlar iki tahminler arasında çok az fark olduğu bulunmuştur. Onun COM Kademe 1 de sağlam bir ayak ve ayak tahmini kitle için en LEVA 8 de regresyon ile belirlenir da enine bir eksen etrafında protez ayağın MOI. Ayağın MOI da diz usin göre ifade edilmiştirg paralel eksen teoremi. (6) (7) (; Güdük atalet özellikleri dahil değil CMpros_limb), bir reaksiyon tahta tekniği ve protez atanan COM konumu ile elde protez soketine (CMpros_sock) COM konum tüm protez için COM konumunun bir tahminini birleştirerek belirlendi Adım 3.2 'den diz eklemi (CMpros_ft) ayak göreceli. CMpros_sock diz ve ayak bileği arasında düz bir çizgi üzerinde yalan kısıtlı ve aşağıdaki gibi belirlenmiştir: (8) Bir eksen etrafında protez ayağın MOI diz eklem sadece protez yuvanın MOI belirlemek için diz eklemi (Iknee_limb) ile ilgili tüm protez uzuv MOI için deneysel ölçüm çıkarıldı rağmenDiz eklemi (Iknee_sock) ilgilidir. Paralel eksen teoremi daha sonra COM (Icm_sock) aracılığıyla bir eksen etrafında protez yuvanın MOI ifade etmek için uygulanmıştır. (9) (10) Güdüğün (amputasyon sonra diz altında kalan anatomik yapıları) ve atalet özellikleri ters dinamik modelinde protez tarafındaki gövde parçasının atalet özellikleri olarak kullanılmıştır protez kenarında, atalet özellikleri ile bir araya getirilmiştir. (11) (12) (13) (14) </li>

Representative Results

Diz protez bacak distalinde atalet özellikleri bozulmadan bacak (Tablo 1) göre daha düşüktü. Katılımcılar arasında ortalama, protez yan kütle diz boyunca enine bir eksen etrafında atalet momenti% 52 daha az olan,% 39 daha az olan, ve kütle konumun merkezine sağlam bacak için değerler ile karşılaştırıldığında diz% 24 daha yakın olmuştur. Konu Bozulmamış * Ağırlık (kg) Kütle † Artıları (kg) Est. Kütle farkı (kg) ‡ Iknee bozulmamış (kg · m 2) Iknee artılarını (kg · m 2) Diz ekleminin altında Bozulmamış CM (m) Diz ekleminin altında Artıları CM (m) A 6.03 4.27 1.76 0,604 0.325 0.268 0.215 B 6.07 3.39 2.68 0.400 0.196 0.215 0.177 C 5.80 3.12 2.68 0.575 0,194 0.264 0.198 D 5.72 3.17 2.55 0.559 0.317 0.265 0.191 D 7.14 4.65 2.49 0.742 0.325 0.276 0.200 F 6.23 4.22 2.01 0.585 0.287 0.260 0.192 Ortalama ± St 6.17 ± 0.51 3.80 ± 0.66 2.36 ± 0.38 0.578 ± 0.109 0.274 ± 0.063 0.258 &# 177; 0.022 0.196 ± 0.013 * Bozulmamış birleştirilen sağlam sap ve ayak için değerlerini belirtir. † Avantaj kombine protez ve kalıntı uzuv için değerlerini belirtir. Diz boyunca enine bir eksen etrafında atalet momenti ‡. Aşağı diz protez ve bozulmamış bacaklarda arasındaki atalet özellikleri Tablo 1.. Karşılaştırılması. Sonuç müşterek kuvvetler (Şekil 3) ve anlar bileği (Şekil 4), diz, kalça ve ters dinamik modelinde kullanılan atalet parametreler etkilendi. Protez atalet doğrudan tedbirler sağlam anatomi dayalı (regresyonları ile karşılaştırıldığında ters dinamik değerlendirmelerde kullanıldığı zaman özellikle, eklem kinetik salıncak başlatılması (~ yürüyüş döngüsünün% 65) ve salıncak sonlandırma (~ yürüyüş döngüsünün% 95) esnasında azaldı <strong> Tablo 2). Etki büyüklüğü salıncak sırasında bu farklılıklar (≥ 1.0) önemsiz değildi öneririz. Bozulmamış atalet tahminleri kullanıldığı zaman ek olarak, ortak kinetik değerler protez atalet özelliklerinin doğrudan önlemler ile karşılaştırıldığında salıncak başlatılması ve sonlandırılması sırasında% 80 oranında ortalama artış. Bozulmamış bir uzuv atalet özellikleri protez yan modellemek için kullanılan Böylece, salınım sırasında protez tarafının ortak kinetik profiller daha çok yakın (bakınız Şekil 3 ve 4 'e bakınız), bir sağlam ekstremitenin benziyordu. Duruş sırasında, istatistiksel farklılıklar bir dizi gözlendi. Duruşu sırasında herhangi bir fark büyük etki boyutu kalça anterioposterior çıkan eklem kuvvet (= 0.86 ES) için gözlenmiştir. Bu etki boyutu büyük ve hala duruşun bir parçası olarak kabul olsa da, bu tedbir için zirve değeri terminali duruşu (~% 52) sırasında meydana, ya da uzuv salıncak içine geçiş gibi. Diğer tüm significa için etki boyutlarıduruşu sırasında gözlenen nt farklılıklar kalça çıkan eklem reaksiyon kuvvetleri kutlanıyor bu değerlerin büyük ile küçük etkileri kabul edileceği, 0,01-0,41 arasında değişmektedir. Önemli farklılıklar duruşu sırasında bulunmuş olmasına rağmen, fark (yani, etki boyutları) büyüklüğü açısından değerlendirildiğinde bu farklılıklar, bu farklılıkların anlamlılık sorgulamaya bir yol olabilir. Şekil 3. Anterioposterior (sol panel) ve dikey yönde (sağ panel) olarak ayak bileği, diz, kalça ve Sonuç ortak tepki kuvvetleri. Veri sunumu için deneklerin ortalamaları alınmıştır. Duruş fazı ayak temas yürüme döngüsünün% 0 başlar ve ayak-off ile yürüme döngüsünün yaklaşık% 60 biter. Salıncak t sonraki ayak temas edene kadar devamo yürüyüş döngüsünün% 100 aynı bacak. , bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız. Şekil 4. Ayak bileği, diz, kalça ve bir enine eksen (aka, mediolateral eksen) yaklaşık Sonuç ortak anlar. Veri sunumu için deneklerin ortalamaları alınmıştır. Duruş fazı ayak temas yürüme döngüsünün% 0 başlar ve ayak-off ile yürüme döngüsünün yaklaşık% 60 biter. Salıncak yürüme döngüsünün% 100 aynı bacağın sonraki ayak temas edene kadar devam eder. Tablo 2. Tepe edilen ortak reaksiyonkuvvetler ve momentler protez takımın ortak kinetik için konular ve iki atalet modelleri arasında istatistiksel karşılaştırmalar arasında ortalama Notlar:. Mean veriler ortalama (SD) olarak sunulmaktadır. % Yürüme Döngüsü sütun tepe değeri bu değişkene için meydana denekler genelinde ortalama yüzdesini gösterir. P <.05 anlamlı kabul.

Discussion

Bir salınım ve reaksiyon kurulu tekniği aşağıda-diz protezlerinin atalet özelliklerini tahmin etmek için sunuldu. Bu sistem valide ve bilinen geometrik katılar (Ek A) atalet özelliklerini tahmin zaman güvenilir olduğu gösterilmiştir. A) doğrudan ölçüm ile salınım ve reaksiyon kurulu teknikleri kullanarak, ve b) sağlam uzuvlar için oluşturulan standart tahmin denklemleri kullanarak: tek taraflı, transtibial amputees bir grup için protez bacak eylemsizlik özellikleri iki şekilde tahmin edilmiştir. Protez bacak için çıkan atalet özelliği tahminler iki yaklaşım önemli ölçüde farklıydı. Atalet özellikleri bu fark daha büyük farklılıklar salıncak sırasında gözlemlenen ile, yürüme sırasında eklem kinetiğinin önemli ölçüde farklı tahminler sonuçlandı.

Eklem kinetik önemli farklılıklar iki farklı atalet parametre tahminler kullanılarak duruşu sırasında meydana rağmen, bu farklılıklar s edildietkileri göz önüne alındığında merkezi bu farklılıkların ve salıncak sırasında gözlemlenen farklılıklar ile karşılaştırıldığında boyutları. Insan hareketinin en çalışmalarda, duruşu sırasında bu istatistiksel olarak anlamlı farklılıklar çalışmada sonuçlar üzerinde bir etkisi olmayabilir. Yer reaksiyon kuvvetleri yürüyüş duruş fazında alt ekstremite eklemlerinde genel an büyüklükleri üzerinde büyük bir etkiye sahip. Her iki model için eylemsizlik parametrelerinde anlamlı farklılıklar vardı ^17-19 rağmen, bu farklılıklar önemini üstesinden gelmek için yeterli değildi duruşu sırasında eklem momenti üretiminde yer reaksiyon kuvvet katkısı. Miller ²⁵ de daha önce protez yan atalet özellikleri çalışan duruş fazında alt ekstremite eklem kinetik büyüklükleri üzerinde çok az etkisi vardı önerdi. Yanlısı değiştirerek Ancak, Miller ^25, sadece dikkate kütle ve uzuv kitle konumu merkezinde farklılıkları aldıters dinamik modeli için sthetic uzuv eylemsizlik özellikleri. Atalet momentinde farklılıklar modelinde dikkate alınmamış, ancak bu atalet momenti ya da iki yarıya olsa bile büyük olasılıkla eklem hareketi büyüklüğü üzerinde çok az bir etkiye sahip olacağı önerilmiştir. Hareket denklemi Iα Terim çalışan duruş esnasında herhangi bir noktada tüm eklem an az% 3 olarak gerçekleşmiştir. Mutlak anlamda, bizim çalışma için moment büyüklüğü olarak en büyük değişiklik ortalama büyüklüğü artışı ~ 2 N · m oldu yürüme döngüsünün% 11 ~ de kalça eklem hareketi gözlenmiştir. Bu yaklaşık olarak çalışan duruş fazında Miller ²⁵ tarafından gözlenmiştir büyüklüğü artışın yarısı oldu. Miller olanlar ile birlikte Bizim sonuçlarımız atalet anı dahil olmak üzere protez atalet doğrudan tedbirler, Stanc sırasında kalça ve diz eklem momenti büyüklükler üzerinde sadece küçük veya önemsiz bir etkiye sahip olduğunu göstermektediryürüyüş ya da koşu e aşaması.

Yürüyüş salınım fazı ile ilgili, atalet modelin seçimi alt ekstremite eklem kinetik büyüklükleri üzerinde önemli bir etkisi var. Salıncak sırasında, duruşu sırasında zemin reaksiyon kuvveti olarak hiçbir büyük dış kuvvet vardır. Uzvun hareketi sistemindeki atalet ve segmentler arasındaki etkileşimlerin çok fazla bağlıdır. Bu da, iki farklı eylemsizlik model ters dinamik analizde kullanılmıştır gözlemlenen kinetik ortak büyüklükleri olarak büyük değişiklikler ile yansımıştır. Salıncak sırasında protez bacağını modellemek için sağlam anatomisine dayanan regresyon denklemleri kullanarak, daha fazla kas çaba protezin gerçek ölçülen eylemsizlik özellikleri kullanıldığı zaman daha gerekli olduğunu ileri sürdü.

Doğrudan aşağıda-diz protezi atalet özelliklerini ölçmek için bu yazıda anlatılan teknik çeşitli sınırlamalar vardır. Bu yöntem a tanımlamışlardırnd sagital düzlem analizleri sadece bacakların atalet özelliği ölçümlerini yaptı. Bu sistemde yapılan geliştirmeler atalet üç esas olan ölçülebilir, öyle ki üç farklı eksen asılabilir bir iç kafes yapısı oluşturma içerir. Buna ek olarak, reaksiyon, tahta teknik kütle protez merkezinin üç boyutlu konumunu ölçmek için her üç uçaklar için kullanılabilir. Czerniecki ve tek bir doku yoğunluğu ise kalıntı uzuv hacmini tahmin etmek için su içinde süspansiyon haline getirilmiş bir silindir olan ²⁴ arkadaşları tarafından tarif edildiği gibi kitle biraz daha doğru Güdüğün tahminleri yapmak olabilir başka gelişme bir hacim değerlendirme kullanmak olacaktır uzuv kütlesini tahmin etmek için uygulanır. Yerine protez soket ve ayak arasındaki total protez kitle dağıtmak için bir varsayılan yüzdesini kullanarak her bileşeni weighe olabilir böylece Ayrıca, her bir protez ayak bileğinde parçalandığını olabilirbağımsız bir şekilde, d. Bizim tekniğin diğer bir sınırlama bir deneysel oturumu sırasında bazı ek süre gerektirir olmasıdır. Genel olarak, doğrudan protez ataleti ölçmek için teknik kullanılarak muhtemel bir veri toplama oturumu için gerekli olan toplam zaman 30 dakika ekler.

Çünkü sağlam ekstremite eylemsizlik özellikleri diz protez uzuvlar aşağıdaki gibi basit yüzdeler atalet özelliklerini tahmin etmek için kesin öneriler gelişmekte benzer tasarımları (yani, kilit ve iğne süspansiyonlar ve dinamik elastik tepki protez ayak) ile diz altı protezleri bizim küçük örnek problemlidir . Bununla birlikte, diğer çalışmalarda ^20,21,23 aşağıda-diz protezleri için atalet tahminleri ile sonuçlarını birleştirerek ve sağlam uzuvlar için tahminler atalet bu sonuçları karşılaştırarak, bazı tutarlı eğilimler belirgin hale gelir. Sağlam uzuv ile karşılaştırıldığında, protez tarafının kütle sürekli olarak% 30-40 daha azdır, COM yer% 25-35 cDiz eklemi ve moi için kaybeden diz ekleminin üzerinden bir enine eksen yaklaşık% 50-60 daha azdır.

Sonuç olarak, aşağıda-diz protezi atalet özelliklerini modellemek için sağlam saplı ve ayak için regresyon denklemleri kullanarak salıncak sırasında eklem kinetik tahminlerinin büyüklüklerini etkileyecek, ancak duruşu sırasında bu büyüklükler üzerinde sadece küçük ya da çok az etkiye sahip olacaktır. Böylece, araştırmacılar protez tarafı modellemek için sağlam bacak atalet özelliklerini kullanarak lokomosyon duruşu aşamasında sadece odaklanarak için muhtemel çalışmanın sonuçlarını değiştirmez. Ancak, salınım fazı kinetik ilgilenenler için, protez atalet özelliklerinin doğrudan tedbirler protez bacak salıncak gerçek dinamiklerini yanlış tanıtıyor önlemek için düşünülmelidir.

Ek A

Kitle Tahminlerinde Eylemsizlik ve Merkezi Moment Güvenilirlik ve Geçerlilik

Güvenilirlik ve validit değerlendirmekatalet ve kütle merkezinin konumu protez momentinin deneysel ölçümlerin y, iki basit deneyler yapıldı. İlk deneyde, atalet ve dört nesnelerin toplu yerlerde merkezi anları deneysel çalışmalarda üç ayrı tahmin edilmiştir. Dört nesneler vardı: tedavi kereste (kütle = 2.8 kg), işlenmemiş kereste 2) 9 x 9 x 64 cm blok (kütle = 2.5 kg), 3) 7 x 9 x 65 1) 9 x 9 x 61 cm blok cm işlenmemiş kereste (kütle = 1.8 kg), ve 8 cm çapında ve 9 cm (kütle = 0.8 kg) arasında bir dış çapa sahip ve iç PVC boru 4) 61 cm uzunluğunda bir parça bloğu. Bir teknik, salınım kütlesi ¹² kendi merkezi boyunca bir enine eksen etrafında atalet her nesnenin momentini tahmin etmek için kullanıldı. Bir nesnenin, nesnenin sabit bir eksen, salınım (τ) dönemi etrafında salındığı zaman bu sabit bir eksen etrafında atalet nesnenin momentine orantılıdır. Salınım genliği az bir nötr konuma göre 5 ° ise,nesnenin atalet momenti tahmini basit bir sarkaç hareketine dayalı olabilir:

(A.1)

I salınım eksenine göre atalet momenti olan _eksenine burada, m, sistemin kütle, g yerçekimi ivmesi ve d salınım ekseni ve sistemin kütle merkezi arasındaki mesafedir olmasıdır.

Bir reaksiyon kurulu teknik kütlesi yerin her nesnenin merkezini tahmin etmek için kullanılmıştır. Denge varsayılmıştır (Σ _momentler = 0) ve nesnenin ağırlığı ile üretilen anları, çerçevenin ağırlığı ve tepkime kuvveti sabit bir eksen etrafında bir referans toplandı. Atalet ve her nesnenin kütlesi konumu merkezinin an da tahmin basit geometrik denklemlere dayalı idi. Bizim deneysel tedbirler bu geometrik estimatio karşılaştırıldıgeçerliliğini değerlendirmek için ns. Kütle konumu ve atalet anı merkezi için bizim tahminlerinin güvenilirliği tek faktör genel lineer model ANOVA'lar üç denemeler yansıtan 3 tekrarlanan ölçümlerle, (COM tahmini için bir tane ve İçişleri Bakanlığı tahmini için bir tane) iki kullanılarak değerlendirildi. Sınıf içi korelasyon katsayıları (SKK) da bizim tahminlere tekrarlanabilirlik belirlemek için hesaplanmıştır.

İkinci bir deneyde, salınım bizim süresi (τ) ölçümü güvenilirliğini değerlendirildi. τ bir ahşap blok alüminyum çerçeveye sabitlenmiş (kütle = 2.8 kg, boyutlar = 9 x 9 x 61 cm) ve her ikisi de asılı olan salınım ekseni ve 10 üst üste denemeler sarkıtılan sadece alüminyum çerçeveli 10 üst üste denemeler için ölçülmüştür salınım ekseni. Her bir deneme sırasında, τ çıkış gerilimi değişik yansıyan ışık yoğunluğuna göre bir fotosel ile 10 ardışık salınım ölçüldü. Τ için ölçümün güvenilirliği oldu10 tekrarlanan önlemler ile, dört, tek faktör genel lineer model ANOVA'lar kullanarak ssessed. İki (frame sadece denemeler için, bir çerçeve ve + blok araştırmalar için bir tane) ANOVA τ ardışık salınım (faktör belirli bir deneme içinde ardışık salınım süreleri olduğu şekilde, yani, veri matrisi kurulum olarak) arasında farklılık olup olmadığını belirlemek için kullanıldı. Faktör üst üste denemeler ve iki ANOVA τ üst üste denemeler arasında farklılık olup olmadığını belirlemek için kullanıldı, böylece daha sonra veri matrisler olarak 90 ° döndürülmüştür. Sınıf içi korelasyon katsayıları (SKK) aynı zamanda ölçümlerin tekrarlanabilirlik belirlemek için hesaplanmıştır.

Deney 1 Sonuçları – Dört Nesneler

Kütle merkezi (I_obj_cm) üzerinden bir enine eksen etrafında atalet her nesnenin an Sürekli olarak her objectR göre tahminlerine göre (tahta blokları için ~% 5 ve PVC boru ile ~% 12) fazla tahmin edilmiş17, kütlesi ve geometri (Iz) (Tablo 3). Bizim tahminler, ancak, son derece güvenilir. Atalet ortalama anda fark yoktu (F _2,6 = 0.154, p = 0.861), üç deneme karşısında dört nesneler için. Buna ek olarak, SKK, deneme karşısında atalet tahmini bizim anı (ICC = 1.00) yüksek tekrarlanabilir olduğunu ortaya çıkardı. Bizim tahmin eylemsizlik nesnenin anı abartma eğiliminde rağmen Böylece, geometrik tahmine göre bizim tahminler güvenilir.

Bir reaksiyon tahta tekniği kullanılarak kütle yer tahmini Bizim merkezi üniform bir yoğunluğa ve geometrik modeli varsayarak dayalı tahminlerle uyumlu idi. Farklar% 1'den daha az idi. Kitle yerin ortalama merkezinde hiçbir fark yoktu (F _2,6 = 1.126, p = 0.384), üç deneme karşısında dört nesneler için. Buna ek olarak, SKK, deneme karşısında kitle tahmini bizim merkezi (ICC> 0.99) yüksek tekrarlanabilir olduğunu ortaya çıkardı. Bu durumda,kitle tahminlerin bizim merkezi geçerli ve güvenilir idi.

.. Tablo 3. atalet ve dört nesneler için toplu yerlerde merkezi anları Bizim deneysel tahminleri kitle ve her nesnenin geometrisine dayalı tahminlere göre tablo büyütülmüş bir görünümünü elde etmek için buraya tıklayın. Değişken tanımları: mframe = kitle alüminyum çerçeve; mobject = nesnenin kütle; t_frame = Sadece çerçevenin salınım dönemi; salınım süresi arka arkaya 10 salınımlarının ortalaması olarak ve arka arkaya üç deneme karşısında belirlenmiştir. t_object = çerçevenin salınım dönemi ve birlikte nesne; t_frame aynı belirlenmiştir; I_Frame_osc = osilasyon eksenine çerçeve nisbetle I;I_Frame_obj_osc = osilasyon eksenine çerçevenin artı nesnesinin I; I_obj_osc = osilasyon eksenine nesnesinin I; Kütle nesnenin merkezinden geçen bir eksen etrafında nesnenin I_obj_cm = I; Aşağıdaki geometrik tahmin denklemleri kullanarak nesnenin CM hakkında I Iz = Teorik tahmin:
PVC: ; R dış yarıçapı nerede, r iç yarıçapı oldu, ve saat uzunluk oldu
Ahşap: ; uzunluktadır ve b, burada genişlik geometrik CM yer nesne uzunluğunun% 50 olarak tahmin edilmiştir.

Deney 2'nin sonuçları – Salınım Dönemi (τ) Değerlendirme

Tek başına alüminyum çerçeve salınım ekseninden süspansiyon haline getirilmiş ve sallandı zaman, τ sürekli olarak ve sistematik olarak (F = 123,25 _9,81, p <0.001) ilk 10 oscil fazla10 salınım çalışmalarda yaklaşık 6 msn (; paneli bıraktı Şekil 5) ile sizlerle paylaşıyoruz. Deneme karşısında, salınım ortalama süresi de anlamlı farklılık bulundu (F _9,81 = 13,97, p <0.001), sadece çerçeve titreştirilebilir edildi. Bununla birlikte, belirli bir SKK deneme içinde ilk 10 salınımlarının fazla τ sistematik düşüş (ICC = 0.99) tekrarlanabilir olduğunu ortaya çıkardı. Çerçeve ve ahşap blok (m = 2797 g) birlikte salladı edildiğinde, τ ilk 10 salınımları üzerinde değişiklik olmadı (F _9,81 = 3.031, p = 0.116) ve 10 ardışık çalışmalar boyunca ortalama τ anlamlı farklılık yoktu ( F _9,81 = 3.533, p = 0.093) (Şekil 5; sağ panel). Çerçeve artı nesne denemeleri için SKK verilen bir deneme τ içinde salınımından salınım (ICC = 0.17) tekrarlanabilir olmadığını göstermektedir. Bu veriler, çerçeve için tek denemeleri τ daha tri bir dizi boyunca birinci salınım ortalama olarak tahmin olduğunu düşündürmektedir altında bir diz protezi benzer özelliklere sahip bir nesne olarak salınım hareketi yapmaktadır ve bu zaman als, τ daha iyi üst üste salınımlar karşısında ortalama olarak ve denemeler bir dizi üzerinde olduğu tahmin edilmektedir.

(A) alüminyum çerçeve, sadece ve (B) çerçeve ve ahşap blok (blok kütle = 2.8 kg, blok boyutları = 9 x 9 x 61 cm) için ölçülen salınım Şekil 5. Dönem. Her panel ilk 10 ile 10 ayrı dava gösterir Her deneme salınımlar görüntülenir. Salınım ekseni (sol panel) sarkıtılan sadece çerçeve, τ sistematik olarak ilk 10 salınımları azalmıştır. Ahşap bir blok çerçeveye eklenmiş, ancak, τ sistematik olarak ilk 10 salınımları (sağ panel) arasında farklılık yoktu.

Salınım Dönemi Eylemsizlik Momenti duyarlılığı

t "> deney 1 sonuç atalet bir nesnenin an bizim tahminleri sürekli abartmış ve deney 2 sonuçları çerçevenin τ ilk 10 salınımları üzerinde, biz ölçülmesi için en iyi yöntemi belirlemek için bir duyarlılık analizi azaldığını düşündürmektedir vardır öneririz çünkü . çerçeve sadece deneme ve çerçeve ayrıca nesne çalışmalarda (Tablo 4) için τ τ bir nesnenin eylemsizlik momenti ile doğru orantılıdır:

(A.2)

I salınım eksenine göre atalet momenti olan _eksenine burada, m, sistemin kütle, g yerçekimi ivmesi ve d salınım ekseni ve sistemin kütle merkezi arasındaki mesafedir olmasıdır. Τ bir düşüş olması durumunda m, g ve d belirli bir deneme içinde sabit olduğu için, bu nedenle, daha sonra bu yüzden _eksen etmez. Biz esti yana: gibi bir nesne atalet momentini eş

I = I _{+ çerçeve obj obj} – Eğer _rame (A.3)

çerçevenin _(frame I) atalet momentini hafife deney 1 bizim hesaplamalarının tutarlı olan nesne için atalet tahmin daha büyük bir an (I _obj), üretecektir. 6 görüntüler çerçeve tek hem de deney 1 τ Şekil denemeler ve hafif nesne ve ağır nesne için çerçeve artı nesne denemeleri. Bu rakam (diz protezi örneğin aşağıda) ağır nesneler için ilk 10 salınımlarının üzerinde τ hiçbir belirgin azalma olduğu, ancak hafif nesneler için τ hafif sistematik bir azalma olduğunu göstermektedir.

Tablo 4.. Karşılaştırılmasısalınım dönemi belirlemek için dört farklı yöntem. Bu analizde kullanılan nesne işlenmiş kereste 9 x 9 x 61 cm blok oldu. Nesnenin kütlesi ve geometrisine dayalı alternatif bir kuramsal tahminine kıyasla Durumu C eylemsizlik nesnenin an en iyi tahminini üretti. Tablonun büyütülmüş bir görünümünü elde etmek için buraya tıklayın. Notlar: Değişken tanımları Tablo 3 olarak aynıdır Kondüsyon. A: t_frame ve t_object 3 deneme karşısında 10 ardışık salınım salınım dönemde ortalama olarak hesaplanmıştır Durum B:. t_frame ve t_object 3 ayrı çalışmalar boyunca salınım ilk dönem ortalaması olarak hesaplanmıştır Durumu C:. t_frame olarak belirlendi Koşul B; t_object Durumu A. Durum D'de tespit edilmiştir: t_frame olarak belirlendiKoşul A; t_object Durum B'de olarak belirlendi

Şekil 6,. Ağır ve hafif nesneler için salınım süreleri. Sol panel sadece çerçevenin üç deneme salınımın ilk 10 dönemleri görüntüler ve sağ paneller çerçevenin artı nesne denemeler için aynı görüntüler. Deney 2'de olduğu gibi, sadece çerçeve sallanmaktadır ilk 10 salınımlarının fazla τ sistematik bir azalma vardır. Ağır bir nesne (m = 2,797 kg) titreştirilebilir zaman, τ hiçbir sistematik azalma oldu. Ancak, τ hafif bir azalma ışık nesne (m = 0,716 kg) titreştirilebilir zaman gözlenmiştir. Tipik diz altı protez kütle 1.2 ila 2.1 kg ^20,21 arasında olduğu rapor edilmiştir. Böylece, hatta hafif ağırlık protezler için, τ olmamalıilk 10 salınımları üzerinde önemli bir azalma gösterirler.

Sonuç

Tek başına alüminyum çerçeve salındığında, osilasyon, salınım süresi 10 salınım çalışmalarda ilk salınım ortalaması olarak tespit edilecektir. Alüminyum çerçeve ve protez titreştirilebilir zaman, titreşim periyodu 30 salınımları (3 deneme, her deneme içinde 10 ardışık salınım) arasında ortalama olarak tespit edilecektir.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Biyomekanik Amerikan ve Uluslararası Dernekleri gelen fon bu çalışma için verilmiştir.

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).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Smith, J. D., Ferris, A. E., Heise, G. D., Hinrichs, R. N., Martin, P. E. Oscillation and Reaction Board Techniques for Estimating Inertial Properties of a Below-knee Prosthesis. J. Vis. Exp. (87), e50977, doi:10.3791/50977 (2014).

Automatically Generated