Разгибание бедра в тренажере: Разгибание ног в тренажере – тренировка квадрицепса

Разгибание ног в тренажере – тренировка квадрицепса

Разгибание ног в тренажере – это изолирующее упражнение на квадрицепс, которое способствует прорисовке рельефа и улучшению формы данной мышцы. Техника выполнения движения достаточно проста, однако в ней есть свои нюансы, которые необходимо знать для эффективной и безопасной тренировки ног.

Работа мышц

При выполнении разгибаний ног основная нагрузка приходится на четырехглавую мышцу бедра, то есть квадрицепс. Это самая большая мышца в человеческом теле, ее главной функцией является разгибание коленного сустава и выпрямление ноги. Частично данная мышца участвует в сгибании тазобедренного сустава.

Квадрицепс состоит из четырех более мелких мускулов:

• Прямая мышца бедра – покрывает бедро спереди.
• Промежуточная мышца бедра – также находится спереди под прямой.
• Латеральная мышца – формирует внешнюю сторону бедра.
• Медиальная – соответственно, внутреннюю.

Подъем ног сидя или как иногда говорят, разгибание голени в тренажере позволяет проработать все пучки квадрицепса, прорисовать рельеф и улучшить форму ног. Также выполнение данного упражнения способствует улучшению показателей в базовых движениях, таких как присед или жим ногами.

Разгибания применяются в качестве разминки перед основной тренировкой ног, для предварительного утомления (на продвинутом уровне) или для добивания квадрицепсов после базовых упражнений. Как основное упражнение оно может даваться для укрепления мышц новичкам, для которых базовые приседания еще пока слишком сложны.

Влияние упражнения на колени

Отдельно стоит сказать о влиянии разгибаний на коленные суставы. Когда происходит сгибание и выпрямление ног под действием веса, передняя крестообразная связка испытывает значительную нагрузку. С одной стороны, это создает опасность получения травмы. Именно поэтому важно безукоризненное следование технике и использование умеренных весов.

Однако, с другой стороны, при правильном выполнении и применении небольшого отягощения упражнение способствует укреплению связок колена. В частности, оно применяется для реабилитации спортсменов после травм. Иными словами, все есть яд и все есть лекарство, то и другое определяет доза. Чтобы упражнение приносило только положительный эффект необходимо выполнять его правильно.

Техника выполнения

На первый взгляд, упражнения проще, чем разгибание ног в станке, и не придумаешь. Садимся на сиденье и поехали. Отчасти это действительно так, но, как и в любом деле, здесь есть свои секреты.

Итак, в первую очередь тренажер нужно под себя отрегулировать. Как правило, в станке регулируются два параметра – положение спинки и расположение валика, за который вы заводите ноги. Ну, и, конечно, вес.

1. Спинку нужно установить так, чтобы ваше бедро полностью помещалось на сиденье. То есть, чтобы колени идеально ложились на край сиденья, а крестец был прижат к спинке.
2. Положение второго валика (за который заводите ноги) нужно выставить так, чтобы вы упирались в него нижней частью голени. Угол в коленном суставе при этом не должен быть меньше 90 градусов.
3. Последнее, что надо будет сделать – это выставить вес, в зависимости от вашего уровня подготовки. Выбирайте вес так, чтобы с ним вы смогли сделать 3–4 подхода по 15–20 раз. Большое отягощение в этом упражнении не используется.

Подготовив себе «рабочее место», переходим к выполнению упражнения.

1. Сядьте в тренажер, прижмитесь спиной к его спинке и заведите ноги за валик. Руками возьмитесь за специальные ручки по бокам от сиденья. Носки стоп поднимите вверх.
2. На выдохе плавно разогните ноги в коленях. Максимально напрягите квадрицепсы в верхней точке, задержитесь в таком положении на 1–2 секунды.
3. На вдохе подконтрольно опустите ноги вниз, но не сгибайте их до конца. То есть даже в нижней точке квадрицепсы должны быть напряжены. Следите за ощущениями в коленях, не бросайте резко ноги вниз.
4. Выполните нужное количество повторов.

Среди вариаций данного упражнения можно указать выполнение разгибаний поочередно сначала одной ногой, затем второй. Такой подход некоторым помогает лучше прочувствовать работу мышц, либо он может использоваться при наличии асимметрии.

Также можно делать выпрямление ног, разворачивая носки внутрь или наружу. При развороте наружу нагрузка смещается в сторону внутренней (медиальной) головки квадрицепса, при развороте внутрь – в сторону внешней (латеральной).

Когда ваши мышцы уже слишком утомлены, чтобы выполнить разгибание голени в полную амплитуду, вы можете завершить подход повторами с частичной амплитудой. Главное, не допускать резких движений и не бросать вес вниз.

Выполнение разгибаний ног в тренажере поможет придать мышцам бедер желаемую форму и прорисовать рельеф. Для гармоничного развития тела следует дополнять это упражнение разгибаниями ног в станке или иными упражнениями на заднюю поверхность бедер.

Сгибание ног лежа – проработка задней поверхности бедра

Сгибание ног лежа – это изолирующее упражнение, направленное на проработку мышц задней поверхности бедра. Оно позволяет придать мышцам рельеф, зрительно отделить бедра от ягодиц и добиться гармоничной формы ног при наличии хорошо развитых квадрицепсов. Как правило, при тренировке ног сгибание и разгибание используются в паре.

Особенности упражнения

Сгибание ног в тренажере лежа, или как вариант, сидя и стоя (есть и такие тренажеры) является одним из самых популярных упражнений, как в женских, так и в мужских тренировках на нижнюю часть тела. Это объясняется, во-первых, легкостью освоения технической стороны движения, а во-вторых, возможностью качественно проработать именно целевую мускулатуру.

Кстати, о мускулатуре. Целевыми мышцами при выполнении сгибаний голени будут:

• Бицепс бедра или двуглавая мышца. На нее приходится основная нагрузка.
• Полусухожильная и полуперепончатая мышцы. Они расположены ближе к внутренней части ноги. Так же, как и бицепс бедра, данные мускулы сгибают ногу в коленном суставе.
• Икроножные мышцы включаются в работу дополнительно.

Распределение нагрузки: бицепс бедра, полуперепончатая, полусухожильная и икроножная мышцы.

Что касается места этого упражнения в тренировке, то обычно его, так же как и разгибание голени, выполняют после базовых упражнений на ноги и ягодицы, в частности, после приседаний или становых тяг. Количество подходов и повторов может варьироваться в зависимости от ваших целей. Как правило, это 3–4 подхода по 15–20 раз.

• Девушки выполняют это упражнение в многоповторном режиме с небольшим весом. Такой подход работает на жиросжигание, позволяет увеличить тонус мышц и прорисовать рельеф.
• Мужчины делают меньше повторов, но с более значительным весом. Таким образом, бицепс бедра увеличивается в объеме и возрастает сила мышц. А это, в свою очередь, не только добавляет ногам массы, но и оказывает существенную поддержку при выполнении базовых упражнений.

При правильной технике сгибание ног на тренажере вполне безопасно и рекомендуется даже новичкам. Однако если у вас были травмы коленных суставов или нижней части позвоночника, будьте аккуратны.

Классический вариант упражнения: в положении лежа.

Сгибание ног сидя и лежа по эффекту практически ничем не отличаются. Выбирайте наиболее комфортное для вас положение. Делая сгибания ног сидя, вам будет проще дышать, так как грудная клетка не будет сдавливаться, а лежа проще контролировать диапазон движения веса. Также некоторые спортсмены делают сгибания поочередно одной и другой ногой стоя в специальном станке. Это позволяет лучше прочувствовать бицепс бедра. Вариаций существует множество и вы всегда можете заменить одну на другую.

Сгибание голеней на станке стоя.

При отсутствии тренажера вообще, можно заменить это упражнение на сгибание ног с зажатой между стоп гантелей. Животом в этом случае вы ложитесь на скамью.

Техника выполнения

Рассмотрим технику выполнения упражнения лежа. Делая сгибания сидя или стоя, соблюдайте те же самые принципы.

Прежде всего отрегулируйте тренажер под свой рост и длину ног. Коленные суставы должны выходить за край скамьи, а валик, в который вы будете упираться нижней частью голени, должен располагаться на несколько сантиметров выше пятки. Тут все просто – чем ближе валик к пятке, тем больше рычаг и тем эффективнее упражнение. На место изгиба скамьи вы ложитесь животом так, чтобы вам было комфортно и в пояснице не было напряжения.

1. Лягте на тренажер и заведите ноги под валик. Руками возьмитесь за специальные ручки или за края скамьи.
2. На выдохе согните голени, стараясь максимально приблизить валик к ягодицам. Передняя поверхность бедер при этом прижата к скамье.
3. На вдохе разгибайте голени, аккуратно опуская вес вниз. Полностью выпрямлять колени и расслаблять бицепс бедра в нижней точке не нужно.
4. Повторите нужное количество раз.

Вы можете варьировать нагрузку в этом упражнении, меняя положение носков стоп. Разведя носки наружу, вы сместите акцент в сторону внешней поверхности бедер. Сведя их внутрь – в сторону внутренней.

Можно также чередовать сгибания на станке в сидячем или лежачем положении. При наличии соответствующего тренажера, стоит попробовать делать упражнение стоя сначала одной ногой, потом другой. Чем более разносторонней будет проработка мышц, тем качественнее вы получите результат.

После тренировки сделайте небольшую растяжку. Это поможет расслабить бицепс бедра и улучшит кровообращение.

техника выполнения, какие мышцы работают

Мощный квадрицепс- это не только красиво, но и правильно с точки зрения анатомии и биомеханики. Люди, которые качают ноги нормально, уделяя внимание не только задней поверхности бедер, но и передней, имеют меньше проблем с болями в пояснице. Их не мучают боли в грушевидной мышце из-за спазмов и нарушения осанки ввиду напряженной поясницы. Квадрицепсы должны быть, даже если какие-то там люди и отрицают их эстетически. Кроме того, наличие хорошо развитой передней поверхности бедер – это здоровые колени. Все же, мы должны не только сгибать ноги, но и разгибать их, так задумано анатомически.

Работающие мышцы

Тренажер сконструирован таким образом, чтобы основную нагрузку забирала на себя четырехглавая мышца бедра. Она же – квадрицепс. Мышца разгибает голень, выводит бедро вперед, и сгибает тазобедренный сустав.

Конкретно в версии с тренажером не нужна стабилизация корпуса, и другие дополнительные моменты. Если речь идет о включении рук и пресса – это лишнее.

В упражнении работают все 4 головки квадрицепса:

• Прямая – стартует разгибание, это мышца, которая покрывает бедро впереди;
• Промежуточная – стабилизирует ногу, и доводит тазобедренный сустав, она расположена под прямой;
• Латеральная – чтобы ее задействовать носки разводят в стороны, сама мышца опоясывает бедро с боку;
• Медиальная – для задействования ее в большей степени носки направляют внутрь

Разгибания голени – не силовое упражнение. Если работают в тренажере, своей целью ставят укрепление передней поверхности бедра и «прокачку» отстающих мышц. Это движение помогает улучшить результат в классической становой тяге, а также в приседаниях, фронтальных приседах, рывках, толчках и жиме ногами.

Разгибание голени и колени

В штанге используется другой вариант разгибания – атлет кладет на голени блин, и выполняет движение с ним. Считается, что это менее травмоопасно, чем «классика» в тренажере. Разгибание в тренажере связывают с травмами ПКС (передней крестообразной связки). Однако риск выше, если человек бездумно повышает вес и «проталкивает» его вверх, а затем рывком опускает.

Действительно  разгибание голени анатомически верно только в плоскости сгибания тазобедренного сустава, что для большинства людей – носочками наружу. А еще движение не предназначено для тяжелых весов. Хорошо, что рельеф квадрицепса можно сделать с многоповторной работой.

Те, кто боится получить травму ПКС могут заниматься с легкой резиной, либо выполнять разгибания по одной ноге, направляя носок в анатомически естественной плоскости.

Техника выполнения

Обычно новичкам советуют разгибать в тренажере голени только потому, что в этом упражнении невозможно ошибиться. Тут интернет-эксперты ошибаются. Новичок может ошибиться везде. Например, отдельные личности не знают о том, что спинка тренажера регулируется, а подушку-фиксатор можно тоже настроить. Они сидят на краешке сиденья, и сильно «задвигают» голеностопы под сиденье машины. Из такого положения ПКС оказывается перерастянутой на старте. Потому подобные «техники» не рекомендуются для фитнеса.

Для того, чтобы сделать упражнение верно, надо:

1. Настроить спинку так, чтобы она была опорой. У большинства тренажеров регулируется наклон спинки и есть возможность придвинуть и отодвинуть ее;
2. Правильное исходное положение – спина опирается на спинку, бедро лежит на сиденье, голень зафиксирована подушкой тренажера, а угол между голенью и бедром составляет не более 90 градусов;
3. В реабилитации допускается неполная амплитуда, когда валик крепится выше, чем 90 градусов;
4. Носки должны быть направлены чуть на себя, выполнять упражнение лучше начинать с сокращения квадрицепсов

Движение выполняется следующим образом:

1. Движение вниз не должно быть форсированным, лучше плавно опускаться и плавно разгибать голень;
2. Спина должна быть прижатой к спинке полностью, поясничный отдел тоже;
3. Разгибание нужно делать на выдохе, сгибание – на вдохе.

Вариации, на самом деле, очень разнообразны. Самое простое – это разгибание по одной ноге. Версия для тех, кто имеет дисбалансы в развитии ног, и «стартует» всегда одним бедром, лишь доводя второе. Этот вариант выполнения упражнения лучше подходит, и если атлет боится за ПКС, или уже имеет травмы.

Вторая вариация – разгибание с резиной. Сидя на стуле, спортсмен разгибает голень с фиксацией резинового амортизатора на стопе. Этот вариант подойдет тем, кому нужно укрепить связки, и защититься от травм.

Третья вариация для тех, у кого нет тренажера для разгибания. На голени кладется блин, атлет сидит на стуле. Вариант укрепляет голеностоп и камбаловидные тоже, так как удерживать вес нужно будет за счет голеностопов.

Четвертая вариация – это разгибание с разворотом носков наружу, а пяток внутрь. Есть мнение, что такая техника строит более округлые бедра у девушек, которых природа наделила И-образной фигурой.

Пятая – носки внутрь пятки наружу. Это достаточно спорное положение стоп с точки зрения анатомии, но некоторые атлеты считают, что так они лучше прорабатывают медиальную головку квадрицепса.

Как бы там ни было, успех выполнения этого упражнения – в подконтрольной технике, отсутствии рывков и толчков, и медленном подъеме и опускании веса. Контролируйте движение валика, и упражнение не будет травмоопасным для вас.

Движение выполняют обычно на 12-15 и больше повторов, в 3-4 рабочих подхода, в силовом режиме не работают

Советы

1. Представление различных спортивных медиков твердит, что разгибания ног чрезмерно загружают коленные суставы. Чтобы максимально уменьшить этот стресс, не допускайте, чтобы голени задвигались под бедра — снизу упражнения угол в коленях должен варьироваться от 90 до 100 градусов.
2. Сверху упражнения всегда максимально разгибайте ноги — только так возможно достичь лучшего сокращения внешней латеральной и внутренней медиальной мышцы, которые отвечают за фиксацию коленной чашечки.
3. Не берите чересчур большой вес — он может забить коленные суставы и вдобавок не даст вам сполна разогнуть ноги. Нагрузку на мышцы квадрицепсы в разгибаниях ног лучше достигать дополнительным числом повторений, а не тяжелыми весами.
4. Если тугие мышцы задней части бедра препятствуют вам максимально выпрямлять ноги, в исходном положении чуть-чуть отклоните корпус, при этом спинку тренажера нужно отвести немного назад до угла в 45 градусов, затем закрепите сиденье параллельно полу. Это не только смягчит натяжение мышц задней части бедра, но и даст вам отлично растянуть основные мышцы ног — квадрицепсы. Не наклоняйте туловище вперед — это уменьшит эффективность упражнения.
5. Чтобы сконцентрировать нагрузку на среднюю часть квадрицепсов, раздвиньте носки ног врозь. Если хотите жестко забить внешние латеральные пучки квадрицепсов, сдвиньте носки немного внутрь.
6. Если испытываете, что это упражнение очень сильно нагружает коленные суставы, поменяйте его на разгибания ног в блочном тренажере. Зафиксируйте лямку троса, которая проходит через нижний блок к правой лодыжке. Сделайте упор на левую ногу при этом вы стоите спиной к блоку, а правую немного согните в колене и слегка приподнимите. Сохраняя в неподвижном состоянии корпус и бедра, сделайте все повторения — разгибания левой ноги. После чего зафиксируйте лямку к правой ноге и выполните все повторения для второй ноги.

Применение

Предназначено: Как начинающим атлетам так и профессиональным спортсменам.

Когда: По окончанию тренировки ног, для того чтобы их добить. Перед разгибаниями ног отработайте жимы ногами, приседания со штангой и выпады со штангой. После разгибаний ног можно ещё выполнить сгибания ног лежа, или супер сет разгибания ног/сгибания ног.

Сколько: 4 подхода по 10 – 16 повторений.

Спорт инструктаж: Разгибания ног прорисовывают рельеф прямой передней мышцы бедра, дают ей на протяжении всей длины рельефную, объемную форму, особенно заметную, если смотреть на бедро со стороны. Помимо всего прочего, разгибания ног позволяют достичь отчетливого разделения между латеральной и прямой мышцами бедра.

Мощность прямой мышцы бедра во многом увеличивает ваши достижения во всех видах спорта, в которых есть бег и прыжки. Разгибания ног с маленьким весом — отличный способ восстановить коленный сустав после тяжелой травмы.

Разгибание ног сидя. Изучаем все тонкости и секреты.

Приветствую, мои уважаемые соратники! Несмотря на смешную дату, а сегодня 1 апреля, шутить и балагурить мы не будем (ну только может самую малость), а разберем такое тренажерное упражнение, как разгибание ног сидя. По прочтении Вы узнаете все о мышечном атласе, кинесиологии движения и правильной технике выполнения, также рассмотрим некоторую практическую информацию.

Итак, все прильнули к своим гаджетам, поехали.

Разгибание ног сидя. Что, к чему и почему?

Практически в каждом, даже самом затрапезном и замшелом тренажерном залах, есть тренажер для разгибаний ног сидя. И, разумеется, если он есть, значит упражнения на нем выполняются, и он пользуется определенной популярностью. Ну а коли так, значит у нас с Вами есть пища для размышлений относительного того, как его правильно использовать. Вы скажите: да что там делать, сел и поехал качать ноги. И будете правы, но лишь отчасти, ибо каждый посещающий норовит привнести в разгибание ног что-то свое. Дабы понять, нужна ли здесь какая-то отсебятина и как вообще применять эту разгибательную железную машинку в тренинге ног, мы и поговорим в этой заметке.

Примечание:

Для более лучшего усвоения материала все дальнейшее повествование будет разбито на подглавы.

Мышечный атлас

Разгибание ног сидя это изоляционное упражнение, направленное исключительно на развитие мышц передней поверхности бедра — квадрицепсов. В нем нет нужды сохранять равновесие, и по этой причине в работе не принимают участие мышцы-стабилизаторы. Сам по себе тренажер имеет сиденье со спинкой для поддержки позвоночника, что делает его безопасным для тех, у кого имеются проблемы со спиной. Также тренажер имеет определенную заданную траекторию движения, что снижает риск получения травмы от потери контроля или падения веса.

Основными работающими мышцами являются:

• таргетируемые – четырехглавая мышца бедра;
• стабилизаторы – трапециевидная (верх/середина), мышцы поднимающая лопатку, бицепс, плечевая и плечелучевая.

Полный мышечный атлас выглядит следующим образом:

Квадрицепс имеет 4 головки, т.е. состоит из четырех самостоятельных мышц: прямая – самая длинная двуглавая мышца, которая тянется от таза до коленной чашечки. Она сгибает бедро в тазобедренном и разгибает голень в коленном суставах. Под прямой залегает промежуточная широкая, которая выталкивает ее наружу при гипертрофии. По сторонам бедра находятся широкие мышцы бедра — медиальная и латеральная. Чтобы добиться каплевидной формы бедер, необходимо иметь хорошо накаченные “сторонние” мышцы бедра.

При выполнении упражнения происходит разгибание коленного сустава, в результате чего голень отводится от бедра. За это движение отвечают прямая и промежуточная мышцы квадрицепса. Чтобы повысить эффективность движения, необходимо “натянуть” эти две мышцы путем отклонения корпуса назад. Завершают движение разгибания медиальная и латеральная мышцы.

Преимущества

В определенной мере упражнение является неоднозначным, и впоследствии Вы поймете почему. К преимуществам, получаемым от его делания, можно отнести:

• изолированная и акцентированная работа квадрицепса;
• развитие силы бедра;
• обеспечивают хорошую детализацию, “полосовость” мышц переда бедра (разделения на волокна, сепарация);
• укрепление связок коленной чашечки;
• улучшение характеристик/результатов в других видах спорта – футбол, бег через препятствия, прыжки в длину и высоту;
• увеличение рабочих весов в “ножных” упражнениях (приседания, жим ногами);
• используется в качестве реабилитационного упражнения после травм колена;
• простота выполнения.

Как видите, вполне достаточное количество плюсов для такого незамысловатого упражнения.

Техника выполнения

Несмотря на всю тренажерность упражнения, оно требует соблюдения четких инструкций. Пошаговая техника выполнения разгибаний ног сидя выглядит следующим образом.

Шаг №0

Подойдите к тренажеру для разгибаний, установите рабочий вес. Глубоко усадите свою “женю” на сиденье, заведите ноги под валик и возьмитесь руками за боковые рукояти. Это будет Ваше исходное положение.

Шаг №1

Вдохните, на выдохе, используя силу квадрицепсов, максимально распрямите ноги. Задержитесь на 1-2 счета в сжатом положении и затем медленно верните снаряд в ИП. Повторите заданное количество раз.

В картинном варианте все это безобразие выгляди так:

В движении так…

Примечание:

Оптимальным тренажером для разгибаний является тот, у которого сиденье параллельно полу. В таком положении бицепсы бедер не препятствуют полному разгибанию квадрицепсов, а для их стимуляции это крайне важно.

Вариации

Помимо классики, существуют следующие вариации упражнения разгибание ног сидя:

• поочередно одной ногой сидя;
• поочередно одной ногой полустоя.

К слову сказать, последний вариант является весьма экзотическим и применяется крайне редко.

Мало кто знает, а тем более применяет различную постановку носков при выполнении разгибаний. Всего же существует три позиции, которые предназначены для решения разных задач:

• классическая — носки ровно, общее развитие квадрицепсов;
• носки наружу — пятки вместе, носки врозь, акцент на внутреннюю поверхность бедра;
• носки внутрь — акцент на латеральную/медиальную части квадрицепсов, внешнюю поверхность бедра;

Упрощенным технически, но даже более действенным вариантом ввиду “разгрузки” коленного сустава и доставания большей нагрузки квадрицепсу, является следующее упражнение. Прикрепите к лодыжке трос с нижнего блока, согните ногу в бедре до угла 45 градусов, не меняя угла, разгибайте ногу.

Секреты и тонкости выполнения

Несмотря на всю свою простоту, необходимо помнить про следующие технические особенности:

• отрегулируйте положение (высоту) валиков — они должны приходиться на низ мышц голени (8-10 см выше ступней), а не подъем ступни;
• убедитесь, что угол между нижней и верхней частью ног составляет 90 градусов (т.е. колено не должно выходить за пальцы ног);
• следите, чтобы при старте ступни не были заведены под сиденье;
• чтобы снизить нагрузку на колени при опускании веса, не заводите голень под сиденье;
• не зависайте в нижней точке и полностью не сгибайте ноги, оставляя нагрузку на квадрицепсах;
• держите пиковое сокращение 1-2 секунды в верхней точке траектории;
• каждый раз при подъеме напрягайте ступни и тяните носки на себя — это заставит максимально сократиться медиальную широкую мышцу;
• плотно прижимайте спину к опоре сиденья скамьи;
• ваше заднее бедро должно полностью укладываться на скамье, поэтому следите за ним и не допускайте свисания коленей;
• жестко зафиксируйтесь в “седелке” и не елозьте корпусом при выполнении упражнения;
• применяйте разгибания в конце тренинга ног, как добивающее с большим количеством повторений 10-15;
• на продвинутом уровне можно использовать разгибания в качестве предварительного утомления и затем проводить основную тренировку ног.

Разгибание ног: плохо для моих коленей?

С определенной степенью можно сказать, что да, особенно для представительниц прекрасного пола, причем “женщин за”…Все дело в том, что анатомически окружающие коленные области связки и сухожилия у дам намного слабее, чем у мужчин. И поэтому любое отклонение нагрузки отягощения от нормы, может привести к травмам коленей. Для каждой фитнесяшки эти нормы свои, поэтому при «оседлании» тренажера для разгибания ног необходимо помнить о постепенном “шаговом” увеличении веса и считыванием обратной коленной связи после выполнения подхода.

В целом, при выполнении разгибаний ног сидя, имеет место постоянное напряжение передней крестообразной связки. Также существует повышенный риск бокового отклонения коленной чашечки и увеличение напряжения в отношении поперечных сил. Разгибание ног в тренажере с большим весом резко увеличивает вероятность получения травмы коленом из-за вовлекаемых сил. Помните, что когда четырехглавая мышца сильнее, чем бицепс бедра (особенно у женщин), колено теряет устойчивость, и риск получения травмы возрастает, поэтому заднее бедро также нужно качать и не “запускать” его.

Ну вот, собственно, и все, о чем хотелось бы рассказать, давайте подытожим эту болтологию.

Послесловие

Сегодня мы познакомились с упражнением разгибание ног сидя. А это значит, что теперь в Вашем арсенале ножных упражнений прибыло.

Осталось только обкатать его на практике, поэтому дуем в зал и начинаем “катать”. Я же с Вам прощаюсь, успехов и до новых встреч!

PS. а Вы применяйте разгибания при тренировке ног?

PPS. Помог проект? Тогда оставьте ссылку на него в статусе своей социальной сети — плюс 100 очков к карме, гарантированно 🙂 .

С уважением и признательностью, Протасов Дмитрий.

Вы можете пропустить чтение записи и оставить комментарий. Размещение ссылок запрещено.

Правильная техника сгибания и разгибания ног в тренажере.

Сохрани себе, чтобы не потерять:

1. Какие мышцы задействуются?
2. Корректная техника выполнения

Вряд ли можно найти упражнение, сравнимое по эффективности с разгибанием и сгибанием ног в тренажере. Оно входит в ТОП изолирующих упражнений, нацеленных на проработку ног и бедер. Но как сделать его максимально безопасным и минимизировать риски получения травмы? В этой статье мы поговорим о том, кому и зачем нужно выполнять разгибание, а также о правильной технике, во многом определяющей продуктивность тренировки.

Какие мышцы задействуются?

Конструкция тренажера разработана таким образом, чтобы при выполнении упражнения сидя максимальную нагрузку получал квадрицепс. Это самая крупная группа, придающая объем ногам. Если вы занимаетесь лежа или стоя, целевым будет бицепс бедра. Разгибание направлено на создание выраженной рельефности в области бедер и их визуального отделения от ягодиц.

Целевые мышцы для занятий сидя в тренажере:

• Прямая – начинает разгибание;
• Промежуточная – стабилизирует ногу;
• Латеральная активизируется при направлении носков в сторону;
• Медиальная активизируется при направлении носков внутрь.

Целевые мышцы для упражнения лежа на животе или стоя в тренажере:

• Бицепс;
• Полусухожильная;
• Полуперепончатая.

Другие группы мышц не задействуются.

Корректная техника выполнения

Первое и наиболее важное — настройка тренажера под свои параметры. Положение валика-фиксатора и спинки регулируется, что позволяет найти комфортное положение для спортсменов с разной комплекцией. Часто новички пренебрегают этим шагом. Неправильная позиция не только снижает эффективность тренировки, но и может стать причиной травматизации передней крестообразной связки. Что бы этого не произошло, нужно соблюдать правильную технику и подбирать нагрузку исходя из уровня своей физической подготовки. Выраженного рельефа в области бедер можно добиться не путем повышения весов, а увеличением количества подходов.

Быстрый просмотр

Количество: много

Код: 203821

Быстрый просмотр

Производится под заказ

Код: 171554

Быстрый просмотр

Количество: много

Код: 133702

Быстрый просмотр

Количество: много

Код: 135304

Основные принципы:

• После настройки положения и угла спинки нужно занять исходное положение. Спина полностью расслаблена, упор делается на спинку, бедра лежат на сиденье, голени располагаются под углом 90 градусов к бедру и надежно фиксируются подушкой. В случае, если упражнения выполняются лежа или стоя, опираться на скамью нужно живом.
• Спортсменам в реабилитационном периоде рекомендуется выполнять упражнение с минимальной амплитудой. Для этого необходимо закрепить валик ближе к коленям.
• Начинать лучше с проработки квадрицепсов, направляя носки немного на себя;
• При выполнении движений не следует пользоваться силой инерции;
• Следует избегать чрезмерного разгибания коленей;
• В момент выполнения нужно сфокусироваться на выжимании веса от квадрицепсов или бицепсов, и постараться не «тянуть» рукоятки на себя.
• Рекомендуется выполнять сгибание/разгибание после базовых упражнений на ноги.
• Количество подходов в среднем составляет 3-4 по 15-20 повторений.

Этапы выполнения и рекомендации по технике разгибания ног сидя:

1. Спина и поясничный отдел должны быть прижаты к спинке тренажера;
2. Руками следует держаться за поручни или края сидения, это позволит сохранять корпус в неподвижном состоянии;
3. На вдохе распрямляем ноги до горизонтального положения, после чего, опуская валики, плавно вернуться с исходную позицию;
4. В нижней точке не следует полностью распрямлять колени и расслаблять мышцы;
5. Движения должны выполняться максимально плавно, без рывков;
6. По завершении движения делается выдох.

При выполнении упражнения лежа на животе или стоя принципы и техника исполнения будут аналогичными. Фиксирующий валик должен располагаться на 1-2 см выше щиколотки, а передняя часть бедер должна прижиматься к скамье. Приближая положение валика к коленному суставу, будет уменьшаться амплитуда и снижаться эффективность. Но такая техника идеально подходит для новичков или в период посттравматической реабилитации.

Нагрузку и, следовательно, эффективность комплекса можно варьировать не только путем смещения положения валика, но и направляя носки внутрь или наружу. Чередуя сгибания лежа, сидя и стоя в тренажере можно добиться полноценной и качественной проработки всех мышц бедра. После завершения тренировки рекомендуется сделать растяжку, она усилит кровообращение и поможет расслабить бицепс и квадрицепс.

Быстрый просмотр

Производится под заказ

Код: 197548

Быстрый просмотр

Производится под заказ

Код: 171560

Быстрый просмотр

Производится под заказ

Код: 171555

10 упражнений, на которые вы зря тратите время, и 10 эффективных альтернатив

1. Использование тренажера для сгибания ног сидя

Почему? Кажется, что это должно помочь вам избавиться от жира на внешней и внутренней части бедер. Но увы, это не так. Упражнения, направленные только на одну часть тела, не помогут похудеть.

Чем заменить? Выпады вперед, назад и в стороны. Эти упражнения приведут в тонус и сделают более сильным все тело, в том числе и бедра. К тому же они более практичны и делают вас выносливее для повседневной жизни (в отличие от тренажера, по словам Грега Джастиса, владельца и основателя фитнес-центра AYC Health & Fitness в Канзас-Сити).

2. Разгибание ног на тренажере

Почему? Упражнение должно быть направлено на усиление ваших квадрицепсов. Но когда вы разгибаете ноги на тренажере в положении сидя, ваши колени получают слишком большую нагрузку.

Чем заменить? Приседания или выпады. Они работают сразу на квадрицепсы, подколенные сухожилия и ягодицы.

3. Упражнения на пресс

Почему? Просто потому, что они не настолько эффективны. Исследования подтвердили, что упражнения на пресс менее эффективны для стимуляции мышечных волокон, чем упражнения, направленные на стабилизацию позвоночника (планка).

Чем заменить? Планка (читайте «Держим планку: комплекс простых и эффективных упражнений для красивого тела»). Выполняя это упражнение, вы задействуете больше мышц кора, чем при качании пресса. Кроме того, делая планку, вы не сможете потянуть спину.

4. Наклоны в сторону с гимнастической палкой или повороты

Почему? Вам кажется, что таким образом вы укрепляете мышцы кора или сжигаете жир, но на самом деле нет. В реальности, когда вы работате с весом, расположенным у вас за шеей, и начинаете крутить и вращать штангой, сопротивление не такое уж и большое. Лучше тренироваться, превозмогая гравитацию.

Чем заменить? Боковая планка в статике или динамике. Это как раз упражнение, направленное на сопротивление гравитации, которое эффективно прорабатывает ваши мышцы.

5. Сведение рук на блочном тренажере

Почему? Вы сидите, из-за этого ваша более сильная часть тела получает большую нагрузку, чем более слабая. Возникает дисбаланс.

Чем заменить? Отжимания. Во время отжиманий вы вынуждены полагаться и на руки, и на ноги, иначе упадете. Кроме того, отжимания включают плюсы планки и работают также на мышцы пресса.

6. Сгибание ног на тренажере из положения лежа

Почему? Когда вы выполняете упражнения лежа, ваш позвоночник не задействован, вы тренируете наименьшее количество мышц. К тому же такое упражнение оказывается бесполезным в реальной жизни: вряд ли кто-то сможет назвать хоть одну причину, по которой нам необходимо сгибать ноги из положения лежа.

Чем заменить? Подъем ноги назад из положения стоя. Это упражнение активизирует заднюю часть вашего тела, которая включает поясницу, ягодицы, мышцы бедра и икры, одновременно заставляя работать и мышцы туловища для сохранения баланса. Самое главное, что это упражнение развивает необходимые в повседневной жизни гибкость и умение балансировать.

7. Жим лежа

Почему? Из-за того что вы лежите, упражнение не позволяет нагрузке равномерно распределяться по всему телу. Передняя часть ваших ног оказывается под большим напряжением, которое выливается в огромную нагрузку на колени.

Чем заменить? Приседания с гантелей или штангой небольшого веса. Упражнение направлено на большую группу мышц ног, в том числе ягодицы, мышцы бедер и квадрицепс.

8. Разгибание руки с гантелей

Почему? У вас не получится поднимать достаточно тяжелый вес и при этом сохранять правильную позицию рук. Обычно плечо начинает провисать, эффективность упражнения теряется.

Чем заменить? «Череподробилка», или французский жим лежа на трицепс. Упражнение позволит вам прокачать мышцы трицепса без потери формы рук. Положение «череподробилка» позволяет вашим локтям оставаться там, где следует, и получить таким образом необходимую нагрузку.

9. Подъем на носки, стоя на тренажере

Почему? Тренажер опускает весь вес на ваши плечи, что дает нагрузку сначала на вашу спину, а потом уже на икроножные мышцы.

Чем заменить? Спринт. Это лучше, чем обычный бег, для развития ваших икр. Спринт активирует больше быстросокращающихся мышечных волокон, которые отвечают за рост и развитие мышц.

Если спринт не для вас, попробуйте подъем на носки, используя вес тела. Если и это покажется вам слишком легким, то попробуйте делать это упражнение на одной ноге.

10. Жим ногами

Почему? Люди склонны добавлять слишком большой вес, что потенциально может привести к травме. К тому же это упражнение не такое эффективное, если сравнивать его с аналогами.

Чем заменить? Приседания с гантелями. Вы по-прежнему качаете мышцы ног, но при выполнении этого упражнения вы более стабильны и меньше рискуете получить травму.

Источник: msn.com

Как эффективно и безопасно сбросить вес:

Выполняем разгибание ног сидя | Bronze Gym

Фактически каждый, даже самый старый и плохо оборудованный тренажерный зал имеет тренажеры для разгибания ног в сидячем положении. И, конечно же, если они есть, то значит, на нем выполняют упражнения, которые пользуются определенным уровнем популярности. А если так, то значит, каждый может подумать относительно того, как же правильно выполнять такие упражнения. Многие могут подумать, что сложного в данном случае ничего нет, достаточно просто начать. Частично данное мнение является правильным, но все равно, каждый, кто посещает тренажерный зал, пытается добавить в эти упражнения что-то свое. Для того чтобы понять, необходимо ли тут что-то добавлять и как вообще используется данный тренажер и была создана эта небольшая заметка.
 

Мышечный атлас

Разгибание ног в сидячем положении является изоляционным упражнением, которое направлено для того чтобы развивать мышцы передней части бедер и квадрицепсов. Выполняя его не нужно сохранять баланс, и потому в работе не будут принимать участие стабилизационные мышцы. Тренажер обладает сидением с специальной спинкой, которая позволяет достаточно удобно и эффективно поддерживать вашу спину. Благодаря этому тренажер является безопасным для тех, кто имеет определенные проблемы с данной частью своего тела. Помимо э того тренажер обладает некоторой траекторией движения, которая позволяет снизить риски получить травмы из-за того что вы можете потерять равновесие или уронить вес.
Главными мышцами, которые работают в этом упражнении являются:
-мышцы таргетируемого типа – четырехглавые бедренные мышцы;
-мышцы, которые выполняют роль стабилизаторов – трапециевидные, мышцы лопатки, бицепсы, а также плечевые и плечелучевые.

Квадрицепсы обладают четырьмя головками, другими словами они состоят из 4 отдельных мышечных групп: прямой – наиболее длинной двуглавой, которая располагается от суставов коленей до таза. Её задача заключается в сгибании бедра в тазобедренных, и в разгибании суставов коленей. Под прямой залегла промежуточная, которая может может вытолкнуть её наружу если наблюдается гипертрофия. По бокам бедер располагаются широкие, а также медиального и латерального типа мышцы. Для того чтобы получить каплеобразные формы у бедра нужно обладать хорошо подкачанными боковыми мышцами.
Выполняя упражнение будет происхлдить разгибание коленных суставов, из-за чего голень будет отводиться от бедер. За такого типа движения отвечают прямые и промежуточные мышечеые группы квадрицепсов. Для повышения эффективноти движений можно попробовать «натянуть» мышцы. Для этого корпус отклоняется назад. Завершается движениет разгианием медиальных и латерных мышц.

Достоинства

В некоторой мере упражнения могут быть неоднозначными, и в итоге вы сами сможете понять почему. К достоинствам выполнения данного упражнения можно смело отнести:
-увеличение силы бедер;
-обеспечение хорошей детализации и прорисовки полос мышц;
-укрепление коленных мышц;
-повышение результатов в прочих видах спорта, таких как футбол или прыжки;
-повышение рабочего веса в упражнениях на ноги;
-выполнение как реабилитационное упражнение после травмы.
-легкость в выполнении;
Судя по такому количеству плюсов и по простоте выполнения можно судить о высокой эффективности.

Как выполняется

Несмотря на то, что упражнение выполняется на тренажере, оно нуждается в том, чтобы выполняющий соблюдал четкие инструкции. Пошаговая инструкция будет состоять из таких шагов:
Первый шаг
Подходим к нужному нам тренажеру и устанавливаем рабочий вес. Удобно и глубоко садимся га сиденье, заводим ноги под валик и беремся руками за рукоятки.
Второй шаг
Делаем вдох и выдыхая, при помощи квадрицепсов пытаемся по максимуму распрямляем ноги. Задерживаемся на один-два счета в таком положении и после этого возвращаемся в ИП. Повторяем движение определенное количество раз.

К слову: Лучшим тренажером для разгибания считается такой, который имеет сиденье параллельное полу. В таких положениях бицепсы бедра не будут препятствовать полному разгибанию квадрицепса, а это оказывает сильное влияние на их стимуляцию.

Другие варианты

Кроме классического, есть и другие варианты для разгибания ног в сидячем положении:

• По очереди одной ногой в сидячем положении;
• По очереди одной ногой в полустоячем положении;

Стоит отметить, что последний предложенный вариант считается достаточно редким и нечасто используется.

Немногие знают, а тем более используют разную расстановку носков при исполнении упражнения. В целом, есть три вариации, которые используются для того чтобы решить разные задачи:

• Классическая – носки держатся ровно, помогает развить квадрицепсы;
• Носки друг от друга– пятки держим вместе, носки в разные стороны, акцент уделяется внутренней поверхности бедра;
• Носки друг к другу– внимание на латеральной и медиальной части квадрицепса.

Технически упрощенным, но намного действеннее вариантом из-за расслабления коленных суставов и большей нагрузки на правильные мышцы, считается ещё одно упражнение: прикрепляем к лодыжкам тросы нижнего блока, сгибаем ноги в бедре до угла в сорок пять градусов и, не меняя угла, разгибаем ногу.

Нюансы выполнения упражнения

Несмотря на то, что выполняется упражнение достаточно просто, нужно не забывать о том, что оно имеет такие нюансы исполнения:
-регулируем положение валика. Они должны располагаться удобно для низа голенных мышц.
-проверяем угол между нижней и верхней частью ног. Он должен быть прямым.
-следим за тем, чтобы в начале ступни не заводились под сидение;
-не стоит зависать в нижней точке или полностью сгибать ноги, чтобы оставить всю нагрузку на квадрицепсах.
-удерживанием сокращение несколько секунд в самой верхней точке;
-в растянутом положении квадрицепсы демонстрируют меньшие силы, потому не стоит отодвигать спину назад. Нужно сохранить прямое положение;
-в каждом отдельном подъеме нужно пытаться напрячь ступни, и потянуть носки на себя – данное действие позволяет по максимуму сократить медиальные широкие группы мышц;
-следует плотно прижимать спину к опоре сидения скамейки;
-ваша задняя часть бедра должна полностью уложиться на скамейку, потому нужно внимательно следить за ней и ни в коем случае не допускать того, чтобы колени свисали;
-жестко фиксируемся в сидении и не елозим корпусом, выполняя любые упражнения, и особенно это;
-используем разгибание в конце тренингов ног, в качестве добивающего упражнения, которое при этом нужно исполнять не менее десяти или пятнадцати раз;
-на уровне повышенной сложности можно использовать данное упражнение как способ предварительно утомить мышцы, после чего провести главную тренировку ног.

Вредно ли данное упражнение для коленных суставов?

В некотором смысле можно смело сказать, что вредит, а в особенности немолодым женщинам. Тут все дело в том, что из-за анатомических особенностей области связок и сухожилий, которые окружают коленные суставы у женщин в разы слабее, чем у мужчин, в особенности это проявляется с возрастом. Потому любые лишние нагрузки и утяжеления могут приводить к травмам коленных суставов связок. Для каждой женщины данные нормы будут отличаться и потому садясь за такого рода тренажер, не стоит забывать о том, что очень важным в любом упражнении, а особенно в таком травмаопасном является постепенное увеличение веса, которое ещё называют шаговым. После выполнения упражнения с разным весом и после каждого его увеличения нужно проверять свои колени и их состояние.
В общем, выполняя разгибание ног в сидячем положении, вы будете получать постоянную нагрузку и напряжение на переднюю крестоподобную связку. Кроме этого, есть достаточно серьезный риск боковых отклонений коленных чашечек и повышение нагрузки и напряжения в отношении поперечной силы. Разгибания ног на тренажерах с применением большого веса может значительно увеличить шанс получения травм и повреждений в коленных суставах, из-за того что нагрузка является повышенной. Не стоит забывать, что четырехглавые мышцы намного сильнее чем бедренные бицепсы ( в частности у представительниц прекрасного пола), колено может терять устойчивость, из-за чего значительно повышается опасность получить травму, потому заднее бедро также необходимо тренировать и не забывать о нем.
Это фактически все, что необходимо знать тому, что собирается применять разгибательные упражнения в сидячем положении.

Итоги

Сейчас мы узнали об отличном упражнении под названием разгибание ног в сидячем положении. Это значит, что вы получили ещё одно прекрасное положение, которое обладает массой достоинств, но требует большой внимательности и осторожности выполняющего.

Метод моделирования in vitro для трибологической оценки полностью естественных тазобедренных суставов

Abstract

Использование симуляторов тазобедренного сустава для оценки трибологической эффективности тотального эндопротезирования тазобедренного сустава широко описано в литературе, однако in vitro симуляционных исследований, исследующих трибологию естественного тазобедренного сустава, ограничены описанными гетерогенными методологиями. Для этого исследования была успешно разработана система моделирования in vitro для полного естественного тазобедренного сустава, позволяющая позиционировать вертлужную впадину и головку бедренной кости с разной ориентацией при сохранении правильного центра вращения сустава.Эффективность системы моделирования оценивалась путем тестирования полных, согласованных естественных тазобедренных суставов свиней и гемиартропластических суставов свиней на имитаторе трения маятника. Результаты показали наличие двухфазной смазки с нелинейным увеличением трения, наблюдаемым в обеих группах. Более низкие общие средние значения коэффициента трения в группе полного естественного сустава, которые увеличивались с меньшей скоростью со временем, предполагают, что экссудация жидкости и переход к твердофазной смазке происходили медленнее во всем естественном тазобедренном суставе по сравнению с тазобедренным суставом с гемиартропластикой.Предполагается, что эта методология будет использоваться для исследования морфологических факторов риска развития остеоартрита тазобедренного сустава, а также эффективности раннего интервенционного лечения дегенеративного заболевания тазобедренного сустава.

Образец цитирования: Groves D, Fisher J, Williams S (2017) Метод моделирования in vitro для трибологической оценки полных естественных тазобедренных суставов. PLoS ONE 12 (9): e0184226. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184226

Редактор: Алехандро А. Эспиноза Ориас, Медицинский центр Университета Раш, США

Поступила: 14 марта 2017 г .; Одобрена: 21 августа 2017 г .; Опубликован: 8 сентября 2017 г.

Авторские права: © 2017 Groves et al. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Входные и выходные профили загрузки и движения симулятора, а также файлы данных доступны в репозитории данных Университета Лидса (DOI https://doi.org/10.5518/171).

Финансирование: Эта работа была поддержана студентами CASE Совета по исследованиям в области инженерных и физических наук при поддержке DePuy Synthes. Рукопись была просмотрена DePuy Synthes. Финансирующая организация внесла свой вклад в стипендию, присужденную DG (стипендию CASE) в связи с этим исследованием.JF / SW являются оплачиваемыми консультантами, однако это не имеет отношения к данному исследованию. У спонсора не было никакой дополнительной роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, решении опубликовать или подготовке рукописи. Конкретные роли этих авторов сформулированы в разделе «Авторский вклад».

Конкурирующие интересы: Даун Гроувз получила стипендию EPSRC CASE, в которой ДеПуи был промышленным сотрудником. Джон Фишер — платный консультант DePuy Synthes and Simulation Solutions.Софи Уильямс — платный консультант DePuy Synthes и старший научный сотрудник Королевской инженерной академии — DePuy Synthes. Это не влияет на нашу приверженность политике PLOS ONE в отношении обмена данными и материалами.

Введение

Остеоартрит (ОА) вызывает патологические дегенеративные изменения, поражающие весь сустав [1], что приводит к боли и потере функции [2, 3]. Первичная полная замена тазобедренного сустава (THR) часто используется для облегчения боли и снижения трудоспособности, вызванных прогрессирующим остеоартрозом бедра, однако многим более молодым пациентам требуется повторная операция через 15–20 лет, и результаты после этой процедуры не всегда так благоприятны. удовлетворенности пациента и функции [2, 4].Предполагается, что трибологические исследования полных естественных тазобедренных суставов с использованием моделирования in vitro будут полезны для изучения взаимосвязи между геометрией бедра и дегенеративными заболеваниями суставов, такими как ОА, а также для исследования эффективности раннего интервенционного лечения, которое может задержать начало ОА [5–8].

Исследования моделирования in vitro , изучающие трибологию и функцию протезов THR, широко описаны в литературе, однако исследования по изучению трения и износа между двумя контактирующими поверхностями естественного хряща были в основном сосредоточены на исследованиях трения возвратно-поступательного движения с использованием цилиндрических костно-хрящевых пробок [ 9–11].Несмотря на то, что естественный тазобедренный сустав является относительно конгруэнтным, контакт между двумя шарнирными поверхностями изменяется при различных условиях нагрузки, и головка бедренной кости имеет слегка сферическую форму по сравнению с более сферической вертлужной впадиной [12]. Это делает биомеханический анализ естественного тазобедренного сустава более сложным по сравнению с искусственным тазобедренным суставом, и поэтому на сегодняшний день исследования, посвященные полной трибологии естественного тазобедренного сустава in vitro , носили ограниченный и неоднородный характер [13–18].Трибология тазобедренного сустава после гемиартропластики, когда протезом заменяется только головка бедренной кости, также была экспериментально исследована с использованием методов in silico и in vitro [19–21], хотя и в меньшей степени, чем трибология THR. .

Основная цель этого исследования заключалась в разработке полной имитационной модели in vitro , первоначально с использованием тазобедренных суставов естественных свиней и имитатора трения маятника, чтобы исследовать трибологию всего естественного тазобедренного сустава.Этот метод был разработан для облегчения тазобедренных суставов с различной морфологией и легко модифицируется для использования с тканями человека и различными системами моделирования, например физиологический тренажер тазобедренного сустава. Методология была оценена путем проведения симуляций in vitro на группе полных, анатомически подобранных тазобедренных суставов свиньи и группе тазобедренных суставов свиньи с гемиартропластикой, а также с целью тестирования тазобедренных суставов, расположенных с различной ориентацией вертлужной впадины и бедренной кости в будущих исследованиях.Данные, связанные с этой статьей, доступны в хранилище данных Университета Лидса [22].

Материалы и методы

Маятниковый тренажер трения

Маятниковый тренажер трения ProSim (Simulation Solutions Ltd., Стокпорт, Великобритания), который представляет собой тренажер для одной станции с пневматической нагрузкой, использовался для моделирования in vitro в этом исследовании (рис. 1). Тазобедренные суставы были перевернуты по отношению к анатомическому положению в симуляторе, который прикладывал осевую нагрузку через головку бедренной кости и прикладывал движение через качельку сгибания-разгибания (FE).Пьезоэлектрический датчик силы, прикрепленный к передней части самоустанавливающейся каретки для измерения трения и, следовательно, выровненный по оси FE, измерял любые силы, передаваемые между опорными поверхностями при перемещении коромысла FE взад и вперед. Сама каретка была установлена ​​на гидростатическом масляном подшипнике под давлением и была спроектирована таким образом, чтобы любой крутящий момент, создаваемый смещением образца и случайным перемещением каретки в медиально-боковом направлении, то есть не из-за трения между двумя поверхностями, возникающего в результате движения FE, был быть незначительным.Это было важно для тестирования биологической ткани, которая могла иметь неоднородную и / или симметричную геометрию, поскольку это могло вызвать дополнительный крутящий момент из-за одновременного движения каретки. Величина момента трения FE, создаваемого испытуемыми образцами, определялась путем преобразования данных о силе от пьезоэлектрического преобразователя в сигнал напряжения с помощью усилителя заряда. Датчик мог измерять момент трения до минимального значения 0,5 Нм (1% от максимального диапазона датчика, который составлял 50 Нм), с измеряемыми коэффициентами трения в диапазоне 0.01–0,5 [23].

Конструкция приспособления для натуральных тканей

Крепления

были разработаны для облегчения ориентации и позиционирования естественной вертлужной впадины с различными углами версии и наклона, а также для установки головок естественной бедренной кости с различными комбинациями углов во всех трех плоскостях. Риск экспериментального артефакта был снижен за счет того, что естественные бедра разных размеров можно было расположить по центру с центром вращения (COR) головы и вертлужной впадины, выровненным с имитатором трения маятника.Положение образцов в имитаторе проверялось с помощью центрирующего стержня (поставляется производителем), который был разработан для прохождения через отверстия в коромысле КЭ и каретке измерения трения, расположенных последовательно в соответствии с COR симулятора.

Вертлужная впадина.

Тестовый горшок, обеспечивающий достаточный доступ и контроль над вертлужной впадиной во время заливки и удаления образца, а также снижающий риск столкновения компонентов во время тестирования, был разработан и изготовлен из нержавеющей стали.Была разработана методика заливки с использованием инклинометра, которая обеспечила последовательный и повторяемый способ ориентирования вертлужной впадины с одновременным контролем степени наклона и варианта нанесения на вертлужную впадину (рис. 2). Этот метод предоставляет две независимые переменные, которые могут быть использованы в будущих симуляциях in vitro для воспроизведения различных морфологий in vivo , например ретровертированной вертлужной впадины.

Рис. 2. Вертлужная впадина свиньи, закрытая с помощью инклинометра.

(A) Инклинометр с приспособлением, используемым для ориентации и позиционирования вертлужной впадины, и (B) вертлужная впадина свиньи в горшке, показывающая положение образца в тестовой емкости. Дорсально-вентральное и краниально-каудальное направления соответствуют наклону и варианту углов соответственно. ПММА: полиметилметакрилат; D: спинной; V: вентральный; Cr: черепной; Ca: хвостовой.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184226.g002

Натуральная приспособление для заливки головки бедренной кости.

Зажим для заливки представляет собой модульную конструкцию со сменными приспособлениями, позволяющими правильно позиционировать головки бедренной кости разного диаметра.Были изготовлены герметизирующие диски разной глубины, предназначенные для использования с головками бедренной кости разного радиуса, и выбранный диск был выровнен вертикально по центру основания испытательного приспособления, после того как он был прикреплен к верхней планке зажимного приспособления (рис. 3A). Приспособление было сконструировано таким образом, чтобы после полной сборки расположить верхнюю поверхность естественной головки бедренной кости напротив нижней стороны диска, выровнять центр головки с центральной высотой коромысла FE, к которому был прикреплен образец бедренной кости во время операции. контрольная работа.Заливочное приспособление позволяло перемещаться между кольцом и рычагом (наклон), а также между сборочным приспособлением и опорной стойкой с прорезями (версия), что позволяло контролировать положение и ориентацию образца.

Рис. 3. Тестовый горшок для головки бедренной кости и приспособление для заливки.

Испытательный горшок для головки бедренной кости и приспособление для заливки (A) с (B) головкой бедренной кости свиньи, ориентированной и позиционируемой с помощью вертлужной впадины, и (C) бедренной костью, помещенной в испытательную ванну перед цементированием, удерживаемой на месте с помощью заливочного кольца и конуса булавки.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184226.g003

Приспособление для исследования головки бедренной кости Natural.

Испытательное приспособление состояло из испытательного горшка Delrin ^® , смещенного для компенсации анатомического смещения бедренной кости при сохранении вертикального совмещения головки с направлением осевой нагрузки от симулятора. Образцы удерживались на месте во время позиционирования и заливки с помощью заливочного кольца и конических штифтов (рис. 3B и 3C). Испытательный горшок был прикреплен к верхней пластине Delrin ^® и опорной пластине из нержавеющей стали, предназначенной для перемещения в двух ортогональных направлениях, чтобы можно было приспособиться к разным размерам / формам и положениям диафиза бедренной кости.

Подготовка образцов натуральных тканей.

Тазобедренные суставы правых задних конечностей свиней были взяты у 25-недельных свиней-доноров со средним весом 80 кг через 24–48 часов после убоя на местной бойне. Тазобедренные суставы, полученные с бойни, имели лишь минимальное и различное количество прикрепленных костей тазовой кости, и поэтому ориентация сустава в этом исследовании определялась отношением к системе отсчета симулятора. Горизонтальная база симулятора образовывала поперечную плоскость, а переднезадняя ось и движение FE происходили в сагиттальной плоскости.Поверхность хряща поддерживалась гидратированной фосфатно-солевым буфером на протяжении всего процесса сбора урожая и посадки. Диаметр тазобедренных суставов измеряли с использованием извлеченной головки бедренной кости и набора циркулярных датчиков. Поскольку головки были слегка асферическими, выбор размера основывался на отсутствии помех головки бедренной кости от датчика в краниально-каудальном направлении, которое соответствовало направлению движения FE. Это диаметральное измерение было использовано для выбора герметичного диска правильного размера для полных исследований естественного сустава и для выбора металлической головки из кобальто-хрома (CoCr) подходящего размера для исследований гемиартропластики.

Моделирование для полных исследований естественной гемиартропластики бедра и бедра проводилось с вертлужной впадиной, расположенной с одинаковой ориентацией, чтобы можно было провести межгрупповое сравнение коэффициента трения.

Собранная ткань была помещена в горшок с использованием трехэтапного процесса, и все образцы ткани были закреплены в соответствующих тестовых горшках с использованием костного цемента из полиметилметакрилата (ПММА).

1. Вертлужная впадина была размещена и заделана поперечной вертлужной связкой вверху и центральной областью суставного хряща внизу.Образцы центрировали и выровняли с COR симулятора с использованием приспособления для заливки, ранее разработанного Lizhang [24], которое было модифицировано для приспособления к изготовленному испытательному горшку для вертлужной впадины [25]. Вкратце, эта изготовленная на заказ оснастка состояла из опорной пластины, на которой центрировалась вертлужная впадина, и вертикальной направляющей с подвижным воротником. Головка из CoCr соответствующего размера была прикреплена к стержню, который зажимался с помощью рычага на вертикальной направляющей и опускался на установочный блок перед фиксацией воротника на месте.Был доступен ряд установочных блоков, которые можно было использовать с головками разного радиуса, и они были спроектированы таким образом, что, когда рука опиралась на воротник, центр головки CoCr совпадал с высотой центра каретки для измерения трения, где находилась вертлужная впадина. сидя во время теста. Установочный блок был заменен горшком для вертлужной впадины, и вертлужная впадина, которая была помещена в цемент из ПММА, пока она была в рабочем состоянии, была осторожно вдавлена ​​в цемент с помощью головки бедренной кости до тех пор, пока рука не коснулась воротника.Это выровняло центр вертлужной впадины с симулятором, и инклинометр использовался для одновременного позиционирования всех образцов с нейтральной версией и углом наклона, эквивалентным 45 ° (рис. 2B). Вариант вертлужной впадины и наклон были определены как угол между плоскостью обода вертлужной впадины и сагиттальной и поперечной плоскостями симулятора соответственно. Эта ориентация вертлужной впадины воспроизводила установку по умолчанию, используемую в исследовании суставов гемиартропластики тазобедренного сустава свиней, проведенном Lizhang et al. [20], что позволяет сравнить средние значения коэффициента трения в этой группе со значениями из этого ранее опубликованного трибологического исследования.
2. Бедренные кости свиньи были помещены в герметизирующее кольцо так, чтобы суставные поверхности головки бедренной кости и вертлужной впадины были конгруэнтными, а голова была анатомически совмещена с герметизированной вертлужной впадиной. Это было достигнуто с помощью метки совмещения, расположенной напротив середины поперечной вертлужной связки и костной опорной точки на шейке бедренной кости (рис. 3B). Костная контрольная точка представляла собой линейное возвышение, проходящее ниже между экватором головки бедренной кости и дистальным концом межвертельного гребня, чуть выше малого вертела.Эти два ориентира были определены как повторяющиеся анатомические ориентиры, которые можно было использовать для выравнивания сустава во время исследовательских работ, которые проводились до разработки этой методологии.
3. Вертлужную впадину с герметизацией заменили приспособлением для испытания головки бедренной кости, а бедренную кость перевернули, при этом сохраняя свою ориентацию со стадии 2 в герметичном кольце. Стержень бедренной кости был расположен по центру испытательной камеры головки испытательного приспособления (рис. 3C), и COR был получен путем поднятия головки до герметичного диска правильного диаметра (рис. 3A).Вал был закреплен путем заливки цемента ПММА в испытательный сосуд, которому дали полностью затвердеть перед снятием заливочного кольца, гарантируя, что образец не сдвинется после установки.

Гемиартропластика модель

Было проведено

тестов гемиартропластики с использованием естественной вертлужной впадины и головки бедренной кости из CoCr соответствующего размера (DePuy Synthes, Лидс, Великобритания). Ацетабулы были залиты с использованием метода, описанного выше, а головки CoCr были установлены и протестированы с использованием существующего приспособления. Он состоял из подвижной вертикальной втулки, которую можно было отрегулировать для установки на правильный COR с помощью датчиков скольжения и измерителя высоты Vernier.

Измерение трения

Моделирование in vitro было проведено на образцах гемиартропластики свиней (n = 5) и полных, согласованных естественных тазобедренных суставах свиней (n = 5). Образцы фиксировали в имитаторе с горшком для вертлужной впадины, установленным в каретке для измерения трения, и головкой, прикрепленной к коромыслу FE (рис. 4). Попав в симулятор, положение образцов проверялось путем пропускания центрирующего стержня через отверстия в коромысле FE и каретке для измерения трения.Испытания проводились только в том случае, если стержень проходил через оба центрирующих отверстия. Трение определялось с помощью пьезоэлектрического преобразователя (рис. 1), который измерял момент трения, создаваемый между контактирующими поверхностями головки бедренной кости и вертлужной впадины. Смазка для всех тестов представляла собой 25% объемную концентрацию сыворотки новорожденного теленка, разбавленную деионизированной водой, которая имела содержание белка, аналогичное синовиальной жидкости человека [26].

Рис. 4. Образцы гемиартропластики и естественного сустава.

Маятниковый тренажер трения с (A) гемиартропластикой свиньи и (B) полным тазобедренным суставом свиньи in situ с 25% лубрикантом бычьей сыворотки перед тестированием.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184226.g004

Были использованы условия нагрузки и движения, ранее описанные для тестирования образцов гемиартропластики свиней [20], где моделирование проводилось с частотой 1 Гц в течение 7200 циклов ( т.е. 2 часа). Одну синусоидальную динамическую нагрузку в диапазоне от 25 Н (фаза качания) до 800 Н (пиковая нагрузка фазы опоры) прикладывали через головку бедренной кости с одновременным приложением движения ± 15 ° FE (рис. 5).Входной профиль моделировал неполную нагрузку на одну заднюю конечность донорской свиньи весом в среднем 80 кг. Профиль нагрузки был разработан таким образом, чтобы быть сопоставимым с нагрузками, испытываемыми через тазобедренный сустав во время цикла четвероногой походки [27–29], и из-за того, что свиньи имеют меньший диапазон движений при нормальной походке, чем двуногие люди [29, 30], движение от сгибания к разгибанию на ± 15 ° использовалось для снижения риска любого костного соударения. Чтобы учесть любой дополнительный момент трения, возникающий из-за несоосности из-за сложной геометрии соединения, данные были нормализованы с использованием среднего значения смещения трения, рассчитанного по результатам двухминутных испытаний постоянной нагрузки 800 Н (± 15 ° FE), которые проводились ранее. (до теста) и после (пост-тест) каждого исследования динамического профиля.Момент трения до и после испытания был измерен во время среднего сгибания и среднего разгибания (рис. 5), что позволило учесть любые различия в измерениях момента сгибания и разгибания, возникающие из-за смещенной от центра нагрузки асферических образцов [20].

Рис. 5. Симулятор движения и профили нагрузки.

Движущиеся и динамические (от 25 до 800 Н) и постоянные (800 Н) профили нагрузки для одного цикла. Оранжевая заштрихованная область показывает, где собираются данные в точках середины сгибания и середины разгибания во время предварительных и пост-тестов с постоянной нагрузкой, а фиолетовая заштрихованная область показывает пиковую нагрузку (т.е. 800 Н) фаза высокой скорости, на которой собираются данные испытаний динамического профиля. FE: сгибание-разгибание.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184226.g005

Анализ данных

Коэффициент трения ( f ) был рассчитан с использованием уравнения (1) из истинной величины крутящего момента (T _t ), обнаруженной пьезоэлектрическим преобразователем, где r — радиус опорных поверхностей (в метрах), а W _p — пиковая нагрузка (Ньютоны): (1)

Средний коэффициент трения для каждого односекундного цикла испытаний на динамическую нагрузку был рассчитан на основе данных, собранных во время пиковой нагрузки (т.е. 800 Н), фаза высокой скорости, а коэффициент трения для испытаний с постоянной нагрузкой (примерные графики необработанных данных, показанные на рис. 6A) был рассчитан с использованием данных, взятых из того места, где головка вертикально нагружала чашу (т.е. 0 ° FE), что соответствует высокоскоростная фаза циклов, как показано на рис. 5. Среднее смещение трения ( f _o ) было рассчитано с использованием данных испытаний с постоянной нагрузкой, проведенных до ( f _b ) и после ( f _{). a} ) каждое динамическое профильное исследование по уравнению (2): (2)

Рис 6.Графики данных, взятые из теста гемиартропластики, демонстрирующие нормализацию коэффициента трения с использованием данных теста постоянной нагрузки на этапе постобработки.

(A) Графики данных коэффициента трения, измеренного в течение одного цикла 2-минутных испытаний с постоянной нагрузкой 800 Н, проведенных до (предварительное испытание) и после (пост-испытание) исследования динамического профиля, которое использовалось для расчета среднее значение смещения трения ( f _o ). Среднее смещение трения в этом примере было -0,025, которое было рассчитано с использованием уравнения 2.(B) График исходных данных коэффициента трения, измеренного в течение одного цикла исследования динамического профиля, построенный по сравнению с тем же набором данных с примененным средним значением смещения трения (т.е. нормализованным) с использованием уравнения 3, и (C) участок графика где нормализованные данные ( f _n ) для сообщаемых значений берутся после обработки. Бледно-желтые заштрихованные области выделяют область сбора данных. FE: сгибание-разгибание.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184226.g006

Данные о трении были нормализованы ( f _n ) путем вычитания смещения трения ( f _o ) из среднего динамического коэффициента трения ( f _d ) каждого зарегистрированного цикла Уравнение (3) для определения значения трения для испытания: (3)

Примеры графиков необработанных данных, измеренных в течение одного цикла симулятора, и соответствующий график испытаний нормализованного динамического профиля, скорректированный на среднее смещение трения после постобработки, показаны на рисунке 6.

Были рассчитаны средние значения коэффициента трения и 95% доверительный интервал (CL) на протяжении двухчасовых испытаний, и был проведен двухфакторный дисперсионный анализ (ANOVA) по коэффициенту трения по парам подшипников (т.е. гемиартропластика и полный сустав), и время (т.е. номер цикла) с использованием программного обеспечения для прогнозной аналитики SPSS (версия 19, IBM, Нью-Йорк, США), где p <0,05. Время было разделено на три уровня и проанализировано в одноминутном (начало; 60 циклов), двухчасовом (конец; 7200 циклов) и двадцати минутах (1200 циклов) временных точках.Последний был произвольным моментом времени, позволяющим сравнивать данные начальных этапов с данными начала и конца тестов.

В дополнение к количественному анализу трения была проведена качественная макроскопическая оценка суставных хрящевых поверхностей образцов как до, так и после моделирования, чтобы выявить любые видимые повреждения или изменения внешнего вида поверхности после тестирования.

Результаты

Полные естественные тазобедренные суставы свиньи (n = 5) и гемиартропластики тазобедренного сустава свиньи (n = 5) с диаметральным диапазоном 35–37 мм были успешно позиционированы с необходимой анатомической ориентацией и высотой центра сустава, что позволило in vitro трибологические испытания будут проводиться на маятниковом тренажере.В течение двухчасового периода испытаний для всех образцов в обеих группах наблюдалось первоначальное быстрое увеличение с последующим постепенным увеличением коэффициента трения (рис. 7). Средний коэффициент трения в группе гемиартропластики составлял 0,031 ± 0,020 в начале теста, а затем увеличивался, достигая плато 0,047 ± 0,006 после ~ 1500 циклов (т.е. ~ 25 минут). Коэффициент трения для всей группы тазобедренного сустава свиньи увеличился с начального среднего значения 0,004 ± 0,011 до среднего значения 0,022 ± 0,003 за тот же период времени, однако коэффициент трения не вышел на плато и продолжал постепенно увеличиваться со значением 0.035 ± 0,003 регистрируется через два часа. Влияние пары подшипников и времени оказало статистически значимое влияние на коэффициент трения (p <0,001), однако взаимодействие между этими двумя переменными не было значимым (p = 0,109). В течение двухчасового моделирования in vitro средний коэффициент трения был ниже в группе с полностью естественным тазобедренным суставом по сравнению с группой, получавшей гемиартропластику бедра, и он значительно отличался в 60, 1200 и 7200 секунд временных точках (ANOVA; p <0.001). Апостериорный анализ Бонферрони показал, что коэффициент трения в 60-секундный момент времени значительно отличался от коэффициента трения, зарегистрированного как в 1200-секундный, так и в 7200-секундный моменты времени (оба p <0,05), однако существенной разницы в коэффициенте трения не было. при сравнении временных точек 1200 и 7200 секунд (p = 0,139).

Рис. 7. Средний коэффициент трения для гемиартропластики и полных естественных групп суставов.

Средний коэффициент трения ± 95% доверительный интервал для полных тазобедренных суставов свиньи (n = 5) и гемиартропластики тазобедренного сустава свиньи (n = 5), испытанных в имитаторе трения маятника в течение двух часов.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184226.g007

Во время макроскопической оценки исследуемой вертлужной впадины наблюдались изменения внешнего вида полулунной поверхности и небольшие участки хондрального повреждения. Это было в основном обесцвечивание и небольшие поверхностные царапины, которые были равномерно распределены по полулунной поверхности полных образцов естественного сустава, но располагались более центрально на образцах после гемиартропластики. На испытанных образцах гемиартропластики также были доказательства немного более глубоких поражений хряща, с небольшими трещинами, наблюдаемыми на двух вертлужных впадинах.Некоторое небольшое изменение цвета наблюдалось на верхней части некоторых протестированных головок естественной бедренной кости.

Обсуждение

Остеоартрит — распространенная форма дегенеративного заболевания суставов, и общепринято считать, что прямые и косвенные медицинские расходы на лечение ОА тазобедренного сустава с использованием THR, как ожидается, будут расти из-за старения населения [31, 32]. Поэтому исследовательские исследования, изучающие связи между морфологией тазобедренного сустава и факторами риска развития ОА, и исследования, изучающие эффективность ранних интервенционных методов лечения ОА тазобедренного сустава, являются важными областями исследований для решения как растущего социально-экономического бремени болезни, так и улучшения исходы для пациентов.

Исторические исследования естественного тазобедренного сустава с помощью маятника описаны в литературе Unsworth et al. [18], О’Келли и др. [16], а также Робертс и др. [33], однако, экспериментальная методология, по-видимому, не облегчает тестирование образцов с использованием различной ориентации или различных геометрических параметров, что необходимо для воспроизведения различных морфологий тазобедренного сустава. Об исследованиях полной трибологии естественного тазобедренного сустава, проведенных с использованием сервогидравлических испытательных систем, сообщалось Ferguson et al.[13], которые выполнили тесты на сползание-консолидацию с использованием постоянных и циклических нагрузок до и после лабральной резекции, а также Song et al. [17], которые измерили сопротивление вращению. Это было выполнено путем применения ротационного смещения с осевой сжимающей нагрузкой, также до и после лабрэктомии, в течение десяти 13-секундных циклов. В обоих исследованиях исследовались тазобедренные суставы человека; однако не все параметры теста были физиологическими.

В этом исследовании используется система моделирования in vitro для полного естественного тазобедренного сустава с герметизирующими приспособлениями, позволяющая контролировать ориентацию бедренной кости и вертлужной впадины для моделирования различных морфологий суставов, а также COR сустава, согласованный с симулятором. , был успешно разработан.Новые приспособления и методология были оценены путем проведения in vitro симуляций тазобедренных суставов свиней в маятниковом симуляторе трения, чтобы можно было проанализировать и оценить средние значения коэффициента трения. Разработанная методология заливки позволила разместить и протестировать на симуляторе как полностью естественные тазобедренные суставы, так и суставы гемиартропластики тазобедренного сустава, при этом COR сустава выровнен с таковым на симуляторе. Установка правильного COR вместе с нормализацией данных для учета любого дополнительного биомеханического крутящего момента, не связанного с применением профиля нагрузки, гарантируют, что, насколько это возможно, любые экспериментальные артефакты, возникающие из настройки или сложной геометрии бедра, были уменьшены. .

Фактор трения, измеренный во время тестов на гемиартропластику, показал тенденции и значения, аналогичные тем, которые описаны Lizhang et al. [20], в аналогичном исследовании трибологии гемиартропластики тазобедренного сустава, где использовались очень большие зазоры. В группе полного естественного сустава средний коэффициент трения увеличился с 0,004 до 0,035, при этом общее среднее значение для двухчасового испытания составило 0,022. Гетерогенные методологии и использование хряща из разных анатомических областей затрудняют прямое сравнение этого исследования с ранее опубликованными in vitro трибологическими исследованиями хрящ на хряще, однако результаты попадают в диапазон значений (0.003–0,08) для трения между двумя поверхностями хряща, о котором сообщалось в литературе [10, 11, 18, 33–35].

Нелинейная временная реакция, наблюдаемая в обеих группах образцов, скорее всего, связана с вязкоупругой реакцией и двухфазной природой хряща, где по мере уменьшения жидкой опоры нагрузка постепенно переходит на твердую фазу [36, 37]. Фактор трения не достиг плато в группе с полностью естественным тазобедренным суставом, что указывает на то, что образцы не достигли равновесия в конце двухчасового теста.Эта тенденция согласуется с данными, полученными McCann et al. [35], которые исследовали in vitro трение в естественном коленном суставе. Естественное бедро в этом исследовании имеет пространственно изменяющуюся и зависящую от времени нагрузку на хрящ головки бедренной кости по сравнению со сферической головкой из CoCr при гемиартропластике. Это означает, что экссудация жидкости из хряща будет медленнее, и, следовательно, коэффициент трения был ниже и требовалось больше времени для повышения по сравнению с моделью гемиартропластики. Эти выводы подтверждаются работой Forster et al.[38]. Кроме того, жидкость, застрявшая между деформирующими неровностями двух поверхностей хряща, по сравнению с наличием только одной поверхности хряща (т.е. вертлужной впадины) в группе гемиартропластики, замедлила бы экссудацию жидкости [39]. Геометрия бедра свиньи немного более асферична, чем у человека, и признано, что это могло повлиять на результаты тестов на гемиартропластику. Разница между двумя диаметральными измерениями, выполненными перпендикулярно в переднезаднем и сверхнижнем направлениях головок бедренной кости свиньи и человека без явной патологии (оба n = 6), составила 3.53 мм ± 1,78% и 1,0 мм ± 1,2% соответственно [40]. Разумно предположить, что подобная степень асферичности существует на сочленяющихся поверхностях парной вертлужной впадины. Более плохое соответствие между металлической сферической головкой из CoCr и естественным хрящом асферической вертлужной впадины свиньи может, таким образом, привести к образованию областей высоких контактных напряжений, которые неравномерно распределены вокруг вертлужной впадины. Это может объяснить, почему более высокие средние значения трения и большая степень повреждения хондры вертлужной впадины наблюдались в группе гемиартропластики по сравнению с группой полностью естественного тазобедренного сустава, где вертлужная впадина сочленялась с естественной головкой бедренной кости.Плохая конгруэнтность и распределение нагрузки, наблюдаемые в модели гемиартропластики, могут со временем привести к абразивному износу и эрозии вертлужного хряща, что согласуется с клиническими данными [41–43].

Основным ограничением использования маятникового симулятора трения для проведения моделирования было то, что осевая нагрузка прикладывалась через бедренную кость, а не через вертлужную впадину таза, и применялась только одна ось движения (сгибание-разгибание). Следовательно, нормальная нагрузка и остеокинематика, которым тазобедренный сустав обычно подвергается in vivo (например,г. сгибание-разгибание, отведение-приведение, медиальное и латеральное вращение) не могут быть воспроизведены in vitro , что может привести к приложениям к суставу некоторых аномальных нагрузок. Кроме того, хотя данные коэффициента трения были нормализованы для учета любого небольшого смещения сустава, этот процесс не учитывал какие-либо потенциальные повреждающие эффекты, которые это могло иметь на сочленяющихся поверхностях сустава. Эти факторы могут объяснить незначительные участки повреждения, которые наблюдались на полулунной поверхности нативной вертлужной впадины после выполнения полного моделирования естественного сустава только в течение относительно небольшого количества циклов (т.е. более двух часов).

Телячья сыворотка широко использовалась в качестве смазки при трибологических исследованиях тазобедренного сустава, однако было признано, что вязкость и состав зависят от синовиальной жидкости, которая намного сложнее и содержит гиалуроновую кислоту, различные белки, ферменты и другие вещества. липиды [44]. Гиалуроновая кислота придает синовиальной жидкости ее вязкоупругие свойства [45], а поверхностные фосфолипиды способствуют смазыванию границ суставного хряща [46], что означает, что оба фактора являются важными факторами при рассмотрении естественной смазки суставов.Решение этого вопроса выходило за рамки данного исследования, однако предлагается рассмотреть в будущих трибологических исследованиях естественных суставов лубрикант, содержащий гиалуроновую кислоту и фосфолипиды, которые вместе снижают трение в моделях хряща [47]. . Кроме того, использование ткани, полученной от забитого животного, может потенциально повлиять на режим смазки сустава, особенно на режим граничной смазки. Во многом это связано с отсутствием жизнеспособных хондроцитов, которые продуцируют и поддерживают внеклеточный матрикс [37].Тем не менее, эти ограничения не умаляют основную цель этого исследования, заключающуюся в разработке системы моделирования in vitro для естественного тазобедренного сустава с фиксаторами, позволяющими контролировать ориентацию как бедренной кости, так и вертлужной впадины в будущих исследованиях.

В будущей работе эта методология будет адаптирована для использования с системами моделирования in vitro , которые способны моделировать более физиологические движения, и это обеспечит надежную систему для тестирования полных естественных тазобедренных суставов животных и / или человека.Непрерывная циклическая нагрузка, используемая на протяжении всего моделирования, когда хрящ разгружается только в течение относительно коротких периодов во время фазы качания, представляет собой непрерывную ходьбу, в отличие от входных профилей, которые используют протокол стоп-остановка-старт для облегчения периодов расслабления и повторной ходьбы. гидратация хрящевого матрикса. Если в будущем будут рассматриваться более продолжительные тесты, то этот тип моделирования профиля может обеспечить более реалистичное представление in vivo повседневной активности, которое можно было бы распространить на более широкие слои населения [48, 49].Кроме того, различные морфологии тазобедренного сустава, относящиеся к вертлужной впадине (например, ретроверсия, крутой угол наклона) и проксимальной части бедра (например, бедренная версия различной степени), будут моделироваться и исследоваться с использованием приспособлений, разработанных в этом исследовании для изменения ориентации вертлужной впадины. вертлужная впадина и / или бедренная кость. Использование систем координат таза и бедра, например, определенных и рекомендованных Международным обществом биомехаников [50], будет важным для облегчения этой работы в будущих исследованиях.Это позволит исследовать морфологические факторы риска развития ОА тазобедренного сустава путем моделирования различных форм и патологий тазобедренного сустава, а также доклинических испытаний ранних интервенционных методов лечения ОА тазобедренного сустава.

Ссылки

1. 1. Нуки Г. Остеоартроз: проблема суставной недостаточности. Z Ревматол . 1999; 58 (3): 142–147. pmid: 10441841
2. 2. Bijlsma JWJ и Knahr K. Стратегии профилактики и лечения остеоартроза бедра и колена. Передовая практика . Res . Клин . 2007; 21 (1): 59–76.
3. 3. Felson DT. Развитие клинического понимания остеоартрита. Arthritis Res Ther . 2009; 11 (1): 203–213. pmid: 19232065
4. 4. Lubbeke A, Katz JN, Perneger TV и Hoffmeyer P. Первичная и ревизионная артропластика тазобедренного сустава: 5-летние результаты и влияние возраста и сопутствующих заболеваний. Дж Ревматол . 2007; 34 (2): 394–400. pmid: 17143967
5. 5.Ганц Р., Клауэ К., Винь Ц и Маст Дж. У. Новая техника периацетабулярной остеотомии для лечения дисплазии тазобедренного сустава и предварительные результаты. Clin Orthop Relat Res . 1988; 232: 26–36.
6. 6. Леуниг М. и Ганц Р. Эволюция и концепции суставосохраняющей хирургии тазобедренного сустава. Костный сустав J . 2014; 96 (1): 5–18. pmid: 24395304
7. 7. Маккарти Дж., Благородный П., Алуизио Ф. В., Шак М., Райт Дж. И Ли Дж. Анатомия, патологические особенности и лечение разрывов вертлужной впадины. Клин Ортоп . 2003; 406: 38–47.
8. 8. Миллис МБ и Ким И-Дж. Обоснование остеотомии и связанных процедур для сохранения тазобедренного сустава: обзор. Clin Orthop. 2002; 405: 108–121.
9. 9. Атешян Г.А. и Моу В.К. Трение, смазка и износ суставного хряща и диартродиальных суставов. В: Mow VC, Huiskes R, редакторы. Основы ортопедической биомеханики и механо-биологии. 3-е изд. Филадельфия: Липпинкотт Уильямс и Уильямс; 2005. с. 447–494.
10. 10. Форстер Х. и Фишер Дж. Влияние времени загрузки и смазки на трение суставного хряща. Proc Inst Mech Eng H . 1996; 210 (28): 109–119.
11. 11. Катта Дж., Паваскар С., Джин З., Ингам Э. и Фишер Дж. Влияние изменения нагрузки на фрикционные свойства суставного хряща. Proc Inst Mech Eng J . 2007; 221 (3): 175–181.
12. 12. Паластанга Н., Филд Д. и Сомс Р. Анатомия и движение человека: структура и функция.4-е изд. Оксфорд: Баттерворт Хайнеманн; 2002.
13. 13. Фергюсон С.Дж., Брайант Дж.Т., Ганц Р. и Ито К. Исследование in vitro уплотнения вертлужной впадины в механике тазобедренного сустава. Дж Биомех . 2003; 36 (2): 171–178. pmid: 12547354
14. 14. Furey MJ и Burkhardt BM. Биотрибология: трение, износ и смазка естественных синовиальных суставов. Наука о смазке . 1997; 9 (3): 255–271.
15. 15. Катта Дж., Джин З., Ингам Э. и Фишер Дж.Биотрибология суставного хряща — обзор последних достижений. Med Eng Phys . 2008; 30 (10): 1349–1363. pmid: 18993107
16. 16. О’Келли Дж., Ансуорт А., Доусон Д., Холл Д. А. и Райт В. Исследование роли синовиальной жидкости и ее компонентов в трении и смазке тазобедренных суставов человека. Eng Med . 1978; 7 (2): 73–83.
17. 17. Song Y, Ito H, Kourtis L, Safran MR, Carter DR и Giori NJ. После удаления вертлужной губы увеличивается трение суставного хряща в тазобедренных суставах. Дж Биомех . 2012; 45 (3): 524–530. pmid: 22176711
18. 18. Ансуорт А., Доусон Д. и Райт В. Фрикционное поведение синовиальных суставов человека — Часть I: Естественные суставы. Дж Трибол . 1975; 97 (3): 369–376.
19. 19. Ли Дж., Хуа Х, Джин З., Фишер Дж. И Уилкокс РК. Влияние клиренса на зависящую от времени производительность бедра после гемиартропластики: исследование методом конечных элементов с двухфазными свойствами вертлужного хряща. Med Eng Phys .2014; 36 (11): 1449–1454. pmid: 24957488
20. 20. Личанг Дж., Тейлор С.Д., Джин З., Фишер Дж. И Уильямс С. Влияние клиренса на трибологию хряща при гемиартропластике тазобедренного сустава. Proc Inst Mech Eng H . 2013; 227 (12): 1284–1291. pmid: 24043224
21. 21. Паваскар С.С., Гросланд Н.М., Ингам Э., Фишер Дж. И Джин З. Гемиартропластика тазобедренного сустава: экспериментальная проверка с использованием вертлужной впадины свиньи. Дж Биомех . 2011; 44 (8): 1536–1542. pmid: 21439570
22. 22.Гровс Д. и Уильямс С. Набор данных, связанных с «методом моделирования in vitro для трибологической оценки полных естественных тазобедренных суставов». Университет Лидса, Великобритания [набор данных]; 2017. https://doi.org/10.5518/171.
23. 23. Simulation Solutions Ltd. Руководство по аппаратному обеспечению ProSim Friction Simulator III (вариант Leeds iMBE). 1.7 изд. Стокпорт, Великобритания: Simulation Solutions Ltd; 2012. 60 с.
24. 24. Личжан Дж. Трибология гемиартропластики. Кандидат наук. Университет Лидса; 2010 г.
25. 25. Гровс Д. Геометрические варианты остеоартроза тазобедренного сустава и трибология естественного тазобедренного сустава. Кандидат наук. Университет Лидса; 2015.
26. 26. Ван А., Эсснер А., Полинени В.К., Старк С. и Дамблтон Дж. Х. Смазка и износ сверхвысокомолекулярного полиэтилена при полной замене суставов. Трибол Инт . 1998; 31 (1–3): 17–33.
27. 27. Бергманн Г., Граичен Ф. и Рольманн А. Силы тазобедренного сустава у овец. Дж Биомех . 1999; 32 (8): 769–777.pmid: 10433418
28. 28. Бергманн Г., Сираки Дж., Рольманн А. и Кёльбель Р. Сравнение сил тазобедренных суставов у овец, собак и людей. Дж Биомех . 1984; 17 (12): 907–909, 911–921. pmid: 6520139
29. 29. Бивенер А.А. Передвижение животных. Оксфорд: издательство Оксфордского университета; 2003.
30. 30. ван Инген Шенау Г.Дж. и Бобберт М.Ф. Глобальный дизайн задних конечностей у четвероногих. Акта Анат . 1993; 46: 103–108.
31. 31. Биттон Р.Экономическое бремя остеоартроза. Am J Manag Care . 2009; 15 (8 доп.): S230 – S235. pmid: 19817509
32. 32. Крофт П. Эпидемиология остеоартроза: Манчестер и другие. Ревматология (Оксфорд) . 2005; 44 (Дополнение 4): 27–32.
33. 33. Робертс Б.Дж., Ансуорт А. и Миан Н. Способы смазки тазобедренных суставов человека. Энн Рум Дис . 1982; 41 (3): 217–224. pmid: 7092334
34. 34. Макировски Т., Тепик С. и Манн Р.В.Напряжение хряща в тазобедренном суставе человека. Дж Биомех . 1994; 116 (1): 10–18.
35. 35. McCann L, Udofia I., Graindorge S, Ingham E, Jin Z и Fisher J. Трибологическое исследование суставного хряща медиального отдела колена с использованием симулятора трения. Трибол Инт . 2008; 41 (11): 1126–1133.
36. 36. Атешян Г.А. Роль повышения давления интерстициальной жидкости в смазке суставного хряща. Дж Биомех . 2009; 42 (9): 1163–1176.pmid: 19464689
37. 37. Mow VCP и Wang CCBMS. Некоторые соображения биоинженерии для тканевой инженерии суставного хряща. Clin Orthop Relat Res . 1999; 367 (Дополнение): S204 – S223.
38. 38. Форстер Х. и Фишер Дж. Влияние непрерывного скольжения и последующего износа поверхности на трение суставного хряща. Proc Inst Mech Eng H . 1999; 213 (4): 329–345. pmid: 10466364
39. 39. Уокер П.С., Доусон Д., Лонгфилд, доктор медицины и Райт В.«Усиленная смазка» синовиальных суставов за счет захвата и обогащения жидкости. Энн Рум Дис . 1968; 27 (6): 512–520. pmid: 5728097
40. 40. Тейлор С.Д., Циридис Э., Ингам Э., Джин З., Фишер Дж. И Уильямс С. Сравнение хондральных свойств и геометрии головки бедренной кости человека и животных. Proc Inst Mech Eng H . 2012; 226 (h2): 55–62.
41. 41. Даллдорф П.Г., Банас М.П., ​​Хикс Д.Г. и Пеллегрини В.Д. Скорость дегенерации вертлужного хряща человека после гемиартропластики. J Bone Joint Surg Am . 1995; 77A (6): 877–882.
42. 42. Дэвас М. и Хинвес Б. Профилактика эрозии вертлужной впадины после гемиартропластики по поводу перелома шейки бедра. J Bone Joint Surg Br . 1983; 65 (5): 548–551. pmid: 6643556
43. 43. Филипс TW. Гемиартропластика Томпсона и эрозия вертлужной впадины. J Bone Joint Surg Am . 1989; 71 (6): 913–917. pmid: 2745486
44. 44. Макнари С.М., Атанасиу К.А. и Редди А.Х. Инженерная смазка суставного хряща. Tissue Eng Часть B Ред. . 2012; 18 (2): 88–100. pmid: 21955119
45. 45. Swann D, Radin E, Nazimiec M, Weisser P, Curran N и Lewinnek G. Роль гиалуроновой кислоты в смазке суставов. Энн Рум Дис . 1974; 33 (4): 318–326. pmid: 4415649
46. 46. Сарма А.В., Пауэлл Г.Л. и Лаберж М. Фосфолипидный состав граничной смазки суставного хряща. Дж. Ортоп Рес . 2001; 19 (4): 671–676. pmid: 11518278
47. 47. Форси Р. У., Фишер Дж., Томпсон Дж., Стоун М. Х., Белл С. и Ингхэм Э.Влияние смазок на основе гиалуроновой кислоты и фосфолипидов на трение в модели повреждения хряща человека. Биоматериалы . 2006; 27 (26): 4581–4590. pmid: 16701868
48. 48. Редакторы Chan FW, Bobyn JD, Medley JB и Krygier JJ. Имитатор износа металло-металлических имплантатов бедра в условиях неблагоприятных нагрузок. Trans 45th Ann. Встреча Ортоп. Res. Soc .; 1999; Анахайм, Калифорния.
49. 49. Roter GE, Medley JB, Bobyn JD, Krygier JJ и Chan FW. Движение «стоп-остановка-начало»: новый протокол моделирования износа тазобедренных имплантатов «металл-металл».В: Доусон Д., Прист М., Далмаз Г., Любрехт А.А., редакторы. Серия трибологии. Том 40: Эльзевир; 2002. с. 367–376.
50. 50. Wu G, Siegler S, Allard P, Kirtley C, Leardini A, Rosenbaum D, et al. Рекомендация ISB по определениям совместной системы координат различных суставов для сообщения о движении суставов человека — часть I: голеностопный сустав, бедро и позвоночник. Дж Биомех . 2002; 35 (4): 543–548.

Посмотрите на KKS в действии!

The Kansas Knee Simulator
	Kansas Knee Simulator (KKS) — это серво-гидравлический испытательный стенд, который может прикладывать динамическую нагрузку к коленному суставу.Нагрузки создаются на проксимальном отделе бедра, дистальном отделе большеберцовой кости и сухожилие четырехглавой мышцы с помощью 5 гидравлических приводов, соединенных с 5-осевым контроллером. Вертикальная нагрузка прикладывается к бедру, чтобы имитировать вес тела испытуемого. Бедро можно свободно сгибать, разгибать и перемещать по вертикали. Вертикальное вращение, медиолатеральное смещение и нагрузки сгибания в голеностопном суставе могут применяться к основанию большеберцовой кости. Кроме того, большеберцовая кость может свободно вращаться в vagus-vagus. Последний привод крепится к бедренной кости и прикрепляется непосредственно к сухожилию четырехглавой мышцы проксимальнее надколенника.Каждая ось может управляться перемещением или нагрузкой.
Обычно положение сгибания-разгибания колена контролируется приводом четырехглавой мышцы, в то время как оставшаяся ось остается для управления нагрузкой. Это наиболее похоже на то, как человеческое тело работает во время нормальной деятельности. Профили нагрузки синусоиды могут быть созданы для каждой оси. Профили нагрузки для симулятора создаются с использованием динамической модели твердого тела в программной среде динамического моделирования Адамса.Модель использует геометрию KKS в сочетании с известными условиями нагрузки на колено для оптимизации выходов привода. Фактические нагрузки, возникающие в колене, можно измерить с помощью встроенного аналогового колена, который виден справа.
KKS можно использовать для оценки производительности компонентов полной замены коленного сустава. Компоненты приклеиваются к алюминиевым креплениям и устанавливаются в симулятор.Надколенник прикреплен к кевларовому ремню, который имитирует сухожилие четырехглавой мышцы. Медиально-латеральное положение и угол варусно-вальгусной четырехглавой мышцы привода можно регулировать. Кроме того, приспособления позволяют осуществлять внутреннюю и внешнюю ротацию и варусно-вальгусное выравнивание бедренного компонента. KKS может моделировать ходьбу, резку или любые другие условия нагрузки. Тренажер также может выполнять глубокие сгибания в коленях, сгибая компоненты выше 120 градусов сгибания в коленях. Движение колена регистрируется с помощью системы Optotrak 3020.Жесткие тела, состоящие из инфракрасных излучающих диодов, крепятся к бедренной кости, большеберцовой кости и надколеннику. Измеряя движение твердых тел, можно определить кинематику всех трех костей в трехмерном пространстве.
При смене приспособлений KKS может выполнять все те же симуляции на реальных тканях. Справа в тренажере смонтировано собачье колено. Геометрия симулятора совместима с коленями практически любого размера, от собак среднего размера до крупных образцов крупного рогатого скота, включая ткани человека.Определив кинематику естественного человеческого колена в симуляторе, можно количественно оценить изменения, связанные с операциями на колене или травмами. Тестирование на образцах трупа учитывает влияние мягких тканей вокруг колена на его кинематику. С использованием этого метода в настоящее время проводятся исследования, которые оценивают влияние неправильного совмещения компонентов на поведение имплантата.

Симулятор износа бедра для оценки биоматериалов в компонентах артропластики тазобедренного сустава

Название выпуска: Подборка статей с Международного симпозиума по передовым биоматериалам и инженерии ’93 (ISABE ’93)

Тип статьи: Исследовательская статья

Авторы: Mejia, Lito C. | Бриерли, Томас Дж.

Филиалы: MTS Systems Corporation, Миннеаполис, Миннесота, США

Аннотация: Был разработан и испытан многопозиционный (8-позиционный) тренажер бедра, который обеспечивает практическое имитацию движений и нагрузок, наблюдаемых человеком. тазобедренный сустав во время обычного цикла ходьбы. Двухосное качательное движение на ± 23 градуса синхронизируется с соответствующими результирующими силами движений разгибания-сгибания (от удара с пятки до отрыва) ноги.Этот конкретный тренажер обеспечивает практическую реализацию цикла ходьбы in vitro. Он также обеспечивает реалистичный и практичный компромисс между устройствами общей проверки износа (такими как системы «штифт на диске») и интенсивными исследованиями, выполненными с помощью полномасштабного моделирования (полные системы с 6 степенями свободы) и моделирования. Оценка производительности системы показывает, что регулирование скорости вращения (оборотов в минуту) для желаемого осевого вращения 1 Гц поддерживалось на уровне 60 cpm ± 1 cpm для осевых нагрузок (на привод) до 4500 ньютонов.Хотя ошибка загрузки составляла 2% в интересующих областях пиковой нагрузки (3000 Ньютон), изменчивость регулирования нагрузки от станции к станции была менее 0,6%. Исследования базового износа с помощью этого симулятора с использованием систем бедер из сверхвысокомолекулярного полиэтилена и кобальт-хрома (UHMWPE / CoCr) показывают, что средняя изменчивость износа от образца к образцу составляет менее 7% после 5 миллионов циклов испытаний. Тестирование проводилось в среде телячьей сыворотки при равновесной температуре 33 ° C.

Ключевые слова: протезы бедра, испытания на износ симулятора сустава, имплантируемые биоматериалы, усталость и износ биоматериалов, износ полиэтилена

DOI: 10.3233 / BME-1994-4402

Журнал: биомедицинские материалы и инженерия, т. 4, вып. 4, pp. 259-271, 1994

Симулятор тазобедренного сустава (а) вся машина, разделенная на (I) основной корпус, …

Контекст 1

… показано на рис. 2. Согласно Таблица I, каждый тренажер имеет 2 или 3 оси вращения, с помощью которых достигается поворот на определенные углы в различных градусах. AMTI-Boston Hip Simulator имитирует движение бедра с одновременной нагрузкой в ​​физиологической среде (рис.2а). Симулятор обеспечивает вращение вокруг трех осей в сагиттальной плоскости, плоскости отведения / приведения и вокруг вертикальной (бедренной) оси, а также профили нагрузки, которые имитируют ходьбу или подъем по лестнице. В симуляторе HUT-4 на 12 станций (рис. 2б) протез находится в анатомическом положении и самоцентрируется. Электромеханическое движение состоит из сгибания-разгибания (FE) и отведения-приведения (AA) бедренного компонента. Сайкко представил полезный способ сравнения износа, производимого in vivo и in vitro симуляторами износа, с использованием коэффициента износа.Идея коэффициента износа заключается в том, что скорость износа пропорциональна нагрузке и расстоянию скольжения [6-7]. Кроме того, конструкция такого симулятора, выполненная посредством сравнительного анализа, представляет собой ценную основу для исследований взаимосвязи между типами разнонаправленного движения и износом [8]. Симулятор тазобедренного сустава Mark II Durham (рис. 2c) представляет собой пятипозиционный тренажер, в котором суставы установлены анатомически и подвергаются циклу динамической нагрузки с независимым движением по двум осям.Тренажер тазобедренного сустава Leeds PA II (рис. 2d) имеет шесть станций. Нагрузка прикладывается в вертикальном направлении, и симулятор может независимо управлять вращением сгибание-разгибание и внутреннее-внешнее вращение с упрощенными циклами для создания разнонаправленного движения между головкой бедренной кости и вертлужной чашкой. Подшипники сустава устанавливаются в анатомическом положении, при этом бедренная ножка и вертлужная впадина цементируются в металлические держатели. Движения можно применять в виде плавных синусоидальных циклов с применением сгибания / разгибания к бедренным компонентам с амплитудами +30 o / — 15 o и внутренней / внешней ротации ± 10 o.Внутреннее / внешнее вращение применялось на 90 ° не в фазе сгибания / разгибания, так что между компонентами мог образоваться открытый эллиптический путь износа. Было показано, что это дает результаты, аналогичные симуляторам бедра с тремя физиологическими осями движения; см. также [3] и [9]. Тренажер тазобедренного сустава ProSim Limited имеет 10 станций (рис. 2д). На каждой станции чашка устанавливается в анатомическом положении над головкой бедренной кости под углом 35 ° к горизонтальной плоскости.Это положение повторяет наклон чашки в тазу под углом 45 ° к вертикали и результирующий вектор нагрузки 10 ° медиально. Каждая станция имеет две степени свободы, а диапазон движения варьируется от –30 ° до + 30 °. Кинематика нагрузки и движения соответствует исследованиям Пола [10]. Для оценки этого симулятора был проведен ряд исследований с целью изучения роли материалов имплантатов [11] и дизайна их формы [12]. Симулятор тазобедренного сустава MATCO (модель EW08 MMED) сконфигурирован в двух банках по восемь каналов в каждом (рис.2е). Чашечки и головки установлены в неанатомическом положении. Этот тренажер предполагает симметричное смещение чашки над неподвижной головкой в ​​диапазоне примерно 45 ° (± 22,5 °) как в сагиттальной, так и во фронтальной плоскостях без поворота в поперечной плоскости. Обычно прилагаемая нагрузка соответствует кривой Пауля с пиковой нагрузкой 2,1 кН. Тренажер Shore Western Hip представляет собой тренажер на 12 станций (рис. 2g). На каждой станции имплантаты устанавливаются в неанатомическом положении, а выравнивание головок обеспечивается шарикоподшипником на держателе головки.На каждой станции имплантаты были установлены в неанатомическом положении (вверх ногами), а края чашки были установлены под углом примерно 23 ° относительно горизонтальной плоскости [13]. Становится очевидным, что возможности симулятора дают возможность более качественного анализа и экспериментов in vitro по изучению новых и эволюционных материалов для имплантатов [14]. III. КОНСТРУКЦИЯ СИМУЛЯТОРА БЕДРА Основные характеристики представленных выше испытательных машин наряду с рекомендациями стандарта ISO 14242 были приняты во внимание при разработке новой концепции трёхосевого тренажера бедра, который будет способен сочетать движения / вращения. в трех важных углах.Весь дизайн был выполнен с использованием программного обеспечения CAD в Лаборатории производственных технологий Афинского национального технического университета. В соответствии с ограничениями, которые конкретная машина должна соответствовать существующему автоматизированному прессу Instron®, чтобы контролировать величину нагрузки, действующей на имплантаты во время исследования, максимальная высота симулятора не должна превышать 1 м. Кроме того, необходимо предусмотреть пространство для двигателя, который будет приводить во вращение эксцентриковый шкив каждой оси, а также резервуар, заполненный жидкостью, представляющей среду внутри человеческого тела, в которую будет погружен имплант.Следуя возникшим ограничениям, мы разработали концепцию проекта, показанную на рис. 3. Предлагаемая здесь испытательная машина состоит из четырех основных комплектов деталей, перечисленных ниже:  Основной корпус симулятора (I)  Электродвигатель для вращения эксцентриковых шкивов через систему приводной цепи и зубчатой ​​цепи (II) • 3 эксцентриковых шкива (III), по одному на каждую ось движения, которые придают движение резервуару • Резервуар для погружения имплантата, заполненный специальным жидкость, имитирующая физиологические явления (IV). Эксцентрические шкивы играют наиболее важную роль в этом механизме, поскольку они в основном заряжены для воспроизведения точного вращения тазобедренного сустава человека в условиях ходьбы в соответствии с рекомендациями ISO 14242.Это сложное движение описано на рис. 1, и его значения позволяют рассчитать точный радиус шкивов в каждой точке их периферии. Движение разгибания и сгибания ограничено между углами от +25 ο и -17 ο. Движение начинается под углом 25 ο и постепенно снижается до нижней точки в -17, что соответствует 50% вращения шкива. Затем следует движение вверх до верхней точки на +25 ο. Принимая во внимание ограничения движения, расстояние 150 мм между резервуаром и шкивом и радиус шкива 105 мм, можно рассчитать точный радиус в каждой точке периферии шкива, как показано на графике на рис.4 Движение отведения и приведения происходит между углами +7 ο и -7 ο. Движение начинается под углом 3 ο и постепенно увеличивается до верхней точки +7 ο, соответствующей 21% поворота шкива. Движение вниз следует до нижней точки -7 ο, соответствующей 62% вращения шкива, и, наконец, движение вверх завершает вращение при 3 ο. Принимая во внимание все ограничения движения, расстояние между резервуаром и шкивом 150 мм и радиус шкива 105 мм, также был рассчитан точный радиус шкива в каждой точке его периферии; см. рис.4. Вращение внутрь и наружу ограничено углами от +2 ο до -10 ο. Движение начинается под углом -10 ο и постепенно увеличивается до верхней точки +2 ο (при 50% вращения шкива), снова опускаясь вниз до нижней точки при -10 ο. Принимая во внимание все ограничения движения, расстояние между резервуаром и шкивом 60 мм и радиус шкива 60 мм, также был рассчитан точный радиус шкива в каждой точке его периферии; см. рис. 4. Согласно графику на рис.4, радиус эксцентриковых шкивов в каждой точке связан с углом перемещения по конкретной оси и основным радиусом детали. По сравнению с графиком на рис. 1 форма шкивов точно соответствует форме угла перемещения по оси. Это объясняет то же самое, но в другой плоскости, наклон двух графиков для одной и той же оси вращения. IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В данной статье обобщается использование тренажеров тазобедренного сустава в исследовании новых материалов для тазобедренного сустава. Были представлены общеизвестные симуляторы, имеющие одну или несколько станций и дающие возможность имитировать движение бедра по 2 или 3 осям.Сравнение этих машин с рекомендациями ISO 14242 привело к разработке нового однопозиционного тренажера бедра с 3-мя осями вращения. Это движение может быть достигнуто с помощью трех отдельных эксцентриковых шкивов определенной формы, которые производят вращение на заданные углы в соответствии с вышеупомянутыми международными …

Frontiers | Премия Немецкого общества биомеханики (DGfB) для молодых исследователей 2019: доказательство концепции нового тренажера коленного сустава, обеспечивающего быстрые движения физиологических мышц и сил реакции опоры

Введение

Для биомеханических исследований in vitro образцов коленного сустава человека были внедрены различные типы симуляторов коленного сустава.Сложность коленного сустава человека требует сложной конструкции таких тренажеров. По сути, можно провести различие между симуляторами горизонтального коленного сустава, вертикальными симуляторами, так называемыми Oxford-Rigs, и симуляторами, управляемыми роботизированной рукой.

Горизонтальные тренажеры коленного сустава особенно характеризуются горизонтальным положением образцов коленного сустава (Blankevoort et al., 1988; Hirokawa et al., 1991; Torzilli et al., 1994; Bach and Hull, 1995; Dürselen et al., 1995; Омори и др., 1997; Ахмад и др., 1998; Кигучи и др., 1999; Стукенборг-Колсман и др., 2002b; Hofer et al., 2011). Обычно бедренная или большеберцовая кость прикрепляется к основанию тренажера или к подвижной поворотной руке, которая отвечает за движения сгибания и разгибания, тогда как противоположная сторона обеспечивает все необходимые степени свободы (Heinrichs et al., 2017). Системы роботизированных манипуляторов (Rudy et al., 1996; Livesay et al., 1997; Li et al., 1999; Lo et al., 2008; Diermann et al., 2009; Goldsmith et al., 2013) сравнимы с горизонтальными симуляторами, но коленный сустав перемещается по заранее определенной траектории пассивного движения, при которой все внешние силы и моменты, действующие на коленный сустав, минимальны (Lorenz et al., 2013). Oxford-Rig (Kumagai et al., 2002; Lo et al., 2008) характеризуется вертикальной фиксацией коленного сустава, а также тазобедренным и голеностопным суставами (Завацкий, 1997). Узел тазобедренного сустава можно перемещать вертикально, тем самым обеспечивая сгибание и разгибание коленного сустава.В качестве разновидности конструкции Oxford-Rig существуют имитаторы ударов, имитирующие удары по коленному суставу с использованием падающих грузов (Withrow et al., 2006; Kiapour et al., 2016).

Некоторые из этих тренажеров могут имитировать мышечные силы, действующие на коленный сустав. Это осуществляется с помощью грузов или приводов и стальных тросов, которые соединяются с костью в анатомических местах введения или непосредственно с мышцами с помощью специальных зажимов. Обычно моделируют четырехглавую мышцу, двуглавую икроножную мышцу или подколенные сухожилия (Hirokawa et al., 1991; Шумейкер и др., 1993; Бах и Халл, 1995; Dürselen et al., 1995; Ахмад и др., 1998; Ли и др., 2002; Gill et al., 2003; Hofer et al., 2011; Heinrichs et al., 2017). Однако в большинстве случаев прилагаемые мышечные силы относительно низки и достигают только значений до 200 Н (например, моделирование четырехглавой мышцы; Dürselen et al., 1995; Withrow et al., 2006). Это означает, что невозможно достичь ни физиологических условий нагрузки внутри коленного сустава, ни физиологической силы реакции опоры (создаваемой мышечными силами).Более того, адаптация мышечных сил с течением времени или с изменением угла сгибания коленного сустава редко возможна с современными симуляторами коленного сустава, что приводит только к медленным движениям в коленном суставе (Stukenborg-Colsman et al., 2002a).

Наиболее распространенными методами создания движения в коленном суставе в современных симуляторах коленного сустава являются либо пассивное сгибание колена, либо контроль угла сгибания колена, либо сила реакции опоры через контур управления мышечной силой (Stukenborg-Colsman et al., 2002a; Victor et al. ., 2009). Однако из-за того, что разные мышцы, охватывающие колени, влияют друг на друга, что приводит к статической неопределенности механической системы, управление в реальном времени несколькими одновременно действующими мышцами трудно осуществить для динамических движений, например прыжков с падением.Следовательно, такие механизмы контура управления, реализованные в современных симуляторах, допускают только медленные движения в суставах со скоростью сгибания-разгибания до ~ 1 ° / с (Churchill et al., 1998; Lo et al., 2008), что соответствует квазистатическому условия тестирования. Некоторые из существующих тренажеров коленного сустава типа Oxford-Rig могут моделировать почти физиологические силы реакции опоры или вес тела (Elias et al., 2002; Maletsky and Hillberry, 2005). Эти тренажеры могут моделировать движения со скоростью до 12 ° / с, что все еще намного ниже, чем требуется для прыжкового приземления (145 ° / с).

Для того, чтобы реально достичь реалистичных условий тестирования in vitro , поскольку они возникают во время повседневной деятельности, необходимы движения в коленных суставах и мышечные силы, приводящие к физиологическим силам реакции суставов и опоры. Поэтому целью данного исследования была разработка нового тренажера коленного сустава для in vitro тестирования приседаний и прыжков с падением с реалистичной скоростью и совместными усилиями.

Материалы и методы

Техническое описание

Механическая конструкция нового тренажера коленного сустава, основанная на конструкции Oxford-Rig (Bourne et al., 1978), состоит из опорной рамы, узла тазобедренного сустава и узла голеностопного сустава (рис. 1). Узел тазобедренного сустава состоит из универсального шарнира. Он обеспечивает три степени свободы, включая сгибание / разгибание, отведение / приведение и вертикальное линейное смещение. Вертикальное смещение достигается за счет узла тазобедренного сустава, прикрепленного к траверсе, которая может перемещаться вертикально по направляющему шариковому подшипнику с приводом от электрического серводвигателя (EMMS-AS-140-L-HS-RMB, Festo AG & Co. KG, Эсслинген, Германия) с линейной осью при максимальной скорости ползуна 670 мм / с, что соответствует максимальной угловой скорости 350 ° / с.Следует отметить, что имитация движения бедра приводит только к сгибанию и разгибанию колена без создания каких-либо сил реакции суставов или опоры. Узел голеностопного сустава имеет две степени свободы: сгибание / разгибание и отведение / приведение. Кроме того, благодаря дополнительному подшипнику большеберцовая кость может свободно вращаться как внутри, так и снаружи. Следовательно, тренажер коленного сустава допускает неограниченное движение при 6 ° свободы (Завацкий, 1997).

Рисунок 1 .Имитатор коленного сустава с моделью коленного сустава, закрепленной между узлами тазобедренного и голеностопного суставов, траверсой для вертикального смещения бедра и пневматическими приводами для имитации мышечной силы.

Девять наиболее важных мышц, охватывающих колени, моделируются для достижения физиологических условий нагрузки и сил реакции опоры. Этими мышцами являются Musculus (M.) Wastus medialis, M. Wastus lateralis, M. Wastus Intermedius, M. rectus femoris, M biceps femoris, M. semitendinosus, M. semimembranosus, M.gastrocnemius medialis и M. gastrocnemius lateralis. Из-за схожих анатомических направлений растяжения M. vastus intermediateus и M. rectus femoris, а также M. semitendinosus и M. semimembranosus объединяются и моделируются как мышцы одностороннего действия соответственно. Всего для моделирования мышечной силы используется семь пневматических приводов (DNCI-63-300-P-A, Festo AG & Co. KG), которые расположены в верхней и нижней областях базовой рамы. Бикортикальные винты располагаются в анатомических местах прикрепления соответствующих мышц.Стальные кабели соединяют пневматические приводы и бикортикальные винты для симуляции мышечной силы. Семь датчиков одноосной силы (KD40S, ME-Messsysteme GmbH, Хеннингсдорф, Германия) встроены в стальные тросы для измерения приложенных мышечных сил соответственно. Кроме того, под узлом голеностопного сустава расположены линейный пневматический привод и вращательный пневматический привод для имитации осевых ударных нагрузок и моментов деформации большеберцовой кости, соответственно. Для измерения сил и моментов реакции опоры шестиосевой датчик силы / момента (K6D68, ME-Messsysteme GmbH) закреплен непосредственно под узлом голеностопного сустава.Таким образом, движение бедра создает сгибание и разгибание коленного сустава, в то время как семь пневматических приводов используются для моделирования мышечных сил, которые приводят к соответствующим силам реакции опоры. То есть без моделирования мышечной силы не было бы результирующей силы реакции опоры, а было бы только сгибание и разгибание коленного сустава.

Тренажер разработан для работы в сочетании режимов управления положением и управления усилием (Рисунок 2). Регулируемое по положению линейное смещение бедра напрямую связано со сгибанием и разгибанием коленного сустава.Силы мышц применяются в режиме с контролем силы. Для этих целей как линейное смещение тазобедренного сустава как функция во времени, так и мышечные силы как функция во времени служат входными параметрами для симулятора коленного сустава. Эти входные значения были получены из исследования комбинированного анализа движений и обратной динамики (MAID) на 11 здоровых добровольцах, проведенного в лаборатории движения партнера по сотрудничеству (Клиника ортопедии и травматологической хирургии, Университетская больница Гейдельберга, Гейдельберг, Германия).При этом были измерены кинематика и кинетика испытуемых. Эти значения вместе с антропометрическими данными использовались для расчета действующих мышечных сил с помощью обратного динамического моделирования опорно-двигательного аппарата.

Рисунок 2 . Управление симулятором динамического коленного сустава с помощью системы реального времени, инструмент конфигурации Festo для параметризации, управления пневматическими и электрическими приводами, регистрации датчиков силы и приложений реального времени LabVIEW и LabVIEW.

Входные параметры для мышечных сил и положения бедра, полученные из исследования MAID, были назначены соответствующим исполнительным механизмам (параметризация) с помощью инструмента пневматической конфигурации (Festo AG & Co. KG) (рис. 2). Одновременное управление всеми приводами осуществляется с помощью системы реального времени (cRIO-9064, National Instruments, Остин, Техас, США) и специального программного обеспечения (LabVIEW 2014, National Instruments). Сбор данных с датчиков одноосной мышечной силы и шестиосевого датчика силы реакции / крутящего момента достигается с помощью другого специализированного приложения LabVIEW (National Instruments).Оба приложения обеспечивают быстрое управление в реальном времени, обработку сигналов и сбор данных.

Комбинированный анализ движения и обратное динамическое исследование (MAID)

Одиннадцать здоровых взрослых людей (шесть женщин, пять мужчин, возраст = 30,9 ± 9,3 года, вес = 71,8 ± 17,1 кг, рост = 1,77 ± 0,11 м) были обследованы в рамках предметного исследования (разрешение IRB № S-081/2015 Гейдельбергского университета. ). Трехмерный (3D) анализ движения выполнялся с помощью оптоэлектронной системы с 12 камерами (Vicon Motion Systems Ltd., Оксфорд, Англия), работающей на частоте 120 Гц.Протоколом маркеров, используемым в этом исследовании, был набор маркеров для нижней части тела Plugin-Gait (Vicon Motion Systems, Оксфорд, Великобритания) с дополнительными маркерами на грудной клетке субъекта (остистый отросток 7-го шейного позвонка, левый и правый акромион и incisura jugularis). а также на медиальной лодыжке и медиальных мыщелках бедра. Кроме того, две платформы для измерения силы (Kistler Instruments AG, Винтертур, Швейцария) использовались для синхронного сбора кинетических данных при 1080 Гц. Совместная кинематика и совместная кинетика были получены с использованием подхода уравнений обратной динамики с программным обеспечением Plugin-Gait (Vicon Nexus 2.0, Vicon Motion Systems, Оксфорд, Великобритания) после Kadaba et al. и Davis et al. Испытуемые выполняли медленные приседания с углом сгибания колена от 0 ° до 70 ° и приземление на двух ногах в прыжке с высоты 30 см для получения различных наборов данных. Следовательно, были определены движения и положения тазобедренного, коленного и голеностопного суставов с полученными углами сгибания и силами реакции опоры. Эти данные использовались для расчета мышечных сил, действующих на коленный сустав с течением времени, с использованием общей модели опорно-двигательного аппарата для анализа данных движения в OpenSim 3.3 (Delp et al., 2007). Плюсно-фаланговые и подтаранные суставы фиксировались в анатомически нейтральных положениях для всех анализов, как это было недавно сделано другими авторами (O’Connor et al., 2018). Фильтр нижних частот четвертого порядка с нулевой задержкой и частотой среза 10 Гц был применен к силам реакции земли, тогда как фильтр Вольтринга с MSE 10 использовался для сглаживания кинематических данных (Woltring, 1991). Входные данные для модели были созданы с использованием настраиваемых процедур MATLAB (2014b, The MathWorks, Inc., Натик, Массачусетс, США), основанных на сценариях MATLAB для обработки данных из simtk.org. Модель была масштабирована до размеров каждого испытуемого на основе статического испытания. Обратная кинематика и обратная динамика были выполнены для расчета суставных углов и суставных моментов. Мышечные силы рассчитывались с использованием статической оптимизации.

In vitro Исследование

После оттаивания в течение ночи кожа и мышцы девяти образцов трупного коленного сустава человека (возраст: 61,5 ± 5,5 года, масса тела: 62,3 ± 7,2 кг, индекс массы тела: 21,2 ± 1,0, Science Care, Inc., Феникс, Аризона, США ; Разрешение IRB №300/12, Ульмский университет) были полностью удалены, обнажены бедренная и большеберцовая кость. Проксимальный отдел малоберцовой кости фиксировали к большеберцовой кости с помощью кортикального винта и резецировали на 2 см ниже головки малоберцовой кости. Бедренную и большеберцовую кости разрезали на расстоянии 12 см от коленного сустава и формовали в металлических горшках с использованием полиметилметакрилата (Technovit 4000, Kulzer GmbH, Wehrheim, Германия) (рис. 3C). Суставную капсулу осторожно вскрыли, обнажили надколенник и удалили подколеночную жировую клетчатку. Коронарные мениски были надрезаны спереди и сзади, чтобы можно было вставить чувствительную к давлению фольгу Tekscan (система I-Scan (тип 4000), Tekscan Inc., Бостон, Массачусетс, США) на плато большеберцовой кости для измерения среднего и пикового тибиофеморального контактного давления. Датчик давления был прикреплен к большеберцовой кости спереди и сзади с помощью винта, чтобы минимизировать перемещение датчика во время тестирования.

Рис. 3. (A) Моделирование мышечной силы четырехглавой мышцы с использованием стержня с резьбой, стального троса, компонента со стальными крючками и наконечника. (B) Моделирование мышечной силы подколенного сухожилия и икроножных мышц с помощью стержней с резьбой, дюбелей и стальных тросов. (C) Образец закреплен в динамическом имитаторе коленного сустава с помощью цилиндрических металлических горшков, одноосных датчиков нагрузки для измерения мышечных сил, чувствительной к давлению фольги для измерения тибиофеморального контактного давления и систем координат с оптическими маркерами для измерения кинематики.

Из-за больших мышечных сил до 1000 Н, действующих на образцы коленного сустава, необходима жесткая фиксация стальных тросов в местах анатомического введения. Поэтому для моделирования передних мышц бедра в месте прикрепления сухожилия надколенника на бугорке большеберцовой кости просверливали отверстие, а затем вставляли стержень с резьбой и закрепляли контргайкой.Кроме того, в надколеннике просверливали два отверстия, к стержню с резьбой прикрепляли стальной трос, который пропускали через эти два отверстия. Чтобы обеспечить направление надколенника во время движения, под надколенником внутри стальных тросов устанавливали наконечник (Carl Stahl Technocables GmbH, Зюссен, Германия) (рис. 3A). Над надколенником был закреплен компонент с тремя стальными крючками на болтах для установления связи между анатомическим местом введения и одноосными датчиками нагрузки и пневматическими приводами.Моделирование мышц подколенного сухожилия также выполнялось с использованием стержней с резьбой в анатомических местах прикрепления мышц (рис. 3В). M. biceps femoris вставляется в головку малоберцовой кости, M. semitendinosus вставляется в подушечку anserinus на медиальном бугорке большеберцовой кости, а полуперепончатые мышцы вставляются в медиальный мыщелок большеберцовой кости. Для моделирования икроножных мышц (M. gastrocnemius medialis, M. gastrocnemius lateralis) использовались дюбели, которые крепились в исходных точках на медиальном и латеральном мыщелках бедренной кости (рис. 3B).Все стальные тросы дополнительно направлялись с помощью самоустанавливающихся поворотных устройств, чтобы обеспечить наилучшую анатомическую линию действия. На протяжении всего процесса подготовки и всех тестов образцы коленных суставов увлажняли физиологическим раствором.

После подготовки образцы коленного сустава фиксировали в вертикальном положении в имитаторе коленного сустава с помощью цилиндрических металлических горшков (рис. 3С). Кроме того, пневматические приводы были подключены к стальным тросам и датчикам одноосной силы (рис. 3C).На первом этапе и для предварительной подготовки образца коленного сустава выполнялось медленное приседание без моделирования мышечной силы. Образец коленного сустава сгибали от 10 ° до 70 ° и вытягивали назад до 10 ° при скорости сгибания 5 ° / с. Это движение было повторено с моделированием мышечной силы в соответствии с целевыми мышечными силами, полученными в исследовании MAID. Наконец, мы смоделировали движение приземления в прыжке с моделированием мышечной силы, во время которой образец изгибался от 10 ° до 50 ° со скоростью ~ 180 ° / с и вытягивался назад от 50 ° до 10 ° со скоростью ~ 120 ° / с. s (см. дополнительное видео).Ускорение и замедление бедра при сгибании было установлено на 2,5 м / с ² , а при разгибании — на 1,5 м / с ² . Выполненное испытуемыми прыжковое приземление (исследование MAID) длилось 420 мс.

Перед запуском моделирования приземления в прыжке были приложены силы предварительной нагрузки от 50 до 300 Н для стабилизации коленного сустава. Во время медленных приседаний и приземления в прыжке непрерывно регистрировалось тибиофеморальное контактное давление (K-Scan ™, Tekscan Inc.). Кинематика коленного сустава регистрировалась с помощью системы 3D-камер на основе маркеров (Optitrack, NaturalPoint, Inc., Штат Орегон, США). Во время приземления в прыжке сила реакции земли и приложенные мышечные силы дополнительно регистрировались с частотой дискретизации 1 кГц с использованием специально разработанного программного обеспечения LabVIEW (National Instruments).

Статистический анализ

Коэффициент корреляции Браве-Пирсона (R) использовался для сравнения фактических и целевых значений (MAID) силы реакции земли и приложенных мышечных сил во время приземления в прыжке. Значения> 0,5 коэффициентов множественной корреляции показывают умеренную взаимосвязь, а значения> 0.8 показывают сильную линейную зависимость. Гауссовское распределение тибиофеморального пика и данных распределения среднего давления с использованием теста Шапиро-Уилка (Shapiro and Wilk, 1965) привело к нормально распределенным данным. Поэтому для сравнения среднего и пикового тибиофеморального контактного давления между медленным приседанием с имитацией мышечной силы и без нее и приземлением с прыжком с падением с имитацией мышечной силы латерального и медиального отсек соответственно.Различия в медиальном и латеральном тибиофеморальном контактном давлении исследовали с помощью парного теста Стьюдента t . Пакет статистического программного обеспечения (SPSS V24. IBM Corp., Армонк, США) использовался для проведения статистического анализа, в то время как значение p <0,05 считалось значимым, и при необходимости применялась стандартная поправка Бонферрони.

Результаты

Мышечная сила

Все смоделированные средние фактические мышечные силы и целевые мышечные силы, полученные в исследовании MAID, представлены как функция цикла движения для прыжкового приземления (Рисунок 4).Целевая сила M. Wastus lateralis увеличилась в течение 80 мс до максимального значения 1050 Н. Моделируемая мышечная сила была на ~ 15% ниже с задержкой ~ 60 мс, что привело к корреляции R = 0,72. Целевая сила медиальной мышцы бедра увеличилась в пределах 120 мс до 480 Н, тогда как смоделированная мышечная сила была на ~ 10% ниже с задержкой 60 мс (R = 0,85). Целевая сила мышц M. Wastus Intermedius и M. rectus femoris увеличилась до 580 Н в течение 100 мс. Моделирование этой группы мышц было на ~ 12% ниже с задержкой 40 мс (R = 0.92). Целевые значения мышц подколенного сухожилия (M. biceps femoris, M. semitendinosus / M. semimembranosus) и икроножных мышц (M. gastrocnemius medialis, M. gastrocnemius lateralis) составляли от 0 до 200 Н, что приводило к корреляции R = 0,48, R = 0,52, R = 0,71 и R = 0,68 соответственно.

Рисунок 4 . Моделирование мышечной силы — сравнение фактических (средние значения) и целевых мышечных сил (полученных в исследовании MAID) в зависимости от цикла движения (продолжительность: 540 мс) во время приземления в прыжке для M.Вастус латеральный, М. Вастус medialis, М. Вастус промежуточный / М. rectus femoris, М. biceps femoris, М. semitendinosus / М. semimembranosus, M. gastrocnemius medialis и M. gastrocnemius lateralis ( n = 9).

Сухопутные силы реагирования

Что касается силы реакции земли в вертикальном направлении во время прыжкового приземления, была определена сильная корреляция (R = 0,93) между средним фактическим значением и целевым значением (Рисунок 5). В начале движения вертикальная сила реакции опоры на опору достигла значений ~ 100 Н из-за ранее описанных сил смещения мышц.В дальнейшем были созданы силы до 860 Н.

Рисунок 5 . Вертикальная сила реакции грунта — сравнение фактических (среднее значение, синяя линия) со стандартным отклонением (огибающая, голубые линии) и целевых сил реакции грунта (измеренных во время исследования MAID, зеленая линия) в зависимости от цикла движения (продолжительность : 540 мс) ( n = 9).

Контактное давление в колене

Данные о среднем и пиковом контактном давлении для медленного приседания без и с имитацией мышечной силы, а также для прыжкового приземления для медиального и латерального коленных отделов представлены на Рисунке 6 соответственно.Однофакторный дисперсионный анализ показал значительную разницу ( p <0,001) для всех измерений среднего и пикового давления. Тестирование LSD post-hoc выявило значительное увеличение среднего и пикового контактного давления в медиальном и латеральном отделах между медленным приседанием без моделирования мышечной силы и медленным приседанием с моделированием мышечной силы ( p <0,04) и приземлением в прыжке. с моделированием мышечной силы ( p <0,001). Пиковые контактные давления не различались ( p > 0.187) при сравнении медленного приседания с симуляцией мышечной силы и приземления с прыжком с симуляцией мышечной силы. Расчеты среднего контактного давления показали значительно более высокие значения для прыжкового приземления ( p <0,001) по сравнению с медленным приседанием с моделированием мышечной силы. Сравнение медиального и латерального пика и среднего контактного давления не показало разницы ( p > 0,067) между отделениями.

Рисунок 6 . Среднее и пиковое контактное давление (среднее ± стандартное отклонение) в медиальном и латеральном отделах для медленного приседания без имитации мышечной силы, медленного приседания с имитацией мышечной силы и упражнения приземления с прыжком.* p ≤ 0,05 ( n = 9).

Кинематика

Во время медленных приседаний было определено внешнее вращение большеберцовой кости между ~ 6 ° и 12 ° (рис. 7), что отражает типичный винтовой возвратный механизм, возникающий между разгибанием колена и положением сгибания 30 °.

Рисунок 7 . Примерное внешнее вращение большеберцовой кости в зависимости от угла сгибания колена во время медленного приседания с имитацией мышечной силы.

Обсуждение

В рамках настоящего исследования был разработан новый симулятор коленного сустава, который сравнил с in vivo испытуемые данные по силе реакции опоры и мышечным силам.Можно было показать, что этот тренажер может применять быстрые движения 145 ° / с в сочетании с симуляцией физиологической мышечной силы к образцам коленного сустава, что приводит к реалистичным силам реакции земли. Таким образом, насколько нам известно, этот тренажер для коленного сустава является первым тренажером, который может имитировать прыжковые движения при приземлении с физиологическими нагрузками на суставы и кинематикой.

Доказательство концепции имитатора коленного сустава было выполнено путем исследования силы реакции опоры в вертикальном направлении и тибио-бедренного контактного давления.Кроме того, была проанализирована кинематика колена, чтобы гарантировать свободное движение.

Сила реакции опоры является важной мерой нагрузки на конечность (Задпур, Никоян, 2011). В настоящем исследовании можно было показать, что во время моделирования прыжкового приземления для этой когорты может быть создана почти физиологическая сила реакции земли в вертикальном направлении с R = 0,93. Эта физиологическая сила реакции земли во время прыжкового приземления может быть достигнута, несмотря на частично не идеально смоделированные мышечные силы.В деталях, моделирование мышечной силы для четырехглавых мышц-разгибателей (M. Wastus Lateralis, M. Wastus medialis, M. Wastus Intermedius / M. rectus femoris) показало хорошие корреляции (R = 0,72–0,92) между мышечными силами, полученными из MAID исследование и смоделированные мышечные силы. В свою очередь, из-за инерции пневматических приводов имитировать подколенные сухожилия и икроножные мышцы было труднее. Однако коэффициенты Браве-Пирсона для этих симуляций мышечной силы по-прежнему показали приемлемый коэффициент в диапазоне R = 0.48–0,71. Кроме того, мы полагаем, что это не повлияло существенно на результирующую силу коленного сустава. Эти мышечные силы действуют на гораздо более низком уровне силы, чем, например, мышцы-разгибатели (рис. 4), и, таким образом, вносят меньший вклад в стабилизацию коленного сустава во время прыжка при приземлении, чем мышцы-разгибатели (Baratta et al., 1988; Урабе и др., 2005). Тем не менее, чтобы улучшить моделирование сил мышц-сгибателей в будущих исследованиях, необходимо усовершенствовать систему контроля давления воздуха.

Что касается тибиофеморального контактного давления, исследования уже показали, что контактное давление в коленном суставе значительно увеличивается с увеличением осевых нагрузок даже при статическом положении колена (Poh et al., 2012; Geeslin et al., 2016). Зейтц и др. и Perez-Blanca et al. определили пиковое контактное давление ~ 3 МПа при приложении осевой нагрузки 1000 Н (Seitz et al., 2012; Perez-Blanca et al., 2016). Ли и др. определили пиковое контактное давление 4,2 МПа в медиальном отделе при осевой нагрузке 1800 Н при угле сгибания колена 60 ° (Lee et al., 2006). Это пиковое значение немного ниже, но находится на том же уровне, что и давление, определенное в настоящем исследовании. Таким образом, можно сделать вывод, что осевая нагрузка, создаваемая мышечными силами во время прыжкового приземления, соответствует осевой нагрузке ≥1800 Н. Далее можно показать, что на основании измерений тибиофеморального контакта передача физиологической нагрузки была достигнута только в случай моделирования мышечной силы, указывающий на соотношение передачи медиального и латерального отсеков ~ 60:40 (Bruns et al., 1993). В свою очередь, без моделирования мышечной силы медиолатеральное распределение нагрузки было случайным. Сравнение квазистатического движения приседа без имитации мышечной силы с имитацией упражнения на приседание с моделированием мышечной силы и прыжком вниз привело к значительному увеличению среднего тибиофеморального и пикового контактного давления. Это подчеркивает важность обеспечения физиологических совместных усилий во время экспериментов in vitro .

Анализ кинематики коленного сустава показал внешнее вращение большеберцовой кости во время моделирования медленного приседания от ~ 6 ° до 12 °, начиная с 25 ° сгибания в настоящем исследовании.Этот типичный винтовой механизм представляет собой непроизвольное пассивное движение, стабилизирующее коленный сустав при разгибании, и вызвано асимметрией между мыщелками бедренной кости и плато большеберцовой кости (Piazza and Cavanagh, 2000). Согласно литературным данным, винтовой механизм начинается между 25 ° и 36 ° сгибания колена и обычно составляет от ~ 5 ° до 12 ° внешнего вращения (Bull et al., 2008; Müller et al., 2009; Sharma et al. ., 2012; Hacker et al., 2016). Наши измерения согласуются с этими выводами, что доказывает неограниченное движение соединенных образцов.

Ограничением имитатора коленного сустава, представленного здесь, является наблюдаемая задержка в 120 мс (28%) при сравнении моделирования движения приземления в прыжке (540 мс) и данных, полученных из предметного исследования MAID (420 мс). Мы предполагаем, что пневматические приводы не смогли достаточно быстро перенастроиться из-за внутреннего контура регулирования давления и инерции пневматических приводов. Тем не менее, со скоростью, используемой для сгибания и разгибания, можно было добиться имитации движения приземления в прыжке почти в реальном времени.Еще одно ограничение заключается в том, что в исследовании MAID использовался набор маркеров Plugin Gait без сложного набора маркеров стопы. Поскольку при захвате движения на основе маркеров недостаточно разрешения для получения точности, необходимой для отслеживания плюснефаланговых и подтаранных суставов, особенно при наличии всего нескольких маркеров на стопе, сохранение этих степеней свободы в пределах разумного.

В заключение, представленное здесь устройство может использоваться, в частности, для моделирования динамических упражнений с быстрыми движениями в сочетании с физиологическими мышечными силами, возникающими в повседневной жизни.Например, на сегодняшний день доступны только данные о менисковых нагрузках и их приложениях в результате статических или квазистатических испытаний и условий нагружения. В будущем можно будет исследовать нагрузки на мениски и их крепления в условиях физиологических движений и мышечных сил. Другие структуры, включая крестообразные и коллатеральные связки и хрящи, также могут быть исследованы в таких условиях. Симулятор коленного сустава может быть расширен, чтобы в будущем включить в него другие модели движений.Следовательно, можно будет исследовать возникающие вопросы, особенно в области травм коленного сустава и оптимизации реабилитации.

Заявление о доступности данных

Наборы данных, созданные для этого исследования, доступны по запросу соответствующему автору.

Заявление об этике

Исследования с участием людей были рассмотрены и одобрены Ethikkommission Universität Ulm и Ethikkommission Universität Heidelberg. Пациенты / участники предоставили письменное информированное согласие на участие в этом исследовании.

Авторские взносы

FS разработал тренажер коленного сустава. SD и SW выполнили анализ движения и исследование обратной динамики. FS и SH выполнили и оценили контрольные испытания. FS и AS провели статистический анализ. FS, AS и LD составили черновик статьи и нарисовали рисунки. AS, AI и LD участвовали в процессе доработки статьи и окончательно одобрили представленную версию.

Финансирование

Эта работа финансировалась Немецким исследовательским фондом (DFG DU254 / 8-1).Финансирование публикации в открытом доступе предоставлено Немецким обществом биомеханики.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fbioe.2019.00244/full#supplementary-material

Дополнительное видео. Видео тренажера, выполняющего упражнение по приземлению в прыжке.

Список литературы

Ахмад, С. С., Квак, С. Д., Атешян, Г. А., Уорден, В. Х., Стедман, Дж. Р., и Моу, В. К. (1998). Влияние адгезии сухожилия надколенника к передней большеберцовой кости на механику колена. Am. J. Sports Med. 26, 715–724. DOI: 10.1177 / 03635465980260051901

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бах, Дж. М., и Халл, М. Л. (1995). Новая система приложения нагрузки для исследования in vitro связочных травм коленного сустава человека. J. Biomech. Eng-T Asme 117, 373–382. DOI: 10.1115 / 1.2794195

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Баратта Р., Соломонов М., Чжоу Б. Х., Летсон Д., Чуинар Р. и Д’Амброзия Р. (1988). Мышечная коактивация. Роль мускулатуры антагониста в поддержании стабильности колена. Am. J. Sports Med. 16, 113–122. DOI: 10.1177 / 036354658801600205

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Борн, Р., Гудфеллоу, Дж., И О’Коннор, Дж. (1978). Функциональный анализ различных артропластик коленного сустава. Пер. Ортоп. Res. Soc . 24: 160.

Google Scholar

Брунс, Дж., Фолькмер, М., и Люссенхоп, С. (1993). Распределение давления в коленном суставе — влияние варусного и вальгусного отклонения без и с рассечением связок. Arch. Ортоп. Trauma Surg. 113, 12–19. DOI: 10.1007 / BF00440588

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бык, А.М., Кесслер, О., Алам, М., и Эмис, А. А. (2008). Изменения кинематики коленного сустава отражают геометрию сустава после артропластики. Clin. Ортоп. Relat. Res. 466, 2491–2499. DOI: 10.1007 / s11999-008-0440-z

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Черчилль, Д. Л., Инкэво, С. Дж., Джонсон, К. К. и Бейннон, Б. Д. (1998). Ось трансепикондилярной кости приблизительно соответствует оптимальной оси сгибания колена. Clin. Ортоп. Relat. Res. 111–118.DOI: 10.1097 / 00003086-199811000-00016

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Делп, С. Л., Андерсон, Ф. К., Арнольд, А. С., Ссуда, П., Хабиб, А., Джон, К. Т. и др. (2007). OpenSim: программное обеспечение с открытым исходным кодом для создания и анализа динамических симуляций движения. IEEE Trans. Биомед. Англ. 54, 1940–1950. DOI: 10.1109 / TBME.2007.

4

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дирманн, Н., Шумахер, Т., Шанц, С., Рашке, М. Дж., Петерсен, В., и Зантоп, Т. (2009). Ротационная нестабильность колена: внутренняя ротация большеберцовой кости при испытании на имитацию смещения шарнира. Arch. Ортоп. Травма. Surg . 129, 353–358. DOI: 10.1007 / s00402-008-0681-z

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Dürselen, L., Claes, L., and Kiefer, H. (1995). Влияние мышечных сил и внешних нагрузок на деформацию крестообразных связок. Am. J. Sports Med. 23, 129–136. DOI: 10.1177/036354659502300122

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Элиас, Дж. Дж., Кумагаи, М., Митчелл, И., Мизуно, Ю., Маттессич, С. М., Уэбб, Дж. Д. и др. (2002). Кинематические модели in vitro аналогичны для фиксированной платформы и протеза с подвижной опорой. J. Артропластика 17, 467–474. DOI: 10.1054 / арт.2002.31082

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гислин, А.Г., Чивитарезе, Д., Тернбулл, Т.Л., Дорнан, Г. Дж., Фусо, Ф. А., и ЛаПрейд, Р. Ф. (2016). Влияние бокового отрыва заднего корня мениска и мениско-бедренной связки на механику тибио-бедренного контакта. Коленная хирургия. Sports Traumatol. Arthrosc. 24, 1469–1477. DOI: 10.1007 / s00167-015-3742-1

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гилл, Т. Дж., Дефрейт, Л. Э., Ван, К., Кэри, К. Т., Зайонц, С., Заринс, Б. и др. (2003). Биомеханическое влияние реконструкции задней крестообразной связки на функцию коленного сустава.Кинематическая реакция на моделируемые мышечные нагрузки. Am. J. Sports Med. 31, 530–536. DOI: 10.1177 / 03635465030310040901

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Голдсмит, М. Т., Янссон, К. С., Смит, С. Д., Энгебретсен, Л., ЛаПрейд, Р. Ф., и Вейдикс, К. А. (2013). Биомеханическое сравнение анатомических реконструкций передней крестообразной связки с одним и двумя пучками: исследование in vitro . Am. J. Sports Med. 41, 1595–1604.DOI: 10.1177 / 0363546513487065

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хакер, С. П., Игнатий, А., Дюрселен, Л. (2016). Влияние тестовой установки на кинематику коленного сустава — метаанализ ротации большеберцовой кости. J. Biomech. 49, 2982–2988. DOI: 10.1016 / j.jbiomech.2016.07.025

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Heinrichs, C.H., Knierzinger, D., Stofferin, H., and Schmoelz, W. (2017).Валидация нового биомеханического испытательного стенда для коленного сустава с шестью степенями свободы. Biomed. Eng . 63, 709–717. DOI: 10.1515 / bmt-2016-0255

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хирокава, С., Соломонов, М., Луо, З., Лу, Ю., и Д’Амброзия, Р. (1991). Сокращение мышц и контроль устойчивости колена. J. Electromyogr. Кинезиол. 1, 199–208. DOI: 10.1016 / 1050-6411 (91)

-4

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хофер, Дж.К., Геджо, Р., МакГарри, М. Х., и Ли, Т. К. (2011). Влияние на биомеханику тибио-бедренной кости при стоянии на коленях. Clin. Биомех. 26, 605–611. DOI: 10.1016 / j.clinbiomech.2011.01.016

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Киапур, А. М., Деметропулос, К. К., Киапур, А., Куатман, К. Э., Вордеман, С. К., Гоэль, В. К. и др. (2016). Деформационная реакция передней крестообразной связки на одноплоскостные и многоплоскостные нагрузки во время имитации приземления: последствия для механизма травмы. Am. J. Sports Med. 44, 2087–2096. DOI: 10.1177 / 0363546516640499

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кигучи К., Фукуда Т., Кога Ю., Ватанабэ Т., Терадзима К., Хаяси Т. и др. (1999). Разработка физиологического тренажера движения колена. ADV Robotics 13, 171–188. DOI: 10.1163 / 156855399X01071

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кумагаи, М., Мизуно, Ю., Маттессич, С. М., Элиас, Дж. Дж., Косгареа, А. Дж., И Чао, Э. Ю. (2002). Разрыв задней крестообразной связки изменяет кинематику коленного сустава in vitro . Clin. Ортоп. Relat. Res. 395, 241–248. DOI: 10.1097 / 00003086-200202000-00029

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, С. Дж., Аадален, К. Дж., Малавия, П., Лоренц, Э. П., Хайден, Дж. К., Фарр, Дж. И др. (2006). Механика тибиофеморального контакта после серийных медиальных менискэктомий трупного колена человека. Am. J. Sports Med. 34, 1334–1344. DOI: 10.1177 / 0363546506286786

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, Г., Гилл, Т. Дж., ДеФрейт, Л. Е., Зайонц, С., Глатт, В., и Заринс, Б. (2002). Биомеханические последствия дефицита PCL в колене при моделировании мышечной нагрузки — экспериментальное исследование in vitro . J. Orthop. Res. 20, 887–892. DOI: 10.1016 / S0736-0266 (01) 00184-X

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, Г., Руди, Т. В., Сакане, М., Канамори, А., Ма, С. Б. и Ву, С. Л. Й. (1999). Важность нагрузки на четырехглавую мышцу и подколенное сухожилие для кинематики колена приводит к тому, что силы in-situ в ACL. J. Biomech. 32, 395–400. DOI: 10.1016 / S0021-9290 (98) 00181-X

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ливси, Г. А., Руди, Т. В., Ву, С. Л., Рунко, Т. Дж., Сакане, М., Ли, Г. и др. (1997). Оценка влияния ограничений на суставы на распределение силы in situ в передней крестообразной связке. J. Orthop. Res. 15, 278–284. DOI: 10.1002 / jor.1100150218

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ло, Дж., Мюллер, О., Вюншель, М., Бауэр, С., и Вюлькер, Н. (2008). Силы в передней крестообразной связке при моделировании сгибания под нагрузкой с передней и внутренней ротационной нагрузкой на большеберцовые кости. J. Biomech. 41, 1855–1861. DOI: 10.1016 / j.jbiomech.2008.04.010

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лоренц, А., Rothstock, S., Bobrowitsch, E., Beck, A., Gruhler, G., Ipach, I., et al. (2013). Характеристика поверхности хряща по рассеиваемой энергии трения во время сгибания коленного сустава с осевой нагрузкой — модель овцы in vitro. J. Biomech. 46, 1427–1432. DOI: 10.1016 / j.jbiomech.2013.03.009

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мюллер, О., Ло, Дж., Вюншель, М., Обло, К., и Вюлькер, Н. (2009). Моделирование движений колена под нагрузкой в ​​недавно разработанном имитаторе коленного сустава in vitro. Biomedizinische Technik 54, 142–149. DOI: 10.1515 / BMT.2009.015

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

О’Коннор, Дж. Д., Резерфорд, М., Беннет, Д., Хилл, Дж. К., Беверленд, Д. Э., Данн, Н. Дж. И др. (2018). Длительная нагрузка на бедро у пациентов с односторонним полным протезированием бедра не отличается для конечностей или по сравнению со здоровым контролем при одинаковой скорости ходьбы. J. Biomech. 80, 8–15. DOI: 10.1016 / j.jbiomech.2018.07.033

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Омори, Г., Кога, Ю., Бехтольд, Дж. Э., Густило, Р. Б., Накабе, Н., Сасагава, К. и др. (1997). Контактное давление и трехмерное отслеживание неизолированной надколенника при тотальном эндопротезировании коленного сустава. Колено 4, 15–21. DOI: 10.1016 / S0968-0160 (96) 00230-X

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Перес-Бланка, А., Эспехо-Баэна, А., Амат Трухильо, Д., Прадо Новоа, М., Эспехо-Рейна, А., Кинтеро Лопес, К. и др. (2016). Сравнительное биомеханическое исследование контактных изменений после отрыва заднего корня бокового мениска, чрескостного повторного введения и тотальной менискэктомии. Артроскопия 32, 624–633. DOI: 10.1016 / j.arthro.2015.08.040

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пьяцца, С. Дж., И Кавана, П. Р. (2000). Измерение возврата колена в исходное положение чувствительно к ошибкам совмещения осей. J. Biomech. 33, 1029–1034. DOI: 10.1016 / S0021-9290 (00) 00056-7

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

По, С. Ю., Ю, К. С., Вонг, П. Л., Кох, С. Б., Чиа, С. Л., Фук-Чонг, С. и др. (2012). Роль передней межменисковой связки в механике тибио-бедренного контакта при нагрузке на осевой сустав. Колено 19, 135–139. DOI: 10.1016 / j.knee.2010.12.008

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Руди, Т. В., Ливси, Г. А., Ву, С. Л. и Фу, Ф. Х. (1996). Комбинированный роботизированный / универсальный подход к датчику силы для определения силы связок колена на месте. J. Biomech. 29, 1357–1360.DOI: 10.1016 / 0021-9290 (96) 00056-5

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Зейтц, А. М., Любомерский, А., Фримерт, Б., Игнатиус, А., и Дюрселен, Л. (2012). Влияние частичной менискэктомии на медиальном заднем роге на механику тибио-бедренного контакта и деформации менискового кольца в коленях человека. J. Orthop. Res. 30, 934–942. DOI: 10.1002 / jor.22010

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шапиро, С.С., и Уилк, М. Б. (1965). Анализ дисперсии теста на нормальность (полные выборки). Биометрика 52, 591–611. DOI: 10.1093 / biomet / 52.3-4.591

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шарма Г. Б., Саеварссон С. К., Амири С., Монтгомери С., Рамм Х., Личти Д. Д. и др. (2012). Радиологический метод измерения пателлофеморального отслеживания и кинематики большеберцовой кости до и после тотального эндопротезирования коленного сустава. Bone Joint Res. 1, 263–271. DOI: 10.1302 / 2046-3758.110.2000117

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шумейкер, С. К., Адамс, Д., Дэниел, Д. М., и Ву, С. Л. (1993). Взаимодействие переднего крестообразного трансплантата четырехглавой мышцы — исследование кинематики сустава и натяжения трансплантата передней крестообразной связки in vitro. Clin. Ортоп. Relat. Res. 294, 379–390. DOI: 10.1097 / 00003086-199309000-00054

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Stukenborg-Colsman, C., Ostermeier, S., Hurschler, C., и Wirth, C.J. (2002a). Контактное напряжение большеберцовой кости после тотального эндопротезирования коленного сустава: сравнение конструкций вкладок с фиксированным и подвижным вкладышами. Acta Orthop. Сканд. 73, 638–646. DOI: 10.3109 / 174536702028

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стукенборг-Колсман, К., Остермайер, С., Венгер, К. Х., и Вирт, К. Дж. (2002b). Относительное движение вкладки подвижного подшипника после тотального эндопротезирования коленного сустава — динамическое исследование in vitro . Clin. Биомех. 17, 49–55. DOI: 10.1016 / S0268-0033 (01) 00103-6

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Торзилли П. А., Дэн Х. Х. и Уоррен Р. Ф. (1994). Влияние сжимающей нагрузки на сустав и силы четырехглавой мышцы на движение колена в неповрежденном колене и колене с разрезом передней крестообразной связки. Am. J. Sports Med. 22, 105–112. DOI: 10.1177 / 036354659402200117

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Урабе, Ю., Кобаяси, Р., Сумида, С., Танака, К., Йошида, Н., Нишиваки, Г.А., и др. (2005). Электромиографический анализ колена при прыжке с места у спортсменов мужского и женского пола. Колено 12, 129–134. DOI: 10.1016 / j.knee.2004.05.002

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Виктор, Дж., Вонг, П., Витвроу, Э., Слотен, Дж. В., и Беллеманс, Дж. (2009). Насколько изометричны медиальная пателлофеморальная, поверхностная медиальная коллатеральные и боковые коллатеральные связки колена? Am.J. Sports Med. 37, 2028–2036. DOI: 10.1177 / 0363546509337407

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Витроу, Т. Дж., Хьюстон, Л. Дж., Войтис, Э. М., и Эштон-Миллер, Дж. А. (2006). Влияние импульсного вальгусного момента колена на относительную деформацию ПКС in vitro во время имитации приземления в прыжке. Clin. Биомех. 21, 977–983. DOI: 10.1016 / j.clinbiomech.2006.05.001

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вольтринг, Х.Дж. (1991). Представление и расчет трехмерного движения сустава. Hum. Mov. Sci. 10, 603–616. DOI: 10.1016 / 0167-9457 (91) -3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Задпур А.А., Никоян А.А. (2011). Связь между стрессовыми переломами нижних конечностей и силой реакции опоры: систематический обзор. Clin. Биомех. 26, 23–28. DOI: 10.1016 / j.clinbiomech.2010.08.005

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Как правильно разгибать бедра в тренажере? — AAFS

Главная »Как правильно разгибать бедра в тренажере?

Разгибание бедер в тренажере — отличное упражнение, которое позволяет прорабатывать ягодичные мышцы без использования квадрицепсов.Чаще его выполняют девушки, так как большинство женщин не заинтересованы в увеличении объема ног. Мужчины обычно работают над нижней частью тела с помощью базовых упражнений, но могут использовать разгибание бедра для улучшения качества мышц.

Какие мышцы работают во время упражнения?

Как я уже сказал, упражнение на разгибание бедра максимально воздействует на ягодицы, снимая нагрузку с четырехглавой мышцы.

• Большая ягодичная мышца нацелена, а подколенные сухожилия получают дополнительную нагрузку

• Некоторые тренажеры позволяют зафиксировать положение тела, положив живот и грудь на специальную полку.Такой вариант делает нагрузку максимально изолированной. Если держаться за опору, стоя на одной ноге, а другой ногой качать, в работу будут задействованы мышцы-стабилизаторы.

• Рабочая нога должна следовать четко определенным путем. Кому-то это нравится, а кому-то может быть неудобно

Техника упражнений

Вы можете выполнять упражнение на разгибание бедра в кроссовере. Трос нижнего блока нужно натянуть ногой, а руками держаться за опору.Однако мы уже описывали это упражнение, поэтому сейчас рассмотрим технику выполнения упражнения на другом тренажере.

Есть спортивные тренажеры, на которые вы опираетесь тыльной стороной голени на специальный валик и отводите ногу назад, преодолевая сопротивление. Есть также машины, в которых вы толкаете платформу или ролик прямо ногой. Целевые группы мышц в обоих случаях одинаковы, но нагрузка смещена.

Положение тела при выполнении упражнения также может отличаться.Начиная с полностью вертикального положения и заканчивая положением лежа. Объем движений в тазобедренном суставе зависит от наклона тела. Чем ближе положение тела к горизонтали, тем больше амплитуда (махи ногами шире), и, соответственно, упражнение эффективнее.

Упражнение на разгибание бедра в тренажере должно выполняться следующим образом:

• Принять исходное положение. Встаньте на опорную ногу, зафиксировав туловище и руки в нужном положении.В зависимости от машины вы будете либо стоять, опираясь руками на опоры, либо лечь животом на специальную полку. Сохраняется естественный прогиб в пояснице (не нужно сильно выгибать спину). Слегка согните рабочую ногу в колене.

• Далее нужно отвести рабочую ногу назад за счет ягодичных мышц. Это очень важный момент, на котором нужно сосредоточиться.

• Если вы отталкиваете груз, надавите на него пяткой, не поднимая носка.Если вы толкаете валик тыльной стороной голени, укоротите стопу, то есть нога отодвинется пяткой назад.

• Нога все время остается слегка согнутой в коленях. Выпрямите его только в конечной точке, чтобы увеличить вес.

• Удерживая верхнюю точку 1-2 секунды, вернитесь в исходное положение.

Кроме того, упражнения со спиной можно выполнять без специального оборудования.Просто встаньте с опорой коленом на горизонтальную скамью (она есть в любом спортзале), руки перед собой. Следует опустить рабочую ногу со скамьи. Затем согните его в коленях до удобного положения. Техника выполнения упражнения осталась прежней. Не забывайте использовать веса для увеличения нагрузки.

Особенности разгибания бедра

Хочу сказать несколько слов об использовании упражнения на разгибание бедра в различных тренировочных программах.

Следует брать такой вес, который позволит вам правильно сделать 2–3 подхода по 12–15 повторений на каждую сторону.Выполняя разгибания бедра или махи, вы должны помнить, что техника и количество повторений более важны. Ваш рабочий вес должен давать вам полный контроль над ним. В противном случае все усилия аннулируются.

Девушки обычно используют упражнение на разгибание бедер как основное, если нет цели максимально проработать квадрицепсы или если уровень физической подготовки еще не высок.

Упражнение на разгибание бедра лучше всего выполнять в конце тренировки, если вы хорошо подготовлены и у вас достаточно мышц в нижней части тела.Таким образом, вы сможете проработать большую ягодичную мышцу после выполнения базовых упражнений.

Мужчинам в качестве дополнительного упражнения рекомендуется разгибание бедер или махи спиной. Во время упражнения происходит некоторое растяжение мышц, что в дальнейшем приводит к более выраженной гипертрофии.

Урок 2 — Моделирование и анализ операции по пересадке сухожилия — Документация OpenSim

Учебное пособие, приведенное ниже, предназначено для использования с OpenSim версии 4.0 и новее.Версия учебника, совместимая с OpenSim версии 3.3, доступна здесь.

I. Цели

Цель

Цель этого руководства — продемонстрировать, как можно использовать скелетно-мышечные модели для изучения ортопедических хирургических методов, и проиллюстрировать, как плечо момента силы мышц, оптимальная длина мышечных волокон и длина провисания сухожилий влияют на изменение мышечная сила по отношению к изменениям угла сустава. В этом руководстве вы:

• Познакомитесь с моделью запястья и редактором свойств OpenSim
• Моделируйте операцию по пересадке сухожилия
• Изучите влияние операции на момент сустава, мышечную силу и мышечный момент руки
• Изучите влияние длины провисания сухожилий на изометрическую силу мышц

Формат

В каждом разделе учебного пособия вы познакомитесь с определенными инструментами в графическом интерфейсе OpenSim и попросите ответить на несколько вопросов.Заголовки меню и названия опций, которые вы должны выбрать, и любые команды, которые вы должны ввести для запуска OpenSim, будут выделены полужирным шрифтом . На вопросы можно ответить, основываясь на информации из OpenSim и базовых знаниях опорно-двигательного аппарата человека. По мере прохождения каждого раздела учебника не стесняйтесь самостоятельно исследовать OpenSim и модель запястья. В зависимости от того, насколько вы исследуете, это руководство займет около 1-2 часов.

II. Скелетно-мышечная модель запястья

В этом разделе вы загрузите модель запястья человека [1] и изучите его движения.Затем вы изучите мышцы запястья и их функции.

• Щелкните меню File и выберите Open Model.

• Найдите папку Models, которая находится в папке Documents на ПК, например, Documents \ OpenSim \ 4.0 \ Models, или вашу папку Documents на Mac, например Documents / OpenSim / 4.0 / Models. Примечание: При первом запуске OpenSim по умолчанию для установки файлов моделей и сценариев используются папки с документами, y у вас есть выбор, чтобы изменить папку, в которую вы хотите установить эти файлы .

• Откройте папку WristModel , выберите файл wrist.osim и щелкните Открыть .

Используйте ползунки координат для исследования модели запястья. В частности, ознакомьтесь с запястьем сгибанием и разгибанием и лучево-локтевым отклонением . Важно понимать соглашения об углах для интерпретации графиков, которые вы сделаете позже в этом руководстве.
Примечание. Радиальное отклонение определяется как движение запястья к лучевой кости или в сторону большого пальца. Сгибание запястья определяется как движение запястья, направленное ладонью к предплечью, в то время как разгибание запястья направлено ладонью от предплечья.

В этой модели OpenSim мышцы сгруппированы в зависимости от их функции.

• В навигаторе разверните заголовки Forces и Muscles . С помощью кнопок слева от навигатора (+ или -) с по разверните или сверните заголовок.

• Чтобы скрыть все мышцы в модели, щелкните правой кнопкой мыши на заголовке группы мышц all , затем выберите Display> Hide .

• Чтобы показать сгибателей группы мышц, щелкните правой кнопкой мыши на заголовке сгибателей , затем выберите Display> Show . Теперь единственными отображаемыми мышцами должны быть сгибатели запястья. Чтобы скрыть сгибатели запястья, снова щелкните правой кнопкой мыши на заголовке сгибателей и выберите Показать> Скрыть .Вы можете увидеть, какие мышцы входят в группу сгибателей, по , развернув в списке.

• Повторите те же шаги, чтобы отобразить по отдельности разгибатели , радиальные девиаторы и локтевые отклонения девиаторы группы мышц.

Вопросы

1. Какое движение выражается в положительных углах: сгибание запястья или разгибание запястья?

2. Какое движение выражается в положительных углах: радиальное отклонение или локтевое отклонение?

3.Каковы функции мышцы Extensor Carpi Ulnaris (ECU)? Отметьте или обведите все подходящие варианты.
Ο разгибание запястья Ο сгибание запястья Ο радиальное отклонение Ο локтевое отклонение Ο разгибание бедра

4. Каковы функции Extensor Carpi Radialis Brevis (ECRB)? Отметьте или обведите все подходящие варианты.
Ο разгибание запястья Ο сгибание запястья Ο радиальное отклонение Ο локтевое отклонение Ο разгибание бедра

III.Моделирование переноса сухожилия

Повреждение спинного мозга на уровне шейного отдела позвоночника приводит к потере функции руки. У некоторых пациентов способность захватывать и отпускать предметы может быть восстановлена ​​посредством электрической стимуляции парализованных мышц, называемой функциональной электрической стимуляцией (FES). Однако FES возможен только в тех мышцах, где связь между нервной системой и мышцей остается неизменной внутри мышцы. Во многих случаях мышцы, выполняющие желаемые функции (например,g., сгибание пальца, отведение большого пальца) были повреждены слишком сильно, чтобы реагировать на FES. Кроме того, часто наблюдается потеря равновесия в лучезапястном суставе, в результате чего запястье остается в согнутом и локально искривленном положении [2]. В этих ситуациях выполняется перенос сухожилий, чтобы: i) изменить траекторию мышц, которые действительно реагируют на FES, в места, где они могут улучшить функцию руки, и ii) восстановить более функциональную конфигурацию лучезапястного сустава, чтобы можно было выполнять задачи по захвату и отпусканию. удавшийся.

В этом разделе руководства вы перенесете сухожилие ECU на сухожилие ECRB и оцените механизм, с помощью которого этот перенос сухожилия восстанавливает баланс запястья.

• Отображение передачи группы мышц только , щелкнув правой кнопкой мыши ее заголовок и выбрав Показать> Показать только . Теперь на модели должны быть видны мышечные пути ECU_pre -gery и ECRB .
  Примечание: ECU_pre -gery представляет мышцу ECU до имитации операции по пересадке сухожилия.

• Разверните , перенесите группу мышц и определите каждую мышцу, используя Display> Show Только на каждой.

Чтобы смоделировать операцию, вы отредактируете траектории мышц в окне визуализатора. Каждый конец комплекса мышцы-сухожилия соединяется с костью. В этой модели наиболее проксимальным соединением является исходная точка , а самым дальним соединением является точка вставки .Сначала вы выберете точку вставки мышцы ECU_pre -gery и переместите ее местоположение. Затем вы выполните аналогичную операцию для двух ближайших к нему промежуточных точек. Все промежуточные точки мышц графически представлены в виде маленьких красных сфер на пути мышц и совпадают с «изгибами» на пути мышц.

• Перед редактированием модели перейдите в меню Файл выберите Сохранить модель как … . Сохраните текущую модель как wrist_TendonSurgery.osim .

• После этого щелкните правой кнопкой мыши на имени Wrist_Model в окне OpenSim Navigator и выберите « Переименовать … ». Переименуйте модель в «Wrist_Model_Tendon_Surgery».

• Чтобы вернуть модель в позу по умолчанию, щелкните Позы> По умолчанию в окне «Координаты».

• Чтобы просмотреть свойства мышц, щелкните на ECU_pre -gery имени мышцы в навигаторе.Параметры мышц появятся в окне под навигатором.
  Примечание. Если окно «Свойства» не открыто, его можно открыть, выбрав «Окно»> «Свойства» в строке главного меню в верхней части окна OpenSim.

• Перед тем, как начать имитацию операции, убедитесь, что вы видите обе мышцы из группы мышц , переносящей . Затем увеличьте масштаб изображения лучезапястного сустава. Щелкните на точке прикрепления мышцы ECU_pre -gery .
  Примечание. После выбора вокруг точки мышцы появится желтая рамка. Его имя ( ECU_pre -gery-P7 ) должно отображаться в нижнем левом углу графического интерфейса пользователя.

• Чтобы переместить выбранную точку мышцы, используйте красные, синие и зеленые стрелки, которые появляются при выборе мышцы, чтобы отрегулировать ее. расположение точки мышцы вдоль единой оси.

• Повторите этот процесс для двух оставшихся проксимальных мышечных точек ECU: ECU_pre -gery-P6 и ECU_pre -gery-P5.
  
  
• Ваша цель — выровнять путь ECU_pre -gery с путем ECRB , как показано справа. Примечание: на изображении ниже мы увеличили размер точек траектории мышц, чтобы улучшить их видимость.

IV. Биомеханические эффекты переноса сухожилия

Для анализа последствий операции вам понадобится модель мышцы ECU как до, так и после операции. Хотя вы проделали отличную работу по перемещению мышечных точек, в модель уже встроена мышца с траекторией, аналогичной той, которую вы только что завершили.

• Чтобы закрыть текущую модель, которую вы только что редактировали, щелкните правой кнопкой мыши на модели в окне навигации и выберите Закрыть . В качестве альтернативы вы можете щелкнуть меню File и выбрать Close Model .

• Откройте исходную неотредактированную модель wrist.osim, щелкнув Файл > Открыть модель и открыв wrist.osim .

• Разверните группу «Силы и мышцы». Откройте все группы мышц , щелкните правой кнопкой мыши на мышце с названием ECU_post -gery, и выберите Display> Show Only .На модели должен появиться мышечный путь, подобный завершенному вами переносу.
  Примечание: ECU_post -gery представляет мышцу ECU после имитации операции по пересадке сухожилия.

• Убедитесь, что точки мышц не выбраны и модель находится в нейтральной ( по умолчанию ) конфигурации.
  Примечание: вы можете вернуть модель к ее конфигурации по умолчанию, выбрав Позы> По умолчанию на вкладке Координаты .
  

Теперь вы исследуете влияние переноса на силу разгибателя запястья, создав графики максимальных изометрических моментов запястья до и после имитации операции. Чтобы увидеть, как операция повлияет на силу разгибания запястья, вы исследуете максимальные изометрические моменты разгибания запястья (то есть моменты, возникающие при максимальном возбуждении всех мышц-разгибателей).
Примечание. Изометрические моменты предполагают нулевую скорость мышц.

• Откройте новый график в меню «Инструменты».Нажмите кнопку Properties и введите Момент сгибания запястья против угла сгибания в текстовое поле на вкладке Title . Нажмите ОК . Нажмите кнопку Y-Quantity и выберите момент > сгибание .
  Примечание: не выбирайте elbow_flexion!
• Отфильтруйте список мышц по модели и группе разгибателей . Выберите все мышцы в группе разгибателей , установив флажок выбрать все показанные .Снимите флажок ECU_ послеоперационный мышца, « un-check » отметьте ECU_post -gery . Чтобы построить сумму всех моментов, установите флажок только сумма .
• Нажмите кнопку X-Quantity и выберите сгибание .
• Измените текст Curve Name , чтобы он читался как Before Surgery .
• Затем щелкните Добавить .

На графике должна появиться кривая с пометкой «Перед переносом», которая представляет собой сумму изометрических моментов, созданных всеми разгибателями запястья до операции.Теперь вы добавите еще одну кривую, чтобы сравнить силу разгибателей после переноса.

• В окне выбора мышц отмените выбор ECU_pre -gery и выберите ECU_post -gery.
  Примечание. Убедитесь, что флажок «Сумма только » по-прежнему установлен, и оставьте окно выбора мышц открытым.

• Добавьте a Кривая с именем После операции .
  Примечание. Чтобы распечатать или сохранить график, щелкните правой кнопкой мыши на графике и выберите Печать или Экспорт изображения .

Теперь давайте рассмотрим влияние передачи на силу отклонения мышц запястья.

• Начните новый график, измените заголовок графика так, чтобы он читался как Момент отклонения запястья в зависимости от угла отклонения .
• Щелкните Количество Y и выберите момент > отклонение .
• Отфильтруйте группу ulnar deviators и установите флажок выбрать все показанные .

• Отмените выбор ECU_ после операции мышца
  Примечание: убедитесь, что сумма только все еще установлена, и оставьте окно выбора мышц открытым.

• Щелкните X-Quantity и выберите отклонение , измените имя кривой на до операции и щелкните Добавить.
  
  
• Повторите описанные выше шаги, замените мышцу ECU_pre -gery на мышцу ECU_ после операции мышцу .Добавьте к кривой с именем After Surgery .

Вопросы

5. На этих графиках g Когда модель определяет степень свободы сгибания запястья , момент разгибания запястья обозначается положительными или отрицательными значениями?

6. Что происходит с максимальным моментом разгибателей запястья, если ECU-мышца переносится на ECRB?
Подсказка: помните, что одна из целей операции — увеличить силу разгибания запястья.

7. На этих графиках знак момента локтевого отклонения положительный или отрицательный?

8. Что происходит с максимальным моментом локтевых девиаторов, если мышца ECU перемещается в место ECRB?

9. Одной из целей этой операции по пересадке сухожилия является уменьшение чрезмерного локтевого отклонения. Достигла ли ваша смоделированная операция этой цели? Почему или почему нет?

Ответив на эти вопросы, закройте окно плоттера.

Теперь вы собираетесь более подробно изучить влияние переноса сухожилия на функцию мышцы ECU .

• Откройте новый график, щелкните Y-Quantity и выберите момент > сгибание .

• Нажмите кнопку Muscles и выберите из списка ECU_pre -gery и ECU_post -gery .

• Щелкните X-Quantity и выберите сгибание .

• Измените заголовок графика, чтобы он читался как Запястье Момент в зависимости от угла сгибания , а затем щелкните Добавить .

• Наведите курсор на кривую на графике, чтобы увидеть всплывающую подсказку, которая дает координаты этой конкретной точки на кривой.

Вопросы

10. Каково пиковое значение момента выдвижения ЭБУ перед переключением? При каком угле сгибания это происходит?
Примечание. Помните, что моменты растяжения на графиках отрицательны.

11. Каково пиковое значение момента выдвижения ЭБУ после передачи? При каком угле сгибания это происходит?

12. Меняется ли способность ЭБУ генерировать момент больше в зависимости от угла сгибания до или после имитации операции?

Изучите различия в силе запястья дополнительно, создав графики 1) сгибающего момента по сравнению с сгибанием , 2) сухожилия силы по сравнению с сгибанием и 3) сгибающего момента руки по сравнению ссгибание для ECU_ до операции и ECU_ после операции мышц. Примечание: Вы можете одновременно открывать несколько окон плоттера. По завершении вы должны были создать три графика (момент сгибания, сила сухожилия, плечо момента) в трех отдельных окнах плоттера с двумя кривыми в каждом.

Вопросы

13. Запишите пиковые значения каждой кривой (момент сгибания , сила сухожилия, плечо момента ), угол сустава, при котором возникает пик, и опишите общие формы кривых .

Редактор свойств OpenSim позволяет вам исследовать и редактировать параметры мышц, используемые для оценки кривой сила-длина этой мышцы.

• Чтобы просмотреть свойства мышцы, щелкните на имени мышцы в навигаторе. Параметры мышц видны под навигатором в окне Properties .

Вопросы

14. Какова оптимальная длина волокна дооперационной мышцы ECU?

15. Какая оптимальная длина волокна после операции ECU?

16. Рассчитайте отношение оптимальной длины волокна к плечу пикового момента для ECU_pre -gery и ECU_post -gery .

17. Объясните различия в графиках изометрического момента и угла сгибания запястья для мышц ECU_ до операции и ECU_ после операции на основе графиков силы и плеча момента и отношения оптимальной длины волокна к плечу максимального момента.

18. В частности, о чем вам говорит разница между отношениями оптимальной длины волокна к моменту плеча для ЭБУ до и после переноса сухожилия?

Ответив на эти вопросы, закройте все окна плоттера.

V. Влияние длины провисания сухожилия на изометрическую кривую сила-угол

Предыдущее моделирование показало, как плечо момента и оптимальная длина волокна мышцы влияют на ее изометрическую силу и часть кривой сила-угол, на которой мышца работает. Еще одним фактором, определяющим зависимость изометрической силы от угла сустава, является длина провисания сухожилия. Длина провисания сухожилия — это длина, при которой сухожилие начинает создавать силу.

• Создайте три новых графика в трех отдельных окнах плоттера для мышцы ECRB : Сухожилие сила vs.сгибание , длина мышцы-сухожилия по сравнению с сгибанием , длина волокна по сравнению с сгибанием .
  Примечание: Y Можно одновременно открывать несколько окон плоттера. Не закрывать ни один из участков.

• Щелкните на ECRB в навигаторе и изучите его свойства в окне свойств .

Вопросы

19. Какова длина провисания сухожилий ECRB-мышцы?

20. Какова оптимальная длина волокна мышцы ECRB?

Теперь вы исследуете эффект изменения параметров мышц.

• Измените текстовое поле tendon_slack_length так, чтобы оно читалось как 0,2105 в окне свойств .

• Чтобы добавить новые кривые для отредактированной мышцы ECRB , щелкните Добавить в каждом окне плоттера.
  Примечание. Может оказаться полезным отредактировать каждое имя кривых следующим образом: « ECRB lts = 0.2105 м « перед добавлением кривых.
  

Вопросы

21. Как изменение длины провисания сухожилия ECRB повлияло на кривую зависимости силы сухожилия от угла сгибания?

22. Как изменение длины провисания сухожилия ECRB изменило длину мышца-сухожилие по сравнению с кривой угла сгибания ?

23. Как изменение длины провисания сухожилия ECRB изменило длину волокна по сравнению с кривой сгибания?

24. При каких углах сгибания длины волокон ECRB и отредактированного ECRB достигают оптимальной длины волокна? Сравните эти углы с пиками графиков зависимости силы от сгибания.

25. Объясните влияние длины провисания сухожилий на соотношение силы и угла в мышце, основываясь на том, что вы узнали о его влиянии на длину волокна и длину мышцы-сухожилия.

Не стесняйтесь изменять длину провисания сухожилия и делать больше изгибов, чтобы дополнительно продемонстрировать наблюдаемые эффекты.Для получения дополнительной информации см.

No related posts.