从自行车曲柄长度变化的影响康复肌肉行为

文摘

背景。许多体育和体育活动会导致下肢伤害。骑车是一种有效的锻炼下肢康复,但不正确的技术可能造成进一步的破坏。在某种程度上,之前的实验都容易受到偏见在示例研究招募了。另外,方法用于模拟活动可以使没有噪音的影响参数的研究。此外,模型可以促进研究的所有肌肉没有疲劳的影响。这项研究调查了在踩踏板曲柄长度对肌肉的影响行为。方法。六个肌肉(比目鱼肌、胫前肌、股内侧肌、股外侧肌、腓肠肌、股直肌),分成三个小组(膝盖脚踝肌肉组织,肌肉组织,biarticular肌肉组织),检查下三个自行车曲柄长度(100毫米,125毫米和150毫米)在目前的研究。此外,曲柄长度和肌肉生物力之间的关系进行了分析与建模系统™任何人,一个人基于Hill-type模型仿真建模软件。发现。基于逆运动学分析,结果表明,肌肉活动和肌肉力量与曲柄长度的增加后有不同程度的降低。最大和最小的肌肉力量达到在胫前肌和股外侧肌,分别。解释。研究肌肉和关节之间的关系的行为与曲柄长度可以帮助康复和治疗关节疾病。本研究为病人提供了踏板长度分布地区的早期康复。

1。介绍

如今,循环起着重要的作用在人们的日常生活和康复。然而,下肢损伤常发生在骑自行车。下肢的损伤,包括臀部、膝盖和脚踝可能发生如果骑车参数(例如,曲柄长度)不适当的设置或由于过度使用。有三种分类下肢受伤,在过度使用和常见的自行车1- - - - - -3]。

首先,骑自行车的人可能出现髋关节问题,如转子滑囊炎,这是由于重复滑动的筋膜大转子。这可能是由于高的座位位置。此外,座位也会导致转子滑膜炎和髂腰肌肌腱炎。第二,膝关节损伤是最常见的伤害从骑自行车。膝盖损伤占62%的过度伤害,和许多骑自行车的人患侧,前内侧膝盖疼痛。,膝盖外侧疼痛是最常见的膝关节损伤。过度使用自行车被认为是这些伤害的主要原因。受伤的第三类包含的脚踝和脚的问题。骑长途的时候,维持脚伤是很常见的。骑自行车与高踩低的座位位置频率会导致脚踝和脚受伤,和一个不正确的脚踏板位置和可能引起跖骨痛。

骑车锻炼已广泛应用于下肢损伤的康复4]。康复与循环涉及神经系统之间的相互作用,骨骼和肌肉。理解之间的关系的身体结构和循环参数(如座椅高度和曲柄长度)对患者进行康复练习不仅是重要但也可以指导安全健康的人进行体育活动。例如,设置一个适当的曲柄长度(5- - - - - -7],踩着节奏[8),和踏板条件(9,10](踏板高度和踏板位置)影响康复的结果。马丁和Spirduso [8]710可行的踏板位置分为16组的建模与仿真,发现膝关节附近军队小鞍位置(SP)。相反,踝关节和髋关节在遥远的SP /鞍高度(SH)最小。因此,了解骑车时肌肉力量和反应力的变化提供了见解,可以用于指导康复。

许多先前的研究[11- - - - - -13)使用肌电图(EMG)检查下肢肌肉的激活模式在骑车。

相比之下,本研究使用AMS(任何人建模系统™)模拟踩踏板曲柄长度不同。人体AMS软件转换的部分,这是一个非常复杂的结构14),到刚体系统进行分析(15]。在这项研究中,一个Hill-type [16)生物力学模型的自行车运动(任何软件6.0版本,任何技术,Aalborg,丹麦)84名下肢肌肉使用基于肌肉招聘的标准(17,18]。

有几个研究多体动力学的局限性,如肌肉骨骼模型和模拟的验证和确认。研究肌肉骨骼建模,拉斯穆森和他的同事们(19,20.)使用动态和解剖知识,不断修改和完善模型,以便Hill-type肌肉骨骼模型更好的符合实际的人体运动。在验证模型的过程,它是很难获得体内EMG信号。先前的研究[21,22]研究肌肉行为循环期间,观察在肌肉活动的变化基于可接受的协议与其他模型的对比分析。

自行车曲柄长度的影响肌肉行为参数需要进一步调查。实验和模拟方法可用于研究的因素,影响肌肉的行为在骑自行车。而人类实验容易取样偏差,模拟研究允许复杂的检查身体系统只通过改变一个参数在没有噪声从其他混杂变量(23]。此外,模型可以促进肌肉没有疲劳的研究(24,25]。,生物力学模型提供了有价值的见解难以直接测量的变量(例如,肌肉力量和关节反作用力),并提供改进在许多先前的研究解决联合动力学[26和循环节奏27),可以直接测量。

本研究的目的是揭示肌肉活动和肌肉力量之间的关系与不同曲柄长度在骑车康复。结果可能有助于为医生提供客观编程自行车康复指导。

2。方法

AMS是人类仿真软件,它提供人类肌肉骨骼模型。本研究中使用的模型有84在下肢肌肉,将三个自由度的臀部(弯曲/扩展,绑架/内收,和内部/外部旋转),膝盖一个自由度(沿横向运动 - - - - - -轴)和两个自由度的脚踝(弯曲/扩展和绑架/内收)。在AMS,所有身体部分被建模为刚体,消除软组织和其他不确定因素的影响。

在建立模型的过程中,第一步是确定世界坐标系的位置,这是设置为(0,0,0)(红色的坐标系如图1)。踏板恰逢世界的中心坐标系统。与此同时,膝盖和脚踝的角度调整来表示实际的人力自行车。这些调整之后,膝盖和髋关节的关节角是90度。此外,为了确保实验的准确性,有必要确定变量以外的曲柄长度应保持不变。经过一系列的调整,最后一个参数如下:座椅位置(-0.7,0.55,0);脚之间的接触点和踏板被设定 ,0,0.15](右曲柄点),[- l, 0, -0.15](左曲柄点)。””代表了曲柄长度。在模型中,总共有五段,每一个都有六个自由度。人体模型共有30个自由度。六个约束添加到骨盆和阀座通过stdjoint,臀部,膝盖,脚踝有三个,五个,分别和四个约束。有膝关节(横向运动的一个约束 - - - - - -踝关节的轴)和两个约束条件(弯曲/扩展和绑架/内收)。添加了三个约束之间的脚踏板使用球形接头。最后,剩余的自由度由踏板的驱动函数决定。总共有29个约束。如果需要一种机制来执行一个特定的运动,原来的移动部件的数量应该等于自由度的数量。模型中,原始的致动器只是一个踏板旋转,由于有一个自由度的机制,该模型满足运动发生的条件。

在这项研究中,25扭矩加载被添加到踏板。因为踏板驱动程序没有电机,扭矩必须平衡的肌肉系统。在模型建立之后,相关的生物力学参数进行了分析通过修改曲柄长度。初步确定三曲柄的长度是由100毫米,125毫米和150毫米。每次曲柄的长度改变,再次进行运动学分析,验证模型的可行性。然后,进行了逆运动学分析来获得数据。图1显示了模型的分析过程概述。所有全下肢肌肉被分为三组:膝盖的肌肉组织(股内侧肌(VM)和股外侧肌(重要的)),踝关节的肌肉组织(比目鱼肌(SOL)和胫骨前(TA)),和biarticular肌肉组织(腓肠肌(气)和股直肌(RF))。选择最具代表性的几个肌肉进行进一步分析。musculotendon参数设置使用特定的肌肉骨骼模型(常量值表1)。

AMS,必须仔细考虑肌肉招聘。招聘是指肌肉肌肉使用的整体效率。逆动力学对肌肉的招聘解决方案通常表示为一个数学优化问题。我们的目标是最小化目标函数的值 。

受

在哪里数学优化问题的目标函数,及其解决方案取决于未知力量的最大问题。在方程(1),和分别代表肌肉力量和肌肉力量。的是th肌肉,和多项式的力量标准( )在AMS显示肌肉之间的协同作用。为了确保疲劳强度的最小值, (30.]。肌肉系统的冗余可以表示通过平衡方程(2),是系数矩阵,是向量用来代表所有已知的力量。方程(3)nonnegativity限制肌肉力量。这意味着在一定强度范围(0 - ),肌肉只能拉但不是推。此外,在AMS,所有的肌肉都有一个预设的力量;超过这个肌肉力量将造成进一步伤害,系统也会报告错误,必须避免在建模。

在AMS的位置由方程(th身体是描述4),是全球质心位置矢量和四是向量欧拉参数。

建模时,右腿为例,如图曲柄角度变化2,角度变化可以绘制如图。

曲柄传动方程确定脚踏板的运动和描述如下: 在哪里踏板的角度。和傅里叶系数,固有频率;是角频率(相当于曲柄的角速度)。的组件和控制脚在自行车运动。

曲柄转矩模式通过正弦函数描述如下:

在方程(8),曲柄扭矩顶部的自行车和相位角顶部的自行车是独立变量和优化过程中确定。代表输入数据。转矩函数的角频率是圆形踏板的频率两倍的频率,由于模型中包含两条腿(21]。

3所示。结果

肌肉活动的变化与100毫米骑车时曲柄长度图中可以看到3。激活的踝关节肌肉组织(溶胶和TA)是敏感的从0°- 135°,显示初始增加后减少的活动。索尔达到它的最大活动45°,但是助教达到最大值90°。此外,膝盖的肌肉组织(六世和VM)活动开始和结束的运动,肌肉的活动六世和VM先增加然后减少。六世和VM的活动达到高峰肌肉在265°。肌肉活动高峰的六世是最大的肌肉。气体肌肉活跃从0°- 225°。气体的活动相对较弱的225°- 360°范围内。RF肌肉活跃在整个循环,达到峰值肌肉活动在200°。

助教的活动、六世和射频肌肉当踩在三个不同的曲柄长度如图4。肌肉活动的趋势大致相同在不同曲柄长度。峰值出现的时间点和活动开始是大致相同的,这也在某种程度上显示了建立模型的准确性。随着曲柄长度增加,肌肉活动减少。

图5展示了六个肌肉的肌肉力量的变化在三个不同的曲柄长度。随着曲柄长度的增加,肌肉力量下降。助教的肌肉力峰值最小,仅为166 N。肌肉力量的变化并不是伴随着曲柄长度的可测量的变化。肌肉力峰值降低100毫米166 N的条件在150毫米110 N条件。虽然六世的峰值力是最大的肌肉,1321 N,减少肌肉力量也是最大的,从1321 N的力峰值降低150毫米100毫米条件859 N条件下,减少462 N。索尔和VM的肌肉只参加了运动之间的0°- 45°、225°- 360°。索尔肌肉力量的变化在不同的曲柄长度相对较弱,而VM力的变化在不同的曲柄长度大于索尔。助教的力量是非常小的在整个骑车周期,只有中间产生力和周期的早期阶段。气的力量只是活跃在0°- 225°范围内,达到50°和689 N。射频的力量改变了在最初和最后阶段,但在下半场,趋势更加明显。

在图6,每一块肌肉的最大肌肉力量不同曲柄长度显示。每一块肌肉的最大肌肉力量的变化清晰可见。在这些肌肉,肌肉的最大力量是六世和最低的是助教。曲柄长度的增加,最大肌肉力量都降低了。

4所示。讨论

骑车是通过协调的腿部肌肉收缩序列,其中溶胶,助教,六世,VM,气体,射频肌肉都作出重要的贡献。各种各样的方法被用来研究骑车的生物力学。在一项研究中,曲柄上的惯性载荷是设置为150 W和250 W (31日),和不同范围的自行车(如9公斤/米²36公斤/米²56公斤/米²到182公斤/米²)是用于研究骑车建模。一些研究与182不同鞍位置使用可行的骑车的地方(4]。设置一个合适的曲柄长度是一个重要的问题。在一些研究32- - - - - -34),运动学和逆运动学分析被用来调查循环输出功率和节奏的行为不同的曲柄长度。然而,所有这些先前的研究重点外部力量,而不是生物的力量。在这项研究中,三曲柄长度的影响(100毫米,125毫米和150毫米)对肌肉动力学研究(肌肉活动)和肌肉力量。

先前的研究调查了曲柄长度和肌肉行为之间的关系。例如,Macdermid和爱德华兹(7]调查七女越野山地自行车运动员检查不同的曲柄长度的影响(170毫米,172.5毫米和175毫米)在输出功率循环肌力测试在一个恒定的节奏(50 rpm)。本文只研究了曲柄长度和输出功率之间的关系。

根据希克斯的研究(35),模型的验证需要多个步骤。一个重要的限制是缺乏验证体内EMG信号的前提下失踪的比较数据。另外,验证可以通过比较模型与仿真数据独立实验和其他模型。为了防止二次损伤康复期间,它是必要的,以避免肌肉激活大于它的最大容量。的最大活动重要的肌肉高于所有其他肌肉。的最大活动助教的所有肌肉肌肉是最低的。本研究表明,溶胶肌肉活动从上到下的自行车,重要的肌肉活动在骑车的中间阶段。

在踝关节的肌肉组织,索尔和TA的活跃阶段肌肉交错,这样索尔肌肉活跃在0°-45°和230°-360°的骑车周期,而TA肌肉活跃45°、225°之间的循环。比较两块肌肉的力曲线,助教产生较小的力比索尔。在踝关节的肌肉组织,提供的溶胶在骑车周期中最肌肉的力量。在膝盖的肌肉组织,六世和VM的肌肉的活动通过整个周期基本上是相同的,但重要的肌肉力量比VM。气体的活跃阶段和射频的肌肉也不同,随着天然气活跃在0°-225°,而射频活跃在180°-360°的周期。

5。结论

中六个肌肉,最大峰值肌肉力量和肌肉活动高峰通过重要的肌肉,而最小峰值肌肉力量和肌肉活动确定了TA肌肉达到顶峰。

肌肉活动,并迫使代与曲柄长度的增加减少。六世最大的变化,和助教最小的变化。

在康复过程中,这些发现可能确定一个更合适的治疗计划根据肌肉力量和肌肉活动的变化。

曲柄的长度只有一个因素确定肌肉活动和力的一代。其他因素也可能影响骑车,和环境参数必须根据实际情况调整。

数据可用性

我们确认数据可从第一作者或通讯作者在合理的请求。

同意

在这种类型的研究中,正式同意不是必需的。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢金融支持中国的国家自然科学基金(批准号61801122),福建省自然科学基金(批准号2018 j01762),和福建教育部门的科学项目(批准号JK2017002)。

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