Новый протокол характеристики механического взаимодействия между землей и протезом большеберцовой кости для прыжков в длину

Jan 25, 2024

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5226 (2023) Цитировать эту статью

505 доступов

Подробности о метриках

Механическое исследование работы специальных протезов (RSP) часто ограничивается лезвием. Разработанная и представленная здесь установка представляет собой простой эксперимент, основанный на механической испытательной машине и камере, который оценивает два показателя, важных для тренеров и спортсменов в области легкой атлетики: секущую жесткость и рассеивание энергии. Оценивается влияние четырех параметров на общее поведение протеза: смещение линии нагрузки, угол шлифовки протеза, тип подошвы и тип напольного покрытия. Смещение линии нагрузки и тип напольного покрытия практически не влияют на их поведение. Угол шлифовки протеза влияет на жесткость: увеличение угла приводит к значительному снижению жесткости, что сильно влияет на производительность. Тип подошвы изменяет кинематику взаимодействия кончика лезвия с землей. Однако этот эффект вряд ли улучшит спортивную практику, поскольку легкая атлетика предполагает использование шипов. Изображения с камеры позволяют оценить локальное поведение подошвы, что позволяет проследить за ее деформацией в процессе сжатия.

Несмотря на сложность поиска точных данных о количестве людей с ампутированными конечностями, недавнее исследование1 показало, что 65 миллионов человек во всем мире живут с ампутациями конечностей только по травматическим причинам и раку. Среди них по меньшей мере 35,3 миллиона имеют ампутацию нижних конечностей, что требует использования протезов. Другое исследование2 показало, что в 2012 году среди ампутаций нижних конечностей 60% имели транстибиальную ампутацию, что составляет около 21,2 миллиона человек. Всем этим людям протезы нужны для всех видов деятельности в повседневной жизни.

За последние десятилетия улучшения в конструкции протезов для повседневной жизни позволили большинству этих людей вернуться к нормальной жизни после ампутации. Более того, достижения в области композитных материалов в 1980-х годах значительно улучшили конструкцию спортивных протезов и позволили большему количеству людей с ампутированными конечностями заняться спортом3 и улучшить свои результаты.

Протезы, используемые в легкой атлетике для ампутации нижних конечностей, называются специальными беговыми протезами (RSP). Им посвящены обширные исследования, начиная от различий в спортивных жестах на уровне ампутации4 или между олимпийскими и паралимпийскими спортсменами5 и заканчивая поведением протезов и взаимодействием между протезом и конечностью6.

При более внимательном рассмотрении RSP большеберцовой кости (ампутация ниже уровня колена) мы можем выделить три разные части: гнездо, лопатку и подошву (см. рис. 1а). Первый обеспечивает связь с конечностью спортсмена, второй сохраняет и высвобождает энергию для движения вперед, а последний устанавливает связь с землей. Лопасть является основной частью RSP и в настоящее время изготавливается из цельного куска углеродного волокна, действующего как пружина (см. рис. 1б). Подошва управляет сцеплением с землей и вращением лезвия вокруг точки контакта. Поскольку никакой шарнир не играет роль лодыжки, только форма кончика лезвия в сочетании с подошвой позволяет спортсмену двигаться вперед.

(а) Различные компоненты RSP и линия нагрузки (расширение оси большеберцовой кости). (b) Модель пружинной массы, используемая в литературе для определения жесткости ноги и/или протеза (TD для приземления при шаге и TO для взлета).

Розетка является полностью индивидуальной и хорошо изучена медицинскими и биомеханическими группами в течение как минимум 20 лет7. Основная проблема при его разработке — найти форму, подходящую для каждого спортсмена или пациента8,9, чтобы гарантировать комфорт и избежать риска травм. С этой целью обычно изучается перераспределение давления на культю и разрабатываются различные датчики или методы для оптимизации формы лунки и материалов10,11,12.

Чтобы выбрать наиболее подходящее по характеристикам спортсмену основание, производители предлагают рекомендуемые категории жесткости в зависимости от массы тела и дистанции бега (длинная дистанция или спринт). Однако этот выбор остается предложением производителя, поскольку он сильно зависит от уровня практики и всех других параметров, которые спортсмены могут регулировать самостоятельно. Например, линия нагрузки (см. рис. 1а) — параметр, определяемый протезистами. Они используют его, чтобы расположить лезвие относительно гнезда. Линия нагрузки соответствует оси большеберцовой кости и предназначена для пересечения определенной точки на кончике лезвия. Эта настройка зависит от формы лезвия и указывается производителем. Это делается для того, чтобы помочь спортсмену сбалансировать походку здоровой ноги. Но линия нагрузки также является параметром производительности, который определяет площадь контакта лезвия с землей в состоянии покоя, и спортсмены могут настраивать ее, чтобы попытаться улучшить свои результаты.