优化可降低行走与下蹲时的膝关节力：在带传感器膝关节假体上验证全身运动的逆动力学方法
定量方法
2022-07-05 v4
摘要
由于运动系统的冗余性，动作可通过多种方式完成。尽管多种运动控制策略均可导致期望行为，它们却产生不同的关节与肌肉力。这创造了探索该冗余性的机会，例如用于避免疼痛或降低进一步受伤风险。为评估不同运动控制优化策略的效果，直接测量肌肉与关节力是理想的，但因医疗与伦理原因而难以实现。计算建模或可通过计算这些力的近似值来提供解决方案。本研究中，我们使用全身计算肌骨模型来（1）预测膝关节假体中测得的行走与下蹲时的力，以及（2）研究不同运动控制策略（即最小化关节力 vs. 肌肉激活）对关节负荷与预测误差的影响。我们发现肌骨模型可准确预测膝关节力， superior 方向 RMSE <0.5 BW，medial 与 anterior 方向约 0.1 BW。一般而言，最小化关节力给出了最佳预测。此外，最小化肌肉激活导致行走与下蹲的最大膝关节力分别约 4 BW 与 2.5 BW。最小化关节力导致最大膝关节力为 2.25 BW 与 2.12 BW，即分别降低 44% 与 15%。因此，改变肌肉协调策略可强烈影响膝关节力。带膝关节假体的患者可能调节其神经肌肉激活，以在运动中降低关节力。
引用
@article{arxiv.2109.07884,
title = {Optimization reduces knee-joint forces during walking and squatting: Validating the inverse dynamics approach for full body movements on instrumented knee prostheses},
author = {Heiko Wagner and Kim Joris Boström and Marc H. E. de Lussanet and Myriam L. de Graaf and Christian Puta and Luis Mochizuki},
journal= {arXiv preprint arXiv:2109.07884},
year = {2022}
}
备注
19 pages, 4 figures