走り幅跳び用の地面と人工脛骨の間の機械的相互作用の新しい特性評価プロトコル

Jan 25, 2024

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5226 (2023) この記事を引用

505 アクセス

メトリクスの詳細

ランニング専用プロテーゼ (RSP) の機械的研究は、多くの場合、ブレードに限定されます。 ここで開発され提示されたセットアップは、機械的試験機とカメラに基づいた単純な実験であり、運動分野のコーチとアスリートに関連する 2 つの指標、つまりセカント剛性とエネルギー散逸を評価します。 プロテーゼの全体的な挙動に対する 4 つのパラメータの影響が評価されます。荷重線オフセット、プロテーゼと地面の角度、ソールのタイプ、および床材のタイプです。 荷重線のオフセットと床材のタイプは、その動作にほとんど影響しません。 プロテーゼと地面の角度は剛性に影響します。角度が増加すると剛性が大幅に低下し、パフォーマンスに大きな影響を与えます。 ソールのタイプによって、ブレード先端と地面との相互作用の運動学が変化します。 ただし、陸上競技ではスパイクの使用が義務付けられているため、この効果がスポーツの練習を強化する可能性は低くなります。 カメラ画像により靴底の局所的な挙動を評価できるため、圧縮プロセスを通じてその歪みを追跡することができます。

切断患者の数に関する正確なデータを見つけるのは難しいにもかかわらず、最近の研究 1 では、外傷性の原因とがんだけで、世界中で 6,500 万人が四肢を切断された状態で暮らしていると推定されています。 このうち、少なくとも 3,530 万人が義足の使用を必要とする下肢切断を患っています。 別の研究 2 では、2012 年には下肢切断のうち 60% が下脛骨切断を経験しており、これは約 2,120 万人に相当すると推定されています。 これらの人々は皆、日常生活のあらゆる活動に義足を必要としています。

過去数十年間で、日常生活用の義足の設計が改良されたことにより、これらの人々のほとんどが切断後に通常の生活を取り戻すことができるようになりました。 さらに、1980 年代の複合材料分野の進歩により、スポーツに特化した義足の設計が大幅に改善され、より多くの切断患者が Sport3 にアクセスしてパフォーマンスを向上できるようになりました。

陸上競技で下肢切断に使用される義足は、Running Specific Prosthesis (RSP) と呼ばれます。 切断レベル 4 やオリンピック選手とパラリンピック選手 5 のスポーツジェスチャーの違いから、義足の動作や義足と四肢の相互作用 6 に至るまで、広範な研究が彼らに捧げられています。

脛骨 RSP (膝の高さの下での切断) を詳しく見ると、ソケット、ブレード、靴底の 3 つの異なる部分を定義できます (図 1a を参照)。 1 つ目はアスリートの四肢とのリンクを可能にし、2 つ目は前進するためのエネルギーを蓄積および放出し、最後のものは地面とのリンクを実現します。 ブレードは RSP の本体であり、現在ではバネのように機能する 1 枚のカーボンファイバーで作られています (図 1b を参照)。 ソールは地面のグリップと接地点の周りのブレードの回転を支配します。 足首の役割を担うヒンジはなく、ブレード先端の形状とソールの組み合わせだけで選手は前に進むことができる。

(a) さまざまな RSP コンポーネントと荷重線 (脛骨軸の延長)。 (b) 脚および/または義足の剛性に関する文献で使用されているバネ質量モデル (ストライドの接地の TD および離陸の TO)。

このソケットは完全に個人的なものであり、少なくとも 20 年間にわたって医療チームと生体力学チームによってよく研究されてきました7。 その設計における主な課題は、快適さを保証し、怪我のリスクを回避するために、各アスリートや患者に適した形状を見つけることです8,9。 この目的のために、通常、断端にかかる圧力の再分配が研究され、ソケットの形状と材料を最適化するためにさまざまなセンサーや方法が開発されます10、11、12。

アスリートのパフォーマンスに最適なブレードを選択するために、メーカーは体重と走行距離 (長距離またはスプリント) に応じた推奨剛性カテゴリーを提案しています。 ただし、この選択は練習のレベルやアスリートが自分で調整できるその他すべてのパラメータに大きく依存するため、メーカーの提案のままです。 たとえば、負荷線 (図 1a を参照) は義肢装具士によって定義されるパラメータです。 彼らはそれをソケットに対してブレードを位置決めするために使用します。 荷重線は脛骨の軸に対応し、ブレードの先端の特定の点と交差することを意味します。 この設定はブレードの形状に依存し、メーカーによって指定されます。 これは、アスリートの歩行と正しい脚のバランスを保つために提供されます。 しかし、負荷線は、静止時に地面と接触するブレードの面積を定義するパフォーマンスパラメータでもあり、アスリートはそれを調整してパフォーマンスを向上させることができます。

しかし、文献は主にブレードの剛性に焦点を当てており、その主題に関するさまざまな研究が見られますが、他のプロテーゼパラメータは無視されています。 多くの研究では、実験結果をより適切に表現するためにブレードの動作をモデル化することが含まれています。 彼らは、パラメトリック モデリング 13、14、有限要素モデリング 15、または生体力学モデル 16 を使用します。 RSP の最も単純なモデリングは、走行または歩行の立脚段階での脚のモデリングに使用されるものと同じです。つまり、バネ質量モデル 17,18 です。 両脚と義足は、歩行、走行、ジャンプの立脚段階でバネのように動作すると想定されています。 かかと着地（接地）と立脚中期の間にエネルギーを蓄積し、立脚中期から離陸までにエネルギーを回復します（図1bを参照）。 一方、研究チームは、より適切な現場評価とユーザーへの最適な処方を目的として、スポーツの練習中にブレードに直接取り付けるウェアラブルセンサー 19,20 を開発しています。 他のチームは、実験室で準静的または動的条件でブレードの剛性を研究しています。 例えば、準静力学では、Beck et al.21 は、プロテーゼの剛性は線形関数よりも二次関数によってより適切に記述できることを実証しました。 彼らはまた、剛性カテゴリーがブレードの測定された剛性に対応しておらず、テスト条件 (RSP の長手方向軸と加えられた力の方向との間の角度など) や補綴モデル間によって変化することも示しました (形状とメーカー）。 力学分野では、Petrone et al.22 は、さまざまなアクチュエータを使用してストライドの完全な運動学を再現する RSP の静的および動的特性評価のためのセットアップを設計しました。 彼らはBeckらの結果を確認した。 これは、剛性がプロテーゼと地面の角度および荷重線の位置に依存することを示しています。

それでは、私たちの知る限り、義足の靴底についてはまったく研究されていません。 しかし、パフォーマンスの向上 23、運動学の理解 24、または損傷の制限 25,26 を目的とした、通常の靴底に関する研究が文献で溢れています。

より具体的には、義足とアスリートが動く地面との間の相互作用（接触、エネルギーの散逸）については、文献ではほとんど研究されていません。 したがって、この研究の目的は、プロテーゼのさまざまなパラメータの役割（荷重ラインの調整、靴底の性質）および 2 つの機械上の地面の性質をより適切に推定できるようにする実験プロトコルを開発することです。アスリートが使用するプロテーゼの本質的なパフォーマンスに主要な役割を果たす量。 1 つ目は、地面と接触した後の圧縮時のプロテーゼの見かけの剛性です。 この剛性は走り幅跳び中のアスリートのリバウンドの力を決定しますが、高すぎると怪我の原因にもなります。 2 つ目は、地面との接触ごとに散逸されるエネルギーです。 また、大きすぎるとパフォーマンスが低下する可能性があるため、この値も測定されます。 義足と地面の間の接触角を通じたスポーツジェスチャーの役割も調査されています。

これを達成するために、この研究では独自の実験セットアップを提案します。 まず第一に、これはほとんどの機械研究所で利用できる機械テストベンチに基づいているため、簡単に導入できます。 プロテーゼ用の特定のアダプターの設計のみを考慮する必要があります。最初のアダプターは機械の負荷軸に保持し、2 番目のアダプターは接触角を調整します。 最後に、画像相関によって靴底の局所的な変形を測定するカメラが追加されます。 次に、この量が分析され、パフォーマンスへの影響が議論されます。

前述したように、RSP の設定と使用法 (アスリートのジェスチャー) が RSP と地上の相互作用に及ぼす影響を推定するための研究は不足しています。 標準的な実験室機器と専用の独自の取り付け部品に基づいて、補綴物と床材の間の相互作用を調査するための新しいセットアップが提案されます。 詳細は図 2 に示されています。大きなマウントとブレードを収容するには、マシン フレームに対して 45\(^\circ \) 回転する必要がありますが、同時に実験、特にソールと床の間の相互作用を可能にします。撮影される。

低速での一軸圧縮における RSP の剛性と挙動を評価するためのセットアップ。 固定部分と角度取り付け部分により、各テストのパラメータを調整できます。 床材とソールも交換可能です。 ブレードは 2 本のネジで固定システムに直接固定されています。 足裏は、そのプロフィールの前に配置されたカメラによって撮影されます。 クロスヘッドはブレードに圧縮動作を加えます。

ソケットはプロテーゼから取り外され、ブレードとソールのみが残ります。 ブレードは、ソケットに取り付けられたときと同じ固定システムで上部が電気機械試験機に固定されます。 具体的な取り付け部分については以下で詳しく説明します。 テスト中、カメラはソールの輪郭をクローズアップで記録します。

電気機械試験機 (Instron 5967) には、30 kN ロードセル (2580 シリーズ静的; クラス 0.5) が取り付けられています。 この研究では、力セルの校正が実行され、測定された力の範囲で最大誤差 0.0019% が示されました。 これは、力測定における最大相対誤差 4 N に相当しますが、残りの研究では無視されます。

ブレードの上部は革新的な組み立て部品により試験機のクロスヘッドに固定されています。 この部品は水平に動くように設計されており、さまざまな場所で荷重ラインの位置合わせを保持します。 直径12mmのステンレス棒4本で構成されています。 そのうちの 3 つは荷重ラインの位置合わせを調整するために移動をガイドし、最後の 1 つは 2 つのネジのおかげで移動をブロックして目的の位置を維持します。 この設計により、部品がアセンブリの反りを避けるために剛性が高く、試験機内の貴重なスペースを占有することを避けるためにコンパクトになります。

アセンブリの下部は水平面になっており、さまざまなタイプの床材を配置できます。 安定性と再現性を高めるために、3 つの部品で構成されており、部品間にネジ止めまたは固定されています。 まず、水平を確保するために機械の下部マウントに圧縮プレートを配置し、次にブレードが常に押し付けられるように、200 \(\times \) 350 \(\times \) 25 mm のアルミニウム プレートをその上に置きます。硬い地面の上に床材を敷き詰め、本物の競技面を再現します。 これらの床部分については、以下で詳しく説明します。

カメラがテストの軸に配置され、靴底と地面との接触を記録します。 次のセクションで説明するように、その変形を測定するために、視野は足裏の中心にあります。カメラの解像度は 12 Mpx で、フレーム レートは 5 Hz に設定されています (Dantec Dynamics、Q-400 システム カメラ)。 このレンズはマシン ビジョン用に最適化された高解像度です (Schneider Kreuznach Germany、Dantec Dynamics の Q-400 システムに含まれています)。 処理のために、画像は 2.452 \(\times \) 1.226 ピクセルの有効領域に縮小されるため、解像度は 15 \(\hbox {px\,mm}^{-1}\) になります。

試験中、ブレードは試験機のクロスヘッドによって底部が垂直に圧縮されます。 所定の変位量で荷重がかかります。 力の制御ではなく、この選択は、実際に実行されるスポーツのジェスチャーと比較すると驚くべきものである可能性があることを指摘することが重要です。 実際、アスリートは力を加えてプロテーゼのブレードを変形させます。 この努力は、場合によってはカーボンブレードを折るのに十分な場合さえあります。 この研究で使用されたブレードでは、世界最高の成績を収めた選手が記録したような高い努力はできません。 テスト中にブレードが破損するリスクを回避するには、変位制御が最も危険性の低い選択であると思われます。 ただし、このセットアップでは力制御テストが可能です。 50 mm の荷重とその後の 50 mm の除荷が、どちらも 1 \(\hbox {mm\,s}^{-1}\) の速度で適用されます。 ここでの 50 mm の変位は、ブレードを損傷する危険がない程度に小さく、積み込み/積み下ろしプロセス中の動作を評価する時間を確保できる程度の大きさです。 1 \(\hbox {mm\,s}^{-1}\) の負荷速度は、テスト マシンが安全に到達できる最速の範囲にあります。 実際のストライドよりもはるかに遅いですが、その速度により、調査されたさまざまなブレード特性の特性評価が可能になります。

次のセクションでは、プロテーゼの機械的動作を評価するためのセットアップの 4 つの調整可能なパラメーター、つまり荷重ラインの位置合わせ、プロテーゼと地面の角度、床材とソールの種類について説明します。

このセットアップでは、さまざまな J 字型ブレードの動作を評価できます3。 J字型のブレードは垂直部分で構成され、ソケット側とネジで結合されています。 C 型ブレードの挙動を特徴付けるには、マウントの上部を変更することが可能です。 本研究の結果は、Ottobock 1E90 Sprinter ブレードについて示されています (図 2 のブレードを参照)。

前述したように、荷重ラインは上部取り付け部分のおかげで調整可能です。 プロテーゼのメーカーが提案するアライメントが基準位置とみなされます。 ブレードは、付属のソールのマークと機械の負荷軸に合わせた鉛直線によって位置決めされます。 そして、ブレードの垂直部の位置を基準位置に対して前後に移動させて、荷重線を \({\pm 40}\,\hbox {mm}\) ずつ変化させます。 正の値は、ブレードの垂直部分が機械の負荷軸から離れる (後方に) 移動することを示し、負の値は、負荷軸に向かって移動することを示します (図 3a を参照)。

調整可能な幾何学的パラメータ。 (a) 正負のシフトを伴う荷重線の位置合わせ。 (b) 水平に対する補綴物と地面の角度。

地面のデフォルトの位置は水平であり、 \(\theta =\) 0\(^\circ \) として取得されますが、セットアップにより地面との実際の接触角をより適切に表現するために傾けることができます (\(\theta \) を参照)図3b)。 さまざまな角度は、足を切断した患者が走り幅跳びを練習している高速画像の研究から選択されました。 地面とブレードの直線部分の間の角度は、接地から離陸までの最後の歩幅で測定されます。 角度の範囲は、接地時の \({-22.5\pm 2.5}^\circ \) から離陸時の \({37.5\pm 2.5}^\circ \) までです。 ただし、負のタッチダウン角度はセットアップでは到達できないため、最小角度は 0\(^\circ \) に選択されます。 スタンスの中間（時間のストライドの半分）では、角度は 20\(^\circ \) と 25\(^\circ \) の間にあります。 したがって、最初のアプローチでは \(0^\circ \)、\(10^\circ \)、\(20^\circ \)、\(30^\circ \) でのブレードの挙動を研究することにしました。

ブレードにはさまざまな種類のソールを取り付けることができます。 本作品では、ランニングソール、スパイクソール、ノーソールの 3 つの異なる構成が使用されています。 ランニングソールとスパイクソールは、オットーボックカタログの 1E90 スプリンターブレードに付属しているものです。 スパイクソールには6mmトラックスパイクを6個搭載。

各ソールの側面は均一なスペックル パターンで覆われており、デジタル画像相関 (DIC) によってその歪みを監視します。 スペックルは、均一な黒のマットな背景に、ランダムなサイズの白いマット ペイントのスポットで構成されています。 どちらの層もエアゾール スプレーで塗布されています。

取り付け部の下部にはさまざまな種類の床材を取り付けることができます。 2 つのテイクオフ ボード (TOB) と 4 つのアスレチック トラック (AT) の 6 種類の床材が考慮されます。 陸上トラックは MONDO によって提供され、テイクオフボードは Dimasport によって製造され、競技用に World Athletics によって認定されています。

テイクオフボードと陸上トラックは、底部の取り付け部分のアルミプレートのサイズに合わせてカットされています。 取り出し板を切断すると、木板の下に金属枠があり、2種類の部品が現れます（図4参照）。

床材のさまざまな部分の概略図。 (a、b) 2 つの異なるテイクオフ ボード。 木の板と薄いアルミ板からなる板の下に、その縁に沿ってアルミの角棒で補強し、中央にも同種の角棒を入れています。 ボードの中央でカットされた最初のピースには 3 本の補強バー (TOB-3) があり、最初のピースの隣にカットされた 2 番目のピースには 2 本だけ (TOB-2) があります。 (c) 陸上競技場のトラックには、それを支える木の板が付いています。

アスレチックトラックの場合、競技場の地面にトラックを固定するのに使用されるのと同じ接着剤を使用して、ピースを木の板に接着します。 MONDO社が提供する二液性接着剤（エポキシ・ポリウレタン接着剤 PU300）です。 各陸上トラックの厚さ、重量、認定を表 1 にまとめます。

前のセクションで説明したさまざまなパラメータに応じてプロテーゼの動作を特徴付けるために、変位の関数としての荷重が記録されます。 各テストでは、最大 10 N の予荷重がプロテーゼに適用されます。 プロテーゼは、使用中の床と接触するまで、変位 (0.1 \(\hbox {mm\,s}^{-1}\) で) によって制御され、クロスバーによって移動します。 10 N の値に達すると、プロテーゼの位置は固定され、力センサーと変位センサーは 0 に設定されます。したがって、研究全体で示された測定値には、このわずかな予荷重は示されていません。 一連のパラメータを使用した各測定は、中断することなく 3 回連続して実行されます。 3 回のテストにわたる荷重の平均値が使用されます。 これらのデータから、プロテーゼの動作を記述するために計算される関連パラメーターを特定します。 剛性とヒステリシス散逸という 2 つの粘弾性特性が使用されます。 プロテーゼの粘弾性挙動は 2 つの要素によって決まります。一方ではソールの素材、もう一方では湾曲した形状とブレードの断面の縮小です。 実際、靴底の材料は、ブレードの挙動において考慮されるべき固有の粘弾性特性と減衰特性を備えたエラストマーです。 これらのプロパティの計算については、以下で説明します。

次に、カメラで記録された画像のおかげで足裏の挙動も調査されます。 ひずみは、以下に詳述するように計算されます。

前述したように、ブレードのメーカーはカテゴリを使用してアスリートに適合するプロテーゼを処方します。 これらのカテゴリはブレードの剛性を反映すると想定されます。 ここでは、変位と力の時間変化がテスト中に記録され、剛性がこれらのデータから計算されます。 ただし、得られる力と変位の曲線は直線的ではなく、荷重は多項式曲線に従って増加し、除荷中にヒステリシスが現れます。 簡略化するために、剛性評価には純粋な弾性モデル (図 1b) が使用され、k と呼ばれる割線剛性が計算されます。 これは、記録された最大の力 \(F_{max}\) と最大変位 \(U_{max}\) の比として定義されます。

このセカント剛性は、以下で比較値として使用され、試験条件下でのブレードの見かけの剛性を表します。

力 - 変位曲線のヒステリシスはヒステリシス散逸をもたらします。 散逸を評価するために、荷重曲線と除荷曲線の間のループの面積と、正割剛性に等しい剛性を持つ完全に線形の弾性挙動を表す線形曲線の下の面積との比として、減衰パラメータ \(\eta \) を計算します。式によって計算されます。 (1)。 結果に 100 を掛けてパーセンテージを求めます。

スパイク付きソールがテイクオフボード上でテストされる構成では、最初の荷重時と他の 2 回の荷重時の挙動は大きく異なります。 連続する 3 つの測定はランニング ソールと同じボード上の同じ場所で実行されますが、スパイクの跡が木材に残ります。 したがって、最初の測定は、スパイクが木材にマークを作成する間の力の変化を記録するのに対し、次の 2 つの測定は、既存のマークに入るスパイクの力の変化を記録します (図 5 を参照)。 結果として生じる剛性の差は重要ではありません。最初の荷重サイクルの剛性は 23.9 \(\hbox {kN\,m}^{-1}\) ですが、他の 2 つの剛性の平均は 23.6 \(\hbox {kN \,m}^{-1}\)、つまり 1.3% の差です。 一方、損失の違いは大きく、最初の負荷サイクルでは 15.1% ですが、次の 2 回では平均 6.5%、つまり 57% の差があります。 この違いは、スパイクが既存のマークに沈むときに、テイクオフボードの抵抗を完全に満たすのに時間がかかることに起因します。

さらに、テイクオフボード上のスパイクソールを備えた構成の最初の荷重データを無視すると、わずか 2 回の測定で計算された平均標準偏差は、すべてのランニングソール構成の平均標準偏差と同様になります。

テイクオフボード上のスパイク付きソールの同じ場所での反復荷重の影響: 3 つの荷重の力-変位曲線。 床材タイプ: TOB-2、義足と地面の角度: 水平、ソールタイプ: スパイク、アライメント: フィット。

走り幅跳びの練習の現実は、この 2 つの状況の中間にあります。つまり、踏み切りボードには、競技やトレーニングで以前に試行したため、常にいくつかの既存のマークが付いており、スパイクがすべてマークのない領域や各領域に影響を与えるわけではありません。マーク以内。 ただし、一部のスパイクが既存のマークに入った場合のブレードの動作は、すべてのスパイクが既存のマークに入った場合の動作に近くなります。 したがって、これらの構成 (TOB-2 または TOB-3 のスパイクソール) では、最初の荷重データは無視され、他の 2 つのテストの荷重の平均値がデータ分析に使用されます。

テスト中のソールの挙動を特徴付けるために、ソールの斑点のある側の局所的なひずみが測定されます。 これらは、DIC ソフトウェア (Corrated Solutions の VIC-2D 6) によって計算されます。 この方法では、カメラ画像を使用してひずみを測定します27,28。 画像内で見つかったパターンの変化 (回転、平行移動、変形) を追跡します。 ここでは、画像内のスペックルのペイント ドットにより、ひずみを再構成できます。 さまざまなパターンを見つけるために、作業ゾーンはサブセットと呼ばれる小さなピクセルのグループにスライスされます (図 6 を参照)。 私たちの場合、治療に使用されるサブセットの平均サイズ（ピクセル単位）は、ランニングソールでは 26 ピクセル（25 ～ 27 ピクセル）、スパイクソールでは 68.6 ピクセル（65 ～ 71 ピクセル）です。 次に、ソフトウェアはパターンの平面内のひずみをグレースケールで計算します。 計算の精度を高めるために、サブセットを定義された数のピクセルとオーバーラップさせることができます。 各ピクセルの結果として生じる歪みは、ガウス重みで重み付けされた、そのピクセルが属する各サブセットの歪みとして計算されます。 ここではオーバーラップはオールソールで 7 ピクセルです。 ソールの先端は大きな変位を示します。 したがって、ひずみを段階的に計算することが選択されます。各画像は次の画像の計算の参照として機能します。 次に、ひずみはラグランジュ テンソルを使用して計算されます。

VIC-2D でのデジタル画像相関 (DIC) プロシージャの初期化。 サブセット グリッドは作業領域に黄色で表示されます (サブセットのサイズ: 25 ピクセル)。

以下の段落では、見かけの剛性と散逸を通じて、地面、ソール、ブレードの相互作用を評価し、議論します。 プロテーゼの挙動を改善するための設定を見つけるには、エネルギー散逸の低減と剛性の向上が求められます。 散逸が低いため、アスリートはストライド中にプロテーゼ内で失われるエネルギーが少なくなります。 ブレードの圧縮中に蓄えられたエネルギーはすべて、離陸時にアスリートに還元されます。 アスリートが求める高い剛性により、圧縮中に同等の変位振幅でより多くの位置エネルギーをブレードに蓄えることができます。

RSP の挙動に対する荷重線の影響を研究するために、ブレードにはランニング ソールが装備され、床材には剛性 (TOB-3) が選択され、義足と地面の角度はフラット (\(\theta =\) 0\( ^\circ \))。 次に、さまざまな荷重線の位置 (-40 mm、-30 mm、-20 mm、-10 mm、0 mm、10 mm、20 mm、30、および 40 mm) が検討されます。 0mmの位置が基準位置（嵌合位置ともいいます）となります。 力と変位の曲線を図 7a に示します。 曲線間に目立った違いはありませんが、到達する最大力は荷重線オフセットが増加するにつれて減少します。

荷重ラインのアライメントが補綴物の挙動に及ぼす影響。 床材タイプ：TOB-3、義足接地角度：水平、ソールタイプ：ランニング。 (a) 力 - 変位曲線、(b) 標準偏差による正規化された剛性と散逸。

図7bでは、剛性と損失の値は最大値に比例して表されています。 剛性の最大値は 28.9 \(\hbox {kN\,m}^{-1}\)、散逸の最大パーセンテージは 19.9% です。 -40 mm の位置では最大剛性に達し、40 mm の位置では最小剛性に達し、6% 低くなります。 − 40 mm の位置でも最大損失に達し、40 mm の位置でも最小損失に達しますが、11% 低くなります。 2 つの極値の間では、剛性と散逸の値は直線的に減少しているように見えます。

これは、アスリートにとって負荷ラインのオフセットはパフォーマンスに関して重要なパラメーターではなく、パフォーマンスを損なう危険を冒さずにブレード先端の位置を調整して良い感覚を得ることができることを示しています。 ただし、剛性を高めながら微細な最適化を実現し、散逸を低減するには、義肢装具士が推奨する位置が適切な妥協点となります。

RSP の行動に対する義足と地面の角度の影響を研究するために、ブレードにはランニングソールが装備され、床は陸上トラック (AT-WS) として選択されます。 次に、さまざまな補綴物と地面の角度を検討します: \(\theta =\) 0\(^\circ \)、10\(^\circ \)、20\(^\circ \)、30\(^\circ \) ）。 補綴物と地面の角度の影響をよりよく確認するために、荷重ラインのさまざまな位置合わせも使用されます: - 40 mm、基準位置、および 40 mm。 力-変位曲線を図8aに示します。 前述したように、最大​​ 20\(^\circ \) の角度では、-40 mm の位置の方が 40 mm の位置よりも剛性が高く、調整された位置はその中間になります。 プロテーゼと地面の角度は、調整された荷重ライン位置でのブレードの動作に、他のアライメントよりもわずかに大きな影響を与えます。

プロテーゼと地面の角度と荷重線の位置がプロテーゼの動作に及ぼす影響。 床材タイプ：AT-WS、ソールタイプ：ランニング。 (a) 力 - 変位曲線、(b) 標準偏差による正規化された剛性と散逸。

図8bでは、剛性と損失の値は最大値に比例して表されています。 剛性の最大値は 27.1 \(\hbox {kN\,m}^{-1}\)、散逸の最大パーセンテージは 13.5% です。 \(\theta =\) 0\(^\circ \) で - 40 mm の位置で最大剛性に達し、 \(\theta =\) 30\( ^\circ \) と 51% 低くなります。 \(\theta =\) 0\(^\circ \) で - 40 mm の位置でも最大損失に達し、 \(\theta =\) 30\( ^\circ \) となり、67% 低くなります。 プロテーゼと地面の間に角度を加えると、剛性とヒステリシス散逸の両方が減少します。 これはブレードの剛性がストライドによって変化することを示しており、Beck et al.21 の結果を裏付けています。

すべての荷重線アライメントの最大剛性は、平らなプロテーゼと地面の角度で達成されるため、これは、メーカーがこのプロテーゼと地面の角度をブレードの動作を最適化および評価するためだけに使用していることを示唆しています。 しかし、プロテーゼと地面の間に角度を追加しても、高い剛性を維持しながら散逸を可能な限り低く抑えるための最適な設定を見つけることはまだできません。 しかし、\(\theta \) の関数としての動作の違いは、スポーツジェスチャーの可能性を示唆しています。\(\theta \ne \) 0\(^\circ \) の剛性が低いほど、圧縮がより容易になる可能性があります。タッチダウン時のアスリートのブレード。 次に、離陸が \(\theta \estimate \) 0\(^\circ \) で発生すると、見かけの剛性が大きくなり、ジャンパーのエネルギーが増加します。 しかし、これは実際には当てはまらず、最後のストライド中に角度が変化します。 しかし、最適なエネルギー復元を達成するために、これらのデータに照らして接地角度と離陸角度を調整することは可能です。

RSP の挙動に対する足裏のタイプの影響を研究するために、平らな義足と地面の角度 (\(\theta =\) 0\(^\ \)) を囲みます。 次に、スパイクソール、ランニングソール、ノーソールなど、さまざまなソール形状が研究されます。 力と変位の曲線を図9aに示します。 剛性と放散の値は、ランニングソールとソールなしの構成ではほぼ同じですが、スパイク付きソールの方が剛性と放散が低くなります。

足底のタイプが義足の動作に及ぼす影響。 床材タイプ：AT-WS、義足と地面の角度：水平、アライメント：フィット。 (a) 力 - 変位曲線、(b) 標準偏差による正規化された剛性と散逸。

図9bでは、剛性と損失の値は最大値に比例して表されています。 剛性の最大値は 26.6 \(\hbox {kN\,m}^{-1}\)、散逸の最大パーセンテージは 14.6% です。 ランニングソールでは最大の剛性に達し、スパイクソールでは最小の剛性に達し、21% 低くなります。 最大放散はソールなしで達成され、最小放散はスパイク付きソールで達成され、41% 低くなります。 ソールなしでブレードが圧縮された場合の高い放散性は、競技トラックとの相互作用によるものです。ブレードのカーボンファイバーは地面と直接接触し、ランニングソールのゴム状素材よりも滑ります。 、滑りと摩擦でより多くのエネルギーを放散します。

スパイクソールとランニングソールの剛性の違いは、地面におけるブレード先端の運動学の違いによって引き起こされる可能性があります（図10を参照）。 スパイク付きソールの場合、スパイクが床材に食い込んで接触点の移動を防ぐため、荷重中に接触点が移動することはありません。 したがって、地面にかかる力の一部は水平方向であり、試験機のロードセルには記録されず、この場合の剛性の低下が説明されます。

荷重中のブレード先端の運動学。 床材タイプ: AT-WS、義足と地面の角度: 水平、アライメント: フィット、ソールタイプ: (a) ランニング、(b) スパイク。

これらの結果は、義足の挙動に対して足裏が重要な役割を果たしていることを示しています。 このセットアップにより、この影響を定量化し、メーカーから入手可能なソールの中からより適切にソールを選択できるようになりますが、陸上競技では必ずスパイクの使用が必要であることを忘れないでください。

RSP の挙動に対する床材の影響を研究するために、平らなプロテーゼと地面の角度 (\(\theta =\) 0\(^\circ \)) を使用して、取り付け位置でブレードをテストします。 次に、6 つの床材 (2 つのテイクオフ ボードと、以前に紹介した 4 つの陸上トラック) を研究します。 テストは2回行われ、最初はランニングソール、次にスパイクソールで行われます。 力と変位の曲線は、ランニングソールについては図 11a に、スパイクソールについては図 11c に示されています。 まず、スパイク付きソールに、見かけの剛性が異なる 2 つのグループの曲線が表示されます。 1 つ目はテイクオフ ボード、2 つ目は陸上トラックが付いています。 この違いはランニングソールではそれほど重要ではありませんが、それでも現れます。 次に、使用するソールや床材の種類によってカーブの形状が変わります。 ランニングソールの力の進化は多項式であり、すべての床材で同様ですが、スパイクソールの場合、挙動はより複雑で、陸上トラックとテイクオフボードでは挙動が異なります。

床材の種類が補綴物の動作に及ぼす影響。 プロテーゼと地面の角度: 水平、アライメント: フィット、(a) ソールのタイプ: ランニング、力 - 変位曲線、および (b) 正規化された剛性と損失。 (c) ソールのタイプ: スパイク付き、力 - 変位曲線、および (d) 標準偏差による正規化された剛性と散逸。

図11b、dでは、剛性と損失の値は最大値に比例して表されています。 ランニング ソールの場合、最大剛性値は 28.3 \(\hbox {kN\,m}^{-1}\) で、最大放散率は 18.7% です。 TOB-3 で最大剛性に達し、AT-K41 で最小剛性に達し、10% 低くなります。 最大損失は TOB-2 で達成され、最小損失は AT-K39 で達成され、37% 低くなります。 スパイク付きソールの場合、剛性の最大値は 24.1 \(\hbox {kN\,m}^{-1}\) で、損失の最大パーセンテージは 9.7% です。 TOB-3 で最大剛性に達し、AT-K41 で最小剛性に達し、15% 低くなります。 最大損失は AT-K37 で達成され、最小損失は TOB-2 で達成され、33% 低くなります。

テイクオフボードの 2 種類のソール間で観察される最大剛性の違いは、図 10 で前に示したブレード先端の運動学によって説明されます。つまり、接地点はランニングソールでは移動しますが、スパイクソールでは移動しません。 これにより、テイクオフボードのスパイクソールにより水平方向の力が大きくなり、ロスが生じます。

テイクオフボードと 2 種類のソールを備えた陸上トラックとでは、剛性の低下に違いが現れます。 剛性の低下は、ランニング ソール (平均 6.5%) よりもスパイク ソール (平均 12.5%) の方がより重要です。 この違いは、各タイプの床材における各足裏の挙動の違いによって説明されます。 ランニングソールの場合、各床材との接触点が移動しますが、陸上競技トラックでは、テイクオフボードの木材よりもこれらの表面のエラストマー素材のソールの摩擦係数が高いため、滑りが難しくなります。 。 スパイク付きソールの場合、スパイクによって床材が凹むため、床材との接触点は変わりませんが、陸上トラックはテイクオフボードとは異なり、変形可能です。 テイクオフボード上のランニングソールの摩擦係数は、水平方向の力の損失、ひいては剛性に対するスパイクソールのブロッキングよりも影響が少ない。

テイクオフボードと 2 種類のソールを備えた陸上トラックの間の散逸損失の違いも現れますが、方向は異なります。 ランニングソールは、陸上トラックではテイクオフボードよりも平均で 31.5% 減熱します。 スパイク付きのソールは、陸上競技トラックよりもテイクオフボードのほうが平均で 25% 減熱します。 テイクオフボード上のスパイク付きソールの消散が少ないことは、踏切ボード上で最後のストライドを実行することが走り幅跳びで有利であることを裏付けています。 アスリートは、ジャンプの全長がパフォーマンスの測定に含まれていることを確認するだけでなく、プロテーゼの圧縮で失われるエネルギーも少なくなります。 この設定により、床材の関数としてエネルギー利得を定量化することができ、特定の種類の陸上競技トラックに応じた最適化も可能です。

次の段落では、靴底の歪みについて説明します。 図 12 は、荷重線が適合した位置にある平らな義足と地面の角度での荷重中および AT-WS 陸上トラック上での靴底の主な主ひずみの推移を示しています。 ソールは圧縮状態で使用されるため、主ひずみは垂直ひずみであると考えられます。 ランニングソール (図 12a) では、ひずみ値は変位とともに増加し、その最大ゾーンの位置はソールと地面の間の接触点の移動に伴って移動します。 スパイクソール (図 12b) では、ひずみの局所化はなく、最大値はランニングソールよりも低くなります。 この違いは、スパイクを収容するためにスパイク付きソールの下側に硬質ポリマー部分が存在することによって説明されます。 この部分はソールを強化し、力をソールの下側全体に分散させます。 対照的に、ランニングソールでは、ソールを構成するエラストマー素材が地面と直接接触し、力が分散されません。

変位荷重の関数としてのソールのひずみプロファイル。 床材タイプ: AT-WS、義足と地面の角度: 水平、アライメント: フィット、ソールタイプ: (a) ランニング、(b) スパイク。

図 13 は、さまざまな床材に荷重線を合わせた平坦な補綴物と地面の角度でのランニングソールの主ひずみの最大値を表しています。 値は、この最大値の位置とは無関係に計算されます。 最大引張ひずみは常に圧縮ひずみよりも低くなります。 ソールの材料はゴム状の材料であるため、ソールのこのような引張歪みは、材料のポアソン効果によるものです。 異なる床材の間で圧縮ひずみの値に大きな差はありません。

床材のタイプに応じた主圧縮ひずみ (濃い青) と引張ひずみ (水色) の値。 義足と地面の角度: 水平、アライメント: フィット、ソールのタイプ: ランニング。

一貫性を確保するために、同じパラメータを使用し、プロテーゼと地面の間の同じ接触点を使用してテストを 3 回連続で繰り返しました。 統計解析はテストの数が少なすぎると実行できませんが、特定の条件では、剛性やエネルギーの散逸に関して非常に小さな偏差でテストを再現できることに注意することが重要です。 提示された一連の結果に示されているように、標準偏差の推定値は非常に低い値を示します。 統計的分散をより適切に評価するには、より大きなデータベースが必要になりますが、実験設定の再現性は保証されていると考えることができます。

スパイクソールを使用した場合のブレードの動作は、ランニングソールを使用した場合よりも複雑になります (図 11 を参照)。 この挙動を研究するために、有効剛性と同様の方法で瞬間剛性が定義されました。 これは、特定の時点の力の値 (F(t)) をその時点の変位 (U(t)) で割ったものとして計算されます。

図 14 は、さまざまな義足と地面の角度およびさまざまな靴底タイプに対する瞬間的な剛性の変化を示しています。 前述したように、プロテーゼと地面の角度の影響は、見かけの剛性の値に顕著に現れます。角度の増加とともに減少します。 ただし、ランニング ソールの場合、瞬間的な剛性は特定の変位閾値を超えるとほぼ直線的に変化します。 この変位の閾値（荷重時および除荷時）は、テストの開始時と終了時に靴底と床材との間の完全な接触が欠如している可能性があることに起因します。 義足と地面の角度を増加させると、ランニングソールの瞬間的な剛性がほぼ一定になります。 スパイク付きソールの場合、進化は剛性率の変化によりさらに複雑になります。 これらの増加は地面の角度に応じて同時に発生するのではなく、角度が増加するにつれて遅れて現れます。

プロテーゼの動作に対するプロテーゼと地面の角度およびソールのタイプの影響。 床材タイプ: TOB-3、アライメント: フィット。 (a) 力 - 変位曲線、(b) 瞬間剛性。

スパイク付きソールを備えた構成のこの動作は、おそらくスパイクの存在によるものです。 スパイク付きソールには、前述したように 6 つのスパイクがあります。 これらのスパイクは、ソールの前部、中央、後部に 2 つずつ配置されています。 義足と地面の角度に応じて、地面と接触するスパイクの数と位置が変わります。 これは、試験中の剛性変化率の違いを説明できます。

さらに、この動作はアスリートがストライド中に義足の反応を感じる方法に影響を与える可能性がありますが、これらの変化は地面の角度による変化ほど重要ではありません。 したがって、アスリートの認識では、接触段階中の義足と地面の角度の変化とが混同される可能性があります。

また、前述したように、スパイクソールはランニングソールよりも多くのエネルギーを散逸します。 しかし、たとえランニングソールの分散が大きくなったとしても、その剛性は高いままです。 そうすれば、スパイク付きソールの素材を変更することで、剛性を失うことなく、より多くの衝撃を吸収することが可能になります。 これは、ステップごとに生じる衝撃から断端を保護し、アスリートの怪我の発生を防ぐのに役立ちます。

ランニングやジャンプ時に発生する実際の地面反力 (GRF) は複雑です (図 15 を参照)。 これらには多方向の反応が含まれており、その結果生じる力はストライド中に方向が変化します29。 しかし、走り幅跳び、特に踏み切りでは垂直方向の反応が優先されます。 助走距離全体の場合、この方向の力は体重の約 6 倍であり 29,30、前後方向の力の 4 倍大きくなります。 結果として、垂直方向のみの努力を測定することで、プロテーゼの反応の重要な部分を推定することができます。 さらに、プロテーゼと地面の角度を変更することで、この多方向の反応の一部が模倣されます。 地面が傾いている場合、測定される垂直力の一部は、最後の力積の前後力に匹敵します。

地面反力 (GRF) は、ハーフ距離助走の離陸時に測定されます。 力は全距離助走の約 2 倍小さくなります。 実線: 平均値、灰色の領域: 標準偏差。

特定のアスリートおよび特定のタイプのブレードに対してこれらの力が特徴付けられたら（図 15 に示すように）、変位ではなく力の観点から負荷を制御することによって実験の基礎を確立することが重要になります。 そうすれば、最大限の努力をしてもブレードが破損しないことを保証することで、アスリートの実際の要求に可能な限り近づくことが可能になります。 前のセクションで示した結果は、力の制御について部分的に推定することができますが、特定の最大力で比較してみると興味深いでしょう。 そうすれば、消費されるエネルギーの測定はより現実を反映し、スポーツのジェスチャーと用具をより効果的に適応させることが可能になります。

このプロトコルのもう 1 つの観点は、使用される圧縮速度に関するものです。圧縮速度は、ストライド中の実際のブレードの変形速度よりもはるかに小さいです。 しかし、この研究は、さまざまなパラメータに応じたプロテーゼの動作をよりよく理解することを目的としています。 このセットアップは、パラメーターを独立させ、その影響を個別に評価するように設計されています。 低速だからこそそれが可能だったのだ。 将来的には、プロテーゼをテストするための完全に動的なセットアップを作成し、ここで示した結果を活用して有用な実験パラメーターを選択する予定です。

セットアップの最後の可能な改善には、プロテーゼと地面の角度が含まれます。 最後の歩幅では、この角度は時間とともに変化しますが、この研究では固定されています。 セットアップを改善するには、アングル取り付け部分を電動化することが可能です。 これは、この研究を継続するために想定される視点の 1 つです。

結論として、開発された革新的なセットアップと方法により、脛骨 RSP の機械的挙動と足裏の局所的挙動を特徴付けることができます。 セットアップは、試験機とカメラに基づく簡単な実験です。 これは、陸上競技のコーチとアスリートに関連する 2 つの指標、つまりセカント剛性とエネルギー散逸を評価します。 どちらもジャンプのパフォーマンスと怪我のリスクに影響を与える可能性があります。 このセットアップは基本的なものであり、ほとんどのテスト マシンにほとんど変更を加えずに取り付けることができます。 テストパラメータ、境界条件、荷重条件は適切に制御されています。 すべてのパラメーターは、陸上競技で使用される範囲 (材質、値など) に近い範囲で変化するため、このセットアップは、アスリートを巻き込んだり、負傷の危険を冒したりすることなく、ブレードの動作を理解して調整するための貴重なツールになります。

評価される 4 つのパラメータは、荷重ラインのオフセット、プロテーゼと地面の角度、ソールのタイプ、床材のタイプです。 これらのパラメータの中には、他のパラメータよりも大きな影響を与えるものがあることがわかりました。 荷重線の位置合わせは、地面とソールとブレードの相互作用の挙動にほとんど影響しません。 床材の種類の影響は使用するソールによって異なります。 ここでの興味深い結果は、テイクオフボードのスパイク付きソールではエネルギーの散逸が少ないということです。 これは、アスリートにとって、距離と剛性の両方を獲得するためにテイクオフボード上で最後のストライドを行うことの重要性を強化します。 プロテーゼと地面の角度は剛性に影響します。角度が増加すると、剛性が大幅に低下します。 これは、アスリートの観点からプロテーゼの剛性を最適化する接地角度と離陸角度を見つけることが可能である可能性を示唆しています。 パフォーマンスを向上させるには、ブレードを容易に変形させるタッチダウン角度と剛性を最大化するテイクオフ角度を見つけることが興味深いです。 ソールのタイプは、地面との相互作用におけるブレード先端の運動学に影響を与えます。 ただし、スポーツの練習ではスパイクの使用が義務付けられるため、この効果を陸上競技で使用するのはより困難です。 さらに研究できる問題の 1 つは、ソールのスパイクの位置と数です。

カメラ画像により、圧縮プロセスによる足裏の歪みを追跡することができます。 ひずみのマッピングにより、ランニング ソールを装備したアスリートのストライドがどのように展開するかがわかります。 これは、ソールを改良して歪みを分散したり、最大値の位置を変更したりできる可能性があることを示唆しています。 床材のタイプに応じた主圧縮は、将来、パラ陸上競技選手により適した床材を見つけるのにも役立ちます。

将来の研究では、他のブレードの形状や剛性、他のソールをテストすることも興味深いかもしれません。 感度研究は、アスリートが走り幅跳びに最適な RSP を選択するのに役立ちます。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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リファレンスをダウンロードする

著者らは、この研究に資金を提供してくれた EDF 財団、陸上トラックを提供してくれた MONDO Worldwide の Andrea Marenghi、そしてプロテーゼを提供してくれたフランス運動連盟に感謝します。 著者らはまた、試験機の取り付けに協力と貢献をしてくれた Lahcène Cherfa に感謝したいと思います。

IMSIA、CEA、CNRS、EDF、ENSTA Paris、パリ工科大学、91120、パレゾー、フランス

エロディ・ドワイヤン、ファビアン・シュミトカ、ジャン＝フランソワ・サンブラ

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ED が実験を考案し、実施しました。 ED は FS および J.-FS との議論の中で結果を分析し、著者全員が原稿をレビューしました。

エロディ・ドワイヤンへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

オープン アクセス この記事はクリエイティブ コモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされており、元の著者と情報源に適切なクレジットを表示する限り、あらゆる媒体または形式での使用、共有、翻案、配布、複製が許可されます。クリエイティブ コモンズ ライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられたかどうかを示します。 この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、素材のクレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれています。 素材が記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれておらず、意図した使用が法的規制で許可されていない場合、または許可されている使用を超えている場合は、著作権所有者から直接許可を得る必要があります。 このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

Doyen, É.、Szmytka, F.、Semblat, JF. 走り幅跳び用の地面と人工脛骨の間の機械的相互作用の新しい特性評価プロトコル。 Sci Rep 13、5226 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31981-2

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受信日: 2022 年 7 月 5 日

受理日: 2023 年 3 月 21 日

発行日: 2023 年 3 月 30 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31981-2

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