Сгибание бедра в тренажере: Разгибания ног в тренажере — SportWiki энциклопедия

Разгибания ног в тренажере — SportWiki энциклопедия

Разгибания ног в тренажёре

Разгибания ног в тренажёре — изолирующее упражнение на квадрицепсы — передняя поверхность бедра.

Разгибания ног в тренажёре

Стабилизирующие мышцы

• Умеренная стабилизация осуществляется абдоминальной группой мышц, мышцей, выпрямляющей позвоночник нижними и средними частями трапециевидных мышц, ромбовидными мышцами.

Техника упражнения

• Возьмитесь руками за рукоятки или за края сиденья для придания телу устойчивого положения. Колени согнуть и поместить щиколотки под валики
• Сделать вдох и распрямить ноги до горизонтального положения. Затем, опуская валики, медленно вернуться в исходное положение;
• По окончании движения сделать выдох. Это движение лучше всего подходит для изолированной нагрузки на четырёхглавые мышцы.

Советы относительно правильной техники выполнения упражнения:

• Работайте медленно, не пользуясь силой инерции.
• Не допускайте чрезмерного разгибания коленных суставов.
• Прижмитесь спиной к сиденью тренажёра. Не приподнимайтесь и не смещайтесь при выполнении упражнения.
• Сфокусируйте внимание на «выжимании» веса от квадрицепсов как противоположном подъёму отягощения от стоп. Также избегайте «тянуть на себя» ручки тренажёра для усиления движения.
• Делайте вдох при движении вверх; выдох — при движении вниз.

Это упражнение обычно рекомендуют начинающим. Его всегда полезно применять до выполнения технически более сложных упражнений. Считается, что разгибания ног в тренажёре не является лучшим упражнением для роста мышц. Разгибания ног в тренажёре дают чрезмерно большую нагрузку на связки коленного сустава, поэтому не следует использовать значительные веса. Для акцентированной проработки нижней части квадрицепсов можно выполнять упражнение одной ногой.

Анализ движения	Сустав
Сустав	Коленный
Направления движений в суставах	Вниз — сгибание Вверх — разгибание
Мобилизирующие мышцы	Квадрицепсы

Экстензия ног относится к категории изолирующих упражнений, поскольку здесь в движение приводятся только тазобедренные суставы. В итоге экстензия ног не задействует мышцы, окружающие четырёхглавые мышцы бёдер. Экстензия ног часто используется для того, чтобы разогреть коленные суставы в начале тренировки ног.

Выполнение

Сядьте на сиденье тренажёра для экстензии ног и закрепите ноги под рамой. Напрягите четырёхглавые мышцы бёдер и выпрямите ноги. Зафиксируйте это положение минимум на секунду, затем согните ноги и повторите.

Преимущество

• В отличие от большинства упражнений для четырёхглавых мышц бёдер, экстензия ног не вызывает сжатия позвоночника.

Недостаток

• Используется для выделения каждой головки четырёхглавой мышцы бедра. Ягодичные мышцы здесь не задействуются. Таким образом, если вашей главной целью является развитие ягодиц, это упражнение для вас не лучший выбор.

Здесь колени находятся в травмоопасном положении, поскольку четырёхглавые мышцы бёдер сокращаются вместе с задней группой мышц бёдер, создавая равную нагрузку на колени с обеих сторон.

Рекомендации

• Положите руки на четырёхглавые мышцы бёдер, чтобы лучше прочувствовать сокращение этих мышц.
• Не прогибайте спину в пояснице, старясь сильнее напрячь четырёхглавые мышцы бёдер.

Вариант экстензии ног на стуле[править | править код]

Это упражнение можно выполнять сидя, тренируя одну ногу за раз. Чтобы увеличить нагрузку, можно использовать утяжелители для голеней.

Вариант экстензии ног на стуле

Сгибание ног сидя в тренажере

Толстые, глубоко прорисованные бицепсы бедер придают эффектный изгиб бедру любого бодибилдера, но лишь немногие могут похвастаться их пиком в сокращенном состоянии, подобным бицепсам рук. Оно и понятно – мало кто уделяет развитию бицепсов бедер столько же внимания, сколько достается квадрицепсам. Увы, можно иметь огромные, бугрящиеся мышцами квадрицепсы – результат множества приседаний и экстензий ног – и одновременно плоские бицепсы бедер. Обычно это результат одного-двух сетов сгибаний ног лежа в конце тренировки квадрицепсов, когда уровень энергии уже на нуле.

Существует несколько путей решения этой проблемы. Можно всегда стоять лицом к собеседнику, чтобы не показывать свои слабо развитые бицепсы бедер, но стоит тебе чуть повернуться, и тайное тут же станет явным. Это не очень удачная идея, к тому же слабые бицепсы бедер принесут тебе проигрышные очки в позе «грудь сбоку». Другой выход – такой же глупый – всю жизнь носить брюки. В этом случае тебе будет трудно объяснить свое поведение на пляже, да и твоих прекрасно развитых квадрицепсов никто не увидит. И последний вариант – изменить свое тренировочное расписание и начинать день с упражнения сгибание ног сидя (тренировки бицепсов бедер).

Сгибание ног сидя – техника выполнения

Довольно трудно одним упражнением задействовать все мышцы задней поверхности бедра. Для того чтобы избежать этой проблемы в сгибаниях ног, тазобедренный сустав должен быть зафиксирован, а мышцы задней поверхности бедра растянуты, в то время как коленный сустав может двигаться. Для этого хорошо подойдет упражнение сгибание ног сидя.

В этом упражнении тазобедренный сустав зафиксирован. Упражнение сгибание ног сидя довольно строгое, в чем то похоже на концентрированные сгибания руки с гантелью.

1. Начиная упражнение сгибание ног сидя отрегулируй спинку тренажера так, чтобы колени находились прямо над краем сиденья. Установи стабилизирующий бедра валик так, чтобы он не пересекал колени – колено должно двигаться совершенно свободно. Тазобедренный сустав будет согнут.
2. Нижний валик должен находиться прямо над ахиллесовыми сухожилиями.
3. Руками держись за рукоятки, чтобы стабилизировать корпус.
4. В стартовом положении ноги выпрямлены (или немного согнуты в коленях). Вдохни и на выдохе согни ноги в угол больше 90 градусов. Представь, что ты стараешься коснуться пятками нижней поверхности сиденья. При этом не позволяй бедрам оторваться от сиденья.
5. Задержись в сокращенной позиции на два счета, а затем на вдохе выпрями ноги, вернувшись в стартовую позицию. Не позволяй ногам полностью распрямиться, а отягощению опуститься на опоры – сразу же начинай следующее повторение.

Выполняя упражнение, сгибание ног сидя, при желании можно немного увеличить интенсивность (например, в последних двух повторениях) во время сгибания ног оттяни носки вниз. Позиция стоп не особо влияет на работу бицепсов бедер, но такое движение снизит эффективность работы икроножных мышц, которые также участвуют в сгибании коленного сустава. В таком случае помощи от них будет меньше, и бицепсам бедер работать будет тяжелее, что выразится в усилении жжения в них.

Растяжка мышц задней поверхности бедра между сетами весьма полезна, так как хорошая гибкость этой группы мышц снижает вероятность травм и болей в спине, возникающих из-за их тугоподвижности. Выпрями ноги в коленях и медленно приближай к ним грудь. Шею старайся не сгибать. Задержись в растянутой позиции не менее 10 секунд и выполни два сета растяжки. Это позволит избежать будущих травм выполняя упражнение сгибание ног сидя.

Упражнение сгибание ног сидя довольно скучное, ведь ты даже не видишь бицепсы бедер и как они сокращаются, однако, не стоит использовать это обстоятельство для отказа от работы. Наоборот, ты должен сконцентрироваться на этом упражнении больше, чем на других. Здесь очень легко нарушить строгую технику, приподняться с сиденья или оттянуть на себя носки, чтобы облегчить повторения.

СОВЕТ
Используете тренажер для разгибаний, у которого есть наклонная спинка. Когда туловище отклонено назад, исключается возможный читинг за счет мышц тела.

Если ты справишься со всеми этими искушениями и сосредоточишься на интенсивной проработке мышц задней поверхности бедра, то награда не заставит себя долго ждать. Уже через 3-4 месяца ты полюбишь сгибание ног сидя и увидишь плоды своих трудов: у твоих ног уже не будет двухмерного вида, и необходимость в длинных брюках отпадет. Низ тела будет отлично смотреться под любым углом.

СОВЕТ
Одинаково бесполезен как быстрый, так и слишком медленный ритм подъемов. Ищите свою золотую середину

Техника выполнения упражнения сгибание ног в тренажере

Сгибание ног в тренажере — одно из самых популярных упражнения для работы с ягодицами и задней поверхностью бедра.

Однако, как показывает практика, многие девушки делаю его неправильно, чем снижают эффективность тренировки, а также рискуют получить травму. Как правильно выполнять сгибание ног с тренажере — читай в нашем материале. 

ЧИТАЙ ТАКЖЕ — Можно ли похудеть на кокосовой воде

Упражнение сгибание ног в тренажере предназначено для активной работы с группой мышц-сгибателей бедра. Если говорить проще, то выполнение данного упражнения помогает сделать рельефными контуры бедер, а также точно проработать границу между бедром и ягодицами. Главными мышцами, с которыми работает данное упражнение, являются бицепсы бедра, хотя второстепенно задействованы и ягодицы, и икры. 

КАК ПРАВИЛЬНО ВЫПОЛНЯТЬ СГИБАНИЕ НОГ В ТРЕНАЖЕРЕ

Для выполнения данного упражнения ляг на скамью тренажера. При этом очень важно правильно отрегулировать его положение. Так, нижний валик должен располагаться приблизительно на расстоянии 20 см от пятки. В то же время, колени должны немного выходить за пределы скамьи. Если в таком положении ты чувствуешь некий дискомфорт, подложи под живот свернутое полотенце, это уберет неприятные ощущения. Далее, полностью положи торс на скамью, голова находится на одной линии со спиной, взгляд направлен прямо, руками нужно упереться в специальные рукоятки. 

На вдохе начни сгибать ноги. Обрати внимание, что темп выполнения упражнения должен быть медленным: без рывков и спешки. При выборе веса, стартуй от 15 килограмм, и увеличивай его по мере необходимости, когда будешь чувствовать, что данную отметку веса ты преодолела. Разгибай ноги на вдохе. 

Читать также: Как правильно делать верхнюю тягу: правильная и эффективная техника

Помни, при сгибании ног нужно стремиться к тому, чтобы дотянуться ими до ягодиц, а вот при разгибании не нужно разгибать ноги полностью — колени должны оставаться согнутыми.

 Выполняй данной упражнение в конце тренировки для ног. Так оно будет наиболее эффективным. 

Читать также: Сексуальные ягодицы: как правильно делать тягу на прямых ногах

Обычно новичкам прописывают выполнять 3 подхода в 12-15 повторений. Также подчеркнем, сгибание ног в тренажере, при неправильном выполнении может спровоцировать травму нижней части позвоночника или коленей. Чтобы избежать этого, держи спину во время выполнения упражнения без прогиба, а также ни в коем случае не разгибай колени. 

Смотреть онлайн видео Как правильно делать сгибание ног в тренажере: детальная техника выполнения

Сгибание ног в тренажере — одно из самых популярных упражнения для работы с ягодицами и задней поверхностью бедра. Как правильно выполнять сгибание ног с тренажере — читай в нашем материале.315615https://www.youtube.com/embed/6Q84re6jMAs2016-02-29T13:59:07+02:00T2h5M0S

Автор: Наталия Вересюк

Материалы по теме:

Лучшие упражнения для проработки бицепса бедра

Хотите быстро и качественно увеличить бицепс бедра? Тогда читайте статью «Лучшие упражнения для проработки бицепса бедра»…

На самом деле для того чтобы действительно интенсивно прокачать свои бицепсы бёдер вам будет достаточно всего навсего ОДНОГО единственного упражнения за всю вашу тренировку.

Почему? Всё очень просто.

Меняя один тренажёр на другой, вы тем самым в действительности выполняете лишь одно и тоже движение а именно сгибание ног. При этом абсолютно неважно как вы будете сгибать свои ноги будь это, лёжа, стоя или сидя.

Абсолютно нет никакой разницы в том, в каком из этих положений вы будете сгибать ноги для того чтобы проработать свои мышцы. Потому как и в том и в другом случае вы всё равно выполняете одно и тоже движение по одной и той же заданной траектории движения.

Поэтому я надеюсь вы понимаете что выполнять и прорабатывать бицепсы бёдер на разных тренажёрах это попросту пустая трата времени.

Потому как будет вполне достаточно выбрать только лишь ОДНО единственное упражнение при котором ваши мышцы бицепса бедра отзываются для вас лучше всего и постоянно над этим упражнением работать.

Это могут быть как сгибания ног лёжа в тренажёре, так и сгибания ног сидя или стоя, либо вы можете вообще работать в тренажёре кроссовер прикрепив к ноге лямку от нижнего блока.

Как видите различных вариантов достаточно много, но, как правило, все они выполняют лишь одно и то же движение, при котором ваши мышцы работают в одном и том же положении, сокращая тем самым ваши бицепсы бёдер…

Поэтому следует выбрать только одно проверенное вами упражнение и работать уже только с ним.

Но также существует ещё одно потрясающее упражнение, которое в корне отличается от всех остальных и называется оно экстензия для бицепса бёдер.

Чем оно отличается?

Если в обычных упражнениях у нас тело всегда зафиксировано, а само сокращение бицепса бедра у нас происходит только лишь за счёт сгибания ноги в коленном суставе, то в этом упражнение у нас всё наоборот.

Вы фиксируете ноги и сокращаете бицепсы бёдер за счёт сгибания туловища и тазобедренного сустава. Это очень тяжёлое но в тоже время очень эффективное упражнение для проработки бицепса бедра.

Выполняя всего два упражнения такие как сгибания ног в тренажёре и экстензию для бицепса бёдер ваши мышцы будут прогрессировать как никогда.

Какие методы тренинга лучше всего использовать?

Также вы можете использовать различные методы тренировок, которые также повысят эффективность ваших тренировок.

Здесь я посоветую вам только ДВА метода работы для повышения интенсивности ваших тренировок это высокообъёмный тренинг и высокоинтенсивный тренинг.

Высокообъёмный тренинг:
Высокообъёмный тренинг состоит всего из ПЯТИ подходов с 30 — 60 секундным отдыхом между ними, чем меньше отдых, тем выше будет ваша интенсивность, при этом с каждым рабочим подходом будет прибавляться рабочий вес снаряда.

• Подход 1 – 20 повторений (ваш начальный вес снаряда)
• Подход 2 – 15 повторений (увеличение рабочего снаряда)
• Подход 3 – 10 повторений (увеличение рабочего снаряда)
• Подход 4 – 5 повторений (увеличение рабочего снаряда)
• Подход 5 – Max количество повторений (увеличение рабочего снаряда)

Такой метод позволяет максимально эффективно истощать и доводить ваши мышцы до полного мышечного отказа…

Также советую попробовать ещё одну интересную методику для развития ваших грудных мышц под названием метод 50/100.

Высокоинтенсивный тренинг:
Высокоинтенсивный тренинг по «методу 50/100» даёт вам просто колоссальную интенсивность на всех ваших тренировках и во всех ваших упражнениях где оно используется.

Метод 50/100 заключается в том, чтобы утомить мышцы двумя подходами стоящие сразу друг за другом, образуя тем самым «суперсет».

Такой подход даёт вам эффективно прорабатывать свои мышцы и каждый раз доводить их до мышечного истощения.

Метод 50/100 и принцип его выполнения:

Первый подход это лёгкий подход который будет равен 50% весу от предстоящего рабочего подхода, состоящий из 15 — 20 повторений в зависимости от вашего запланированного рабочего веса Такой подход позволяет максимально утомлять выбранную вами группу мышц, при этом практически не утомляя слабые мышечные звенья.

Когда вы утомили рабочую группу мышц в своём первом подходе, вы переходите сразу же к своему второму рабочему подходу с заранее уже запланированным 100% рабочим весом состоящего из 6 — 10 повторений, который уже добьёт утомившиеся мышцы и даст вам уже новый толчок для их роста.

Эти два метода тренировок как нельзя лучше подходят для проработки многих мышц, но я также вам советую попробовать дополнить эти ДВА метода, которые я описал выше ещё и частичными повторениями, т.е. заменить полную амплитуду на частичную. И вы очень скоро увидите отличные результаты…

Сгибание ног в тренажере лежа — упражнение для задней поверхности бедра — Fit4Gym

Сгибание ног в тренажере лежа, в отличии от разгибания ног в тренажере сидя, которые прорабатывают мышцы передней поверхности бедра, предназначены для того, чтобы акцентировано проработать мышцы задней поверхности бедра. Именно поэтому, это упражнение пользуется огромной популярностью среди девушек, которые хотят подтянуть мышцы задней поверхности бедер и ягодицы. Тем не менее, новички и профессиональные атлеты также не редко применяют сгибание ног в тренажере лежа в своих тренировках для того чтобы и прицельно проработать бицепсы бедер.

Так как сгибания ног это изолирующее упражнение для бицепса бедра, оно вряд ли поможет вам накачать ноги. Для этого лучше всего подходят тяжелые базовые упражнения, такие как приседания со штангой и мертвая тяга. Сгибания ног же чаще всего применяют девушки для того чтобы подтянуть заднюю поверхность бедра, а профессиональные атлеты для улучшения детализации и сепарации бицепса бедра. Новичкам данное упражнение поможет укрепить мышцы задней поверхности бедра, прежде чем приступить к выполнению более сложных движений, таких как становая или мертвая тяга.

Как понимаете, для выполнения этого упражнения вам понадобится специальный тренажер или станок для сгибания ног лежа. Тем не менее, если в вашем зале отсутствует такой тренажер или вы занимаетесь в домашних условиях, для того чтобы подтянуть заднюю поверхность бедра вы можете выполнять аналогичное упражнение с гантелью.

Для того чтобы выполнить сгибание ног с гантелью вам нужно лечь животом на скамью, так чтобы ваше колени находились на краю скамьи и удерживая гантель между стоп выполнять сгибание ног.

1. Лягте на станок или тренажер для сгибания ног, так чтобы опорные валики тренажера находились над вашими ахилловыми сухожилиями и крепко возьмитесь обеими руками за боковые рукоятки тренажера, чтобы придать телу устойчивое положение. Спину удерживайте ровной, взгляд направлен прямо перед собой.
2. Медленно, без рывков и резких движений, на выдохе акцентированным усилием бицепсов бедер согните ноги в коленных суставах и сделайте короткую паузу в верхней фазе амплитуды движения, удерживая статическое пиковое сокращение.
3. На вдохе медленно опустите вес и вернитесь в начальное положение, чувствуя как при этом растягивается бицепс бедра. Сделайте необходимое количество повторений и подходов.

Как видите, техника выполнения сгибания ног довольно проста. Тем не менее есть много нюансов, на которые стоит обратить внимание при выполнении этого упражнения для ног.

Примечания к выполнению упражнения сгибание ног в тренажере лежа

• Прежде чем приступить к выполнению упражнения отрегулируйте и подстройте тренажер для сгибания ног под себя, чтобы вам было комфортно выполнять упражнение.
• При работе с большими весами не распрямляйте полностью ноги в нижней точке амплитуды, чтобы не травмировать подколенные сухожилия, так как если выполнять упражнение по полной амплитуде с большим весом, когда ноги полностью разогнуты мышцы расслабляются и при выполнении следующего повторения в начале движения вся нагрузка ложится на сухожилия. Поэтому, с большим весом старайтесь постоянно удерживать мышцы под нагрузкой. Для этого чуть-чуть не до конца распрямляйте ноги.
• Соблюдайте правильную технику выполнения упражнения и не гонитесь за весами, чтобы не травмировать сухожилия. Если вы не в состоянии выполнить 10-12 повторений придерживаясь строгой техники, значит нужно снизить рабочий вес.
• Выполняйте сгибания ног в тренажере в конце тренировки ног, после приседаний, мертвой тяги, жимов ногами в тренажере.
• Постепенно увеличивайте рабочий вес в упражнении, чтобы разогреть мышцы и сухожилия перед интенсивной работой и не травмировать их.
• Опытные атлеты могут для большей концентрации делать сгибания ног в тренажере лежа поочередно каждой ногой. Новичкам же лучше придерживаться традиционной техники выполнения упражнения.

виды упражнений, техника выполнения, альтернативные варианты

Сгибания ног сидя

Сядьте на сиденье тренажера. Позицию спинки отрегулируйте так, чтобы нижний край сиденья пришелся точно под ваши колени. Положение подвижного валика тоже можно регулировать. Вы должны упереться в валик лодыжками. Опустите на колени опорный валик и защелкните замок. Прочно возьмитесь за опорные рукояти для рук, чтобы стабилизировать положение тела. Медленно согните колени и усилием бицепсов бедер опустите подвижный валик вниз. В конечной точке движения сделайте короткую паузу и только потом «отпустите» отягощение. Подчеркнуто медленно разгибайте коленные суставы. В исходном положении не распрямляйте колени «в замок», держите их чуть согнутыми.

ПРИМЕЧАНИЯ Чтобы усилить нагрузку на внутреннюю область бицепсов бедер, сведите носки ступней.

Разгибание бедра в тренажере

Разгибание ноги в тренажере следует прописать последним в программе тренировок, так как после длительной тренировки организм уже привык к нагрузке, но уже устал, и не сможет осилить силовую часть программы.

Техника выполнения отведения бедра в тренажере:

1. В первую очередь необходимо правильно подобрать вес. Не следует слишком сильно напрягать организм, так как это упражнение не позволит нарастить мускулатуру.
2. Затем необходимо встать в стойку.
3. После нужно упереться в валик на тренажере. Сделать это нужно обязательно, так как в противном случае, вся нагрузка ляжет на мышцы пресса.
4. После того как все будет готово, надо одной ногой поднять груз и плавно отвести ногу назад. В крайней точке необходимо задержаться на пару секунд, затем вернуться в исходное положение и повторить проделанное.

Делая разгибание бедра в этом устройстве важно следить за ногами, они не должны сгибаться в колене. Так как это приводит к смещению нагрузки на костное сочленение, из-за чего можно травмировать ногу.

Лепим тело к лету

Сделать ноги и ягодицы обаятельными мечтает каждая девушка. Для этого нужно набрать достаточного объема мышечной массы и как результат сделать их упругими. К сожалению, сегодня большинство женщин в этом плане остаются только мечтательницами, а не воплотителями желаний в реальности. На самом деле накачать попу совсем несложно, главное желание и акцент на силовых тренировках. Если бы таким подходом руководствовались современные представительницы слабого пола, количество «вкусных» форм на улице резко бы увеличилась.

Летом попа очень важна

Интенсивная проработка ног и ягодиц в рамках одной тренировки очень продуктивна для набора мышечной массы. Не исключено, что видимый, а может и окончательный желаемый результат, можно будет наблюдать уже спустя месяц-два. Никто не говорит что тренировки будут легкими, но оно того стоит, тем более что продолжительность занятий не займет много времени.

Физиология ног и ягодиц

Ноги и от части ягодицы почти каждый день задействованы в обычном ритме жизни человека. Даже при сидении за рабочим столом в работу включаются большая и малая ягодичные мышцы, но при этом они совсем не тренируются. Даже многократное выполнение подобных статических движений никакой пользы для мускулатуры ягодиц не принесут. Для весомых результатов мало сидеть, накачать попу девушке это не поможет, нужно напрягать свое тело иным образом.

Анатомия ягодиц и ног

Придать ягодицам небольшого тонуса можно с помощью разных упражнений, одним из таких является отведение и приведение ноги в положении стоя. Но даже стократное повторение совсем не отобразиться на мышечном росте. Временный тонус достигается за счет прилива крови к этой области и скопления здесь межклеточной жидкости. Через несколько часов кровь отойдет в «круги своя», мышцы восстановляться и все будет как прежде. Как видите набрать вес таким способом не получиться, только для поддержания тонуса. Качать мышцы нужно силовыми нагрузками с большими весами и небольшим количеством повторов. Всякая тренировка, конечно же, должна начинаться с разминки.

Короткий курс анатомии ягодичных мышц

Этот начальный этап тренировки носит важнейшую роль, поскольку подготавливает тело к последующим нагрузкам, тем самым уменьшат риск получения травм

В нашем случае основное внимание нужно уделить нижней части тела. Кроме мускулатуры, в тренировках участвуют суставы, сухожилья, которые нельзя «эксплуатировать» без разминки

Иначе, к примеру, в суставах могут появиться щелканья, отеки после занятий, боль. Так что, если не хотите рисковать, лучше не забывать о разминке. Наполненность этого этапа включает в себя 10-15 минутные аэробные нагрузки в виде пробежки, занятий на велотренажере, эллипсе и т.п. Потом следует выполнить несколько выпадов или приседаний, дабы подготовить суставы. Особо полезна для ягодичных мышц пробежка под уклоном. Для нее в условиях спортзала используют специальную беговую дорожку.

Разминка перед любой силовой тренировкой

Разгибаем ноги в положении сидя

Такой тренажер присутствует как в элитных залах, так и в спортзалах эконом-класса. Тренажер достаточно популярный, многие включают занятия на нем в свою основную программу тренировок. Но при этом каждый тренирующийся старается взять от выполнения упражнения максимум пользы.

Учитывая особенности и потребности собственного тела, каждый видоизменяет разгибание под себя. Чтобы выяснить, насколько целесообразно менять стандартное упражнение и до какой степени это можно делать, нужно разобраться в каждой детали процесса сгибания ног.

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.

Возможные варианты выполнения сгибаний ног лежа

Поочередные сгибания ног в тренажере лежа

Поочередные сгибания ног в тренажере лежа

Упражнение выполняется аналогично основному сгибанию ног. Разница лишь в поочередной проработке каждой ноги по отдельности. Рекомендуется выполнять, если у вас имеется дисбаланс мышц между ногами. Например, левая слабее правой. В таком случае обязательно начинайте подход именно с левой (отстающей) ноги.

Сгибания ног с гантелью лежа на полу

Сгибания ног с гантелью лежа на полу

Такой вариант упражнения подойдет, в качестве альтернативы, если в тренажерном зале отсутствует тренажер для сгибания ног лежа.

Выполняется лежа на полу, в ногах между стоп удерживается гантель. Такой вариант можно делать лежа на скамье. Для этого необходим партнер, чтобы подал и контролировал гантель. Вариант сгибаний лежа на скамье, позволяет использовать большую амплитуду движения.

Советы

• Всегда делайте концентрированные движения. Думайте о целевых мышцах – бицепсах бедра. Подъемы под нагрузкой делайте быстро, а опускания без нагрузки в два раза медленнее.
• Дышите правильно. Под нагрузкой, при сгибании ног делайте выдох. При разгибании делайте вдох.
• Не делайте остановок во время подхода. Делая остановку, вы ухудшаете качество проработки мышц за текущий подход. Эффективнее сделать меньший вес, но без остановки.
• Держите носки стоп в нейтральном положении. Когда носки натянуты, сильно напрягаются мышцы голени.

Упражнения для ягодиц

Рост и интенсивное формирование ягодичных мышц обеспечивается использованием свободных весов при выполнении упражнений в виде гантелей и штанги. Лучший комплекс упражнений для гипертрофии мышц составлен из приседов, становой тяги, махов, и выпадов, естественно с отягощениями.

Приседания с гантелями. Анатомия упражнения

Приседания

Пожалуй, это самое сложное упражнение со списка, на первых порах нужно обзавестись сторонним наблюдением напарника. На протяжении всего сета, с первого до последнего повторения надо держать ступню полностью упертой в пол. В том, до какого уровня нужно приседать существуют разногласия. Они предлагают приседать по максимуму, другие – только до уровня параллельности бедра и пола. Известно, что в первом варианте больше задействованы суставы, что не совсем полезно для них. Впрочем, только вам решать этот спор. Выталкивая туловище наверх, старайтесь акцентировать усилие больше на ягодичных мышцах, чем на передней части бедра. Чтобы получить результаты регулярность тренировок должна составлять 2-3 раза в неделю. Каждый раз следует выполнять 5-6 сетов по 10-15 повторов. А вот если результаты уже достигнуты, достаточно одной тренировки в неделю такой же интенсивности.

Правильное положение тела во время приседаний

Становая тяга

Многим приходилось слышать об этом упражнении, но не все знают, что оно представляет собой в деталях. Прежде чем начать использовать штангу, новичку желательно научиться технике с помощью гантелей. Они позволяют обеспечить естественный прогиб в пояснице в течение всего подхода и дольше держать лопатки сведенными.

Становая тяга. Анатомия упражнения

Возьмите в вытянутые вдоль туловища руки гантели, сведите лопатки, прогнитесь в пояснице и направьте свой взгляд строго вперед. В таком положении отведите попу немного назад и начинайте опускать тело вертикально вниз пока не почувствуете как в задней части бедра не потянулись мышцы. Как только это достигнуто, можете выпрямляться. В данных движениях кроется весь смысл упражнения.

Становая тяга хорошо воздействует на ягодицы и бедра, способствует быстрому наращиванию мышц, чем подготавливает их к тренировке ног. Упражнение нужно выполнять дважды в неделю за схемой 4-5Х6-10 повторений. Для поддержки результатов одноразовых занятий по схеме 3-4Х10-12 будет вполне достаточно.

Выполнение становой тяги

Различают довольно много вариаций данного упражнения в зависимости от степени нагрузки на ту или иную группу мышц. Что касаться ягодичной области, то тут наиболее продуктивными для мускулатуры станут выпады назад или выпады с платформы (статические).

Выпады с гантелями. Анатомия упражнений

Обзаведитесь степом или другим подручным возвышением высотой 15-20 см. Становитесь к нему спиной и запрокиньте одну ногу назад, чтобы носок уперся на край платформы. В данном положении начинайте сгибать колено опорной ноги, пока угол прогиба не достигнет 90 градусов, потом за счет напряжения в ягодичной мышце вернитесь начальную позицию и т.д. Сначала прорабатывают одну ногу, потом меняют ориентацию и приступают к другой. Тренировки с выпадами проводят дважды или трижды в неделю по схеме 2-3Х13-15 повторений

Если предстоит цель больше уделить внимание ногам, а не попе, то вместо выпадов на степе лучше практиковать классический способ выполнения, который позволяет больше нагружать квадрицепс

Тренировка ягодиц. Выпады

Махи с отягощением

Этот вариант выполнения махов призван нагрузить мелкие мышцы сгибателей. Если вы работаете в тренажерном зале, то наверняка там есть специальные тренажеры, если же нет, совсем не страшно, можно обойтись и без подобной техники. Делается это следующим образом: на лодыжке закрепите отягощение, станьте на четвереньки и начинайте поочередно поднимать ноги, сначала 12-15 повторений для одной ноги, потом для второй. Верхняя точка поднятия должна размещаться в месте параллельности бедра и пола, в ней нужно задержаться на несколько секунд. Опускание ноги происходит плавно. Делайте подъемы так, будто забиваете пяткой гвоздь в потолок. Двух занятий в неделю за схемой 2Х20-25 достаточно для хорошей нагрузки.

Чем можно заменить упражнение

Если в зале нет такого тренажера либо же хочется иметь альтернативу для домашних тренировок, то можно выполнять другие упражнения, прорабатывающие те же группы мышц.

Одним из таких будут подъемы ног из положения стоя назад. Оно активизирует заднюю часть бедра, ягодицы, икры и поясницу. Помимо этого, еще и будет развивать гибкость и умение балансировать.

Сгибание ног дома можно делать лежа на полу. При этом тело плотно прижимается к полу, руки сложены под головой, между ступнями удерживается гантель. Эффект такого упражнения будет практически идентичен тому, что исполняется на тренажере.

Как видно, упражнение на сгибание ног является несложным, но в то же время очень эффективным. Научившись правильной технике выполнения, можно будет достичь результатов в довольно короткие сроки.

Атака в лоб

Сгибания ног — это односуставное упражнение, которое не требует большого энергорасхода. Отчасти это связано и с тем, что здесь паши ступни не стоят па полу, а потому нет нужды сохранять равновесие. По этой причине не работают мышцы-стабилизаторы и мышцы задней поверхности бедер. И уж, конечно, речи не идет о координационной работе мышц сгибателей и разгибателей бедра. Однако разгибания незаменимы, когда вам нужно сформировать округлое, прямо-таки рвущееся вперед бедро. Дело в том, что разгибания прицельно действуют на центральную мышцу квадрицепса прямую мышцу и широкую промежуточную, которая лежит под ней и при гипертрофии выталкивает ее наружу. После разгибаний боковой профиль бедра становится закономерно шире.

Вы наверняка слышали, что перед упражнением мышцу нужно растянуть. Поэтому многие тренажеры для разгибания ног имеют наклонную спинку. Чтобы усилить эффект растяжения, ее порой отодвигают до предела назад, и тело принимает почти лежачее положение. Однако научные исследования показали, что в случае с разгибаниями такой прием не только не имеет смысла, но даже вреден.

Из растянутого положения квадрицепс демонстрирует меньшую силу. Ну, а наибольшей силе отвечает прямое положение тела. Кстати, такая позиция максимально нагружает и прямую мышцу. Сравните, нагрузка возрастает на 42%! Если же наоборот наклониться вперед, то появится соблазн читинга. Он иногда бывает полезен, но разгибания опять же совсем не тот случай. При наклоне корпуса искажается траектория большеберцовой кости, а это повышает нагрузку на переднюю крестообразную связку коленей с перспективой травмы.

MUSCLE & FITNESS №6-7, 2OO6

Разгибание ног в положении лежа

Главное в этом упражнении – не спешить, поскольку нагрузка на коленные суставы и связки достаточно сильная:

• Ложимся на живот, положив стопы под валик в районе голеностопа.
• Обхватываем рукояти тренажера и как бы немного подтягиваемся к нему. В результате колено должно располагаться на весу и немного выходить за пределы скамьи.
• Медленно делаем вдох и сгибаем голени. Вы должны коснуться валиком ягодиц.
• Выбирать лучше тренажер, в котором скамья слегка с перегибом, а не идеально ровная. Именно в этом случае можно хорошо растянуть заднюю поверхность бедра. На ровной скамье вам придется постоянно поднимать таз, и это может привести к травме.
• Полностью разгибать ногу в колене не нужно!

Голень

Передняя группа

Передняя группа мышц голени сложена из передней большебер­цовой, длинного разгибателя пальцев и длинного разгибателя большого пальца. ПЕРЕДНЯЯ БОЛЬШЕБЕРЦОВАЯ на­чинается от латерального мыщелка и диафиза большеберцовой кости, спу­скается вдоль нее к стопе и крепится к первой клиновидной и первой плюс­невой костям. Мышца разгибает стопу в голеностопном суставе и супиниру- ет ее. ДЛИННЫЙ РАЗГИБАТЕЛЬ ПАЛЬЦЕВ стартует от верхней трети большебер­цовой кости, малоберцовой кости и межкостной перегородки. Разделив­шись на четыре сухожилия, он выходит на стопу и крепится к сухожильному растяжению на тыле второго-пятого пальцев. Мышца разгибает пальцы и пронирует стопу. ДЛИННЫЙ РАЗГИБАТЕЛЬ БОЛЬШО­ГО ПАЛЬЦА берет начало от двух нижних третей малоберцовой кости и соответствующей части межкостной перепонки. Его сухожилие цепляется к основанию ногтевой фаланги боль­шого пальца. Мышца разгибает как большой палец, так и стопу и супи- нирует ее.

УПРАЖНЕНИЯ:

КОРОТКОЕ РАЗГИБАНИЕ ГОЛЕНИ ОДНОЙ НОГИ СТОЯ

ДЛИННОЕ РАЗГИБАНИЕ ГОЛЕНИ ОДНОЙ НОГИ СТОЯ

Задняя группа

Задняя и наиболее мощная группа мышц голени состоит из двух слоев. В поверхностном слое разберем трех­главую мышцу (ее называют трицепс голени), в глубоком — заднюю больше­берцовую мышцу, длинный сгибатель пальцев и длинный сгибатель большо­го пальца. Кроме того, здесь же уместно рас­смотреть длинную и короткую мало­берцовые мышцы: хотя анатомически они и относятся к латеральной группе голени, выполняют функции, аналогич­ные мышцам задней группы, и трениру­ются теми же движениями. ТРЕХГЛАВАЯ МЫШЦА, в соответ­ствии с названием, имеет две поверх­ностные и одну глубокую головки. Поверхностные образуют ИКРОНОЖ­НУЮ мышцу, начинающуюся от над- мыщелков бедренной кости. Внизу мышца переходит в ахиллово сухо­жилие, прикрепляющееся к пяточно­му бугру. Глубокая головка трехглавой образу­ет КАМБАЛОВИДНУЮ мышцу, которая шире, чем икроножная, и полностью ею не закрывается. Она стартует от го­ловки и верхней трети тела малобер­цовой и от диафиза большеберцовой костей и также переходит в ахиллово сухожилие. Трехглавая мышца сгибает стопу. Икроножная в придачу еще и сгибает ногу в коленном суставе. ЗАДНЯЯ БОЛЬШЕБЕРЦОВАЯ мышца начинается от межкостной перепон­ки и поверхностей большеберцовой и малоберцовой костей. Ее сухожилие выходит на подошву, крепится к ла­дьевидной кости, трем клиновидным и основаниям второй-четвертой плюсне­вых костей. Мышца сгибает и супинирует стопу, при стоянии и особенно при подъеме на носки прижимает пальцы к полу. ДЛИННЫЙ СГИБАТЕЛЬ ПАЛЬЦЕВ стартует от средней трети большебер­цовой кости. Его сухожилие выходит на подошву и, разделяясь на четыре пучка, крепится к основаниям четырех ногтевых фаланг. Мышца сгибает паль­цы и стопу. ДЛИННЫЙ СГИБАТЕЛЬ БОЛЬШОГО ПАЛЬЦА начинается от малоберцовой кости, межкостной перепонки и глубо­кого листка фасции голени. Его сухо­жилие крепится к основанию ногтевой фаланги большого пальца. Мышца сги­бает большой палец, сгибает и супини- рует стопу. ДЛИННАЯ МАЛОБЕРЦОВАЯ мышца начинается от головки малоберцо­вой кости и ее латеральной поверх­ности, ее сухожилие проходит позади лодыжки к подошве, пересекает ее наискось и крепится к основаниям первой плюсневой и первой клино­видной костей. Мышца пронирует и сгибает стопу. КОРОТКАЯ МАЛОБЕРЦОВАЯ мышца стартует от дистальной половины тела малоберцовой кости и межмыщелко- вых перегородок, цепляется к бугри­стости пятой плюсневой кости. Прони­рует, сгибает и отводит стопу.

УПРАЖНЕНИЯ:

ПОДЪЕМ НА НОСКИ СТОЯ В ТРЕНАЖЕРЕ

ПОДЪЕМ НА НОСОК ОДНОЙ НОГИ СТОЯ

ПОДЪЕМ НА НОСКИ В НАКЛОНЕ «ОСЕЛ»

Не слишком благозвучное название, но оно совершенно не намекает на уро­вень твоих умственных способностей, а всего лишь имитирует движения этого милого животного. Особенность в том, что здесь подъемы на носки осуществляются в наклоне впе­ред. Позвоночный столб при этом пол­ностью разгружается. Отягощение рас­полагается на крестце: это может быть или упор специального тренажера, или сидящий на тебе партнер. А еще лучше партнерша. Работать с двумя девушками на спине — что можно придумать заме­чательнее? Уже за одно это наш «осел» заслуживает особой благодарности!

СГИБАНИЕ ГОЛЕНЕЙ В ТРЕНАЖЕРЕ ДЛЯ НАКЛОННОГО ЖИМА НОГАМИ

СГИБАНИЕ ГОЛЕНЕЙ СИДЯ

Предыдущая глава | Оглавление | Следующая глава

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.

https://youtube.com/watch?v=mtuh26KHCuI

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.

Разгибание ног в тренажере

Ноги

Разгибание ног в тренажере — изолированное (односуставное) упражнение, предназначенное для проработки квадрицепсов. В упражнении работает только один сустав — коленный, поэтому упражнение и является изолированным. Разгибание ног в тренажере позволяет хорошо добить ваши квадрицепсы в конце тренировки ног. Спортсмены тренирующие ноги по принципу предварительного утомления выполняют его в начале тренировки ног, как и сгибание ног в тренажере. Также упражнение хорошо подходит для разогрева и разминки мышц перед приседаниями со штангой.

Разновидности и техника разгибания ног в тренажере

При развороте носков во внутрь, больше будет работать наружная поверхность квадрицепсов. При развороте носков наружу, больше будет работать внутренняя поверхность квадрицепсов. Не советую заморачивать себе этим голову, особенно новичкам. Выполняйте упражнение в классическом варианте, когда носки параллельны друг другу, так каждая головка квадрицепсов будет получать должную нагрузку.

Вы также можете выполнять упражнение каждой ногой поочередно. То есть сначала поработали одной ногой, затем другой. Такое исполнение позволяет лучше ментально фокусироваться на работе квадрицепсов.

Чтобы занять исходное положение, вам нужно сесть на скамью тренажера, выставить необходимый вес и упереться ногами в специальный валик. После этого можно начать выполнять упражнение, разгибая и сгибая ноги по полной амплитуде.

Советы по выполнению разгибания ног в тренажере

2) Не гонитесь за весами, концентрируйтесь на работе мышц. Это изолирующее упражнение поэтому большие веса не пойдут на пользу. Плавно разгибайте и сгибайте ноги при выполнении упражнения, максимально сокращая квадрицепсы в верхней точке, и растягивая в нижней.

3) Ногами лучше всего упираться в районе голеностопного сустава, так нагрузка на квадрицепсы будет максимальной.

5) Не заводите голень под скамью тренажера, чтобы не травмировать коленные суставы. В нижней точке амплитуды согнуть ноги нужно до такого положения чтобы между голенью и бедром образовался угол 90 градусов. Если вы уменьшите угол и будете заводить голени еще дальше под скамью, то связки коленного сустава могут не выдержать, особенно это актуально для спортсменов работающих с большими весами.

6) Задерживайте ноги в верхней точке амплитуды на 1-2 секунды для достижения пикового сокращения квадрицепсов.

7) Используйте ручки тренажера, для того чтобы ягодицы и бедра не отрывались от скамьи тренажера во время выполнения подхода.

Техника выполнения разгибаний ног в тренажёре (с фото)

Перед выполнением упражнения необходимо отрегулировать валик для ног под ваш рост. Он должен находиться на верхней части стопы. Некоторые устанавливают валик таким образом, что он оказывается где-то чуть ли не на середине голени (см. фото 1). Это неправильно.

Слева вы можете видеть неправильное положение опорного валика — на голени, справа правильное — на верхней части стопы

Установите спинку тренажёра так, чтобы ваша спина была полностью прижата, и вам было комфортно сидеть.

И третий подготовительный момент — это вес отягощения. Неважно, необходимо повесить блины или переставить ручку в блоке, начинайте с небольшого веса, чтобы не повредить коленные суставы.

После того как подготовка выполнена, можно приступать непосредственно к упражнению.

1. Удобно располагаемся на сидении. Спиной прижимаемся к спинке, но это не значит, что мы расслабляемся и начинаем сутулиться. Спина остаётся ровной и жёсткой.
2. Заводим ноги под валик.
3. Можно взяться руками за ручки по бокам от тренажёра или за сидение.
4. Делаем вдох и медленно с выдохом поднимаем ноги до выпрямления в колене.
5. В верхней точке чувствуем сокращение и напряжение в квадрицепсе. Задерживаем это положение.
6. Опускаем ноги медленно вниз, но не расслабляем их. Не опускайте валик до конца.
7. После этого сразу же без остановки повторяем упражнение.

Техника разгибания ног в тренажёре сидя

Поскольку упражнение не направлено на наращивание мышц, то выполнять его нужно на большое количество повторений, около 15–18 в 4–5 подходов.

Тренажер для сгибания ног (бицепса бедра)

Описание

Тренажер предназначен для укрепления бицепсов бедра. Тренировки проводятся в положении лежа на животе, чтобы максимально проработать нужные группы при помощи сгибания и разгибания ног.

Мягкая опорная поверхность имеет оптимальный угол наклона для задания необходимой амплитуды движения, а также снижает нагрузку на позвоночник. Валик может быть установлен в зависимости от длины голени тренирующегося.

Технические характеристики

• Основание из толстостенного профиля высокого качества.
• Допустимый вес нагружаемых дисков — до 250 кг.
• В узлах вращения используются не требующие обслуживания подшипники.
• Ручки для хвата обрезинены.
• Упорный валик может быть отрегулирован в 5 положениях для удобства.
• Материал обивки мягких элементов — высокопрочная и устойчивая к повреждениям винилискожа с капроном. Для наполнения используется ППУ высокой плотности, невосприимчивый к деформациям.
• Окраска производится при помощи порошкового высокотемпературного напыления. Цвет может быть выбран при заказе.
• Опоры — амортизаторы из резины, надетые на металлические ножки. Последние могут крепиться к полу путем использования имеющихся отверстий. Они гасят вибрации и предохраняют напольное покрытие от царапин.
• Габариты (ДхШхВ): 2010 х 830 х 630 мм.
• Вес: 58 кг.

Идентификатор товара: ST-000211

Дополнительная информация

Станок на свободных весах предназначен для размещения в профессиональных тренажерных залах. Основа, изготовленная из надежной стали, создает условия для максимально длительной эксплуатации спортивного оборудования в напряженном режиме.

Специально изогнутая лавка позволяет наиболее эффективно и изолированно укреплять заднюю поверхность бедра и ягодицы. Также продуктивно работают икроножные и камбаловидные мышцы. Упражнение в этой нагружаемой системе популярно у девушек и считается одним из лучших, так как обеспечивает красивую форму ног.

Для соблюдения правильной техники необходимо выполнять движения плавно, без рывков. Важно индивидуально подходить к количеству повторов и подходов, в зависимости от целей занятий.

Симулятор тазобедренного сустава (a) весь тренажер, разделенный на (I) основной корпус, …

Контекст 1

… показано на рис. 2. Согласно таблице I, каждый тренажер имеет 2 или 3 оси вращения, с помощью которого 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 повторяют 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]. Более того, конструкция такого симулятора, выполненная посредством сравнительного анализа, составляет 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 закреплены 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 помощью упрощенных циклов для создания разнонаправленного движения между головкой бедренной кости и вертлужной чашкой.Шарнирные опоры 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 бедренных компонентов 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, посвященных изучению роли материалов имплантатов [11] и дизайна их формы [12]. Симулятор тазобедренного сустава MATCO (модель EW08 MMED) имеет два блока по восемь каналов в каждом (рис. 2f). 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 — это 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 устанавливались в неанатомическом положении (вверх ногами), а края чашки были установлены под углом примерно 23 ° относительно горизонтальной плоскости [13]. Становится понятным, 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 САПР 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 место 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, которая имитирует 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. dations.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, что соответствует 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 определенной 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 этой статье обобщается использование тренажеров для тазобедренного сустава в исследовании новых материалов для тазобедренного сустава. Были представлены общеизвестные тренажеры, имеющие одну или несколько станций и дающие возможность имитировать движение бедра в 2 или 3 осях.Сравнение этих тренажеров с рекомендациями ISO 14242 привело к разработке нового однопозиционного тренажера для бедра с 3-мя осями вращения. Это движение может быть достигнуто с помощью трех отдельных эксцентрических шкивов определенной формы, которые производят вращение под заданными углами в соответствии с вышеупомянутыми международными …

Симулятор износа бедра для оценки биоматериалов в компонентах артропластики бедра

Название выпуска: Подборка статей 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 практическую имитацию движений и нагрузок, наблюдаемых тазобедренный сустав во время обычного цикла ходьбы. Двухосное раскачивающее движение на ± 23 градуса синхронизируется с соответствующими результирующими силами движений разгибания-сгибания (от удара пяткой до отрыва) ноги.Этот конкретный тренажер обеспечивает практическую реализацию цикла ходьбы in vitro. Он также обеспечивает реалистичный и практичный компромисс между устройствами для контроля общего износа (такими как системы «штифт на диске») и интенсивными исследованиями, выполненными посредством 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 проводили в среде сыворотки теленка при температуре равновесия 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

ТЕ 86 МНОГОСТАНЦИОННЫЙ СИМУЛЯТОР БЕДРЕННОГО СОЕДИНЕНИЯ — Phoenix Tribology Ltd

class = «leaflet-thumb»> class = «leaflet-thumbblock»>

Многостанционный тренажер тазобедренного сустава TE 86 производится по лицензии доктора Весы Сайкко, Лаборатория машиностроения, факультет машиностроения, Технологический университет Хельсинки. Устройство включает в себя электромеханический привод и сервопневматическую систему загрузки.Аппарат прост в эксплуатации и является очень экономичным решением для многоэтапных испытаний протезов тазобедренных суставов на износ. Устройство доступно с двенадцатью испытательными станциями с максимальной нагрузкой 2 кН на испытательную станцию ​​или шестью испытательными станциями с максимальной нагрузкой 3 кН на испытательную станцию.

TE 86 обеспечивает движение по двум осям с образцами протеза, установленными в соответствующем анатомическом положении. Вертлужная чаша расположена над головкой бедренной кости так, что в нейтральном положении оси симметрии как головки, так и чашки находятся под углом 45 градусов к вертикали.При необходимости этот угол можно без труда изменять, изменяя конструкцию инструмента.

class = «изображение-листовка»> Двухосные движения, сгибание-разгибание (FE) и отведение-приведение (AA), почти синусоидальны, а их разность фаз равна pi / 2. Поскольку было показано, что внутреннее-внешнее вращение не имеет значения при моделировании клинического износа, это движение было исключено.

Головка является подвижным элементом, а чашка неподвижна. Направление загрузки — вертикальное, фиксированное относительно чашки.Нагрузка является динамической, имеет форму волны с двумя пиками и контролируется датчиком силы, установленным только на одной главной испытательной станции. Максимальные, минимальные и средние значения нагрузки составляют 2,0 кН, 0,4 кН и 1,2 кН ​​соответственно.

class = «изображение-листовка»> Дорожка силы на головке бедренной кости имеет эллиптическую форму с соотношением сторон 3,8, что, как было показано, хорошо отражает походку человека. Длина силового трека составляет 1,73r, где r — радиус головки.

Погрузочно-ходовая система

Движения FE и AA реализуются электромеханически с помощью механического кривошипа двойного движения, приводимого в движение с фиксированной скоростью a.c. мотор-редуктор. При частоте возбуждения 50 Гц результирующая частота испытания составляет 1,06 Гц. Может поставляться дополнительный инверторный привод, позволяющий проводить испытания при более низких испытательных частотах или с другими частотами питания.

Каждая испытательная станция загружается с помощью пневматического привода малого объема. Приводы подключены к общему коллектору. Давление воздуха в коллекторе регулируется с помощью пневматического регулятора со встроенным контуром сервопривода давления. Регулятор вручную настраивается на требуемую пиковую нагрузку, которая измеряется датчиком силы, установленным на главной испытательной станции. Таким образом, измеренный сигнал нагрузки используется только для контроля. Система очень стабильна в работе, и последующая ручная регулировка требуется редко.

class = «изображение-листовка»> Сигнал управления профилем нагрузки для контура сервопривода давления регулятора генерируется электромеханически с помощью кулачка, установленного на выходном валу редукторного двигателя, воздействующего на LVDT, снабженный роликовым толкателем. Сигнальный выход LVDT обеспечивает заданное значение для пневматического регулятора.Это устраняет потребность в системе управления в реальном времени, тем самым снижая потребность в сложной настройке, процедурах калибровки и генераторе сигналов. При необходимости профиль нагрузки может быть изменен путем изменения профиля кулачка и регулировки фазировки путем вращения кулачка на выходном валу.

Образец установки и испытательного корпуса

И бедренный, и вертлужный компоненты легко снимаются для периодической очистки, осмотра и измерения износа. Качественные приспособления для инструментов позволяют повторно установить тестовые компоненты в точно такое же положение для продолжения теста.Важной характеристикой конструкции является то, что любой тип протеза тазобедренного сустава может быть легко протестирован.

class = «изображение-листовка»> Камера для акриловой смазки объемом 500 мл помещается над тестируемыми компонентами. Объем жидкости намеренно большой, чтобы исключить возможность перегрева лубрикантов на основе сыворотки.

Тестовая конфигурация:	Вертлужная чашка на головку бедренной кости
Количество испытательных станций:	6 или 12
Тестовая частота:	1.06 Гц (при питании 50 Гц)
	1,27 Гц (при питании 60 Гц)
Максимальная нагрузка:	3 кН (6 станций) или 2 кН (12 станций)
Минимальная нагрузка:	0,4 кН
Средняя нагрузка:	1,2 кН ​​
Сгибание-разгибание (FE):	46 градусов
Отведение-приведение (AA):	12 градусов
Усилие Соотношение сторон гусеницы:	3. 8
Force Длина гусеницы:	1.73r (где r — радиус головки)
Мощность двигателя:	370 Вт
Объем жидкости:	500 мл
Контролируемые параметры	Испытательная нагрузка
	Количество циклов
Услуги
Электричество:	1.5 кВт 240 В 50 Гц однофазный плюс нейтраль
	1,5 кВт 110 В 60 Гц однофазный плюс нейтраль
Сжатый воздух:	4 куб. Фут / мин при 8 бар (номинал)

Движение

Бумага 605	A 12-местный анатомический тренажер тазобедренного сустава
	Сайкко В
	J Eng Med, 2005, 219, 437-448.
Бумага №714	Сравнение износа полного протеза бедра с двойной подвижностью и типичной модульной конструкции с использованием симулятора тазобедренного сустава
	V Saikko, Ming Shen
	Износ 268 (2010) 617–621
Бумага №804	Лабораторные испытания на износ
	V Saikko
	Глава 7, Трибология и опорные поверхности при полной замене суставов, под редакцией Роберта М.Streicher, 2011, ISBN: 9788178955254
Бумага № 855	Влияние положения вертлужной впадины на износ протеза металл-металл большого диаметра изучено с помощью симулятора тазобедренного сустава
	Веса Сайкко, Тийна Алроос, Ханну Ревитцер, Оскари Рюти, Петри Куосманен
	Tribology International 60 (2013) 70–76
Бумага №1009	Тестирование неблагоприятных состояний на тренажерах для бедра
	V Saikko
	Биотрибология 1–2 (2015) 2–10
Бумага № 1048	Влияние повышенной нагрузки на износ модульного протеза бедра металл-металл большого диаметра с большим углом наклона вертлужной чашки
	Веса Сайкко
	Tribology International 96 (2016) 149–154
Бумага № 1097	Прыжок, прыжок и прыжок: к лучшему тестированию на износ бедренных имплантатов
	С. Л. Смит, Т. Дж. Джойс
	Механические испытания ортопедических имплантатов — 2017, страницы 183–206
Бумага №1193	Влияние износа, угла наклона вертлужной впадины, нагрузки и разрушения сыворотки на трение тазобедренного протеза металл о металл большого диаметра
	V Saikko
	Клиническая биомеханика 63 (2019) 1–9
Бумага № 1239	Износ в месте соединения конуса и цапфы современных бедер керамика-керамика, показанный на многопозиционном симуляторе бедра
	RM Bhalekar, SL Smith, TJ Joyce — Биомедицинский журнал
	Журнал биомедицинских исследований, часть B 05 сентября 2018 г.
Бумага №1301	Износ в месте соединения конуса и цапфы современных бедер керамика-керамика на многопозиционном симуляторе бедра
	RM Bhalekar, SL Smith, TJ Joyce
	Биомедицинский журнал, 2019 — Wiley
Бумага №1302	Испытание на симуляторе тазобедренного сустава соединения конуса с цапфой и опорных поверхностей современных протезов бедра из поперечно-сшитого полиэтилена
	RM Bhalekar, SL Smith, TJ Joyce
	Биомедицинский журнал, 2019 — Wiley
Бумага № 1384	Испытание на симуляторе тазобедренного сустава соединения конуса с цапфой и опорных поверхностей современных протезов бедра из поперечно-сшитого полиэтилена
	RM Bhalekar, SL Smith, TJ Joyce
	Журнал исследований биомедицинских материалов — 2020 — Онлайн-библиотека Wiley

Спущен на воду в 2007 г.

Цзинаньский центр контроля качества медицинского оборудования	Китай
Медицинский колледж Асахикавы	Япония
Ньюкаслский университет	UK

class = «index-thumbblock»>

---

Границы | 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 различать горизонтальные тренажеры коленного сустава, вертикальные тренажеры, так называемые Oxford-Rigs, и тренажеры, управляемые 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). Как правило, бедренная или большеберцовая кость крепится к основанию тренажера или к подвижному поворотному рычагу, который 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 (Заватский, 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. Как правило, моделируются четырехглавая мышца, двуглавая икроножная мышца 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; Гилл и др., 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 имитаторах коленного сустава являются либо пассивное сгибание колена, либо контроль угла сгибания колена, либо сила реакции опоры посредством контура 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 способны 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 , которые возникают во время повседневной деятельности, необходимы движения в коленных суставах и мышечные силы, приводящие к физиологическим силам реакции суставов и опоры. Таким образом, 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, который основан на конструкции Oxford-Rig (Bourne et al., 1978), содержит базовую раму, тазобедренного сустава в сборе и голеностопного сустава в сборе (рисунок 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 дополнительной опоре 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 моделирования 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 объединены 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 моделирования 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 / крутящего момента (K6D68, ME-Messsysteme GmbH) закреплен непосредственно под узлом голеностопного сустава. Таким образом, движение бедра создает сгибание и разгибание коленного сустава, а 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 предназначен 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.Мышечные силы 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 в результате комбинированного анализа движения и исследования 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 были использованы для расчета действующих мышечных сил с помощью обратного динамического опорно-двигательного аппарата моделирования.

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) (Рисунок 2). Одновременное управление всеми исполнительными механизмами осуществляется с использованием системы реального времени (cRIO-9064, National Instruments, Остин, Техас, США) и специального программного обеспечения (LabVIEW 2014, National Instruments). Сбор данных от одноосных датчиков мышечной силы и шестиосевого датчика силы реакции / крутящего момента достигается с помощью другого специально разработанного 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 (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, использованным 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 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 были использованы для расчета мышечных сил, действующих через коленный сустав в течение долгого времени, используя общее все тело опорно-двигательный аппарат моделирование для анализа данных о движении 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 был использован для сглаживания кинематических данных (Woltring, 1991). Входные данные для модели были созданы с использованием пользовательских подпрограмм 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 кортикальным винтом к большеберцовой кости 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 инфрапателлярный жир. 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 винтом, чтобы свести к минимуму перемещение датчика во время тестирования.

Рисунок 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, закрепленный в динамическом симуляторе 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 анатомических местах введения. Поэтому для моделирования передних мышц бедра в месте прикрепления сухожилия надколенника на бугорке большеберцовой кости просверливали отверстие и вставляли стержень с резьбой, который фиксировали 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, чтобы установить связь 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 стопу 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 узлов, 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 на 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 было выполнено 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 симуляцией 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 медленного приседания 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 Бравэ-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. Гауссово распределение тибиофеморального пика и данные распределения среднего давления с использованием теста Шапиро-Уилка (Shapiro and Wilk, 1965) привели к нормально распределенным данным. Поэтому был проведен однофакторный дисперсионный анализ с апостериорным тестом LSD для сравнения среднего и пикового тибиофеморального контактного давления между медленными приседаниями с имитацией мышечной силы и без нее и приземлением с прыжком с падением с моделированием мышечной силы латеральной и средней 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, тогда как значение p <0,05 считалось значимым, и при необходимости применялась стандартная поправка Бонферрони.

Результаты

Мышечные силы

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 intermediateus 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 задней поверхности бедра (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 с прыжком для M.Вастус латеральный, М. Вастус medialis, М. Вастус промежуточный / М. rectus femoris, M. biceps femoris, M. semitendinosus / M. 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 достигала 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). Пиковое контактное давление не отличалось ( p > 0.187) при сравнении медленного приседания с моделированием силы мышц и приземления в прыжке с моделированием силы мышц. 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 движений при приседании 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 по субъектным данным для силы реакции опоры и мышечных сил. Можно было показать, что этот тренажер может применять быстрые движения 145 ° / с в сочетании с моделированием физиологической мышечной силы к образцам коленного сустава, что приводит к реалистичным силам реакции земли. Таким образом, насколько нам известно, этот тренажер коленного сустава является первым тренажером, способным моделировать движения приземления в прыжке 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 (Zadpoor, Nikooyan, 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. Тем не менее, коэффициенты Браве-Пирсона для этих симуляций мышечной силы по-прежнему показали приемлемый коэффициент в диапазоне R = 0.48–0,71. Кроме того, мы считаем, что это не оказало существенного влияния 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 увеличивалось 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 распределение медиолатеральной нагрузки было случайным. Сравнение квазистатического движения, такого как приседание без моделирования силы мышц, с имитацией упражнения на корточки с моделированием силы мышц и прыжком через падение, привело к значительному увеличению среднего тибиофеморального и пикового контактного давления. Это подчеркивает важность обеспечения физиологических совместных сил 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 является непроизвольным пассивным движением, стабилизирующим коленный сустав при разгибании, и вызван асимметрией между мыщелками бедренной кости и плато большеберцовой кости (Piazza and Cavanagh, 2000). Согласно литературным данным, механизм завинчивания 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.

Ограничение имитатора коленного сустава, представленное здесь, представляет собой наблюдаемую задержку 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 перенастроиться достаточно быстро 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, в частности, использоваться 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 от 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 было бы 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

ФС разработала 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 в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы 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.

Ссылки

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 in vitro исследования 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. Orthop. 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. Orthop. 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. Orthop. 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. Orthop. 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., Лоан, 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). Вращательная нестабильность колена: внутреннее вращение большеберцовой кости при имитации теста смещения шарнира. Arch. Orthop. 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. Arthroplasty 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 Лапраде, 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). Биомеханический эффект 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., Игнатиус, 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 от положения 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 приземлений: 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., Cosgarea, A.J., и Chao, E.Y. (2002). Разрыв задней крестообразной связки изменяет кинематику коленного сустава in vitro. Clin. Orthop. 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 недостаточности PCL в коленном суставе 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 суставных ограничений 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 с опорой на вес 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 колена с аксиальной нагрузкой — модель овцы An 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 колена 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 различается между конечностями 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 необработанной надколенника при тотальном артропластике 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 тибиофеморального 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 датчик 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. Orthop. 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 тибио-бедренной кости после тотального эндопротезирования коленного сустава: сравнение конструкций вкладок с фиксированным и подвижным вкладышами. Acta Orthop. Сканд. 73, 638–646. DOI: 10.3109 / 17453670209178028

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-мужчин и женщин. 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). Изображение 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

Оптимизация реабилитации бедра с помощью компьютерного моделирования

Мышечная слабость — частое последствие хронических состояний и острых травм, требующих ортопедической помощи.В некоторых случаях тендинит возникает в мышцах, которые призваны компенсировать слабость других мышц. Для бедра это не исключение. В частности, после травмы бедра часто наблюдаются слабость средней ягодичной мышцы и тендинит подвздошно-поясничной мышцы. Средняя ягодичная мышца расширяет бедро, подобно большой ягодичной мышце, но, что более важно, она также является основной мышцей, отводящей бедро, другими словами, отводящей ногу от тела. Во время ходьбы эта мышца важна для поддержания правильного наклона таза относительно ноги.Подвздошно-поясничная мышца, с другой стороны, сгибает бедро, например, в маршевом движении. При реабилитации после травмы или ремонта бедра отведение ноги стоя может помочь укрепить среднюю ягодичную мышцу. Задача состоит в том, чтобы спланировать упражнение так, чтобы большие нагрузки не приходились на тазобедренный сустав и подвздошно-поясничную мышцу.

Мы провели исследование, чтобы выяснить, может ли скольжение пятки о стену во время упражнения снизить силу в подвздошно-поясничной мышце и не увеличить нагрузку на травмированный или восстановленный тазобедренный сустав.Идея состоит в том, что скольжение по стенке побуждает пациентов сокращать мышцы разгибания бедра (ягодичные мышцы и подколенные сухожилия) и расслаблять мышцы-сгибатели бедра (подвздошно-поясничные мышцы). Для этого исследования мы использовали компьютерную модель, опорно-двигательный аппарат организма. Компьютерные модели — отличные инструменты для того, чтобы задавать вопросы типа «что, если» и исследовать идеи до того, как будут разработаны более дорогостоящие эксперименты. Компьютерная модель содержит все основные и второстепенные мышцы тазобедренного сустава. В ходе анализа нагрузки на мышцы и суставы рассчитывались для двух условий: (1) только отведение ноги и (2) отведение ноги с пяткой в ​​легком контакте со стеной.

Результаты компьютерного моделирования показали, что скольжение пяткой о стену имело желаемый эффект, что сила подвздошно-поясничной мышцы упала до уровня, характерного для спокойного стояния. Фактически, скольжение по стене генерирует более высокие силы средней ягодичной мышцы, что может способствовать укрепляющему эффекту упражнения. Эти преимущества были достигнуты без увеличения нагрузки на тазобедренный сустав. Общая нагрузка на суставы при отведении со скольжением по стене и без него была примерно одинаковой и лишь немного выше, чем при спокойном стоянии.

В заключение можно сказать, что скольжение по стене — хорошая идея при использовании отведения ног для укрепления средней ягодичной мышцы и реабилитации бедра. Скольжение по стене снижает силу в подвздошно-поясничной мышце, подверженной тендиниту, сохраняя при этом нагрузки на суставы примерно такими же, как при обычном отведении и спокойном стоянии.

Керамика | Бесплатный полнотекстовый | Влияние кинематических условий и вариаций расположения компонентов на интенсивность краевой нагрузки и износа керамических подшипников бедра

1.Введение

Согласно исследованиям на симуляторе тазобедренного сустава, при стандартных условиях ходьбы была обнаружена низкая скорость износа протезов тазобедренного сустава керамика-керамика, несмотря на различия в скорости износа и наличие полос изнашивания, наблюдаемых при клинических исследованиях [1,2,3]. Считается, что такие формы износа полосок вызваны высокими контактными напряжениями, возникающими между головкой бедренной кости и краем вертлужной чашки в результате прямой краевой нагрузки [1,4,5,6,7]. В исследованиях на симуляторе in vitro было показано, что для подшипников керамика-керамика большой угол наклона чашки сам по себе не приводит к износу полосы [8].Только тогда, когда Nevelos et al. в цикл моделирования были введены микросепарация и краевая нагрузка, что позволило получить картину износа полосы, повышенную скорость износа и бимодальное распределение частиц, таким образом воспроизводя клиническую скорость износа, структуру износа и частицы износа [9,10,11]. Клинически отделение головы от чашки наблюдалось с помощью рентгеноскопии во время различных действий пациента, включая цикл ходьбы [12]. Динамическое разделение можно определить как расстояние между головкой бедренной кости и центрами, несущими чашечки актебулярной кости, во время ходьбы.Важно отметить, что фактически нет потери контакта между головкой бедренной кости и актеабулярной чашкой. Динамическое разделение и прямая краевая нагрузка (в отличие от непрямой краевой нагрузки, т. Е. После удара) могут быть вызваны многими факторами, включая расположение имплантата, конструкцию имплантата, изменения устройства с течением времени, хирургические вариации и вариации пациентов [8,10 , 13,14,15,16,17,18,19]. Варианты позиционирования имплантата включают вращательное позиционирование по трем анатомическим осям и поступательное позиционирование по трем анатомическим осям.В частности, вращательное позиционирование вертлужной впадины можно описать как наклон чашки (вращение вокруг передне-задней оси (AP)), версию (вращение вокруг верхней-нижней (SI) оси) и наклон (вращение вокруг медиально-латеральной ( ML) ось). Поступательное положение головки бедренной кости и вертлужной впадины можно определить как положение центров вращения вертлужной впадины и головки бедренной кости относительно друг друга вдоль медиально-боковой, передне-задней и / или верхней-нижней осей. .Несоответствие между центрами головки бедренной кости и вертлужной впадины в симуляторе необходимо для воспроизведения динамического разделения, наблюдаемого in vivo [10]. Оригинальные исследования моделирования бедра, проведенные в Лидсе, зафиксировали уровень динамического разделения вдоль медиально-латеральной оси в качестве входного параметра для получения износа полосы, который, по сути, предопределил уровень серьезности. Эта оригинальная методика получила название «микросепарация». Совсем недавно различные уровни несоответствия медиально-латерального трансляционного позиционирования использовались в качестве входных данных, что приводило к различным уровням динамического разделения (которые могут быть больше, чем первоначально определенный уровень 0.5 мм микрозащиты), и, следовательно, возникновение и серьезность краевой нагрузки [20]. В этом новом подходе уровень разделения (серьезность краевой нагрузки) является выходом системы. Этот подход означает, что можно изучить влияние таких факторов, как конструкция, диаметр головки, угол охвата и т. Д., На уровень динамического разделения и серьезность краевой нагрузки и, следовательно, износа. Этот двухэтапный подход к определению биомеханических результатов динамического разделения и тяжести краевой нагрузки (первый этап) и износа (второй этап) был недавно описан O’Dwyer Lancaster – Jones et al.[20]. Это позволяет оценить большое количество биомеханических условий, информируя об условиях последующих исследований износа. Конструкция и сложность симуляторов тазобедренного сустава и выбор входных параметров варьировались [21,22]. Движения и нагрузки в тазобедренном суставе обычно прикладывались с помощью электромеханических, гидравлических или пневматических систем. Обе оси (сгибание / разгибание и внутреннее / внешнее вращение) и три оси (сгибание / разгибание, внутреннее / внешнее вращение и отведение / приведение) условий вращения использовались для экспериментальных исследований на симуляторе тазобедренного сустава для получения клинически значимых путей эллиптического контактного износа между подшипники во время ходьбы [23,24].Международный стандарт ISO 14242-1 [25] описывает три оси вращения для имитации полного диапазона физиологического движения на основе стандартного цикла ходьбы. В прошлом нередко моделирование стандартного цикла ходьбы для двух осей профилей вращения использовалось с увеличенными величинами угловых смещений сгибания / разгибания и фазирования для имитации эквивалента трех осей вращения и компенсации отсутствие движения отведения / приведения [24].Эффекты этих двух различных подходов к моделированию теперь исследуются в сочетании с последними достижениями в подходе к моделированию динамического разделения и краевой нагрузки.

Целью данного исследования было:

• Изучить возникновение и серьезность краевой нагрузки и динамического разделения при различных уровнях медиально-латерального трансляционного несоответствия при стандартном и крутом углах наклона чашки (биомеханическое исследование) при двух осях вращения. условия моделирования (без абдукции / приведения) и условия симуляции трех осей вращения (с абдукцией / приведением) с различными профилями нагрузки.

• Определение износа керамико-керамических подшипников в условиях краевого нагружения при стандартном и крутом углах наклона чашки (исследование износа), в условиях моделирования вращения по двум осям (без абдукции / присоединения) и в условиях моделирования вращения по трем осям (с отведением / приведением и разными профилями нагрузки).

2. Материалы и методы

Керамика на керамике (BIOLOX ^® delta) Заменяемые бедренные подшипники диаметром 36 мм (PINNACLE ^® , DePuy Synthes Joint Reconstruction, Лидс, Великобритания) с номинальным диаметральным зазором 100 микрометров, были исследованы с использованием электромеханического симулятора тазобедренного сустава (ProSim EM13, Simulation Solutions, Stockport, UK) [26] (Рисунок 1).Головку бедренной кости помещали на вертикальную втулку с конусом 12/14, а вертлужную чашку запрессовывали в металлическую оболочку (PINNACLE ^® , DePuy Synthes Joint Reconstruction, Лидс, Великобритания). В ProSim EM13 все угловые вращения (сгибание / разгибание, приведение / отведение и внутреннее / внешнее вращение) применялись к головке бедренной кости, а осевая нагрузка осуществлялась через чашку. Это исследование состояло из двух частей. Первая часть состояла из биомеханических исследований для изучения величины динамического разделения, максимальной нагрузки на обод при 0.1 мм динамического разделения и серьезность краевой нагрузки при различных уровнях трансляционного несоответствия при углах наклона чашки, эквивалентных 45 ° и 65 ° in vivo [27,28]. Угол наклона чашки 45 ° в настоящее время считается целевым углом наклона во время операции, тогда как угол 65 ° считается углом крутого наклона чашки. После биомеханических исследований вторая часть исследования включала определение износа и характера износа полос керамических подшипников с несоответствием медиально-латерального поступательного перемещения 4 мм при углах наклона чашки 45 ° и 65 °.Для биомеханического исследования были использованы шесть керамических подшипников (часть 1). Три оси (Рисунок 2a) и две оси (Рисунок 2b) условий вращения [24,25] с несоответствием поступательного движения 0, 1, 2, 3 и 4 мм применялись между центрами опоры головки и чашки для чашек, наклоненных под углом 45 °. (n = 3) и 65 ° (n = 3). Нулевое рассогласование представляет собой стандартные концентрические условия, которые включают смещение из-за радиального зазора между головкой бедренной кости и вертлужной чашкой в ​​условиях осевой нагрузки (рис. 3а).Две оси входных условий вращения включали внутреннее / внешнее вращение в противофазе с профилем сгибания / разгибания и увеличенный диапазон движения, чтобы компенсировать отсутствие движения отведения / приведения. Условие ввода трех осей вращения использовало условия, описанные в международном стандарте ISO 14242-1 [25], который включал движение отведения / приведения.

Для исследований износа использовались 24 подшипника керамика-керамика диаметром 36 мм (часть 2). Условия двух осей вращения при углах наклона чашки 45 ° (n = 6) и 65 ° (n = 6) с поступательным несоответствием 4 мм применялись для трех миллионов циклов.Условия вращения по трем осям при углах наклона чашки 45 ° (n = 6) и 65 ° (n = 6) с трансляционным несоответствием 4 мм применялись для трех миллионов циклов.

Медиально-латеральное трансляционное несоответствие было установлено путем смещения чашки медиально от головки бедренной кости для получения необходимого уровня несоответствия (рис. 3b). Медиально-боковую пружину устанавливали на свободную длину при требуемом уровне несоответствия трансляции (0, 1, 2, 3 или 4 мм). Центр вращения был зафиксирован для головки бедренной кости, и чашке позволяли перемещаться вдоль медиально-латеральной (и передне-задней) оси.Пружина с жесткостью пружины 100 Н / мм использовалась для приложения медиально-латеральной нагрузки, что согласуется с предыдущими исследованиями [10,20]. Головка и чашка были концентрическими, когда пружина была полностью сжата (рис. 3c). Разделение между головкой и чашкой (рис. 3d) произошло до, во время и после фазы качания, когда осевая нагрузка была достаточно низкой, чтобы позволить головке и чашке разделиться. Датчики линейного переменного смещения (LVDT) использовались для определения несоответствия поступательного движения между опорными центрами и для измерения медиально-латерального динамического разделения во время цикла ходьбы.Шестиосевой датчик нагрузки над каждой чашкой (рис. 1) измерял выходную осевую силу и средне-поперечную силу.

В качестве лубриканта использовалась 25% сыворотка новорожденного теленка с добавлением 0,03% азида натрия для минимизации роста бактерий. Для исследований моделирования износа сыворотку меняли примерно каждые 330 000 циклов.

Для биомеханических исследований симулятор был запущен в течение 500 циклов с частотой 1 Гц, с 128 точками данных, записанными в течение каждого цикла. Тяжесть краевой нагрузки определялась путем расчета площади под кривыми осевой силы и медиально-латеральной силы во время краевой нагрузки из-за динамического разделения, как обсуждалось в предыдущем исследовании [20].Нагрузку на обод в условиях краевой нагрузки определяли, когда относительное медиально-боковое смещение между головкой и центром вращения чашки составляло 0,1 мм.

Гравиметрические и геометрические измерения проводились с интервалом в один миллион циклов. В каждом интервале измерений компоненты извлекались из симуляторов и очищались в соответствии со стандартной рабочей процедурой. Гравиметрический износ определялся с помощью микровесов (аналитические весы Mettler Toledo XP205, Грайфензее, Швейцария) с точностью отсчета 0.01 мг. Изменение массы было преобразовано в объемный износ с использованием плотности 4,37 × 10 ⁻³ г / мм ³ для BIOLOX ^® delta. Геометрические измерения проводились на координатно-измерительной машине (Legex 322, Mitutoyo, Япония). Программа Redlux (Саутгемптон, Великобритания) была использована для построения трехмерной карты поверхностей вертлужной впадины и головки бедренной кости. Были определены средние значения и 95% доверительный интервал, и для статистического анализа скоростей износа был использован двухфакторный дисперсионный анализ (ANOVA) (две переменные — угол наклона и количество осей вращения) с уровнями значимости, взятыми при p <0.05.

Данные, связанные с этой статьей, находятся в открытом доступе в хранилище данных Университета Лидса [29].

3. Результаты

Показано медиально-латеральное динамическое разделение между центрами вращения головки и чашки при двух осях и трех осях вращения с 1, 2, 3 и 4 мм поступательными рассогласованиями при углах наклона чашки 45 ° и 65 °. на рисунке 4. Никакого динамического разделения при нулевом рассогласовании не наблюдалось. Аналогичные значения динамического отрыва наблюдались при двух и трех осях вращения.Величина динамического разделения увеличивалась по мере увеличения уровня медиально-латерального трансляционного несоответствия с 1 мм до 4 мм. Наибольшая величина динамического разделения во время ходьбы произошла при несоответствии поступательного движения 4 мм при угле наклона чашки 65 °. В условиях двух осей вращения динамическое разделение было больше при угле наклона чашки 65 ° по сравнению с 45 ° при 1, 2, 3 и 4 мм условиях поступательного рассогласования. Это было то же самое для трех осей условий вращения, за исключением 1 мм поступательного несоответствия, где аналогичное динамическое разделение наблюдалось при обоих углах наклона чашки (рис. 4).Нагрузка на обод, измеренная, когда расстояние между головкой и чашкой достигало 0,1 мм после удара пяткой в ​​условиях вращения по двум осям и трем осям с несоответствием поступательного движения 1, 2, 3 и 4 мм при наклоне чашки 45 ° и 65 °. углов, показано на рисунке 5. Более высокие средние нагрузки на обод наблюдались для керамических подшипников по трем осям по сравнению с двумя осями вращения. Нагрузка на обод увеличивалась по мере увеличения уровней поступательного несоответствия как при двух, так и при трех осях вращения.Наивысшее измеренное среднее значение было при несовпадении 4 мм с условием угла наклона чашки 65 °. Наименьшие нагрузки на обод произошли при несоответствии поступательного движения 1 мм при углах наклона чашки 45 ° и 65 °. Нагрузки на обод из-за динамического разделения не наблюдались в условиях нулевого поступательного несоответствия. Тяжесть краевой нагрузки в условиях двух осей и трех осей вращения с 1, 2, 3 и 4 мм поступательного несоответствия при углах наклона чашки 45 и 65 показан на рисунке 6. Из-за динамического разделения увеличилась серьезность краевой нагрузки, поскольку увеличилось поступательное несоответствие между головкой и чашкой.Наибольшая серьезность краевой нагрузки возникла при 4 мм несоответствии поступательного движения при угле наклона чашки 65 °. Тяжесть краевой нагрузки была одинаковой в условиях вращения по двум осям и по трем осям. По результатам биомеханических исследований скорость износа керамических подшипников была определена в условиях краевой нагрузки с 4-миллиметровым медиально-боковым поступательным рассогласованием для обоих. Углы наклона чашки 45 ° и 65 ° (Рисунок 7). Значимой разницы между средней интенсивностью износа в условиях двух и трех осей вращения не наблюдалось (p = 0.50, двухфакторный дисперсионный анализ). Наблюдалось значительное увеличение скорости износа при угле наклона чашки 65 ° по сравнению с углом наклона чашки 45 ° (наблюдались картины износа pStripe на головках бедренной кости в условиях краевой нагрузки (Рисунок 8). Максимальная глубина проникновения износа на В области полосы износа наблюдались головки.Рисунки полос износа, сформированные в условиях двух осей вращения, отличались от тех, которые были сформированы в условиях трех осей вращения, с большей частью « двухзубчатой ​​» формы полосы, наблюдаемой под тремя осями состояния вращения.Более крутой угол наклона чашки в 65 ° привел к образованию полосы износа на головке бедренной кости, которая была расположена лучше по сравнению с полосой износа чашки с углом наклона чашки 45 °.

4. Обсуждение

Целью данного исследования было изучить влияние входной кинематики и изменений в расположении компонентов на серьезность краевой нагрузки и износ керамических керамических подшипников бедра на электромеханическом симуляторе тазобедренного сустава.

Как три оси, так и две оси условий входа вращения (рис. 2) привели к аналогичному максимальному динамическому разделению во время ходьбы при 2, 3 и 4 мм медиально-латерального трансляционного несоответствия.Применение трех осей вращения привело к более высоким нагрузкам на обод во время нагружения кромок на расстоянии 0,1 мм по сравнению с нагрузками на обод, когда применялись условия вращения по двум осям. Ожидается, что различия в скорости нагружения и профиле между двумя условиями (рис. 2) способствовали разным нагрузкам на обод на расстоянии 0,1 мм. Нагрузка при измерении обода показала увеличение при более высоких уровнях медиально-латерального трансляционного несоответствия, однако для более широкой оценки краевой нагрузки также принималась во внимание серьезность краевой нагрузки в течение всего цикла.При измерении силы краевой нагрузки на протяжении всего цикла ходьбы аналогичные результаты наблюдались при применении двух и трех осей условий вращения. Между двумя входными условиями не было значительных различий в скорости износа. Тем не менее, наблюдалась разница в картине износа полосок на головке бедренной кости (рис. 8), которая, по-видимому, имела более «двухзубчатую» форму полосы в условиях трех осей вращения. Подобное динамическое разделение, серьезность краевой нагрузки и износа, но при этом разница в осевой нагрузке на обод, указывает на то, что отдача осевой нагрузки на обод может иметь ограниченную полезность.Эти результаты показывают, что в целом входные профили либо по двум осям, либо по трем осям, показанные на рис. 2, одинаково пригодны для обеспечения подходящего метода доклинических испытаний для оценки возникновения и серьезности краевой нагрузки и износа в условиях краевой нагрузки. Тем не менее, необходимо учитывать возросшую сложность моделирования по трем осям, хотя и более точно воспроизводящего физиологическую биомеханику суставов и условия in vivo. Это исследование показало более высокие уровни динамического разделения, осевой нагрузки на ободе, серьезность краевой нагрузки и износа по мере увеличения наклона чашки и медиально-латерального трансляционного несоответствия, что согласуется с предыдущим исследованием [20].Более высокие нагрузки на обод и серьезность краевой нагрузки при более высоких уровнях несоответствия коррелируют с повышенной скоростью износа, демонстрируя преимущества недавно описанного двухэтапного подхода, используемого для изучения механики замены тазобедренного сустава в различных условиях. С помощью биомеханической стадии можно исследовать возникновение и серьезность краевой нагрузки до того, как будет проведено моделирование износа для оценки трибологических характеристик заменяемых подшипников бедра. Об аналогичной скорости износа при угле наклона чашки 45 ° и трансляционном несоответствии 4 мм сообщалось в предыдущем исследовании для керамических подшипников того же размера и типа (0.3 мм ³ / миллион циклов, по сравнению с 0,21 мм ³ / миллион циклов в этом исследовании в условиях двух осей вращения) [20]. Однако в том же предыдущем исследовании сообщалось о более высоком износе и серьезности краевой нагрузки при угле наклона чашки 65 ° и несоответствии поступательного движения 4 мм (1 мм ³ / миллион циклов по сравнению с 0,37 мм ³ / миллион циклов в это исследование в условиях двух осей вращения) [20]. Различия в конструкции и механике симулятора могли повлиять на разницу в степени нагрузки на кромку и скорости износа между двумя исследованиями.Предыдущее исследование было выполнено с использованием физиологического анатомического симулятора тазобедренного сустава Leeds II, который представляет собой гидравлический симулятор, который имеет две оси условий вращения и использует те же входные профили, что и две оси условий вращения, описанные в этом исследовании (рис. 2b). Тем не менее, это демонстрирует, как подход к установке медиально-латерального трансляционного несоответствия может быть воспроизведен в различных конструкциях симуляторов тазобедренного сустава. Кроме того, этот подход позволяет четко дифференцировать характеристики износа керамических подшипников.Важно отметить, что при разработке нового продукта и нормативном тестировании моделирование будет использоваться в сравнительном подходе к существующему предикатному устройству с историей болезни, и не следует сравнивать результаты различных устройств с помощью разных методов моделирования. Подшипники керамика-керамика, наблюдаемые в этом исследовании и в предыдущих исследованиях, являются низкими ( ³ / миллион циклов), существует потребность в замене тазобедренного сустава для работы в широком диапазоне условий у более молодых и более активных пациентов в течение более длительного периода.Кроме того, поскольку большинство современных композитных подшипников «керамика-керамика» изготавливаются на основе диоксида циркония, гидротермическое старение диоксида циркония может стать проблемой в долгосрочной перспективе [30,31]. Следовательно, в будущих исследованиях следует учитывать более широкий спектр параметров, включая влияние старения, а также вариации угла версии и вариации передне-заднего трансляционного позиционирования (дефицит передне-заднего смещения). Считается, что эти последние два фактора клинически различаются, и они также могут повлиять на долгосрочный успех замены тазобедренного сустава в будущем.

Симулятор бедра помогает контролировать потерю костной массы

Watertown, MA — Возможно, треть из примерно 300000 замен тазобедренного сустава, выполняемых в США каждый год, подрывается из-за состояния, называемого перипротезным остеолизом. Он развивается, когда иммунная система организма пытается уничтожить мелкие инородные частицы, сошедшие с протезного сустава, путем нормального ношения полиэтиленовой вертлужной впадины. Чашка удерживает шарик из кобальт-хромовой стали протеза.Эрозия кости у мяча, вызванная иммунной системой организма, повреждает сустав, что требует дальнейшего хирургического вмешательства.

Доктор Уильям Харрис, заведующий отделением ортопедической хирургии в Массачусетской больнице общего профиля в Бостоне, попросил Advanced Mechanical Technology Inc. (AMTI) спроектировать и построить машину, которая точно имитирует условия, с которыми сталкивается протез в человеческом теле.(AMTI является дочерней компанией Массачусетского технологического института, где президент компании Уолтер Синиута читал курсы по трению и износу.) Харрис также разрабатывает протезы, и он считал, что эта машина может помочь дизайнерам лучше понять износ и скорректировать дизайн. протеза, чтобы минимизировать износ.

Аппарат Dr.Харрис хотел иметь возможность моделировать движения, нагрузки и температуры, испытываемые протезом во время прогулки или бега пациента. Правильная симуляция требует помещения сустава в жидкость, которая имитирует смазку суставов организма, называемую синовиальной жидкостью, с ее кровью и белками.

Работая с доктором Харрисом и его коллегами из лаборатории ортопедической биомеханики в Массачусетсе, компания AMTI в начале 1992 года разработала однопозиционный аппарат и проверила его в течение пяти миллионов циклов.Удовлетворенный результатами, доктор Харрис попросил AMTI увеличить количество станций до 12.

Тренажер AMTI-Boston имеет 12 идентичных станций, расположенных в два ряда по шесть штук. Каждая станция оснащена датчиками веса, которые позволяют системе непрерывно получать данные о силе и перемещении по трем осям. Две термопары на каждой станции контролируют температуру.Есть 96 аналоговых выходов со станций (72 нагрузки и 24 температуры), собранные системой сбора данных. Нагревательные элементы под верхней пластиной машины поддерживают температуру в каждом протезе около 37 ° C.

«Кинематика системы очень похожа на кинематику человеческого цикла ходьбы», — говорит Синюта. «Вертлужная чаша устанавливается в вертикальном положении и подвергается сгибанию на 28 градусов и отведению на 10 градусов — повороту тазобедренного сустава наружу в сторону тела.»

В каждом из дюжины тестируемых протезов головка бедренной кости блока прикладывает совместную реактивную силу через стойку, прикрепленную к гидравлическому цилиндру. Все 12 цилиндров имеют общий коллектор, обеспечивая одинаковое давление на входе и нагрузку на каждый цилиндр.

Тензодатчики выдерживают нагрузки до 1000 фунтов и обеспечивают шесть выходных сигналов — по три силы и момента (Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz).В них используется прецизионный цилиндрический элемент для изоляции и измерения приложенных сил и моментов, тензодатчики и усилители с высоким коэффициентом усиления для усиления сигналов.

Данные от тензодатчиков собираются главным компьютером на базе 486. В свою очередь, компьютер использует микроконтроллер 80C166 с тактовой частотой 80 МГц для обеспечения непрерывных сигналов, управляющих механическими приводами системы.Оператор может запрограммировать любую желаемую форму волны в систему, включая кривую типа Пола, которая имитирует движения тазобедренного сустава, когда пользователь делает шаг.

Каждая станция имеет камеру, которая защищает сочленяющиеся компоненты. Камера закрывается стерильным пакетом для внутривенного введения физиологического раствора. Каждая камера включает одно входное и одно выходное отверстие для циркуляции смазки, омывающей компоненты протеза.