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第二脊柱:在负重行走时减轻上身压力的装置
摘要—这项工作的目标是通过实验验证第二脊柱，这是我们小组最近开发的一种可穿戴设备，用于在负重行走时将力从肩膀传递到骨盆。与传统的框架背包相比，第二脊柱的一个关键特征是其结构的可调节刚度，这允许穿戴者改变该装置的承重行为。与之前关于负重行走的研究相一致，我们研究了一小组年轻健康受试者在跑步机上行走时的生物力学和生理变量，他们在三种不同的条件下行走:自由行走、背着受试者体重25 %的背包行走，以及背着具有装置的相同的背包行走。结果表明，佩戴第二脊柱显著降低肩部压力，并在步态时间和步幅长度方面导致与空载行走的较小偏差。股直肌和腓肠肌的激活，以及膝关节的运动学，提供了动态负荷从肩部刚性传递到腰部的间接证据。我们讨论了这些初步发现如何与预防装载运输的伤害相关，以及它们如何为下一代第二脊柱制定重要的指导方针。
I一.导言
过去已经发表了许多研究人体负重的生物力学和生理效应的著作。围绕这一主题的研究背后的基本原理不仅依赖于新型、更高效的承载系统的设计指南，还依赖于降低与长时间承载车厢相关的伤害风险的必要性。在这些损伤中，最常见的涉及下肢(脚水泡、跖骨疼痛、应力性骨折、膝盖疼痛)和下背部(下背部疼痛、痉挛、椎间盘撕裂/突出、椎管狭窄)。经常负重的受试者腰痛患病率较高(例如，物料搬运员和护士、步兵和年轻学者。例如，青少年在背着15 % - 20 %重量的背包行走15分钟后，肌肉疲劳会产生显著的影响，而超过后一范围则与背痛有关。
除了负荷量之外，负荷位置在确定负荷承载的姿势和效率方面也起着作用，最终影响伤害和疼痛的发生。已经表明，将负荷质量定位在靠近身体质心的位置，例如，通过双包装，导致较低的代谢成本和较低的与自然行走的姿势偏差。躯干向前倾斜较少降低背部问题的发生率。然而，双包装比背包装更能阻碍手臂和躯干的运动，它们可能会限制视野，甚至诱发通气障碍和热应激症状。因此，背包目前是学者、休闲徒步旅行者和军事步兵最常见和通用的解决方案。
背着背包行走的受试者增加躯干向前倾斜，以保持上半身的组合重心，并在脚上负重。这种向前倾斜的增加被假设会导致脚扭伤和受伤和背部受伤。通过将背包中的负载定位在更高的位置，这种姿势适应性降低，因为将背包的重心放在脚上需要较少的躯干旋转。然而，由于头、臂和躯干可以粗略地模拟为绕髋关节旋转的倒立摆，这种负载布置实际上可能导致更高的上身惯性，并因此导致骨盆处更高的肌肉激活，以保持姿势稳定性，尤其是在不平坦的地形上行走时。
背着背包也会影响步态运动学。先前的研究报告了当受试者承受负荷时，较高的站立阶段峰值膝关节屈曲，较低的摆动阶段，较长的双支撑阶段，以及较高的踝关节背/跖屈曲。总的来说，这些策略有助于身体在初始接触时因质量增加而受到更大冲击力的影响，并在重量接受过程中转移腿部之间的负荷。
以框架和腰带为特色的背包已经被证明可以通过部分地将负载转移到臀部来减轻肩部的压力，尽管它们的效果取决于具体的背包型号。肩部压力的降低不仅可以减轻肩部不适和神经压迫，从而导致背包瘫痪，但也减少了脊柱的应力，因为包装的刚性结构充当了将载荷传递到下体的替代路径。然而，在某些情况下，必须在背包外面携带大量物品(例如，军用战术背心重达13.6公斤，相当于体重的18 % )；在这些情况下，需要一种更好的解决方案来将负荷从肩膀转移到骨盆，这确实是第二脊柱设计背后的主要动机。为了克服双包和背包的一些缺点，已经提出了新的承重解决方案来将负载从肩膀转移到腰部，而不需要背包框架。
本文讨论的是第二脊柱，一种被动的、可磨损的载荷承载装置，其设计用于将载荷从肩部传递到骨盆。它的独特之处在于能够通过简单的手动调节将其承载特性从高刚度改变为高柔性/柔顺性，用户在佩戴该装置时可以操作该手动调节。我们首先介绍了该系统的设计，然后给出了实验结果，旨在评估与传统框架背包相比，该设备在负重行走时对用户的影响。在文章的最后部分，我们讨论了我们在预防下背部损伤和其他与负荷相关的损伤中的初步发现的潜在影响。
二.方法
装置的设计：第二根脊柱的设计是为了给人体脊柱提供一个替代的负荷路径，以减轻上身的压力，从而减轻背部和肩部的损伤。第二载荷路径平行于脊柱形成，因此一些载荷仍然可以由佩戴者承担。该装置由三列组成，两列在前，一列在后。这些柱作为与脊柱平行的柔顺构件。穿着者脊柱必须支撑的负荷量取决于支柱的组合刚度以及在无负荷配置中穿着者肩部和装置之间的间隙。
该装置旨在靠近身体佩戴，在移除负载时不会脱落。因此，在空载配置中必须保证灵活性，以便穿戴者的运动不受限制。这是通过使用锥形部分实现的。这些节段具有由弹簧约束的外部和内部锥体，以保持相邻节段的分离。这允许柱绕水平轴的受限旋转，这反过来又允许躯干倾斜、倾斜和旋转。当设备要加载时，可拉紧穿过每根立柱的电缆以压缩弹簧，使连续节段的内外锥体接触，从而锁定接头。这种设计通过使用安装在每根立柱底部的弯扣机构来调节线缆，从而使该装置既可以是刚性的，也可以是柔性的。尺寸调整适用于不同的躯干长度、腰围、胸宽和肩斜度，以覆盖男性人口的第25到75个百分点。与传统的框架背包相比，这种装置的优势在于，除了背包负载之外，它还可以支撑背包中通常不携带的负载，如防护背心或设备背心。整个系统重1.8千克，包括为用户舒适而添加的泡沫填料。
实验议定书：六名健康的成年男性参与了这项试点研究(年龄28plusmn;3岁，身高1.80plusmn;0.03米，体重78.8plusmn;10.3公斤)。所有受试者都没有任何可能妨碍其行走能力的身体障碍。受试者在一次测试中完成了全部方案。该研究包括三个15分钟的疗程: 基线疗程(BL):受试者穿着1.5公斤的战术背心，没有背包或第二脊柱，在跑步机上行走；第一场(s1):受试者穿着战术背心和负重背包(体重25 % )行走，但没有第二脊柱；第二场(s2):受试者带着同样的背包和背心以及装在背心下的第二根脊柱行走。每个参与者首先完成基本学习，然后随机顺序完成S1和S2。跑步机的速度被设定为1.25米/秒( 2.24英里/小时)，并且在两次训练之间有25分钟的休息时间。
电阻式压力传感器放置在两个肩部，用于测量传递的负载。它由954个传感元件组成，分辨率为每厘米3.9个传感元件。每个传感器都夹有0.2英寸( 5毫米)的聚乙烯泡沫塑料，以便更好地分配负载并保护传感器不起皱。为了补偿测量过程中的漂移，在每次测试之前和之后进行三点功率校准。
在人体上放置标记来测量步态运动学。维康运动捕捉系统有十个摄像头(型号: T40S )用来跟踪这些标记。标记位置改编自Kadabah等的作品。上身标记放置在背心上，骨盆标记放置在臀部支架上。
表面肌电图用于测量5块肌肉的活动:腓肠肌内侧肌、股直肌、股二头肌、斜方肌和胸竖脊肌。从身体右侧所有肌肉都被记录下来。在附着表面电极之前，电极部位被剃光并用擦酒精清洁。根据SENIAM指南将电极间距离为20毫米的湿凝胶、银/氯化银一次性表面电极放置在肌肉上，并在整个测试期间保持不动。单差分信号用一阶模拟滤波器( fc = 10赫兹)进行高通滤波，数字化后发送到无线桌面单元，该单元连接到VICON数字采集板。
MetaMax 3B心肺测试系统用于测量耗氧率和心率。这些被认为是在三种不同构型下行走的代谢成本的指标。在测试每个受试者之前，用3升注射器校准空气流量传感器。每次记录前，氧传感器都用环境空气校准。
运动学和力数据以100赫兹的频率采样，而肌电信号数据以1.5千赫兹的频率采样。力数据通过外部触发/同步信号与肌电图和运动学数据同步。
数据分析：分析中包括在每次训练的最后60秒内记录的肩部受力、运动学数据和肌肉活动。由左右肩膀上的电阻传感器测量的力在一分钟长的时间窗口内平均，求和并标准化为背包重量。
标记数据使用VICON Nexus和MATLAB进行分析，以估计关节角度。全局和局部坐标系如图3右侧所示。背心和臀部拉条紧贴身体，从而最大限度地减少行走过程中的相对运动。躯干和臀部角度是相对于惯性框架而不是骨盆框架进行计算，因为骨盆运动学不是直接从骨盆解剖标志获得的。膝盖角度是从小腿和大腿框架的相对位置计算出来的。同样，踝关节角度是从脚和小腿框架的相对位置计算出来的。步态事件(脚趾脱落和脚跟撞击)是使用脚趾和脚跟标记相对于骶骨标记的前后位移来计算每条腿的，如[ 22 ]中所建议的。基于这些事件，在每个步幅内计算步幅长度和时间变量(即摆动周期、站立周期和节奏)，然后进行平均。在统计分析之前，步幅长度被标准化为受试者的身高。
通过自适应滤波对上身原始肌电信号进行处理，以降低心电噪声。在左侧胸大肌上记录了一个辅助肌电信号通道，以获取噪声的副本并检查滤波器的有效性。然后，使用定制的MATLAB代码对所有信号进行后处理:在带通滤波(二阶巴特沃兹，20 - 500赫兹)和全波整流之后，根据步态事件将信号分成步态周期，并在单个步态周期上进行积分。在统计分析之前，每个受试者的iEMG数据被标准化为基线期记录的峰值。
VO2和心率均在每个疗程的持续时间内进行平均，丢弃每个疗程的第一分钟和最后一分钟。在统计分析之前，根据受试者的体重将平均耗氧率标准化。
使用统计软件对每个指标进行统计分析。与[ 23 ]的威尔科克森符号秩检验进行成对比较，以检查三种行走模式B1、S1和S2对上述生物力学和生理变量的统计显著效果(alpha;lt; 0.05 )。
三.结果
图4显示了作用在肩部的平均归一化力。在S1和S2之前，受试者被要求静止30秒，同时压力传感器测量作用在他们肩膀上的静态力。这些数据在图4中标记为“站立”。佩戴第二脊柱减少了传递到肩部的力，这种影响在动态情况下显著( p = .043 )，但在静态情况下仅接近显著( p = .068 )。
图5显示了三个疗程的矢状面关节角度，在受试者中取平均值。每个图都显示了在整个步态周期中测量的平均峰值角度，膝盖弯曲除外，膝盖弯曲捕获了在体重接受过程中测量的平均峰值。与BL相比，受试者在S1和S2的膝关节屈曲角度都有显著增加。有趣的是，在S1和S2之间观察到膝盖弯曲角度显著增加。类似地，与B1相比，在S1和S2时段中，峰值臀部伸展角、峰值踝关节跖屈角和峰值躯干前倾角显著更高。
步态定时变量和步幅长度如图6所示。与自由行走相比，背负背包( S1 )显著增加站立时间，进而减少摆动时间。同样，平均步幅从B1显著增加到S1。有趣的是，当受试者背负相同的背包负荷，但穿着第二脊柱( S2 )时，所有这些偏差都减小了(即，参数大约变回它们的基线值)。对于步幅长度来说，这种影响更加明显，在S1测量的平均值和S2测量的平均值之间检测到显著的降低。与步幅相比，节奏显示出相反的趋势。这一结果是意料之中的，因为两者的乘积与行走速度成正比，而后者在所有阶段都是恒定的。然而，节奏的变化并不显著。
图7显示了在行走条件B1、S1和S2下记录的5块肌肉的平均iEMG值。当受试者背着背包行走时，通用和射频显示出较高的肌肉激活，反映出在推挤时提供能量爆发和在接受重量时控制膝盖弯曲的努力增加。事实上，成对比较显示，两块肌肉的平均BL激活明显低于S1和S2激活。此外，S2期间转基因和射频的活性显著高于S1期间。步行方式对高炉活动影响不大( p gt; .1 )。负责肩胛骨稳定和向上旋转的TRAP肌肉的活动显示S1和S2与BL相比显著减少。胚胎干细胞肌肉控制脊柱相对于骨盆的伸展。与BL相比，S1和S2中胚胎干细胞的肌肉激活显著降低。
S1和S2期间的平均VO2和心率显著高于自由行走期间( p lt; .01 )，从而反映了受试者背着背包时代谢成本的增加。S1和S2之间没有观察到显著差异。
四.讨论
压力传感器记录的数据表明，负重行走时佩戴第二根脊柱可显著降低肩部压力，从而
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资料编号：[2532]
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