نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسنده

دانشگاه علوم پزشکی شهید بهشتی، گروه مهندسی و فیزیک پزشکی

10.22041/ijbme.2004.13513

چکیده

میزان دقیق تاثیر عضلات دست بر زوایای انگشتان به واسطه پیچیدگی سیستم حرکتی دست انسان روشن نیست. این امر جهت بازیابی عملکرد حرکتی از دست رفته با استفاده از تحریک الکتریکی عملکردی ضروری است. در این مطالعه، با استفاده از یک مدل سه بعدی از شست و انگشت اشاره، میزان تاثیر سطح تحریک هر یک از عضلات موثر خارجی و داخلی دست انسان بر موقعیت هر یک از مفاصل آن به صورت کمی بررسی گردید. کف دست، شست و انگشت اشاره به عنوان یک زنجیره از اجسام صلب که توسط مفاصل با یک یا دو درجه آزادی چرخشی به یکدیگر متصل هستند مدل شد. به هر مفصل، گشتاور حاصل از نیروی عضله و گشتاور غیرفعال مفصل اعمال گردید. معادلات تعادل استاتیکی مفاصل بر اساس سطح تحریک هر عضله از صفر تا صد در صد با استفاده از روش مکانیک مستقیم به صورت عددی حل شدند که در آن، موقعیت هر مفصل به عنوان تابعی از میزان تحریک هر عضله محاسبه گردید. نتایج نشان داد در مفصل متصل کننده انگشت اشاره به دست، اثر فلکسیونی عضلات خارجی تقریبا دو برابر اثر عضلات داخلی است و هر یک از عضلات سیستم اکستنسور به تنهایی قوی تر از عضلات فلکسور خارجی هستند. در مفصل های دیستال انگشت اشاره، عضلات داخلی به عنوان اکستنسورهای ضعیفی عمل می نمایند. در مفصل متصل کننده شست به دست، عضلات اکستنسور قوی تر از عضلات فلکسور و اثر فلکسوری عضلات اداکتور می باشند و عضلات ابداکتور و موثرتر از عضلات اداکتور هستند. عضلات فلکسور در مفاصل دیستال شست هم پایه عضلات اکستنسور عمل مینمایند. در افرادی که از تحریک الکتریکی عضلات جهت بازیابی حرکت دست استفاده می کنند، مناسب ترین و حداقل عضلات لازم برای ایجاد زوایای مورد نظر و نیز جهت گرفتن و اعمال نیرو به اجسام تعیین گردید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Sensitivity Analysis Of Muscle Activation-Joint Position Using Computer Simulation Of A Model For The Thumb And Index Finger

نویسنده [English]

  • Ali Esteki

Department of Medical Physics and Engineering, Shahid Beheshti University of Medical Sciences

چکیده [English]

Computer simulation of a three dimensional model of the thumb and index finger was used to perform a sensitivity analysis of each joint position to individual muscle activation level. The results were used to study the effect of each muscle on hand posture and select specific muscles to get a desired posture of the hand to assist the implementation of FNS systems. The hand was treated as a multi-body system including rigid segments connected by joints. Each joint was subjected to a total moment including muscle active and joint passive components. The forward approach, in which the equilibrium equations are solved for joint positions as a function of muscle moments, was used. The results showed that at the base joint of the index finger, flexion effect of the extrinsic flexor muscles was about two times of that of the intrinsic muscles. It was also shown that each muscle of the extensor system is individually more effective than the extrinsic flexor muscles. At the more distal joints, intrinsic muscles acted as feeble extensors. At the base joint of the thumb, extensor muscles were much more powerful than the flexor and flexor effect of adductor muscles. Also, abductor muscles were much more effective than the adductors. It was revealed that flexor muscles of the more distal joints are as strong as the extensor muscles. The conclusions are that: the minimum required muscles for appropriate positioning of the hand and for grasp and applying force to objects are limited.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Modelling
  • Simulation
  • Sensitivity analysis
  • Functional electrical stimulation
  • Thumb
  • Index Finger

[1]     Sadowsky CL; Electrical stimulation in spinal cord injury; Neuro Rehabilitation 2001;16(3):165-9.

[2]     Chae J, Kilgore K, Triolo R, Creasey G; Functional neuromuscular stimulation in spinal cord injury; Phys Med Rehabil Clin N Am 2000; 11(1):209-26.

[3]     Peckham PH, Keith MW, Freehafer AA; Restoration of functional control by electrical stimulation in the upper extremity of the quadriplegic patient; J of Bone and Joint Surg 1988; 70A:144-148.

[4]     Kieth MW, Peckham PH, Thrope GB, Stroh KC, Smith B, Buckett JR, Kilgore KL, Jatich JW; Implantable functional neuromuscular stimulation in the tetraplegic hand; J Hand Surg 1988; 14A:524-530.

[5]     Yamaguchi GT, Zajac FE; Restoring unassisted natural gait to paraplegics via functional neuromuscular A computerstimulation: A computer simulation study; IEEE Trans Biomed Eng 1990; 37:886-902.

[6]     An KN, Chao YS, Cooney WP, Linscheid RL; Biomechanics of the hand: A basic research study, Submitted to: The American Academy of Orthopaedic Surgeons for Consideration of the Kappa Delta Award 1983.

[7]     Buchholz B, Armstrong TJ; A kinematic model of the human hand to evaluate its prehensile capabilities; J Biomech 1992; 25 N2:149-162.

[8]     Keir PJ, Wells RP; The effect of typing posture on wrist extensor muscle loading; Hum Factors 2002; 44(3):392- 403.

[9]     Seireg A, Arvikar R; Biomechanical analysis of the musculoskeletal structure for medicine and sports; Hemisphere Publ Co NY 1989.

[10] Esteki A, Mansour JM; An experimentally based nonlinear viscoelastic model of joint passive moment; J Biomech 1996; 29:443-450.

[11] Chiel HJ, Crago P, Mansour JM, Hathi K; Biomechanics of a muscular hydrostat: a model of lapping by a reptilian tongue; Biol Cybern 1992; 67:403-415.

[12] Crago PE; Muscle input/output model: the static dependence of force on length, recruitment and firing period; IEEE Trans on Biomed Eng 1992; 39:871-874.

[13] Blanton PL, Biggs NL; Ultimate tensile strength of fetal and adult human tendons; J of Biomech 1970;3:181- 189.

[14] Brand PW; Clinical mechanics of the hand; The CV Mosby Co St Louis; 1985.

[15] Lieber RL, Fazeli BM, Botte MJ; Architecture of selected muscles of the arm and forearm; J Hand Surg 1992; 17(5):804 809.

[16] Benedict JV, Walker LB, Harris EH; Stress-strain characteristics and tensile strength of unembalmed human tendons; J of Biomech 1968; 1:53-63.

[17] Ketchum LD, Thompson DE; An experimental investigation into the forces internal to the human hand, In: Brand PW editor, Clinical Mechanics of the Hand; The CV Mosby Co St Louis; 1985.

[18] Lauer RT, Kilgore KL, Peckham PH, Bhadra N, Keith MW; The function of the finger intrinsic muscles in response to electrical stimulation; IEEE Trans Rehabil Eng 1999; 7(1):19-26.