نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

2 دانشکده مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران.

3 دانشکده مهندسی صنایع و سیستم، دانشگاه روچستر، نیویورک، آمریکا.

4 دانشکده فیزیوتراپی، دانشگاه علوم پزشکی شیراز، ایران.

10.22041/ijbme.2020.114099.1522

چکیده

شانه بنا به داشتن درجات آزادی متعدد مفصلی پیچیده در سیستم اسکلتی عضلانی بدن به حساب می آید، اینکه اعصاب مرکزی برای ایجاد حرکت در این مفصل چگونه بر پیچیدگی های کنترلی مسئله فائق می آید سوالی ست که با استفاده از تئوری سینرجی های متغیر با زمان سعی بر جواب دادن به آن داریم. تمریناتی در یک فضای سه بعدی اطراف بدن همراه با حرکت رفت و برگشتی میله منعطف در نرم افزار Anybody مدلسازی شد و سطوح فعالیت 12 عضله منتخب در کنار گشتاور حاصل از این عضلات حول مفصل شانه به عنوان خروجی ثبت شد تا تحت یک ماتریس کلی طبق مفهوم سینرجی های فانکشنال به عنوان ورودی یک الگوریتم بهینه سازی گرادیان محور جهت تعیین بردارهای سینرجی قرار گیرند. شیفت های زمانی از روش matching pursuit و ضرایب بزرگی با روش non-negative least square در هرمرحله از حل بدست آمدند. همچنین سینرجی های تونیک به عنوان خنثی کنندگان اثر گشتاور وزن و سینرجی های فازیک به عنوان تولید کنندگان سرعت در حرکت به صورت جداگانه بدست آمدند. در نهایت با کمک معیار R^2، 5 سینرجی تونیک و 5 سینرجی فازیک انتخاب شدند که 79 درصد داده ها را بازسازی می کنند. سینرجی های بدست آمده توانایی بازسازی داده های فعالسازی عضلات را با دقت 60 درصدی مربوط به یک تمرین غیر از تمرینات اولیه مورد بررسی، را داشتند. هرچند هر یک از سینرجی ها همراه با عضلات فعال در آن، در بخش های مشخصی از فضای مورد تحلیل فعال بودند اما این تحقیق نشان داد که پیچیدگی محاسباتی یافتن شیفت های زمانی به علت یکسان بودن سرعت در همه تمارین و همینطور جدا کردن بخش های تونیک و فازیک به علت گشتاور کم وزن دست و میله حول مفصل، نتوانسته درک نورولوژیک جدیدی ارائه بدهد؛ اما بکارگیری سینرجی های فانکشنال برای تحلیل های دقیتر موثر بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Effect of Hand-Held Flexi-Bar on Shoulder Functional Tonic and Phasic Time-Varying Muscle Synergies

نویسندگان [English]

  • Mehrdad Davoudi 1
  • Mahdi Bagheri 2
  • Mohammadreza Shokouhyan 2
  • Masoud Abdollahi 3
  • Soha Bervis 4
  • Maryam Hoviattalab 2
  • Mohamad Parnianpour 2

1 Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran.

2 Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran.

3 Department of Industrial and Systems Engineering, Rochester Institute of Technology, Rochester, NY 14623, USA.

4 Department of Physical Therapy, School of Rehabilitation sciences, Shiraz University of Medical Science, Shiraz, Iran.

چکیده [English]

An open research question is how to find a solution for the problem of redundancy or degree of freedom in the human shoulder motion control by CNS. We used time-varying synergy theory to investigate the combination of activation patterns of shoulder muscles in twelve 3-D hand-held Flexi-Bar exercises simulated by inverse dynamic model (Anybody Technology software). Using activation of muscles and their moment across the joint as the input matrix for the optimization procedure to extract functional time-varying synergies, time delays, and amplitude coefficients. The achieved 5 tonic and phasic synergies explained 79% of the data variation. Matching pursuit procedure and non-negative least square used to find timing shifts and amplitude synergy coefficients respectively. The results were validated by reconstruction of the activation patterns of a single task not included in the primary dataset (R²=0.6). Extracted tonic synergies were directionally tuned tough considering the same velocity in simulated movements the timing shifts provided no further explanation on CNS behavior. The functional grouping of twelve shoulder muscles in five time-varying synergies results in a linear system that maps any combination of the torque in the 3-D torque-space related to 12 simulated exercises to the 12-D muscle activation. The temporal co-combination of agonist-antagonist muscle groups produced the torque required in each time-step of simulated movement to maintain joint stability.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Time-Varying Synergies
  • Phasic and Tonic Synergies
  • functional synergies
  • shoulder