Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

شناسایی ناحیه‌ تعادل‌پذیر در فضای حالت: تحلیل زمان واکنش در آزمایش‌های خروج از تعادل

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، آزمایشگاه بیومکانیک و سیستم‌های حرکتی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، یزد، ایران

2 عضو هیأت علمیاستادیار، آزمایشگاه بیومکانیک و سیستم‌های حرکتی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، یزد، ایران

چکیده
حفظ تعادل وضعیت قائم یک الزام جانبی در بیشتر حرکات کل بدن انسان، مانند راه رفتن و نشست-به-برخاست، است. برای یک فرد به عنوان یک سیستم مکانیکی-کنترلی می‌توان یک زیرمجموعه از فضای حالت را شناسایی کرد که کنترل تعادل و اجتناب از زمین‌خوردن در آن ناحیه امکان‌پذیر است. شناسایی حدود این ناحیه به‌ویژه برای زیرگروه‌های در معرض خطر مانند سالمندان و برخی پاتولوژی‌های عصبی-اسکلتی-عضلانی حایز اهمیت است. مرزهای ناحیه تعادل‌پذیر به مشخصات مکانیکی و عملکرد کنترلی سیستم بستگی دارد. نشان داده شده است که هندسه پا، ارتفاع مرکز جرم و به‌ویژه حداکثر گشتاور داوطلبانه در مفصل مچ پا مهمترین پارامترها در تعیین مرزهای ناحیه تعادل‌پذیر هستند. همچنین به صورت تجربی نشان داده شده که تأخیر زمانی در پاسخ به اغتشاش تعادل، ناحیه تعادل‌پذیر را به مقدار قابل توجهی کوچک می‌کند. این پژوهش با بهره‌گیری از تحلیل ریاضی سیستم دینامیکی مبتنی بر یک مدل ساده و مرسوم از بدن انسان در بازیابی تعادل، افزودن پارامتر تأخیر زمانی در پاسخ و سپس بازسازی منیفولدهای پایدار، ناحیه تعادل‌پذیر را استخراج می‌کند. با استفاده از آزمایش خروج از تعادل با ضربه، اغتشاشی به تعادل ایستاده فرد اعمال می‌شود و پاسخ وی ثبت می‌شود. با استفاده از تحلیل داده حاصل از آزمایش‌ها، مرز ناحیه تعادل‌پذیر در فضای حالت آشکار می‌گردد. با تطبیق ناحیه تعادل‌پذیر به‌دست آمده از داده تجربی با تحلیل دینامیکی رفتار سیستم با و بدون در نظر گرفتن تأخیر زمانی، اول تحلیل دینامیکی اعتبارسنجی شده، دوم تخمین زمان تأخیر در واکنش فرد به‌دست می‌آید و سوم، نسبت ناحیه تعادل‌پذیر واقعی به ناحیه تعادل‌پذیر صرفاً مکانیکی (یعنی با فرض عملکرد کامل کنترلی و با تأخیر زمانی صفر) به دست می‌آید. این نسبت برای افراد شرکت‌کننده در آزمایش بین 47% تا 90% به‌دست آمد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Identification of the balanceable region in state space: Analysis of reaction time in out-of-upright stability experiments

نویسندگان English

Mahdie Pourjafari Sadrabad 1
Mohammad Hadi Honarvar 2
1 PhD candidate, Biomechanics and Movement Systems Laboratory, Faculty of Mechanical Engineering, Yazd University, Yazd, Iran
2 Assistant professor, Biomechanics and Movement Systems Laboratory, Faculty of Mechanical Engineering, Yazd University, Yazd, Iran
چکیده English

Maintaining upright balance is a secondary requirement in most whole-body movements, such as walking and sit-to-stand transition. For an individual as a mechanical-control system, a subset of the state space can be identified in which balance control and fall avoidance is possible. Identifying the boundaries of this area is particularly important for at-risk subgroups, such as the elderly and individuals with certain neuro-musculoskeletal pathologies. The boundaries of the balanceable region depend on the mechanical specifications and control performance of the system. It has been shown that foot geometry, the center-of-mass height, and particularly the maximum voluntary torque at the ankle joint are the most important parameters in determining the boundaries of the balanceable region. It has also been empirically shown that the time delay in response to balance disturbances significantly reduces the balanceable region. This research utilizes mathematical analysis of a dynamic system based on a simple and conventional model of the human body in balance recovery, incorporating the time delay parameter in response, and subsequently reconstructing the stable manifolds to extract the balanceable region. Using an impact test, a disturbance is applied to the individual’s upright stability, and their response is recorded. By analyzing the data obtained from the experiments, the boundary of the balanceable region in the state space is revealed. By matching the balanceable region obtained from experimental data with the dynamic analysis of the system’s behavior with and without considering time delay, first, the dynamic analysis is validated; second, the time delay in the individual’s response is estimated; and third, the ratio of the actual balanceable region to the purely mechanical balanceable region (i.e., assuming full control performance and zero-time delay) is determined. This ratio was obtained for the participants in the experiment, ranging from 47% to 90%.

کلیدواژه‌ها English

Balanceable region
Reaction time
balance recovery
out-of-upright stability experiments
دوره 18، شماره 3
پاییز 1403
صفحه 305-317

  • تاریخ دریافت 28 اسفند 1403
  • تاریخ بازنگری 22 اردیبهشت 1404
  • تاریخ پذیرش 17 اردیبهشت 1404