Неинвазивное измерение нагрузки в большеберцовой кости человека с помощью спектрального анализа изгибных волн.

arXiv:2511.06140v2 Тип объявления: замена Аннотация: Силы, передаваемые костями, регулярно изучаются в биомеханике человека, но их неинвазивное измерение представляет собой сложную задачу, особенно вне лабораторных условий. Мы представляем методику неинвазивного измерения силы сжатия большеберцовой кости in vivo с использованием изгибных волн, распространяющихся в большеберцовой кости. Моделируя большеберцовую кость как аксиально сжатую балку Эйлера-Бернулли, мы показываем, что изгибные волны большеберцовой кости имеют частотный спектр, зависящий от нагрузки. В частности, в физиологических условиях положения пиков в спектрах ускорения волн линейно изменяются с силой сжатия на большеберцовой кости и могут использоваться в качестве аппроксимации силы сжатия. Мы проверяем достоверность этой методики с помощью носимой системы, которая генерирует изгибные волны с помощью механического преобразователя, закрепленного на коже, и измеряет спектры этих волн с помощью акселерометра, также закрепленного на коже. В соответствии с теорией балок, данные, полученные от 9 участников, демонстрируют линейную зависимость между силой сжатия большеберцовой кости и положением пика спектра, с коэффициентами корреляции Пирсона $r=0,82 — 0,99$ (среднее значение $r=0,93$) для медиально-латерального колебания и $r=0,81 — 0,98$ (среднее значение $r=0,93$) для ходьбы. Эта методика, основанная на изгибных волнах, может привести к созданию нового класса носимых датчиков для неинвазивного физиологического мониторинга и измерения нагрузки на кости, что окажет влияние на исследования в области локомоции человека и спортивной медицины.

Источник: arxiv.org