This paper introduces a method of estimating the knee joint moment developed during MVC. By combining the Hill-type muscle model and analytic results on moment arm and musculotendon length change as a function of hip and knee joint angle, the knee joint moment at a specific knee joint angle during MVC is determined. Many differences between the estimated results and the experimental data are noted. It is believed that these differences originate from inaccurate information on the muscle-tendon parameters. The establishment of exact values for the subject's muscle parameters is almost impossible task. However, sensitivity analysis shows that the tendon slack length is the most critical parameter when applying the Hill-type muscle model. The effect of a change of this parameter on the muscle length force relationship is analyzed in detail.
Lim, Young-Tae;Park, Jun Sung;Lee, Jae Woo;Kwon, Moon-Seok
Korean Journal of Applied Biomechanics
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v.27
no.2
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pp.125-132
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2017
Objective: The aim of this study was to investigate the effect of targeted knee flexion angle on biomechanical factors of knee joint between upward and downward phases during the forward lunge. Method: Eight elderly subjects (age: $22.23{\pm}1.51years$, weight: $69{\pm}6.63kg$, height: $174.88{\pm}6.85cm$) participated in this study. All reflective marker data and ground reaction force during a forward lunge were collected. The knee joint movement and reaction force and joint moment at maximum knee flexion angle were compared by repeated measures one-way analysis of variance (ANOVA) (p<.05). The peak knee joint reaction force and joint moment between upward and downward phases were compared by repeated measures two-way ANOVA (p<.05). Results: The anterior and vertical knee joint movements, reaction force, and extensor moment of $80^{\circ}$ targeted knee flexion condition at maximum knee flexion angle was greater than both $90^{\circ}$ and $100^{\circ}$ conditions (p<.05). The $80^{\circ}$ knee flexed angle condition had greater peak joint reaction force and extensor moment compared with both $90^{\circ}$ and $100^{\circ}$ conditions between upward and downward phases during the forward lunge. Conclusion: As the targeted knee joint flexion angle increases, knee joint movement and kinetic variables become greater during the forward lunge exercise.
The purpose of this study was to find the relationship between Achilles tendon angle, angular velocity from 2D cinematography utilized to easily analyze the functions of shoes, ankle joint moment, knee joint moment, and hip joint moment from 3D cinematography utilized to predict the injury. Also, this study was to provide the optimal standard to analyze the injury related to the shoes. Subjects in this study were 30 university male students and 18 conditions (2 types of running speed, 3 of midsole hardness, 3 of midsole height) were measured using cinematography and force platform. The results were as following. 1) Hip joint abduction moment was effected by many variables such as running speed, midsole height, maximum achilles tendon angle, ground reaction force. 2) Knee joint rotational moment in running was approximately 1/10 - 1/4 times of the injury critical value and eversion moment was approximately 1/4 - 1/2 times of the injury critical value. 3) Ankle joint pronation moment in running was 1/3 - 1/2 times of the injury critical value. 4) Knee joint rotational moment was found to be irrelevant with maximum achilles tendon angle or angular velocity. 5) Pronation from running was thought to be relevant to rather eversion moment activity than rotational moment activity of knee joint. 6) Plantar flexion abductor of ankle showed significant relationship with the ground reaction force variable. 7) When the loading rate for ground reaction force in passive region increased, extensor tended to be exposed to the injury. Main variables in biomechanical analysis of shoes were impact absorption and pronation. Among these variables, pronation factor was reported to be relevant with knee injury from long duration exercise. Achilles tendon angle factor was utilized frequently to evaluate this. However, as the results of this study showed, the relationship between these variables and injury relating variable of knee moment was so important. Studies without consideration on this finding should be reconsidered and reconfirmed.
Journal of The Korean Society of Integrative Medicine
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v.5
no.4
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pp.41-48
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2017
Purpose : The purpose of this study was to verify the relationships among the knee adduction moment, hip rotation range, strength of hip rotators, and Foot Posture Index of healthy young adults. Method : Thirty-two healthy adults(24 male, 8 females) participated in this study. Subjects performed 5 walking trials to evaluate the knee adduction moments using a three-dimensional motion analysis system. Hip rotation ranges and hip rotator strengths were measured using a standard goniometer and a handheld dynamometer, respectively. The mean of three trials of clinical tests was used for data analysis. Results : The first peak knee adduction moment was significantly correlated with the hip rotation ranges and hip rotator strengths (P<.05). The second peak knee adduction moment was showed significant correlations with hip external rotation and rotation ratio. There were no correlations between Foot Posture Index and all knee adduction moments (P>.05). Conclusion : This study suggests that imbalances of the range of motion and strength of the internal and external rotation of the hip joint can affect knee adduction moments. The impact may exacerbate musculoskeletal disorders such as osteoarthritis of the knee. Therefore, further studies should be conducted to evaluate the effects of clinical interventions to correct these imbalances on the reduction of the knee adduction moments in patients with knee osteoarthritis.
Purpose: The purpose of this study was to examine the change in the kinematics and kinetics of the knee joint depending on high-heeled shoes during sit-to-stand (SitTS) task. Methods: Nineteen healthy females participated in this study. The subjects performed the SitTS task wearing high-heeled shoes and barefoot. The experiment was repeated three times for each task with foot conditions. The kinematics and kinetics of the knee joint were measured and analyzed using a 3D motion analysis system. Results: The result of this study showed kinematic and kinetics differences in knee joints during the SitTS task based on high-heeled shoes. Significant differences in knee flexion angle were observed during SitTS. The knee extensor force showed statistically significant differences during SitTS tasks. At the initial of SitTS, the knee flexor and extensor moment showed significant differences. The knee extensor moment showed statistically significant differences at the terminal of SitTS. At the maximum of SitTS, the knee extensor moment showed statistically significant differences. Conclusion: Therefore, wearing high-heeled shoes during SitTS movements in daily life is considered to influence knee joint kinematics and kinetics due to the HH, suggesting the possibility of increased risk of patellofemoral pain, and knee osteoarthritis caused by changes in loading of the knee joint.
Journal of International Academy of Physical Therapy Research
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v.7
no.2
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pp.1025-1030
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2016
The purpose of this study was to investigate the effects of combined wedge on the range of motion in ankle and knee joint, ankle eversion moment and knee adduction moment, and center of pressure excursion of foot for genu varus among adult men during gait. This study was carried out with 10 adult men for genu varus in a motion analysis laboratory in J university. The subjects of the experiment were measured above 5cm width between the knees on contact of both medial malleolus of ankle while standing. The width of their knees in neutral position was measured without the inversion or eversion of the subtalar joint by the investigator. The subjects of the experiment were ten who were conducted randomly for standard insole, insole with $10^{\circ}$ lateral on rear foot wedge, insole at $10^{\circ}$lateral on rear foot and $5^{\circ}$ medial on fore foot wedge. Before and after intervention, changes on the range of motion in ankle and knee joint, ankle eversion moment and knee adduction moment, and center of pressure excursion were measured. In order to compare analyses among groups; repeated one-way ANOVA and $Scheff{\acute{e}}$ post hoc test were used. As a result, combined wedge group was significantly decreased compared to control wedge group in terms of knee varus angle in mid-stance(p<.05). Combined wedge group was significantly decreased compared to lateral wedge group in terms of ankle eversion moment in whole stance(p<.05). Combined wedge group was significantly decreased compared to lateral wedge group in terms of knee adduction moment in whole stance(p<.05). Combined wedge group was significantly decreased compared to lateral wedge in terms of center of pressure excursion in whole stance(p<.05). The results of this study suggest that combined wedge for genu varus decreased ankle eversion moment and knee adduction moment upon center of pressure excursion. We hypothesize that combined wedge may also be effective in the protection excessive ankle pronation.
The purpose of this study was to determine the differences in joint moment in the intact limb of uni-transfemoral amputees and to identify the implications of knee osteoarthritis. As an experimental method, three-dimensional gait analysis was performed on 10 uni-transfemoral amputees and 10 healthy males. Kinematics and kinetics at the hip, knee, and ankle joint were calculated. As a statistical method, independent t-tests were conducted to perform a comparison between the transfemoral amputee group and the control group. The results showed that the external knee adduction moment increased in the transfemoral amputee group (.22 Nm/kg) compared with that of the control group (.13 Nm/kg) at terminal stance (p=.008). External knee flexion moment also increased in the transfemoral amputee group (.24 Nm/kg) but this difference was not statistically significant. External hip flexion moment increased in the transfemoral amputee group (1.35 Nm/kg) compared with that of the control group (.45 Nm/kg) at initial stance, and external hip extension moment decreased in the transfemoral amputee group (-.26 Nm/kg) compared with that of the control group (-.76 Nm/kg) at terminal stance. Although external ankle plantarflexion moment of the transfemoral amputee group increased, it was not found to be statistically significant. The results suggest that the intact limb joint moment of the uni-transfemoral amputees during walking can be different from that of healthy subjects. In conclusion, it was found that there is a link between the increase of external knee adduction moment and the prevalence of knee osteoarthritis in uni-transfemoral amputees. This result is expected to provide some objective data for rehabilitation programs related to knee osteoarthritis in transfemoral amputees.
Gait analysis can provide a better understanding of how the alignment of the lower limb and foot can contribute to force observed at the knee. Anatomic and mechanical factors that affect loading in the knee pint can contribute to pathologic change seen at the knee in degenerative pint disease and should be considered in treatment plan. The purpose of this study is to present the gait analysis data and to determine whether there is any relationships between alignment of the lower limb, foot progression angle and knee pint moments in elderly healthy women with 3-dimensional motion analyzer. The results were as follows; 1. Cadence showed 114.8 steps/min, gait speed showed 1.05 m/s, time per a stride showed 1.06 sec, time per a step showed 0.53 sec, single-supporting phase was 0.41 sec, double-supporting phase was 0.24 sec, stride length was 1.04 m, Step length was 0.56 m. 2. According to the parameters of kinematics, the maximal knee flexion angle through swing phase showed left $46.82^{\circ}$, right $40.19^{\circ}$ and the maximal knee extension angle showed left $-1.32^{\circ}$, right $2.01^{\circ}$. knee varus showed left $26.90^{\circ}$, right $30.93^{\circ}$. 3. Moment, one of kinetic parameters of knee pint the maximal flexion moment showed left 0.363. Nm/kg, right 0.464 Nm/kg and maximal extension moment showed left 0.389 Nm/kg, right 0.463 Nm/kg. The maximal. adduction moment showed left 0.332 Nm/kg, right 0.379 Nm/kg and the maximal internal rotatory moment showed left 0.13 Nm/kg, right 0.140 Nm/kg. 4. On sagittal plane, the maximal power of knee joint showed left 0.571 J/kg, right 0.629 J/kg. On coronal plane, the maximal power of knee joint showed left 0.11 J/kg, right 0.12 J/kg. On transverse plane, the maximal power of knee joint showed left 0.058 J/kg, right 0.072 J/kg. 5. The subject who had varus alignment of the lower extremity had statistically higher in knee adduction moment in mid stance phase. 6. The subject who had large foot progression angle had statistically lower in knee adduction moment in late stance phase. A relationship was observed between the alignment of the lower extremity and the adduction moment of the knee joint during stance phase. Hence, we need some research to figure, out the change of adduction moment according to the sort of knee joint osteoarthritis and the normal geriatrics as well. And we also require more effective, specific therapeutic program by making use of those background of researches.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.28
no.9
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pp.1262-1269
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2004
This study predicts muscle forces acting on the lower extremity when the knee joint is in deep flexion. The whole body was approximated as a link model, and then the moment equilibrium equations at the lower extremity joints were derived far given reaction farces against the ground. Measurement of deep flexion was carried out by placing ten markers on the body. This study calculated the moment acting at each Joint from the equations of force and moment, classified the complicated muscles around the knee joint, and then predicted the muscle forces to balance the joint moment. Two models were proposed in this study: the simpler one that consists of three groups of muscle and the more detailed one of nine groups of muscle.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2003.06a
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pp.1288-1293
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2003
This study predicts muscle forces acting on the lower extremity when the knee joint is in deep flexion. The whole bodies were approximated as a link model, and then the moment equilibrium equations at the lower extremity joints were derived for given reaction forces against the ground. Measurement of deep flexion was carried out by placing ten markers on the body. This study calculated the moment acting at each joint from the equations of force and moment, classified the complicated muscles around the knee joint. and then predicted the muscle forces to balance the joint moment. Two models were proposed in this study: the simpler one that consists of three groups of muscle and the more detailed one of nine groups of muscle.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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