Un novedoso protocolo de caracterización de interacciones mecánicas entre el suelo y una prótesis tibial para salto de longitud

Jan 25, 2024

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 5226 (2023) Citar este artículo

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El estudio mecánico de las Prótesis Específicas para Correr (RSP) a menudo se limita a la hoja. La configuración desarrollada y presentada aquí es un experimento simple, basado en una máquina de prueba mecánica y una cámara, que evalúa dos indicadores relevantes para entrenadores y atletas en el campo del atletismo: rigidez secante y disipación de energía. Se evalúa la influencia de cuatro parámetros en el comportamiento global de la prótesis: el desplazamiento de la línea de carga, el ángulo prótesis-suelo, el tipo de suela y el tipo de suelo. El desplazamiento de la línea de carga y el tipo de piso tienen poca o ninguna influencia en su comportamiento. El ángulo entre la prótesis y el suelo influye en la rigidez: un aumento del ángulo provoca una disminución significativa de la rigidez, lo que influye fuertemente en el rendimiento. El tipo de suela modifica la cinemática de interacción de la punta de la pala con el suelo. Sin embargo, es menos probable que este efecto mejore la práctica deportiva ya que el atletismo impone el uso de clavos. Las imágenes de la cámara permiten evaluar el comportamiento local de la suela, lo que permite seguir su tensión a través del proceso de compresión.

A pesar de la dificultad de encontrar datos precisos sobre el número de amputados, un estudio reciente1 estima que 65 millones de personas viven con amputación de extremidades en el mundo debido únicamente a causas traumáticas y cáncer. Entre ellos, al menos 35,3 millones tienen amputaciones de extremidades inferiores que requieren el uso de una prótesis. Otro estudio2 estimó que en 2012, dentro de las amputaciones de miembros inferiores, el 60% presenta una amputación transtibial, lo que representa alrededor de 21,2 millones de personas. Todas estas personas necesitan sus prótesis para todas las actividades de la vida diaria.

En las últimas décadas, las mejoras en el diseño de prótesis para la vida diaria han permitido que la mayoría de estas personas recuperen una vida normal después de su amputación. Además, los avances en el campo de los materiales compuestos en la década de 1980 mejoraron en gran medida el diseño de prótesis específicas para deportes y permitieron que más amputados accedieran al deporte3 y mejoraran su rendimiento.

Las prótesis utilizadas en el atletismo para la amputación de miembros inferiores se denominan Running Specific Prosthesis (RSP). A ellos se dedica una amplia investigación, que va desde la diferencia de gestos deportivos entre el nivel de amputación4 o entre atletas olímpicos y paralímpicos5 hasta el comportamiento de las prótesis y la interacción entre la prótesis y el miembro6.

Mirando más de cerca las RSP tibiales (amputación por debajo del nivel de la rodilla), podemos definir tres partes diferentes: el encaje, la hoja y la suela (ver Fig. 1a). El primero posibilita el enlace con la extremidad del atleta, el segundo almacena y libera energía para avanzar, y el último realiza los enlaces con el suelo. La pala es el cuerpo principal de los RSP y hoy en día está hecha de una sola pieza de fibra de carbono que actúa como un resorte (ver Fig. 1b). La suela rige el agarre al suelo y la rotación de la pala alrededor del punto de contacto. Dado que ninguna bisagra hace el papel del tobillo, solo la forma de la punta de la hoja combinada con la suela permite que el atleta avance.

(a) Los diversos componentes de RSP y la línea de carga (extensión del eje de la tibia). (b) Modelo resorte-masa utilizado en la literatura para la rigidez de la pierna y/o de la prótesis (TD para la toma de contacto de la zancada y TO para el despegue).

El encaje es totalmente personal y bien estudiado por equipos médicos y biomecánicos durante al menos 20 años7. La cuestión principal en su diseño es encontrar la forma adecuada para cada atleta o paciente8,9 para garantizar la comodidad y evitar el riesgo de lesiones. Para ello, suele estudiarse el reparto de presiones sobre el muñón y se desarrollan diferentes sensores o métodos para optimizar la forma del encaje y los materiales10,11,12.

Para elegir la pala más adecuada para el rendimiento de un atleta, los fabricantes proponen categorías de rigidez recomendadas según la masa corporal y la distancia de la carrera (larga distancia o sprint). Sin embargo, esta elección sigue siendo una sugerencia del fabricante, ya que depende en gran medida del nivel de práctica y de todos los demás parámetros que los atletas pueden ajustar por sí mismos. Por ejemplo, la línea de carga (ver Fig. 1a) es un parámetro definido por los protésicos. Lo utilizan para posicionar la hoja con respecto al zócalo. La línea de carga corresponde al eje de la tibia y está destinada a intersectar un punto específico en la punta de la pala. Este ajuste depende de la forma de la hoja y lo especifica el fabricante. Se administra para ayudar a que la marcha del atleta se equilibre con la pierna buena. Pero la línea de carga también es un parámetro de rendimiento que define el área de la pala en contacto con el suelo en reposo y los deportistas pueden ajustarla para intentar mejorar su rendimiento.

Sin embargo, la literatura se centra principalmente en la rigidez de la hoja y se pueden encontrar varios estudios sobre ese tema, mientras que se descuidan otros parámetros de la prótesis. Muchos estudios implican modelar el comportamiento de la hoja para representar mejor los resultados experimentales. Utilizan modelado paramétrico13,14, modelado de elementos finitos15 o modelos biomecánicos16. El modelo más simple para RSP es el mismo que se utiliza para modelar las piernas durante la fase de apoyo para correr o caminar: es decir, el modelo resorte-masa17,18. Se supone que tanto las piernas como las prótesis se comportan como un resorte durante la fase de apoyo de caminar, correr y saltar. Acumulan energía entre el golpe del talón (toque de contacto) y la posición intermedia y la restauran desde la posición intermedia hasta el despegue (ver Fig. 1b). Por otro lado, los equipos de investigación desarrollan sensores portátiles19,20 para ser montados directamente en la pala durante la práctica deportiva para una mejor evaluación in situ y una óptima prescripción al usuario. Otros equipos estudian la rigidez de la pala en el laboratorio, en condiciones cuasiestáticas o dinámicas. En cuasi-estática, por ejemplo, Beck et al.21 demostraron que la rigidez de la prótesis se describe mejor con una función cuadrática que con una lineal. También demostraron que las categorías de rigidez no corresponden a la rigidez medida de la hoja y que varía con las condiciones de prueba, como el ángulo entre el eje longitudinal de los RSP y la dirección de la fuerza aplicada, o entre modelos protésicos ( forma y fabricantes). En dinámica, Petrone et al.22 diseñaron un setup para la caracterización estática y dinámica de RSPs reproduciendo la cinemática completa de una zancada con diferentes actuadores. Confirmaron los resultados de Beck et al. mostrando que la rigidez depende del ángulo entre la prótesis y el suelo, así como de la alineación de la línea de carga.

Entonces la suela de la prótesis no se estudia en absoluto que sepamos. Sin embargo, la literatura está repleta de estudios sobre suelas de zapatos normales para un mejor rendimiento23, una mejor comprensión de la cinemática24 o la limitación de lesiones25,26.

Más concretamente, las interacciones (contacto, energía disipada) entre la prótesis y el suelo sobre el que se mueve el atleta están poco estudiadas en la literatura. Así, el objetivo de este estudio es desarrollar un protocolo experimental que permita estimar mejor el papel de varios parámetros de la prótesis (ajuste de la línea de carga, naturaleza de la suela) así como la naturaleza del suelo en dos mecánicas. cantidades que juegan un papel importante en el desempeño intrínseco de la prótesis utilizada por el atleta. El primero es la rigidez aparente de la prótesis en el momento de su compresión tras el contacto con el suelo. Esta rigidez determina la potencia de rebote del atleta durante el salto de longitud, pero si es demasiado alta, también puede ser fuente de lesiones. El segundo es la energía disipada en cada contacto con el suelo. También se mide porque, si es demasiado grande, puede degradar el rendimiento. También se investiga el papel del gesto deportivo a través del ángulo de contacto entre la prótesis y el suelo.

Para lograr esto, en este estudio se propone una configuración experimental original. Se basa, en primer lugar, en un banco de pruebas mecánicas, disponible en la mayoría de los laboratorios mecánicos, para que pueda desplegarse fácilmente. Solo hay que considerar el diseño de adaptadores específicos para la prótesis: uno primero para mantenerla en el eje de carga de la máquina, y un segundo para adaptar el ángulo de contacto. Por último, se añade una cámara para medir la deformación local de la suela por correlación de imágenes. A continuación, se analiza esta cantidad y se analiza su influencia en el rendimiento.

Como se indicó anteriormente, faltan estudios para estimar las influencias de la configuración y el uso de RSP (gesto del atleta) en la interacción RSP/suelo. Basado en equipo de laboratorio estándar y una parte de montaje original y dedicada, se propone una nueva configuración para investigar la interacción entre la prótesis y el piso. Se detalla en la Fig. 2. Se requiere una rotación de 45\(^\circ \) con respecto al marco de la máquina para acomodar la montura grande y la cuchilla, al mismo tiempo que permite que el experimento y, en particular, la interacción entre la suela y el piso ser filmado.

Configuración para evaluar la rigidez y el comportamiento de los RSP en compresión uniaxial a baja velocidad. La pieza de fijación y montaje en ángulo permite ajustar los parámetros de cada prueba; el suelo y la suela también son intercambiables. La hoja se fija directamente al sistema de fijación mediante dos tornillos. La suela es filmada por una cámara colocada frente a su perfil. La cruceta impone el movimiento de compresión sobre la pala.

Se retira el encaje de la prótesis, conservando únicamente la pala y la suela. La pala se fija por la parte superior a una máquina de ensayos electromecánica con el mismo sistema de fijación que cuando se fija al casquillo. La pieza de montaje específica se detalla a continuación. Durante las pruebas, una cámara registra el perfil de la suela en primer plano.

La máquina de prueba electromecánica (Instron 5967) está montada con una celda de carga de 30 kN (serie 2580 estática; clase 0,5). Para este estudio se realiza una calibración para la celda de fuerza y ​​muestra un error máximo de 0.0019% en el rango de fuerza medido. Esto corresponde a un error relativo máximo de 4 N en la medición de la fuerza, que se desprecia en el resto del estudio.

La parte superior de la hoja se fija a la cruceta de la máquina de ensayo gracias a una pieza de montaje innovadora. Esta parte está diseñada para moverse horizontalmente y mantiene la alineación de la línea de carga en diferentes lugares. Consta de cuatro barras de acero inoxidable de 12 mm de diámetro. Tres de ellos guían la traslación para ajustar la alineación de la línea de carga y el último permite bloquear la traslación gracias a dos tornillos para mantener la posición deseada. El diseño hace que la pieza sea tanto rígida para evitar la deformación del conjunto como compacta para evitar ocupar un espacio valioso en la máquina de ensayo.

La parte inferior del conjunto es un plano horizontal donde se pueden colocar diferentes tipos de pavimento. Se compone de tres partes atornilladas o fijadas entre ellas para mayor estabilidad y reproducibilidad. Primero se coloca una placa de compresión en el soporte inferior de la máquina para asegurar la horizontalidad, luego se coloca sobre ella una placa de aluminio de 200 \(\times \) 350 \(\times \) 25 mm para asegurar que la hoja presione siempre sobre un suelo rígido y, por último, una pieza de pavimento lo recubre para reproducir auténticas superficies deportivas. Estas partes del piso se detallan a continuación.

Se coloca una cámara en el eje de la prueba para registrar el contacto entre la suela y el suelo. El campo de visión se centra en la suela, para medir, como se explica en el siguiente apartado, sus deformaciones. La cámara tiene una resolución de 12 Mpx y está configurada a 5 Hz de frame rate (Dantec Dynamics, cámara de sistema Q-400). La lente es de alta resolución optimizada para visión artificial (Schneider Kreuznach Alemania, incluida en el sistema Q-400 de Dantec Dynamics). Para el procesamiento, la imagen se reduce a un área útil de 2.452 \(\times \) 1.226 px por lo que la resolución es de 15 \(\hbox {px\,mm}^{-1}\).

Durante una prueba, la cuchilla se comprime verticalmente en la parte inferior por la cruceta de la máquina de prueba. La carga se aplica mediante un desplazamiento prescrito. Es importante señalar que esta elección, en lugar de un control de fuerza, puede resultar sorprendente en comparación con el gesto deportivo realizado en la realidad. De hecho, el atleta aplica una fuerza para deformar la hoja de su prótesis. Este esfuerzo es incluso a veces suficiente para romper la hoja de carbono. La pala utilizada en este estudio no permite realizar esfuerzos tan altos como los registrados en los mejores deportistas del mundo. Para evitar el riesgo de romper la hoja durante la prueba, el control de desplazamiento parece ser la opción menos peligrosa. Sin embargo, la configuración permite realizar pruebas de control de fuerza. Se aplica una carga de 50 mm seguida de una descarga de 50 mm, ambas a razón de 1 \(\hbox {mm\,s}^{-1}\). El desplazamiento de 50 mm es aquí lo suficientemente pequeño para no correr el riesgo de dañar la hoja y lo suficientemente grande como para tener tiempo para evaluar el comportamiento durante el proceso de carga/descarga. La tasa de carga de 1 \(\hbox {mm\,s}^{-1}\) está en el rango más rápido que la máquina de prueba puede alcanzar de manera segura; es mucho más lento que una zancada real, pero esa velocidad permitió caracterizar las diferentes propiedades de las palas investigadas.

En la siguiente sección, describimos los cuatro parámetros ajustables de la configuración para evaluar el comportamiento mecánico de las prótesis: la alineación de la línea de carga, el ángulo de la prótesis y el suelo y los tipos de piso y suela.

La configuración puede evaluar el comportamiento de diferentes palas en forma de J3. Las palas en forma de J constan de una parte vertical y están unidas al lado del casquillo mediante tornillos. Sería posible caracterizar el comportamiento de las palas en forma de C cambiando la parte superior de la montura. Los resultados en el presente trabajo se presentan para una pala Ottobock 1E90 Sprinter (ver la pala en la Fig. 2).

Como se mencionó anteriormente, la línea de carga es ajustable gracias a la parte superior de montaje. Se considera como posición de referencia la alineación sugerida por los fabricantes de prótesis; la cuchilla se posiciona gracias a la marca en la suela suministrada con ella y una plomada alineada con el eje de carga de la máquina. Luego, la posición de la parte vertical de la hoja se mueve hacia adelante o hacia atrás con respecto a la posición de referencia para cambiar la línea de carga en un \({\pm 40}\,\hbox {mm}\). Un valor positivo indica que la parte vertical de la pala se aleja (hacia atrás) del eje de carga de la máquina y un valor negativo indica que se acerca a él (ver Fig. 3a).

Los parámetros geométricos ajustables. (a) La alineación de la línea de carga con el cambio positivo y negativo. (b) El ángulo prótesis-molienda con respecto a la horizontal.

La posición predeterminada del suelo es horizontal, tomada como \(\theta =\) 0\(^\circ \) pero la configuración permite inclinarlo para representar mejor el ángulo real de contacto con el suelo (ver \(\theta \) en Figura 3b). Los diferentes ángulos se eligen a partir del estudio de imágenes de alta velocidad de amputados practicando salto de longitud. El ángulo entre el suelo y la parte recta de la pala se mide durante la última zancada desde el aterrizaje hasta el despegue. Los ángulos van desde \({-22,5\pm 2,5}^\circ \) en el momento del aterrizaje hasta \({37,5\pm 2,5}^\circ \) en el despegue. Sin embargo, los ángulos negativos de toma de contacto no son alcanzables por la configuración, por lo que el ángulo mínimo se elige en 0\(^\circ \). En la posición media (la mitad de la zancada en el tiempo) el ángulo se encuentra entre 20\(^\circ \) y 25\(^\circ \). En consecuencia, decidimos estudiar el comportamiento de la pala en \(0^\circ \), \(10^\circ \), \(20^\circ \) y \(30^\circ \) en primera aproximación.

Se pueden montar diferentes tipos de suelas en la hoja. En los presentes trabajos se utilizan tres configuraciones diferentes: suela corrida, suela con pinchos y sin suela. Las suelas de carrera y con pinchos son las que se suministran con la pala 1E90 Sprinter del catálogo de Ottobock. La suela con púas está equipada con seis púas de 6 mm.

El costado de cada suela está cubierto con un patrón moteado uniforme para controlar su tensión mediante la correlación de imágenes digitales (DIC). El moteado está formado por manchas de pintura blanca mate, de tamaños aleatorios, sobre un fondo negro mate uniforme. Ambas capas se han aplicado mediante pulverización en aerosol.

En la parte inferior del montaje se pueden montar diferentes tipos de suelos. Se consideran seis tipos de pavimentos: dos tablas de despegue (TOB) y cuatro pistas de atletismo (AT). Las pistas de atletismo son proporcionadas por MONDO, las tablas de despegue son fabricadas por Dimasport y están certificadas por World Athletics para competencias.

La tabla de despegue y las pistas de atletismo se cortan para adaptarse al tamaño de la placa de aluminio en la parte de montaje inferior. Al cortar la tabla de despegue, aparecieron dos tipos de piezas debido al marco de metal debajo de la placa de madera (ver Fig. 4).

Esquemas de las diferentes partes del piso. (a, b) Las dos tablas de despegue diferentes. Debajo del tablero, compuesto por un tablón de madera y una fina placa de aluminio, un cuadradillo de aluminio lo refuerza siguiendo su borde y, en el centro, se añade también el mismo tipo de cuadradillo. La primera pieza, cortada en el centro del tablero, tiene tres barras de refuerzo (TOB-3) y la segunda, cortada junto a la primera, sólo dos (TOB-2). (c) Las pistas de atletismo con las tablas de madera que las soportan.

Para la pista de atletismo, las piezas se pegan a una placa de madera con el mismo adhesivo que se utiliza para unir la pista al suelo en los estadios. Se trata de una cola bicomponente proporcionada por MONDO (pegamento epoxi-poliuretano PU300). Los espesores, pesos y certificaciones de cada pista de atletismo se resumen en la Tabla 1.

Para caracterizar el comportamiento de la prótesis en función de los diferentes parámetros mencionados en el apartado anterior, se registra la carga en función del desplazamiento. Para cada prueba, se aplica una precarga máxima de 10 N a la prótesis. La prótesis es movida por el travesaño, controlado por desplazamiento (a 0.1 \(\hbox {mm\,s}^{-1}\)) hasta que se hace contacto con el piso en uso. Una vez que se alcanza el valor de 10 N, la posición de la prótesis se congela mientras que los sensores de fuerza y ​​desplazamiento se ponen a 0. Las medidas presentadas a lo largo del estudio, por lo tanto, no muestran esta ligera precarga. Cada medición con un conjunto de parámetros se realiza tres veces seguidas sin pausa entre ellas. Se utiliza el valor medio de la carga sobre las tres pruebas. A partir de estos datos, identificamos los parámetros relevantes que se calcularán para describir el comportamiento de la prótesis. Se utilizan dos propiedades viscoelásticas: rigidez y disipación histerética. El comportamiento viscoelástico de la prótesis proviene de dos elementos: por un lado el material de la suela y por otro lado la forma curva y la reducción de la sección de la pala. De hecho, los materiales de las suelas son elastómeros que tienen propiedades viscoelásticas intrínsecas y amortiguación que deben tenerse en cuenta en el comportamiento de la pala. El cálculo de estas propiedades se describe a continuación.

Luego también se investiga el comportamiento de la suela gracias a las imágenes registradas por la cámara. Las deformaciones se calculan como se detalla a continuación.

Como se indicó anteriormente, los fabricantes de palas utilizan categorías para prescribir prótesis adaptadas a los atletas. Se supone que estas categorías reflejan la rigidez de la hoja. Aquí, la evolución temporal de las fuerzas y el desplazamiento se registran durante la prueba, y la rigidez se calcula a partir de estos datos. Sin embargo, las curvas fuerza-desplazamiento obtenidas no son lineales, la carga aumenta según una curva polinomial, apareciendo una histéresis durante la descarga. Para simplificar, se utiliza un modelo puramente elástico (Fig. 1b) para la evaluación de la rigidez, por lo que se calcula una rigidez secante llamada k. Se define como la relación entre la fuerza máxima registrada \(F_{max}\) y el desplazamiento máximo \(U_{max}\):

Esta rigidez secante se utiliza a continuación como valor comparativo y representa la rigidez aparente del álabe en las condiciones de ensayo.

La histéresis en la curva de fuerza-desplazamiento produce una disipación histerética. Para evaluar la disipación, calculamos un parámetro de amortiguamiento \(\eta \) como la relación del área del bucle entre las curvas de carga y descarga y el área bajo una curva lineal que representa un comportamiento elástico perfectamente lineal con rigidez igual a la rigidez secante calculado por la ecuación. (1). El resultado se multiplica por 100 para dar un porcentaje:

En configuraciones donde se prueba la suela con clavos en una tabla de despegue, el comportamiento durante la primera carga y las otras dos es muy diferente. Las tres medidas sucesivas se realizan en el mismo lugar de la tabla que para la suela, pero las púas dejan marcas en la madera. Así, la primera medida registra la evolución de la fuerza mientras las puntas crean la marca en la madera, mientras que las dos medidas siguientes registran la evolución de la fuerza para una punta que ingresa en una marca preexistente (ver Fig. 5). La diferencia de rigidez resultante no es significativa: la rigidez del primer ciclo de carga es de 23,9 \(\hbox {kN\,m}^{-1}\) mientras que la media de los otros dos es de 23,6 \(\hbox {kN \,m}^{-1}\), es decir, una diferencia del 1,3%. Por otro lado, la diferencia de disipación es significativa: en el primer ciclo de carga es del 15,1% mientras que en los dos siguientes es del 6,5% de media, es decir, una diferencia del 57%. Esta diferencia se debe a que los clavos tardan más en encontrar la resistencia total de la tabla de despegue cuando se hunden en una marca preexistente.

Además, ignorar los datos de la primera carga en las configuraciones con la suela con púas en las tablas de despegue globalmente hace que la desviación estándar promedio, calculada sobre solo dos mediciones, sea similar a la de todas las configuraciones de suela en funcionamiento.

Influencia de la carga repetitiva en el mismo lugar con la suela de púas en tablas de despegue: curvas de fuerza-desplazamiento de tres cargas. Tipo de suelo: TOB-2, ángulo prótesis-molienda: horizontal, tipo de suela: puntiaguda, alineación: encajada.

La realidad de la práctica del salto de longitud se encuentra entre las dos situaciones: las tablas de despegue siempre tienen algunas marcas preexistentes debido a intentos anteriores en competencia o entrenamiento y los clavos no impactan en un área no marcada o cada uno de ellos dentro de una marca. Sin embargo, el comportamiento de la hoja con algunos de los picos entrando en una marca preexistente es más cercano al comportamiento con todos los picos entrando en una marca preexistente. Por lo tanto, en estas configuraciones (suela con púas en TOB-2 o TOB-3) se descartan los primeros datos de carga y se utiliza el valor medio de la carga en las otras dos pruebas para el análisis de datos.

Para caracterizar el comportamiento de la suela durante la prueba, se miden las deformaciones locales en el lado moteado de la suela. Se calculan mediante un software DIC (VIC-2D 6 de Correlated Solutions). Este método utiliza imágenes de cámara para medir la deformación27,28. Realiza un seguimiento de los cambios en los patrones (rotación, traslación y deformación) que se encuentran en la imagen. Aquí los puntos de pintura de la mota en la imagen permiten recomponer la tensión. Para encontrar los diferentes patrones, la zona de trabajo se divide en pequeños grupos de píxeles, llamados subconjuntos (ver Fig. 6). En nuestro caso, el tamaño medio del subconjunto (en píxeles) utilizado para el tratamiento es de 26 px (entre 25 y 27 px) para la suela corriente y de 68,6 px (entre 65 y 71 px) para la suela puntiaguda. Luego, el software calcula las deformaciones en el plano del patrón en escala de grises. Para una mejor precisión en el cálculo, el subconjunto puede superponerse con un número definido de píxeles. La deformación resultante para cada píxel se calcula como la deformación de cada subconjunto al que pertenece, ponderada con un peso gaussiano. Aquí la superposición es de 7 px para toda la suela. La punta de la suela muestra un gran desplazamiento; por lo tanto, se elige calcular las deformaciones de forma incremental: cada imagen sirve como referencia para el cálculo de la siguiente. Luego, la deformación se calcula con un tensor de Lagrangian.

Inicialización del procedimiento de Correlación de Imagen Digital (DIC) en VIC-2D. La cuadrícula del subconjunto aparece en amarillo en el área de trabajo (tamaño del subconjunto: 25 px).

En los siguientes párrafos, la interacción suelo-suela-cuchilla se evalúa y analiza a través de la rigidez y la disipación aparentes. Se busca una menor disipación de energía y una mayor rigidez para encontrar ajustes que mejoren el comportamiento de la prótesis. La menor disipación permite a los deportistas perder menos energía en la prótesis durante la zancada; toda la energía almacenada durante la compresión de la pala se devuelve al atleta en el despegue. La mayor rigidez buscada por los atletas les permite almacenar más energía potencial en la hoja durante la compresión para una amplitud de desplazamiento equivalente.

Para estudiar la influencia de la línea de carga en el comportamiento de los RSP, se equipa la hoja con una suela móvil, se elige el suelo rígido (TOB-3) y el ángulo prótesis-molienda plano (\(\theta =\) 0\( ^\circ \)). Luego se estudian varias posiciones de la línea de carga: − 40 mm, − 30 mm, − 20 mm, − 10 mm, 0 mm, 10 mm, 20 mm, 30 y 40 mm. La posición de 0 mm es la posición de referencia (también llamada posición ajustada). Las curvas de fuerza-desplazamiento se presentan en la Fig. 7a. No hay una diferencia notable entre las curvas, pero la fuerza máxima alcanzada disminuye al aumentar el desplazamiento de la línea de carga.

Influencia de la alineación de la línea de carga en el comportamiento protésico. Tipo de piso: TOB-3, ángulo de la prótesis: horizontal, tipo de suela: corrida. (a) Curvas de fuerza-desplazamiento, (b) rigidez y disipación normalizadas con desviación estándar.

En la Fig. 7b, los valores de rigidez y disipación se representan en proporción al valor máximo. Para rigidez, el valor máximo es 28.9 \(\hbox {kN\,m}^{-1}\) y para disipación, el porcentaje máximo es 19.9%. La rigidez máxima se alcanza para la posición de − 40 mm, la rigidez mínima se alcanza para la posición de 40 mm y es un 6% inferior. La disipación máxima también se alcanza para la posición de − 40 mm, la disipación mínima también se alcanza para la posición de 40 mm pero es un 11% inferior. Entre los dos extremos, los valores de rigidez y disipación parecen disminuir linealmente.

Esto demuestra que el desplazamiento de la línea de carga no es un parámetro crítico para los atletas con respecto al rendimiento, pueden ajustar la posición de la punta de la pala para tener una buena sensación sin correr el riesgo de perder el rendimiento. Sin embargo, para lograr una optimización fina y reducir la disipación mientras se aumenta la rigidez, la posición recomendada por los protésicos es un buen compromiso.

Para estudiar la influencia del ángulo prótesis-suelo en el comportamiento de los RSP, se equipa la pala con una suela para correr y se elige el suelo como pista de atletismo (AT-WS). Luego se estudian varios ángulos prótesis-rectificado: \(\theta =\) 0\(^\circ \), 10\(^\circ \), 20\(^\circ \) y 30\(^\circ \ ). Para ver mejor la influencia del ángulo prótesis-molido, también se utilizan varias alineaciones de la línea de carga: − 40 mm, la posición de referencia y 40 mm. Las curvas de fuerza-desplazamiento se presentan en la Fig. 8a. Como se mencionó anteriormente y para ángulos de hasta 20\(^\circ \), la rigidez es mayor para la posición de − 40 mm que para la posición de 40 mm y la posición ajustada está en el medio. El ángulo entre la prótesis y el rectificado influye ligeramente más en el comportamiento de la hoja en la posición de la línea de carga ajustada que en las otras alineaciones.

Influencia del ángulo prótesis-molienda y la alineación de la línea de carga en el comportamiento protésico. Tipo de suelo: AT-WS, tipo de suela: running. (a) Curvas de fuerza-desplazamiento, (b) rigidez y disipación normalizadas con desviación estándar.

En la Fig. 8b, los valores de rigidez y disipación se representan en proporción al valor máximo. Para rigidez, el valor máximo es 27.1 \(\hbox {kN\,m}^{-1}\) y para disipación, el porcentaje máximo es 13.5%. La rigidez máxima se alcanza para la posición de − 40 mm en \(\theta =\) 0\(^\circ \), la rigidez mínima se alcanza para la posición de − 40 mm en \(\theta =\) 30\( ^\circ \) y es un 51% más baja. La disipación máxima también se alcanza para la posición de − 40 mm en \(\theta =\) 0\(^\circ \), la disipación mínima se alcanza para la posición de 40 mm en \(\theta =\) 30\( ^\circ \) y es un 67% más bajo. Agregar un ángulo entre la prótesis y el suelo disminuye tanto la rigidez como la disipación histerética. Muestra que la rigidez de la hoja cambia a lo largo de la zancada, lo que confirma los resultados de Beck et al.21.

Dado que la rigidez máxima para todas las alineaciones de la línea de carga se logra en el ángulo plano de la prótesis y el suelo, esto sugiere que los fabricantes utilizan este ángulo de la prótesis y el suelo solo para optimizar y evaluar el comportamiento de sus palas. Sin embargo, agregar un ángulo entre la prótesis y el suelo todavía no permite encontrar una configuración óptima para tener la menor disipación posible y mantener una alta rigidez. Pero la diferencia de comportamiento en función de \(\theta \) sugiere una posibilidad para el gesto deportivo: la menor rigidez de \(\theta \ne \) 0\(^\circ \) puede ofrecer una mayor facilidad de compresión de la hoja para el atleta en el momento del aterrizaje. Entonces, si el despegue ocurre con \(\theta \approx \) 0\(^\circ \), la mayor rigidez aparente creará una ganancia de energía para el saltador. Sin embargo, este no es el caso en la práctica, el ángulo varía durante el último paso. Pero sigue siendo posible trabajar el ángulo de contacto y el ángulo de despegue a la luz de estos datos para intentar conseguir una restitución energética óptima.

Para estudiar la influencia del tipo de suela en el comportamiento de los RSP, la pala se prueba en la posición ajustada en una pista de atletismo (AT-WS) con un ángulo plano entre la prótesis y el suelo (\(\theta =\) 0\(^\ círculo \)). Luego se estudian varias configuraciones de suela: suela con pinchos, suela corrida y sin suela. Las curvas de fuerza-desplazamiento se presentan en la Fig. 9a. Los valores de rigidez y disipación son similares entre la suela de carrera y la configuración sin suela, mientras que la suela con púas muestra menor rigidez y disipación.

Influencia del tipo de suela en el comportamiento protésico. Tipo de suelo: AT-WS, ángulo prótesis-rectificado: horizontal, alineación: equipada. (a) Curvas de fuerza-desplazamiento, (b) rigidez y disipación normalizadas con desviación estándar.

En la Fig. 9b, los valores de rigidez y disipación se representan en proporción al valor máximo. Para rigidez, el valor máximo es 26,6 \(\hbox {kN\,m}^{-1}\) y para disipación, el porcentaje máximo es 14,6%. La rigidez máxima se alcanza con la suela de carrera, la rigidez mínima se alcanza con la suela de pinchos y es un 21% inferior. La máxima disipación se alcanza sin suela, la mínima disipación se alcanza con suela de pinchos y es un 41% inferior. La alta disipación en el caso de que la pala se comprima sin suela se debe a la interacción con la pista de atletismo: la fibra de carbono de la pala está en contacto directo con el suelo y resbala más que el material gomoso de la suela de carrera. , disipando más energía en deslizamiento y fricción.

La diferencia de rigidez entre la suela con púas y la suela móvil puede ser inducida por la diferencia en la cinemática de la punta de la hoja en el suelo (ver Fig. 10). Con la suela con púas, no hay traslación del punto de contacto durante la carga porque las púas se incrustan en el piso y evitan que el punto de contacto se mueva. Así, una parte de la fuerza aplicada sobre el suelo es horizontal y no es registrada por la celda de carga de la máquina de ensayo lo que explica la menor rigidez en ese caso.

Cinemática de la punta de la pala durante la carga. Tipo de suelo: AT-WS, ángulo de la prótesis: horizontal, alineación: ajustada, tipo de suela: (a) corrida, (b) con clavos.

Estos resultados muestran el importante papel que juegan las suelas en el comportamiento de la prótesis. La configuración permite cuantificar este impacto y elegir mejor las suelas entre las disponibles del fabricante, pero sin olvidar que el atletismo requiere necesariamente el uso de clavos.

Para estudiar la influencia del suelo en el comportamiento de los RSP, la hoja se prueba en la posición ajustada con un ángulo de prótesis plano (\(\theta =\) 0\(^\circ \)). Luego se estudian los seis pavimentos: los dos tableros de despegue y las cuatro pistas de atletismo presentadas anteriormente. Las pruebas se realizan dos veces, primero con una suela para correr y luego con una suela con clavos. Las curvas de fuerza-desplazamiento se presentan en la Fig. 11a para la suela para correr y en la Fig. 11c para la suela con clavos. En primer lugar, aparecen dos grupos de curvas con diferentes rigideces aparentes para la suela dentada. El primero con tableros de despegue y el segundo con pistas de atletismo. Esta diferencia es menos importante con la suela para correr, pero aún aparece. En segundo lugar, la forma de la curva cambia según la suela utilizada y el tipo de suelo. La evolución de las fuerzas para la suela de carrera es polinomial y similar en todos los suelos, mientras que para la suela de pinchos el comportamiento es más complejo con un comportamiento diferente entre las pistas de atletismo y las tablas de despegue.

Influencia del tipo de piso en el comportamiento protésico. Ángulo de la prótesis: horizontal, alineación: ajustada, (a) tipo de suela: curvas de movimiento, fuerza-desplazamiento y (b) rigidez y disipación normalizadas; (c) tipo de suela: con púas, curvas de fuerza-desplazamiento y (d) rigidez y disipación normalizadas con desviación estándar.

En la Fig. 11b,d, los valores de rigidez y disipación se representan en proporción al valor máximo. Para suela de running, el valor máximo de rigidez es 28,3 \(\hbox {kN\,m}^{-1}\) y el porcentaje máximo de disipación es 18,7%. La rigidez máxima se alcanza en TOB-3, la rigidez mínima se alcanza en AT-K41 y es un 10% inferior. La disipación máxima se alcanza en TOB-2, la disipación mínima se alcanza en AT-K39 y es un 37 % inferior. Para suela con pinchos, el valor máximo de rigidez es 24,1 \(\hbox {kN\,m}^{-1}\) y el porcentaje máximo de disipación es 9,7%. La rigidez máxima se alcanza en TOB-3, la rigidez mínima se alcanza en AT-K41 y es un 15% inferior. La disipación máxima se alcanza en AT-K37, la disipación mínima se alcanza en TOB-2 y es un 33% inferior.

La diferencia en la rigidez máxima observada entre los dos tipos de suela en las tablas de despegue se explica por la cinemática de la punta de la pala vista anteriormente en la Fig. 10: el punto de contacto se mueve con la suela móvil mientras que no con la suela de punta. Esto induce una pérdida debido a más fuerzas horizontales con la suela de púas en las tablas de despegue.

Aparece una distinción en la pérdida de rigidez entre las tablas de despegue y las pistas de atletismo con los dos tipos de suela. La pérdida de rigidez es más importante con la suela de pinchos (12,5% de media) que con la suela corriente (6,5% de media). Esta diferencia se explica por la diferencia en el comportamiento de cada suela en cada tipo de pavimento. Para la suela de carrera, el punto de contacto con cada piso se mueve, pero el deslizamiento es más fuerte en las pistas de atletismo debido a un mayor coeficiente de fricción de la suela sobre el material elastómero de estas superficies que sobre la madera de la tabla de despegue. . Para la suela con púas, no hay traducción del punto de contacto con ningún piso porque las púas las marcan, pero las pistas de atletismo son deformables, a diferencia de las tablas de despegue. El coeficiente de rozamiento de la suela de rodadura sobre las tablas de despegue influye menos que el bloqueo de la suela con clavos en la pérdida de fuerza horizontal y, por tanto, en la rigidez.

También aparece una distinción en la pérdida por disipación entre tablas de despegue y pistas de atletismo con los dos tipos de suelas pero en una dirección diferente. La suela de carrera se disipa un 31,5% menos de media en pistas de atletismo que en tablas de despegue. La suela con pinchos se disipa un 25% menos de media en tablas de despegue que en pistas de atletismo. La menor disipación de las suelas con pinchos en las tablas de despegue confirma la ventaja en el salto de longitud de realizar el último paso sobre ellas. El atleta no solo se asegura de que la longitud total del salto se incluya en la medición del rendimiento, sino que también se pierde menos energía en la compresión de la prótesis. La configuración permite cuantificar la ganancia de energía en función del suelo, y también es posible la optimización según el tipo específico de pista de atletismo.

En el siguiente párrafo, se discuten las tensiones en la suela. La Fig. 12 muestra la evolución de la principal tensión principal en las plantas durante la carga en un ángulo plano de la prótesis con la alineación ajustada de la línea de carga y en la pista de atletismo AT-WS. Se considera que la deformación principal es la deformación vertical ya que la suela se utiliza en compresión. En la suela de carrera (Fig. 12a), el valor de la deformación aumenta con el desplazamiento y la localización de su zona máxima se mueve con la traslación del punto de contacto entre la suela y el suelo. En la suela con clavos (Fig. 12b), no hay localización de la tensión y el valor máximo es más bajo que para la suela para correr. Esta diferencia se explica por la presencia de una parte rígida de polímero en la parte inferior de la suela con clavos para acomodar los clavos. Esta parte endurece la suela y distribuye las fuerzas por toda la parte inferior de la suela. En cambio, en la suela de running, el material elastómero que compone la suela está en contacto directo con el suelo y no reparte las fuerzas.

Perfil de deformación de la suela en función de la carga de desplazamiento. Tipo de suelo: AT-WS, ángulo de la prótesis: horizontal, alineación: ajustada, tipo de suela: (a) corrida, (b) con clavos.

La figura 13 representa el valor máximo de la deformación principal en la suela en funcionamiento en un ángulo plano de prótesis-rectificado con la alineación ajustada de la línea de carga en diferentes pisos. El valor se calcula independientemente de la ubicación de este máximo. Las deformaciones máximas de tracción son siempre menores que las deformaciones de compresión. Estas tensiones de tracción en la suela se deben al efecto Poisson del material, ya que los materiales de la suela son materiales similares al caucho. No existe una diferencia significativa en el valor de la deformación por compresión entre los diferentes pavimentos.

Valores principales de deformación por compresión (en azul oscuro) y tracción (en azul claro) en función del tipo de suelo. Ángulo prótesis-molienda: horizontal, alineación: ajustada, tipo de suela: corrida.

Para garantizar la consistencia, las pruebas se repitieron tres veces seguidas con los mismos parámetros y con el mismo punto de contacto entre la prótesis y el suelo. No se puede realizar un análisis estadístico con tan pocas pruebas, pero es importante señalar que para una condición dada, las pruebas son repetibles con desviaciones muy pequeñas en términos de rigidez o energía disipada. Las estimaciones de las desviaciones estándar arrojan valores muy bajos, como se muestra en el conjunto de resultados presentado. Se necesitará una base de datos más grande para evaluar mejor la dispersión estadística, pero la repetibilidad de la configuración experimental puede considerarse garantizada.

El comportamiento de la pala cuando se utiliza la suela de pinchos es más complejo que cuando se utiliza la suela de carrera (ver Fig. 11). Para estudiar este comportamiento se ha definido la rigidez instantánea de forma similar a la rigidez efectiva. Se calcula como el valor de la fuerza en un momento dado (F(t)) dividido por el desplazamiento en ese momento (U(t)):

La figura 14 muestra la evolución de la rigidez instantánea para diferentes ángulos prótesis-rectificado y diferentes tipos de suela. La influencia del ángulo prótesis-molido es notable, como se mencionó anteriormente, sobre el valor de la rigidez aparente: disminuye con el aumento del ángulo. Sin embargo, para la suela de carrera, la rigidez instantánea evoluciona de forma casi lineal más allá de un cierto umbral de desplazamiento. Este umbral de desplazamiento (tanto en carga como en descarga) se debe a una posible falta de pleno contacto al principio y al final del ensayo entre la suela y el pavimento. Mientras aumenta el ángulo de la prótesis con el suelo, la rigidez instantánea se vuelve casi constante para la suela móvil. Para la suela con clavos, la evolución es más compleja con variaciones en la tasa de rigidez. Estos aumentos no ocurren al mismo tiempo dependiendo del ángulo del suelo, aparecen más tarde a medida que aumenta el ángulo.

Influencia del ángulo de la prótesis y el tipo de suela en el comportamiento de la prótesis. Tipo de solería: TOB-3, alineación: equipada. (a) Curvas de fuerza-desplazamiento, (b) rigidez instantánea.

Este comportamiento para las configuraciones con la suela de púas probablemente se deba a la presencia de las púas. En la suela con púas, hay seis púas como se mencionó anteriormente; estos tacos se distribuyen de dos en dos en la parte delantera, media y trasera de la suela. Dependiendo del ángulo prótesis-suelo, cambia el número y la posición de las espigas en contacto con el suelo. Esto puede explicar la diferencia en la tasa de variación de la rigidez durante las pruebas.

Además, este comportamiento puede afectar la forma en que el atleta siente la reacción de la prótesis durante la zancada, pero estas variaciones son menos importantes que las debidas al ángulo del suelo. Por lo tanto, es probable que se confundan, en la percepción del atleta, con el cambio en el ángulo de la prótesis durante la fase de contacto.

Además, como se mencionó anteriormente, la suela con clavos disipa más energía que la suela para correr. Pero incluso si la suela para correr se disipa más, su rigidez se mantiene más alta. Entonces sería posible, modificando el material de la suela con pinchos, disipar más sin perder rigidez. Esto podría proteger el muñón de los golpes causados ​​por cada paso y ayudar a prevenir la aparición de lesiones en los deportistas.

Las Fuerzas de Reacción del Suelo (GRF) reales que ocurren al correr y saltar son complejas (ver Fig. 15). Incluyen reacciones multidireccionales y la fuerza resultante varía en dirección durante la zancada29. Sin embargo, en el salto de longitud, particularmente en el despegue, prevalece la reacción vertical. Para una carrera completa, la fuerza en esta dirección es aproximadamente seis veces el peso corporal29,30 y cuatro veces mayor que las fuerzas anteroposteriores. En consecuencia, medir los esfuerzos solo en dirección vertical permite estimar una parte significativa de la reacción de la prótesis. Además, al cambiar el ángulo entre la prótesis y el suelo, se imita parte de esta reacción multidireccional. Cuando el suelo está inclinado, una parte de las fuerzas verticales medidas es comparable a las fuerzas anteroposteriores del último impulso.

Fuerzas de reacción del suelo (GRF) medidas en el despegue para una carrera de media distancia. Las fuerzas son aproximadamente dos veces más pequeñas que para una carrera de distancia completa. Líneas completas: valores medios y áreas grises: desviaciones estándar.

Una vez que estas fuerzas hayan sido caracterizadas para un atleta dado y un tipo de pala dado (como se muestra en la Fig. 15), sería relevante establecer una base experimental controlando la carga en términos de fuerza en lugar de desplazamiento. Entonces sería posible acercarse lo más posible a la solicitación real del atleta garantizando que el esfuerzo máximo no provocaría la rotura de la pala. Aunque los resultados presentados en las secciones anteriores pueden extrapolarse en parte para un control de fuerza, sería interesante hacer comparaciones a un esfuerzo máximo dado. La medida de la energía disipada sería entonces más representativa de la realidad y permitiría adaptar más eficazmente el gesto deportivo y el equipamiento.

Otra perspectiva para el protocolo se refiere a la velocidad de compresión utilizada: son mucho más pequeñas que la velocidad real de deformación de la pala durante una zancada. Pero este estudio pretende comprender mejor el comportamiento de la prótesis en función de diferentes parámetros. La configuración está diseñada para independizar los parámetros y evaluar su influencia individualmente. Sólo la baja velocidad lo hizo posible. Para el futuro, planeamos crear una configuración completamente dinámica para probar la prótesis y explotar los resultados presentados aquí para seleccionar los parámetros útiles del experimento.

Una posible mejora final de la configuración tiene que ver con el ángulo entre la prótesis y el suelo. Durante la última zancada, este ángulo varía con el tiempo mientras que en este estudio es fijo. Para mejorar la configuración, sería posible motorizar la pieza de montaje en ángulo. Esta es una de las perspectivas previstas para la continuación de este estudio.

En conclusión, la configuración y el método innovadores desarrollados permiten caracterizar el comportamiento mecánico de las RSP tibiales y el comportamiento local de las suelas. La configuración es un experimento simple basado en una máquina de prueba y una cámara. Evalúa dos indicadores relevantes para entrenadores y atletas de atletismo: rigidez secante y disipación de energía. Ambos pueden influir en el rendimiento del salto y el riesgo de lesiones. La configuración es lo suficientemente básica como para montarse en la mayoría de las máquinas de prueba con pocas adaptaciones. Los parámetros de prueba, las condiciones de contorno y las condiciones de carga están bien controlados. Todos los parámetros varían en rangos cercanos a los utilizados en atletismo (materiales, valores, etc.), lo que hace que la configuración sea una herramienta valiosa para comprender y ajustar el comportamiento de la hoja sin involucrar a los atletas y correr el riesgo de lesionarlos.

Los cuatro parámetros evaluados son el desplazamiento de la línea de carga, el ángulo de la prótesis, el tipo de suela y el tipo de suelo. Encontramos que algunos de estos parámetros tienen más influencia que otros. La alineación de la línea de carga tiene poca o ninguna influencia en el comportamiento de la interacción suelo-suela-cuchilla. La influencia del tipo de suelo depende de la suela utilizada. El resultado interesante aquí es que con la suela de púas en una tabla de despegue hay menos disipación de energía. Esto refuerza para los atletas la relevancia de tener el último paso en la tabla de despegue para ganar tanto distancia como rigidez. El ángulo prótesis-molido influye en la rigidez: un aumento del ángulo provoca una disminución significativa de la rigidez. Sugiere que puede ser posible encontrar un ángulo de aterrizaje y despegue que optimice la rigidez de la prótesis desde el punto de vista del atleta. Para mejorar el rendimiento, es interesante encontrar un ángulo de aterrizaje que permita deformar la pala fácilmente y un ángulo de despegue que maximice la rigidez. El tipo de suela afecta la cinemática de la punta de la pala en interacción con el suelo. Sin embargo, este efecto es más difícil de utilizar para el atletismo ya que la práctica del deporte impone el uso de clavos. Un tema que podría estudiarse más a fondo es la posición y el número de clavos en la suela.

Las imágenes de la cámara permiten seguir la tensión de la suela a través del proceso de compresión. El mapeo de la tensión da una idea de cómo se desarrolla la zancada para los atletas equipados con una suela para correr. Esto sugiere que puede ser posible mejorar la suela para distribuir la tensión o cambiar la localización de su máximo. La compresión principal en función del tipo de suelo también puede ayudar en el futuro a encontrar suelos más adecuados para el para-atletismo.

En trabajos futuros, también podría ser interesante probar otras formas y rigideces de palas y otras suelas. Un estudio de sensibilidad ayudaría a los atletas a elegir el mejor RSP para el salto de longitud.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Descargar referencias

Los autores agradecen a la Fondation EDF por financiar esta investigación, a Andrea Marenghi de MONDO Worldwide por el suministro de pistas de atletismo y a la Fédération Française Handisport por el suministro de la prótesis. Los autores también quieren agradecer a Lahcène Cherfa por su ayuda y contribución al montaje de la máquina de ensayo.

IMSIA, CEA, CNRS, EDF, ENSTA París, Instituto Politécnico de París, 91120, Palaiseau, Francia

Élodie Doyen, Fabien Szmytka y Jean-François Semblat

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ED concibió y llevó a cabo el experimento. ED analizó los resultados en discusión con FS y J.-FS Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Élodie Doyen.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Doyen, E., Szmytka, F. y Semblat, JF. Un nuevo protocolo de caracterización de interacciones mecánicas entre el suelo y una prótesis tibial para salto de longitud. Informe científico 13, 5226 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31981-2

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Recibido: 05 julio 2022

Aceptado: 21 de marzo de 2023

Publicado: 30 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31981-2

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