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In diesem Artikel

  • Zusammenfassung
  • Zusammenfassung
  • Einleitung
  • Protokoll
  • Ergebnisse
  • Diskussion
  • Offenlegungen
  • Danksagungen
  • Materialien
  • Referenzen
  • Nachdrucke und Genehmigungen

Zusammenfassung

Es wurde ein experimenteller Ansatz entwickelt, um bei Amputierten der unteren Gliedmaßen Trips zu induzieren. Das Ziel war es, unerwartete Trips zu erzeugen und sinnvolle Trip-/Erholungsreaktionen hervorzurufen. Die kinematischen Daten eines Unterschenkelamputierten bestätigten, dass ein solcher Ansatz effektiv reaktive Auslösereaktionen hervorruft.

Zusammenfassung

Die Wiederherstellung des Gleichgewichts nach einer Reise ist für Amputierte der unteren Gliedmaßen eine Herausforderung und führt oft zu einem Sturz. Die Wirksamkeit der Wiederherstellung des Gleichgewichts nach einem Trip hängt von Faktoren wie dem Grad der Amputation (transtibial oder transfemoral) oder der Extremität (Prothese oder Schall/Elektrode oder Schleppen) ab. Das Verständnis der Erholungsreaktionen kann helfen, Strategien zu identifizieren, um zu verhindern, dass ein Auslösen zu einem Sturz wird, und welche Auslösereaktionsfunktionen in eine Prothese integriert werden könnten. Diese Studie stellt einen experimentellen Ansatz zur Induktion unerwarteter Auslösungen bei Personen mit Amputation vor. Die Auslösung wurde manuell ausgelöst, indem eine elektromagnetische Vorrichtung aktiviert wurde, um einen Polypropylendraht anzuheben, um das schwingende Glied während seiner mittleren Schwungphase zu behindern (fast zum Stillstand zu bringen). Ein Sicherheitsgurt, der an einer Deckenschiene befestigt war, stellte sicher, dass die Teilnehmer nicht auf dem Boden aufschlugen, wenn sie nach der Fahrt das Gleichgewicht nicht wiedererlangten (d. h. einen Sturz verhinderten). Ein Unterschenkelamputierter absolvierte wiederholte Gehversuche, bei denen in etwa 1 von 15 Fällen ein Trip induziert wurde, um zu vermeiden, dass er erwartet wurde. Die 3D-Kinematik wurde über zwei Smartphones (60 Hz) unter Verwendung der OpenCap-Software bestimmt, was zeigt, dass der experimentelle Ansatz in Abhängigkeit von der ausgelösten Gliedmaße (Prothese oder Schall) signifikante Auslöse-/Erholungsreaktionen hervorrief. Die vorgestellte Methodik vermeidet die Verwendung eines starren Hindernisses, wodurch das Verletzungsrisiko möglicherweise verringert wird, und ist kostengünstig und einfach einzurichten. Wichtig ist, dass es ermöglicht, dass ein Trip unerwartet während der mittleren Schwungphase des Gangs eingeleitet wird und somit einen Ansatz zur Identifizierung realer Trip-Erholungsreaktionen bietet. Beim Auslösen des gesunden Gliedes konnten sich die Teilnehmer vom Stolperdraht "lösen" (nach dem Trip), indem sie den Knöchel plantarflexierten, aber eine solche Aktion war beim Auslösen der Prothese nicht möglich.

Einleitung

Es wird geschätzt, dass weltweit 57,7 Millionen Menschen mit Amputationen von Gliedmaßen leben, von denen ~ 65% in den unteren Gliedmaßen auftreten1. Eine Amputation der unteren Gliedmaßen kann auf mehrere Faktoren zurückzuführen sein (z. B. akute traumatische Ereignisse, Fortschreiten der Krankheit, gesundheitliche Komplikationen, lebensrettende Operationen und angeborene Deformitäten). Es wurde mit hohen Mortalitäts- und Morbiditätsraten bei Menschen mit schlechtem Gesundheitszustand in Verbindung gebracht2. Darüber hinaus ist die Wiederherstellung der Mobilität nach einer Amputation entscheidend für die Wiedererlangung einer selbstständigen Lebens- und Lebensqualität und eine der größten Herausforderungen für Prothesenträger3.

Nach einer Amputation gehen Mobilitätseinschränkungen mit einem verminderten Bewegungsumfang4, verminderter Kraft5, vermindertem Vertrauen in das Gleichgewicht6 und können zu einer ausgeprägten Gelenkdegeneration bei der nicht amputierten Gliedmaßeführen 7. Diese Veränderungen werden als relevante Sturzrisikofaktorenbeschrieben 8. Tatsächlich ist die Wahrscheinlichkeit, dass Prothesen der unteren Gliedmaßen fallen, doppelt so hoch wie in der Allgemeinbevölkerung9. Etwa 40% bzw. 80% der Personen mit Unterschenkel- und Oberschenkelamputationen stürzen mindestens einmal im Jahr 9,10. Stürze treten am häufigsten beim Gehen auf11,12, und Amputierte mit eingeschränkter Gehfähigkeit (bereinigt um die Exposition) haben eine sechsmal höhere Sturzwahrscheinlichkeit und eine achtmal höhere Wahrscheinlichkeit, eine Verletzung zu erleiden11. Darüber hinaus hat ein Benutzer einer Prothese für die unteren Gliedmaßen, der im vergangenen Jahr einen Sturz erlebt hat, eine Wahrscheinlichkeit von 13 %, erneut zu fallen. Die Wahrscheinlichkeit steigt auf 28%, wenn sie in den letzten sechs Monaten zwei Rückgänge erlebt haben13. Daher ist Stürze ein besorgniserregendes Problem für Amputierte der unteren Gliedmaßen.

Stolpern beim Gehen ist ein vorherrschender Faktor für Stürze bei Prothesenträgern. Während einer Fahrt kommt es zu einer plötzlichen Unterbrechung des schwingenden Gliedes (z. B. durch ein Hindernis oder unebenes Gelände), wodurch sich der Körper auf dem Stützglied schnell nach vorne dreht und einen großen Vorwärtsschub verursacht14,15. Das Gleichgewicht nach dem Trip für Prothesenträger kann aufgrund des Fehlens von Knöchel- oder Kniegelenken, der zugehörigen Muskulatur und des verminderten sensorischen Feedbacks viel schwieriger sein. Eine ineffektive Reaktion auf ein Stolpern kann dazu führen, dass es zu einem Sturz wird, der erhebliche physische, psychische und soziale Folgen haben kann16.

Mehrere Studien haben sich auf die Beschreibung von Trip-Recovery-Strategien für nicht behinderte und ältere Erwachsenekonzentriert 17,18,19,20 durch Induktion eines Trips in einem laborkontrollierten Szenario. Es wurden mehrere Methoden angewendet, um eine Störung zu erzeugen, um eine Auslösung zu erzeugen. Es gibt viele Möglichkeiten, eine Auslösestörung herbeizuführen, einschließlich des Blockierens des unteren Gliedmaßensegments während seiner Schwungphase mit Hilfe eines Seils, das am Knöchel21 befestigt ist, oder des Benutzens von Hindernissen, die unerwartet vor jemandem platziert werden, der auf einem Laufband20, 22 geht. Darüber hinaus haben einige Studien plötzliche Änderungen der Geschwindigkeit des Laufbandes angewendet, um das dynamische Gleichgewicht zu stören (d. h. ein Stolpern auszulösen)23. Schließlich haben andere starre Objekte verwendet, die manuell 18,24,25 oder automatisch 22,26 im Weg des schwingenden Gliedes positioniert werden, um beim Gehen über dem Boden ein Stolperereignis zu verursachen.

Trotz der erfolgreichen Anwendung solcher Strategien bei älteren Erwachsenen haben nur wenige Studien einen Trip bei Amputierten der unteren Gliedmaßen induziert, und noch weniger mit Patienten mit Amputation auf transfemoraler Ebene 21,25,26. Zum Beispiel lösten Crenshaw und Kollegen TFA aus, während sie über den Boden gingen, indem sie ein verstecktes, starres Hindernis verwendeten, das manuell aktiviert wurde, um vom Boden aus zu erscheinen. Eine solche Art der Einführung eines Hindernisses ist jedoch technisch anspruchsvoll und kann daher teuer zu reproduzieren sein. Shirota und Kollegen induzierten einen Trip in TFA, während die Teilnehmer mit einem Seil, das am Knöchel befestigt war, auf einem Laufband gingen. Auch wenn ein Stolpern verursacht wurde, könnte die Verwendung eines Seils das Experiment eingeschränkt haben, da es die Teilnehmer wahrscheinlich daran hinderte, natürlich zu gehen21. In jüngerer Zeit lösten Eveld und Kollegen TFA aus, indem sie Stahlblöcke auf einem Laufbandförderband platzierten, wobei ein integrierter Zielalgorithmus verwendet wurde, damit die Objekte die Störung in verschiedenen Stadien der Schwungphase (frühe, mittlere, späte Schwingphase) verursachen konnten26. Auf Laufbändern basierende Protokolle reproduzieren die Bedingungen beim Gehen über dem Boden jedoch möglicherweise nicht vollständig27. Die Verwendung eines laufbandbasierten Protokolls ist auch nicht ideal bei der Untersuchung von TTA oder TFA, die mikroprozessorgesteuerte Fuß-Knöchel- oder Kniegeräte verwenden, da die in solchen Geräten verwendeten automatischen Sensoren für das Gehen auf einer festen/stationären Oberfläche eingerichtet sind. Wenn Sie auf einer nicht stationären Oberfläche gehen, können diese Sensoren daher die Hydraulikzylinder des Geräts dazu veranlassen, ihre Widerstände auf ein falsches Niveau einzustellen.

In früheren Studien, in denen ein Stolpern während des Gehens über dem Boden ausgelöst wurde, wurde die Auslösestörung dadurch verursacht, dass das vordere Glied ein festes Hindernis berührte, das vor ihnen auftauchte. Die Verwendung solcher starren Gegenstände kann jedoch aufgrund von Aufprallkräften zu Fußverletzungen führen25. Hier beschreiben wir einen experimentellen Ansatz zum Auslösen des schwingenden Gliedes, der das Problem vermeidet, dass der Fuß auf etwas Festes trifft. Der Auslösemechanismus wird durch ein elektromagnetisches System gebildet, das das Lösen einer beweglichen federbetätigten Platte steuert. Wenn die elektromagnetische Vorrichtung deaktiviert wird, wird die federbetätigte Platte, die sich auf einer Seite des Laufstegs befindet, nach oben gezogen, wodurch ein Polypropylendraht (4 mm Durchmesser) angehoben wird, der senkrecht zur Laufrichtung positioniert ist. Der Draht wird auf der gegenüberliegenden Seite des Laufstegs verankert und auf eine Höhe von 0,1 m angehoben. Dummy-Drähte (3 bis 4, im Abstand von mindestens 1 m) werden quer über den Gang positioniert, so dass die Teilnehmer nicht erraten können, welcher Draht die Störung verursachen würde. Der Experimentator deaktiviert das elektromagnetische Gerät manuell, indem er das kontralaterale Glied auf dem Boden positioniert, etwas vor dem Draht, kurz nach dem Abstoßen des schwingenden Gliedes. Daher wird beim Anheben des Drahtes das schwingende Segment während der mittleren Schwingphase28 konsistent gefangen. Die mittlere Schwungphase wurde gewählt, da die horizontale Geschwindigkeit des schwingenden Fußes in dieser Phase nahe an ihrem Maximum liegt (~3x CoM-Vorwärtsgeschwindigkeit) und sich in ihrem minimalen Abstand über dem Boden befindet, und daher die Zeit ist, in der die meisten Auslösungen unter realen Bedingungen stattfinden. Die Höhe des Drahtes (d. h. 0,1 m) ist ausreichend, um den Fuß gleichmäßig zu erfassen (etwa im Bereich der Schnürsenkel). Die Studie zielte darauf ab, festzustellen, ob das vorgeschlagene Protokoll eine Auslösestörung verursachen und sinnvolle/reale Erholungsreaktionen hervorrufen könnte. Im vorliegenden Protokoll wurde nur eine TTA analysiert, da höherstufige Amputationen die komplexeren Fälle darstellen und höhere Sturzraten aufweisen.

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Protokoll

Die Ethikkommission der Universität genehmigte die Verfahren, und der Teilnehmer unterschrieb vor der Teilnahme eine Einverständniserklärung.

1. Teilnehmer

HINWEIS: Ein Patient mit Oberschenkelamputation, der ein örtliches Rehabilitationszentrum für Amputierte besuchte, wurde eingeladen und erklärte sich bereit, an der Studie teilzunehmen. Der Teilnehmer war in der Lage, selbstständig zu gehen. Ausschlusskriterien waren andere klinische Zustände als ihre Amputation, die das Gleichgewicht und die Beweglichkeit beeinträchtigen könnten (z. B. neurologische, orthopädische oder rheumatische Erkrankungen); anhaltende Schmerzen, Phantomschmerzen oder Druckgeschwüre an der Prothese und Schwierigkeiten, einfache Befehle zu verstehen (d. h. weniger als 24 Punkte in der Mini-Mental State Examination29). Darüber hinaus hatte der Teilnehmer über sechs Jahre Erfahrung mit der aktuellen Prothese.

  1. Details zur Prothese
    1. Fordern Sie die prothetischen Details bei der TTA an. Beachten Sie die Erfahrungen der TTA mit der Prothese. Stellen Sie sicher, dass der Teilnehmer über eine hohe Gehfähigkeit mit der Prothese verfügt.
      HINWEIS: Der TTA verwendete eine Prothese, eine Silikon-Saugmuffe (Silikonauskleidung mit fünf Dichtungsringen) und einen Kohlefaserfuß (Materialtabelle). Die Erfahrung mit der aktuellen Prothese betrug sechs Jahre. Die Amputation war auf ein Trauma zurückzuführen, und der Teilnehmer wurde gemäß der Medicare-Funktionsklassifikation30 als Stufe K4 eingestuft. Nach der standardisierten funktionellen Klassifikation besaß der Teilnehmer eine hohe Gehfähigkeit mit der Prothese und galt als junger aktiver Erwachsener31.

2. Experimentelle Verfahren

  1. Entwerfen Sie ein System, um Auslösungen zu induzieren.
    1. Konstruieren Sie eine maßgeschneiderte Vorrichtung, bei der eine Feder elektronisch gelöst wird, um einen Polypropylendraht (Durchmesser von 4 mm und vernachlässigbare Masse) anzuheben, der das hintere Glied (Schall- oder Prothesenglied) während der mittleren Schwungphase auffängt.
    2. Verbinden Sie das System mit einer Holzkiste, mit der ein Hebel (ca. 10 cm) um eine feste Achse nach oben gedreht werden kann. Verbinden Sie den Polypropylendraht mit dem Ende des Hebels (weg von der Achse). Montieren Sie eine Feder, die am Hebel zieht, um den Polypropylendraht etwa 10 cm über dem Boden anzuheben.
      HINWEIS: Video 1 zeigt das Auslösesystem und die Positionierung des Drahtes, um die Auslösung auszulösen (Ergänzende Abbildung 1 und Ergänzende Abbildung 2).
  2. Sicherheitsgurtsystem
    HINWEIS: Das Auslösen einer Auslösung, während ein Teilnehmer geht, erfordert Sicherheitsmaßnahmen.
    1. Stellen Sie sicher, dass der Teilnehmer einen Ganzkörpergurt trägt, der über ein Polyesterseil an einer Überkopfschiene befestigt ist.
    2. Passen Sie die Länge des Sicherungsseils an die Statur des Teilnehmers an.
      HINWEIS: Das Sicherungsseil (Durchmesser 11 mm) ist an einer speziell entwickelten vierrädrigen Vorrichtung befestigt, die sich in der Überkopfschiene (ca. 2 m über dem Kopf des Teilnehmers) befindet. Durch die Anpassung des Sicherungsseils an die Statur des Teilnehmers wird verhindert, dass ein Teil seines Körpers (außer den Füßen) den Boden berührt, falls er nach der Auslösestörung das Gleichgewicht nicht wiederfindet. Darüber hinaus ist die Länge der Hängeschiene (8 m) ausreichend, um ein ungehindertes Gehen der Teilnehmer zu gewährleisten (siehe Ergänzende Abbildung 3).
  3. Experimentelle Verfahren
    1. Bitten Sie den Teilnehmer gemäß der folgenden standardisierten Anweisung, in seiner gewohnten Geschwindigkeit und mit Blick nach vorne durch das Labor zu gehen, wie es der Teilnehmer normalerweise tun würde: "Sie sollten bis zum Ende des Gehwegs in Ihrem eigenen Tempo gehen, als ob Sie auf einer vertrauten, ebenen Straße gehen würden, und nach vorne schauen, wie Sie es normalerweise tun würden."
    2. Stellen Sie den Startpunkt des Teilnehmers so ein, dass der kontralaterale (nicht ausgelöste) Wurfarm etwas vor dem Polypropylendraht auf dem Boden positioniert ist, der etwa 4 m von der Ausgangsposition entfernt ist. Daher könnte der Teilnehmer 4-5 Schritte in der gewohnten Geschwindigkeit gehen, bevor er die Auslösestörung auslöst.
      1. Der Teilnehmer ist verpflichtet, zwei Gehblöcke zu absolvieren. Lassen Sie den Teilnehmer bis zu 15 Walks in jedem Block durchführen, wobei die Stolperstrauch-/Stolperstörung zwischen der 5. und 15. Wiederholung angewendet wird (zufällig bestimmt).
      2. Lassen Sie den Teilnehmer nach der Reisestörung keine weiteren Wiederholungen machen.
      3. Wiederholen Sie die gleichen Verfahren im zweiten Block, der verwendet wird, um das gegenüberliegende Glied zu dem im ersten Block ausgelösten Glied auszulösen.
        HINWEIS: Die Reihenfolge, in der die Gliedmaßen blockiert werden, wird nach dem Zufallsprinzip zugewiesen.
      4. Informieren Sie den Teilnehmer vor Beginn der Gehtests, dass es zu Störungen kommen könnte, geben Sie jedoch keine spezifischen Informationen über die Möglichkeit eines Stolperns. Informieren Sie den Teilnehmer stattdessen über die Möglichkeit, irgendwann das Guthaben zu verlieren.
      5. Weisen Sie den Teilnehmer an, sich so gut wie möglich zu erholen, wenn es zu einer Störung des Gleichgewichts kommt, und wenn möglich bis zum Ende des Gehwegs weiterzugehen.
    3. Lösen Sie das System nur aus, wenn der Fuß des kontralateralen (nicht ausgelösten) Gliedmaßens korrekt auf dem Boden positioniert ist (d. h. etwas vor dem Draht). Aktivieren Sie das System nicht, wenn der Teilnehmer vor oder auf dem Drahtseil tritt oder wenn der Fuß zu weit vor dem Drahtseil steht. Diese Verfahren ermöglichen es, die Auslösestörung während der mittleren Schwungphase konsistent anzuwenden, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Fehlversuchen verringert wird.
  4. Bewerten, ob das System sinnvolle Wiederherstellungsreaktionen auslösen kann.
    HINWEIS: Ziel der Studie war es, einen experimentellen Ansatz zu entwickeln, um bei Amputierten der unteren Gliedmaßen unerwartete Auslösestörungen zu verursachen. Obwohl der Ansatz unerwartete Auslösungen verursacht, lässt die Verwendung von Dummy-Drähten und die Laborumgebung nicht zu, dass alle Auslösungen völlig unerwartet sein werden. Kinematische 3D-Daten von einer TTA wurden gesammelt und analysiert, um festzustellen, ob das Protokoll unerwartete Auslösungen hervorrufen und somit sinnvolle Auslöse-/Erholungsreaktionen hervorrufen kann.
    1. Datenerfassung
      1. Positionieren Sie zwei Smartphones 5 m vor dem Ort der Fahrt, um jeden Gehversuch aufzuzeichnen. Stellen Sie die Smartphones in einem Winkel von ca. 30° zur Gehprogressionslinie hin.
      2. Synchronisieren Sie beide Smartphones mit 60 Hz und Sampling mit der OneCap-Software. Die OneCap-Software synchronisiert die Telefone, indem sie einen Code bereitstellt, der von den Smartphones gelesen wird. Dann werden die Bilder automatisch auf dem Computer gespeichert und zur Remote-Verarbeitung übertragen. Die Übertragung und die erfolgreiche Rekonstruktion werden von der Software angezeigt.
        HINWEIS: Diese Software erkennt und verfolgt automatisch die Gliedmaßensegmente ohne physische Marker und Algorithmen zur Posenerkennung transformieren Bilder, um Gelenkzentren zu schätzen und eine relativ genaue kinematische Analyse zu liefern. Nach der Verarbeitung können die Dateien mit der OpenSim-Software analysiert werden.
      3. Verarbeiten Sie dann die Bilder und übertragen Sie sie in die OpenSim-Software (Version 4.4), um alle kinematischen Analysen durchzuführen.
        HINWEIS: Ein markierungsloses System ist von Vorteil, da Pilotversuche gezeigt haben, dass der Stolperdraht einige physische Marker (insbesondere die am Fuß platzierten) löst. Eine Erörterung der relativen Vorzüge der Erfassung und Datenverarbeitung würde den Rahmen des vorliegenden Protokolls sprengen. Der Leser sollte sich für weitere Informationen auf die Arbeit von Uhlrich und Kollegen32 beziehen.
    2. Datenverarbeitung und -analyse
      HINWEIS: OpenSim ist ein frei verfügbares Softwarepaket, das es ermöglicht, Computermodelle des Bewegungsapparates und dynamische Bewegungssimulationen zu erstellen, auszutauschen und zu analysieren. Weitere Informationen finden Sie auf der folgenden Website: https://simtk.org/projects/opensim/.

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Ergebnisse

Es wurde davon ausgegangen, dass das Sicherheitsgurtsystem das Gehen nicht beeinträchtigt und sich als wirksam erwies, um Stürze zu verhindern, wenn die Wiederherstellungsstrategien zum Auslösen nicht erfolgreich waren. Darüber hinaus wurden keine Verletzungen (z. B. Hautabschürfungen, Blutergüsse) berichtet. Das Geräusch, das durch das Auslösen der Feder erzeugt wurde, wurde nicht als eingreifender Faktor angesehen, da die Teilnehmer das Auslösen nicht verhinderten. Darüber hi...

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Diskussion

Obwohl das vorliegende Protokoll vorläufige Ergebnisse eines Experiments enthält, das zur Beschreibung eines Auslöseprotokolls entwickelt wurde, das auf einen Unterschenkelamputierten angewendet wurde, kann ein solcher Ansatz auch sicher auf andere Amputierte angewendet werden, z. B. Oberschenkelamputierte, die wahrscheinlich größere Schwierigkeiten haben, das Gleichgewicht nach einer Reise wiederherzustellen. Der Ansatz ermöglichte die Identifizierung der ausgeprägtesten Aktionen...

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Offenlegungen

Alle Autoren haben alle Interessenkonflikte offengelegt.

Danksagungen

Die vorliegende Arbeit wurde mit Unterstützung der Koordinierung zur Verbesserung des Hochschulpersonals - Brasilien (CAPES) - Finanzierungscode 001 durchgeführt

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Materialien

NameCompanyCatalog NumberComments
Electromagnetic platesIntelbrashttps://www.intelbras.com/en/set-of-supports-with-electro-magnetic-lock-fe-150-kt-741-prataTwo electromagnetic plates (a fixed and a movable)
Full body safety harnessGenericN/ASafety rope 11 mm attached on a rail running 2 m above the head of the participants
Impact GoggleGenericN/AOne goggles with lower and side end closures
Insulator tape3Mhttps://www.3m.com/3M/en_US/p/c/tapes/electrical/ptfe/Used to obstruct vision at the lower and side edges of goggles
Open Pose OpenPosehttps://github.com/CMU-Perceptual-Computing-Lab/openposeOpen Pose is a open Software to movement analysis https://github.com/CMU-Perceptual-Computing-Lab/openpose
Open SimOpenSim https://simtk.org/projects/opensim/OpenSim is a softwware to analyse several movement parameters https://simtk.org/projects/opensim/
Polypropilene WireGenericN/A4 mm diameter 
Triger systemGenericN/AThe trigger system was home-made device, formed by a spring that pulls a lever that raises the wire approximately 10cm above the ground level
Video cameraApplehttps://apple.comThe video cameras of two smartphones (apple model 8 and 11) were used.

Referenzen

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