Summary
本研究では、異なる歩行速度での計画外歩行終了時の下肢の生体力学的特性を比較した。正常かつ速い歩行速度を有する15人の被験者からの下肢運動学的および運動学的データは、運動解析システムおよび足底圧力プラットフォームを用いて収集された。
Abstract
予期せぬ刺激によって引き起こされる歩行終結は、日常生活の中で一般的に起こる。本研究は、異なる歩行速度の下で計画外の歩行終結(UGT)の間に起こる下肢の生体力学的変化を調査するためのプロトコルを提示する。15人の男性参加者は、それぞれ通常の歩行速度(NWS)と高速歩行速度(FWS)で歩道でUGTを実行するように求められました。運動解析システムと足底圧力プラットフォームを適用して、下肢運動学および足底圧データを収集しました。ペアサンプルT検定を使用して、下肢運動学と足底圧データの違いを調べ、2つの歩行速度間で検査を行った。結果は、NWSと比較すると、FWSでUGT中に前足およびかかと領域の足底圧と同様に、矢状平面の股関節、膝関節、足首関節の運動の広い範囲を示した。歩行速度の増加に伴い、被験者は、より大きな潜在的な傷害リスクに関連するFWSを示す異なる下肢バイオメカ学的特性を示した。
Introduction
人間の移動は、学際的な方法1,2によって記述される必要がある非常に複雑なプロセスであると考えられている。最も代表的な側面は、生体力学的アプローチによる歩行分析です。人間の歩行は、開始から終了への進行を維持することを目的とし、動的バランスは位置の動きに維持されるべきです。歩行終了(GT)は歩行のサブタスクとして広範囲に研究されているが、あまり注目されていない。スパローとティロッシュ3は、両足が変位と時間特性に基づいて前後に動かなくなる運動制御期間としてGTを定義しました。安定状態の歩行と比較して、GTを実行するプロセスは、姿勢安定性の高い制御と神経筋系4の複雑な統合と協力を必要とする。GTの間に、体は急速にブレーキインパルスを増加し、新しいボディバランス5、6を形成するために推進インパルスを減少させる必要があります。計画外歩行終端(UGT)は、未知の刺激6に対するストレス応答である。突然停止する必要がある予期しない刺激に直面すると、最初の動的バランスが乱されます。体の質量の中心(COM)とフィードバック制御の連続制御の必要性のために、UGTは姿勢制御と安定度3、7に大きな挑戦を提起する。
UGTは、特に高齢者やバランス障害を有する患者3,8において、転倒や怪我につながる重要な要因であると報告されている。より速い歩行速度はUGT9の間にモーター制御の追加の低下につながるかもしれない。Ridge et al.10は、UGT中の子どものピーク関節角および内部関節モーメントデータを通常歩行速度(NWS)および高速歩行速度(FWS)で調べた。結果は、好ましい速度と比較して速い速度でより大きな膝の屈曲角度と延長モーメントを示した。彼らは、下肢関節を取り巻く関連する筋肉を強化することは、UGT中の傷害予防のための有用な介入であり得る可能性があることを示した。
定常性の足取り時の下肢生体力学的特性に対する歩行速度の効果は11、12、13に広く研究されているが、異なる歩行速度下でのUGTの生体機構機構は限られている。我々の知る限りでは、3つの研究だけが、速度効果9、10、14に関して健康な個人のUGTのパフォーマンスを具体的に評価している。しかしながら、これらの研究の対象は主に14歳及び10歳の高齢者であったが、UGT中の若年成人の生体力学的機構は依然として不明である。下肢運動学および足底圧は、移動性バイオメカニクスの正確な分析を提供することができ、これらはまた、臨床歩行診断15、16のための重要な成分であると考えられている。例えば、Serrao et al.17は、小脳運動失調症患者と突然の停止中の健康な患者との間の臨床的な違いを検出するために、下肢運動学的データを使用した。さらに、計画歩行終了(PGT)と比較して、UGT中の横中足骨の大きなピーク圧力および力は、より高い傷害リスクに関連する可能性のある7を観察することができた。
したがって、UGTの生体機械機構を探求することは、傷害予防およびさらなる臨床研究のための洞察を提供することができる。本研究は、UGT中の若年成人の生体力学的変化を異なる歩行速度で調べるプロトコルを提示する。歩行速度の増加に伴い、参加者はUGT中に異なる下肢生体力学的特性を示すと仮定されています。
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Protocol
寧波大学人間倫理委員会は、この実験を承認しました.UGT実験の目標、要件、実験手順について話された後、すべての書面によるインフォームド・コンセントがすべての被験者から得られました。
1. 歩行のための実験室の準備
- キネマティクス: モーションキャプチャシステム
- システムをキャリブレーションする場合は、白熱灯を消し、受動的な反射マーカーと間違える可能性のある反射オブジェクトを取り除きます。8台の赤外線カメラが適切に狙われ、明確で合理的な視野を持っていることを確認します。
- PCのパラレルポートに適切なUSBドングルを差し込みます。モーションキャプチャ赤外線カメラとアナログデジタルコンバータのスイッチをオンにします。
- 追跡ソフトウェアをPCで開き、8台の赤外線カメラが初期化される時間を取ります。[リソース] ペインの [ローカル システム] ノードを選択します。ハードウェア接続が真であれば、すべてのカメラノードに緑色のライトが表示されます。
- カメラビューペインでシステムパラメータを調整する:ストロボ強度を0.95 -1、しきい値を0.2-0.4、ゲインから時間1(x1)、グレースケールモードから自動、最小円度比を0.5に、最大ブロブ高さを50に設定します。
- 5 つのマーカーからなる T フレームをモーション キャプチャ領域の中央に配置します。2Dモードを使用してすべてのカメラを選択し、干渉やアーティファクトなしでキャリブレーション杖(Tフレーム)を表示できることを確認します。ツールバーの 「システム準備」項目をクリックし、T フレーム ドロップダウン リストから 5マーカーの Wand & T-Frame キャリブレーション オブジェクトを選択します。
- [ツール] ウィンドウで、[システムの準備] ボタンをクリックし、[カメラの調整] セクションの [スタート] ボタンをクリックします。次に、キャプチャ範囲内のTフレームを物理的に振ります。赤外線カメラの青いライトが点滅しなくなったら、アクションを停止します。「100%」でキャリブレーションプロセスが完了し、0%に戻るまで、進行状況バーを監視します。
注: イメージ エラー の値が 0.3 未満であることを確認します。 - T フレームをフロア(モーション キャプチャ領域の中心)に配置し、T フレームの軸が方向方向と一致していることを確認します。
- ツール ウィンドウの [ボリュームの原点の設定] セクションの下にある [スタート] ボタンを選択します。
- 足底圧力:圧力プラットフォーム
- 2 mの圧力プラットフォームをテスト領域の中央に置きます。圧力プラットフォームの周囲に 8 台の赤外線カメラが表示されていることに注目してください。
- 圧力プラットフォームを4つの平均領域(A、B、C、D)に線形で分割し、アルファベットラベル/ステッカーで区別します(図1)。
- PCと圧力プラットフォームは、専用のデータケーブルを介して接続し続けます。
- デスクトップのソフトウェアアイコンをダブルクリックします。
- キャリブレーション画面の「重量調整」をクリックし、スタッフの体重を入力します。圧力プラットフォームを離れる前にシステムが自動的にキャリブレーションを完了するまで待って、圧力プラットフォームに立つよう依頼します。
図1:実験プロトコル被験者がヒールタッチ領域(A)として終了信号を受信した場合、UGTは被検体が領域(B)で停止するように実行された。キネマティックおよび足底圧力データを、同期的に収集した。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
2. 参加者の準備
- UGTテストの前に、すべての被験者にインタビューし、実験目標と手順についての簡単な説明を提供します。主要な包含基準を満たす対象者から書面によるインフォームド・コンセントを取得する。
- 身体的に活動的な男性成人であり、右足を支配的にし、聴覚障害を持たない、下肢障害を持たない、過去6ヶ月間に怪我をしていない参加者を含む。
注:実験条件を満たした15人の男性被験者(年齢:24.1±0.8歳;身長:175.7±2.8cm;体重:68.3±3.3kg;足の長さ:252.7±2.1mm)がこの試験に含まれていた。
- 身体的に活動的な男性成人であり、右足を支配的にし、聴覚障害を持たない、下肢障害を持たない、過去6ヶ月間に怪我をしていない参加者を含む。
- アンケート調査ですべての被験者が記入できるようにします。
注:質問は次のとおりです: ランニングやその他の身体活動の歴史を持っていますか?1週間にどのくらいの頻度で身体活動をしますか?プロの運動トレーニングはありますか?過去6ヶ月間に下肢障害や怪我をしましたか? - すべての被験者が同じTシャツとタイトフィットパンツを着用していることを確認します。
- ヴェルニエキャリパーまたは小さな人類計を使用して、被験者の立ち上がり高さ(mm)と体重(kg)、下肢の長さ(mm)、膝幅(mm)、および左右の脚の両方の足首幅(mm)を測定します。
注:上の腸骨脊椎から足首内側コンディレまでの下肢の長さを測定します。膝幅は外側から内側膝の顆まで。外側から内側の足首のコンディレまでの足首幅。 - 適宜体毛を剃り、アルコール拭きで余分な汗を取り除きます。関節やセグメント上のマーカー配置のための解剖学的骨のランドマークの皮膚領域を準備します。
注:この研究では、前側優腸骨脊椎(LASI/RASI)、後方優腸骨脊椎(LPSI/RPSI)、横腿中大腿(LTHI/RTHI)、横膝(LK)を含む16個の反射マーカー18を使用しました。 ネ/RKNE)、横中間シャンク(LTIB/RTIB)、横型マリョルス(LANK/RANK)、第2中足頭(LTOE/RTOE)、カルカニュー(LHEE/RHEE)(図2)。 - 16の解剖学的ランドマークを特定します。ランドマークには、受動のレトロ反射マーカーを両面粘着テープで取り付けます。
- 各被験者に5分を与えてテスト環境に適応し、軽いランニングとストレッチでウォームアップします。
図2:下肢に付着した反射マーカー。(A)側、(B)前部および(C)後部。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
3. 静的キャリブレーション
- キネマティクス: モーションキャプチャシステム
- 追跡ソフトウェアで、ツールバーの "新しいデータベース" を見つけて、データベースを構築します。[データ管理] をクリックして [データ管理] ウィンドウを開き、[新しい患者分類] ボタン、[新しい患者] ボタン、[新しいセッション] ボタンを順にクリックします。[リソース] ウィンドウに戻り、[新しい件名の作成] をクリックして件名を作成し、[高さ]、[体重 (kg)]、脚の長さ (mm)、膝の幅 (mm)、足首の幅 (mm) の値を [プロパティ]ウィンドウに入力します。
- [ライブに移動] をクリックし、[表示] ウィンドウの [左右に分割] をクリックします。次に、グラフを選択して、軌道数を表示します。
注 :[3D パースペクティブ] ペインをチェックして、16 個のマーカーがすべて表示されていることを確認します。 - サブジェクトに、静的モデルをキャプチャするには、サブジェクトキャプチャ セクションの [開始] をクリックして、領域 A に静止するように依頼します。[停止] ボタンをクリックする前に、約 200 フレームの画像がキャプチャされました。
- [ツール] ウィンドウで [パイプライン] ボタンを見つけ、[再構築パイプラインの実行] をクリックして、キャプチャしたすべてのマーカーの新しい 3D イメージを作成します。マーカーのリストで識別し、対応するラベルをマーカーに手動で適用します。保存して、ESCキーを押して終了します。
- ツールバーの [件名の準備] と [件名の調整] を選択し、ドロップダウン メニューの [静的プラグインの移動] オプションを選択します。
- [静的設定] ウィンドウで [左足] と [右足] を選択し、[スタート] ボタンをクリックします。次に、静的モデルを保存します。
- 足底圧力:圧力プラットフォーム
- ソフトウェアで[データベース]をクリックして、新しい患者を追加します。[患者の追加] ウィンドウに、割り当てられた件名番号を入力します。次に、[追加] をクリックします。
- 「動的」をクリックし、体重と靴のサイズを入力します。次に、[OK] をクリックします。
4. 動的な試験
- 被験者に開始位置に移動するように依頼します。
- ソフトウェア操作
メモ:ソフトウェアの2種類の起動(モーションキャプチャシステム:[キャプチャ]ボタンをクリックします。圧力プラットフォーム: クリック "キャプチャボタン " と終了 (モーション キャプチャ システム: クリック "停止" ボタン;圧力プラットフォーム: 同時に「測定を保存」ボタンをクリックします。- キネマティクス: モーションキャプチャシステム
- [リソース] ウィンドウの [ライブに移行] ボタンを選択し、右側のツールバーの [キャプチャ] をクリックします。"試用版" と "セッション" を上から下に検索し、"試用版" の説明を編集します。
- 4.3 で説明されているように、被験者に UGT テストを実行するように依頼します。
- UGT テストが終了したら、"Stop"をクリックしてデータ収集の試用を終了します。上記の手順を 5 回繰り返します。
- 足底圧力:圧力プラットフォーム
- UGT トライアルを開始する前に、[測定] ボタンを選択します。
- UGT テストが終了したら、[計測値の保存] ボタンをクリックしてデータを保存します。上記の手順を 5 回繰り返します。
- キネマティクス: モーションキャプチャシステム
- UGTトライアル
- 被験者にNWSの歩道を歩き、支配的な脚と非支配的な脚を使用してエリアAとBを通過させ、最後に圧力プラットフォームの領域Dで停止するように指示します。
- 終了信号が提供されたら、エリアBで素早く停止する必要があることを被験者に知らせます。
- かかとがエリアAに触れるので、無作為に終了信号を提供し、UGTが実行され、被験者がエリアB(図1)で素早く停止することを確認する。スタッフは赤いベルをランダムに鳴らして終了信号を送信し、鳴る確率は約20%で制御されました。少なくとも 5 回の UGT 試行をキャプチャします。
注: 両方の試行の間に 2 分の休憩間隔があります。 - 圧力プラットフォームソフトウェアを使用して、各被験者の歩行速度を計算します。次に、FWS を NWS の 125% として計算します。
- FWS に対して上記の UGT テストを繰り返します。FWS プロトコルを使用して、5 回以上の UGT 試行をキャプチャします。
5. 後処理
- キネマティクス: モーションキャプチャシステム
- ツール バーの [データ管理] ボタンを見つけ、[データ管理] ウィンドウで試用版の名前をダブルクリックします。次に、3D 動的モデルを再構築するには、「再構築」と「ラベル」を選択します。
- [時間] バーで、青い三角形を移動して、必要な時間範囲を設定します (UGT 中のスタンス フェーズに対して)。
- [時刻] バーをクリックします。次に、[コンテキスト] メニューの [対象地域にズーム] をクリックします。
- ラベル ポイントを識別して確認するには、[ラベル] ボタンをクリックします。ステップが静的識別プロセスと同じであることを確認します。
注: 不完全な識別マーカーを入力し、ラベルのないマーカーを削除します(必要に応じて)。 - [件名の調整] ウィンドウで [動的プラグインの実行] を選択します。次に、[スタート] ボタンをクリックしてデータを実行します。次のデータ分析のために「.csv」形式で動的試行をエクスポートします。
- 4次ローパスバターワースフィルタを使用し、周波数を10 Hzにカットし、ジョイント角度のデータをエクスポートします。
- 矢状平面の3つの関節(股関節、膝、足首)の動きの範囲(ROM)を計算します。
注: 矢状運動面の腰、膝、足首の最大角度と最小角度の差を ROM として定義します。 - 各被験者からの10回の試験(NWSの場合は5、FWSの場合は5)の平均(M)と標準偏差(SD)を計算します。
- 足底圧力:圧力プラットフォーム
- 該当する対象の [測定] メニューから試用版名を選択します。[動的] ボタンをクリックしてデータを開きます。
- [手動]をクリックします。[マウスの左] ボタンを使用して、目的のステップ (GT 中のスタンス フェーズ) を選択します。[OK] ボタンをクリックして保存します。
- [ゾーン分割] と [手動ゾーンの選択] をクリックして調整します。次に、[同意する] ボタンをクリックして保存します。
- [圧力 - 力] 画面を開き、[ グラフコンポジション] ボタンをクリックして [ゾーン グラフコンポジション] ウィンドウを開きます。ビッグつま先(BT)、その他のつま先(OT)、第一中足骨(M1)、第2中足骨(M2)、第3中足骨(M4)、第5中足骨(M5)、中足(MF)、中足(MF)、内側かかと(MH)および横ヒール(LH)を含む10の解剖学的領域を分割する。次に、[OK] ボタンをクリックして保存します。
- 「パラメータテーブル」をクリックして、最大圧力、最大力、接触面積を含む足底圧力データをエクスポートします。
- 各被験者から 10 回の試行 (NWS の場合は 5、FWS の場合は 5 回) の平均と SD を計算します。
6. 統計分析
- シャピロ-ウィルクス検定を実行して、すべての変数の正規分布をチェックします。ペアリングサンプル T 検定を使用して、NWS および FWS で UGT の間に下肢運動学と足底圧データを比較します。有意水準を p < 0.05 に設定します。
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Representative Results
15人対象のNWSとFWSの平均値とSD値はそれぞれ1.33±0.07m/s、1.62±0.11m/sであった。
図3は、NWSおよびFWSでのUGT中の矢状面における股関節、膝関節、および足首関節の平均ROMを示す。NWSと比較すると、3つの関節のROMはFWS(p<0.05)で大幅に増加しました。詳細には、股関節、膝関節、足首関節のROMは、それぞれ22.26±3.03、29.72±5.14、24.92±4.17から25.98±2.94、31.61±4.34、28.05±5.59に増加しました(図3)。
図3:異なる速度でUGT中の矢状面の3つの関節のROM。誤差範囲は標準偏差を示します。* は有意水準を示します (p<0.05)。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図4 は、NWSおよびFWSでのUGT中の最大圧力(図4A)、最大力(図4B)、接触面積(図4C)を含む足底圧データを示しています。NWSと比較すると、BT、M1、M2、M3、MHおよびLHの最大圧力は、FWSのUGT中に有意に増加した(p<0.05)。同様に、最大力については、NWS(p<0.05)と比較して、FWSでBT、M1、M2、M3、MHおよびLHにおいて有意な増加が観察された。ただし、OT、M4、M5、および MF 領域 (p>0.05) のパラメーターに大きな違いは生じなくなりました。接触領域の差は主にヒール領域、すなわちMHおよびLHに焦点を当て、両方ともNWS(p<0.05)と比較してFWSで大きく増加した。
図4:足底圧力データこれには、UGTの異なる速度で最大圧力(A)、最大力(B)、接触領域(C)が含まれます。誤差範囲は標準偏差を示します。* は有意水準を示します (p<0.05)。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
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Discussion
UGT中に歩行バイオメカニクスを分析するほとんどの以前の研究は、生体力学的評価における歩行速度の重要性を省略しています。そこで本研究では、速度関連の効果を明らかにすることを目的として、NWSおよびFWSでUGTで起こる下肢バイオメカニカル変化を調査した。
NWSおよびFWSのUGT中に、矢状面の股関節、膝関節および足首関節のROMに有意な違いが見られた。我々の知見は、NWSと比較してFWSのUGT中の矢状面の3つの関節のより大きなROMを示した。これらの結果は、歩行中の速度の影響に関する以前の研究とほぼ一致していた19.Ridge et al.10 は、NWSよりもFWSでUGT中に膝と股関節のピーク屈曲角が大きいことを発見した。より大きな矢状膝ROMは、歩行速度20の増加による代償運動であり得る。被験者は、より広い範囲の股関節、膝関節、および足首関節運動で安定し、より速い終了時間に寄与する可能性があるが、安定性21のためにより大きな関節伸長活性を必要とするかもしれない。
また、NWSと比較してFWSでUGT中にすべての解剖学的領域で最大圧力、最大力および接触領域を含む足底圧力データが増加した、同様に言及する必要があります。最大圧力と力については、主に前足とかかとの内側に焦点を当てた有意な違いは、前の研究22と一致している。本研究では、横中足骨の足底圧も上昇したものの、速度間に有意差はなかった。内側横の足底圧の間の不均衡は、UGT7の間の内側横の安定性の低下につながる可能性があります。かかとの過度のピーク圧力は、ストレス骨折23、24などの足の怪我のリスクを高める可能性があります。また、有意な増加した接触領域は、MHおよびLHにおいて示され、これは、末端スイング段階およびこの段階25の間に大部分の体重がロードされた後に地面と最初に接触する踵に関連し得る。
結果は、プロトコルのいくつかの重要なステップでカウントされます。まず、解剖学的ランドマークを特定し、被験者の皮膚にマーカーを正確に取り付けます。マーカーの落下やシフトの可能性を減らすために、低刺激性両面粘着テープで確実に皮膚にマーカーを配置します。第二に、固定相で終了した信号を被験者に送ることは重要である。エラーを減らすために、すべての試行で送信された信号は同じスタッフによって実行されました。第三に、解剖学的領域の足底の人工的な分割が正確であることを確認します。また、本研究に関連する一定の制限もある。第一に、もともと変数を制御する目的で行われた研究には女性の被験者は参加しなかった。第二に、下肢筋活動は研究で収集されなかった。UGT9,14の間に下肢の生体機械特性を説明する際に筋肉の活性化は多くカウントされ、UGT中の生体機械機構に関するさらなる洞察を得るために、今後の研究において歩行速度が下肢筋活動に及ぼす影響を調査する意思がある。
本研究の結果は、歩行速度の増分が起こるにつれて、被験者がUGT中に異なる下肢バイオメカニカル特性を示すことが示唆されている。この結果は、特にFWSでの歩行速度の増加が潜在的な傷害のリスクを高める可能性があることを示している可能性があります。さらに、これまで研究された足底圧、下肢関節の運動学、スポーツ傷害との関係を考慮すると、この研究の結果は、異なる速度での歩行終了試験が臨床生体力学的性能の診断およびリハビリテーション治療の評価のための効果的なツールとして使用できることを示唆している。
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Disclosures
潜在的な利益相反は著者によって報告されなかった。
Acknowledgments
NSFC-RSE共同プロジェクト(81911530253)、中国の国家キーR&Dプログラム(2018YFF0300905)、寧波大学のK.Cウォンマグナ基金。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 14 mm Diameter Passive Retro-reflective Marker | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | n=16 | |
| Double Adhesive Tape | Minnesota Mining and Manufacturing Corporation, Minnesota, USA | For fixing markers to skin | |
| Motion Tracking Cameras | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | n= 8 | |
| T-Frame | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | - | |
| Valid Dongle | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | Vicon Nexus 1.4.116 | |
| Vicon Datastation ADC | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | - | |
| Pressure platform | RSscan International, Olen, Belgium | - |
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