需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用

方法文章

利用测力台记录进行步态起始姿势控制的生物力学分析

2.6K 次观看

⸱

DOI：

10.3791/64088

⸱

2022年7月26日

 ,  ,  , 
1LADAPT Loiret, Centre de Soins de Suite et de Réadaptation, 2CIAMS, Université Paris-Saclay, 3CIAMS, Université d'Orléans, 4Université Libre de Bruxelles, Belgique

本文内容

摘要

本文介绍了用于研究步态起始姿势控制的材料与方法。该方法基于测力台记录，并利用力学直接原理计算重心和压力中心的运动学参数。

摘要

步态启动（GI）是直立姿势与稳态运动之间的过渡阶段，作为一种功能性任务和实验范式，在文献中被广泛用于研究支配身体运动和平衡控制的基本姿势机制。对步态启动的研究也有助于更好地理解老年人及神经系统疾病患者（如帕金森病患者）姿势障碍的生理病理学机制。因此，该研究被认为具有重要的临床意义，尤其在预防跌倒方面。

本文旨在为学者、临床医生及高校学生提供有关用于研究胃肠道姿势调控的材料与方法的信息 通过 一种生物力学方法。该方法基于测力台记录以及力学直接原理，用于计算重心和压力中心的运动学参数。这两个虚拟点之间的相互作用是该方法的关键要素，因为它决定了稳定性和全身行进的条件。实验方案要求受试者首先以直立姿势静止站立，随后开始行走，直至走完至少5米长的行走轨迹。

建议改变行走速度（慢速、自发、快速）以及时间压力水平——步态可以在发出起始信号后尽快启动（高时间压力水平），或在受试者感觉准备就绪时启动（低时间压力水平）。通过该方法获得的生物力学参数（如预期性姿势调整的持续时间和幅度、步长/步宽、表现及稳定性）已被明确定义，并详细说明了其计算方法。此外，还提供了健康青年人群中的典型参考值。最后，讨论了该方法相对于替代方法（运动捕捉系统）的关键步骤、局限性及其重要意义。

引言

步态起始（GI）是直立姿势与稳态行走之间的过渡阶段，作为一种功能性任务和经典的实验范式，常用于研究复杂运动任务中全身推进与稳定性同时要求下的姿势控制机制1。已知患有神经系统疾病的患者，如帕金森病2、脑卒中3、进行性核上性麻痹4以及"高级别步态障碍"5，存在步态起始困难，因而面临更高的跌倒风险。因此，无论对基础科学还是临床科学而言，发展相关概念与方法以深入理解步态起始过程中涉及的姿势控制机制，获取科学知识并更好地认识步态与平衡障碍的病理生理学基础，并通过适当的干预手段加以纠正，具有重要意义。

步态起始的生物力学组织概念如下所述，用于研究该组织的经典方法详见方案部分。步态起始（GI）可分为三个连续阶段：在摆动相足跟离地前整个身体发生的动态现象所对应的“"预期性姿势调整"（APA）阶段、从摆动相足跟离地到足尖离地之间的“"减载"阶段，以及以摆动足接触支撑面为结束标志的“"摆动"阶段。这种对步态起始过程的经典划分源于Belenkii等人6及其他研究者7,8的开创性工作，其研究范式聚焦于直立姿势下主动将上肢抬至水平位置过程中姿势与运动之间的协调关系。在此范式中，直接参与上肢抬举的身体节段构成“"焦点"链，而介于焦点链近端与支撑面之间的身体节段则构成“"姿势"链9。这些作者报告指出，上肢抬举动作总是先于姿势链中出现动态和肌电图现象，他们将此称为“"预期性姿势调整"。对于步态起始而言，摆动相足跟离地（或摆动相足尖离地，依不同研究者而定）被视为步行运动的起始点10。因此，此时刻之前发生的动态现象即对应于APA，而摆动侧肢体被视为焦点链的一个组成部分11。这一观点与运动生物力学组织的经典概念一致，即任何运动行为都必须包含一个焦点成分和一个姿势成分12,13。

从生物力学角度来看，与步态启动（GI）相关的预期性姿势调整（APA）表现为压力中心向后方及侧向（摆动腿一侧）的位移，从而推动重心向相反方向——即向前方及支撑腿一侧移动。预期性压力中心后移的幅度越大，则在足部触地时重心前向速度越高，运动表现也越好10,14。此外，通过将重心推向支撑腿一侧，APA有助于在GI的摆动相期间维持前后方向的稳定性1,15,16,17。现有文献强调，这种稳定性预期控制能力的改变是老年人跌倒的主要原因之一1。在文献中，GI期间的稳定性通常采用“稳定性边界”"margin of stability"18这一指标进行量化，该指标综合考虑了重心在支撑基底内的位置和速度。除了APA的形成外，研究还发现，在重力作用下GI摆动相期间重心的下落会受到支撑腿腓肠肌和比目鱼肌（triceps surae）的主动制动。这种主动制动有助于在足部触地后维持稳定性，使足部能够平稳地落在支撑面上4。

本文旨在为学者、临床医生及高等教育学生提供我们实验室开发的用于研究胃肠道（GI）姿势调控的材料与方法信息 通过 一种生物力学方法。这 "全球" 方法（也可被归约为一种 "动力学" 由 Brenière 及其合作者基于下述原因启动的方法10,19它基于力学的直接原理，计算重心的加速度以及压力中心的瞬时位置。这两个点均为表征该运动的全局性指标。

其中一个是指与运动目的相关的所有身体节段运动的瞬时表达（即重心；例如，步态起始期间身体的行进速度）；另一个（即压力中心）则是实现该目标所需支撑条件的表达。这两个点的瞬时位置反映了步态起始过程中必须满足的姿势动力学条件。测力台是适用于该模型的合适仪器，因为它能够直接测量运动过程中作用于支撑面的外力和力矩。此外，它允许受试者完成自然的运动，且无需特殊准备。

已知许多因素会影响胃肠道（GI）的姿势调控，包括生物力学、（神经）生理学、心理学、环境和认知因素1,20。本文重点探讨两种因素——胃肠道运动速度和时间压力——的影响，并提供健康年轻成年人中的典型数值。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

方案

以下所述方案遵循巴黎萨克雷大学人类研究伦理委员会的指导原则。参与者已批准并签署知情同意书。

1. 受试者

  1. 实验中至少纳入15名健康的年轻成年参与者（年龄在20至40岁之间）。
    注意：此建议的受试者数量对应于胃肠道（GI）相关文献中通常采用的标准。
  2. 排除使用助行器具、存在视觉、听觉或骨科问题、已确诊神经系统疾病、痴呆、认知功能障碍（即简易精神状态检查得分 < 25分）以及有跌倒病史的参与者。
  3. 在向参与者说明实验的性质和目的后，要求其签署书面知情同意书。
  4. 确保实验符合《赫尔辛基宣言》所规定的要求。

2. 实验室准备

  1. 确保测力台足够长，使得第一步结束时整个摆动足能完全落在测力台上。如果无法满足，可使用两个较小的测力台，让受试者初始站立姿势位于第一个测力台上，并将摆动足踏在置于其前方的第二个测力台上21。在这两种情况下，均需确保测力台（或测力台组）嵌入至少5米长的步行道中，以保证达到稳态行走。
    注：需要能够记录三维力矩和力的测力台，以计算全部实验变量（见第5节）。
    1. 作为安全措施，若实验包含脆弱患者（例如神经系统疾病患者），应将安全吊带固定于天花板，并使其对准测力台的中心轴线。
  2. 校准测力台。点击 auto-zero 按钮。
  3. 导入日志
    1. 打开 Qualisys Track manager。
    2. 选择并打开“Project”文件夹。
  4. 创建患者文件夹。
    1. 点击 Add，然后选择 patients。
    2. 输入标签：患者编号、名字、姓氏、出生日期、性别，以及必要时的备注。
    3. 点击 Add，然后选择 Gait 会话。
    4. 输入标签：病例编号、测试操作员、必要时的备注、诊断、次要诊断、受累侧、粗大运动功能分级、功能性移动能力量表、身高、体重、左侧腿长、右侧腿长、左侧膝宽、右侧膝宽、左侧踝宽、右侧踝宽、左侧足底差值、右侧足底差值、左侧肩偏移、右侧肩偏移、左侧肘宽、右侧肘宽、左侧腕宽、右侧腕宽、左侧手厚度、右侧手厚度，以及标记点直径。
    5. 点击 Add，然后选择 Markerless 会话。
    6. 输入标签：测试条件、假肢/矫形器、外部辅助工具、辅助工具使用侧、个人辅助工具、个人辅助工具使用侧、必要时的备注、测试操作员，以及事件模式（选择多个测力台）。
  5. 勾选 Force plate auto-zero。
    1. 选择 Tools。
    2. 点击 Force Plates。
    3. 在标签框“Force plate auto-zero”中点击 On preview start 。
  6. 确保测力台在无负载时的基础信号（力和力矩）为零。
    1. 点击 New 或使用快捷键 Ctrl+N。
    2. 点击 Data info Window 1 或使用快捷键 Ctrl+D。
    3. 点击 Display Force Data 或使用快捷键 Ctrl+D。
    4. 点击 Force 并选择 Plot。

3. 实验步骤

  1. 要求受试者赤脚、静止站立于测力平台上，保持自然直立姿势，双臂自然垂于身体两侧，目光注视前方至少5米远处与眼同高的目标点（图1）。
    注意：在初始姿势下，应在测力平台上标记双脚的位置（例如使用粉笔）。每次试验后，需仔细检查受试者是否将双脚重新放回标记位置。此步骤非常重要，因为初始足位会影响步态启动（GI）的预期性动作（APA）特征。
  2. 通过在受试者闭眼并保持初始姿势时，轻推其背部以诱发前进步态，从而确定其习惯性起始腿。
  3. 向受试者说明，其任务是从静止站立姿势开始，用习惯性起始腿启动行走，沿路径走到终点后，再安静地返回初始站立姿势。
    注意：若在实验过程中，某次试验未使用已确定的习惯性起始腿启动步态，则需重复该次试验。
  4. 说明步态启动需在两个连续信号（听觉、视觉或触觉）之后进行：预备信号和出发信号（见步骤3.6和3.7）。
  5. 说明关于行走速度和时间压力的指令（见步骤3.8–3.10）。
  6. 向受试者发出第一个（预备）信号，并指示其保持静止，不得在接收到该信号时提前启动步态。
  7. 在预备信号后随机延迟2–5秒，发出第二个（出发）信号。
    1. 在发出第二个信号前，需确认受试者在视觉上保持静止。可通过前后方向或内外方向重心压力中心位移的实时时间曲线在线检查其静止状态。
      注意：若受试者未保持静止，则可能难以检测APA的起始时间（见步骤5.1.1）。
  8. 指示受试者在接收到出发信号后，按以下两种方式之一启动步态：i）尽快启动（即反应时间条件），或 ii）仅在自我感觉准备就绪后启动（即自我启动条件）。
  9. 改变施加于步态启动（GI）的“时间压力”条件（即低时间压力（自我启动条件）和高时间压力（反应时间条件））。
  10. 改变步态启动（GI）的速度条件（慢速、自发、快速条件）。
    1. 为减少实验条件数量以避免疲劳，指示受试者仅在低或高时间压力条件下执行两种速度条件（例如慢速和快速），或反之（即在高和低时间压力条件下分别以慢速或快速启动步态）。
      注意：需频繁重复关于时间压力和步态启动速度的指令。
  11. 要求受试者在每种实验条件下完成连续10次试验的系列。
    注意：对于老年受试者或帕金森病患者，进行5次试验的系列已足够22。
    1. 在不同受试者间随机化步态启动速度和时间压力的条件顺序，以避免顺序效应。
  12. 在连续的不同实验条件之间，要求受试者至少休息2分钟，以避免疲劳影响。
  13. 在每种条件下，允许受试者在正式记录前先进行两次适应性试验。
  14. 在预备信号出现前数秒启动测力平台的数据采集，并在受试者离开测力平台后停止采集。

人体运动分析示意图，包含动作捕捉装置、坐标轴和记录系统。
图1：实验装置。 受试者首先站在嵌入在一条至少5 m长的跑道（2）中的测力台（1）上，视线注视位于眼睛水平高度的目标（3）。请点击此处查看该图的放大版本。

4. 力台动力学记录的处理

  1. 使用截止频率为 15 Hz 的无滞后低通巴特沃斯滤波器对测力台数据进行滤波。
    1. 导入文件。
    2. 打开 Visual3D。
    3. 选择并打开文件“Project”。
    4. 处理
      1. 点击 Pipeline 或使用快捷键 F11。
      2. 选择 Signal Filter。
      3. 选择 Lowpass_Filter。
      4. 点击 Execute。
  2. 以 100 Hz 的采样频率采集测力台数据。
    1. 点击 Pipeline 或使用快捷键 F11。
    2. 选择 File Save/Export。
    3. 选择 Export_Data_To_Acsii_File。
    4. 点击 Edit。
    5. 在标签“Number of Points for Normalization”中输入 100。
    6. 点击 Execute。
  3. 根据测力台获取的三维地面反作用力（见补充图 S1），利用牛顿第二定律计算瞬时重心在前后（x''G）、内外（y''G）和垂直（z''G）方向上的加速度随时间变化的曲线10,23。
    注：根据牛顿第二定律，作用于系统的合外力等于该系统质量（m）与其重心加速度的乘积。因此，在本研究描述的GI实验方案中，作用于受试者的唯一外力为体重（BW）和地面反作用力（R）。可写出以下方程（1）、（2）和（3）：
    x''G = Rx / m     （1）
    y''G = Ry / m     （2）
    z"G = (Rz - BW) / m     （3）
    其中，Rx、Ry、Rz 分别为地面反作用力矢量在前后、内外和垂直方向上的瞬时分量。典型的 x''G、y''G 和 z''G 曲线见图 2。
  4. 通过对三维重心加速度随时间变化的曲线进行简单的数值积分，计算重心速度的三维时间曲线，积分常数设为零（即认为三维初始重心速度为零10）。典型的重心前后、内外和垂直方向速度（分别为 x'G、y'G 和 z'G）的时间曲线见图 2。
  5. 对 y'G 时间曲线进行额外积分，以获得重心在内外方向上的位移。利用该量计算“稳定性边界”（见步骤 5.3.5.2）。
  6. 利用方程（4）和（5）根据测力台数据计算压力中心在内外方向（yP）和前后方向（xP）上的位移：
    静力平衡方程，yP = (Mx + Ry × dz) / Rz，数学公式示意图。     （4）
    静力平衡方程图解，xP=(-My+Rx×dz)/Rz，教学公式展示。     （5）
    其中，Mx 和 My 分别为绕前后和内外方向的瞬时力矩；Rx、Ry 和 Rz 分别为前后、内外和垂直方向上的瞬时地面反作用力；dz 为测力台表面与其原点之间的距离（由制造商提供）。典型的 xP 和 yP 时间曲线见图 2（另见补充图 S2）。

5. 实验变量

注意：必须从每次试验获得的实验时间图中提取下述每个实验变量。

  1. 步态启动时序事件的检测
    1. APA的起始
      1. 显示压力中心在内外侧和前后方向上的位移时间曲线图。
      2. 计算参与者接收到第二个信号前250 ms时间窗口内压力中心 mediolateral 和 anteroposterior 时间序列的平均值。
        注：这些数值对应于这些时间图中的“基线值”。
      3. 检测第二个信号发出后，压力中心的内外侧和前后位移轨迹偏离基线值达2.5个标准差且持续至少50毫秒的时刻。
        注：这两个时间点分别对应于前后方向和内外侧方向上 APA 的起始时刻（t0ML 和 t0AP）； 图2）。这两个时间点也可以被确定为重心前后向和重心左右向加速度时间曲线达到各自峰值的10%时的时刻。
      4. 确保在反应时间条件下，APA 的起始时间在第二个（Go）信号发出后 150 ms 至 300 ms 之间。若不符合此范围，则需重复该试验并再次说明时间压力相关指导语。
        注意：若时间少于150毫秒，表明参与者已提前预判；若时间大于300毫秒，则表明参与者未专注于任务。
      5. 确保在自主启动条件下，APA的起始时间大于300 ms。若未满足此条件，则需重复该试验，并再次强调时间压力相关指导语，因为受试者可能处于反应时模式下启动步态。
    2. 摆动相足跟离地时刻
      1. 显示重心垂直速度和前后压力中心位移的时间曲线图。
      2. 将垂直重心速度轨迹在APA起始后首次向下达到峰值的时刻确定为摆动相足跟离地时间24 (图2）。或者，确定压力中心前后位移的时间曲线出现快速下降并趋近基线的瞬间（即，朝向足趾方向； 图2）或在摆动侧足跟处放置一个脚踏开关（一种 inexpensive 的工具）。
    3. 摆动相蹬离时间
      1. 显示压力中心在前后方向和内外侧方向位移的时间序列图，以及重心在前后方向速度的时间序列图。
      2. 确定压力中心前后向位移时间曲线首次达到朝向支撑足侧的第一个（准）平台期的时刻，作为摆动相 toe-off 时间。图2）。或者，可识别摆动相足跟离地的瞬间，即前后向压力中心位移的时间曲线达到最大后移值的90%时；也可在摆动相足趾处放置足开关。
    4. 摆动足接触时间
      1. 显示前后方向压力中心位移的时间曲线图。
      2. 确定前后压力中心突然向前移动的瞬间（图2) 作为摆动足接触时间。若由此推导出时间曲线，则将摆动足接触时间定义为该推导曲线从基线水平值急剧上升的时刻。或者，可在摆动侧足跟处放置足部开关以检测该时刻。
        注意：此处可采用与上述 APA 检测类似的方法（基于计算平均基线水平值；步骤 5.1.1.2）。
    5. 后足离地时刻
      1. 显示压力中心内外侧位移的时间曲线图。
      2. 确定压力中心前后向位移时间曲线达到第二个（准）平台期的时刻，该平台期方向与第一个相反（步骤 5.1.3.2）； 图2后脚离地时间25或者，在后方放置一个脚踏开关以检测此时刻。
  2. 时间变量的计算
    1. 计算APA起始时间（t0ML 和 t0AP）与摆动相足跟离地时刻（tHO）之间的延迟，分别对应于内外侧方向（dAPAML）和前后方向（dAPAAP）上APA的持续时间。见公式（6）和（7).
      dAPAML = tHO - t0ML (6)
      dAPAAP = tHO - t0AP (7)
    2. 计算摆动相脚趾离地时刻（tTO）与摆动相脚跟离地时刻（tHO）之间的时间延迟，该延迟对应于“卸载相”持续时间（UNLd）； 图2) 使用公式(8).
      UNLd = tTO - tHO8)
    3. 计算摆动相足趾离地时刻（tTO）与摆动相足部触地时刻（tFC）之间的时间延迟，该值对应于“摆动相”持续时间（SWINGd）； 图2) 使用公式(9).
      SWINGd = tFC - tTO9)
  3. 空间变量的计算
    1. 压力中心的初始位置
      1. 显示压力中心在内外侧方向和前后方向上的位移时间曲线。
      2. 计算在向参与者发出第二次（起始）信号前250 ms时间窗口内压力中心在内外侧（yP0）和前后方向（xP0）位置的平均值，该值代表初始姿势期间压力中心位置（或“基线”值）。
        注意：上述描述的APA时空特征对初始姿势中压力中心的位置具有敏感性26因此，重要的是要确认不同实验条件（例如，需要清除障碍物的条件与无需清除障碍物的条件）或不同实验人群（例如，健康受试者与神经疾病受试者）之间APA特征的任何变化，并非归因于初始姿势下压力中心位置的“简单”改变，而是归因于所研究的因素。
    2. APA 振幅
      1. 显示压力中心在内外侧和前后方向上的位移时间曲线图，以及重心速度在内外侧和前后方向上的时间曲线图。
      2. 检测每个时间图在APA时间窗口内达到最大值的时刻图2).
      3. 减去在步骤5.3.1.2中计算得到的压心均值基线值（即xP0和yP0值），从APA时间窗口内检测到的最大压心值中（每个方向分别处理；即，使用公式(10）和（11)).
        xPAPA = xPMAX - xP0 (10)
        yPAPA = yPMAX - yP0 (11)
        其中，xPAPA 和 yPAPA 分别表示前后方向和内外侧方向上 APA（压力中心）的振幅；xPMAX 和 yPMAX 分别表示前后方向和内外侧方向上预期性压力中心位移的最大值。
        注意：由于认为受试者最初处于静止状态（因此初始重心速度为零；参见步骤4.4），重心速度无需进行此类基线校正。所获得的四个值代表APA的幅度（每个方向两个值）。
    3. 步长和步宽
      1. 显示压力中心在前后方向上的位移时间图。
      2. 检测压力中心位置的最靠后位置，xPBACK。
      3. 检测后足离地时刻的压力中心位置，xPRFO图2 以及步骤 5.1.5）。
      4. 计算这两个量之间的空间差值，该差值对应于步长 L41，使用公式（12).
        L = xPBACK - Xprfo    (12)
      5. 显示压力中心在内外侧方向上的位移时间图。
      6. 检测时间图中第一平台期所获得的压力中心内外侧位置的最外侧点，yPSTANCE（“stance”，因为此时压力中心位于支撑足下方；参见 图2).
      7. 在后足离地时刻检测侧向压力中心位置，yPRFO图2 和步骤 5.1.5）。
      8. 计算这两个量之间的空间差异，该差异对应于步宽 W25，使用公式（13).
        W = yPSTANCE - yPRFO (13)
    4. 步态启动的表现
      1. 显示重心在前后方向上速度的时间序列图图2).
      2. 检测参与者用摆动腿脚击中测力台的瞬间（步骤 5.1.4， 图2并记录此时重心的速度，作为评估胃排空（GI）功能的指标。
        注意：该时间曲线的峰值出现在摆动足接触地面后几毫秒内，也可作为步态指数（GI）性能的评价标准。步长和摆动相持续时间同样可作为评价 GI 性能的指标。步长越长、摆动相持续时间越短，表明性能越好。
    5. 稳定性控制参数
      1. 对于制动指数，显示重心在垂直方向上的速度时间曲线图。检测该时间曲线中向下的重心速度峰值（z'GMIN）以及摆动足接触时刻的重心速度（z'GFC）， 图2）。将这两个量相减，所得结果称为“制动指数”（braking index, BI），用作稳定性控制的指标，计算方法见公式（14).
        BI = 静力平衡方程，z'GMIN-z'GFC/z'GMIN，教学用途公式     (14)
        注意：BI 由 Do 及其同事提出，其证据表明，在步态启动的摆动相期间，中枢神经系统通过降低重心的垂直速度，以预期摆动足与支撑面的接触4,5,27这种主动制动有助于足部着地后的稳定性维持。制动指数（BI）越大，稳定性控制效果越好。
      2. 对于稳定性边界，显示重心在左右方向上的速度和位移随时间变化的曲线图。检测摆动足接触时刻的重心速度（y'GFC）和重心位移（yGFC）图2）。利用公式（计算足部接触时稳定性边界（MOS）的内外侧分量15).
        MOS 公式方程；安全工程背景下的静力平衡分析。     (15)
        其中，BOSmax 为支撑基底（BOS）的内外侧边界，ω0 为将人体建模为倒摆时的特征频率。在行走过程中，受试者有规律地先以摆动侧足跟、再以足尖落在测力台上。在此种足部着地策略下，BOSmax 可通过后足离台时刻（步骤 5.1.5）的内外侧压力中心位置进行估算。人体的特征频率可利用公式（16).
        角频率公式 ω₀=√(g/l)，单摆，平衡，物理方程     (16)
        其中 g = 9.81 m/s² 为重力加速度，l 为倒摆的长度，相当于身体身高的 57.5%。
        注：方程（中括号内的数量15称为“外推质心”18足部接触时的稳定性条件是指外推质心位于支撑基底范围内。该条件对应于正值的稳定裕度（MOS）。若稳定裕度为负值，则需要进行矫正性姿势调整以恢复平衡。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

结果

步态启动期间由测力台获得的代表性生物力学时间曲线的描述
无论时间压力水平或对步态启动速度的指令如何，摆动相足跟离地总是系统性地由预备性动作准备（APA）所 preceding。这些APA可通过压力中心的向后及向摆动腿侧的偏移来表征（图2）。这种预期性的压力中心偏移促使重心向相反方向（即向前并向支撑腿侧）加速。在前后方向上，重心速度逐渐增加，并在摆动足着地后不久达到峰值。在内外侧方向上，重心速度首先在摆动足趾离地时左右向支撑腿侧达到第一个峰值，随后在足着地后不久向摆动腿侧出现第二个峰值。在垂直方向上，重心速度在支撑中期左右达到向下的峰值，随后方向反转，并在足着地时左右接近零值。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

讨论

本文旨在为学者、临床医生和高等教育学生提供有关我们实验室用于研究步态起始（GI）生物力学组织的方法（即"全局"方法）的信息。下文将讨论该实验方案的关键步骤、方法的局限性，以及替代方法和应用。

该实验方案中的一个关键步骤是检测步态启动（GI）的时间事件（即APA起始、摆动相足跟离地和足尖离地，以及后足离地）。与GI组织相关的时序变量和空间变量的数值均依赖于对这些事件的准确识别。针对每个事件，已有多种检测方法被提出（此处所列方法并非穷尽）。建议在整个数据分析过程中使用同一种检测方法，以确保不同试验和实验条件之间的一致性，并便于与文献中其他研究进行比较。然而，也建议至少采用两种不同的检测方法，以确认时间事件的正确识别（不同方法所得时序特征值之间的差异应较小）。此外，对于每个时间事件，可应用自动检测方法（例如通过MATLAB程序实现）。本文章所提供的方法可轻松编程实现此类自动检测程序。强烈建议对这些程序自动获取的数据进行视觉检查，以评估其一致性和"可信性"。例如，预期的预激活期压力中心位移幅度不应超过支撑基底的范围；该位移应向后并朝向摆动腿一侧（特定实验人群...

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

致谢

作者感谢 ANRT 和 LADAPT 的支持。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
测力台AMTI一个大型 [120 cm x 60 cm] 或两个小型 [60 cm x 40 cm] 测力台
Python 或 MatlabPython 或 MathWorks用于计算实验变量的编程语言
Qualisys Track ManagerQualisys用于测力台同步、生物力学原始信号（三维力和力矩）记录及在线可视化分析的软件
Visual3DC-Motion Inc用于处理生物力学原始信号（低通滤波）的软件

参考文献

  1. Yiou, E., Caderby, T., Delafontaine, A., Fourcade, P., Honeine, J. L. Balance control during gait initiation, State-of-the-art and research perspectives. World Journal of Orthopedics. 8 (11), 815-828 (2017).
  2. Delval, A., Tard, C., Defebvre, L. Why we should study gait initiation in Parkinson's disease. Neurophysiologie Clinique/Clinical Neurophysiology. 44 (1), 69-76 (2014).
  3. Delafontaine, A., et al. Anticipatory postural adjustments during gait initiation in stroke patients. Frontiers in Neurology. 10, 352(2019).
  4. Welter, M. L., et al. Control of vertical components of gait during initiation of walking in normal adults and patients with progressive supranuclear palsy. Gait & Posture. 26 (3), 393-399 (2007).
  5. Demain, A., et al. High-level gait and balance disorders in the elderly, a midbrain disease. Journal of Neurology. 261 (1), 196-206 (2013).
  6. Belen'kiĭ, V. E., Gurfinkel', V. S., Pal'tsev, E. I. On the control elements of voluntary movements. Biofizika. 12 (1), 135-141 (1967).
  7. Bouisset, S., Zattara, M. A sequence of postural movements precedes voluntary movement. Neuroscience Letters. 22 (3), 263-270 (1981).
  8. Bouisset, S., Zattara, M. Biomechanical study of the programming of anticipatory postural adjustments associated with voluntary movement. Journal of Biomechanics. 20 (8), 735-742 (1987).
  9. Bouisset, S., Do, M. C. Poster, dynamic stability, and voluntary movement. Neurophysiologie Clinique/Clinical Neurophysiology. 38 (6), 345-362 (2008).
  10. Brenière, Y., Cuong Do, M., Bouisset, S. Are dynamic phenomena prior to stepping essential to walking. Journal of Motor Behavior. 19 (1), 62-76 (1987).
  11. Memari, S., Yiou, E., Fourcade, P. The role(s) of "Simultaneous Postural Adjustments" (SPA) during Single Step revealed with the Lissajous method. Journal of Biomechanics. 108, 109910(2020).
  12. Gelfand, I. M., Gurfinkel, V. S., Fomin, S. V., Tsetlin, M. L. Models of the structural functional organization of certain biological systems. , M.I.T. Press. 330-345 (1966).
  13. Hess, W. R. Teleokinetisches und ereismatisches Kräftesystem in der Biomotorik. Helv Physiol Pharmacol Acta. 1, 62-63 (1943).
  14. Lepers, R., Brenière, Y. The role of anticipatory postural adjustments and gravity in gait initiation. Experimental Brain Research. 107 (1), 118-124 (1995).
  15. Lyon, I. N., Day, B. L. Control of frontal plane body motion in human stepping. Experimental Brain Research. 115 (2), 345-356 (1997).
  16. Yang, F., Espy, D., Pai, Y. C. Feasible stability region in the frontal plane during human gait. Annals of Biomedical Engineering. 37 (12), 2606-2614 (2009).
  17. Zettel, J. L., McIlroy, W. E., Maki, B. E. Can stabilizing features of rapid triggered stepping reactions be modulated to meet environmental constraints. Experimental Brain Research. 145 (3), 297-308 (2002).
  18. Hof, A. L., Gazendam, M. G. J., Sinke, W. E. The condition for dynamic stability. Journal of Biomechanics. 38 (1), 1-8 (2005).
  19. Brenière, Y., Do, M. C. When and how does steady state gait movement induced from upright posture begin. Journal of Biomechanics. 19 (12), 1035-1040 (1986).
  20. Yiou, E., Hussein, T., LaRue, J. Influence of temporal pressure on anticipatory postural control of medio-lateral stability during rapid leg flexion. Gait & Posture. 35 (3), 494-499 (2012).
  21. Caderby, T., Yiou, E., Peyrot, N., Begon, M., Dalleau, G. Influence of gait speed on the control of mediolateral dynamic stability during gait initiation. Journal of Biomechanics. 47 (2), 417-423 (2014).
  22. Seuthe, J., D'Cruz, N., Ginis, P., et al. How many gait initiation trials are necessary to reliably detect anticipatory postural adjustments and first step characteristics in healthy elderly and people with Parkinson's disease. Gait & Posture. 88, 126-131 (2021).
  23. Brenière, Y., Do, M. C. Control of Gait Initiation. Journal of Motor Behavior. 23 (4), 235-240 (1991).
  24. Caderby, T., Yiou, E., Peyrot, N., Bonazzi, B., Dalleau, G. Detection of swing heel-off event in gait initiation using force-plate data. Gait & Posture. 37 (3), 463-466 (2013).
  25. Yiou, E., Teyssèdre, C., Artico, R., Fourcade, P. Comparison of base of support size during gait initiation using force-plate and motion-capture system, A Bland and Altman analysis. Journal of Biomechanics. 49 (16), 4168-4172 (2016).
  26. Dalton, E., Bishop, M., Tillman, M. D., Hass, C. J. Simple change in initial standing position enhances the initiation of gait. Medicine and Science in Sports and Exercise. 43 (12), 2352-2358 (2011).
  27. Delafontaine, A., Gagey, O., Colnaghi, S., Do, M. C., Honeine, J. L. Rigid ankle foot orthosis deteriorates mediolateral balance control and vertical braking during gait initiation. Frontiers in Human Neuroscience. 11, 214(2017).
  28. Delval, A., et al. Caractérisation des ajustements posturaux lors d'une initiation de la marche déclenchée par un stimulus sonore et autocommandée chez 20 sujets sains. Neurophysiologie Clinique/Clinical Neurophysiology. 35 (5-6), 180-190 (2005).
  29. Yiou, E., Fourcade, P., Artico, R., Caderby, T. Influence of temporal pressure constraint on the biomechanical organization of gait initiation made with or without an obstacle to clear. Experimental Brain Research. 234 (6), 1363-1375 (2015).
  30. Yiou, E., Artico, R., Teyssedre, C. A., Labaune, O., Fourcade, P. Anticipatory postural control of stability during gait initiation over obstacles of different height and distance made under reaction-time and self-initiated instructions. Frontiers in Human Neuroscience. 10, 449(2016).
  31. Nouillot, P., Do, M. C., Bouisset, S. Are there anticipatory segmental adjustments associated with lower limb flexions when balance is poor in humans. Neuroscience Letters. 279 (2), 77-80 (2000).
  32. Sint, J. S. V. Color Atlas of Skeletal Landmark Definitions: Guidelines for Reproducible Manual and Virtual Palpations. , Churchill Livingstone. Edinburgh. 29(2007).
  33. Tisserand, R., Robert, T., Dumas, R., Chèze, L. A simplified marker set to define the center of mass for stability analysis in dynamic situations. Gait & Posture. 48, 64-67 (2016).
  34. Langeard, A., et al. Kinematics or kinetics: Optimum measurement of the vertical variations of the center of mass during gait initiation. Sensors. 21 (23), 7954(2021).
  35. Maki, B. E., Mcllroy, W. E. The control of foot placement during compensatory stepping reactions, does speed of response take precedence over stability. IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering. 7 (1), 80-90 (1999).
  36. Lansade, C., et al. Estimation of the body center of mass velocity during gait of people with transfemoral amputation from force plate data integration. Clinical Biomechanics. 88, 105423(2021).
  37. Yiou, E., Do, M. C. In a complex sequential movement, what component of the motor program is improved with intensive practice, sequence timing or ensemble motor learning. Experimental Brain Research. 137 (2), 197-204 (2001).
  38. Le Pellec, A., Maton, B. Anticipatory postural adjustments are associated with single vertical jump and their timing is predictive of jump amplitude. Experimental Brain Research. 129 (4), 0551-0558 (1999).
  39. Diakhaté, D. G., Do, M. C., Le Bozec, S. Effects of seat-thigh contact on kinematics performance in sit-to-stand and trunk flexion tasks. Journal of Biomechanics. 46 (5), 879-882 (2013).
  40. Yiou, E., Caderby, T., Hussein, T. Adaptability of anticipatory postural adjustments associated with voluntary movement. World Journal of Orthopedics. 3 (6), 75(2013).
  41. Memari, S., Do, M. C., Le Bozec, S., Bouisset, S. The consecutive postural adjustments (CPAs) that follow foot placement in single stepping. Neuroscience Letters. 543, 32-36 (2013).
  42. Fourcade, P., Bouisset, S., Le Bozec, S., Memari, S. Consecutive postural adjustments (CPAs): A kinetic analysis of variable velocity during a pointing task. Neurophysiologie Clinique. 48 (6), 387-396 (2018).
  43. Zhou, H., Cen, X., Song, Y., Ugbolue, U. C., Gu, Y. Lower-limb biomechanical characteristics associated with unplanned gait termination under different walking speeds. Journal of Visualized Experiments. (162), e61558(2020).
  44. Vialleron, T., et al. Acute effects of short-term stretching of the triceps surae on ankle mobility and gait initiation in patients with Parkinson's disease. Clinical Biomechanics. 89, 105449(2021).

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

重印与许可

标签

预期性姿势调整重心压力中心平衡控制时间压力帕金森病
利用测力台记录进行步态起始姿势控制的生物力学分析
联系我们
向图书馆推荐

隐私政策

使用条款

政策

版权所有 © 2026 MyJoVE Corporation。保留所有权利。