Name: 使用力平台记录进行生物力学分析的步态起始姿势组织 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-07-26T14:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 21 s
Description: 了解通过力平台记录分析步态起始姿势组织的方法，用于研究预期姿势调整。该技术可精确捕捉生物力学变量，适用于帕金森病早期诊断和运动表现优化。

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作者感谢 ANRT 和 LADAPT 的支持。

作者无竞争利益。

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&#34;全局&#34;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&#34;可信性&#34;。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...

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&#34;高级别步态障碍&#34;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“&#34;预期性姿势调整&#34;（APA）阶段、从摆动相足跟离地到足尖离地之间的“&#34;减载&#34;阶段，以及以摆动足接触支撑面为结束标志的“&#34;摆动&#34;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“&#34;焦点&#34;链，而介于焦点链近端与支撑面之间的身体节段则构成“&#34;姿势&#34;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“&#34;预期性姿势调整&#34;。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”&#34;margin of stability&#34;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 &#34;全球&#34; 方法（也可被归约为一种 &#34;动力学&#34; 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。

<table><tbody><tr><td>测力台</td><td>AMTI</td><td></td><td>一个大型 [120 cm x 60 cm] 或两个小型 [60 cm x 40 cm] 测力台</td></tr><tr><td>Python 或 Matlab</td><td>Python 或 MathWorks</td><td></td><td>用于计算实验变量的编程语言</td></tr><tr><td>Qualisys Track Manager</td><td>Qualisys</td><td></td><td>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</td></tr><tr><td>Visual3D</td><td>C-Motion Inc</td><td></td><td>用于处理生物力学原始信号（低通滤波）的软件</td></tr></tbody></table>

利用测力台记录进行步态起始姿势控制的生物力学分析

Postural Organization of Gait Initiation for Biomechanical Analysis Using Force Platform Recordings

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。

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。
<img alt="运动学图表；分析步态周期动态；加速度和位置的数据图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64088/64088fig02.jpg" data-altupdat...

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。

步态起始（gait initiation, GI）是直立姿势与稳态行走之间的过渡阶段，既是一种功能性任务，也是一种实验范式，其……

该方法可实现获取预期性姿势调整（APA）。APA 反映了中枢神经系统功能，因此可进一步探讨 APA、运动输出简图（MOS）和身体意象（BI）的具体表现形式。该技术的主要优势在于其精确性。此外，该技术具有可适应性，对于存在运动性固视的患者而言，操作过程也相对不那么疲劳。该技术的应用可拓展至所有相关的病理学研究领域。对于帕金森病而言，这一方法尤其具有重要意义，因为它可能有助于发现机械性生物标志物，从而实现更早期的诊断，或检测出亚临床的平衡与步态障碍。该方法适用于某些体育运动，例如起跑，或需要在静止姿势下完成动作的运动，如篮球投篮或棒球投球。我认为，即使从未练习过该方法的人，也可能表现良好。你只需要保持严谨。首先，要求参与者赤脚静止地站在测力平台上，保持自然直立姿势，双臂自然下垂于身体两侧，目光注视前方至少五米远处与眼睛同高的目标点。通过让参与者闭眼保持初始姿势，轻推其背部以诱发前进步态，从而确定其偏好的起始下肢。向参与者说明，他们需要完成的任务是：从站立姿势开始，用偏好的下肢启动行走，沿步道走到尽头，然后安静地返回初始站立姿势。说明步态启动需在两个连续信号之后进行，即准备信号和出发信号。随后解释关于速度和时间压力的指导说明。触发来自测力台的数据采集，并向受试者发出第一个即准备信号。指导受试者保持静止，避免在此第一个信号出现时预判步态启动。确保受试者在视觉上保持不动。通过前后方向或内外侧压力中心位移的实时时间曲线在线检查其静止状态。然后发出第二个或起始信号。改变施加于步态启动的时间压力条件，随后改变步态启动速度的条件。指导受试者在每种实验条件下完成一系列10次连续试验，并在连续的条件之间安排至少两分钟的休息，以避免疲劳效应的影响。在每种条件下，允许参与者在正式记录前先进行两次适应性试验。最后，在参与者离开测力台后停止数据采集。此处展示了步态起始过程中通过测力台获得的生物力学时间曲线图以及选定的时空参数变量。在反应时间条件下，步态迅速启动。此处展示了重心在前后、内外及垂直方向上的加速度和速度。该图还描绘了压力中心在前后和内外方向上的位移。此处展示了在内外侧和前后方向上的预期性姿势调整（APA）起始时间、摆动相足跟离地时间、摆动相足趾离地时间、摆动相足部触地时间以及后足离地时间。该图还描绘了步态起始过程中不同时间变量的代表性数值，如APA时间窗、卸载阶段和摆动阶段的时间窗。此外，还包括不同空间变量的代表性数值，例如足部离地和触地时重心前后方向速度。此处展示了最大预期压力中心位移、步长、步宽、重心向下运动的峰值速度以及摆动足触地时刻的垂直重心速度。最关键的部分在于确保受试者明显保持静止不动，以获得良好的基线数据。此外，受试者在正式记录前还需完成两次练习，这一点同样重要。这将使我们在实验过程中获得更理想的结果。因此，可以在稳态工作期间使用运动学方法添加数据。我认为该技术可能会引起一些研究人员的兴趣，并启发他们思考如何在工程到临床复制等不同领域中应用这一技术。

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