Summary
Dieser Artikel beschreibt das Material und die Methode, die entwickelt wurden, um die posturale Organisation der Ganginitiation zu untersuchen. Das Verfahren basiert auf Kraftplattformaufzeichnungen und auf dem direkten Prinzip der Mechanik zur Berechnung der Schwerpunkt- und Druckschwerpunktkinematik.
Abstract
Die Ganginitiation (GI), die transiente Phase zwischen orthograder Haltung und stationärer Fortbewegung, ist eine funktionelle Aufgabe und ein experimentelles Paradigma, das in der Literatur klassischerweise verwendet wird, um Einblicke in die grundlegenden Haltungsmechanismen zu erhalten, die der Körperbewegung und der Gleichgewichtskontrolle zugrunde liegen. Die Untersuchung des GI hat auch zu einem besseren Verständnis der Physiopathologie von Haltungsstörungen bei älteren und neurologischen Teilnehmern (z. B. Patienten mit Parkinson-Krankheit) beigetragen. Als solches wird anerkannt, dass es wichtige klinische Auswirkungen hat, insbesondere in Bezug auf die Sturzprävention.
Dieses Papier zielt darauf ab, Wissenschaftlern, Klinikern und Hochschulstudenten Informationen über das Material und die Methode zur Verfügung zu stellen, die entwickelt wurden, um die GI-Haltungsorganisation über einen biomechanischen Ansatz zu untersuchen. Die Methode basiert auf Kraftplattformaufzeichnungen und dem direkten Prinzip der Mechanik, um die Kinematik des Schwerpunkts und des Druckschwerpunkts zu berechnen. Die Interaktion zwischen diesen beiden virtuellen Punkten ist ein Schlüsselelement dieser Methode, da sie die Bedingungen der Stabilität und des Ganzkörperverlaufs bestimmt. Das Protokoll sieht vor, dass der Teilnehmer zunächst unbeweglich in aufrechter Haltung steht und bis zum Ende einer mindestens 5 m langen Strecke zu laufen beginnt.
Es wird empfohlen, die GI-Geschwindigkeit (langsam, spontan, schnell) und das Niveau des zeitlichen Drucks zu variieren - der Gang kann so schnell wie möglich nach der Abgabe eines Abfahrtssignals (hoher Zeitdruck) oder wenn sich der Teilnehmer bereit fühlt (niedriger Zeitdruck) eingeleitet werden. Biomechanische Parameter, die mit dieser Methode erhalten werden (z. B. Dauer und Amplitude antizipatorischer Haltungsanpassungen, Schrittlänge/-breite, Leistung und Stabilität), werden definiert und ihre Berechnungsmethode detailliert beschrieben. Darüber hinaus werden typische Werte angegeben, die bei gesunden jungen Erwachsenen erhalten werden. Abschließend werden kritische Schritte, Einschränkungen und Bedeutung der Methode in Bezug auf die alternative Methode (Motion-Capture-System) diskutiert.
Introduction
Die Ganginitiation (GI), die transiente Phase zwischen orthograder Haltung und stationärer Fortbewegung, ist eine funktionelle Aufgabe und ein experimentelles Paradigma, das in der Literatur klassischerweise verwendet wird, um die posturale Kontrolle während einer komplexen motorischen Aufgabe zu untersuchen, die gleichzeitigen Ganzkörperantrieb und Stabilität erfordert1. Es ist bekannt, dass Patienten mit neurologischen Erkrankungen wie Parkinson-Krankheit2, Schlaganfall3, progressiver supranukleärer Lähmung4 und "höheren Gangstörungen"5 Schwierigkeiten haben, den Gang einzuleiten, was sie einem erhöhten Sturzrisiko aussetzt. Daher ist es sowohl für die Grundlagen- als auch für die klinischen Wissenschaften wichtig, Konzepte und Methoden zu entwickeln, um Einblicke in die posturalen Steuerungsmechanismen während der Gangeinleitung zu gewinnen, wissenschaftliche Erkenntnisse und ein besseres Verständnis der Pathophysiologie von Gang- und Gleichgewichtsstörungen zu gewinnen und durch adäquate Eingriffe beheben zu können.
Das Konzept der biomechanischen Organisation der Ganginitiierung wird im Folgenden beschrieben, und die klassische Methode zur Untersuchung dieser Organisation wird im Protokollabschnitt detailliert beschrieben. Der GI kann in drei aufeinanderfolgende Phasen unterteilt werden: die Phase der "antizipatorischen Haltungsanpassungen" (APA), die den dynamischen Phänomenen entspricht, die im ganzen Körper vor dem Abschwung auftreten, die Phase des "Entladens" (zwischen Schwungferse und Zehenaus) und die "Schwungphase", die zum Zeitpunkt der Berührung des Schwingfußes mit der Auflagefläche endet. Diese klassische Unterteilung des GI-Prozesses stammt aus den bahnbrechenden Studien von Belenkii et al.6 und anderen7,8, die sich auf die Koordination zwischen Haltung und Bewegung während des freiwilligen Armhebens in horizontaler in der aufrechten Haltung konzentrieren. In diesem Paradigma entsprechen die Körpersegmente, die direkt an der Armhebung beteiligt sind, der "fokalen" Kette, während die Körpersegmente, die zwischen dem proximalen Teil der Fokalkette und der Auflagefläche angeordnet sind, der "posturalen" Kette9 entsprechen. Diese Autoren berichteten, dass dem Anheben des Arms systematisch dynamische und elektromyographische Phänomene in der Haltungskette vorausgingen, die sie als "antizipatorische Haltungsanpassungen" bezeichneten. Für GI wird Swing Fersen-off (oder Swing Toe-Off, abhängig von den Autoren) als Beginn der Gangbewegung10 betrachtet. Folglich entsprechen die dynamischen Phänomene, die vor diesem Moment auftreten, APA, und das Schwingglied wird als Bestandteil der Brennweite11 betrachtet. Diese Aussage stimmt mit der klassischen Konzeption der bewegungsbiomechanischen Organisation überein, nach der jede motorische Handlung eine fokale und eine posturale Komponente beinhalten muss12,13.
Aus biomechanischer Sicht manifestiert sich APA im Zusammenhang mit GI als rückwärts und mediolaterale (Schwingbein seitenorientierte) Verschiebung des Druckzentrums, die den Schwerpunkt in die entgegengesetzte Richtung treibt - vorwärts und in Richtung der Haltung Beinseite. Je größer der vorausschauende Rückwärtsdruckschwerpunkt ist, desto höher ist die Motorleistung in Bezug auf die Vorwärtsschwerpunktgeschwindigkeit bei Fußkontakt10,14. Darüber hinaus trägt APA durch die Verschiebung des Schwerpunkts in Richtung der Stützbeinseite zur Aufrechterhaltung der mediolateralen Stabilität während der Schwungphase von GI 1,15,16,17 bei. Die aktuelle Literatur betont, dass eine Veränderung dieser vorausschauenden Kontrolle der Stabilität eine Hauptursache für Stürze bei älteren Menschen ist1. Die Stabilität während des GI wurde in der Literatur mit einer Anpassung der "Stabilitätsmarge"18 quantifiziert, einer Größe, die sowohl die Geschwindigkeit als auch die Position des Schwerpunkts innerhalb der Stützbasis berücksichtigt. Neben der Entwicklung von APA wurde berichtet, dass der Abfall des Schwerpunkts während der Schwungphase des GI unter der Wirkung der Schwerkraft aktiv durch die Trizepssuren des Standbeins gebremst wird. Diese aktive Bremsung erleichtert die Aufrechterhaltung der Stabilität nach Fußkontakt und ermöglicht eine sanfte Fußlandung auf der Auflagefläche4.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, Wissenschaftlern, Klinikern und Hochschulstudenten Informationen über das Material und die Methode zur Verfügung zu stellen, die in unserem Labor entwickelt wurden, um die posturale Organisation des GI über einen biomechanischen Ansatz zu untersuchen. Diese "globale" Methode (die aus den unten beschriebenen Gründen auch einer "kinetischen" Methode gleichgestellt werden kann) wurde von Brenière und Mitarbeiterninitiiert 10,19. Es basiert auf dem direkten Prinzip der Mechanik, um sowohl die Beschleunigung des Schwerpunkts als auch die momentane Position des Druckschwerpunkts zu berechnen. Jeder dieser Punkte ist ein globaler Ausdruck, der spezifisch für die Bewegung ist.
Eine ist der augenblickliche Ausdruck der Bewegungen aller Körpersegmente, die sich auf den Zweck der Bewegung beziehen (der Schwerpunkt; z. B. die Progressionsgeschwindigkeit des Körpers während des GI); Das andere (das Druckzentrum) ist der Ausdruck der Unterstützungsbedingungen, die notwendig sind, um dieses Ziel zu erreichen. Die momentanen Positionen dieser beiden Punkte spiegeln die posturodynamischen Bedingungen wider, die für die Ganginitiierung erfüllt werden müssen. Die Kraftplattform ist das geeignete Instrument für dieses Modell, da sie die direkte Messung der äußeren Kräfte und Momente ermöglicht, die während der Bewegung auf die Auflagefläche wirken. Es ermöglicht auch die Ausführung natürlicher Bewegungen und erfordert keine besondere Vorbereitung.
Es ist bekannt, dass viele Faktoren die posturale Organisation des GI beeinflussen, einschließlich biomechanischer, (neuro)physiologischer, psychologischer, umweltbedingter und kognitiver Faktoren 1,20. Dieser Artikel konzentriert sich auf den Einfluss von zwei Faktoren - Geschwindigkeit des GI und Zeitdruck - und liefert typische Werte, die bei gesunden jungen Erwachsenen erhalten wurden.
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Protocol
Das unten beschriebene Protokoll folgt der Richtlinie der Ethikkommission für Humanforschung der Université Paris-Saclay. Die Teilnehmer stimmten zu und unterschrieben eine Einverständniserklärung.
1. Teilnehmer
- Schließen Sie mindestens 15 gesunde junge Erwachsene in das Experiment ein (im Alter von 20 bis 40 Jahren).
HINWEIS: Diese empfohlene Anzahl von Probanden entspricht dem, was in der Literatur über GI klassisch betrachtet wird. - Schließen Sie Teilnehmer mit Gehhilfen, Seh-, Hör- oder orthopädischen Problemen, identifizierten neurologischen Störungen, Demenz, kognitiven Beeinträchtigungen (dh einer Punktzahl < 25 bei der Mini-Mental-State-Prüfung) und einer Krankengeschichte von Stürzen aus.
- Bitten Sie die Teilnehmer um eine schriftliche Zustimmung, nachdem Sie sie über Art und Zweck des Experiments informiert haben.
- Stellen Sie sicher, dass das Experiment den in der Deklaration von Helsinki festgelegten Standards entspricht.
2. Laborvorbereitung
- Stellen Sie sicher, dass die Kraftplattform lang genug ist, damit am Ende des ersten Schritts der gesamte Schwingfuß darauf landet. Wenn dies nicht der Fall ist, verwenden Sie zwei Plattformen mit geringer Distanzkraft, wobei die Teilnehmer in der Anfangshaltung auf der ersten stehen und ihren Schwingfuß auf der zweiten vor den ersten21 platzieren. Stellen Sie in beiden Fällen sicher, dass die Kraftplattform(en) in eine mindestens 5 m lange Spur eingebettet ist/sind, um sicherzustellen, dass ein stationäres Gehen erreicht wird.
HINWEIS: Eine Kraftplattform, die die 3D-Momente und Kräfte registriert, ist notwendig, um den gesamten Satz experimenteller Variablen zu berechnen (siehe Abschnitt 5).- Befestigen Sie als Sicherheitsmaßnahme einen Gurt an der Decke und zentrieren Sie ihn an der großen Axt der Kraftplattform, falls das Experiment gebrechliche Patienten (z. B. neurologische Patienten) umfasst.
- Kalibrieren Sie die Kraftplattform(en). Klicken Sie auf die Auto-Null-Schaltfläche .
- Importieren der Journale
- Öffnen Sie den Qualisys Track Manager.
- Wählen und öffnen Sie den Ordner "Projekt".
- Erstellen Sie einen Patientenordner.
- Klicken Sie auf Hinzufügen und wählen Sie dann Patienten aus.
- Geben Sie bei Bedarf Beschriftungen ein: Patienten-ID, Vorname, Nachname, Geburtsdatum, Geschlecht und Kommentar.
- Klicken Sie auf Hinzufügen und wählen Sie dann Gangsitzung aus.
- Geben Sie Beschriftungen ein: Fall-ID, Testoperator, Kommentare bei Bedarf, Diagnose, Sekundärdiagnose, Betroffene Seite, Klassifizierung der grobmotorischen Funktionen, Skala für funktionelle Mobilität, Größe, Gewicht, Beinlänge links, Beinlänge rechts, Knieweite links, Kniebreite rechts, Knöchelbreite links, Knöchelbreite rechts, Sohlendelta links, Sohlendelta rechts, Schulterversatz links, Schulter versetzt rechts, Ellenbogenbreite links, Ellbogenbreite rechts, Handgelenkbreite links, Handgelenkbreite rechts, Handdicke links, Handdicke rechts und Markerdurchmesser.
- Klicken Sie auf Hinzufügen und wählen Sie dann Markerlose Sitzung aus.
- Geben Sie Beschriftungen ein: Testbedingung, Prothesis_Orthosis, Externe Hilfe, Außenhilfeseite, Persönliche Hilfe, Persönliche Hilfeseite, Kommentare bei Bedarf, Testbediener und Ereignismodus (wählen Sie mehrere Druckmessplatten).
- Überprüfen Sie Force plate auto-zero.
- Wählen Sie Extras aus.
- Klicken Sie auf Kraftmessplatten.
- Klicken Sie im Beschriftungsfeld "Druckmessplatte Auto-Null" auf Bei Vorschaustart.
- Stellen Sie sicher, dass die Basissignale von der Kraftplattform (Kräfte und Momente) bei Null liegen, wenn sie ungeladen ist.
- Klicken Sie auf Neu oder verwenden Sie die Tastenkombination Strg+N.
- Klicken Sie auf Dateninfo Fenster 1 oder verwenden Sie die Tastenkombination Strg+D.
- Klicken Sie auf Kraftdaten anzeigen oder verwenden Sie die Tastenkombination Strg+D.
- Klicken Sie auf Kraft und wählen Sie Plot.
3. Versuchsablauf
- Bitten Sie die Teilnehmer, barfuß und unbeweglich auf einer Kraftplattform in ihrer natürlichen aufrechten Haltung zu stehen, wobei die Arme locker an ihren Seiten hängen und ihr Blick auf ein Ziel in Augenhöhe in mindestens 5 m Entfernung gerichtet ist (Abbildung 1).
HINWEIS: Beschreiben Sie die Position der Füße auf der Kraftplattform in der Anfangshaltung (z. B. mit Kreide). Überprüfen Sie sorgfältig, ob die Teilnehmer ihre Füße nach jedem Versuch auf diesen Markierungen neu positionieren. Dieser Punkt ist wichtig, da die anfängliche Fußposition die APA-Merkmale des GI beeinflusst. - Bestimmen Sie das bevorzugte Startbein der Teilnehmer, indem Sie in der Anfangshaltung mit geschlossenen Augen leicht gegen den Rücken der Teilnehmer drücken, um einen Schritt nach vorne zu provozieren.
- Erklären Sie den Teilnehmern, dass die Aufgabe, die sie ausführen müssen, darin besteht, den Gang aus der stehenden Haltung mit dem bevorzugten Bein einzuleiten, bis zum Ende der Spur weiterzugehen und dann ruhig in die ursprüngliche stehende Haltung zurückzukehren.
HINWEIS: Wenn während des Experiments der Gang nicht mit dem identifizierten bevorzugten Bein in einer bestimmten Studie eingeleitet wird, wiederholen Sie den Versuch. - Erklären Sie, dass der Gang nach zwei aufeinanderfolgenden Signalen (akustisch, visuell oder taktil) eingeleitet werden soll: einem vorbereitenden Signal und einem Abfahrtssignal (siehe Schritte 3.6 und 3.7).
- Erläutern Sie die Anweisungen zu Geschwindigkeit und zeitlichem Druck (siehe Schritte 3.8-3.10).
- Geben Sie den Teilnehmern das erste (vorbereitende) Signal. Weisen Sie sie an, unbeweglich zu stehen und den GI bei diesem ersten Signal nicht zu antizipieren.
- Geben Sie das zweite (Abfahrts-) Signal nach einer zufälligen Verzögerung von 2-5 s nach dem vorbereitenden Signal ab.
- Stellen Sie sicher, dass die Teilnehmer visuell unbeweglich sind, bevor Sie dieses zweite Signal übermitteln. Überprüfen Sie die Immobilität online mit den Zeitdiagrammen des anteroposterioren oder mediolateralen Druckmittelpunkts
HINWEIS: Wenn sie nicht unbeweglich sind, kann die Erkennung des APA-Beginns (Schritt 5.1.1) schwierig sein.
- Stellen Sie sicher, dass die Teilnehmer visuell unbeweglich sind, bevor Sie dieses zweite Signal übermitteln. Überprüfen Sie die Immobilität online mit den Zeitdiagrammen des anteroposterioren oder mediolateralen Druckmittelpunkts
- Weisen Sie die Teilnehmer an, entweder den Gang i) so schnell wie möglich (d.h. in einer Reaktionszeitbedingung) oder ii) erst dann einzuleiten, wenn sie sich nach dem Abflugsignal bereit fühlen (d.h. in einem selbst initiierten Zustand).
- Variieren Sie die Bedingungen des "zeitlichen Drucks", der dem GI auferlegt wird (d. h. niedriger zeitlicher Druck (selbstinitiierter Zustand) und hoher zeitlicher Druck (Reaktionszeitbedingung)).
- Variieren Sie die Bedingungen der GI-Geschwindigkeit (langsame, spontane, schnelle Bedingungen).
- Um die Anzahl der experimentellen Bedingungen zu begrenzen und somit Ermüdung zu vermeiden, weisen Sie die Teilnehmer an, nur zwei Bedingungen der GI-Geschwindigkeit (z. B. langsam und schnell) unter einer niedrigen oder hohen Zeitdruckbedingung oder umgekehrt (dh GI mit einer langsamen oder schnellen Geschwindigkeit unter einer hohen und einer niedrigen Zeitdruckbedingung) durchzuführen.
HINWEIS: Wiederholen Sie die Anweisungen zum zeitlichen Druck und zur GI-Geschwindigkeit häufig.
- Um die Anzahl der experimentellen Bedingungen zu begrenzen und somit Ermüdung zu vermeiden, weisen Sie die Teilnehmer an, nur zwei Bedingungen der GI-Geschwindigkeit (z. B. langsam und schnell) unter einer niedrigen oder hohen Zeitdruckbedingung oder umgekehrt (dh GI mit einer langsamen oder schnellen Geschwindigkeit unter einer hohen und einer niedrigen Zeitdruckbedingung) durchzuführen.
- Weisen Sie die Teilnehmer an, eine Reihe von 10 aufeinanderfolgenden Studien in jedem experimentellen Zustand durchzuführen.
HINWEIS: Eine Reihe von fünf Studien ist für ältere Probanden oder Patienten mit Parkinson-Krankheit ausreichend22.- Randomisieren Sie die Bedingungen der GI-Geschwindigkeit und des zeitlichen Drucks bei den Teilnehmern, um Ordnungseffekte zu vermeiden.
- Legen Sie eine Pause von mindestens 2 Minuten zwischen aufeinanderfolgenden Bedingungen auf, um die Auswirkungen von Ermüdung zu vermeiden.
- Lassen Sie die Teilnehmer in jeder Bedingung zwei Eingewöhnungsversuche vor den Aufnahmen durchführen.
- Lösen Sie die Datenerfassung von der Kraftplattform einige Sekunden vor Beginn des vorbereitenden Signals aus und stoppen Sie, sobald der Teilnehmer die Kraftplattform verlassen hat.
Abbildung 1: Versuchsaufbau. Die Teilnehmer stehen zunächst auf einer Kraftplattform (1), eingebettet in eine mindestens 5 m lange Bahn (2), wobei der Blick auf Augenhöhe auf ein Ziel gerichtet ist (3). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
4. Verarbeitung von Kraftplattformkinetikaufzeichnungen
- Filtern Sie Daten von der Kraftplattform mithilfe einer verzögerungsfreien Tiefpass-Butterworth-Bestellung mit einer Grenzfrequenz von 15 Hz.
- Importieren Sie die Datei.
- Öffnen Sie Visual3D.
- Wählen und öffnen Sie die Datei "Projekt".
- Verarbeitung
- Klicken Sie auf Pipeline oder verwenden Sie die Tastenkombination F11.
- Wählen Sie Signalfilter.
- Wählen Sie Lowpass_Filter.
- Klicken Sie auf Ausführen.
- Sammeln Sie Daten von der Kraftplattform mit einer Rate von 100 Hz.
- Klicken Sie auf Pipeline oder verwenden Sie die Tastenkombination F11.
- Wählen Sie Datei speichern/exportieren.
- Wählen Sie Export_Data_To_Acsii_File.
- Klicken Sie auf Bearbeiten.
- Geben Sie 100 in die Bezeichnung Anzahl der Punkte für die Normalisierung ein.
- Klicken Sie auf Ausführen.
- Berechnen Sie die Zeitdiagramme der momentanen Schwerpunktbeschleunigungen entlang der anteroposterioren (x''G), mediolateralen (y''G) und vertikalen (z''G) Richtungen aus den 3D-Bodenreaktionskräften, die mit der Kraftplattform erhalten wurden (siehe ergänzende Abbildung S1) unter Verwendung von Newtons zweitem Gesetz10,23.
ANMERKUNG: Nach Newtons zweitem Gesetz ist die Summe der äußeren Kräfte, die auf ein System ausgeübt werden, gleich der Masse dieses Systems (m) multipliziert mit der Beschleunigung seines Schwerpunkts. Mit dem in dieser Studie beschriebenen GI-Protokoll sind die einzigen äußeren Kräfte, die auf die Teilnehmer angewendet werden, Körpergewicht (BW) und Bodenreaktionskräfte (Beleg). Die Gleichungen (1), (2) und (3) können geschrieben werden:
x''G = Rx / m (1)
y''G = Ry / m (2)
z"G = (Rz - BW) / m (3)
Dabei sind Rx, Ry, Rz die momentanen anteroposterioren, mediolateralen und vertikalen Komponenten der Vektor-Bodenreaktionskraft. Typische Diagramme von x''G, y''G und z''G sind in Abbildung 2 dargestellt. - Berechnen Sie die 3D-Zeitdiagramme der Schwerpunktgeschwindigkeit mittels einer einfachen numerischen Integration der 3D-Schwerpunktbeschleunigungszeitdiagramme unter Verwendung von Integrationskonstanten gleich Null (dh 3D-Anfangsschwerpunktgeschwindigkeit als Null10). In Abbildung 2 finden Sie typische Zeitdiagramme der anteroposterioren, mediolateralen und vertikalen Geschwindigkeit des Schwerpunkts (x'G, y'G bzw. z'G).
- Führen Sie eine zusätzliche Integration des y'G-Zeitdiagramms durch, um die Verschiebung des Schwerpunkts entlang der mediolateralen Richtung zu erhalten. Verwenden Sie diese Größe, um die "Stabilitätsmarge" zu berechnen (siehe Schritt 5.3.5.2).
- Berechnen Sie die mediolaterale (yP) und anteroposteriore (xP) Verschiebung des Druckschwerpunkts aus Kraftplattformdaten unter Verwendung der Gleichungen (4) und (5):
(4)
(5)
wobei Mx und My die momentanen Momente um die anteroposteriore bzw. mediolaterale Richtung sind; Rx, Ry und Rz sind die momentanen anteroposterioren, mediolateralen bzw. vertikalen Bodenreaktionskräfte; und dz ist der Abstand zwischen der Oberfläche der Kraftplattform und ihrem Ursprung (vom Hersteller angegeben). Typische Zeitdiagramme von xP und yP sind in Abbildung 2 dargestellt (siehe auch Ergänzende Abbildung S2).
(4)
(5)5. Experimentelle Variablen
ANMERKUNG: Jede unten beschriebene experimentelle Variable muss aus den für jeden Versuch erhaltenen Versuchszeitdiagrammen extrahiert werden.
- Erkennung der zeitlichen Ereignisse der Gangeinleitung
- Beginn der APA
- Zeigen Sie die Zeitdiagramme des Druckschwerpunkts entlang der mediolateralen und anteroposterioren Richtung an.
- Berechnen Sie den Mittelwert des mediolateralen und anteroposterioren Druckmittelpunkt-Zeitdiagramms während des Zeitfensters von 250 ms vor dem zweiten Signal, das an die Teilnehmer geliefert wird.
HINWEIS: Diese Werte entsprechen den "Basiswerten" dieser Zeitdiagramme. - Erkennen Sie die Momente nach dem zweiten Signal, wenn die mediolaterale und das anteroposteriore Zentrum der Druckverschiebungsspur mindestens 50 ms lang 2,5 Standardabweichungen vom Ausgangswert abweichen.
HINWEIS: Diese beiden Momente entsprechen dem Beginn der APA entlang der mediolateralen und anteroposterioren Richtung (t0ML bzw. t0AP; Abbildung 2). Diese beiden Momente können auch als die Momente identifiziert werden, in denen die Zeitdiagramme der mediolateralen und anteroposterioren Schwerpunktbeschleunigung 10% ihres jeweiligen Spitzenwerts erreichen. - Stellen Sie sicher, dass der Beginn der APA in der Reaktionszeit zwischen 150 ms und 300 ms nach dem zweiten (Go) Signal liegt. Wenn nicht, wiederholen Sie den Versuch und die Anweisungen zum zeitlichen Druck.
HINWEIS: Wenn es weniger als 150 ms ist, haben die Teilnehmer damit gerechnet. Wenn es größer als 300 ms ist, waren die Teilnehmer nicht auf die Aufgabe konzentriert. - Stellen Sie sicher, dass im selbstinitiierten Zustand der Beginn der APA größer als 300 ms ist. Wenn dies nicht der Fall ist, wiederholen Sie den Versuch und die Anweisungen zum zeitlichen Druck, da die Teilnehmer möglicherweise den Gang in einer Reaktionszeitbedingung eingeleitet haben.
- Swing Fersen-Off-Zeit
- Zeigen Sie die Zeitdiagramme der vertikalen Schwerpunktgeschwindigkeit und des anteroposterioren Druckschwerpunkts an.
- Identifizieren Sie den Moment, in dem die Spur der vertikalen Schwerpunktgeschwindigkeit nach APA-Beginn zum ersten Mal nach unten abfällt, als Swing Fersen-Off-Zeit24 (Abbildung 2). Alternativ können Sie den Zeitpunkt identifizieren, in dem das Zeitdiagramm des anteroposterioren Druckmittelpunkts einen schnellen Abfall in Richtung der Basislinie zeigt (dh in Richtung der Zehen; Abbildung 2) Oder platzieren Sie einen Fußschalter (ein kostengünstiges Werkzeug) an der Schwingferse.
- Swing Toe-Off-Zeit
- Zeigen Sie die Zeitdiagramme des mediolateralen und anteroposterioren Druckschwerpunkts und der anteroposterioren Geschwindigkeit des Schwerpunkts an.
- Identifizieren Sie den Moment, in dem das Zeitdiagramm des mediolateralen Mittelpunkts der Druckverschiebung ein erstes (quasi) Plateau erreicht, das auf die Fußseite gerichtet ist, als Swing-Toe-Off-Zeit (Abbildung 2). Alternativ können Sie den unmittelbar folgenden Swing Fersen-Off identifizieren, wenn das Zeitdiagramm des anteroposterioren Druckmittelpunkts 90% des maximalen Rückwärtswerts erreicht, oder einen Fußschalter an der Swing-Zehe platzieren.
- Kontaktzeit des Schwingfußes
- Zeigen Sie die Zeitdiagramme des anteroposterioren Druckmittelpunkts an.
- Identifizieren Sie den Moment, in dem das anteroposteriore Druckzentrum abrupt nach vorne verschoben wird (Abbildung 2), als Kontaktzeit des Schwingfußes. Wenn dieses Zeitdiagramm abgeleitet wird, identifizieren Sie die Schwingfußkontaktzeit als den Moment, in dem dieses abgeleitete Zeitdiagramm gegenüber seinem Basislinienwert stark ansteigt. Alternativ können Sie einen Fußschalter an der Schwingferse platzieren, um diesen Moment zu erkennen.
HINWEIS: Hier kann eine ähnliche Methode wie die zuvor beschriebene für die APA-Erkennung verwendet werden (basierend auf der Berechnung eines mittleren Ausgangswerts; Schritt 5.1.1.2).
- Hintere Fußabstiegszeit
- Zeigen Sie das Zeitdiagramm des mediolateralen Mittelpunkts der Druckverschiebung an.
- Identifizieren Sie den Moment, in dem das Zeitdiagramm des mediolateralen Druckschwerpunkts ein zweites (quasi) Plateau erreicht, das als erstes in die entgegengesetzte Richtung gerichtet ist (Schritt 5.1.3.2; Abbildung 2), die hintere Fußabstiegszeit25. Alternativ können Sie einen Fußschalter an der Rückseite platzieren, um diesen Moment zu erkennen.
- Beginn der APA
- Berechnung zeitlicher Variablen
- Berechnen Sie die Verzögerung zwischen dem Beginn von APA (t0ML und t0AP) und der Swing Fersen-Off-Zeit (tHO) sowohl für die mediolaterale als auch für die anteroposteriore Richtung, die der Dauer der APA entlang der mediolateralen (dAPAML) und anteroposterioren Richtung (dAPAAP) entsprechen. Siehe Gleichungen (6) und (7).
dAPAML = tHO - t0ML (6)
dAPAAP = tHO - t0AP (7) - Berechnen Sie die Verzögerung zwischen der Swing-Toe-Off-Zeit (tTO) und der Swing-Fersen-Off-Zeit (tHO), die der Dauer der "Entladephase" (UNLd; Abbildung 2) unter Verwendung von Gleichung (8).
UNLd = tTO - tHO (8) - Berechnen Sie die Verzögerung zwischen der Swing-Toe-Off-Zeit (tTO) und dem Swing-Fußkontakt (tFC), die der "Swing-Phase"-Dauer (SWINGd; Abbildung 2) unter Verwendung von Gleichung (9).
SWINGd = tFC - tTO (9)
- Berechnen Sie die Verzögerung zwischen dem Beginn von APA (t0ML und t0AP) und der Swing Fersen-Off-Zeit (tHO) sowohl für die mediolaterale als auch für die anteroposteriore Richtung, die der Dauer der APA entlang der mediolateralen (dAPAML) und anteroposterioren Richtung (dAPAAP) entsprechen. Siehe Gleichungen (6) und (7).
- Berechnung räumlicher Variablen
- Ausgangslage des Druckschwerpunkts
- Zeigen Sie die Zeitdiagramme des Druckschwerpunkts entlang der mediolateralen und anteroposterioren Richtung an.
- Berechnen Sie die Mittelwerte des mediolateralen (yP0) und anteroposterioren (xP0) Mittelpunkts der Druckpositionen während des Zeitfensters von 250 ms vor dem zweiten (Abflug-) Signal, das an die Teilnehmer geliefert wird, die repräsentativ für das Zentrum der Druckposition in der Anfangshaltung (oder "Baseline" -Wert) sind.
ANMERKUNG: Die oben beschriebenen räumlich-zeitlichen Merkmale von APA sind empfindlich gegenüber der Position des Druckschwerpunkts in der Anfangshaltung26. Daher ist es wichtig zu überprüfen, dass jede Veränderung der APA-Merkmale zwischen experimentellen Bedingungen (z. B. ein Zustand mit einem zu klärenden Hindernis vs. einem Zustand ohne zu beseitigendes Hindernis) oder zwischen experimentellen Populationen (z. B. gesunde Teilnehmer vs. neurologische Teilnehmer) nicht auf eine "einfache" Änderung des Druckzentrums in der Ausgangshaltung zurückzuführen ist. sondern auf den untersuchten Faktor.
- Amplitude von APA
- Zeigen Sie die Zeitdiagramme des Druckschwerpunkts und der Schwerpunktgeschwindigkeit entlang der mediolateralen und anteroposterioren Richtung an.
- Erkennen Sie den Moment, in dem jedes dieser vier Zeitdiagramme während des APA-Zeitfensters einen Maximalwert erreicht (Abbildung 2).
- Subtrahieren Sie den in Schritt 5.3.1.2 berechneten mittleren Druckmittelpunkt-Basiswert (d. h. die xP0- und yP0-Werte) vom maximalen Druckmittelpunktwert, der während des APA-Zeitfensters ermittelt wurde (für jede Richtung; d. h. berechnen Sie mit den Gleichungen (10) und (11)).
xPAPA = xPMAX - xP0 (10)
yPAPA = yPMAX - yP0 (11)
wobei xPAPA und yPAPA die Amplitude von APA (Druckzentrum) entlang der anteroposterioren bzw. mediolateralen Richtung sind; xPMAX und yPMAX sind das maximale antizipatorische Zentrum der Druckverschiebung entlang der anteroposterioren bzw. mediolateralen Richtung.
HINWEIS: Für die Schwerpunktgeschwindigkeit ist keine solche Basissubtraktion erforderlich, da davon ausgegangen wird, dass die Teilnehmer zunächst unbeweglich sind (der anfängliche Schwerpunkt ist daher null; siehe Schritt 4.4). Die vier erhaltenen Werte sind repräsentativ für die Amplitude von APA (zwei Werte pro Richtung).
- Schrittlänge und Schrittbreite
- Zeigen Sie das Zeitdiagramm des Mittelpunkts der Druckverschiebung entlang der anteroposterioren Richtung an.
- Erkennen Sie die rückwärtsste Position des Mittelpunkts der Druckposition, xPBACK.
- Erkennen Sie den Mittelpunkt der Druckstellung zum Zeitpunkt des hinteren Fußabgangs, xPRFO (Abbildung 2 und Schritt 5.1.5).
- Berechnen Sie die räumliche Differenz zwischen diesen beiden Größen, die der Schrittlänge L41 entspricht, mit Gleichung (12).
L = xPBACK - Xprfo (12) - Zeigen Sie das Zeitdiagramm des Mittelpunkts der Druckverschiebung entlang der mediolateralen Richtung an.
- Ermitteln Sie die lateralste Position des mediolateralen Mittelpunkts der Druckposition, die während des ersten Plateaus des Zeitdiagramms erhalten wurde, yPSTANCE ("Haltung", da sich der Druckschwerpunkt zu diesem Zeitpunkt unter dem Standfuß befindet; siehe Abbildung 2).
- Erkennen Sie den seitlichen Mittelpunkt der Druckposition zur hinteren Abgangszeit, yPRFO (Abbildung 2 und Schritt 5.1.5).
- Berechnen Sie die räumliche Differenz zwischen diesen beiden Größen, die der Schrittbreite W25 entspricht, mit Gleichung (13).
W = yPSTANCE - yPRFO (13)
- Durchführung der Ganginitiierung
- Zeigen Sie das Zeitdiagramm der Schwerpunktgeschwindigkeit entlang der anteroposterioren Richtung an (Abbildung 2).
- Erkennen Sie den Moment, in dem die Teilnehmer mit dem Schwingfuß auf die Kraftplattform schlagen (Schritt 5.1.4, Abbildung 2), und notieren Sie die Geschwindigkeit des Schwerpunkts in diesem Moment als Kriterium für die GI-Leistung.
HINWEIS: Der Spitzenwert dieses Zeitdiagramms, der einige Millisekunden nach dem Schwingfußkontakt erreicht wird, kann ebenfalls als Kriterium für die GI-Leistung betrachtet werden. Schrittlänge und Schwungphasendauer können ebenfalls als Kriterien für die GI-Leistung betrachtet werden. Je länger bzw. je kürzer diese Mengen sind, desto besser ist die Leistung.
- Parameter der Stabilitätskontrolle
- Zeigen Sie für den Bremsindex das Zeitdiagramm der Schwerpunktgeschwindigkeit entlang der vertikalen Richtung an. Erkennen Sie die maximale Niedrigkonzentrationsgeschwindigkeit des Zeitdiagramms (z'GMIN) und die Schwerpunktgeschwindigkeit zur Kontaktzeit des Schwingfußes (z'GFC, Abbildung 2). Berechnen Sie die Differenz zwischen diesen beiden Größen, die als "Bremsindex" (BI) bezeichnet werden, als Indikator für die Stabilitätskontrolle unter Verwendung von Gleichung (14).
BI =
(14)
HINWEIS: Die BI wurde von Do und Kollegen eingeführt und liefert Hinweise darauf, dass das zentrale Nervensystem den Schwingfußschlag mit der Stützfläche antizipiert, indem es die vertikale Schwerpunktgeschwindigkeit während der Schwungphase der Ganginitiationverringert 4,5,27. Diese aktive Bremsung erleichtert die Aufrechterhaltung der Stabilität nach dem Fußaufprall. Je größer die BI, desto besser die Stabilitätskontrolle. - Für den Stabilitätsrand zeigen Sie die Zeitdiagramme des Schwerpunkts Geschwindigkeit und Verschiebung entlang der mediolateralen Richtung an. Erfassen Sie die Geschwindigkeit (y'GFC) und die Verschiebung des Schwerpunkts (yGFC) bei der Kontaktzeit des Schwingfußes (Abbildung 2). Berechnen Sie die mediolaterale Komponente der Stabilitätsmarge (MOS) bei Fußkontakt unter Verwendung von Gleichung (15).
(15)
Dabei ist BOSmax die mediolaterale Grenze der Stützbasis (BOS) und ω0 die Eigenfrequenz des Körpers, modelliert als umgekehrtes Pendel. Während der GI landen die Teilnehmer systematisch zuerst mit der Swing-Ferse, dann mit dem Zeh auf der Kraftplattform. Bei einer solchen Fußlandestrategie kann der BOSmax mit dem mediolateralen Druckmittelpunkt zum Zeitpunkt des hinteren Fußabstiegs (Schritt 5.1.5) geschätzt werden. Die Eigenfrequenz des Körpers kann mit Gleichung (16) berechnet werden.
(16)
Dabei ist g = 9,81 m/s² die Erdbeschleunigung und l die Länge des umgekehrten Pendels, was 57,5% der Körpergröße entspricht.
ANMERKUNG: Die Größe in Klammern in Gleichung (15) wird als "extrapolierter Massenschwerpunkt"18 bezeichnet. Der Zustand der Stabilität bei Fußkontakt impliziert, dass sich der extrapolierte Massenschwerpunkt innerhalb der Stützbasis befindet. Diese Bedingung entspricht einem positiven MOS-Wert. Wenn der MOS negativ ist, sind korrigierende Haltungsanpassungen erforderlich, um das Gleichgewicht wiederherzustellen.
- Zeigen Sie für den Bremsindex das Zeitdiagramm der Schwerpunktgeschwindigkeit entlang der vertikalen Richtung an. Erkennen Sie die maximale Niedrigkonzentrationsgeschwindigkeit des Zeitdiagramms (z'GMIN) und die Schwerpunktgeschwindigkeit zur Kontaktzeit des Schwingfußes (z'GFC, Abbildung 2). Berechnen Sie die Differenz zwischen diesen beiden Größen, die als "Bremsindex" (BI) bezeichnet werden, als Indikator für die Stabilitätskontrolle unter Verwendung von Gleichung (14).
- Ausgangslage des Druckschwerpunkts
(14)
(15)
(16)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Beschreibung repräsentativer biomechanischer Zeitdiagramme, die während der Ganginitiierung von der Kraftplattform erhalten wurden
Unabhängig von der Höhe des zeitlichen Drucks oder der Anweisung zur GI-Geschwindigkeit geht dem Swing Fersen-off systematisch APA voraus. Diese APA können durch eine Rückwärts- und Schwingbeinseitenverschiebung des Druckschwerpunkts charakterisiert werden (Abbildung 2). Dieser vorausschauende Druckschwerpunkt fördert die Beschleunigung des Schwerpunkts in die entgegengesetzte Richtung (d.h. nach vorne und zur Beinseite). Entlang der anteroposterioren Richtung steigt die Geschwindigkeit des Schwerpunkts progressiv an, um kurz nach dem Schwungfußkontakt ihren Höhepunkt zu erreichen. Entlang der mediolateralen Richtung erreicht die Schwerpunktgeschwindigkeit zunächst ihren Höhepunkt in Richtung der Stützbeinseite bei etwa Swing Toe-Off, dann kurz nach Fußkontakt in Richtung der Schwingbeinseite. Entlang der vertikalen Richtung erreicht die Schwerpunktgeschwindigkeit ihren Höhepunkt etwa in der Mitte des Standes. Es kehrt dann die Richtung um und erreicht einen Wert nahe Null bei Fußkontakt.
Abbildung 2: Repräsentative biomechanische Zeitdiagramme aus der Kraftplattform während der Ganginitiierung (ein einziger Versuch) und ausgewählte raum-zeitliche Variablen. Der Gang wurde schnell in einem Reaktionszeitzustand eingeleitet. X''G, y''G, z''G: Beschleunigung des Schwerpunkts entlang der anteroposterioren, mediolateralen bzw. vertikalen Richtung. X'G, y'G, z'G: Geschwindigkeit des Schwerpunkts entlang der anteroposterioren, mediolateralen bzw. vertikalen Richtung. xP, yP: Verschiebung des Druckschwerpunkts entlang der anteroposterioren bzw. mediolateralen Richtung. Timing-Ereignisse. t0ML, t0AP, tHO, tTO, tFC, tRFO: Beginn der APA entlang der mediolateralen und anteroposterioren Richtung, Zeitpunkt des Abschwungs der Ferse, Zeitpunkt des Schwungzehenabgangs, Zeitpunkt des Schwungfußkontakts bzw. Zeitpunkt des hinteren Fußabgangs. Zeitliche Variablen. APA, UNL, SWING: Zeitfenster für APA, Entladephase bzw. Schwungphase der Gangeinleitung. Räumliche Variablen. X'GFO, x'GFC, xPMAX, yPMAX, L, W, z'GMIN, z'GFC: anteroposteriore Geschwindigkeit des Schwerpunkts bei Fuß- und Fußkontakt, maximaler antizipatorischer Druckschwerpunkt entlang der anteroposterioren und mediolateralen Richtung, Schrittlänge, Schrittbreite, Spitzenschwerpunktgeschwindigkeit nach unten und vertikaler Schwerpunktgeschwindigkeit bei Schwingfußkontaktzeit. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Repräsentative Werte experimenteller Variablen bei jungen gesunden Erwachsenen: Einfluss von Geschwindigkeit und zeitlichem Druck
Zeitliche Variablen
APA-Dauer
Die Dauer der APA entlang der anteroposterioren und mediolateralen Richtung hängt von der Geschwindigkeit des GI ab, jedoch in entgegengesetzter Weise. Genauer gesagt nimmt die APA-Dauer entlang der anteroposterioren Richtung mit der GI-Geschwindigkeit zu, wobei typische Werte zwischen ~500 ms für langsamen GI und ~700 ms für schnellen GI9 liegen. Im Gegensatz dazu nimmt die APA-Dauer entlang der mediolateralen Richtung mit der GI-Geschwindigkeit ab. Typische Werte liegen zwischen ~700 ms für langsamen GI und ~500 ms für schnellen GI21.
Die Dauer der anteroposterioren und mediolateralen APA hängt auch vom zeitlichen Druck ab (die oben angegebenen Werte gelten für einen selbstinitiierten Zustand (d. H. Ein Zustand mit einem niedrigen zeitlichen Druckniveau). Studien in der Literatur vergleichen typischerweise die APA-Dauer in einem Zustand mit niedrigem und hohem Zeitdruck, wenn der Gang in einem schnellen Zustandeingeleitet wird 1,28. Unter diesen Bedingungen nimmt die Dauer sowohl der anteroposterioren als auch der mediolateralen APA in der Reaktionszeitbedingung im Vergleich zur selbstinitiierten Bedingung um etwa 20-30 ms ab.
Dauer der Entladephase
Die Dauer der Entladephase hängt von der Geschwindigkeit des GI ab (d. h. sie nimmt ab, wenn die GI-Geschwindigkeit zunimmt). Typische Dauern liegen zwischen ~200 ms für langsamen GI und ~70 ms für schnellen GI21. Die Dauer der Entladephase ist nicht empfindlich gegenüber zeitlichem Druck, zumindest wenn der Gang in einem schnellen Zustand eingeleitet wird29.
Dauer der Schwungphase
Die Dauer der Schwungphase hängt von der Geschwindigkeit des GI ab (d. H. Sie nimmt ab, wenn die Geschwindigkeit zunimmt). Typische Dauern liegen zwischen ~500 ms für langsamen GI und ~300 ms für schnellen GI21. Im Gegensatz dazu ist diese Dauer nicht empfindlich gegenüber zeitlichem Druck, zumindest wenn der Gang in einem schnellen Zustand eingeleitet wird29.
Räumliche Variablen
Amplitude von APA
Die Amplitude von APA hängt von der Geschwindigkeit des GI ab. Genauer gesagt nimmt in einem selbst initiierten Zustand die Amplitude von APA entlang der anteroposterioren Richtung zu, wenn die Geschwindigkeit desGI 9 zunimmt. Typische APA-Werte liegen zwischen ~7 cm und ~0,15 m/s (für den vorausschauenden Druckschwerpunkt bzw. die Schwerpunktgeschwindigkeit) für langsamen GI und ~13 cm und ~0,36 m/s für schnellen GI. Die Amplitude von APA entlang der mediolateralen Richtung, in Bezug auf den Druckschwerpunkt, nimmt ebenfalls mit der Geschwindigkeit von GI21 zu. Typische Werte liegen zwischen ~3 cm für langsamen GI und ~4 cm für schnellen GI. Im Gegensatz dazu ändert sich die maximale Geschwindigkeit des Schwerpunkts, die während der APA (mediolaterale Richtung) erreicht wird, nicht mit der Geschwindigkeit des GI. Typische Werte sind ~0,13 m/s. Die Amplitude von APA ist auch empfindlich gegenüber zeitlichem Druck, zumindest wenn der Gang schnell eingeleitet wird28,29. Genauer gesagt nehmen sowohl die anteroposterioren als auch die mediolateralen Komponenten der APA mit dem zeitlichen Druck zu.
Schrittlänge und Schrittbreite
Schrittlänge und Schrittweite hängen beide von der Geschwindigkeit des GI ab, aber nicht vom zeitlichen Druck. Die Schrittlänge erreicht typischerweise ~50 cm und ~90 cm, wenn der Gang in einem langsamen bzw. einem schnellen Zustand eingeleitet wird, bzw.23. Die Schrittweite erreicht typischerweise ~12 cm und ~14 cm, wenn der Gang in einem langsamen bzw. einem schnellen GI-Zustand eingeleitet wird, bzw.9.
Durchführung der Ganginitiierung
Die Spitzengeschwindigkeit des Schwerpunkts liegt typischerweise zwischen ~1 m/s für langsamen GI und ~2 m/s für schnellen GI10. Bei einem schnellen GI hat der zeitliche Druck keinen Einfluss auf diesen Leistungsparameter 29, obwohl er eine kleine (~9%) Änderung28 induzieren kann.
Parameter der Stabilitätskontrolle
Bremsindex
Das BI reagiert empfindlich auf die Geschwindigkeit des GI. Wenn der Gang in einem langsamen Zustand mit einer Schrittlänge von weniger als ~ 43 cm eingeleitet wird, ist der BI null, da der Fall des Schwerpunkts nicht gebremst werden muss. Die Notwendigkeit, den Schwerpunktabfall zu bremsen, tritt bei Schrittlängen größer als 43 cm auf. Ein typischer BI-Wert ist 0,08 m/s für den bei 1 m/s eingeleiteten Gang und bei einer Schrittlänge von 55 cm27.
Stabilitätsspielraum
Der MOS ist nicht empfindlich gegenüber der Geschwindigkeit des GI oder dem zeitlichen Druck21,30. Typische MOS-Werte, die während des GI erhalten werden, sind ~ 5 cm21.
Ergänzende Abbildung S1: Screenshots der Software (Qualisys Track Manager), die 3D-Bodenreaktionskräfte während der Gangeinleitung zeigen. Links die Kraftplattformachse, der Mittelpunkt der Druckposition (entsprechend dem Anwendungspunkt des Bodenreaktionskraftvektors) und der Bodenreaktionskraftvektor in der Ausgangshaltung; rechts, der zeitliche Verlauf der rohen 3D-Bodenreaktionskräfte während der Ganginitiierung (ein Teilnehmer, ein Versuch). Grüne, rote und blaue Spuren repräsentieren die Bodenreaktionskraft entlang der anteroposterioren, mediolateralen bzw. vertikalen Richtung. Ordinate: Kraftamplitude in Newton. Abszisse: Zeit in ms. Die Teilnehmer standen zunächst auf der linken Seite der Kraftplattform und leiteten den Gang auf der rechten Seite ein. Beachten Sie, dass der Teilnehmer die Kraftplattform zum Zeitpunkt t = 3.200 ms verlassen hat. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung S2: Screenshots der Software (Qualisys Track Manager), die den rohen Mittelpunkt der Druckverschiebungsspuren zeigen. Links die Kraftplattformachse, der Mittelpunkt der Druckposition (entsprechend dem Anwendungspunkt des Bodenreaktionskraftvektors) und der Aktionskraftvektor, den der Teilnehmer in der Anfangshaltung auf die Kraftplattform ausübt; Rechts, der zeitliche Verlauf des Rohschwerpunkts der Druckverschiebungsspuren (ein Teilnehmer, ein Versuch). Grüne und rote Spuren stellen das Zentrum der Druckverschiebung entlang der anteroposterioren bzw. mediolateralen Richtung dar. Ordinate: Verschiebung in Millimetern. Abszisse: Zeit in ms. Die Teilnehmer standen zunächst auf der linken Seite der Kraftplattform und leiteten den Gang auf der rechten Seite ein. Beachten Sie, dass der Teilnehmer die Kraftplattform zum Zeitpunkt t = 3.200 ms verlassen hat. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
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Discussion
Das Ziel dieser Arbeit war es, Wissenschaftlern, Klinikern und Studenten Informationen über die Methode (die "globale" Methode) zur Verfügung zu stellen, die in unserem Labor verwendet wird, um die biomechanische Organisation der Ganginitiation (GI) zu untersuchen. Kritische Schritte des Protokolls, Einschränkungen der Methode sowie alternative Methoden und Anwendungen werden im Folgenden erläutert.
Ein kritischer Schritt im Protokoll ist die Erkennung der Timing-Ereignisse des GI (d. H. APA-Beginn, Swing Ferse und Zehen-Off und Hinterfuß-Off). Die Werte sowohl der zeitlichen als auch der räumlichen Variablen, die sich auf die Organisation des GI beziehen, hängen von der korrekten Erkennung dieser Ereignisse ab. Für jeden von ihnen wurden mehrere Nachweismethoden vorgeschlagen (diese vorgeschlagenen Methoden sind nicht erschöpfend). Es wird empfohlen, während der gesamten Datenanalyse dieselbe Methode zu verwenden, um die Konsistenz zwischen Studien und experimentellen Bedingungen zu gewährleisten und einen Vergleich zwischen Studien in der Literatur zu ermöglichen. Es wird jedoch auch empfohlen, mindestens zwei verschiedene Methoden zu verwenden, um sicherzustellen, dass die richtigen Zeitereignisse ordnungsgemäß erkannt werden (bei diesen Methoden werden nur geringfügige Unterschiede in den Werten der zeitlichen Merkmale erwartet). Darüber hinaus kann für jedes Timing-Ereignis eine automatische Erkennung angewendet werden (z. B. mit einer MATLAB-Routine). Diese Routine kann einfach durch die in diesem Artikel bereitgestellten Methoden programmiert werden. Es wird dringend empfohlen, die Kohärenz und "Glaubwürdigkeit" der mit diesen Routinen automatisch erhaltenen Daten visuell zu überprüfen. Zum Beispiel sollte die Amplitude des vorausschauenden Druckmittelpunkts die Basis der Unterstützungsgröße nicht überschreiten. Es wird erwartet, dass es nach hinten und zur Schwingbeinseite gerichtet ist (mit Ausnahme spezifischer experimenteller Populationen); Es wird erwartet, dass die Swing-Toe-Off-Zeit nach dem Swing-Fersen-Off auftritt; Der APA-Beginn sollte nicht früher als 150 ms vor dem Abflugsignal oder 300 ms danach (in einer Reaktionszeitbedingung) erfolgen. Mit anderen Worten, es wird angenommen, dass die automatische Erkennung allein nicht ausreicht, um die Daten richtig und "sicher" zu analysieren; Es ist wichtig, eine gründliche Kenntnis von i) dem globalen Zeitverlauf der biomechanischen Diagramme zu haben, die von der Kraftplattform erwartet werden, und ii) den typischen Werten, die von gesunden Teilnehmern erwartet werden. Wir glauben, dass dieses Wissen neben der Fähigkeit, automatische Routinen zu programmieren, von starkem didaktischem Wert für Hochschulstudenten in Biomechanik ist. Aus diesem Grund werden diese beiden Elemente in diesem Artikel bereitgestellt.
Es wird anerkannt, dass die "globale" Methode mindestens zwei Einschränkungen hat. Erstens liefert diese Methode keine Daten über die Ausgangshaltung der Teilnehmer (d.h. über die relative Position der Körpersegmente), sondern Daten über den anfänglichen Druckschwerpunkt und die Schwerpunktposition (deren relative Position den Zustand des Gleichgewichts bestimmt). Der gleiche anfängliche Druckschwerpunkt und die gleiche Schwerpunktposition könnten theoretisch mit unendlich vielen Körperhaltungen erreicht werden. Mit anderen Worten, die anfänglichen Haltungsbedingungen, unter denen die Teilnehmer den Gang einleiten, können mit der globalen Methode möglicherweise nicht vollständig kontrolliert werden. Eine visuelle Überprüfung der Ausgangshaltung der Teilnehmer durch einen experimentierten Forscher oder Kliniker ist daher wichtig, wenn die relative Position der Körpersegmente nicht erfasst werden kann (z.B. mit einer Kamera). Zweitens liefert die Methode keine Informationen über den Beitrag der Beschleunigung jedes Körpersegments (oder "lokaler" Beschleunigungen) zur Beschleunigung des Ganzkörperschwerpunkts. Daraus folgt, dass es theoretisch möglich ist, dass die Beschleunigung bestimmter Körpersegmente durch eine Abbremsung einiger entfernter Körpersegmente kompensiert wird, was zu einer Null-Ganzkörperschwerpunktbeschleunigung während APA31 führt. Daher könnte die Verwendung von Beschleunigungsmessern, die über mehrere Körpersegmente (z. B. Rumpf, Hüften, Beine) positioniert sind, relevant sein, um die Daten der Kraftplattform zu vervollständigen.
Eine alternative und beliebte Methode zur Berechnung des Ganzkörperschwerpunkts während des GI ist die kinematische Methode, die auf Aufnahmen mit einem Motion-Capture-System von reflektierenden Markern basiert, die auf Ganzkörpergelenksegmente geklebt sind. Die Signale dieser reflektierenden Marker ermöglichen die Rekonstitution des Ganzkörperskeletts. Basierend auf der Größe jedes so rekonstituierten Körpersegments und Informationen aus anthropometrischen Tabellen (z. B. Masse und Dichte der Knochen) kann die 3D-Position des Schwerpunkts jedes Segments mit der Kamerasoftware berechnet werden. Mit diesen Daten ist es dann möglich, die 3D-Position des Ganzkörperschwerpunkts zu berechnen. Mit sukzessiver Ableitung des Positionssignals kann die Geschwindigkeit und Beschleunigung des Ganzkörperschwerpunkts erhalten werden. Zur Berechnung der Kinematik des Ganzkörperschwerpunkts werden 53 reflektierende Marker benötigt32. Ein vereinfachtes Modell mit 13 Markern wurde jedoch kürzlich von Tisserand et al.33 vorgeschlagen.
Die Vorteile der globalen Methode (die in eine kinetische Methode assimiliert werden kann, da sie auf der Aufzeichnung von Kräften und Momenten basiert) gegenüber der kinematischen Methode zur Untersuchung der posturalen Organisation des GI sind die folgenden: i) es erfordert keine Vorbereitung der Teilnehmer, wodurch Zeit gespart wird, was besonders wichtig ist, wenn gebrechliche oder pathologische Patienten am Experiment teilnehmen; ii) es vermeidet potenzielle Fehler bei der Berechnung der Ganzkörper-Schwerpunktbeschleunigung aufgrund kumulativer kleiner Fehler bei der Markerpositionierung durch den Experimentator, da die globale Methode ein direktes Maß für diese Größe liefert; iii) Der Mittelpunkt der Druckposition kann nicht mit Motion-Capture-Systemen berechnet werden. Der Hauptnachteil der globalen Methode gegenüber der kinematischen Methode wurde oben angesprochen - sie erlaubt keine Untersuchung der Körperhaltung oder Segmentkoordination.
Nun ist es bemerkenswert, dass Ergebnisse aus der aktuellen Literatur darauf hindeuten, dass beide Methoden ein gleichwertiges Maß für die Schwerpunktkinematik und das Ereignistiming während motorischer Aufgaben liefern. Zum Beispiel berichteten Langeard et al.34, dass die Schätzung des Schwerpunktbremsens (der "Bremsindex" (BI)) mit der globalen Methode oder der kinematischen Methode während des GI sehr zuverlässig war. Während kompensatorischer Schrittreaktionen berichteten Maki und McIlroy35, dass die anteroposteriore Geschwindigkeit und Verschiebung des Schwerpunkts, die bei Fußkontakt mit beiden Methoden berechnet wurden, sowohl bei jungen gesunden Erwachsenen als auch bei älteren Menschen eine einigermaßen gute Übereinstimmung ergaben. In ähnlicher Weise zeigten Lansade et al.36 beim geraden Gehen auf ebenem Boden bei Menschen mit transfemoraler Amputation, dass die Schätzung der Schwerpunktgeschwindigkeit aus der Datenintegration der Kraftplattform akzeptabel war. Schließlich zeigten Caderby et al.24 und Yiou et al.25, dass diese beiden Methoden eine ähnliche Schätzung des Swing-Fersen-Off-Ereignisses bzw. der Schrittlänge/-breite während des GI lieferten.
Die globale Methode wurde ursprünglich auf das GI-Paradigma bei jungen gesunden Erwachsenen angewendet, um Grundkenntnisse über die normale Haltungskontrolle während einer funktionellen motorischen Aufgabe zu erlangen, die gleichzeitigen Ganzkörperantrieb und Stabilitätserhaltung erfordert10. Es wurde seitdem weit ausgedehnt, um viele andere dynamische motorische Ganzkörperaufgaben zu untersuchen, wie Longieren im Fechten37,Springen 38, Sitzenbis 39 und Beugung der unteren Extremitäten40. Es ist erwähnenswert, dass das Verfahren auch angewendet wurde, um die Haltungskontrolle während der Beendigung verschiedener motorischer Aufgaben, einschließlich Einzelschritt41 und Punkt42, zu untersuchen, und möglicherweise angewendet werden kann, um die Gangbeendigung zu untersuchen, wie es zuvor mit der kinematischen Methode43 geschehen ist. Schließlich wurde die Methode auch häufig bei Patienten mit neurologischen Erkrankungen und bei älteren Menschen eingesetzt, um die pathopsychophysiologischen Mechanismen, die die dynamische posturale Kontrolle beeinflussen, besser zu verstehen 2,3,4,5 und in jüngerer Zeit bei Patienten mit Parkinson-Krankheit, um die Wirksamkeit verschiedener nicht-pharmakologischer Interventionen zu testen (wie Knöcheldehnung44 und funktionelle elektrische Stimulation 3 ) bei der Verbesserung der posturalen Kontrolle.
Zusammenfassend hat dieser Artikel eine detaillierte Methode vorgestellt, die entwickelt wurde, um die posturale Kontrolle während der Ganginitiierung zu untersuchen. Für jede Variable wurden normative Werte angegeben, die bei jungen gesunden Erwachsenen erhalten wurden. Die Methode hat einen starken biomechanischen Hintergrund, da sie auf den Gesetzen der Mechanik basiert, um die Kinematik des Schwerpunkts und des Druckschwerpunkts zu berechnen. Die Analyse der Interaktion zwischen diesen beiden virtuellen Punkten ist ein Schlüsselpunkt dieser Methode, da sie die Bedingungen der Stabilität und des Ganzkörperverlaufs bestimmt. Da die Durchführung der meisten unserer täglichen motorischen Aufgaben (einschließlich Sport und Arbeit) eine sichere (stabile) Ganzkörperprogression erfordert, ist die Methode sehr geeignet, um Einblicke in die posturodynamischen Mechanismen zu erhalten, die der motorischen Effizienz / Schwäche sowohl in gesunden als auch in pathologischen Populationen zugrunde liegen. Es hat daher starke Anwendungen in der menschlichen Bewegungswissenschaft, Sportwissenschaft, Ergonomie und klinischen Wissenschaft.
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Disclosures
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte.
Acknowledgments
Die Autoren danken dem ANRT und dem LADAPT.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Force platform(s) | AMTI | One large [120 cm x 60 cm] or two small [60 cm x 40 cm] force platform(s) | |
| Python or Matlab | Python or MathWorks | Programming language for the computation of experimental variables | |
| Qualisys track manage | Qualisys | Software for the synchronization of the force platform(s), the recording and the on-line visualization of raw biomechanical traces (3D forces and moments) | |
| Visual3D | C-Motion Inc | Software for the processing of raw biomechanical traces (low-pass filtering) |
References
- 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).
- 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).
- Delafontaine, A., et al. Anticipatory postural adjustments during gait initiation in stroke patients. Frontiers in Neurology. 10, 352 (2019).
- 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).
- Demain, A., et al. High-level gait and balance disorders in the elderly, a midbrain disease. Journal of Neurology. 261 (1), 196-206 (2013).
- Belen'kiĭ, V. E., Gurfinkel', V. S., Pal'tsev, E. I. On the control elements of voluntary movements. Biofizika. 12 (1), 135-141 (1967).
- Bouisset, S., Zattara, M. A sequence of postural movements precedes voluntary movement. Neuroscience Letters. 22 (3), 263-270 (1981).
- 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).
- Bouisset, S., Do, M. C. Poster, dynamic stability, and voluntary movement. Neurophysiologie Clinique/Clinical Neurophysiology. 38 (6), 345-362 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hess, W. R. Teleokinetisches und ereismatisches Kräftesystem in der Biomotorik. Helv Physiol Pharmacol Acta. 1, 62-63 (1943).
- Lepers, R., Brenière, Y. The role of anticipatory postural adjustments and gravity in gait initiation. Experimental Brain Research. 107 (1), 118-124 (1995).
- Lyon, I. N., Day, B. L. Control of frontal plane body motion in human stepping. Experimental Brain Research. 115 (2), 345-356 (1997).
- 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).
- 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).
- Hof, A. L., Gazendam, M. G. J., Sinke, W. E. The condition for dynamic stability. Journal of Biomechanics. 38 (1), 1-8 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Brenière, Y., Do, M. C.
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Sint, J. S. V. Color Atlas of Skeletal Landmark Definitions: Guidelines for Reproducible Manual and Virtual Palpations. , Churchill Livingstone. Edinburgh. 29 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Yiou, E., Caderby, T., Hussein, T. Adaptability of anticipatory postural adjustments associated with voluntary movement. World Journal of Orthopedics. 3 (6), 75 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
