Name: フォースプラットフォーム記録を用いた生体力学的解析のための歩行開始の姿勢構成 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-07-26T14:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 21 s
Description: 学ぶ フォースプラットフォーム記録を用いた歩行開始の生体力学的解析法。予備的姿勢調整を精密に測定し、中枢神経系機能と運動制御を理解する。臨床診断とスポーツ科学への応用が可能です。

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著者らは、ANRTとLADAPTに感謝したい。

著者には競合する利害関係はありません。

この論文の目的は、歩行開始(GI)の生体力学的組織を調査するために私たちの研究室で使用されている方法(「グローバル」方法)に関する情報を学者、臨床医、および高等教育機関の学生に提供することでした。プロトコルの重要なステップ、方法の制限、および代替の方法およびアプリケーションを以下に論じる。
プロトコルの重要なステップは、GIのタイミングイベント(すなわち、APAの発症、スイングヒールオフとトーオフ、およびリアフットオフ)の検出です。GI の構成に関連する時間変数と空間変数の両方の値は、これらのイベントの正しい検出に依存します。それらのそれぞれについて、いくつかの検出方法が提案されました(これらの提案された方法は網羅的ではありません)。試験および実験条件間で一貫性を確保し、文献内の研究間で比較を可能にするために、データ解析全体で同じ方法を使用することが推奨される。ただし、正しいタイミング イベントが適切に検出されるように、少なくとも 2 つの異なる方法を使用することもお勧めします (これらの方法間では、時間的特徴値のわずかな違いのみが予想されます)。さらに、タイミングイベントごとに、...

歩行開始(GI)は、正行性姿勢と定常状態の移動の間の過渡期であり、全身の推進と安定性を同時に必要とする複雑な運動タスク中の姿勢制御を調査するために文献で古典的に使用されている機能的タスクおよび実験パラダイムです1。パーキンソン病2、脳卒中3、進行性核上性麻痺4、「高レベルの歩行障害」5などの神経疾患を持つ患者は、歩行を開始することが困難であることが知られており、転倒のリスクが高くなります。したがって、基礎科学と臨床科学の両方にとって、歩行開始時に作用する姿勢制御メカニズムについての洞察を得るための概念と方法を開発し、科学的知識と歩行および平衡障害の病態生理学のより良い理解を得て、適切な介入を通じてそれらを修復できるようにすることが重要です。
歩行開始の生体力学的組織化の概念を以下に説明し、そしてこの組織を調査するために設計された古典的な方法はプロトコルのセクションで詳述されている。GIは、スイングヒールオフ前に全身に起こる動的現象に対応する「予測姿勢調整」(APA)フェーズ、「アンロード」フェーズ(スイングヒールオフとトーオフの間)、スイングフットがサポート面に接触した時点で終了する「スイング」フェーズの3つの連続フェーズに細分できます。GIプロセスのこの古典的な細分化は、Belenkiiらの先駆的な研究に端を発しています6,8、直立姿勢で水平に自発的に腕を上げる際の姿勢と動きの調整に焦点を当てています。このパラダイムでは、腕の上げに直接関与する身体セグメントは「焦点」鎖に対応し、焦点鎖の近位部分と支持面との間に介在する身体セグメントは「姿勢」鎖9に対応する。これらの著者らは、腕を上げる前に、姿勢連鎖における動的および筋電図的現象が体系的に先行し、これを「予測姿勢調整」と呼んだと報告した。GIの場合、スイングヒールオフ(または著者によってはスイングトゥオフ)は、歩行運動の開始と見なされます10。したがって、この瞬間以前に生じる動的現象はAPAに対応し、揺動肢は焦点鎖11の構成要素であると考えられる。この声明は、運動の生体力学的組織の古典的な概念と一致しており、それによれば、いかなる運動行為も焦点および姿勢の構成要素を伴わなければならない12,13。
生体力学的観点から、GIに関連するAPAは、圧力中心の後方および中外側(スイングレッグサイド指向)の変位として現れ、重心を反対方向(スタンスレッグ側に向かって前方および方向)に推進するように作用します。圧力変位の予測後方中心が大きいほど、フットコンタクト時の前方重心速度の観点からモーター性能が高くなります10,14。また、重心を立脚側に推進することで、GI 1,15,16,17の揺動段階で中横方向の安定性を維持するのに貢献します。現在の文献は、この安定性の予測的制御の変化が高齢者の転倒の主な原因であることを強調しています1。GI中の安定性は、支持基盤内の重心の速度と位置の両方を考慮した量である「安定性マージン」18の適応により文献で定量化されています。APAの発達に加えて、重力の影響下でのGIのスイングフェーズでの重心の落下は、スタンス脚の上腕三頭筋によって積極的にブレーキされることが報告されています。このアクティブブレーキは、足の接触後の安定性維持を容易にし、支持面4へのスムーズな足着地を可能にする。
この論文の目的は、生体力学的アプローチを介してGIの姿勢構成を調査するために、私たちの研究室で開発された材料と方法に関する情報を学者、臨床医、および高等教育機関の学生に提供することです。この「グローバル」方法(以下に詳述する理由から「動的」方法に同化することもできます)は、ブレニエールと共同研究者10,19によって開始されました。重心の加速度と圧力中心の瞬間位置の両方を計算することは、力学の直接的な原理に基づいています。これらの各ポイントは、ムーブメントに固有のグローバルな表現です。
1つは、運動の目的に関連するすべての身体セグメントの動きの瞬間的な表現です(重心、例えば、GI中の身体の進行速度)。もう一つ(圧力の中心)は、この目的を達成するために必要な支持条件の表現です。これらの2点の瞬間的な位置は、歩行開始のために満たされるべき姿勢動的条件を反映している。フォースプラットフォームは、移動中に支持面に作用する外力とモーメントを直接測定できるため、このモデルに適した機器です。また、自然な動きの実行を可能にし、特別な準備を必要としません。
GIの姿勢組織に影響を与えることは、生体力学的、(神経)生理学的、心理的、環境的、および認知的要因を含む多くの要因が知られています1,20。この論文は、GIの速度と時間圧の2つの要因の影響に焦点を当て、健康な若年成人で得られた典型的な値を提供します。

<table><tbody><tr><td>フォースプラットフォーム(複数可)</td><td>AMTI</td><td></td><td>大型[120 cm x 60 cm]×1台または小型[60 cm x 40 cm]フォースプラットフォーム×2台(複数可)</td></tr><tr><td>PythonまたはMatlab</td><td>PythonまたはMathWorks</td><td></td><td>実験変数の計算用プログラミング言語</td></tr><tr><td>Qualisysトラック Qualisys</td><td></td><td></td><td>の管理力のプラットフォームの同期、記録、および生の生体力学トレース(3D力とモーメント)のオンライン視覚化のためのソフトウェア</td></tr><tr><td>Visual3D</td><td>C-Motion Inc</td><td></td><td>生の生体力学トレースの処理のためのソフトウェア(ローパスフィルタリング)</td></tr></tbody></table>

フォースプラットフォーム記録を用いた生体力学的解析のための歩行開始の姿勢構成

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

歩行開始(GI)は、正行姿勢と定常状態の移動の間の過渡期であり、身体運動とバランス制御の根底にある基本的な姿勢メカニズムへの洞察を得るために文献で古典的に使用されている機能的課題および実験パラダイムです。GIの調査は、高齢者および神経学的参加者(パーキンソン病患者など)の姿勢障害の生理病理学のより良い理解にも貢献しています。そのため、特に転倒予防の観点から、重要な臨床的意味を持つことが認識されています。
この論文は、生体力学的アプローチ を介して GI姿勢組織を調査するために開発された材料と方法に関する情報を学者、臨床医、および高等教育機関の学生に提供することを目的としています。この方法は、力のプラットフォームの記録と力学の直接原理に基づいており、重心と圧力の中心の運動学を計算します。これら2つの仮想点間の相互作用は、安定性と全身の進行の条件を決定するため、この方法の重要な要素です。プロトコルでは、参加者は最初に直立した姿勢で動かずに立って、少なくとも5mのトラックの終わりまで歩き始めます。
GI速度(遅い、自発的、速い)と時間圧のレベルを変えることをお勧めします-歩行は、出発信号の配信後(高レベルの時間的圧力)または参加者が準備ができたとき(低レベルの時間的圧力)にできるだけ早く開始できます。この手法で得られた生体力学的パラメータ(例えば、予測姿勢調整の持続時間と振幅、ステップ長/幅、性能、安定性)を定義し、その計算方法を詳述する。さらに、健康な若年成人で得られた典型的な値が提供される。最後に、代替方法(モーションキャプチャシステム)に関する方法の重要なステップ、制限、および重要性が議論される。

歩行開始時に力プラットフォームから得られた代表的な生体力学的時間プロットの説明 時間圧のレベルやGI速度の指示が何であれ、スイングヒールオフの前には体系的にAPAがあります。これらのAPAは、圧力中心の後方およびスイングレッグサイドシフトによって特徴付けることができます(図2)。この予測圧力シフトの中心は、反対方向(すなわち、前方およびスタンス脚側)への重心の加速を促進する。前後方向に沿って、重心の速度は徐々に増加し、スイングフットコンタクトの直後にピークに達します。中横方向に沿って、重心速度は、最初にスイングトーオフあたりでスタンスレッグ側に向かってピークに達し、次にフットコンタクト直後にスイングレッグ側に向かってピークに達します。垂直方向に沿って、重心速度はスタンスの中央付近で下向きにピークに達します。その後、方向を反転させ、足の接触付近でゼロに近い値に到達します。
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本稿では,歩行開始の姿勢構成を調査するために開発された材料と方法について述べる.この方法は、力のプラットフォームの記録と、重心と圧力運動の中心を計算するための力学の直接原理に基づいています。

Gait initiation (GI), the transient phase between orthograde posture and steady-state locomotion, is a functional task and an experimental paradigm that ...

この方法は、予測姿勢調整、またはAPAを得ることを可能にする。APAは、中央レベルのシステムの機能を反映しています。したがって、APA、MOS、およびBIがどのように見えるかという問題を挿入することができます。この手法の主な利点は精度です。さらに、それは適応される可能性があり、例えば運動固定を有する患者にとって疲れにくい技術である。この技術の意味は、すべての作業病理に拡張することができます。パーキンソン病の場合、早期診断を提供したり、無症候性バランスや歩行障害を検出したりするための機械的マーカーを見つけるのに役立つ可能性があるため、特に興味深いものです。この方法は、ランニングスタートや、バスケットボールや野球の射撃など、静止位置でのジェスチャーを伴うスポーツなど、特定のスポーツに適用できます。この方法を実践したことがない人でもうまくいくと思います。あなたはただ厳格でなければなりません。まず、参加者に、自然な直立姿勢で力のプラットフォームに裸足で動かないようにしてもらいます。腕を両脇にゆるくぶら下げ、視線を少なくとも5メートル離れた目の高さにあるターゲットに向けます。目を閉じて一歩前進する最初の姿勢で背中を軽く押して、参加者の優先開始脚を決定します。参加者に、彼らが実行するタスクは、好みの脚で立った姿勢から歩行を開始することであることを説明します。トラックの終わりまで歩き続け、その後静かに最初の立った姿勢に戻ります。歩行は,準備信号と出発信号という2つの連続した信号の後に開始されることを説明します。次に、速度と時間圧に関する指示を説明します。フォースプラットフォームからのデータ収集をトリガーし、参加者に最初の信号または準備信号を配信します。動かないように立ち、この最初の信号で歩行の開始を予期しないように指示します。参加者が視覚的に動かないことを確認します。圧力変位の前後または内側外側中心の時間プロットを使用して、不動をオンラインで確認してください。次に、2番目または出発信号を配信します。歩行開始に課せられる時間的圧力の条件を変えてから、歩行開始速度の条件を変えます。参加者に、各実験条件で一連の10回の連続した試行を実行し、倦怠感の影響を避けるために、連続する条件の間に少なくとも2分間の休憩を課すように指示します。各条件で、参加者が記録の前に2回の習熟試験を実行できるようにします。最後に、参加者がフォースプラットフォームを離れたら、データ収集を停止します。歩行開始時に力プラットフォームから得られた生体力学的時間プロットと選択された空間時間変数がここに示されています。歩行は反応時間条件で迅速に開始された。ここでは、前後方向、内側の横方向、垂直方向に沿った重心の加速度と重心の速度を示します。前後方向および内側の横方向に沿った圧力中心の変位もこの図に描かれています。ここでは、内側の外側および前後方向に沿った予測姿勢調整(APA)の開始、かかとをオフに振る時間、つま先を振り落とす時間、スイングフットコンタクトの時間、および後方足のオフの時間を示します。この図は、APAの時間枠、荷降ろしフェーズ、歩行開始のスイングフェーズなど、さまざまな時間変数の代表的な値も示しています。さまざまな空間変数の代表値 (足から離れての重心の前後速度や足の接触など)。ここでは、スイングフットコンタクト時間における圧力変位の最大予測中心、ステップ長、ステップ幅、ピーク下向き重心速度、および垂直重心速度を示します。足の最も重要な部分は、良好なベースラインを持つために、参加者が目に見えて動かないようにすることです。また、参加者が録音前に2つの形式化を行うことも重要です。これにより、パッセージ中に本当に良い裁判を受けることができます。したがって、キネマティックメソッドを使用して、定置作業中にデータを追加できます。一部の研究者は興味を持ち、工学から臨床複製まで、この技術を現場でどのように使用できるかを考えると思います。

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Research

JoVE Journal

Neuroscience

神経科学

ニューラル·マシン·インターフェース（NMI）は、ユーザの移動モードを同定するために開発されてきた。これらのNMIは、動力義足の神経制御のための潜在的に有用であるが、十分に発揮されていない。本稿では、安全に下肢切断の患者に対する神経的制御の義足を評価するために、実験室環境での容易な実装と開発神経制御のパワー下肢義肢および（2）実験およびプロトコルのための（1）私たちの設計し、エンジニアリング·プラットフォームを発表かつ効率的に。...

エンジニアリング·プラットフォームおよび神経的に制御されたパワードTransfemoral人工関節の設計と評価のための実験プロトコール

目的は、ノルディックウォーキングの歩行と姿勢分析のためのデータ収集技術の最適な使用を実証することでした。加速度計は、6分間歩行テストのような長い期間の分析（ すなわち繰り返しサイクル）のために使用されるべきである一方で、三次元モーションキャプチャは、短時間の分析（ すなわち、単一の歩行サイクル）の間に使用されるべきです。...

高齢者でノルディックウォーキング歩行や姿勢の評価のための適切なモーションキャプチャ技術を実証

ここでは、座って立っているか歩くかの主要なイベントで、全身の重心までの距離に対する圧力中心を使用して位置安定性を測定する新しいプロトコルを提示します。これは、フォースプラットフォームと3次元モーションキャプチャ技術から派生しました。このパラダイムは信頼性が高く、神経学的に損なわれた個人の評価に利用できます。...

シットにスタンド・アンド・ウォーク120％の膝の高さから：鉛四肢の動的姿勢制御の独立性を評価するための新しいアプローチ

中程度のかかとの高いジョギングや実行している中に下肢の運動学と地面反力 (GRF) について検討しました。被験者は、経験豊富な装着者と経験の浅い人のグループに分けられました。構成力プラットフォームと三次元動作解析システムは、下肢関節運動と GRF...

ハイヒール ジョギングや実行している穏健派の間に下肢力学エクスペリエンスへの影響を評価するゴールド スタンダード歩行解析手法を使用してください。

歩行障害を評価するための臨床指向の三次元歩行解析

ここで提示されるプロトコルは、前臨床研究のためのげっ歯類の四足歩行の3次元運動学を収集し、分析するためのプロトコルである。...

げっ歯類の前臨床研究のための3Dキネマティック歩行分析

この記事では、人間の姿勢制御を研究するための実験的/分析的枠組みを紹介する。このプロトコルは、立ち実験を行い、ボディキネマティクスと運動信号を測定し、結果を分析して、人間の姿勢制御の基礎となるメカニズムに関する洞察を提供するためのステップバイステップの手順を提供します。...

人間の姿勢制御を研究する実験的方法

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。...

異なる歩行速度の下で計画外の歩行終端に関連する下肢バイオメカニカル特性

慢性足首不安定性(CAI)を有する個人は、下肢の姿勢制御欠乏および遅れた筋肉活性化を示す。表面筋電図と組み合わせたコンピュータ化された動的姿勢学は、視覚、体性感覚、および前庭システムと筋肉活性化調節の協調に関する洞察を提供し、CAIを有する個人の姿勢安定性を維持する。...

慢性足首不安定性を有する個人における姿勢制御と下肢筋活性化の評価

本プロトコルは、モーションキャプチャシステムを使用して、ステップ幅の操作がランニングバイオメカニクスに与える影響を調査するために設計された実験セットアップの概要を示しています。目的は、関連するデータセットを拡大し、さまざまなステップ幅が人間の下肢の運動連鎖に及ぼす影響を調べることです。...

ステップ幅マニピュレーションがランニングバイオメカニクスに及ぼす影響

このプロトコルは、フットスキャン圧力板を用いた45°方向転換作業中の足底圧力分布、足のバランス、足軸角度を定量化する標準化されたアプローチを詳細に示しており、制御されたアプローチ速度で両側肢の荷重パターンを再現可能にしています。...

方向変化(COD)運動が両側肢の足底圧と足のバランスに与える影響

学ぶ フォースプラットフォーム記録を用いた歩行開始の生体力学的解析法。予備的姿勢調整を精密に測定し、中枢神経系機能と運動制御を理解する。臨床診断とスポーツ科学への応用が可能です。

フォースプラットフォーム記録を用いた生体力学的解析のための歩行開始の姿勢構成

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