힘 플랫폼 기록을 사용한 생체 역학 분석을위한 보행 개시의 자세 조직

보행 개시 (GI)는 직교 자세와 정상 상태 이동 사이의 과도 단계로, 전신 추진과 안정성을 동시에 요구하는 복잡한 운동 작업 중 자세 제어를 조사하기 위해 문헌에서 고전적으로 사용되는 기능적 작업 및 실험 패러다임입니다¹. 파킨슨병², 뇌졸중^{3, 진행}성 핵상 마비4 및 "고수준 보행장애"⁵와 같은 신경계 질환이 있는 환자는 보행을 시작하는 데 어려움을 겪는 것으로 알려져 있어 낙상 위험이 증가합니다. 따라서 기초 과학과 임상 과학 모두 보행 개시 중 자세 조절 메커니즘에 대한 통찰력을 얻고, 과학적 지식을 얻고 보행 및 균형 장애의 병태생리학을 더 잘 이해하고 적절한 개입을 통해 치료할 수 있는 개념과 방법을 개발하는 것이 중요합니다.

보행 개시의 생체 역학적 조직의 개념은 아래에 설명되어 있으며,이 조직을 조사하기 위해 고안된 고전적인 방법은 프로토콜 섹션에 자세히 설명되어 있습니다. GI는 스윙 힐 오프 전에 전신에서 발생하는 동적 현상에 해당하는 "예상 자세 조정"(APA) 단계, "언로딩"단계 (스윙 힐 오프와 토 오프 사이) 및 스윙 발이지지 표면에 접촉 할 때 끝나는 "스윙"단계의 세 가지 연속 단계로 세분화 될 수 있습니다. GI 과정의 이러한 고전적인 세분화는 Belenkii et ^al.6 및 기타^7,8의 선구적인 연구에서 비롯되었으며^, 직립 자세에서 자발적으로 팔을 수평으로 올리는 동안 자세와 움직임 사이의 조정에 중점을 둡니다. 이 패러다임에서, 팔 올리기에 직접 관여하는 신체 세그먼트는 "초점"체인에 대응하고, 초점 체인의 근위 부분과지지 표면 사이에 개재되는 신체 세그먼트는 "자세"체인⁹에 대응한다. 이 저자들은 팔을 올리는 것이 자세 사슬에서 역동적이고 근전도적인 현상이 체계적으로 선행되었다고 보고했으며, 이를 "예상 자세 조정"이라고 불렀습니다. GI의 경우, 스윙 힐 오프 (또는 저자에 따라 스윙 토 오프)는 보행 운동¹⁰의 시작으로 간주됩니다. 결과적으로, 이 순간 이전에 발생하는 동적 현상은 APA에 상응하며, 스윙 사지는 초점 사슬(¹¹)의 구성요소로 간주된다. 이 진술은 운동 생체 역학 조직의 고전적 개념과 일치하며, 이에 따라 모든 운동 행위는 초점 및 자세 구성 요소^12,13을 포함해야합니다.

생체 역학적 관점에서 GI와 관련된 APA는 무게 중심을 반대 방향으로 추진하는 역할을하는 압력 중심의 후방 및 중간 측면 (스윙 레그 측면 방향) 변위로 나타납니다. 압력 변위의 예상 후방 중심이 클수록 발 접촉^10,14에서 전방 무게 중심 속도 측면에서 모터 성능이 높아집니다. 또한 APA는 무게 중심을 스탠스 레그 쪽으로 추진함으로써 GI 1,15,16,17의 스윙 단계에서 중간 측면 안정성을 유지하는 데 기여합니다. 현재의 문헌은 안정성에 대한 이러한 예상 제어의 변화가 노인¹의 낙상의 주요 원인이라고 강조합니다. GI 동안의 안정성은 지지대 바닥 내에서 무게 중심의 속도와 위치를 모두 고려한 양인 "안정성 마진"¹⁸의 적응으로 문헌에서 정량화되었습니다. APA의 발달 이외에도, 중력의 영향 하에서 GI의 스윙 단계에서 무게 중심의 하강은 자세 다리의 삼두근 수래에 의해 능동적으로 제동되는 것으로 보고되었다. 이 능동 제동은 발 접촉 후 안정성 유지를 용이하게하여지지 표면에 부드러운 발 착륙을 허용합니다⁴.

이 논문의 목표는 학자, 임상의 및 고등 교육 학생에게 생체 역학적 접근을 통해 GI의 자세 조직을 조사하기 위해 실험실에서 개발 된 재료 및 방법에 대한 정보를 제공하는 것입니다. 이 "글로벌"방법 (아래에 설명 된 이유로 "운동"방법에 동화 될 수도 있음)은 Brenière와 공동 연구자^10,19에 의해 시작되었습니다. 무게 중심의 가속도와 압력 중심의 순간 위치를 모두 계산하는 역학의 직접적인 원리를 기반으로합니다. 이러한 각 점은 운동에 특정한 전역 표현입니다.

하나는 운동의 목적과 관련된 모든 신체 세그먼트의 움직임의 즉각적인 표현입니다 (무게 중심, 예를 들어, GI 동안 신체의 진행 속도). 다른 하나 (압력 중심)는이 목표에 도달하는 데 필요한지지 조건의 표현입니다. 이 두 지점의 순간 위치는 보행 개시에 만족해야 할 자세-동적 조건을 반영합니다. 힘 플랫폼은 이동 중지지 표면에서 작용하는 외력과 모멘트를 직접 측정 할 수 있기 때문에이 모델에 적합한 도구입니다. 또한 자연스러운 움직임을 수행 할 수 있으며 특별한 준비가 필요하지 않습니다.

생체 역학적, (신경) 생리적, 심리적, 환경 적,인지 적 요인을 포함하여 GI의 자세 조직에 영향을 미치는 많은 요인이 알려져 있습니다 ^1,20. 이 논문은 GI의 속도와 시간압이라는 두 가지 요인의 영향에 초점을 맞추고 건강한 젊은 성인에서 얻은 전형적인 값을 제공합니다.

아래에 설명 된 프로토콜은 Université Paris-Saclay의 인간 연구 윤리위원회의 지침을 따릅니다. 참가자들은 동의서를 승인하고 서명했습니다.

1. 참가자

1. 실험에 최소 15 명의 건강한 젊은 성인 참가자 (20-40 세)를 포함하십시오.
   참고: 이 권장 과목 수는 GI에 대한 문헌에서 고전적으로 고려되는 것과 일치합니다.
2. 보행 보조기, 시각, 청각 또는 정형 외과 적 문제, 확인 된 신경 장애, 치매,인지 장애 (예 : 미니 정신 상태 시험에서 < 25 점) 및 낙상 병력이있는 참가자는 제외합니다.
3. 참가자들에게 실험의 성격과 목적을 알린 후 서면 동의를 제공하도록 요청하십시오.
4. 실험이 헬싱키 선언에서 정한 표준을 준수하는지 확인하십시오.

2. 실험실 준비

1. 힘 플랫폼이 첫 번째 단계의 끝에서 전체 스윙 풋이 그 위에 놓일 수 있을 만큼 충분히 길었는지 확인하십시오. 그렇지 않은 경우 두 개의 소거리 포스 플랫폼을 사용하여 참가자가 첫 번째 플랫폼에서 초기 자세로 서 있고 첫 번째²¹개 앞에 놓인 두 번째 플랫폼에서 스윙 발을 칩니다. 두 경우 모두 정상 상태 보행에 도달할 수 있도록 포스 플랫폼이 최소 5m 길이의 트랙에 내장되어 있는지 확인하십시오.
   참고: 3D 모멘트와 힘을 등록하는 힘 플랫폼은 전체 실험 변수 세트를 계산하는 데 필요합니다(섹션 5 참조).
   1. 안전 조치로 하네스를 천장에 부착하고 실험에 허약한 환자(예: 신경계 환자)가 포함된 경우 포스 플랫폼의 대축에 중앙에 배치합니다.
2. 힘 플랫폼을 보정합니다. 자동 영점 버튼을 클릭합니다.
3. 저널 가져오기
   1. 퀄리시스 트랙 관리자를 엽니다.
   2. "프로젝트"폴더를 선택하고 엽니 다.
4. 환자 폴더를 만듭니다.
   1. 추가를 클릭한 다음 환자를 선택합니다.
   2. 라벨을 입력하십시오 : 환자 ID, 이름, 성, 생년월일, 성별 및 필요한 경우 설명.
   3. 추가를 클릭한 다음 보행 세션을 선택합니다.
   4. 레이블 입력: 케이스 ID, 검사 운영자, 필요한 경우 설명, 진단, 2차 진단, 영향을 받는 쪽, 총 운동 기능 분류, 기능적 이동성 척도, 높이, 체중, 다리 길이 왼쪽, 다리 길이 오른쪽, 무릎 너비 왼쪽, 무릎 너비 오른쪽, 발목 너비 왼쪽, 발목 너비 오른쪽, 밑창 델타 왼쪽, 솔 델타 오른쪽, 어깨 오프셋 왼쪽, 어깨 오프셋 오른쪽, 팔꿈치 너비 왼쪽, 팔꿈치 너비 오른쪽, 손목 너비 왼쪽, 손목 너비 오른쪽, 손 두께 왼쪽, 손 두께 오른쪽 및 마커 직경.
   5. 추가를 클릭한 다음 마커 없는 세션을 선택합니다.
   6. 레이블 입력: 테스트 조건, Prothesis_Orthosis, 외부 지원, 외부 지원 측면, 개인 지원, 개인 지원 측면, 필요한 경우 설명, 테스트 연산자 및 이벤트 모드(다중 포스 플레이트 선택).
5. 포스 플레이트 자동 영점을 확인하십시오.
   1. 도구를 선택합니다.
   2. 포스 플레이트를 클릭합니다.
   3. 클릭 미리 보기 시작 시 레이블 상자 "포스 플레이트 자동 영점"에서.
6. 힘 플랫폼의 기준 신호(힘 및 모멘트)가 충전되지 않은 상태에서 0인지 확인합니다.
   1. 새로 만들기를 클릭하거나 바로 가기 Ctrl+N을 사용합니다.
   2. 데이터 정보 창 1을 클릭하거나 바로 가기 Ctrl+D를 사용합니다.
   3. 힘 데이터 표시를 클릭하거나 바로 가기 Ctrl+D를 사용합니다.
   4. 힘을 클릭하고 플롯을 선택합니다.

3. 실험 절차

1. 참가자들에게 맨발로 서서 포스 플랫폼에 움직이지 않고 자연스러운 직립 자세로 팔을 옆구리에 느슨하게 매달고 시선을 눈높이에서 최소 5m 떨어진 대상에게 향하게하십시오 (그림 1).
   알림: 초기 자세에서 힘 플랫폼에서 발의 위치를 묘사하십시오(예: 분필 사용). 각 시험 후에 참가자가이 표시에 발을 다시 배치하는지주의 깊게 확인하십시오. 이 점은 초기 발 위치가 GI의 APA 기능에 영향을 미치기 때문에 중요합니다.
2. 한 걸음 앞으로 나아가기 위해 눈을 감고 초기 자세를 취하는 동안 참가자의 등을 가볍게 밀어 참가자의 우선 시작 다리를 결정합니다.
3. 참가자들에게 그들이 수행해야 할 작업은 선호하는 다리로 서있는 자세에서 걸음 걸이를 시작하고 트랙 끝까지 계속 걷고 조용히 초기 서있는 자세로 돌아가는 것이라고 설명합니다.
   참고: 실험 중에 주어진 시험에서 확인된 선호 다리로 보행이 시작되지 않으면 시험을 반복하십시오.
4. 보행은 두 개의 연속적인 신호(청각, 시각 또는 촉각), 즉 준비 신호와 출발 신호(3.6단계 및 3.7단계 참조)에 따라 시작되어야 한다고 설명합니다.
5. 속도 및 시간 압력에 대한 지침을 설명하십시오(3.8-3.10단계 참조).
6. 참가자에게 첫 번째 (준비) 신호를 전달합니다. 움직이지 않고 서서 이 첫 번째 신호에서 GI를 예상하지 않도록 지시하십시오.
7. 준비 신호 후 임의의 2-5초 지연 후 두 번째(출발) 신호를 전달합니다.
   1. 이 두 번째 신호를 전달하기 전에 참가자가 시각적으로 움직이지 않는지 확인하십시오. 압력 변위의 전후방 또는 중간측 중심의 시간 플롯으로 온라인으로 부동성을 확인하십시오.
      알림: 움직이지 않으면 APA 발병 (5.1.1 단계)을 감지하기 어려울 수 있습니다.
8. 참가자에게 i) 가능한 한 빨리(즉, 반응 시간 조건에서) 또는 ii) 출발 신호에 따라 준비가 되었다고 느낄 때만(즉, 스스로 시작한 상태에서) 보행을 시작하도록 지시합니다.
9. GI에 부과되는 "시간압"의 조건(즉, 낮은 시간압(자가 개시 조건) 및 높은 시간압(반응 시간 조건))을 변경합니다.
10. GI 속도의 조건을 변경합니다(느리고 자발적이며 빠른 조건).
    1. 실험 조건의 수를 제한하여 피로를 피하기 위해 참가자에게 낮거나 높은 시간적 압력 조건에서 GI 속도의 두 가지 조건(예: 느리고 빠름)만 수행하거나 그 반대(즉, 높고 낮은 시간압 조건에서 느리거나 빠른 속도로 GI)를 수행하도록 지시합니다.
       알림: 시간압 및 GI 속도에 대한 지침을 자주 반복하십시오.
11. 참가자들에게 각 실험 조건에서 일련의 10 연속 시험을 수행하도록 지시하십시오.
    참고: 일련의 5건의 시험은 노인 피험자 또는 파킨슨병 환자에게 충분합니다²².
    1. 순서 효과를 피하기 위해 참가자 전체의 GI 속도 및 시간 압력 조건을 무작위로 지정합니다.
12. 피로의 영향을 피하기 위해 연속적인 조건 사이에 최소 2 분의 휴식을 취하십시오.
13. 각 조건에서 참가자가 녹음 전에 두 번의 친숙화 시험을 수행할 수 있도록 합니다.
14. 준비 신호가 시작되기 몇 초 전에 포스 플랫폼에서 데이터 수집을 트리거하고 참가자가 포스 플랫폼을 떠나면 중지합니다.

그림 1: 실험적 설정. 참가자들은 처음에 최소 5m 길이의 트랙에 내장된 포스 플랫폼(1)에 서서 (2) 눈높이(3)의 목표물을 향하게 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

4. 힘 플랫폼 동역학 기록 처리

1. 15Hz 차단 주파수의 지연 없는 저역 통과 Butterworth 차수를 사용하여 힘 플랫폼에서 데이터를 필터링합니다.
   1. 파일을 가져옵니다.
   2. 비주얼3D를 엽니다.
   3. 파일을 선택하고 엽니 다 "프로젝트".
   4. 가공
      1. 파이프라인을 클릭하거나 바로 가기 F11을 사용합니다.
      2. 신호 필터를 선택합니다.
      3. Lowpass_Filter 선택합니다.
      4. 실행을 클릭합니다.
2. 힘 플랫폼에서 100Hz의 속도로 데이터를 수집합니다.
   1. 파이프라인을 클릭하거나 바로 가기 F11을 사용합니다.
   2. 파일 저장/내보내기를 선택합니다.
   3. Export_Data_To_Acsii_File 선택합니다.
   4. 편집을 클릭합니다.
   5. 정규화를 위한 포인트 수 레이블에 100을 입력합니다.
   6. 실행을 클릭합니다.
3. 뉴턴의 제2법칙^10,23을 사용하여 힘 플랫폼으로 얻은 3D 지면 반력(보충 그림 S1 참조)으로부터 전후방(x''G), 중측(y''G) 및 수직(z''G) 방향을 따른 순간 무게 중심 가속도의 시간 플롯을 계산합니다.
   참고 : 뉴턴의 두 번째 법칙에 따르면 시스템에 가해지는 외력의 합은이 시스템의 질량 (m)에 무게 중심의 가속도를 곱한 값과 같습니다. 따라서이 연구에서 설명 된 GI 프로토콜을 사용하면 참가자에게 적용되는 유일한 외력은 체중 (BW)과 지상 반력 (R)입니다. 방정식 (1), (2) 및 (3)은 다음과 같이 쓸 수 있습니다.
   x''G = Rx / m (1)
   y''G = Ry / m (2)
   z"G = (Rz - BW) / m (3)
   여기서 Rx, Ry, Rz는 각각 벡터 접지 반력의 순간 전후방, 중측, 수직 성분입니다. x''G, y''G 및 z''G의 일반적인 플롯은 그림 2에 나와 있습니다.
4. 0과 같은 적분 상수(즉, null¹⁰으로 간주되는 3D 초기 무게 중심 속도)를 사용하여 3D 무게 중심 시간 플롯의 간단한 수치 적분을 통해 무게 중심 속도의 3D 시간 플롯을 계산합니다. 무게 중심의 전후방, 중측, 수직 속도(각각 x'G, y'G 및 z'G)의 일반적인 시간 플롯은 그림 2 를 참조하십시오.
5. y'G 시간 플롯의 추가 적분을 수행하여 중간 방향을 따라 무게 중심의 변위를 얻습니다. 이 수량을 사용하여 "안정성 한계"를 계산합니다(5.3.5.2단계 참조).
6. 방정식 (4)와 (5)를 사용하여 힘 플랫폼 데이터로부터 압력 중심의 내측(yP) 및 전후방(xP) 변위를 계산합니다.
   (4)
   (5)
   여기서 Mx와 My는 각각 전후 및 중간 방향 주변의 순간 모멘트입니다. Rx, Ry 및 Rz는 각각 순간적인 전후방, 중측, 수직 접지 반력입니다. 그리고 dz는 힘 플랫폼의 표면과 그 원점 사이의 거리입니다 (제조업체에서 제공). xP 및 yP의 일반적인 시간 플롯은 그림 2 에 나와 있습니다( 추가 그림 S2 참조).

5. 실험 변수

참고: 아래에 설명된 각 실험 변수는 각 시행에 대해 얻은 실험 시간 플롯에서 추출해야 합니다.

1. 보행 시작의 타이밍 이벤트 감지
   1. APA의 발병
      1. 중간 및 전후 방향을 따라 압력 변위 중심의 시간 플롯을 표시합니다.
      2. 참가자에게 전달된 두 번째 신호 이전의 250ms 시간 창 동안 압력 시간 플롯의 중간 및 전후 중심의 평균값을 계산합니다.
         참고: 이러한 값은 이러한 시간 플롯의 "기준 값"에 해당합니다.
      3. 압력 변위 트레이스의 내측 및 전후 중심이 최소 50ms 동안 기준 값에서 2.5 표준 편차를 벗어날 때 두 번째 신호 다음에 순간을 감지합니다.
         참고: 이 두 순간은 중간 및 전후 방향(각각 t0ML 및 t0AP; 그림 2). 이 두 모멘트는 또한 중간 및 전후 무게 중심 가속도의 시간 플롯이 각각의 피크 값의 10%에 도달하는 순간으로 식별될 수 있습니다.
      4. 반응 시간 조건에서 APA의 시작이 두 번째(Go) 신호 후 150ms에서 300ms 사이인지 확인합니다. 그렇지 않은 경우 재판과 일시적인 압력에 대한 지침을 반복하십시오.
         참고: 150ms 미만인 경우 참가자가 예상한 것입니다. 300ms보다 크면 참가자가 작업에 집중하지 않은 것입니다.
      5. 자체 시작 조건에서 APA의 시작이 300ms보다 큰지 확인합니다. 그렇지 않은 경우 참가자가 반응 시간 조건에서 보행을 시작했을 수 있으므로 시험과 시간적 압력에 대한 지침을 반복하십시오.
   2. 스윙 힐 오프 시간
      1. 수직 무게 중심 속도와 압력 변위의 전후 중심의 시간 플롯을 표시합니다.
      2. APA 시작 후 수직 무게 중심 속도의 흔적이 처음으로 아래쪽으로 정점을 찍는 순간을 스윙 힐 오프 시간(²⁴ )으로 식별합니다(그림 2). 대안적으로, 압력 변위의 전후 중심의 시간 플롯이 기준선을 향해(즉, 발가락을 향하여) 급격한 강하를 나타내는 순간을 식별하고; 그림 2) 또는 스윙 힐에 풋 스위치 (저렴한 도구)를 놓습니다.
   3. 스윙 토오프 시간
      1. 압력 변위의 내측 및 전후 중심과 무게 중심의 전후 속도의 시간 플롯을 표시합니다.
      2. 압력 변위의 중간 측 중심의 시간 플롯이 스탠스 발 쪽을 향한 첫 번째(준) 고원에 도달하는 순간을 스윙 발가락 오프 시간으로 식별합니다(그림 2). 또는 압력 변위의 전후 중심의 시간 플롯이 최대 후진 값의 90%에 도달할 때 스윙 힐 오프 직후 시간을 식별하거나 스윙 발가락에 풋 스위치를 배치합니다.
   4. 스윙 풋 접촉 시간
      1. 압력 변위의 전후 중심의 시간 플롯을 표시합니다.
      2. 전후방 압력 중심이 갑자기 앞으로 이동하는 순간(그림 2)을 스윙 발 접촉 시간으로 식별합니다. 이 시간 플롯이 파생된 경우 스윙 풋 접촉 시간을 이 파생 시간 플롯이 기준선 수준 값에서 급격히 증가하는 순간으로 식별합니다. 또는 스윙 힐에 풋 스위치를 놓아 이 순간을 감지합니다.
         참고: APA 감지에 대해 위에서 설명한 것과 유사한 방법(평균 기준 수준 값 계산, 단계 5.1.1.2 기반)을 여기에서 사용할 수 있습니다.
   5. 뒷좌석 출발 시간
      1. 압력 변위의 중간측 중심의 시간 플롯을 표시합니다.
      2. 압력 변위의 중간 측 중심의 시간 플롯이 첫 번째 고원과 반대 방향으로 향하는 두 번째 (준) 고원에 도달하는 순간을 식별합니다 (단계 5.1.3.2; 도 2), 후방 풋오프 시간(²⁵). 또는 후면에 풋 스위치를 배치하여 이 순간을 감지합니다.
2. 시간 변수의 계산
   1. 중간 측면 (dAPAML) 및 전후 방향 (dAPAAP)을 따라 APA의 지속 시간에 해당하는 중간 및 전후 방향 모두에 대한 APA 시작 (t0ML 및 t0AP)과 스윙 힐 오프 시간 (tHO) 사이의 지연을 계산합니다. 식 (6) 및 (7)을 참조하십시오.
      dAPAML = tHO - t0ML (6)
      dAPAAP = tHO - t0AP (7)
   2. 스윙 발가락 오프 시간(tTO)과 스윙 힐 오프 시간(tHO) 사이의 지연을 계산하며, 이는 "언로딩 단계" 기간(UNLd; 그림 2) 식 (8)을 사용합니다.
      UNLd = tTO - tHO (8)
   3. 스윙 발가락 오프 시간(tTO)과 스윙 발 접촉(tFC) 사이의 지연을 계산하며, 이는 "스윙 단계" 기간(SWINGd; 그림 2) 식 (9)를 사용하여.
      스윙 = tFC - tTO (9)
3. 공간 변수 계산
   1. 압력 중심의 초기 위치
      1. 중간 및 전후 방향을 따라 압력 변위 중심의 시간 플롯을 표시합니다.
      2. 참가자에게 전달된 두 번째(출발) 신호 이전 250ms 시간 창 동안 압력 위치의 내측(yP0) 및 전후(xP0) 중심의 평균값을 계산하며, 이는 초기 자세(또는 "기준선" 값)의 압력 중심 위치를 나타냅니다.
         참고: 상술한 APA의 시공간적 특징들은 초기 자세(²⁶)에서 압력 중심의 위치에 민감하다. 따라서 실험 조건 (예 : 클리어 할 장애물이있는 조건 대 클리어 할 장애물이없는 조건) 또는 실험 집단 (예 : 건강한 참가자 대 신경 학적 참가자) 간의 APA 기능의 변화가 초기 자세에서 압력 중심 위치의 "단순한"변화로 간주 될 수 없음을 확인하는 것이 중요합니다. 오히려 조사중인 요인에 대한 것입니다.
   2. APA의 진폭
      1. 압력 변위 중심과 무게 중심 속도의 시간 플롯을 중간 및 전후 방향을 따라 표시합니다.
      2. 이러한 4개의 시간 플롯 각각이 APA 시간 창 동안 최대값에 도달하는 순간을 감지합니다(그림 2).
      3. APA 시간 윈도우 동안 검출된 압력 값의 최대 중심으로부터 단계 5.3.1.2에서 계산된 압력 기준선 값의 평균 중심 값(즉, xP0 및 yP0 값)을 뺀다(각 방향에 대해, 즉, 식 (10) 및 (11)을 사용하여 계산).
         xPAPA = xPMAX - xP0 (10)
         이파파 = 이피맥스 - 이피0 (11)
         여기서 xPAPA 및 yPAPA는 각각 전후 및 중간 방향을 따른 APA (압력 중심)의 진폭입니다. xPMAX와 yPMAX는 각각 전후방 및 중간 방향을 따른 압력 변위의 최대 예상 중심입니다.
         참고 : 참가자가 처음에 움직이지 않는 것으로 간주되기 때문에 무게 중심 속도에는 이러한 기준선 빼기가 필요하지 않습니다 (따라서 초기 무게 중심 속도는 null입니다. 4.4 단계 참조). 얻은 4 개의 값은 APA의 진폭 (방향 당 2 개의 값)을 나타냅니다.
   3. 스텝 길이 및 스텝 폭
      1. 전후 방향을 따라 압력 변위 중심의 시간 플롯을 표시합니다.
      2. 압력 중심 위치 xPBACK의 가장 뒤쪽 위치를 감지합니다.
      3. 후방 풋오프 시 압력 중심, xPRFO를 감지합니다(그림 2 및 단계 5.1.5).
      4. 방정식 (12)을 사용하여 스텝 길이^L41에 해당하는 이 두 양 간의 공간적 차이를 계산합니다.
         L = xPBACK - Xprfo (12)
      5. 중간 방향을 따라 압력 변위 중심의 시간 플롯을 표시합니다.
      6. 시간 플롯 yPSTANCE의 첫 번째 고원 동안 얻은 압력 위치의 내측 중심 위치의 가장 측면 위치를 감지합니다("기립", 압력 중심이 그 당시 자세 발 아래에 위치하기 때문에; 그림 2 참조).
      7. 후방 풋오프 시간 yPRFO에서 측면 압력 중심 위치를 감지합니다(그림 2 및 5.1.5단계).
      8. 방정식 (13)을 사용하여 스텝 너비 W²⁵에 해당하는 이 두 양 간의 공간적 차이를 계산합니다.
         W = yPSTANCE - yPRFO (13)
   4. 보행 개시 성능
      1. 전후 방향을 따라 무게 중심 속도의 시간 플롯을 표시합니다(그림 2).
      2. 참가자가 스윙 풋으로 포스 플랫폼을 치는 순간을 감지하고(5.1.4단계, 그림 2) 이 순간의 무게 중심 속도를 GI 성능의 기준으로 기록합니다.
         알림: 스윙 풋 접촉 후 몇 밀리초에 도달하는 이 시간 플롯의 피크 값도 GI 성능의 기준으로 간주될 수 있습니다. 스텝 길이와 스윙 위상 지속 시간도 GI 성능의 기준으로 간주될 수 있습니다. 이러한 수량이 각각 길거나 짧을수록 성능이 향상됩니다.
   5. 안정성 제어 매개 변수
      1. 제동 지수의 경우 수직 방향에 따른 무게 중심 속도의 시간 플롯을 표시합니다. 시간 플롯(z'GMIN)의 피크 하향 무게 중심 속도와 스윙 풋 접촉 시간(z'GFC, 그림 2)에서 무게 중심 속도를 감지합니다. 방정식 (14)을 사용하여 안정성 제어의 지표로 "제동 지수"(BI)라고 하는 이 두 양의 차이를 계산합니다.
         BI = (14)
         참고 : BI는 Do와 동료들에 의해 소개되었으며 중추 신경계가 보행 시작 ^4,5,27의 스윙 단계에서 수직 무게 중심 속도를 감소시킴으로써지지 표면과의 스윙 풋 스트라이크를 예상한다는 증거를 제공합니다. 이 능동 제동은 발 타격 후 안정성 유지를 용이하게합니다. BI가 클수록 안정성 제어가 향상됩니다.
      2. 안정성 여유의 경우 무게 중심 속도와 중간 방향을 따른 변위의 시간 플롯을 표시합니다. 스윙 풋 접촉 시 속도(y'GFC)와 무게 중심의 변위(yGFC)를 감지합니다(그림 2). 식 (15)를 사용하여 발 접촉시 안정성 한계 (MOS)의 중간 구성 요소를 계산합니다.
         (15)
         여기서 BOSmax는 지지밑(BOS)의 중간 경계이고 ω0는 역진자로 모델링된 몸체의 고유 주파수입니다. GI 동안 참가자들은 먼저 스윙 힐로 포스 플랫폼에 체계적으로 착지한 다음 발가락으로 착지합니다. 이러한 발 착륙 전략에서 BOSmax는 후방 발 오프시 압력 위치의 중간 외측 중심으로 추정 할 수 있습니다 (단계 5.1.5). 신체의 고유 주파수는 식 (16)을 사용하여 계산할 수 있습니다.
         (16)
         여기서 g = 9.81m/s²는 중력 가속도이고 l은 역 진자의 길이로 신체 높이의 57.5%에 해당합니다.
         참고: 방정식 (15)에서 괄호 안의 양은 "외삽된 질량 중심"¹⁸이라고 합니다. 발 접촉시 안정성의 조건은 외삽 된 질량 중심이지지 기지 내에 있음을 의미합니다. 이 조건은 양의 MOS 값에 해당합니다. MOS가 음수이면 균형을 회복하기 위해 교정 자세 조정이 필요합니다.

보행 개시 중 힘 플랫폼에서 얻은 대표적인 생체 역학적 시간 플롯에 대한 설명
시간적 압력의 수준이나 GI 속도에 대한 지시에 관계없이 스윙 힐 오프는 APA가 체계적으로 선행됩니다. 이러한 APA는 압력 중심의 후방 및 스윙 레그 측면 이동을 특징으로 할 수 있습니다(그림 2). 이러한 예상 압력 이동 중심은 무게 중심의 반대 방향(즉, 전방 및 자세 다리 쪽)으로의 가속을 촉진합니다. 전후 방향을 따라 무게 중심의 속도는 스윙 발 접촉 직후 피크까지 점진적으로 증가합니다. 중간 방향을 따라 무게 중심 속도는 먼저 스윙 토오프 부근에서 스탠스 다리 쪽으로 정점을 찍은 다음 발 접촉 직후 스윙 다리 쪽으로 정점을 찍습니다. 수직 방향을 따라 무게 중심 속도는 중간 자세 부근에서 아래쪽으로 정점을 찍습니다. 그런 다음 방향을 바꾸고 발 접촉 부근에서 0에 가까운 값에 도달합니다.

그림 2: 보행 개시 중 힘 플랫폼에서 얻은 대표적인 생체역학적 시간 플롯(단일 시행 1회) 및 선택된 시공간 변수. 보행은 반응 시간 조건에서 신속하게 개시되었다. X''G, y''G, z''G: 각각 전후방, 중측, 수직 방향을 따라 무게 중심의 가속도. X'G, y'G, z'G: 각각 전후방, 중측, 수직 방향을 따른 무게 중심의 속도. xP, yP : 각각 전후 및 중간 방향을 따라 압력 중심의 변위. 타이밍 이벤트. t0ML, t0AP, tHO, tTO, tFC, tRFO: 각각 내측 및 전후 방향에 따른 APA 시작, 스윙 힐 오프 시간, 스윙 발가락 오프 시간, 스윙 발 접촉 시간 및 후방 발 오프 시간. 시간 변수. APA, UNL, SWING: APA, UNLOADING 단계 및 보행 시작의 스윙 단계에 대한 시간 창. 공간 변수. X'GFO, x'GFC, xPMAX, yPMAX, L, W, z'GMIN, z'GFC: 풋오프 및 풋-컨택 시 무게 중심의 전후 속도, 전후방 및 중측 방향에 따른 압력 변위의 최대 예상 중심, 스텝 길이, 스텝 폭, 피크 하향 무게 중심 속도, 스윙 풋 접촉 시간에서의 수직 무게 중심 속도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

젊은 건강한 성인의 실험 변수 대표 값 : 속도와 시간압의 영향

시간 변수

APA 기간
전후 및 중간 방향을 따른 APA의 지속 시간은 GI의 속도에 따라 다르지만 반대 방향입니다. 보다 구체적으로, 전후 방향에 따른 APA 지속 시간은 GI 속도에 따라 증가하며, 일반적인 값은 느린 GI의 경우 ~500ms, 빠른 GI9의 경우 ~700ms 사이입니다. 대조적으로, 중간 방향을 따른 APA 지속 시간은 GI 속도에 따라 감소합니다. 일반적인 값의 범위는 느린 GI의 경우 ~700ms, 빠른 GI21의 경우 ~500ms 사이입니다.

전후방 및 중측 APA의 지속 기간은 또한 시간압에 따라 달라집니다 (위에 제공된 값은 자체 개시 상태 (즉, 측압 수준이 낮은 상태)에 대한 것입니다). 문헌 연구는 일반적으로 보행이 빠른 상태에서 시작될 때 낮은 시간압과 높은 시간압이있는 상태에서 APA 지속 시간을 비교합니다 1,28. 이러한 조건 하에서, 전후 및 중측 APA의 지속 시간은 자가 개시 조건에 비해 반응 시간 조건에서 약 20-30ms 감소합니다.

언로딩 단계 지속 시간
언로딩 단계 지속 시간은 GI의 속도에 따라 달라집니다(즉, GI 속도가 증가하면 감소합니다). 일반적인 지속 시간은 느린 GI의 경우 ~200ms, 빠른 GI21의 경우 ~70ms 사이입니다. 언로딩 단계 지속시간은 적어도 보행이 빠른 조건(29)에서 개시될 때 시간적 압력에 민감하지 않다.

스윙 단계 지속 시간
스윙 위상 지속 시간은 GI의 속도에 따라 달라집니다(즉, 속도가 증가하면 감소합니다). 일반적인 지속 시간은 느린 GI의 경우 ~500ms, 빠른 GI21의 경우 ~300ms 사이입니다. 대조적으로, 이 지속 기간은 적어도 보행이 빠른 조건(29)에서 개시될 때 시간적 압력에 민감하지 않다.

공간 변수

APA의 진폭
APA의 진폭은 GI의 속도에 따라 다릅니다. 보다 구체적으로, 자가 개시 상태에서 GI의 속도가 증가하면 전후 방향을 따라 APA의 진폭이 증가합니다9. 일반적인 APA 값의 범위는 느린 GI의 경우 ~7cm에서 ~0.15m/s(각각 압력 변위의 예상 중심 및 무게 속도의 경우)이고 빠른 GI의 경우 ~13cm 및 ~0.36m/s 사이입니다. 압력 변위 중심 측면에서 중간 방향을 따른 APA의 진폭도 GI21의 속도에 따라 증가합니다. 일반적인 값의 범위는 느린 GI의 경우 ~3cm, 빠른 GI의 경우 ~4cm 사이입니다. 대조적으로, APA(중간 방향) 동안 도달한 무게 중심의 최대 속도는 GI의 속도에 따라 변하지 않습니다. 일반적인 값은 ~0.13m/s입니다. APA의 진폭은 적어도 보행이 빠르게 시작될 때 시간압에 민감합니다28,29. 보다 구체적으로, APA의 전후 및 중측 구성 요소는 측두압에 따라 증가합니다.

스텝 길이 및 스텝 폭
스텝 길이와 스텝 폭은 모두 GI의 속도에 의존하지만 시간 압력에는 의존하지 않습니다. 걸음 길이는 일반적으로 보행이 느리고 빠른 상태에서 시작될 때 각각 ~50cm 및 ~90cm에 도달합니다.23. 걸음 폭은 일반적으로 보행이 느리고 빠른 GI 상태에서 시작될 때 각각 ~12cm 및 ~14cm에 도달합니다9.

보행 개시 성능
무게 중심 속도의 피크는 일반적으로 느린 GI의 경우 ~1m/s, 빠른 GI10의 경우 ~2m/s 사이입니다. 빠른 GI의 경우, 시간적 압력은 이 성능 파라미터(29)에 영향을 미치지 않지만, 작은(~9%) 변화(28)를 유도할 수 있다.

안정성 제어 매개 변수

제동 지수
BI는 GI의 속도에 민감합니다. 걸음 길이가 ~43cm 미만인 느린 상태에서 보행을 시작하면 무게 중심의 낙하를 제동할 필요가 없기 때문에 BI는 null입니다. 무게 중심 낙하를 제동해야 할 필요성은 43cm보다 큰 스텝 길이에서 발생합니다. BI의 일반적인 값은 1m/s에서 시작하고 보폭이 55cm27인 보행의 경우 0.08m/s입니다.

안정성 마진
MOS는 GI의 속도 또는 시간 압력21,30에 민감하지 않습니다. GI 동안 얻은 일반적인 MOS 값은 ~ 5cm21입니다.

보충 그림 S1: 보행 시작 중 3D 지면 반력을 보여주는 소프트웨어(Qualisys 트랙 관리자)의 스크린샷. 좌측, 플랫폼 힘축, 압력 중심(지면 반력 벡터의 적용 지점에 해당) 및 초기 자세에서의 지면 반력 벡터; 오른쪽, 보행 시작 중 원시 3D 지상 반력의 시간 과정(참가자 1명, 시험 1회). 녹색, 빨간색 및 파란색 흔적은 각각 전후방, 중간 및 수직 방향을 따른 지면 반력을 나타냅니다. 세로좌표: 뉴턴 단위의 힘 진폭. 가로: ms 단위의 시간. 참가자들은 처음에 포스 플랫폼의 왼쪽에 서서 오른쪽으로 걸음 걸이를 시작했습니다. 참가자는 시간 t = 3,200ms에서 힘 플랫폼을 떠났습니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 그림 S2: 압력 변위 트레이스의 원시 중심을 보여주는 소프트웨어(Qualisys 트랙 관리자)의 스크린샷. 좌측, 힘 플랫폼 축, 압력 중심(지면 반력 벡터의 적용 지점에 해당), 및 초기 자세에서 힘 플랫폼 상에 참여자에 의해 가해지는 작용력 벡터; 오른쪽, 압력 변위의 원시 중심의 시간 경과 추적 (참가자 1 명, 시험 1 회). 녹색과 빨간색 흔적은 각각 전후 및 중간 방향을 따라 압력 변위의 중심을 나타냅니다. 세로좌표: 밀리미터 단위의 변위. 가로: ms 단위의 시간. 참가자들은 처음에 포스 플랫폼의 왼쪽에 서서 오른쪽으로 걸음 걸이를 시작했습니다. 참가자는 시간 t = 3,200ms에서 힘 플랫폼을 떠났습니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

저자는 경쟁 이익이 없습니다.