Name: 힘 플랫폼 기록을 사용한 생체 역학 분석을위한 보행 개시의 자세 조직 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-07-26T14:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 21 s
Description: 배우세요 힘 플랫폼 기록을 사용한 보행 개시의 자세 조직 분석 방법을 통해 예상 자세 조정을 정밀하게 측정하는 기술을 익히세요. 이 방법은 중추신경계 기능 이해와 운동 장애 진단에 활용됩니다.

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저자는 ANRT와 LADAPT에 감사드립니다.

저자는 경쟁 이익이 없습니다.

이 논문의 목표는 학자, 임상의 및 고등 교육 학생들에게 보행 개시 (GI)의 생체 역학적 조직을 조사하기 위해 실험실에서 사용 된 방법 ( "글로벌"방법)에 대한 정보를 제공하는 것이 었습니다. 프로토콜의 중요한 단계, 방법의 한계, 및 대체 방법 및 응용 프로그램이 아래에서 논의됩니다.
프로토콜의 중요한 단계는 GI의 타이밍 이벤트(즉, APA 발병, 스윙 힐 오프 및 토 오프, 리어 풋 오프)를 감지하는 것입니다. GI 조직과 관련된 시간적 및 공간적 변수의 값은 이러한 이벤트의 올바른 감지에 달려 있습니다. 각각에 대해 몇 가지 탐지 방법이 제안되었습니다 (이러한 제안 된 방법은 완전하지 않습니다). 시험 및 실험 조건 전반에 걸쳐 일관성을 보장하고 문헌의 연구 간에 비교할 수 있도록 데이터 분석 전반에 걸쳐 동일한 방법을 사용하는 것이 좋습니다. 그러나 올바른 타이밍 이벤트가 제대로 감지되도록 두 가지 이상의 다른 방법을 사용하는 것이 좋습니다(이러한 방법에서 시간 기능...

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, 뇌졸중3, 진행성 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 기타7,8의 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 요소12,13을 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 접촉10,14에서 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 연구자10,19에 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.

<table><tbody><tr><td>힘 플랫폼AMTI</td><td></td><td></td> <td>1개의 대형[120 cm x 60 cm] 또는 2개의 작은[60 cm x 40 cm] 힘 플랫폼Python</td></tr> <tr><td>또는 Matlab</td><td>Python 또는 MathWorks</td><td></td><td>실험 변수 계산을 위한 프로그래밍 언어</td></tr><tr><td>Qualisys 트랙 관리</td><td>Qualisys</td><td></td><td>힘 플랫폼의 동기화, 원시 생체 역학적 흔적(3D 힘 및 모멘트)의 기록 및 온라인 시각화를 위한 소프트웨어</td></tr><tr><td>Visual3D</td><td>C-Motion Inc</td><td></td><td>원시 생체 역학 흔적 처리(저역 통과 필터링) 처리를 위한 소프트웨어</td></tr></tbody></table>

힘 플랫폼 기록을 사용한 생체 역학 분석을위한 보행 개시의 자세 조직

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

직교 자세와 정상 상태 이동 사이의 과도 단계인 보행 개시(GI)는 신체 움직임과 균형 제어의 기초가 되는 기본 자세 메커니즘에 대한 통찰력을 얻기 위해 문헌에서 고전적으로 사용되는 기능적 작업이자 실험적 패러다임입니다. GI를 조사하는 것은 또한 노인 및 신경계 참가자(예: 파킨슨병 환자)의 자세 장애의 생리병리학을 더 잘 이해하는 데 기여했습니다. 따라서 특히 낙상 예방 측면에서 중요한 임상적 의미가 있는 것으로 인식되고 있습니다.
이 논문은 학자, 임상의 및 고등 교육 학생에게 생체 역학적 접근 방식을 통해 GI 자세 조직을 조사하기 위해 개발 된 재료 및 방법에 대한 정보를 제공하는 것을 목표로합니다. 이 방법은 힘 플랫폼 기록과 역학의 직접적인 원리를 기반으로 무게 중심과 압력 중심의 운동학을 계산합니다. 이 두 가상 지점 간의 상호 작용은 안정성과 전신 진행 조건을 결정하기 때문에이 방법의 핵심 요소입니다. 이 프로토콜은 참가자가 처음에는 똑바로 서서 최소 5m 트랙이 끝날 때까지 걷기 시작하는 것을 포함합니다.
GI 속도 (천천히, 자발적, 빠름)와 시간적 압력 수준을 변경하는 것이 좋습니다-보행은 출발 신호 전달 후 (높은 수준의 시간적 압력) 또는 참가자가 준비가되었다고 느낄 때 가능한 한 빨리 시작될 수 있습니다 (낮은 수준의 시간적 압력). 이 방법으로 얻은 생체 역학적 매개 변수 (예 : 예상 자세 조정의 지속 시간 및 진폭, 스텝 길이 / 너비, 성능 및 안정성)가 정의되고 계산 방법이 자세히 설명되어 있습니다. 또한 건강한 젊은 성인에서 얻은 전형적인 값이 제공됩니다. 마지막으로, 대안적인 방법(모션 캡처 시스템)에 관한 방법의 중요한 단계, 한계 및 중요성이 논의된다.

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.
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이 논문은 보행 개시의 자세 조직을 조사하기 위해 개발 된 재료와 방법을 설명합니다. 이 방법은 힘 플랫폼 기록과 무게 중심과 압력 중심을 계산하는 역학의 직접적인 원리를 기반으로 합니다.

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

이 방법을 사용하면 예상 자세 조정 또는 APA를 얻을 수 있습니다. APA는 중앙 레벨 시스템의 기능을 반영합니다. 따라서 APA, MOS 및 BI가 어떻게 생겼는지에 대한 질문을 삽입 할 수 있습니다.이 기술의 가장 큰 장점은 정밀도입니다. 또한, 예를 들어 운동 고정이있는 환자에게 적응할 가능성이 있고 덜 피곤한 기술입니다. 이 기술의 의미는 모든 작업 병리로 확장 될 수 있습니다.파킨슨 병의 경우 조기 진단을 제공하거나 무증상 균형 및 보행 장애를 감지하기위한 기계적 마커를 찾는 데 도움이 될 수 있기 때문에 특히 흥미 롭습니다. 이 방법은 달리기 시작 또는 농구 또는 야구 촬영과 같이 정지 된 위치의 제스처가있는 스포츠와 같은 특정 스포츠에 적용 할 수 있습니다. 이 방법을 한 번도 해본 적이없는 사람도 잘 수행 할 수 있다고 생각합니다.당신은 엄격해야합니다. 시작하려면 참가자들에게 맨발로 서서 자연스럽게 똑바로 선 자세로 힘 플랫폼에 움직이지 않도록 요청하십시오. 팔을 옆구리에 느슨하게 매달고 시선은 최소 5미터 떨어진 눈높이의 목표물을 향하고 있습니다.참가자의 우선 시작 다리를 결정하려면 눈을 감고 초기 자세에서 등을 가볍게 밀어 앞으로 나아가도록 유도합니다. 참가자들에게 그들이 수행해야 할 작업은 선호하는 다리로 서있는 자세에서 보행을 시작하는 것이라고 설명합니다. 트랙 끝까지 계속 걷다가 조용히 초기 서있는 자세로 돌아갑니다.보행은 준비 신호와 출발 신호라는 두 개의 연속적인 신호에 따라 시작되어야 한다고 설명합니다. 그런 다음 속도와 시간 압력에 대한 지침을 설명하십시오. 포스 플랫폼에서 데이터 수집을 트리거하고 참가자에게 첫 번째 또는 준비 신호를 전달합니다.움직이지 않고 서서 이 첫 번째 신호에서 보행 시작을 예상하지 않도록 지시하십시오. 참가자가 시각적으로 움직이지 않는지 확인하십시오. 압력 변위의 전후방 또는 내측 측면 중심의 시간 플롯으로 부동성을 온라인으로 확인하십시오.그런 다음 두 번째 또는 출발 신호를 전달합니다. 보행 개시에 부과되는 시간적 압력의 조건을 변화시킨 다음 보행 개시 속도의 조건을 변화시킨다. 참가자들에게 각 실험 조건에서 일련의 10 회 연속 시험을 수행하고 피로의 영향을 피하기 위해 연속 조건 사이에 최소 2 분의 휴식을 취하도록 지시하십시오.각 조건에서 참가자가 녹음 전에 두 번의 친숙화 시험을 수행하도록 허용합니다. 마지막으로, 참가자가 포스 플랫폼을 떠난 후 데이터 수집을 중지합니다. 보행 시작 중 힘 플랫폼에서 얻은 생체 역학적 시간 플롯과 선택한 공간 시간 변수가 여기에 표시됩니다.보행은 반응 시간 조건에서 신속하게 개시되었다. 무게 중심의 가속도와 전후, 내측 측면 및 수직 방향을 따른 무게 중심의 속도가 여기에 묘사됩니다. 전후 및 내측 측면 방향을 따른 압력 중심의 변위도이 그림에 묘사되어 있습니다.미디어 측면 및 전후 방향에 따른 예상 자세 조정 또는 APA의 시작, 스윙 힐 오프 시간, 스윙 토 오프 시간, 스윙 발 접촉 시간 및 뒷발 오프 시간이 여기에 표시됩니다. 이 그림은 또한 APA의 시간 창, 하역 단계 및 보행 시작의 스윙 단계와 같은 다양한 시간 변수의 대표 값을 보여줍니다. 발 오프 및 발 접촉시 무게 중심의 전후 속도와 같은 다양한 공간 변수의 대표 값.스윙 풋 접촉 시간에서 압력 변위의 최대 예상 중심, 스텝 길이, 스텝 폭, 최대 하향 무게 중심 속도 및 수직 무게 중심 속도가 여기에 표시됩니다. 발의 가장 중요한 부분은 좋은 기준선을 갖기 위해 참가자가 눈에 띄게 움직이지 않도록하는 것입니다. 그 외에도 참가자가 녹음 전에 두 가지 형식화를 수행하는 것도 중요합니다.이것은 우리가 구절 중에 정말 더 나은 재판을 할 수있게 해줄 것입니다. 따라서 운동학적 방법을 사용하여 고정 작업 중에 데이터를 추가할 수 있습니다. 일부 연구자들이 관심을 갖고 엔지니어링에서 임상 복제에 이르기까지 현장에서 이 기술을 어떻게 사용할 수 있는지 생각할 수 있다고 생각합니다.

postural-organization-gait-initiation-for-biomechanical-analysis

Research

연구

JoVE Journal

Neuroscience

신경과학

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본 프로토콜은 모션 캡처 시스템을 사용하여 생체 역학 실행에 대한 스텝 폭 조작의 영향을 조사하기 위해 고안된 실험 설정을 간략하게 설명합니다. 목표는 관련 데이터 세트를 확장하고 다양한 보폭 폭이 인간 하지의 운동학적 사슬에 미치는 영향을 조사하는 것입니다.

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이 프로토콜은 풋스캔 압력판을 사용하여 45° 방향 전환 작업 중 족저 압력 분포, 발 균형, 발 축 각도를 정량화하는 표준화된 접근법을 상세히 설명하여, 통제된 접근 속도에서 양측 사지 하중 패턴을 재현 가능하게 평가할 수 있게 합니다.

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힘 플랫폼 기록을 사용한 생체 역학 분석을위한 보행 개시의 자세 조직

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