Uzasadnienie odpowiednich technik przechwytywania ruchu do oceny chodu i postawy nordic walking u osób starszych

Podsumowanie

Celem było uzasadnienie optymalnego wykorzystania technik zbierania danych do analizy chodu i postawy nordic walking. Trójwymiarowe przechwytywanie ruchu powinno być stosowane podczas analizy krótkotrwałej (tj. pojedynczego cyklu chodu), podczas gdy akcelerometria powinna być stosowana do analizy o dłuższym czasie trwania (tj. powtarzających się cykli), takich jak 6-minutowy test chodu.

Streszczenie

Nordic walking (NW) stał się bezpieczną i prostą formą ćwiczeń w ostatnich latach, a do badania tego wzorca chodu zastosowano różne techniki zbierania danych, z których każda miała swoje plusy i minusy. Celem było określenie wpływu NW na chód i postawę osób starszych oraz określenie optymalnego wykorzystania różnych systemów gromadzenia danych zarówno w analizie krótko-, jak i długoterminowej. Chód i postawę podczas NW i normalnego chodzenia oceniano u 17 zdrowych osób starszych (wiek: 69 ± 7,3). Uczestnicy przeprowadzili dwie próby 6-minutowego marszu (6MWT) (1 z kijkami (WP) i 1 bez kijków (NP)) oraz 6 prób 5-metrowego chodu (3 WP i 3 NP). Ruch był rejestrowany za pomocą dwóch systemów, 6-sensorowego systemu akcelerometrii i 8-kamerowego trójwymiarowego systemu przechwytywania ruchu, w celu ilościowego określenia parametrów przestrzenno-czasowych, kinematycznych i kinetycznych.

W obu systemach, uczestnicy wykazywali zwiększoną długość kroku i podwójne wsparcie oraz zmniejszoną prędkość chodu i kadencję WP w porównaniu do NP (p <0,05). Również w przypadku przechwytywania ruchu stwierdzono większy czas pojedynczego wsparcia WP (p <0,05). Dzięki przechwytywaniu 3D stwierdzono mniejsze generowanie mocy bioder i momenty siły przy kontakcie z piętą i przed zamachem, a także mniejszą absorpcję mocy kolana przy kontakcie z piętą, przed zamachem i końcowym wymachu WP w porównaniu z NP, gdy oceniano je w jednym cyklu (p <0,05). Ponadto WP dawał mniejsze momenty siły przy kontakcie z piętą i końcowym wymachu wraz z większymi momentami w środkowej pozycji cyklu chodu (p <0,05). Nie stwierdzono zmian w postawie.

NW wydaje się odpowiednie do promowania normalnego wzorca chodu u osób starszych. Trójwymiarowe przechwytywanie ruchu powinno być stosowane przede wszystkim podczas krótkotrwałej analizy chodu (tj. pojedynczego cyklu chodu), podczas gdy systemy akcelerometryczne powinny być stosowane przede wszystkim w przypadkach wymagających dłuższej analizy, takich jak 6MWT.

Wprowadzenie

Nordic walking (NW) jest uważany za prostą i bezpieczną formę aktywnego marszu z użyciem specjalnie zaprojektowanych kijków¹. Sugeruje się, że kijki zapewniają dodatkową stabilność, poprawiają postawę i zmniejszają obciążenie stawów kończyn dolnych. Istnieją jednak ograniczone lub sprzeczne dowody dotyczące obciążenia stawów i wyrównania postawy. Z jednej strony Schwameder i wsp.², Willson i wsp.³ oraz Koizumi i wsp.⁴ zgłaszają ulepszenia w pomiarach kinematycznych i/lub zmniejszenie reakcji gruntu, sił ściskających i ścinających w swoich badaniach chodu na tyczce. Z drugiej strony, zanikające miary kinematyczne i zwiększone obciążenie stawów pod względem sił hamowania/napędu i momentów siły zostały zgłoszone przez Hansena i wsp.⁵, Stief i wsp.⁶ oraz Hagen i wsp.⁷ podczas chodzenia z kijkami. Ponadto twierdzenia o poprawie wyrównania postawy wydają się być całkowicie niepoparte badaniami naukowymi do tej pory.

Podobnie jak w przypadku sprzecznych wyników dotyczących wzorców chodu, różne metody i sprzęt zostały również wykorzystane w tej linii badań. W kilku badaniach wykorzystano trójwymiarowe systemy przechwytywania ruchu^4,6 i cyfrowe kamery wideo^2,5, wszystkie z płytkami siłowymi wbudowanymi w system, w celu odpowiedniej oceny chodu. Ponadto w innych badaniach wykorzystano inne metody oceny chodu nordyckiego, w tym elektrogoniometrię⁷, elektromiografię (EMG)⁸ i tensometry zamontowane na słupach^2,9. Dzięki technice zastosowanej w tym protokole, ma on szczególną zaletę polegającą na możliwości zademonstrowania bardziej odpowiedniej reprezentacji (tj. powtarzających się cykli chodu) indywidualnego chodu nordic poling w porównaniu z alternatywnymi technikami, które koncentrują się bardziej na krótkich okresach trwania i pojedynczych cyklach chodu. Metoda ta wykorzystuje również akcelerometrię, ważne narzędzie, które do tej pory było rzadko używane w badaniach nad nordic walking. W zależności od celu poszczególnych projektów badawczych, zastosowanie niniejszego protokołu może być właściwe w sytuacjach opisanych w niniejszym protokole, w szczególności w odniesieniu do krótko- i długotrwałego chodu. Należy zauważyć, że zarówno przechwytywanie ruchu, jak i akcelerometria nadają się do uzyskiwania różnych cech chodu, w tym: przestrzenno-czasowych (np. długość kroku, prędkość chodu itp.), kinematycznych (np. zakres ruchu) i kinetycznych (np. siły, moc wyjściowa itp.).

I pomimo użycia tych różnych urządzeń, oceniane były tylko krótkotrwałe zdarzenia chodu (np. pojedynczy cykl chodu), co pozostawia pytania dotyczące najlepszej oceny dłuższego czasu trwania chodu (tj. powtarzających się cykli chodu). Dlatego uzasadnienie dla rozwoju i stosowania tej techniki opiera się na znaczeniu stworzenia pełnego obrazu chodu nordyckiego.

Cel tego badania był dwojaki. Po pierwsze, głównym celem jest określenie i uzasadnienie zastosowania zarówno systemów akcelerometrycznych, jak i trójwymiarowych systemów przechwytywania ruchu w ocenie chodu i postawy zarówno w krótkich, jak i długich okresach. Po drugie, celem jest określenie ogólnego wpływu kijków do nordic walking na wzorce chodu, w tym pomiary przestrzenno-czasowe i kinetyczne, a także ułożenie postawy osób starszych. Do tej pory minimalne badania koncentrowały się na NW u osób starszych, a spośród tych, które zostały opublikowane, funkcja (tj. siła, równowaga, elastyczność) stanowiła główne zmienne wynikowe. Dlatego potrzebna jest wiedza dotycząca roli kijków do chodzenia w mierzalnych zmiennych chodu, która może dostarczyć wglądu w to, w jaki sposób kijki mogą wpływać na nasze wzorce chodu w miarę starzenia się.

Protokół

Badanie to zostało przeprowadzone zgodnie z wytycznymi Rady ds. Etyki Badań Naukowych Uniwersytetu w Ottawie.

1. Procedura przesiewowa

1. Zapewnij pokazy towarzyszące dla lokalnych grup spacerowych i umieść plakaty rekrutacyjne w domach kultury i obiektach publicznych, aby zrekrutować grupę aktywnych, mieszkających w społeczności starszych dorosłych.
2. Podczas pierwszej wizyty najpierw przywitaj się z uczestnikami, przedstaw im laboratorium i daj im czas na przebranie się w odpowiedni strój (tj. spodenki, koszulkę i buty do biegania). Po przygotowaniu należy dostarczyć każdemu uczestnikowi szczegółowy opis badania, uzyskać pisemną świadomą zgodę i sprawdzić każdą osobę pod kątem kwalifikowalności do badania za pomocą różnych kwestionariuszy.
   UWAGA: Kryteria włączenia obejmują: wiek 55-80 lat, nowicjusz w nordic walking (NW), brak schorzeń neurologicznych, brak zaburzeń poznawczych, brak schorzeń serca, brak wcześniejszych urazów lub operacji wpływających na chód i ruchy kończyn górnych oraz zdolność do samodzielnego chodzenia.
   1. Poproś uczestnika o wypełnienie Kwestionariusza Ogólnego Zdrowia i Aktywności Fizycznej oraz Kwestionariusza Gotowości Aktywności Fizycznej (PAR-Q) w celu potwierdzenia wieku, poziomu aktywności, wszelkich istniejących schorzeń neurologicznych i krótkiej oceny zdrowia serca.
   2. Następnie poproś ich, aby wypełnili kwestionariusz stabilności postawy i upadków (zaadaptowany z Ashburn i wsp.¹⁰) w celu określenia częstości występowania upadków, w stosownych przypadkach. Na koniec wypełnij Montrealską Ocenę Poznawczą (MOCA) z każdym przedmiotem, aby kontrolować łagodne upośledzenie funkcji poznawczych¹¹, co stanowi minimalny wynik 26 na 30.

2. Ustawienie kijków i instrukcja nordic walking

1. Zapewnij każdemu uczestnikowi zestaw kijków i poinstruuj go, jak ustawić kijki do optymalnej długości w stosunku do ich wzrostu. Upewnij się, że regulacja odpowiada około 65% wzrostu danej osoby.
   1. Przekaż każdemu uczestnikowi następujące instrukcje dotyczące regulacji kijka. Poproś uczestników, aby stanęli prosto, poproś uczestników, aby umieścili czubek kija przed palcami, poinstruuj uczestników, aby umieścili łokieć i przedramię obok ciała i poproś uczestników, aby wydłużyli drążki tak, aby łokieć tworzył około 90° kąta obok ciała. Na koniec mocno dokręć drążki i odchyl końcówki buta do tyłu.
2. Poinstruuj uczestnika o następujących 4 podstawowych krokach, aby zminimalizować ilość informacji do przetworzenia i zapewnić dokładne zrozumienie techniki¹². Przeznacz około 30 minut na instruktaż i późniejsze ćwiczenie techniki.
   UWAGA: Instrukcje nordic walking powinny być prowadzone przez certyfikowanego instruktora nordicic pole walking.
   1. Przed zabezpieczeniem pasków na nadgarstki poinstruuj uczestnika, aby umieścił kijki za dolną częścią pleców i stał prosto. Poproś uczestników, aby stali z podniesioną klatką piersiową i rozluźnionymi ramionami.
      UWAGA: Wyjaśnij uczestnikowi, że ma to na celu zrozumienie wymaganej wyprostowanej postawy ciała podczas nordic walking.
   2. Poproś każdego uczestnika, aby zabezpieczył paski na nadgarstki, umieścił końcówki kijków za sobą i rozluźnił ręce po bokach. Trzymając ręce otwarte (tj. nie chwytając uchwytów), poinstruuj testera, aby rozpoczął chód z minimalnym wymachem ramion przez około 100 m.
      UWAGA: Na tym etapie kijki po prostu wleczą się za uczestnikiem.
   3. Trzymając ręce otwarte i ciągnąc za sobą kijki, poinstruuj uczestnika, aby zaczął chodzić szybciej. Poproś uczestników, aby wyobrazili sobie, że podnoszą rękę do góry, jakby mieli zamiar uścisnąć czyjąś dłoń.
      UWAGA: Na tym etapie wyjaśnij, że celem jest promowanie naturalnych wzajemnych i rytmicznych ruchów rąk i nóg podczas chodu.
   4. Na koniec, gdy ramię wychyli się do przodu, poproś uczestnika, aby delikatnie chwycił uchwyt i przyłożył siłę do podłoża. Przy każdym zamachu ramienia poinstruuj osobę, aby lekko podniosła kijki z ziemi i mocno je posadziła przy każdym kolejnym kroku.
      UWAGA: Na tym etapie wyjaśnij, że przyłożona siła pomaga w postępie chodu i zapewnia opór mięśniom górnej części ciała.

3. Protokół zbierania i testowania danych

1. Używając standardowej taśmy mierniczej, wagi i suwmiarki, wykonaj pomiary antropometryczne uczestnika, w tym wzrost, wagę, odległość między ASIS, długość lewej i prawej nogi, szerokość kolan, szerokość kostek, przesunięcia ramion, szerokość łokci, szerokość nadgarstka i grubość dłoni.
   1. Za pomocą taśmy mierniczej zmierz długość każdej nogi jako odległość od kolca biodrowego przednio-górnego (ASIS) do środka kostki przyśrodkowej, a także odległość między lewym i prawym ASIS (tj. odległość między ASIS).
      1. Następnie zmierz szerokość każdego stawu za pomocą suwmiarki, znajdując odległość między wypukłościami kostnymi (np. kłykciami) każdego stawu. Na koniec zmierz wzrost i wagę uczestnika za pomocą standardowej taśmy mierniczej i wagi.
2. Aby ocenić wzorce chodu (np. pomiary przestrzenno-czasowe) i wyrównanie postawy w długim okresie czasu, należy użyć systemu akcelerometrycznego do zbierania danych podczas testu 6-minutowego marszu (6MWT), który jest ważnym i odpowiednim testem w ocenie wytrzymałości fizycznej osób starszych¹³.
   1. W przypadku układu przyspieszeniowego należy upewnić się, że składa się on z co najmniej 6 czujników, z których każdy ma wbudowane akcelerometry i żyroskopy w celu pomiaru zarówno przyspieszenia (g), jak i prędkości kątowej (stopnie/s) każdego określonego segmentu ciała.
      1. Przed umieszczeniem na urządzeniu uczestniczącym należy upewnić się, że wszystkie czujniki są bezpiecznie zadokowane w stacji dokującej systemu w celu ich synchronizacji i kalibracji systemu, a ostatecznie przekazania precyzyjnych pomiarów danych¹⁴.
   2. Przymocuj czujniki za pomocą regulowanych pasków na rzepy, przymocuj czujniki do nadgarstków, kostek, odcinka lędźwiowego kręgosłupa (L5) i tułowia i zbieraj z częstotliwością próbkowania co najmniej 100 Hz.
      1. Podczas umieszczania czujników należy upewnić się, że są one zorientowane zgodnie z wytycznymi systemu. Ustaw czujniki kostki do przodu. Umieść czujniki na nadgarstku z tyłu (w pozycji anatomicznej). Umieść czujnik tułowia na szczycie mostka i umieść czujnik L5 bezpośrednio na kręgach L5.
         UWAGA: Dane kinematyczne są przesyłane bezprzewodowo z tych czujników do punktu dostępowego, który służy do precyzyjnego pomiaru czasu transmisji zsynchronizowanych danych.
   3. Dopasuj uczestnika do 6 czujników i poproś go o wykonanie dwóch prób 6MWT, jednej z tyczkami, a drugiej bez. Losowo przypisz te dwie próby do kontroli pod kątem efektu kolejności.
   4. Poinstruuj uczestnika, aby chodził tam i z powrotem po chodniku o długości 25 m z prędkością wybraną przez siebie dla 6MWT, zarówno z kijkami, jak i bez. W tym momencie należy kliknąć "Start", aby rozpocząć zbieranie danych za pomocą systemu akcelerometrii.
      UWAGA: Podczas prób na tyczce należy przekazać uczestnikowi dalsze instrukcje, aby wdrożył swoją instrukcję polowania.
3. Na koniec oceń krótkotrwałe zdarzenia chodu za pomocą trójwymiarowego systemu przechwytywania ruchu zbierającego z częstotliwością co najmniej 100 Hz, z dwiema płytkami siłowymi osadzonymi w ścieżce. Zsynchronizuj platformy siłowe z systemem przechwytywania ruchu, upewnij się, że platformy siły są wyzerowane, aby zapobiec szumom w danych, i upewnij się, że zbierają dane z wystarczającą częstotliwością próbkowania, na przykład 1,000 Hz.
   1. Zsynchronizuj płytki siłowe z systemem przechwytywania ruchu, podłączając je najpierw do komputera za pomocą przewodów dostarczonych przez firmę. Po drugie, bezpośrednio w oprogramowaniu systemu przechwytywania ruchu konieczne jest "dodanie" płytek siłowych do objętości przechwytywania poprzez wprowadzenie wymiarów, czułości, częstotliwości próbkowania i wszelkich innych wymaganych informacji dla systemu.
   2. Upewnij się, że płytki siłowe zostały "wyzerowane". Zrób to w dwóch krokach: 1) kliknij prawym przyciskiem myszy każdą płytkę siłową w oprogramowaniu i wybierz "Płytka z siłą zerową" i 2) naciśnij przycisk "zero", który znajduje się bezpośrednio w polu gromadzenia danych płytek siłowych.
      UWAGA: Upewnij się, że system przechwytywania ruchu zbiera w czasie rzeczywistym informacje zarówno z lewej, jak i prawej nogi o uderzeniach stopą na każdej platformie siłowej i pozwala na analizę przestrzenno-czasową, kinematyczną i kinetyczną.
4. Przeprowadzenie dynamicznej kalibracji systemu (mającej na celu określenie objętości przechwytywania, która ma być używana podczas zbierania danych). Aby to zrobić, machaj różdżką z 3 znacznikami w kontrolowany sposób przez przestrzeń przechwytywania. Następnie wykonaj kalibrację statyczną układu, aby ustawić globalny układ współrzędnych (tj. punkt odniesienia 0, 0, 0 (x, y, z) poprzez umieszczenie 4-znacznikowej ramki L w tym określonym punkcie odniesienia i wybierz opcję "Ustaw głośność" w oprogramowaniu komputerowym.
   UWAGA: Kalibracja dynamiczna pomaga później w rekonstrukcji trójwymiarowej pozycji 39 znaczników odblaskowych użytych w tym modelu.
   1. Dopasuj uczestnika do 39 markerów odblaskowych, mocując je za pomocą taśmy dwustronnej i umieszczając na określonych anatomicznych punktach orientacyjnych, w tym: druga kość śródstopia, kostki boczne, kość piętowa, lewa i prawa środkowa cholewka, boczne kłykcie kości udowej, lewe i prawe śródudzie, ASIS, PSIS, T10, C7, prawy grzbiet, obojczyk, mostek, wyrostki barkowe, lewa i prawa kość środkowa kości ramiennej, nadkłykcie boczne, lewe i prawe przedramię, nadgarstki przyśrodkowe i boczne, druga kość śródręcza, głowa przednio-boczna i głowa tylno-boczna.
   2. Poinstruuj uczestnika, aby następnie wykonał 6 prób 5-metrowego spaceru przez objętość przechwytywania systemów, trzy z tyczkami i trzy bez. Losowo przypisz te próby do kontroli pod kątem efektu zamówienia i podaj tę samą instrukcję, co zgodnie z 6MWT.

4. Dane i analiza statystyczna¹⁴

1. Podczas analizy 6MWT usuń wszystkie zwoje podczas próby, aby uwzględnić chodzenie w stanie ściśle ustalonym Po usunięciu zwojów użyj oprogramowania systemowego, aby wyodrębnić miary przestrzenno-czasowe, zakres ruchu tułowia (ROM) we wszystkich miejscach i prędkości tułowia we wszystkich płaszczyznach.
   UWAGA: Odbywa się to automatycznie podczas tego protokołu za pomocą algorytmów używanych przez sam system¹⁴. Kroki, które należy wykonać, aby wyodrębnić niezbędne zmienne zależne w tym systemie, są wymienione poniżej.
   1. Korzystając z oprogramowania systemu akcelerometrii, najpierw kliknij "Monitoruj dane", wybierz odpowiednie badania ze znacznikiem czasu, które zostały zebrane, kliknij prawym przyciskiem myszy na próby i wybierz "Konwertuj na CSV". Po wykonaniu tej czynności otwórz plik CSV i upewnij się, że dane ze wszystkich 6 czujników zostały wyeksportowane do dalszej analizy.
   2. Następnie ponownie wybierz wersję próbną i kliknij "Eksportuj do PDF". Obserwuj, jak system generuje raport PDF z wieloma zmiennymi. Stąd wyodrębnij zmienne, które są pożądane w badaniu, w tym przypadku miary przestrzenno-czasowe i kinematyczne.
2. W przypadku trójwymiarowego przechwytywania ruchu należy przefiltrować wszystkie próby za pomocą filtra Butterwortha czwartego rzędu o zerowym opóźnieniu dla urządzeń analogowych o częstotliwości odcięcia 10 Hz, a także filtra Woltring dla trajektorii znaczników o przewidywanej wartości MSE 15 mm. W tym celu należy dołączyć opcje filtrowania "Butterworth i Woltring" do potoku operacji w oprogramowaniu systemowym, wybrać wyżej wymienione częstotliwości odcięcia i wartości MSE, a następnie kliknąć "Uruchom".
   1. Dodaj operację "Eksportuj do pliku ASCII" do potoku operacji w systemie i wybierz opcję "Uruchom". Zapisz nowo wyeksportowany arkusz ASCII (arkusz kalkulacyjny) na komputerze.
   2. Otwórz wyeksportowane pliki ASCII i w każdym pliku zlokalizuj moc wyjściową i momenty siły (tj. kinetykę) dla każdego ze stawów kończyn dolnych, w tym kostki, kolana i biodra.
      UWAGA: Korzystając z funkcji minimum i maksimum w arkuszu, oblicz górne i dolne szczyty odpowiadające różnym fazom pojedynczego cyklu chodu (np. A1, K1, H1 itd.), jak opisano w Winter¹⁴.
   3. Następnie wyodrębnij miary przestrzenno-czasowe za pomocą specjalnego oprogramowania systemowego, które w tym przypadku jest automatycznie obliczane za pomocą algorytmów systemowych i pomiarów antropometrycznych. Aby wyodrębnić określone zmienne, najpierw zaimportuj żądaną próbę do oprogramowania systemowego, wybierz opcję "Zdarzenia" i kliknij żądaną zmienną, aby uzyskać średnią zmiennych z każdej próby.
3. Na koniec, korzystając z plików ASCII, zlokalizuj trajektorie znacznika C7, a także znaczników krzyżowych/miednicy. Korzystając z tych trajektorii, oblicz wyrównanie postawy jako różnicę między tymi markerami i trajektoriami zarówno w kierunku przyśrodkowo-bocznym, jak i przednio-tylnym.
4. Otwórz oprogramowanie statystyczne i zaimportuj konkretne badanie. Po pierwsze, używając testu Shapiro-Wilksa dla normalności, upewnij się, czy dane mają rozkład normalny.
   1. Aby porównać z biegunami i bez nich, użyj sparowanych testów t, gdy dane mają rozkład normalny, i testów rang ze znakiem Wilcoxona, gdy są skośne. W razie potrzeby należy stosować procedury porównywania wielu par Holma-Sidak. Poziom istotności jest ustawiony na p <0,05.

Wyniki

Parametry chodu przestrzenno-czasowego

Podczas chodzenia z kijkami do nordic walking i ocenianych za pomocą tablic motion capture i force, długość kroku (p <0,01), podwójny czas podparcia (p <0,001) i czas pojedynczego podparcia (p <0,001) są znacznie dłuższe w porównaniu do chodzenia bez kijków. Ponadto prędkość chodu (p <0,05) jest znacznie wolniejsza, a kadencja (p <0,001) jest znacznie mniejsza w przypadku kij...

Dyskusja

Znaczenie utrzymania spójności w zakresie użytkowania tyczek ma kluczowe znaczenie w tym protokole. W szczególności ważne są odpowiednie kroki dotyczące prawidłowej techniki tyczenia, a także prawidłowego ustawienia tyczek, aby zachować spójność między różnymi badaniami. Dlatego w przypadku takich protokołów należy przestrzegać wytycznych i instrukcji konkretnej organizacji Nordic Walking. Dodatkowo, szczególnie podczas korzystania z akcelerometrii, ważne jest użycie zestawu trójosiowych monitorów całego ciała, aby uzysk...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Kijki do nordic walking	Nordixx Kanada	Nordixx Global Traveler lub Walker	Można stosować alternatywne kijki
System akcelerometryczny APDM	APDM	Opal	Można stosować alternatywne systemy
System przechwytywania ruchu Vicon	Vicon		Alternatywne
systemy Kistler Force Platformy Kistler			Alternatywne platformy mogą być używane
Vicon Nexus & Polygon	Vicon		Używany w analizie danych
Znaczniki odblaskowe 14 mm	Vicon		Liczba lub znaczniki zależy od modelu
Taśma miernicza
Waga
Suwmiarka