Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Posturalna organizacja inicjacji chodu do analizy biomechanicznej z wykorzystaniem nagrań platformy siłowej

2.6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/64088

⸱

26 lipca 2022

 ,  ,  , 
1LADAPT Loiret, Centre de Soins de Suite et de Réadaptation, 2CIAMS, Université Paris-Saclay, 3CIAMS, Université d'Orléans, 4Université Libre de Bruxelles, Belgique

W tym artykule

Podsumowanie

Ten artykuł opisuje materiał i metodę opracowaną do badania organizacji posturalnej inicjacji chodu. Metoda opiera się na zapisach platformy siłowej i na bezpośredniej zasadzie mechaniki do obliczania kinematyki środka ciężkości i środka nacisku.

Streszczenie

Inicjacja chodu (GI), przejściowa faza między ortododalną postawą a lokomocją, jest funkcjonalnym zadaniem i eksperymentalnym paradygmatem, który jest klasycznie używany w literaturze w celu uzyskania wglądu w podstawowe mechanizmy posturalne leżące u podstaw ruchu ciała i kontroli równowagi. Badanie przewodu pokarmowego przyczyniło się również do lepszego zrozumienia fizjopatologii zaburzeń postawy u osób starszych i neurologicznych (np. pacjentów z chorobą Parkinsona). W związku z tym uznaje się, że ma ważne implikacje kliniczne, zwłaszcza w zakresie zapobiegania upadkom.

Ten artykuł ma na celu dostarczenie uczonym, klinicystom i studentom wyższych uczelni informacji na temat materiału i metody opracowanej do badania organizacji postawy przewodu pokarmowego za pomocą podejścia biomechanicznego. Metoda opiera się na zapisach platformy siłowej i bezpośredniej zasadzie mechaniki do obliczenia kinematyki środka ciężkości i środka nacisku. Interakcja między tymi dwoma wirtualnymi punktami jest kluczowym elementem tej metody, ponieważ określa warunki stabilności i progresji całego ciała. Protokół polega na tym, że uczestnik początkowo stoi nieruchomo w pozycji wyprostowanej i zaczyna chodzić aż do końca toru o długości co najmniej 5 m.

Zaleca się różnicowanie prędkości GI (wolny, spontaniczny, szybki) oraz poziomu ciśnienia czasowego - chód może być zainicjowany tak szybko, jak to możliwe, po dostarczeniu sygnału odjazdu (wysoki poziom ciśnienia czasowego) lub gdy uczestnik czuje się gotowy (niski poziom ciśnienia skroniowego). Określono parametry biomechaniczne uzyskane tą metodą (np. czas trwania i amplitudę wyprzedzających korekt postawy, długość/szerokość kroku, wydajność i stabilność) oraz szczegółowo opisano metodę ich obliczania. Ponadto podano typowe wartości uzyskiwane u zdrowych młodych osób dorosłych. Na koniec omówiono kluczowe etapy, ograniczenia i znaczenie metody w stosunku do metody alternatywnej (systemu przechwytywania ruchu).

Wprowadzenie

Inicjacja chodu (GI), przejściowa faza między postawą ortododalną a lokomocją, jest zadaniem funkcjonalnym i eksperymentalnym paradygmatem, który jest klasycznie używany w literaturze do badania kontroli postawy podczas złożonego zadania motorycznego wymagającego jednoczesnego napędu i stabilności całego ciała1. Wiadomo, że pacjenci ze schorzeniami neurologicznymi, takimi jak choroba Parkinsona2, stroke3, postępujące porażenie nadjądrowe4, oraz "zaburzenia chodu wyższego stopnia"5, mają trudności z inicjowaniem chodu, co naraża ich na zwiększone ryzyko upadku. Dlatego ważne jest, aby zarówno nauki podstawowe, jak i kliniczne opracowywały koncepcje i metody pozwalające uzyskać wgląd w mechanizmy kontroli postawy występujące podczas inicjacji chodu, aby zdobyć wiedzę naukową i lepiej zrozumieć patofizjologię zaburzeń chodu i równowagi oraz być w stanie zaradzić im poprzez odpowiednie interwencje.

Koncepcja biomechanicznej organizacji inicjacji chodu jest opisana poniżej, a klasyczna metoda przeznaczona do badania tej organizacji jest szczegółowo opisana w sekcji protokołu. GI można podzielić na trzy następujące po sobie fazy: fazę "antycypacyjnych korekt postawy" (APA) odpowiadającą dynamicznym zjawiskom zachodzącym w całym ciele przed zejściem pięty z wymachu, fazę "odciążania" (między zejściem z pięty a odsunięciem palców) oraz fazę "wymachu", która kończy się w momencie zetknięcia się stopy zamachu z powierzchnią podparcia. Ten klasyczny podział procesu żołądkowo-jelitowego wywodzi się z pionierskich badań Belenkii et al.6 i inni7,8, koncentrując się na koordynacji między postawą a ruchem podczas dobrowolnego podnoszenia ramion do poziomu w pozycji wyprostowanej. W tym paradygmacie segmenty ciała, które są bezpośrednio zaangażowane w podnoszenie ramienia, odpowiadają łańcuchowi "ogniskowemu", podczas gdy segmenty ciała, które są umieszczone między proksymalną częścią łańcucha ogniskowego a powierzchnią podparcia, odpowiadają łańcuchowi "posturalnemu"9. Autorzy ci stwierdzili, że unoszenie ramienia było systematycznie poprzedzane dynamicznymi i elektromiograficznymi zjawiskami w łańcuchu posturalnym, które nazwali "antycypacyjnymi korektami postawy". W przypadku GI odchylenie pięty (lub odchylenie palca od nogi, w zależności od autorów) jest uważane za początek ruchu chodu10. W związku z tym zjawiska dynamiczne zachodzące przed tym momentem odpowiadają APA, a kończyna wymachu jest uważana za składową łańcucha ogniskowego11. Stwierdzenie to jest zgodne z klasyczną koncepcją biomechanicznej organizacji ruchu, zgodnie z którą każdy akt motoryczny musi obejmować komponent ogniskowy i posturalny12,13.

Z biomechanicznego punktu widzenia, APA związane z GI objawia się jako wsteczne i przyśrodkowo-boczne (boczny zorientowany na bok) przemieszczenie środka nacisku, które działa w celu przesunięcia środka ciężkości w przeciwnym kierunku - do przodu i w kierunku strony nogi stojącej. Im większy antycypacyjny środek przemieszczenia ciśnienia do tyłu, tym wyższa wydajność silnika pod względem prędkości wysuniętego do przodu środka ciężkości przy kontakcie ze stopą10,14. Ponadto, przesuwając środek ciężkości w stronę nogi w pozycji stojącej, APA przyczynia się do utrzymania stabilności przyśrodkowo-bocznej podczas fazy wymachu GI1,15,16,17. Aktualna literatura podkreśla, że zmiana w tej antycypacyjnej kontroli stabilności jest głównym źródłem upadków u osób starszych1. Stabilność podczas GI została określona ilościowo w literaturze z adaptacją "marginesu stabilności"18, wielkości, która uwzględnia zarówno prędkość, jak i położenie środka ciężkości w podstawie podpory. Oprócz rozwoju APA, doniesiono, że upadek środka ciężkości podczas fazy wymachu przewodu pokarmowego pod wpływem grawitacji jest aktywnie hamowany przez triceps surae nogi w podporie. To aktywne hamowanie ułatwia utrzymanie stabilności po kontakcie ze stopą, umożliwiając płynne lądowanie stopy na powierzchni podparcia4.

Celem tego artykułu jest dostarczenie uczonym, klinicystom i studentom wyższych uczelni informacji na temat materiału i metody opracowanej w naszym laboratorium w celu zbadania organizacji postawy przewodu pokarmowego za pomocą podejścia biomechanicznego. Ta "globalna" metoda (która może być również utożsamiona z metodą "kinetyczną" z powodów wyszczególnionych poniżej) została zainicjowana przez Brenière'a i współpracowników10,19. Opiera się na bezpośredniej zasadzie mechaniki do obliczania zarówno przyspieszenia środka ciężkości, jak i chwilowych położeń środka ciśnienia. Każdy z tych punktów jest globalnym wyrazem charakterystycznym dla danego ruchu.

Jeden to chwilowe wyrażenie ruchów wszystkich segmentów ciała związanych z celem ruchu (środek ciężkości; np. prędkość postępu ciała podczas GI); drugi (środek ciśnienia) jest wyrazem warunków wsparcia niezbędnych do osiągnięcia tego celu. Chwilowe pozycje tych dwóch punktów odzwierciedlają warunki posturodynamiczne, które muszą być spełnione przy inicjacji chodu. Platforma siłowa jest odpowiednim instrumentem dla tego modelu, ponieważ umożliwia bezpośredni pomiar sił i momentów zewnętrznych działających na powierzchnię nośną podczas ruchu. Pozwala również na wykonywanie naturalnych ruchów i nie wymaga specjalnego przygotowania.

Wiadomo, że wiele czynników wpływa na organizację postawy GI, w tym czynniki biomechaniczne, (neuro)fizjologiczne, psychologiczne, środowiskowe i poznawcze1,20. W pracy skoncentrowano się na wpływie dwóch czynników - prędkości przewodu pokarmowego i ciśnienia czasowego - i przedstawiono typowe wartości uzyskiwane u zdrowych młodych dorosłych.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Protokół opisany poniżej jest zgodny z wytycznymi komitetu etyki badań nad ludźmi Université Paris-Saclay. Uczestnicy zatwierdzili i podpisali formularz świadomej zgody.

1. Uczestnicy

  1. W eksperymencie należy uwzględnić co najmniej 15 zdrowych młodych dorosłych uczestników (w wieku od 20 do 40 lat).
    UWAGA: Ta zalecana liczba badanych odpowiada temu, co klasycznie przyjmuje się w literaturze dotyczącej GI.
  2. Należy wykluczyć uczestników korzystających z pomocy przy chodzeniu, z problemami wzrokowymi, słuchowymi lub ortopedycznymi, zidentyfikowanymi zaburzeniami neurologicznymi, otępieniem, upośledzeniem funkcji poznawczych (tj. wynik < 25 w Mini Mental State Exam) oraz z historią medyczną upadków.
  3. Należy poprosić uczestników o wyrażenie pisemnej zgody po poinformowaniu ich o charakterze i celu eksperymentu.
  4. Należy upewnić się, że eksperyment jest zgodny ze standardami określonymi w Deklaracji Helsińskiej.

2. Przygotowanie laboratoryjne

  1. Upewnij się, że platforma dynamometryczna jest wystarczająco długa, aby cała stopa przenoszona w fazie wymachu mogła na niej wylądować pod koniec pierwszego kroku. Jeśli tak nie jest, użyj dwóch małych platform dynamometrycznych; uczestnicy powinni stać w pozycji wyjściowej na pierwszej z nich, a stopę przenoszoną postawić na drugiej, umieszczonej przed pierwszą21. W obu przypadkach upewnij się, że platforma(y) dynamometryczna(e) są wbudowane w tor o długości co najmniej 5 m, aby zapewnić osiągnięcie stanu ustalonego podczas chodu.
    UWAGA: Do obliczenia pełnego zestawu zmiennych eksperymentalnych niezbędna jest platforma dynamometryczna rejestrująca momenty i siły w 3D (patrz sekcja 5).
    1. W ramach środków bezpieczeństwa, w przypadku gdy w eksperymencie biorą udział pacjenci w stanie ciężkim (np. pacjenci neurologiczni), przymocuj do sufitu uprząż i wyśrodkuj ją względem osi głównej platformy dynamometrycznej.
  2. Skalibruj platformę(y) dynamometryczną(e). Kliknij przycisk auto-zero.
  3. Importowanie dzienników
    1. Otwórz program Qualisys Track manager.
    2. Wybierz i otwórz folder „Project”.
  4. Utwórz folder pacjenta.
    1. Kliknij Add, a następnie wybierz patients.
    2. Wprowadź etykiety: ID pacjenta, imię, nazwisko, datę urodzenia, płeć oraz komentarz, jeśli jest wymagany.
    3. Kliknij Add, a następnie wybierz sesję Gait .
    4. Wprowadź etykiety: ID przypadku, operator testu, komentarze (jeśli wymagane), diagnozę, diagnozę dodatkową, stronę chorą, klasyfikację funkcji motorycznych (GMFCS), skalę mobilności funkcjonalnej, wzrost, wagę, długość lewej nogi, długość prawej nogi, szerokość lewego kolana, szerokość prawego kolana, szerokość lewej kostki, szerokość prawej kostki, deltę lewej stopy, deltę prawej stopy, offset lewego barku, offset prawego barku, szerokość lewego łokcia, szerokość prawego łokcia, szerokość lewego nadgarstka, szerokość prawego nadgarstka, grubość lewej dłoni, grubość prawej dłoni oraz średnicę markera.
    5. Kliknij Add, a następnie wybierz sesję Markerless .
    6. Wprowadź etykiety: warunki testu, proteza_orteza, pomoc zewnętrzna, strona pomocy zewnętrznej, pomoc osobista, strona pomocy osobistej, komentarze (jeśli wymagane), operator testu oraz tryb zdarzeń (wybierz multiple force plate).
  5. Sprawdź ustawienie Force plate auto-zero.
    1. Wybierz Tools.
    2. Kliknij Force Plates.
    3. W polu etykiet „Force plate auto-zero” kliknij On preview start .
  6. Upewnij się, że sygnały bazowe z platformy dynamometrycznej (siły i momenty) wynoszą zero, gdy nie jest ona obciążona.
    1. Kliknij New lub użyj skrótu Ctrl+N.
    2. Kliknij Data info Window 1 lub użyj skrótu Ctrl+D.
    3. Kliknij Display Force Data lub użyj skrótu Ctrl+D.
    4. Kliknij Force i wybierz Plot.

3. Procedura eksperymentalna

  1. Poproś uczestników, aby stanęli boso i nieruchomo na platformie dynamometrycznej w naturalnej pozycji wyprostowanej, z rękami swobodnie opuszczonymi wzdłuż boków ciała oraz wzrokiem skierowanym na cel na wysokości oczu w odległości co najmniej 5 m (Rycina 1).
    UWAGA: Wyznacz pozycję stóp na platformie dynamometrycznej w pozycji początkowej (np. za pomocą kredy). Upewnij się, że uczestnicy po każdej próbie ustawiają stopy dokładnie w tych samych punktach. Jest to istotne, ponieważ początkowe ustawienie stóp wpływa na cechy APA podczas GI.
  2. Określ preferowaną nogę startową uczestników, lekko pchając ich w plecy w pozycji początkowej przy zamkniętych oczach, aby sprowokować krok do przodu.
  3. Wyjaśnij uczestnikom, że ich zadaniem jest rozpoczęcie chodu z pozycji stojącej z preferowaną nogą, kontynuowanie marszu do końca toru, a następnie spokojny powrót do początkowej pozycji stojącej.
    UWAGA: Jeśli podczas eksperymentu chód nie zostanie rozpoczęty z zidentyfikowanej preferowanej nogi w danej próbie, powtórz tę próbę.
  4. Wyjaśnij, że chód ma zostać rozpoczęty po dwóch następujących po sobie sygnałach (akustycznym, wizualnym lub dotykowym): sygnale przygotowawczym i sygnale startowym (patrz kroki 3.6 i 3.7).
  5. Przekaż instrukcje dotyczące prędkości i presji czasowej (patrz kroki 3.8-3.10).
  6. Podaj uczestnikom pierwszy sygnał (przygotowawczy). Poinstruuj ich, aby stali nieruchomo i nie wyprzedzali GI przy tym pierwszym sygnale.
  7. Podaj drugi sygnał (startowy) po losowym opóźnieniu wynoszącym 2-5 s od sygnału przygotowawczego.
    1. Upewnij się, że uczestnicy pozostają w bezruchu przed podaniem drugiego sygnału. Sprawdzaj brak ruchu w czasie rzeczywistym na wykresach czasowych przemieszczenia środka nacisku w płaszczyźnie przednio-tylnej lub bocznej
      UWAGA: Jeśli uczestnicy nie będą stać nieruchomo, wykrycie początku APA (krok 5.1.1) może być utrudnione.
  8. Poinstruuj uczestników, aby po sygnale startowym rozpoczęli chód albo i) tak szybko, jak to możliwe (tj. w warunku czasu reakcji), albo ii) dopiero wtedy, gdy poczują się gotowi (tj. w warunku samoczynnym).
  9. Zmieniaj warunki „presji czasowej” narzucone podczas GI (tj. niska presja czasowa (warunek samoczynny) oraz wysoka presja czasowa (warunek czasu reakcji)).
  10. Zmieniaj warunki prędkości GI (warunki: wolno, spontanicznie, szybko).
    1. Aby ograniczyć liczbę warunków eksperymentalnych i uniknąć zmęczenia, poproś uczestników o wykonanie tylko dwóch warunków prędkości GI (np. wolno i szybko) przy niskiej lub wysokiej presji czasowej, lub odwrotnie (tj. GI z prędkością wolną lub szybką przy wysokiej i niskiej presji czasowej).
      UWAGA: Często powtarzaj instrukcje dotyczące presji czasowej i prędkości GI.
  11. Poinstruuj uczestników, aby wykonali serię 10 kolejnych prób w każdym warunku eksperymentalnym.
    UWAGA: Seria pięciu prób jest wystarczająca dla osób starszych lub pacjentów z chorobą Parkinsona22.
    1. Randomizuj warunki prędkości GI i presji czasowej pomiędzy uczestnikami, aby uniknąć efektów kolejności.
  12. Zastosuj odpoczynek trwający co najmniej 2 min między kolejnymi warunkami, aby uniknąć efektów zmęczenia.
  13. W każdym warunku pozwól uczestnikom wykonać dwie próby zapoznawcze przed rozpoczęciem rejestracji.
  14. Uruchom akwizycję danych z platformy dynamometrycznej na kilka sekund przed wystąpieniem sygnału przygotowawczego i zatrzymaj ją, gdy uczestnik opuści platformę.

Schemat analizy ruchu człowieka z systemem przechwytywania ruchu, osiami współrzędnych i systemem rejestracji.
Rysunek 1: Układ doświadczalny. Uczestnicy początkowo stoją na platformie dynamometrycznej (1) wbudowanej w tor o długości co najmniej 5 m (2), z wzrokiem skierowanym w stronę celu na wysokości oczu (3). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

4. Przetwarzanie zapisów kinetycznych z platformy dynamometrycznej

  1. Przefiltruj dane z platformy dynamometrycznej, stosując filtr dolnoprzepustowy Butterwortha bez przesunięcia fazowego z częstotliwością odcięcia 15 Hz.
    1. Zaimportuj plik.
    2. Otwórz program Visual3D.
    3. Wybierz i otwórz plik „Project”.
    4. Przetwarzanie:
      1. Kliknij Pipeline lub użyj skrótu F11.
      2. Wybierz Signal Filter.
      3. Wybierz Lowpass_Filter.
      4. Kliknij Execute.
  2. Zbierz dane z platformy dynamometrycznej z częstotliwością 100 Hz.
    1. Kliknij Pipeline lub użyj skrótu F11.
    2. Wybierz File Save/Export.
    3. Wybierz Export_Data_To_Acsii_File.
    4. Kliknij Edit.
    5. Wprowadź wartość 100 w polu Number of Points for Normalization.
    6. Kliknij Execute.
  3. Oblicz wykresy czasowe chwilowych przyspieszeń środka ciężkości w kierunkach przednio-tylnym (x''G), boczno-przyśrodkowym (y''G) i pionowym (z''G) na podstawie trójwymiarowych sił reakcji podłoża uzyskanych za pomocą platformy dynamometrycznej (patrz Rycina dodatkowa S1), stosując drugą zasadę dynamiki Newtona10,23.
    UWAGA: Zgodnie z drugą zasadą dynamiki Newtona suma sił zewnętrznych działających na układ jest równa masie tego układu (m) pomnożonej przez przyspieszenie jego środka ciężkości. Zatem w protokole GI opisanym w niniejszym badaniu jedynymi siłami zewnętrznymi działającymi na uczestników są masa ciała (BW) i siły reakcji podłoża (R). Równania (1), (2) i (3) można zapisać następująco:
    x''G = Rx / m     (1)
    y''G = Ry / m     (2)
    z"G = (Rz - BW) / m     (3)
    Gdzie Rx, Ry, Rz to odpowiednio chwilowe składowe przednio-tylna, boczno-przyśrodkowa i pionowa wektora siły reakcji podłoża. Typowe wykresy x''G, y''G i z''G przedstawiono na Rycini 2.
  4. Oblicz trójwymiarowe wykresy czasowe prędkości środka ciężkości poprzez prostą integrację numeryczną trójwymiarowych wykresów czasowych przyspieszenia środka ciężkości, przyjmując stałe całkowania równe zero (tj. początkowa trójwymiarowa prędkość środka ciężkości uznana za zerową10). Typowe wykresy czasowe prędkości przednio-tylnej, boczno-przyśrodkowej i pionowej środka ciężkości (odpowiednio x'G, y'G i z'G) przedstawiono na Rycini 2.
  5. Wykonaj dodatkową integrację wykresu czasowego y'G, aby uzyskać przemieszczenie środka ciężkości w kierunku boczno-przyśrodkowym. Wykorzystaj tę wartość do obliczenia „marginesu stabilności” (patrz krok 5.3.5.2).
  6. Oblicz boczno-przyśrodkowe (yP) i przednio-tylne (xP) przemieszczenie środka nacisku z danych platformy dynamometrycznej, korzystając z równań (4) i (5):
    Równanie równowagi statycznej, yP = (Mx + Ry × dz) / Rz, ilustracja formuły matematycznej.     (4)
    Schemat równania równowagi statycznej, xP=(-My+Rx×dz)/Rz, edukacyjny wykres formuły.     (5)
    Gdzie Mx i My to odpowiednio chwilowe momenty w kierunku przednio-tylnym i boczno-przyśrodkowym; Rx, Ry i Rz to odpowiednio chwilowe przednio-tylna, boczno-przyśrodkowa i pionowa siła reakcji podłoża; a dz to odległość między powierzchnią platformy dynamometrycznej a jej punktem zero (podana przez producenta). Typowe wykresy czasowe xP i yP przedstawiono na Rycini 2 (patrz również Rycina dodatkowa S2).

5. Zmienne eksperymentalne

UWAGA: Każda z opisanych poniżej zmiennych eksperymentalnych musi zostać wyekstrahowana z wykresów czasowych eksperymentu uzyskanych dla każdej próby.

  1. Wykrywanie zdarzeń czasowych inicjacji chodu
    1. Początek APA
      1. Wyświetl wykresy czasowe przesunięcia środka nacisku w kierunku mediolateralnym i przednio-tylnym.
      2. Oblicz wartość średnią wykresu czasowego mediolateralnego i przednio-tylnego środka nacisku w oknie czasowym 250 ms poprzedzającym drugi sygnał przekazany uczestnikom.
        UWAGA: Wartości te odpowiadają „wartościom bazowym” tych wykresów czasowych.
      3. Wykryj momenty następujące po drugim sygnale, w których ślad przesunięcia mediolateralnego i przednio-tylnego środka nacisku odchyla się o 2,5 odchylenia standardowego od wartości bazowej przez co najmniej 50 ms.
        UWAGA: Te dwa momenty odpowiadają początkowi APA w kierunku mediolateralnym i przednio-tylnym (odpowiednio t0ML i t0AP; Rysunek 2). Te dwa momenty można również zidentyfikować jako chwile, w których wykresy czasowe przyspieszenia mediolateralnego i przednio-tylnego środka ciężkości osiągają 10% swojej maksymalnej wartości.
      4. Upewnij się, że w warunkach czasu reakcji początek APA przypada w przedziale od 150 ms do 300 ms po drugim sygnale (Start). Jeśli nie jest tak, powtórz próbę i instrukcje dotyczące presji czasowej.
        UWAGA: Jeśli czas ten jest krótszy niż 150 ms, uczestnicy wykazali antycypację. Jeśli jest dłuższy niż 300 ms, uczestnicy nie byli skupieni na zadaniu.
      5. Upewnij się, że w warunkach inicjacji własnej początek APA jest dłuższy niż 300 ms. Jeśli nie jest tak, powtórz próbę i instrukcje dotyczące presji czasowej, ponieważ uczestnicy mogli zainicjować chód w warunkach czasu reakcji.
    2. Czas oderwania pięty nogi przenoszonej
      1. Wyświetl wykresy czasowe pionowej prędkości środka ciężkości oraz przednio-tylnego przesunięcia środka nacisku.
      2. Zidentyfikuj moment, w którym ślad pionowej prędkości środka ciężkości po raz pierwszy osiąga maksimum skierowane w dół po początku APA, jako czas oderwania pięty nogi przenoszonej24 (Rysunek 2). Alternatywnie, zidentyfikuj moment, w którym wykres czasowy przednio-tylnego przesunięcia środka nacisku wykazuje gwałtowny spadek w stronę wartości bazowej (tzn. w kierunku palców; Rysunek 2) lub umieść przełącznik stopy (tani przyrząd) pod piętą nogi przenoszonej.
    3. Czas oderwania palców nogi przenoszonej
      1. Wyświetl wykresy czasowe mediolateralnego i przednio-tylnego przesunięcia środka nacisku oraz przednio-tylnej prędkości środka ciężkości.
      2. Zidentyfikuj moment, w którym wykres czasowy mediolateralnego przesunięcia środka nacisku osiąga pierwsze (quasi) plateau skierowane w stronę nogi podporowej, jako czas oderwania palców nogi przenoszonej (Rysunek 2). Alternatywnie, zidentyfikuj moment po oderwaniu pięty nogi przenoszonej, w którym wykres czasowy przednio-tylnego przesunięcia środka nacisku osiąga 90% maksymalnej wartości tylnej, lub umieść przełącznik stopy przy palcach nogi przenoszonej.
    4. Czas kontaktu stopy przenoszonej
      1. Wyświetl wykresy czasowe przednio-tylnego przesunięcia środka nacisku.
      2. Zidentyfikuj moment, w którym przednio-tylny środek nacisku zostaje gwałtownie przesunięty do przodu (Rysunek 2), jako czas kontaktu stopy przenoszonej. Jeśli wykres czasowy jest pochodną, zidentyfikuj czas kontaktu stopy przenoszonej jako moment, w którym ta pochodna gwałtownie rośnie względem poziomu bazowego. Alternatywnie, umieść przełącznik stopy pod piętą nogi przenoszonej, aby wykryć ten moment.
        UWAGA: Można zastosować metodę podobną do opisanej wcześniej dla wykrywania APA (opartą na obliczeniu średniego poziomu bazowego; krok 5.1.1.2).
    5. Czas oderwania stopy tylnej
      1. Wyświetl wykres czasowy mediolateralnego przesunięcia środka nacisku.
      2. Zidentyfikuj moment, w którym wykres czasowy mediolateralnego przesunięcia środka nacisku osiąga drugie (quasi) plateau, skierowane w przeciwną stronę niż pierwsze (krok 5.1.3.2; Rysunek 2), jako czas oderwania stopy tylnej25. Alternatywnie, umieść przełącznik stopy z tyłu, aby wykryć ten moment.
  2. Obliczanie zmiennych czasowych
    1. Oblicz opóźnienie między początkiem APA (t0ML i t0AP) a czasem oderwania pięty nogi przenoszonej (tHO) dla obu kierunków – mediolateralnego i przednio-tylnego, co odpowiada czasowi trwania APA w kierunku mediolateralnym (dAPAML) i przednio-tylnym (dAPAAP). Patrz równania (6) i (7).
      dAPAML = tHO - t0ML     (6)
      dAPAAP = tHO - t0AP     (7)
    2. Oblicz opóźnienie między czasem oderwania palców nogi przenoszonej (tTO) a czasem oderwania pięty nogi przenoszonej (tHO), co odpowiada czasowi trwania „fazy odciążenia” (UNLd; Rysunek 2) przy użyciu równania (8).
      UNLd = tTO - tHO     (8)
    3. Oblicz opóźnienie między czasem oderwania palców nogi przenoszonej (tTO) a kontaktem stopy przenoszonej (tFC), co odpowiada czasowi trwania „fazy przenoszenia” (SWINGd; Rysunek 2) przy użyciu równania (9).
      SWINGd = tFC - tTO    (9)
  3. Obliczanie zmiennych przestrzennych
    1. Pozycja początkowa środka nacisku
      1. Wyświetl wykresy czasowe przesunięcia środka nacisku w kierunku mediolateralnym i przednio-tylnym.
      2. Oblicz wartości średnie mediolateralnej (yP0) i przednio-tylnej (xP0) pozycji środka nacisku w oknie czasowym 250 ms poprzedzającym drugi sygnał (startowy) przekazany uczestnikom, które reprezentują pozycję środka nacisku w postawie początkowej (lub wartość „bazową”).
        UWAGA: Opisane powyżej czasowo-przestrzenne cechy APA są wrażliwe na pozycję środka nacisku w postawie początkowej26. Dlatego ważne jest sprawdzenie, czy jakakolwiek zmiana w cechach APA między warunkami eksperymentalnymi (np. warunki z przeszkodą do pokonania vs. bez przeszkody) lub między grupami eksperymentalnymi (np. uczestnicy zdrowi vs. uczestnicy z zaburzeniami neurologicznymi) nie wynika z „prostej” zmiany pozycji środka nacisku w postawie początkowej, lecz z badanego czynnika.
    2. Amplituda APA
      1. Wyświetl wykresy czasowe przesunięcia środka nacisku i prędkości środka ciężkości w kierunku mediolateralnym i przednio-tylnym.
      2. Wykryj moment, w którym każdy z tych czterech wykresów czasowych osiąga wartość maksymalną w oknie czasowym APA (Rysunek 2).
      3. Odejmij średnią bazową wartość środka nacisku obliczoną w kroku 5.3.1.2 (tzn. wartości xP0 i yP0) od maksymalnej wartości środka nacisku wykrytej w oknie czasowym APA (dla każdego kierunku; tzn. oblicz przy użyciu równań (10) i (11)).
        xPAPA = xPMAX - xP0     (10)
        yPAPA = yPMAX - yP0     (11)
        Gdzie xPAPA i yPAPA to amplituda APA (środka nacisku) odpowiednio w kierunku przednio-tylnym i mediolateralnym; xPMAX i yPMAX to maksymalne antycypacyjne przesunięcie środka nacisku odpowiednio w kierunku przednio-tylnym i mediolateralnym.
        UWAGA: W przypadku prędkości środka ciężkości odejmowanie wartości bazowej nie jest konieczne, ponieważ przyjmuje się, że uczestnicy są początkowo nieruchomi (początkowa prędkość środka ciężkości wynosi zatem zero; patrz krok 4.4). Otrzymane cztery wartości reprezentują amplitudę APA (dwie wartości na kierunek).
    3. Długość i szerokość kroku
      1. Wyświetl wykres czasowy przesunięcia środka nacisku w kierunku przednio-tylnym.
      2. Wykryj najbardziej tylną pozycję środka nacisku, xPBACK.
      3. Wykryj pozycję środka nacisku w momencie oderwania stopy tylnej, xPRFO (Rysunek 2 i krok 5.1.5).
      4. Oblicz różnicę przestrzenną między tymi dwiema wartościami, co odpowiada długości kroku, L41, przy użyciu równania (12).
        L = xPBACK - Xprfo     (12)
      5. Wyświetl wykres czasowy przesunięcia środka nacisku w kierunku mediolateralnym.
      6. Wykryj najbardziej boczną pozycję mediolateralnego środka nacisku uzyskaną podczas pierwszego plateau wykresu czasowego, yPSTANCE („podpora”, ponieważ w tym czasie środek nacisku znajduje się pod nogą podporową; patrz Rysunek 2).
      7. Wykryj boczną pozycję środka nacisku w czasie oderwania stopy tylnej, yPRFO (Rysunek 2 i krok 5.1.5).
      8. Oblicz różnicę przestrzenną między tymi dwiema wartościami, co odpowiada szerokości kroku, W25, przy użyciu równania (13).
        ​W = yPSTANCE - yPRFO     (13)
    4. Wydajność inicjacji chodu
      1. Wyświetl wykres czasowy prędkości środka ciężkości w kierunku przednio-tylnym (Rysunek 2).
      2. Wykryj moment, w którym uczestnicy uderzają stopą przenoszoną o platformę dynamometryczną (krok 5.1.4, Rysunek 2) i odczytaj prędkość środka ciężkości w tym momencie jako kryterium wydajności GI.
        UWAGA: Wartość szczytowa tego wykresu czasowego, osiągana kilka milisekund po kontakcie stopy przenoszonej, może być również uznana za kryterium wydajności GI. Długość kroku i czas trwania fazy przenoszenia mogą być również uznane za kryteria wydajności GI. Im odpowiednio większe i mniejsze są te wartości, tym lepsza jest wydajność.
    5. Parametry kontroli stabilności
      1. W przypadku indeksu hamowania wyświetl wykres czasowy prędkości środka ciężkości w kierunku pionowym. Wykryj szczytową prędkość środka ciężkości skierowaną w dół (z'GMIN) oraz prędkość środka ciężkości w czasie kontaktu stopy przenoszonej (z'GFC, Rysunek 2). Oblicz różnicę między tymi dwiema wartościami, zwaną „indeksem hamowania” (BI), jako wskaźnik kontroli stabilności, korzystając z równania (14).
        BI = równanie równowagi statycznej, z'GMIN-z'GFC/z'GMIN, formuła do celów edukacyjnych     (14)
        UWAGA: BI został wprowadzony przez Do i współpracowników i dostarcza dowodów na to, że ośrodkowy układ nerwowy antycypuje uderzenie stopy przenoszonej o powierzchnię podparcia poprzez zmniejszenie pionowej prędkości środka ciężkości podczas fazy przenoszenia w inicjacji chodu4,5,27. To aktywne hamowanie ułatwia utrzymanie stabilności po uderzeniu stopy. Im wyższy BI, tym lepsza kontrola stabilności.
      2. W przypadku marginesu stabilności wyświetl wykresy czasowe prędkości i przesunięcia środka ciężkości w kierunku mediolateralnym. Wykryj prędkość (y'GFC) i przesunięcie środka ciężkości (yGFC) w czasie kontaktu stopy przenoszonej (Rysunek 2). Oblicz mediolateralną składową marginesu stabilności (MOS) przy kontakcie stopy przy użyciu równania (15).
        równanie formuły MOS; analiza równowagi statycznej w kontekście inżynierii bezpieczeństwa     (15)
        Gdzie BOSmax to mediolateralna granica bazy podparcia (BOS), a ω0 to częstotliwość własna ciała, modelowanego jako wahadło odwrócone. Podczas GI uczestnicy systematycznie lądują na platformie dynamometrycznej najpierw piętą, a potem palcami. Przy takiej strategii lądowania stopy BOSmax można oszacować jako mediolateralną pozycję środka nacisku w momencie oderwania stopy tylnej (krok 5.1.5). Częstotliwość własną ciała można obliczyć przy użyciu równania (16).
        formuła częstotliwości kątowej ω₀=√(g/l), wahadło proste, równowaga, równania fizyczne     (16)
        Gdzie g = 9.81 m/s² to przyspieszenie grawitacyjne, a l to długość wahadła odwróconego, która odpowiada 57,5% wysokości ciała.
        UWAGA: Wartość w nawiasach w równaniu (15) nazywana jest „ekstrapolowanym środkiem masy”18. Warunek stabilności przy kontakcie stopy polega na tym, że ekstrapolowany środek masy znajduje się wewnątrz bazy podparcia. Warunek ten odpowiada dodatniej wartości MOS. Jeśli MOS jest ujemny, wymagane są korekcyjne dostosowania postawy w celu odzyskania równowagi.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Opis reprezentatywnych wykresów biomechanicznych w funkcji czasu otrzymanych z platformy dynamometrycznej podczas inicjacji chodu
Niezależnie od poziomu presji czasowej lub instrukcji dotyczącej prędkości GI, odryciu pięty nogi przenoszonej systematycznie poprzedzają APA. Te APA mogą charakteryzować się przesunięciem środka nacisku do tyłu i w stronę nogi przenoszonej (Rycina 2). To antycypacyjne przesunięcie środka nacisku sprzyja przyspieszeniu środka ciężkości w przec...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Celem tego artykułu było dostarczenie naukowcom, klinicystom i studentom szkół wyższych informacji na temat metody ("metody globalnej") stosowanej w naszym laboratorium do badania biomechanicznej organizacji inicjacji chodu (GI). Poniżej omówiono krytyczne kroki protokołu, ograniczenia metody oraz alternatywne metody i zastosowania.

Krytycznym krokiem w protokole jest wykrywanie zdarzeń czasowych przewodu pokarmowego (tj. początek APA, wychylenie pięty i palców oraz odczepienie tylnej stopy). ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają sprzecznych interesów.

Podziękowania

Autorzy chcieliby podziękować ANRT i LADAPT.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Platforma(y) siłowa(e)AMTIJedna duża [120 cm x 60 cm] lub dwie małe [60 cm x 40 cm] platforma(y) siłowa(e)
Python lub MatlabPython lub MathWorksJęzyk programowania do obliczania zmiennych eksperymentalnych
Zarządzanie ścieżką QualisysOprogramowanie do synchronizacji platform(-ów) siłowych, rejestracji i wizualizacji on-line surowych śladów biomechanicznych (siły i momenty 3D)
Visual3DC-Motion IncOprogramowanie do przetwarzania surowych śladów biomechanicznych (filtrowanie dolnoprzepustowe)

Bibliografia

  1. 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).
  2. 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).
  3. Delafontaine, A., et al. Anticipatory postural adjustments during gait initiation in stroke patients. Frontiers in Neurology. 10, 352(2019).
  4. 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).
  5. Demain, A., et al. High-level gait and balance disorders in the elderly, a midbrain disease. Journal of Neurology. 261 (1), 196-206 (2013).
  6. Belen'kiĭ, V. E., Gurfinkel', V. S., Pal'tsev, E. I. On the control elements of voluntary movements. Biofizika. 12 (1), 135-141 (1967).
  7. Bouisset, S., Zattara, M. A sequence of postural movements precedes voluntary movement. Neuroscience Letters. 22 (3), 263-270 (1981).
  8. 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).
  9. Bouisset, S., Do, M. C. Poster, dynamic stability, and voluntary movement. Neurophysiologie Clinique/Clinical Neurophysiology. 38 (6), 345-362 (2008).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Hess, W. R. Teleokinetisches und ereismatisches Kräftesystem in der Biomotorik. Helv Physiol Pharmacol Acta. 1, 62-63 (1943).
  14. Lepers, R., Brenière, Y. The role of anticipatory postural adjustments and gravity in gait initiation. Experimental Brain Research. 107 (1), 118-124 (1995).
  15. Lyon, I. N., Day, B. L. Control of frontal plane body motion in human stepping. Experimental Brain Research. 115 (2), 345-356 (1997).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Hof, A. L., Gazendam, M. G. J., Sinke, W. E. The condition for dynamic stability. Journal of Biomechanics. 38 (1), 1-8 (2005).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Brenière, Y., Do, M. C. Control of Gait Initiation. Journal of Motor Behavior. 23 (4), 235-240 (1991).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. Sint, J. S. V. Color Atlas of Skeletal Landmark Definitions: Guidelines for Reproducible Manual and Virtual Palpations. , Churchill Livingstone. Edinburgh. 29(2007).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
  38. 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).
  39. 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).
  40. Yiou, E., Caderby, T., Hussein, T. Adaptability of anticipatory postural adjustments associated with voluntary movement. World Journal of Orthopedics. 3 (6), 75(2013).
  41. 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).
  42. 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).
  43. 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).
  44. 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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Antycypacyjna regulacja postawyśrodek ciężkościśrodek naciskukontrola równowagipresja czasowachoroba Parkinsona
Posturalna organizacja inicjacji chodu do analizy biomechanicznej z wykorzystaniem nagrań platformy siłowej
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.