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 komisji etyki badań na ludziach Université Paris-Saclay. Uczestnicy zatwierdzili i podpisali formularz zgody.

1. Uczestnicy

  1. Do eksperymentu należy włączyć co najmniej 15 zdrowych młodych dorosłych uczestników (w wieku od 20 do 40 lat).
    UWAGA: Ta zalecana liczba przedmiotów odpowiada temu, co jest klasycznie rozważane w literaturze na temat oznaczeń geograficznych.
  2. Wyklucz uczestników z pomocami do chodzenia, problemami wzrokowymi, słuchowymi lub ortopedycznymi, zidentyfikowanymi zaburzeniami neurologicznymi, demencją, zaburzeniami poznawczymi (tj. wynikiem < 25 na egzaminie Mini Mental State Exam) oraz historią medyczną upadków.
  3. Poproś uczestników o wyrażenie pisemnej zgody po poinformowaniu ich o naturze i celu eksperymentu.
  4. Upewnij się, że eksperyment jest zgodny ze standardami określonymi w Deklaracji Helsińskiej.

2. Przygotowanie laboratorium

  1. Upewnij się, że platforma siłowa jest wystarczająco długa, aby cała stopa huśtawki wylądowała na niej na końcu pierwszego kroku. Jeśli tak nie jest, użyj dwóch platform siłowych o małym dystansie, z uczestnikami stojącymi w początkowej pozycji na pierwszej i uderzającymi stopą zamachową na drugiej, umieszczonej przed pierwszą21. W obu przypadkach należy upewnić się, że platforma(y) siłowa(e) jest/są osadzone(-e) w torze o długości co najmniej 5 m, aby zapewnić osiągnięcie stałego chodu.
    UWAGA: Platforma sił, która rejestruje momenty i siły 3D, jest niezbędna do obliczenia całego zestawu zmiennych eksperymentalnych (patrz sekcja 5).
    1. Jako środek bezpieczeństwa przymocuj uprząż do sufitu i wyśrodkuj ją na wielkiej osi platformy siłowej na wypadek, gdyby eksperyment obejmował słabych pacjentów (np. pacjentów neurologicznych).
  2. Skalibruj platformę(y) siłową(e). Kliknij przycisk automatycznego zerowania.
  3. Importowanie arkuszy
    1. Otwórz menedżera ścieżek Qualisys.
    2. Wybierz i otwórz folder "Projekt".
  4. Utwórz folder pacjenta.
    1. Kliknij Dodaj, a następnie wybierz pacjentów.
    2. W razie potrzeby wprowadź etykiety: identyfikator pacjenta, imię, nazwisko, data urodzenia, płeć i komentarz.
    3. Kliknij Dodaj, a następnie wybierz Sesja chodu.
    4. Wprowadź etykiety: Identyfikator przypadku, Operator testu, Komentarze w razie potrzeby, Diagnoza, Diagnoza wtórna, Strona dotknięta chorobą, Klasyfikacja funkcji motoryki dużej, Skala mobilności funkcjonalnej, Wzrost, Waga, Długość nogi w lewo, Długość nogi w prawo, Szerokość kolana w lewo, Szerokość kolana w prawo, Szerokość kostki w lewo, Szerokość kostki w prawo, Podeszwa delta w lewo, Podeszwa delta w prawo, Przesunięcie ramienia w lewo, Szerokość ramienia w lewo, Szerokość łokcia w prawo, Szerokość nadgarstka w lewo, Szerokość nadgarstka w prawo, Grubość dłoni w lewo, Grubość dłoni w prawo i Średnica znacznika.
    5. Kliknij Dodaj, a następnie wybierz Sesja bez znaczników.
    6. Wprowadź etykiety: Warunek testowy, Prothesis_Orthosis, Pomoc zewnętrzna, Strona pomocy zewnętrznej, Pomoc osobista, Strona pomocy osobistej, Komentarze w razie potrzeby, Operator testu i Tryb zdarzenia (wybierz wiele płytek siłowych).
  5. Zaznacz opcję Wymuś automatyczne zerowanie płytki.
    1. Wybierz Narzędzia.
    2. Kliknij na Force Plates (Płyty siłowe).
    3. Kliknij na Na początku podglądu w polu etykiety "Wymuś automatyczne zerowanie płyty".
  6. Upewnij się, że podstawowe sygnały z platformy siłowej (siły i momenty) są na poziomie zerowym, gdy jest ona rozładowana.
    1. Kliknij Nowy lub użyj skrótu Ctrl+N.
    2. Kliknij okno informacji o danych 1 lub użyj skrótu Ctrl+D.
    3. Kliknij Wyświetl dane siły lub użyj skrótu Ctrl+D.
    4. Kliknij Wymuś i wybierz Działka.

3. Procedura eksperymentalna

  1. Poproś uczestników, aby stali boso i nieruchomo na platformie siłowej w swojej naturalnej wyprostowanej pozycji, z rękami luźno zwisającymi po bokach i wzrokiem skierowanym na cel na wysokości oczu w odległości co najmniej 5 m (Rysunek 1).
    UWAGA: Nakreśl pozycję stóp na platformie siłowej w początkowej pozycji (np. kredą). Dokładnie sprawdź, czy uczestnicy ponownie ustawili stopy na tych znakach po każdej próbie. Ten punkt jest ważny, ponieważ początkowa pozycja stopy wpływa na cechy APA GI.
  2. Określ preferowaną nogę startową uczestników, lekko naciskając na plecy uczestników w początkowej pozycji z zamkniętymi oczami, aby sprowokować krok do przodu.
  3. Wyjaśnij uczestnikom, że zadanie, które mają wykonać, polega na zainicjowaniu chodu z pozycji stojącej preferowaną nogą, kontynuowaniu marszu do końca toru, a następnie cichym powrocie do początkowej pozycji stojącej.
    UWAGA: Jeśli w trakcie eksperymentu chód nie zostanie zainicjowany od zidentyfikowanej preferowanej nogi w danym badaniu, należy powtórzyć próbę.
  4. Wyjaśnij, że chód rozpoczyna się po dwóch kolejnych sygnałach (dźwiękowym, wizualnym lub dotykowym): sygnale przygotowawczym i sygnale odjazdu (zob. kroki 3.6 i 3.7).
  5. Wyjaśnij instrukcje dotyczące prędkości i ciśnienia czasowego (patrz kroki 3.8-3.10).
  6. Przekaż uczestnikom pierwszy (przygotowawczy) sygnał. Poinstruuj je, aby stały nieruchomo i nie przewidywały GI na ten pierwszy sygnał.
  7. Dostarczyć drugi sygnał (odjazd) po losowym opóźnieniu 2-5 s po sygnale przygotowawczym.
    1. Upewnij się, że uczestnicy są wizualnie nieruchomi przed przekazaniem tego drugiego sygnału. Sprawdź bezruch online z wykresami czasowymi przednio-tylnego lub przyśrodkowego środka przemieszczenia ciśnienia
      UWAGA: Jeśli nie są one nieruchome, wykrycie początku APA (krok 5.1.1) może być trudne.
  8. Poinstruuj uczestników, aby albo zainicjowali chód i) tak szybko, jak to możliwe (tj. w warunkach czasu reakcji), albo ii) tylko wtedy, gdy poczują się gotowi (tj. w stanie zainicjowanym przez siebie) po sygnale odjazdu.
  9. Zmienić warunki "ciśnienia czasowego" nałożonego na GI (tj. niskie ciśnienie czasowe (warunek samoinicjacji) i wysokie ciśnienie czasowe (warunek czasu reakcji)).
  10. Zmieniaj warunki prędkości przewodu pokarmowego (warunki wolne, spontaniczne, szybkie).
    1. Aby ograniczyć liczbę warunków eksperymentalnych, a tym samym uniknąć zmęczenia, poinstruuj uczestników, aby wykonywali tylko dwa warunki prędkości przewodu pokarmowego (np. wolno i szybko) w warunkach niskiego lub wysokiego ciśnienia czasowego lub odwrotnie (tj. GI przy niskiej lub dużej prędkości w warunkach wysokiego i niskiego ciśnienia czasowego).
      UWAGA: Często powtarzaj instrukcje dotyczące ciśnienia czasowego i prędkości przewodu pokarmowego.
  11. Poinstruuj uczestników, aby wykonali serię 10 kolejnych prób w każdych warunkach eksperymentalnych.
    UWAGA: Seria pięciu badań jest wystarczająca dla osób w podeszłym wieku lub pacjentów z chorobą Parkinsona22.
    1. Losowo określ warunki prędkości przewodu pokarmowego i ciśnienia czasowego u uczestników, aby uniknąć efektów kolejności.
  12. Nałóż odpoczynek trwający co najmniej 2 minuty między kolejnymi warunkami, aby uniknąć skutków zmęczenia.
  13. W każdym warunku pozwól uczestnikom na wykonanie dwóch prób zapoznawczych przed nagraniami.
  14. Uruchom akwizycję danych z platformy siłowej na kilka sekund przed nadejściem sygnału przygotowawczego i zatrzymaj się, gdy uczestnik opuści platformę siłową.

figure-protocol-1
Rysunek 1: Konfiguracja eksperymentalna. Uczestnicy początkowo stoją na platformie siłowej (1) wbudowanej w tor o długości co najmniej 5 m (2), ze wzrokiem skierowanym na cel na wysokości oczu (3). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

4. Przetwarzanie zapisów kinetyki platformy siłowej

  1. Filtruj dane z platformy siłowej za pomocą dolnoprzepustowego zlecenia Butterwortha bez opóźnień z częstotliwością odcięcia 15 Hz.
    1. Zaimportuj plik.
    2. Otwórz program Visual3D.
    3. Wybierz i otwórz plik "Projekt".
    4. przetwarzanie
      1. Kliknij pozycję Potok lub użyj skrótu F11.
      2. Wybierz opcję Signal Filter (Filtr sygnału).
      3. Wybierz opcję Lowpass_Filter.
      4. Kliknij Wykonaj.
  2. Zbieraj dane z platformy siłowej z częstotliwością 100 Hz.
    1. Kliknij pozycję Potok lub użyj skrótu F11.
    2. Wybierz opcję Zapisywanie/eksportowanie plików.
    3. Wybierz pozycję Export_Data_To_Acsii_File.
    4. Kliknij Edytuj.
    5. Wprowadź wartość 100 w polu Liczba punktów do normalizacji.
    6. Kliknij Wykonaj.
  3. Oblicz wykresy czasowe chwilowych przyspieszeń środka ciężkości wzdłuż kierunku przednio-tylnego (x''G), przyśrodkowego (y''G) i pionowego (z''G) na podstawie sił reakcji gruntu 3D uzyskanych za pomocą platformy siłowej (patrz rysunek uzupełniający S1) przy użyciu drugiego prawa Newtona10,23.
    UWAGA: Zgodnie z drugim prawem Newtona, suma sił zewnętrznych przyłożonych do układu jest równa masie tego układu (m) pomnożonej przez przyspieszenie jego środka ciężkości. Tak więc, przy protokole GI opisanym w tym badaniu, jedynymi siłami zewnętrznymi przyłożonymi do uczestników są masa ciała (BW) i siły reakcji gruntu (R). Równania (1), (2) i (3) można zapisać:
    x''G = Rx / m (1)
    y''G = Ry / m (2)
    z"G = (Rz - cz.c.) / m (3)
    Gdzie Rx, Ry, Rz są odpowiednio chwilowymi przednio-tylnymi, przyśrodkowymi i pionowymi składowymi wektorowej siły reakcji gruntu. Typowe wykresy x''G, y''G i z''G są pokazane w Rysunek 2.
  4. Oblicz wykresy czasowe 3D prędkości środka ciężkości za pomocą prostej całkowania numerycznej wykresów czasu przyspieszenia środka ciężkości 3D, używając stałych całkowania równych zero (tj. początkowej prędkości środka ciężkości 3D uważanej za null10). Zobacz Rysunek 2 dla typowych wykresów czasowych przednio-tylnej, przyśrodkowej i pionowej prędkości środka ciężkości (odpowiednio x'G, y'G i z'G).
  5. Wykonaj dodatkowe całkowanie wykresu czasowego y'G, aby uzyskać przemieszczenie środka ciężkości wzdłuż kierunku środkowo-bocznego. Użyj tej wielkości, aby obliczyć "margines stabilności" (patrz krok 5.3.5.2).
  6. Oblicz przemieszczenie środkowo-boczne (yP) i przednio-tylne (xP) środka ciśnienia na podstawie danych z platformy siłowej za pomocą równań (4) i (5):
    figure-protocol-2 (4)
    figure-protocol-3 (5)
    Gdzie Mx i My to chwilowe momenty wokół odpowiednio kierunku przednio-tylnego i przyśrodkowo-bocznego; Rx, Ry i Rz to odpowiednio chwilowe siły reakcji przednio-tylnej, przyśrodkowej i pionowej reakcji gruntu; a dz to odległość między powierzchnią platformy siłowej a jej początkiem (podana przez producenta). Typowe wykresy czasowe xP i yP są pokazane na Rysunek 2 (zobacz również Rysunek uzupełniający S2).

5. Zmienne eksperymentalne

UWAGA: Każda zmienna eksperymentalna opisana poniżej musi zostać wyodrębniona z wykresów czasowych eksperymentu uzyskanych dla każdej próby.

  1. Wykrywanie zdarzeń czasowych inicjacji chodu
    1. Początek APA
      1. Wyświetla wykresy czasowe środka przemieszczenia ciśnienia wzdłuż kierunku przyśrodkowo-bocznego i przednio-tylnego.
      2. Oblicz średnią wartość przyśrodkowo-bocznego i przednio-tylnego środka wykresu czasowego ciśnienia w oknie czasowym 250 ms poprzedzającym drugi sygnał dostarczony uczestnikom.
        UWAGA: Wartości te odpowiadają "wartościom bazowym" tych wykresów czasowych.
      3. Wykryj momenty następujące po drugim sygnale, gdy przyśrodkowo-boczny i przednio-tylny środek przemieszczenia ciśnienia odchyla się o 2,5 odchylenia standardowego od wartości podstawowej przez co najmniej 50 ms.
        UWAGA: Te dwa momenty odpowiadają początkowi APA wzdłuż kierunku przyśrodkowo-bocznego i przednio-tylnego (odpowiednio t0ML i t0AP; Rysunek 2). Te dwie chwile można również zidentyfikować jako momenty, w których wykresy czasowe przyspieszenia przyśrodkowo-bocznego i przednio-tylnego środka ciężkości osiągają 10% odpowiedniej wartości szczytowej.
      4. Upewnij się, że w warunkach czasu reakcji początek APA mieści się w zakresie od 150 ms do 300 ms po drugim sygnale (Go). Jeśli nie, powtórz próbę i instrukcje dotyczące ciśnienia skroniowego.
        UWAGA: Jeśli jest krótszy niż 150 ms, uczestnicy przewidzieli. Jeśli jest większy niż 300 ms, uczestnicy nie byli skoncentrowani na zadaniu.
      5. Upewnij się, że w stanie samoinicjacji początek APA jest większy niż 300 ms. Jeśli tak nie jest, powtórz próbę i instrukcje dotyczące ciśnienia skroniowego, ponieważ uczestnicy mogli zainicjować chód w warunkach czasu reakcji.
    2. Czas wychylenia się huśtawki z piętą
      1. Wyświetla wykresy czasowe pionowego środka ciężkości, prędkości i przednio-tylnego środka przemieszczenia ciśnienia.
      2. Zidentyfikuj moment, w którym ślad pionowego środka ciężkości prędkości po raz pierwszy osiąga szczyt w dół po rozpoczęciu APA, jako czas wyjścia z wychylenia24 (Rysunek 2). Alternatywnie, zidentyfikuj moment, w którym wykres czasowy przednio-tylnego środka przemieszczenia ciśnienia wykazuje gwałtowny spadek w kierunku linii podstawowej (tj. w kierunku palców u stóp; Rysunek 2) lub umieść przełącznik nożny (niedrogie narzędzie) na pięcie huśtawki.
    3. Czas oderwania palca od huśtawki
      1. Wyświetlić wykresy czasowe przyśrodkowo-bocznego i przednio-tylnego środka przemieszczenia ciśnienia oraz prędkości przednio-tylnej środka ciężkości.
      2. Zidentyfikuj moment, w którym wykres czasowy przyśrodkowego środka przemieszczenia ciśnienia osiąga pierwszy (quasi) plateau skierowany w stronę stopy w pozycji jako czas wychylenia palca (Rysunek 2). Alternatywnie, zidentyfikuj moment następujący po oderwaniu się od pięty, gdy wykres czasowy przednio-tylnego środka przemieszczenia nacisku osiągnie 90% maksymalnej wartości wstecznej, lub umieść przełącznik nożny na palcach huśtawki.
    4. Czas kontaktu stopy huśtawki
      1. Wyświetla wykresy czasowe przednio-tylnego środka przemieszczenia ciśnienia.
      2. Zidentyfikuj moment, w którym przednio-tylny środek nacisku zostaje nagle przesunięty do przodu (Rysunek 2) jako czas kontaktu stopy wahadłowej. Jeżeli ten wykres czasowy jest wyprowadzany, należy określić czas kontaktu stopy huśtawki jako moment, w którym ten pochodny wykres czasu gwałtownie wzrasta w stosunku do wartości poziomu podstawowego. Alternatywnie, umieść przełącznik nożny na pięcie huśtawki, aby wykryć ten moment.
        UWAGA: W tym przypadku można zastosować metodę podobną do opisanej wcześniej w przypadku wykrywania APA (w oparciu o obliczenie średniej wartości poziomu podstawowego; krok 5.1.1.2).
    5. Czas zejścia z tyłu stopy
      1. Wyświetla wykres czasowy środkowo-bocznego środka przemieszczenia ciśnienia.
      2. Zidentyfikuj moment, w którym wykres czasowy środkowo-bocznego środka przemieszczenia ciśnienia osiąga drugi (quasi) plateau, skierowany w przeciwnym kierunku niż pierwszy (krok 5.1.3.2; Rysunek 2), czas zejścia z tyłu25. Alternatywnie umieść przełącznik nożny z tyłu, aby wykryć ten moment.
  2. Obliczanie zmiennych czasowych
    1. Oblicz opóźnienie między wystąpieniem APA (t0ML i t0AP) a czasem wychylenia pięty (tHO) zarówno dla kierunku przyśrodkowo-bocznego, jak i przednio-tylnego, które odpowiadają czasowi trwania APA wzdłuż kierunku przyśrodkowo-bocznego (dAPAML) i przednio-tylnego (dAPAAP). Patrz równania (6) i (7).
      dAPAML = tHO - t0ML (6)
      dAPAAP = tHO - t0AP (7)
    2. Oblicza się opóźnienie między czasem wychylenia palca u nogi (tTO) a czasem wychylenia przechyłu (tHO), które odpowiada czasowi trwania "fazy rozładunku" (UNLd; Rysunek 2) Korzystając z równania (8).
      UNLd = tTO - tHO (8)
    3. Oblicz opóźnienie między czasem oderwania się od wymachu (tTO) a kontaktem stopy wymachu (tFC), które odpowiada czasowi trwania "fazy wymachu" (SWINGd; Rysunek 2) za pomocą równania (9).
      SWINGd = tFC - tTO (9)
  3. Obliczanie zmiennych przestrzennych
    1. Początkowe położenie środka nacisku
      1. Wyświetla wykresy czasowe środka przemieszczenia ciśnienia wzdłuż kierunku przyśrodkowo-bocznego i przednio-tylnego.
      2. Oblicz średnie wartości pozycji środkowego nacisku przyśrodkowo-bocznego (yP0) i przednio-tylnego (xP0) w oknie czasowym 250 ms poprzedzającym drugi sygnał (odjazd) dostarczony uczestnikom, które są reprezentatywne dla pozycji środka nacisku w pozycji wyjściowej (lub wartości "wyjściowej").
        UWAGA: Opisane powyżej cechy czasoprzestrzenne APA są wrażliwe na położenie środka nacisku w pozycji wyjściowej26. Dlatego ważne jest, aby sprawdzić, czy jakakolwiek zmiana w cechach APA między warunkami eksperymentalnymi (np. stan, w którym występuje przeszkoda do usunięcia vs. stan, w którym nie ma przeszkody do usunięcia) lub między populacjami eksperymentalnymi (np. zdrowi uczestnicy kontra uczestnicy neurologiczni) nie może być przypisana "prostej" zmianie pozycji środka nacisku w początkowej pozycji, ale raczej do badanego czynnika.
    2. Amplituda APA
      1. Wyświetla wykresy czasowe przemieszczenia środka ciśnienia i środka ciężkości prędkości wzdłuż kierunku środkowo-bocznego i przednio-tylnego.
      2. Wykryj moment, w którym każdy z tych czterech wykresów czasowych osiąga maksymalną wartość w oknie czasowym APA (Rysunek 2).
      3. Odejmij średnią wartość linii bazowej ciśnienia obliczoną w kroku 5.3.1.2 (tj. wartości xP0 i yP0) od maksymalnej wartości środka ciśnienia wykrytej w oknie czasowym APA (dla każdego kierunku; tj. oblicz za pomocą równań (10) i (11)).
        xPAPA = xPMAX - xP0 (10)
        yPAPA = yPMAX - yP0 (11)
        Gdzie xPAPA i yPAPA są amplitudą APA (środek ciśnienia) odpowiednio wzdłuż kierunku przednio-tylnego i przyśrodkowo-bocznego; xPMAX i yPMAX są maksymalnym środkiem antycypacyjnym przemieszczenia ciśnienia odpowiednio wzdłuż kierunku przednio-tylnego i przyśrodkowo-bocznego.
        UWAGA: Takie odejmowanie linii bazowej nie jest konieczne dla prędkości środka ciężkości, ponieważ uważa się, że uczestnicy są początkowo nieruchomi (początkowa prędkość środka ciężkości jest zatem zerowa; patrz krok 4.4). Cztery otrzymane wartości są reprezentatywne dla amplitudy APA (dwie wartości na kierunek).
    3. Długość i szerokość stopnia
      1. Wyświetla wykres czasowy środka przemieszczenia ciśnienia wzdłuż kierunku przednio-tylnego.
      2. Wykryj najbardziej cofnięte położenie pozycji środkowej ciśnienia, xPBACK.
      3. Wykryj środek nacisku w momencie odsunięcia się od tylnej stopy, xPRFO (Rysunek 2 i krok 5.1.5).
      4. Oblicz różnicę przestrzenną między tymi dwiema wielkościami, która odpowiada długości kroku, L41, używając równania (12).
        L = xPBACK - Xprfo (12)
      5. Wyświetla wykres czasowy środka przemieszczenia ciśnienia wzdłuż kierunku środkowo-bocznego.
      6. Wykryj najbardziej boczną pozycję przyśrodkowego środka nacisku uzyskaną podczas pierwszego plateau wykresu czasowego, yPSTANCE ("postawa", ponieważ środek nacisku znajduje się pod stopą podporu w tym czasie; patrz Rysunek 2).
      7. Wykryj boczny środek nacisku w momencie zejścia z tylnej stopy, yPRFO (Rysunek 2 i krok 5.1.5).
      8. Oblicz różnicę przestrzenną między tymi dwiema wielkościami, która odpowiada szerokości kroku, W25, używając równania (13).
        W = yPSTANCE - yPRFO (13)
    4. Wykonywanie inicjacji chodu
      1. Wyświetl wykres czasowy środka ciężkości prędkości wzdłuż kierunku przednio-tylnego (Rysunek 2).
      2. Wykryj moment, w którym uczestnicy uderzają stopą huśtawki w platformę siłową (krok 5.1.4, Rysunek 2) i zanotuj prędkość środka ciężkości w tym momencie jako kryterium wydajności GI.
        UWAGA: Wartość szczytowa tego wykresu czasowego, która jest osiągana kilka milisekund po kontakcie stopy zamachowej, może być również brana pod uwagę jako kryterium wydajności GI. Długość kroku i czas trwania fazy wymachu mogą być również brane pod uwagę jako kryteria wydajności przewodu pokarmowego. Im odpowiednio dłuższe i krótsze są te ilości, tym lepsza jest wydajność.
    5. Parametry kontroli stateczności
      1. Aby uzyskać indeks hamowania, wyświetl wykres czasowy prędkości środka ciężkości wzdłuż kierunku pionowego. Wykryj szczytową prędkość środka ciężkości skierowaną w dół na wykresie czasu (z'GMIN) i środek ciężkości prędkości w czasie kontaktu stopy wahadłowej (z'GFC, Rysunek 2). Oblicz różnicę między tymi dwiema wielkościami, zwaną "indeksem hamowania" (BI), jako wskaźnikiem kontroli stateczności, korzystając z równania (14).
        BI = figure-protocol-4 (14)
        UWAGA: BI został wprowadzony przez Do i współpracowników i dostarcza dowodów na to, że centralny układ nerwowy przewiduje uderzenie stopy zamachu o powierzchnię podparcia, zmniejszając pionowy środek ciężkości podczas fazy wymachu inicjacji chodu4,5,27. To aktywne hamowanie ułatwia utrzymanie stabilności po uderzeniu stopą. Im większy BI, tym lepsza kontrola stabilności.
      2. Aby uzyskać margines stabilności, wyświetl wykresy czasowe środka ciężkości, prędkości i przemieszczenia wzdłuż kierunku środkowo-bocznego. Wykryj prędkość (y'GFC) i przemieszczenie środka ciężkości (yGFC) w czasie kontaktu stopy zamachowej (Rysunek 2). Oblicz składową przyśrodkowo-boczną marginesu stateczności (MOS) przy kontakcie ze stopą, korzystając z równania (15).
        figure-protocol-5 (15)
        Gdzie BOSmax jest środkowo-boczną granicą podstawy podparcia (BOS), a ω0 jest częstotliwością własną ciała, modelowaną jako odwrócone wahadło. Podczas gi uczestnicy systematycznie lądują na platformie siłowej, najpierw piętą zamachu, a następnie palcem u nogi. Przy takiej strategii lądowania stopą, BOSmax można oszacować przy przyśrodkowym położeniu środka nacisku w momencie oderwania tylnej stopy (krok 5.1.5). Częstotliwość własną ciała można obliczyć za pomocą równania (16).
        figure-protocol-6 (16)
        Gdzie g = 9,81 m/s² to przyspieszenie grawitacyjne, a l to długość odwróconego wahadła, co odpowiada 57,5% wysokości ciała.
        UWAGA: Wielkość w nawiasach kwadratowych w równaniu (15) jest określana jako "ekstrapolowany środek masy"18. Warunek stateczności w kontakcie ze stopą oznacza, że ekstrapolowany środek masy znajduje się w podstawie podparcia. Ten warunek odpowiada dodatniej wartości MOS. Jeśli MOS jest ujemny, konieczne są korekcyjne korekty postawy, aby odzyskać równowagę.

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

Wyniki

Opis reprezentatywnych biomechanicznych wykresów czasowych uzyskanych z platformy siłowej podczas inicjacji chodu
Niezależnie od poziomu ciśnienia czasowego lub instrukcji dotyczącej prędkości przewodu pokarmowego, odchylenie pięty jest systematycznie poprzedzane przez APA. Te APA można scharakteryzować przesunięciem środka nacisku w bok i do tyłu (Rysunek 2). To przesunięcie środka nacisku sprzyja przyspieszeniu środka ciężkości w przeciwnym kierunku (tj. do przodu i po stronie n...

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

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Antycypacyjna regulacja postawyrodek ci ko cirodek naciskukontrola r wnowagipresja czasowachoroba Parkinsona

Powiązane artykuły