充实适当的运动捕捉技术的越野行走步态中老年人的评估和姿势

Summary

这样做的目的是为了证实越野行走步态和姿势分析，数据收集技术的最佳使用。三维运动捕捉应短持续时间的分析（ 即单步态周期）期间使用，而加速度计，应采用较 ​​长的持续时间分析（ 即反复循环）像6分钟步行试验。

Abstract

越野行走（NW）已成为运动的安全和简单的形式，近年来，并且在研究该步态模式，各种数据收集技术已采用，每个阳性和阴性。这样做的目的是要确定NW对老年人成年步态和姿势的影响，并确定在短期和长期持续时间分析不同的数据收集系统的最佳利用。 NW和正常行走时步态和姿势在17名健康的老年人进行了评估（年龄：69±7.3）。参加演出的6分钟步行试验（6MWT）两项试验（1极点（WP）和1个无杆（NP））和5米之遥（3 WP和3 NP）6试验。使用两个系统，一个6传感器加速度计系统和一个8摄像机的三维运动捕捉系统运动被记录，以量化的时空，运动学和动力学参数。

与这两个系统中，参与者表现出增加步幅和双拥增减ED步态速度和节奏WP相比，NP（P <0.05）。此外，动作捕捉，大单支持时间被发现WP（P <0.05）。随着3-D采集，较小的臀部发电和力量的瞬间被发现在相对于NP，当超过评估脚跟接触和预摆以及较小的膝盖功率吸收在脚跟接触，预摆，和终端摆动WP周期（p <0.05）。另外，可湿性粉剂在步态周期（P <0.05）的立脚中间产生了在后跟的接触和与较大的时刻沿终端摇摆力小的时刻。被发现的姿势没有变化。

NW看起来适合中老年人促进正常的步态。三维运动捕捉应主要短持续时间的步态分析（ 即单步态周期）期间使用，而加速度计系统应在需要更长的持续时间的分析，如6MWT期间实例中主要使用。

Introduction

北欧式健走（NW）被认为是使用专门设计的杆¹健身走的简单和安全的方式。有人建议，极提供增加稳定性，改善姿势，减少下肢关节的压力。然而，有限的或相互矛盾的证据存在关于关节负荷和姿势的调整。一方面，Schwameder 等 ^2，威尔森等 ³和小泉等人在运动的措施和/或在地面反应，压缩减少量，并与他们的极行走研究的剪切力⁴报告的改进。另一方面，在制动/推进力和力矩的方面下降运动的措施，提高关节负荷已经报道由Hansen等 ^5，Stief 等 ⁶和Hagen等 ⁷而极行走。此外，改善姿势的调整的说法似乎已经消失了entirelŸ通过科研这点不支持。

与步态模式，不同的方法和设备发现了相反的结果类似在这方面的研究被用作良好。几项研究已经使用的3维动作捕捉系统^4,6和数码摄像机^2,5，全部用并入系统力板，以充分评估步态。而另外，其他研究评估采用北欧极化步态包括使用electrogoniometry ^7，肌电图^（EMG）8的其他手段，应变计安装在电线杆^2,9。在这个协议中所使用的技术，提出了能够超过更多集中在较短的持续时间和单步态循环的替代技术来证明个人的北欧极化步态的更适当的表示（ 即重复步态周期）的特定优势。另外，该方法使用加速度计，一个有效的工具，这一点在越野行走的研究被稀疏使用。根据个别的研究项目的目标，如在本协议所述，特别是对短期和长期的持续时间步态此协议的应用程序可能是适当的情况下。要注意，这两个运动捕捉和加速度计是适于获得各种步态特征，包括重要的是：时空（ 如步幅长度，步态速度等 ），运动（ 例如 ，运动的范围），和动力学（ 例如力，输出功率等 ）的参数。

尽管使用这些不同设备的，只是时间短步态事件（ 即单步态周期）进行了评估，留下的问候问题，最好的评估持续时间较长的步态（ 即重复步态周期）。因此，对于开发和使用该技术的基本原理是基于第i塑造北欧极化步态的完整画面的mportance。

本研究的目的是双重的。第一，主要目标是确定和证实在步态和姿势的评估使用两个加速度计系统和三维运动捕获系统的过短和长持续时间。其次，我们的目标是确定对步态模式包括时间空间和动能措施以及老年人的姿势的调整越野行走手杖的整体效果。迄今为止，极少的研究主要集中在老成人NW对那些为已经出版，功能（ 即力量，平衡，柔韧性）代表了主要的结果变量。因此，需要对有关的步态可测量变量拐杖的作用，知识，能洞察随着年龄的增长极可以怎么玩到我​​们的步态模式。

Protocol

这项研究是根据渥太华大学的研究伦理委员会的指导进行。

1.筛选程序

1. 为了招收一批活跃，社区居住的老年人提供一面展示演示文稿在社区中心和公共设施当地步行组和岗位招聘海报。
2. 在最初的访问，首先迎接参加，向他们介绍了实验室，并为他们提供时间来改变成适当的服装（ 如短裤，T恤和运动鞋）。一旦准备就绪，提供每个参与者具有深入的研究说明，取得知情同意书，并筛选每个人使用各种问卷调查研究的资格。
   注：纳入标准包括：55-80岁，新手越野行走（NW），无神经系统疾病，无认知障碍，无心脏疾病，既往无损伤或手术影响步态和上肢体的运动，并以独立行走的能力。
   1. 有参与者完成一般健康和体力活动问卷，为了体育活动准备问卷（PAR-Q），确认年龄，活动水平，任何现有的神经系统疾病，并简要评估心脏健康。
   2. 接着，让他们完成自我报告姿势稳定性和跌倒问卷（改编自阿什等人 ^10），以确定跌倒流行，如果适用的话。最后，为了控制为轻度认知障碍¹¹每个受试者完成蒙特利尔认知评估（MOCA），构成的26的最低分数总分30。

2.极设置和越野行走指令

1. 提供与一组磁极的每个参与者，并指示他们如何磁极调整到最佳相对于其高度的长度。保证调整对应于约6个人的身体高度的5％。
   1. 提供关于极调整以下说明每个参与者。请参与者挺起胸膛，有与会者把极尖的脚趾前面，指导学员放置肘部和前臂尸体旁边，并要求参与者延长杆使肘部形成一个近似90°角下的身体。最后，拧紧杆和角度引导提示倒退。
2. 指示参与者以下4个基本步骤，以便最小化的信息来处理的量和确保技术¹²的透彻理解。配发的指令和技术的随后的实践大约30分钟。
   注：越野行走的指令是由经过认证的越野行走极导师给出。
   1. 固定手腕带之前，指示参与者把他们极腰背后面巍然屹立。请参与者站在自己的胸部又高又轻松的肩上。
      注：解释到这样做是为了获得所需的直立体位进行越野行走的理解参与者。
   2. 已每个参与者固定手腕，把它们背后的极尖，并在其两侧放松武器。同时保持自己的双手打开（ 即不抓把手），责成主题，开始以最小的摆臂走了约100米。
      注：在此阶段，该磁极被简单地尾随参与者的后面。
   3. 同时仍保持双手打开并拖动两极他们身后，指导参与者开始走快。请参与者想象将他们的手，好像他们即将撼动人的手。
      注：在此阶段，说明我们的目标是在步态，促进手臂和腿的自然互惠和有节奏的动作。
   4. 最后，随着手臂向前摆动，有参与者轻轻抓住把手，对地面施加的力。每次摆臂，指导个体微微抬起电线杆离地面，牢牢以后每次步幅种植他们。
      注：在此阶段，解释，在步态的进展所施加的力助剂，并提供到上身肌肉阻力。

3.数据采集和测试协议

1. 使用标准的卷尺，体重秤，和厚度，取参与者的人体测量，包括身高，体重，间ASIS距离，左，右腿的长度，膝盖的宽度，踝宽度，肩偏移，肘宽度，腕宽度和手厚度。
   1. 使用卷尺，测量各腿的长度作为来自前-上棘（ASIS）到内踝的中心的距离，以及左和右ASIS之间的距离（ 即</ em>的跨ASIS的距离）。
      1. 接着，使用卡尺通过找到骨突之间（ 例如髁）每个关节的距离测量每个关节的宽度。最后，测量使用标准卷尺和规模的参与者的身高和体重，分别。
2. 为了评估步态模式（ 例如时空措施）和姿势的调整过的很长一段时间，使用的数据收集的加速度计系统期间，6分钟步行测试（6MWT），这是一个有效的和合适的测试中评估老年成人身体耐力^13。
   1. 对于加速度计系统，确保其以同时测量加速度（g）和每个特定身体段的角速度（度/秒）包括至少6个传感器，每个加速度计和掺入其中陀螺仪。
      1. 此前在参与者的位置，确保所有传感器ARË安全地停靠到系统的基座，以便将它们同步和校准系统，并最终传递精确的测量数据^14。
   2. 附加使用可调钩和环带的传感器，固定传感器到手腕，脚腕，腰椎（L5）和躯干和至少100赫兹的采样速率收集。
      1. 当放置的传感器，确保它们根据系统指引导向。脚踝传感器前方的位置。手腕上的传感器后方位置（解剖位置时）。躯干传感器胸骨顶上定位，并在L5椎骨L5的传感器直接定位。
         注：运动学数据被无线来自这些传感器发射到一个接入点，其用于精确时间同步的数据的传输。
   3. 恰好与6个传感器参与者并要求他们执行6MWT的两项试验，其中一个极与邻NE没有。随机地分配这两个试验来控制顺序效应。
   4. 在指示为6MWT在自行选定的速度来回走动沿25μm的走道，对于既没有极参与者。这时，一定要单击“开始”，开始数据收集与加速度计的系统。
      注：在极试验，提供进一步的指示参与者实施其极化指令。
3. 最后，通过使用3维的运动捕捉系统至少100赫兹的收集，与埋设在通路二逼板评估短持续时间的步态事件。同步与运动捕捉系统的动力平台，确保平台的力归零，以防止噪音中的数据，并确保他们以足够的采样率采集，例如1000赫兹。
   1. 首先将它们连接到电脑通过导线提供同步测力板的运动捕捉系统d从公司。第二，直接在运动捕捉系统软件中，当务之急是要通过输入尺寸，灵敏度，采样率“添加”力板，以捕获量，并为系统中的任何其他必需的信息。
   2. 确保测力板已经“归零”。在两个步骤做：1）右侧的软件中点击每个测力板，并选择“零力板”; 2）按“零”按钮是直接在测力板的数据采集盒。
      注：确保运动捕捉系统从左腿和右腿都收集来自各方力量的平台上脚罢工的实时信息，并允许时空，运动学，动力学和分析。
4. 完成系统的动态校准（旨在界定捕获量即数据采集过程中使用）。要做到这一点，通过captur挥动-3-标记棒以控制的方式Ë空间。的0，0，0（X，Y，Z，然后执行该系统的静态校准设置全局坐标系统（ 即参考点）由在该指定的基准点，并选择'设置卷放置4-标记的L-帧'在电脑软件中。
   注：动态校准后协助用于此模型39反光标志的三维位置的重建。
   1. 适合参与者与39反射标记，用双面胶带附接它们，并把它们放在特定的解剖学界标，包括：第二跖骨，侧踝，calcanei，左，右中间柄，外侧股骨髁，左，右大腿中部，ASIS，PSIS，T10，C7右背部，锁骨，胸骨，肩峰流程，左，右中间肱骨，侧向上髁，左，右中间前臂，内侧和外侧的手腕，第二掌骨，前外头，和后外侧头部。
   2. 指示参与者则通过系统的捕获量执行5米步行6试验中，三连电线杆和三无。随机分配这些试验来控制阶效应，并提供相同的指令为每6MWT。

4.数据和统计分析¹⁴

1. 在6MWT的分析，删除所有原来在审讯过程中，以占严格稳态步行取出转弯后，使用系统软件来提取所有地方的时空措施，运动（ROM）的躯干范围，主干速度在所有平面。
   注意：这是自动此协议中通过由该系统本身¹⁴使用的算法完成的。提取此系统内的必要因变量的步骤如下。
   1. 使用加速度计的系统软件，首先点击“监测数据”，选择已收集相应的时间戳试验，右键点击TRIALS，然后选择“转换为CSV”。这样做后，打开CSV文件，并确保所有6个传感器的数据已导出作进一步分析。
   2. 然后，再次选择试用，然后单击“导出为PDF”。观察系统产生具有多个变量PDF报表。从这里，提取期望为研究的变量，在这种情况下，时空和运动学的措施。
2. 对于三维运动捕捉，采用了四阶滞后零巴特沃斯滤波器的模拟设备与10 Hz的截止频率以及一个Woltring过滤器标记轨迹带有15mm MSE预测值过滤所有试验。要做到这一点，请将“巴特沃斯和Woltring”过滤选项系统软件中的操作管道，选择上述截止频率和MSE值，然后单击“运行”。
   1. 添加“导出到ASCII文件”操作中的操作管道系统并选择“运行”。保存新导出ASCII（电子表格）工作到计算机。
   2. 打开导出ASCII文件和每个文件中，找到输出功率和的力（ 即动力学）的时刻的每个下肢关节，包括踝，膝和髋部。
      注意：使用在工作表内的最小和最大的功能，计算由冬季¹⁴所概述对应于单个步态周期的不同阶段（ 如 A 1中，K1，H1 等 ）的上和下峰。
   3. 接着，提取使用特定的系统软件，它在此情况下，自动地通过系统的算法和从人体测量计算出的时空措施。要提取特定变量，先导入所需的审判进入系统软件中，选择“活动”，并单击所需的变量，以获取每个试验变量平均值。
3. 大号astly，使用ASCII文件，找到了C7标记的轨迹，以及骶/骨盆标记。使用这些轨迹，计算姿势的调整如在内侧 - 外侧和前侧 - 后侧方向这两个标记和轨迹之间的差。
4. 打开统计软件，并导入具体的审判。首先，使用夏皮罗 - 威尔克斯测试正常，确保数据是否是正态分布。
   1. 为了与无杆比较，采用配对t检验，当数据被正态分布，偏态时Wilcoxon符号秩检验。必要时使用霍尔姆 - Sidak多重配对比较程序。显着性水平设定为p <0.05。

Representative Results

时空步态参数

当越野行走手杖行走，并评估使用运动捕捉和力板，步幅（P <0.01），双拥时间（P <0.001），而单支持时间（P <0.001）进行比较，没有极走路都显著较长。另外，步态速度（P <0.05）是显著较慢和韵律（P <0.001）是具有极显著较小比不含老年人。此外，检查步态，当在一个较长时间的步行与6MWT和使用加速度计，类似的结果都具有较长的步幅（P <0.001），双拥时间（P <0.001），以及一个显著较慢的步行速度（P注意<0.001）和较小的节奏（p <0.001）（ 表1）。

下肢关节动力学分析</ P>

动力学措施是使用三维运动捕捉单独评估。

髋关节

当使用杆，显著较小髋发电被认为在脚跟接触（H1）（P <0.05），以及在预先摆动（H3）（P <0.01）相比，无磁极行走（ 图1）。与髋发电这些削减重合，力矩，同时具有极是走在两个脚后跟接触（P <0.05）相比，没有电线杆前摆动（P <0.05）显​​著小。

膝关节发电/吸收

当使用杆，显著较小膝盖功率吸收被认为在脚跟接触（K1）（P <0.05），在预先摆动（K3）（P <0.001），并在之三minal摆动（K4）（P <0.001）相比，无磁极行走（ 图2）。此外，与磁极显著的力更小的时刻，是在脚跟接触（P <0.001），并在终端摆动（P <0.001）和显著较大的力矩在比没有磁极中间立脚（P <0.01）中。

踝发电/吸收

有没有显著功率输出或在踝关节力差异力矩在任踵接触（A1）或脚尖离（A2）。

姿势分析

在任何运动的三个平面的加速度计使用时，有运动的树干范围内没有显著差异（ 即正面，矢状面和水平），或在额叶和矢状面动作捕捉。

在这项研究中发现的结果与使用类似的动作捕捉系统的同一主题的先前的研究相一致。这些结果表明，这种技术和使用两个运动捕捉和加速度计的可广泛适当步态和姿势的评估。

图1：峰值髋功率在一个单一的步态周期此图表示在每公斤体重瓦超过单步态周期（一只脚的，即脚后跟着到同一只脚的下一个后跟击），以典型髋功率分布两极（红色），而无需极（蓝色）进行比较。在H1，H2和H3相箭头指示的在发电/吸收的变化与磁极于比较无磁极，用星号表示的总重量之间的显著差异O操作。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 2： 峰值膝盖功率在一个单一的步态周期此图表示在每公斤体重瓦超过单步态周期（一只脚的，即脚后跟着到同一只脚的下地狱击），以典型的膝盖功率分布两极（红色），而无需极（蓝色）进行比较。在K1，K2，K3和K4阶段的箭头指示的发电/吸收的变化与极点比较无电线杆，用星号表示两者之间的显著差异。 请点击此处查看大图这个数字。

VICON APDM 随着波兰人 没有波兰人 随着波兰人 没有波兰人 观察指标 平均值±SD 步长（米） 1.39±0.19 1.31±0.21† 1.47±0.11 1.42±0.11† 步态速度（米/秒） 1.08±0.23 1.18±0.20 * 1.25±0.17 1.39±0.14† Cadence公司（步/分钟） 93.07±10.90 108.78±11.26† 101.92±12.17 117.82±9.74† 双拥时间（秒） 0.34±0.06 0.28±0.06† 0.28±0.07 0.22±0.06† 单支持时间（秒） 0.48±0.05 0.41±0.04† --- ---

表1：时空装置和用于这两个数据收集系统标准偏差此表代表来自两个加速度计和运动捕捉系统得到的各种空间-时间的措施。两个十字架和星号代表一个显著差异与磁极之间和无磁极对于每个相应系统，具有杂交特异性表示在P <0.01显著差异和星号表示当p <0.05显著差异。

Discussion

在极使用的术语保持一致的重要性是该协议内的关键。特别是，为了正确极化技术，以及适当的极适当的步骤设置均保持不同研究的一致性非常重要。因此，一个特定的越野行走的组织指导和说明应遵循对等协议这一点。此外，特别是使用加速度计，使用一个完整的身体组三轴向显示器的重要的是要获得被检者的全身体运动的一个完整的了解（ 例如 ，步态和姿势），包括每一个特定的身体段的加速度和旋转时。这样的系统可以并且应该主要在实例中使用的按照该协议，以占持续时间长的活动以及减少匝数要占主要稳态步行使用相对长的走道（ 如 25米）。这可能是尤其性重要NT验证使用步态测试，如临床和研究设置中的6MWT ¹³时。

此外，动作捕捉系统已被报道为合适的设备在研究持续时间短的事件，如单步态周期¹⁶和应作为这样，因为与本协议的第二部分的情况。以确保该系统的准确度，必须进行系统的正确的静态和动态校准为反射标记的三维重建所需的全局坐标系设定的捕获量，更重要的。为了评估这两种步态以及姿势的调整，一个完整的身体标记集（ 例如插件步态模型）是必要的，因为臀部的位置和位移（PSIS和骶骨）和脊髓（C7）标志物是在临界在前后（AP）和内侧 - 外侧（ML）方向的分析和运动（ROM）的中继范围的测量。和Lastly，与系统集成的力板应以足够的取样速率被收集，例如，从这个协议1000赫兹。采样率可以从研究来研究改变，然而，研究人员必须确定不违反采样定理，其中规定“的处理信号必须在一个频率被采样的至少两倍高存在于信号本身的最高频率” ^17。

根据不同的实验室环境中的设备的可用性，可使用各种加速度计系统和运动捕捉系统，只要它们允许遵守本协议的关键步骤。例如，如果无法使用具有两个加速度计和陀螺仪的读数，或者如果实验室空间不足以掺入长人行道，利用此系统的可能不完全足够一个人的步态和姿势的评估一个三轴向监控系统。同样地，动作捕捉系统，使用的每个参与者下半身的模型在不同的步态特征进行评估充足，然而，下半身车型将无法正确评估姿势的调整，因为一些必要的髋关节和脊柱的标记可能丢失计算主干ROM。此外，如果使用此协议检查特定条件（ 如膝骨性关节炎或交叉韧带损伤），使用不同的或修改标记集，例如，通过阿里Rouhi和罗伯逊¹⁸使用可用于创建膝盖的更完整的评估对于这样的条件。此外，由于这项研究的重点是老年人只，该协议可从另外的控制组的用于比较目的受益，但是，这在很大程度上是依赖于种群为每个单独的研究。根据不同的群体，一个对照组（ 例如 ，年轻成人）可以有助于进一步理解步态和姿势的调整变化，具有和不使用北欧磁极如何。也，以更好地了解该磁极本身步态中发挥的作用，利用应变仪可以被并入。以下以前对健康年轻成人Jensen和同事^9中使用的技术，在各磁极的应变仪的放置可以协助动力学步态测量的评估。最后，以下通过垫片和同事⁸中使用的技术中，使用肌电图（EMG）与该协议可以在越野行走期间理解同时上下肢的肌肉特异性激活模式帮助。

这个协议的独创性在于它提供了本领域步态的状态在两个非常不同菜单分析准则的事实。因此，这给研究人员和临床医生合理和可行的选择从，这将成为他们最好的分析的目的的协议作出决定时进行选择。重申，用3维运动捕捉系统，目标是研究持续时间短事件是与单个步态周期的情况下，而加速度计系统在此情况下用于研究步态作为一个整体在一段较长的时间。 ^{6 -}不同^的三维运动捕捉系统，以及摄像机，全部用测力板集成到他们已在越野行走步态³的评估被普遍使用。 Stief 等人 ⁶使用一个6照相机系统收集5极化和大约髋，膝，踝关节，以测定运动（ 即 ROM）和动力学5非极化试验（ 即力矩）。同样地，使用一个10摄像系统由小泉等人 ⁴与掺入的两项力板，以获得以最终计算出下肢关节和腰椎的剪切力和压缩力从10越野行走试验动力学测量。此外，Hansen等 ⁵中使用的5-凸轮压缩力，剪切力，地面反作用力，与力矩：时代数字视频系统与嵌入在走道，以便量化动力学变量包括二力平台再次录制动作。现有的方法从根本上指向使用运动捕获系统，作为被广泛接受并在很大程度上适合个人的步态模式的精确和有效的措施，虽然对于短的持续时间的事件。

违背运动捕获的共同性，替代方法，例如由Hagen等 ⁷中所使用的已在倍被采用。在这个特定的研究中，electrogoniometry和力板被用来评估时空措施（ 如步幅长度），下肢ROM和动力学，特别是垂直力。他们还使用一个加速度计系统，但是，它是一个单轴显示器被仅放置在手腕上测量WR的右侧桡侧IST加速和协助震估计身体。除了​​Hagen 等。近年来^7，越野行走步态真的有尚未使用加速度计进行检查。进一步的是，研究还没有研究持续时间较长的步态事件诸如与6MWT。正如运动捕捉被广泛地用于短持续时间的事件，加速度计应该更加订书钉的步态分析，特别是在一段更长的时间。如果使用加速度计是更广泛的认可和重视在这方面，因为它每天都在执行，这可能允许步态更具代表性的评价。

一旦协议完善，同时使用加速度计和动作捕捉北欧极化步态分析将有助于建立步态的整体评估，可能是代表短期行走以及更长的苗头的。此外，这种技术可与特定人群中使用（ 例如 ，帕金斯对病），以便更好地了解越野行走手杖如何不仅影响一个箭步，​​又反复的进步获得他们的步态有更好的表现。此外，如果在临床实践中可用的，临床医生可能能够使用加速度计来的临床评估期间更精确地测量患者的步态。这样的系统是特别用户友好的和简化的数据收集和分析。最后，看着越野行走干预的效果，可适当用此协议一致。这是可能的学习极化技术，然后立即进行实验室测试可能不会导致在完全准确的评估。相反，实践与磁极一段时间（ 例如，8周）可提供对步态和姿势北欧磁极的影响的更好的评估。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Nordic walking poles	Nordixx Canada	Nordixx Global Traveler or Walker	Alternative poles may be used
APDM accelerometry system	APDM	Opal system	Alternative systems may be used
Vicon motion capture system	Vicon		Alternative systems may be used
Kistler force platforms	Kistler		Alternative platforms may be used
Vicon Nexus & Polygon	Vicon		Used in data analysis
14 mm reflective markers	Vicon		Number or markers depends on model
Tape measure
Weight scale
Caliper