Sit-til-stand-og-gåtur fra 120% Knee Højde: En ny tilgang til Vurdere Dynamic Postural kontrol Uafhængigt af Lead-lemmer
Summary
Here, we present a novel protocol to measure positional stability at key events during the sit-to-stand-to-walk using the center-of-pressure to the whole-body-center-of-mass distance. This was derived from the force platform and three-dimensional motion-capture technology. The paradigm is reliable and can be utilized for the assessment of neurologically compromised individuals.
Abstract
Personer med sensomotoriske patologi f.eks slagtilfælde have svært udfører den fælles opgave med stigende fra mødet og indlede gangart (sidde-til-walk: STW). Således i klinisk rehabilitering adskillelse af sit-til-standen og gangart indvielse – betegnes sit-til-stand-og-gåtur (STSW) – er sædvanligt. Men en standardiseret STSW protokol med en klart defineret analytisk tilgang egnet til patologisk vurdering er endnu ikke fastlagt,.
Derfor er en målrettet protokol defineret som er egnet til sunde og kompromitterede individer ved at kræve den stigende fase indledes fra 120% knæhøjde med en bred base af støtte uafhængig af bly lemmer. Optisk capture af tre-dimensionelle (3D) segmenter bevægelse flyveveje, og tvinge platforme for at give to-dimensionelle (2D) center-of-tryk (COP) baner tillader sporing af den vandrette afstand mellem COP og hele kroppen-center-of- masse (BCOM), faldt som øgers positionelle stabilitet, men foreslås at repræsentere dårlig dynamisk postural kontrol.
EKOM-COP afstand udtrykkes med og uden normalisering til emner 'benlængde. Mens COP-HD afstande varierer gennem STSW, normaliserede data på de vigtigste bevægelse begivenheder sæde-off og indledende tå-off (TO1) under trin 1 og 2 har lav intra- og inter variation i 5 gentagne forsøg udført af 10 unge raske individer . Således sammenligner COP-EKOM afstand på centrale begivenheder under udførelsen af en STSW paradigme mellem patienter med øvre motor neuron skade, eller andre kompromitteret patientgrupper, og normative data hos unge raske individer er en ny metode til vurdering af dynamisk postural stabilitet.
Introduction
Kliniske patologier påvirker sensomotoriske systemer, for eksempel øvre motor neuron (UMN) skade efter slagtilfælde, fører til funktionsnedsættelser, herunder svaghed, tab af postural stabilitet og spasticitet, hvilket kan have en negativ indflydelse på bevægelse. Recovery kan være variabel med et betydeligt antal slagtilfælde overlevende der ikke opfylder de funktionelle milepæle for sikker stående eller gående 1,2.
Den diskrete praksis med gåture og sidde-til-standen er fælles rehabiliterende opgaver efter UMN patologi 3,4, men overgangsordninger bevægelser ofte forsømt. Sit-til-gåtur (STW) er en sekventiel postural-bevægeapparatet opgave inkorporerer sit-til-standen (STS), gangart indledning (GI), og gå fem.
Separation af STS og GI, reflekterende af tøven under STW er observeret hos patienter med Parkinsons sygdom 6 og kronisk slagtilfælde 7, i tillæg til ældre unimpaired voksne 8, men ikke i unge raske individer 9. Derfor sidder-til-stand-og-gåtur (STSW) er almindeligt gennemført inden for den kliniske miljø og er defineret af en pause fase af variabel længde, når man står. Der er imidlertid ingen publicerede protokoller til dato definerer STSW dynamik i en kontekst egnet til patientpopulationer.
Normalt i STW undersøgelser den indledende stol højde er 100% af knæhøjde (KH, gulv-til-knæ afstand), mund-bredde og GI bly-lemmer er selvvalgt, arme er begrænset på tværs af brystet og en økologisk meningsfuld opgave kontekst er ofte fraværende 5-9. Men patienterne finde stiger fra 100% KH udfordrende 10 og ofte vedtage en bredere fodstilling sammenlignet med raske individer 11, indleder gangart med deres afficerede ben 7, og bruge deres våben til at generere momentum 7.
For at starte gangart, en tilstandsændring i hele kroppen bevægelse i en purpos eful retning kræves 12. Dette opnås ved at afkoble hele kroppen center-of-mass (EKOM: det vægtede gennemsnit af alle betragtes kroppens segmenter i rummet 13) fra centrum-of-tryk (COP: positionen af den resulterende jorden udrykningsstyrke (GRF) vektor 14). I foregribende fase af GI, hurtig stereotype posterior og lateral bevægelse af COP mod lemmet skal svinges opstår derved generere EKOM momentum 12,15. COP og EKOM således adskilt, med den vandrette afstand mellem dem er blevet foreslået som et mål for dynamisk postural kontrol 16.
Beregningen af COP-EKOM afstand kræver samtidig måling af COP og HD positioner. Standarden beregning af COP er vist nedenfor i ligning (1) 17:
tp_upload / 54.323 / 54323eq2.jpg "/>
(1)
Hvor M og Kraft repræsenterer øjeblikke om kraft platform akser og retningsbestemt GRF hhv. Indekserne repræsenterer akser. Oprindelsen er den lodrette afstand mellem kontaktfladen og oprindelsen af kraftplatform, og anses for at være nul.
Den kinematiske metode, som består EKOM position indebærer sporing forskydningen i segmenter markører. En troværdig repræsentation af kroppen, men bevægelse kan opnås ved at anvende markører grupperet på stive plader anbringes væk fra knoklet vartegn, minimerer bløddele-artefakt (CAST teknik 18). For at bestemme EKOM position, er individuelle masser krop segment estimeret, baseret på Nekro arbejde 19. Tre-dimensionel (3D) bevægelsessystem proprietær software bruger koordinatsystemet positioner proksimal og distal segment steder til: 1) bestemme segmenter længder, 2) aritmetisk estimere segmenter masserne, og 3) beregne segmenter COM steder. Disse modeller er derefter i stand til at give et skøn over 3D EKOM position på et givet tidspunkt baseret på nettet summation af inter-segmenter positioner (figur 1).
Således er formålet med dette papir er først at præsentere en standardiseret STSW protokol, der er økologisk gyldig og omfatter stigende fra en høj sæde højde. Det er tidligere blevet vist, at STSW fra 120% KH er biomekanisk utydelig fra 100% KH spærring generation af lavere BCOM vertikale hastigheder og GRF'er under stigende 20, hvilket betyder en stigning fra 120% KH er lettere (og sikrere) for kompromitterede individer. For det andet, at udlede COP-EKOM vandrette afstande for at vurdere dynamisk postural kontrol under vigtige milepæle og overgange ved hjælp af 3D-motion-capture. Denne fremgangsmåde, der hos raske individer under STSW er uafhængig af lemmer-lead 20, giver mulighed for funktionelle evaluering opsving. Endelig er en foreløbig STSW datasæt repræsentative for unge raske individer præsenteret, og intra og interindividuelle variation i gruppen er defineret for at informere sammenligning med patologiske individer.
Figur 1. 2D BCOM beregning. For overskuelighedens skyld er eksemplet er baseret på beregning af hel-benet COM fra en 3-bundet masse i 2 dimensioner, hvor koordinaterne for de respektive COM positioner (x, y) og segmentariske masse (m 1, m 2, m 3) er kendte. Segment masser og placering i segmenter COM positioner i forhold til laboratoriet koordinatsystem (LCS; oprindelse: 0, 0), anslås ved bevægelse analysesystem proprietær software ved hjælp af emne kropsmasse og offentliggjort antropometriske data (se hovedteksten). X etnd y ben COM position, i dette eksempel på 3-forbundne masse, derefter udledt ved hjælp af de viste formler. Klik her for at se en større version af dette tal.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den sit-til-stand-og-gåtur (STSW) protokol defineres her kan bruges til at teste dynamisk postural kontrol under komplekse overgangsperiode bevægelse hos raske individer eller patientgrupper. Protokollen indeholder begrænsninger, der er designet til at tillade personer med patologi for at deltage, og inddragelse af slukke lyset betyder at det er økologisk gyldig og målrettet. Som det tidligere er blevet vist, at bly-lemmer og stigende fra en høj (120% KH) sæde ikke fundamentalt påvirker opgave dynamik under STSW…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne takke Tony Christopher, Lindsey Merian på Kings College London og Bill Anderson på London South Bank University for deres praktisk støtte. Tak også til Eleanor Jones på Kings College London for hendes hjælp med at indsamle data til dette projekt.
Materials
| Motion Tracking Cameras | Qualysis (Qualysis AB Gothenburg, Sweden) | Oqus 300+ | n=8 |
| Qualysis Track Manager (QTM) | Qualysis (Qualysis AB Gothenburg, Sweden) | QTM 2.9 Build No: 1697 | Proprietary tracking software |
| Force Platform Amplifier | Kistler Instruments, Hook, UK | 5233A | n=4 |
| Force Platform | Kistler Instruments, Hook, UK | 9281E | n=4 |
| AD Converter | Qualysis (Qualysis AB Gothenburg, Sweden) | 230599 | |
| Light-Weight Wooden Walkway Section | Kistler Instruments, Hook, UK | Type 9401B01 | n=2 |
| Light-Weight Wooden Walkway Section | Kistler Instruments, Hook, UK | Type 9401B02 | n=4 |
| 4 Point "L-Shaped" Calibration Frame | Qualysis (Qualysis AB Gothenburg, Sweden) | ||
| "T-Shaped" Wand | Qualysis (Qualysis AB Gothenburg, Sweden) | ||
| 12mm Diameter Passive Retro reflective Marker | Qualysis (Qualysis AB Gothenburg, Sweden) | Cat No: 160181 | Flat Base |
| Double Adhesive Tape | Qualysis (Qualysis AB Gothenburg, Sweden) | Cat No: 160188 | For fixing markers to skin |
| Height-Adjustable Stool | Ikea, Sweden | Svenerik | Height 43-58cmwith ~10cm customized height extension option at each leg |
| Circular (Disc) Pressure Floor Pad | Arun Electronics Ltd, Sussex, UK | PM10 | 305mm Diameter, 3mm thickness, 2 wire |
| Lower Limb Tracking Marker Clusters | Qualysis (Qualysis AB Gothenburg, Sweden) | Cat No: 160145 | 2 Marker clusters, lower body with 8 markers (n=2) |
| Upper Limb Tracking Marker Clusters | Qualysis (Qualysis AB Gothenburg, Sweden) | Cat No: 160146 | 2 Marker clusters, lower body with 6 markers (n=2) |
| Self-Securing Bandage | Fabrifoam, PA, USA | 3'' x 5' | |
| Cycling Skull Cap | Dhb | Windslam | |
| Digital Column Scale | Seca | 763 Digital Medical Scale w/ Stadiometer | |
| Measuring Caliper | Grip-On | Grip Jumbo Aluminum Caliper – Model no. 59070 | 24in. Jaw |
| Extendable Arm Goniometer | Lafayette Instrument | Model 01135 | Gollehon |
| Light Switch | Custom made | ||
| Visual3D Biomechanics Analysis Software | C-Motion Inc., Germantown, MD, USA | Version 4.87 |
References
- Duncan, P. W., Goldstein, L. B., Matchar, D., Divine, G. W., Feussner, J. Measurement of motor recovery after stroke. Outcome assessment and sample size requirements. Stroke. 23 (8), 1084-1089 (1992).
- Smith, M. T., Baer, G. D. Achievement of simple mobility milestones after stroke. Arch Phys Med Rehabil. 80 (4), 442-447 (1999).
- Langhorne, P., Bernhardt, J., Kwakkel, G. Stroke rehabilitation. Lancet. 377 (9778), 1693-1702 (2011).
- Veerbeek, J. M., et al. What is the evidence for physical therapy poststroke? A systematic review and meta-analysis. PLoS One. 9 (2), e87987 (2014).
- Magnan, A., McFadyen, B., St-Vincent, G. Modification of the sit-to-stand task with the addition of gait initiation. Gait Posture. 4 (3), 232-241 (1996).
- Buckley, T. A., Pitsikoulis, C., Hass, C. J. Dynamic postural stability during sit-to-walk transitions in Parkinson disease patients. Mov Disord. 23 (9), 1274-1280 (2008).
- Frykberg, G. E., Aberg, A. C., Halvorsen, K., Borg, J., Hirschfeld, H. Temporal coordination of the sit-to-walk task in subjects with stroke and in controls. Arch Phys Med Rehabil. 90 (6), 1009-1017 (2009).
- Dehail, P., et al. Kinematic and electromyographic analysis of rising from a chair during a "Sit-to-Walk" task in elderly subjects: role of strength. Clin Biomech (Bristol, Avon). 22 (10), 1096-1103 (2007).
- Buckley, T., Pitsikoulis, C., Barthelemy, E., Hass, C. J. Age impairs sit-to-walk motor performance. J Biomech. 42 (14), 2318-2322 (2009).
- Roy, G., et al. The effect of foot position and chair height on the asymmetry of vertical forces during sit-to-stand and stand-to-sit tasks in individuals with hemiparesis. Clin Biomech (Bristol, Avon). 21 (6), 585-593 (2006).
- Kubinski, S. N., McQueen, C. A., Sittloh, K. A., Dean, J. C. Walking with wider steps increases stance phase gluteus medius activity. Gait Posture. 41 (1), 130-135 (2015).
- Jian, Y., Winter, D. A., Ishac, M. G., Gilchrist, L. Trajectory of the body COG and COP during initiation and termination of gait. Gait Posture. 1 (1), 9-22 (1993).
- Winter, D. A. Human balance and posture control during standing and walking. Gait Posture. 3 (4), 193-214 (1995).
- Cavanagh, P. R. A technique for averaging center of pressure paths from a force platform. J Biomech. 11 (10-12), 487-491 (1978).
- Halliday, S. E., Winter, D. A., Frank, J. S., Patla, A. E., Prince, F. The initiation of gait in young, elderly, and Parkinson’s disease subjects. Gait Posture. 8 (1), 8-14 (1998).
- Hass, C. J., Waddell, D. E., Fleming, R. P., Juncos, J. L., Gregor, R. J. Gait initiation and dynamic balance control in Parkinson’s disease. Arch Phys Med Rehabil. 86 (11), 2172-2176 (2005).
- Winter, D. A., Patla, A. E., Ishac, M., Gage, W. H. Motor mechanisms of balance during quiet standing. J Electromyogr Kinesiol. 13 (1), 49-56 (2003).
- Cappozzo, A., Catani, F., Croce, U. D., Leardini, A. Position and orientation in space of bones during movement: anatomical frame definition and determination. Clin Biomech (Bristol, Avon). 10 (4), 171-178 (1995).
- Dempster, W. T., Gabel, W. C., Felts, W. J. The anthropometry of the manual work space for the seated subject. Am J Phys Anthropol. 17 (4), 289-317 (1959).
- Jones, G. D., James, D. C., Thacker, M., Jones, E. J., Green, D. A. Sit-to-Walk and Sit-to-Stand-and-Walk Task Dynamics are Maintained During Rising at an Elevated Seat-Height Independent of Lead-Limb in Healthy Individuals. Gait Posture. 48, 226-229 (2016).
- Qualysis AB. . Qualysis Track Manager User Manual. , (2011).
- Hoffman, M., Schrader, J., Applegate, T., Koceja, D. Unilateral postural control of the functionally dominant and nondominant extremities of healthy subjects. J Athl Train. 33 (4), 319-322 (1998).
- Ren, L., Jones, R. K., Howard, D. Whole body inverse dynamics over a complete gait cycle based only on measured kinematics. J Biomech. 41 (12), 2750-2759 (2008).
- C-Motion Wiki Documentation. . Tutorial: Building a Model. , (2013).
- Kainz, H., Carty, C. P., Modenese, L., Boyd, R. N., Lloyd, D. G. Estimation of the hip joint centre in human motion analysis: a systematic review. Clin Biomech (Bristol, Avon). 30 (4), 319-329 (2015).
- Harrington, M. E., Zavatsky, A. B., Lawson, S. E., Yuan, Z., Theologis, T. N. Prediction of the hip joint centre in adults, children, and patients with cerebral palsy based on magnetic resonance imaging. J Biomech. 40 (3), 595-602 (2007).
- C-Motion Wiki Documentation. . Coda Pelvis. , (2015).
- Bell, A. L., Brand, R. A., Pedersen, D. R. Prediction of hip joint centre location from external landmarks. Human movement science. 8 (1), 3-16 (1989).
- Eames, M. H. A., Cosgrove, A., Baker, R. Comparing methods of estimating the total body centre of mass in three-dimensions in normal and pathological gaits. Human movement science. 18 (5), 637-646 (1999).
- C-Motion Wiki Documentation. . Force Structures. , (2015).
- Martin, M., et al. Gait initiation in community-dwelling adults with Parkinson disease: comparison with older and younger adults without the disease. Phys Ther. 82 (6), 566-577 (2002).
- Bland, J. M., Altman, D. G. Measurement error. BMJ. 313 (7059), (1996).
- Hof, A. L. Scaling gait data to body size. Gait Posture. 4 (3), 222-223 (1996).
- Holden, J. P., Selbie, W. S., Stanhope, S. J. A proposed test to support the clinical movement analysis laboratory accreditation process. Gait Posture. 17 (3), 205-213 (2003).
- Baker, R. Gait analysis methods in rehabilitation. J Neuroeng Rehabil. 3, (2006).
- Gregory, C. M., Embry, A., Perry, L., Bowden, M. G. Quantifying human movement across the continuum of care: From lab to clinic to community. J Neurosci Methods. 231, 18-21 (2014).
- Pai, Y. C., Rogers, M. W. Segmental contributions to total body momentum in sit-to-stand. Medicine and Science in Sports and Exercise. 23 (2), 225-230 (1991).
- Hughes, M. A., Weiner, D. K., Schenkman, M. L., Long, R. M., Studenski, S. A. Chair rise strategies in the elderly. Clin Biomech (Bristol, Avon). 9 (3), 187-192 (1994).
- Medeiros, D. L., Conceição, J. S., Graciosa, M. D., Koch, D. B., Santos, M. J., Ries, L. G. The influence of seat heights and foot placement positions on postural control in children with cerebral palsy during a sit-to-stand task. Res Dev Disabil. 43-44, 1-10 (2015).
- Breniere, Y., Do, M. C. When and how does steady state gait movement induced from upright posture begin?. J Biomech. 19 (12), 1035-1040 (1986).
- Weerdesteyn, V., de Niet, M., van Duijnhoven, H. J., Geurts, A. C. Falls in individuals with stroke. J Rehabil Res Dev. 45 (8), 1195-1213 (2008).
