Summary
تصف هذه الورقة المواد والطريقة التي تم تطويرها للتحقيق في التنظيم الوضعي لبدء المشي. تعتمد هذه الطريقة على تسجيلات منصة القوة وعلى المبدأ المباشر للميكانيكا لحساب مركز الثقل ومركز حركية الضغط.
Abstract
بدء المشي (GI) ، المرحلة العابرة بين الموقف التقويمي والحركة الثابتة ، هي مهمة وظيفية ونموذج تجريبي يستخدم بشكل كلاسيكي في الأدبيات للحصول على نظرة ثاقبة على الآليات الوضعية الأساسية الكامنة وراء حركة الجسم والتحكم في التوازن. ساهم التحقيق في الجهاز الهضمي أيضا في فهم أفضل لعلم الأمراض الفسيولوجي للاضطرابات الوضعية لدى كبار السن والمشاركين العصبيين (على سبيل المثال ، المرضى الذين يعانون من مرض باركنسون). على هذا النحو ، من المسلم به أن لها آثارا سريرية مهمة ، خاصة فيما يتعلق بالوقاية من السقوط.
تهدف هذه الورقة إلى تزويد العلماء والأطباء وطلاب التعليم العالي بمعلومات حول المواد والطريقة التي تم تطويرها للتحقيق في تنظيم الجهاز الهضمي الوضعي من خلال نهج ميكانيكي حيوي. تعتمد الطريقة على تسجيلات منصة القوة والمبدأ المباشر للميكانيكا لحساب حركية مركز الثقل ومركز الضغط. التفاعل بين هاتين النقطتين الافتراضيتين هو عنصر أساسي في هذه الطريقة لأنه يحدد ظروف الاستقرار وتطور الجسم كله. يتضمن البروتوكول أن يقف المشارك في البداية غير متحرك في وضع مستقيم ويبدأ في المشي حتى نهاية مسار طوله 5 أمتار على الأقل.
يوصى بتغيير سرعة GI (بطيئة ، عفوية ، سريعة) ومستوى الضغط الزمني - يمكن بدء المشية في أقرب وقت ممكن بعد تسليم إشارة المغادرة (مستوى عال من الضغط الزمني) أو عندما يشعر المشارك بالاستعداد (مستوى منخفض من الضغط الزمني). يتم تحديد المعلمات الميكانيكية الحيوية التي تم الحصول عليها باستخدام هذه الطريقة (على سبيل المثال ، مدة وسعة التعديلات الوضعية الاستباقية ، وطول / عرض الخطوة ، والأداء ، والاستقرار) ، ويتم تفصيل طريقة حسابها. بالإضافة إلى ذلك ، يتم توفير القيم النموذجية التي تم الحصول عليها في الشباب الأصحاء. وأخيرا ، تتم مناقشة الخطوات الحاسمة والقيود وأهمية الطريقة فيما يتعلق بالطريقة البديلة (نظام التقاط الحركة).
Introduction
بدء المشية (GI) ، المرحلة العابرة بين الموقف التقويمي والحركة الثابتة ، هي مهمة وظيفية ونموذج تجريبي يستخدم بشكل كلاسيكي في الأدبيات للتحقيق في التحكم الوضعي خلال مهمة حركية معقدة تتطلب الدفع والاستقرار في وقت واحد للجسم كله1. من المعروف أن المرضى الذين يعانون من حالات عصبية ، مثل مرض باركنسون2 ، والسكتة الدماغية3 ، والشلل فوق النووي التدريجي4 ، و "اضطرابات المشي عالية المستوى"5 ، يواجهون صعوبة في بدء المشي ، مما يعرضهم لخطر متزايد للسقوط. لذلك من المهم لكل من العلوم الأساسية والسريرية تطوير مفاهيم وأساليب لاكتساب نظرة ثاقبة على آليات التحكم الوضعي التي يتم تشغيلها أثناء بدء المشية ، واكتساب المعرفة العلمية وفهم أفضل للفيزيولوجيا المرضية لاضطرابات المشي والتوازن والقدرة على علاجها من خلال التدخلات الكافية.
يتم وصف مفهوم التنظيم الميكانيكي الحيوي لبدء المشي أدناه ، ويتم تفصيل الطريقة الكلاسيكية المصممة للتحقيق في هذا التنظيم في قسم البروتوكول. يمكن تقسيم GI إلى ثلاث مراحل متتالية: مرحلة "التعديلات الوضعية الاستباقية" (APA) المقابلة للظواهر الديناميكية التي تحدث في الجسم كله قبل تأرجح الكعب ، ومرحلة "التفريغ" (بين كعب التأرجح وإصبع القدم) ، ومرحلة "التأرجح" التي تنتهي في وقت ملامسة القدم المتأرجحة لسطح الدعم. ينبع هذا التقسيم الفرعي الكلاسيكي لعملية GI من الدراسات الرائدة ل Belenkii et al.6 وآخرين 7,8 ، مع التركيز على التنسيق بين الموقف والحركة أثناء رفع الذراع الطوعي إلى أفقي في وضع الانتصاب. في هذا النموذج ، تتوافق أجزاء الجسم التي تشارك بشكل مباشر في رفع الذراع مع السلسلة "البؤرية" ، في حين أن أجزاء الجسم المتداخلة بين الجزء القريب من السلسلة البؤرية وسطح الدعم تتوافق مع السلسلة "الوضعية"9. أفاد هؤلاء المؤلفون أن رفع الذراع سبقته بشكل منهجي ظواهر ديناميكية وكهربية ميوغرافية في السلسلة الوضعية ، والتي أطلقوا عليها اسم "التعديلات الوضعية الاستباقية". بالنسبة ل GI ، يعتبر تأرجح الكعب (أو تأرجح إصبع القدم ، اعتمادا على المؤلفين) بداية حركة المشي10. وبالتالي ، فإن الظواهر الديناميكية التي تحدث قبل هذه اللحظة تتوافق مع APA ، ويعتبر الطرف المتأرجح مكونا من مكونات السلسلة البؤرية11. يتفق هذا البيان مع المفهوم الكلاسيكي للتنظيم الميكانيكي الحيوي للحركة ، والذي بموجبه يجب أن يتضمن أي فعل حركي مكونا بؤريا ووضعيا12,13.
من وجهة نظر ميكانيكية حيوية ، يتجلى APA المرتبط ب GI على أنه إزاحة خلفية ومتوسطة (أرجوحة موجهة نحو الجانب) لمركز الضغط ، والذي يعمل على دفع مركز الثقل في الاتجاه المعاكس - إلى الأمام ونحو جانب ساق الموقف. كلما زاد مركز إزاحة الضغط الخلفي الاستباقي ، زاد أداء المحرك من حيث مركز الثقل الأمامي لسرعة الثقل عند ملامسة القدم10,14. بالإضافة إلى ذلك ، من خلال دفع مركز الثقل نحو جانب ساق الموقف ، تساهم APA في الحفاظ على الاستقرار المتوسط الجانبي خلال مرحلة التأرجح من GI 1,15,16,17. تؤكد الأدبيات الحالية على أن التغيير في هذه السيطرة الاستباقية على الاستقرار هو مصدر رئيسي للسقوط في كبار السن1. وقد تم قياس الاستقرار أثناء المؤشر الجغرافي كميا في الأدبيات مع تكييف "هامش الاستقرار"18، وهي كمية تأخذ في الاعتبار كل من سرعة وموضع مركز الثقل داخل قاعدة الدعم. بالإضافة إلى تطوير APA ، تم الإبلاغ عن سقوط مركز الثقل خلال مرحلة التأرجح من GI تحت تأثير الجاذبية ليتم فرملته بنشاط بواسطة السورات ثلاثية الرؤوس في ساق الوقوف. تسهل هذه الفرامل النشطة الحفاظ على الثبات بعد ملامسة القدم، مما يسمح بهبوط القدم بسلاسة على سطح الدعم4.
الهدف من هذه الورقة هو تزويد العلماء والأطباء وطلاب التعليم العالي بمعلومات حول المواد والطريقة التي تم تطويرها في مختبرنا للتحقيق في التنظيم الوضعي للمؤشر الجلايسيمي عبر نهج ميكانيكي حيوي. هذه الطريقة "العالمية" (التي يمكن استيعابها أيضا في طريقة "حركية" للأسباب المفصلة أدناه) بدأها برينيير والمتعاونونمعه 10,19. يعتمد على المبدأ المباشر للميكانيكا لحساب كل من تسارع مركز الثقل ، وكذلك المواقع الفورية لمركز الضغط. كل نقطة من هذه النقاط هي تعبير عالمي خاص بالحركة.
الأول هو التعبير الفوري عن حركات جميع أجزاء الجسم المتعلقة بالغرض من الحركة (مركز الجاذبية ؛ على سبيل المثال ، سرعة تقدم الجسم أثناء GI) ؛ والآخر (مركز الضغط) هو التعبير عن شروط الدعم اللازمة للوصول إلى هذا الهدف. تعكس المواقف الفورية لهاتين النقطتين الظروف الديناميكية اللاحقة التي يجب استيفاؤها لبدء المشية. منصة القوة هي الأداة المناسبة لهذا النموذج لأنها تسمح بالقياس المباشر للقوى الخارجية واللحظات التي تعمل على السطح الداعم أثناء الحركة. كما أنه يسمح بأداء الحركات الطبيعية ولا يتطلب أي إعداد خاص.
من المعروف أن العديد من العوامل تؤثر على التنظيم الوضعي للجهاز الهضمي ، بما في ذلك العوامل الميكانيكية الحيوية والفسيولوجية (العصبية) والنفسية والبيئية والمعرفية 1,20. تركز هذه الورقة على تأثير عاملين - سرعة الجهاز الهضمي والضغط الزمني - وتوفر قيما نموذجية تم الحصول عليها في الشباب الأصحاء.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
يتبع البروتوكول الموصوف أدناه المبادئ التوجيهية للجنة أخلاقيات البحوث البشرية بجامعة باريس ساكلاي. وافق المشاركون على نموذج الموافقة ووقعوه.
1. المشاركون
- قم بتضمين ما لا يقل عن 15 مشاركا شابا بالغا يتمتع بصحة جيدة في التجربة (تتراوح أعمارهم بين 20 و 40 عاما).
ملاحظة: يتوافق هذا العدد الموصى به من الموضوعات مع ما يتم النظر فيه بشكل كلاسيكي في الأدبيات المتعلقة بالجهاز الهضمي. - استبعاد المشاركين الذين يعانون من مشاكل في المشي أو مشاكل بصرية أو سمعية أو في العظام ، واضطرابات عصبية محددة ، وخرف ، وإعاقات إدراكية (أي درجة < 25 في اختبار الحالة العقلية المصغر) ، وتاريخ طبي للسقوط.
- اطلب من المشاركين تقديم موافقة خطية بعد إبلاغهم بطبيعة التجربة والغرض منها.
- التأكد من أن التجربة تتوافق مع المعايير التي حددها إعلان هلسنكي.
2. إعداد المختبر
- تأكد من أن منصة القوة طويلة بما يكفي لجعل القدم المتأرجحة بأكملها تهبط عليها في نهاية الخطوة الأولى. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فاستخدم منصتين صغيرتين لقوة المسافة ، حيث يقف المشاركون في الموقف الأولي على الأول ويضربون قدمهم المتأرجحة على الثانية الموضوعة أمام أول21. في كلتا الحالتين ، تأكد من أن منصة (منصات) القوة مضمنة في مسار لا يقل طوله عن 5 أمتار لضمان الوصول إلى المشي في حالة ثابتة.
ملاحظة: منصة القوة التي تسجل لحظات 3D والقوى ضرورية لحساب مجموعة كاملة من المتغيرات التجريبية (انظر القسم 5).- كإجراء للسلامة، قم بتثبيت حزام على السقف وقم بتركيزه على الفأس الكبير لمنصة القوة في حالة تضمين التجربة مرضى ضعفاء (على سبيل المثال، المرضى العصبيين).
- معايرة منصة (منصات) القوة. انقر على زر الصفر التلقائي .
- استيراد المجلات
- افتح مدير مسار Qualisys.
- اختر مجلد "المشروع" وافتحه.
- إنشاء مجلد مريض.
- انقر على إضافة، ثم حدد المرضى.
- أدخل التصنيفات: معرف المريض والاسم الأول واسم العائلة وتاريخ الميلاد والجنس والتعليق إذا لزم الأمر.
- انقر على إضافة، ثم حدد جلسة المشي .
- أدخل الملصقات: معرف الحالة, مشغل الاختبار, التعليقات إذا لزم الأمر, التشخيص, التشخيص الثانوي, الجانب المتأثر, تصنيف الوظائف الحركية الإجمالية, مقياس التنقل الوظيفي, الطول, الوزن, طول الساق إلى اليسار, طول الساق إلى اليمين, عرض الركبة إلى اليسار, عرض الركبة إلى اليمين, عرض الكاحل إلى اليسار, عرض الكاحل إلى اليمين, Sole delta اليسار, Sole delta إلى اليمين, إزاحة الكتف إلى اليسار, إزاحة الكتف إلى اليمين, عرض الكوع إلى اليسار, عرض الكوع إلى اليمين، وعرض المعصم إلى اليسار، وعرض المعصم إلى اليمين، وسمك اليد إلى اليسار، وسمك العلامة، وقطر العلامة.
- انقر على إضافة، ثم حدد جلسة بدون علامات .
- أدخل التسميات: حالة الاختبار، Prothesis_Orthosis، والمساعدات الخارجية، وجانب المساعدات الخارجية، والمساعدات الشخصية، وجانب المساعدات الشخصية، والتعليقات إذا لزم الأمر، ومشغل الاختبار، ووضع الحدث (اختر لوحة قوة متعددة).
- تحقق من قوة لوحة الصفر التلقائي.
- حدد أدوات.
- انقر على لوحات القوة.
- انقر فوق بدء المعاينة في مربع التسمية "فرض لوحة الصفر التلقائي".
- تأكد من أن إشارات خط الأساس من منصة القوة (القوى واللحظات) تكون عند الصفر عندما تكون غير مشحونة.
- انقر فوق جديد أو استخدم الاختصار Ctrl + N.
- انقر فوق نافذة معلومات البيانات 1 أو استخدم الاختصار Ctrl + D.
- انقر فوق عرض بيانات القوة أو استخدم الاختصار Ctrl + D.
- انقر فوق فرض وحدد مؤامرة.
3. الإجراء التجريبي
- اطلب من المشاركين الوقوف حافي القدمين وغير متحركين على منصة قوة في وضعهم الطبيعي المستقيم ، مع تعليق الذراعين بشكل فضفاض على جانبيهم ، وتوجيه نظراتهم إلى هدف على مستوى العين على بعد 5 أمتار على الأقل (الشكل 1).
ملاحظة: حدد موضع القدمين على منصة القوة في الوضع الأولي (على سبيل المثال، بالطباشير). تحقق بعناية من أن المشاركين يعيدون وضع أقدامهم على هذه العلامات بعد كل تجربة. هذه النقطة مهمة لأن موضع القدم الأولي يؤثر على ميزات APA في GI. - حدد ساق البداية التفضيلية للمشاركين عن طريق الضغط بخفة على ظهر المشاركين أثناء وجودهم في الوضع الأولي مع إغلاق أعينهم لإثارة خطوة إلى الأمام.
- اشرح للمشاركين أن المهمة التي يتعين عليهم القيام بها هي بدء المشي من وضعية الوقوف مع الساق المفضلة ، ومواصلة المشي حتى نهاية المسار ، ثم العودة بهدوء إلى وضع الوقوف الأولي.
ملاحظة: إذا لم تبدأ المشية أثناء التجربة بالساق المفضلة المحددة في تجربة معينة، فكرر التجربة. - اشرح أن المشية يجب أن تبدأ بعد إشارتين متتاليتين (صوتية أو بصرية أو لمسية): إشارة تحضيرية وإشارة مغادرة (انظر الخطوتين 3.6 و 3.7).
- اشرح التعليمات الخاصة بالسرعة والضغط الزمني (انظر الخطوات 3.8-3.10).
- تسليم الإشارة الأولى (التحضيرية) للمشاركين. اطلب منهم الوقوف دون حراك وتجنب توقع GI عند هذه الإشارة الأولى.
- قم بتسليم الإشارة الثانية (المغادرة) بعد تأخير عشوائي 2-5 ثانية بعد الإشارة التحضيرية.
- تأكد من أن المشاركين غير متحركين بصريا قبل تقديم هذه الإشارة الثانية. تحقق من الجمود عبر الإنترنت باستخدام المؤامرات الزمنية للمركز الأمامي الخلفي أو المتوسط الجانبي لإزاحة الضغط
ملاحظة: إذا لم تكن غير متحركة، فقد يكون من الصعب اكتشاف بداية APA (الخطوة 5.1.1).
- تأكد من أن المشاركين غير متحركين بصريا قبل تقديم هذه الإشارة الثانية. تحقق من الجمود عبر الإنترنت باستخدام المؤامرات الزمنية للمركز الأمامي الخلفي أو المتوسط الجانبي لإزاحة الضغط
- اطلب من المشاركين إما بدء المشية i) في أقرب وقت ممكن (أي في حالة وقت رد الفعل) ، أو ii) فقط بمجرد أن يشعروا بالاستعداد (أي في حالة ذاتية البدء) بعد إشارة المغادرة.
- تختلف ظروف "الضغط الزمني" المفروض على GI (أي الضغط الزمني المنخفض (الحالة التي تبدأ ذاتيا) والضغط الزمني المرتفع (حالة وقت التفاعل)).
- تختلف ظروف سرعة GI (ظروف بطيئة وعفوية وسريعة).
- للحد من عدد الظروف التجريبية وبالتالي تجنب التعب ، اطلب من المشاركين أداء شرطين فقط من سرعة GI (على سبيل المثال ، بطيء وسريع) تحت حالة ضغط زمني منخفض أو مرتفع ، أو العكس (أي GI بسرعة بطيئة أو سريعة تحت حالة ضغط زمني مرتفع ومنخفض).
ملاحظة: كرر التعليمات الخاصة بالضغط الزمني وسرعة الجهاز الهضمي بشكل متكرر.
- للحد من عدد الظروف التجريبية وبالتالي تجنب التعب ، اطلب من المشاركين أداء شرطين فقط من سرعة GI (على سبيل المثال ، بطيء وسريع) تحت حالة ضغط زمني منخفض أو مرتفع ، أو العكس (أي GI بسرعة بطيئة أو سريعة تحت حالة ضغط زمني مرتفع ومنخفض).
- توجيه المشاركين لإجراء سلسلة من 10 تجارب متتالية في كل حالة تجريبية.
ملاحظة: سلسلة من خمس تجارب كافية للأشخاص المسنين أو المرضى الذين يعانون من مرض باركنسون22.- قم بتوزيع ظروف سرعة GI والضغط الزمني بشكل عشوائي عبر المشاركين لتجنب تأثيرات النظام.
- فرض راحة لا تقل عن 2 دقيقة بين الظروف المتتالية لتجنب آثار التعب.
- في كل حالة، اسمح للمشاركين بإجراء تجربتين للتعارف قبل التسجيلات.
- قم بتشغيل الحصول على البيانات من منصة القوة قبل بضع ثوان من بداية الإشارة التحضيرية وتوقف بمجرد مغادرة المشارك لمنصة القوة.
الشكل 1: الإعداد التجريبي. يقف المشاركون في البداية على منصة قوة (1) مدمجة في مسار لا يقل طوله عن 5 أمتار (2) ، مع توجيه النظرة نحو هدف على مستوى العين (3). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
4. معالجة تسجيلات حركية منصة القوة
- قم بتصفية البيانات من منصة القوة باستخدام أمر Butterworth منخفض التمرير بدون تأخير بتردد قطع 15 هرتز.
- استيراد الملف.
- افتح Visual3D.
- اختر الملف "مشروع" وافتحه.
- تجهيز
- انقر فوق خط الأنابيب أو استخدم الاختصار F11.
- حدد مرشح الإشارة.
- حدد Lowpass_Filter.
- انقر على تنفيذ.
- جمع البيانات من منصة القوة بمعدل 100 هرتز.
- انقر فوق خط الأنابيب أو استخدم الاختصار F11.
- حدد حفظ/تصدير الملف.
- حدد Export_Data_To_Acsii_File.
- انقر على تحرير.
- أدخل 100 في التسمية عدد نقاط التطبيع.
- انقر على تنفيذ.
- احسب المخططات الزمنية لاتجاهات تسارع مركز الثقل اللحظي على طول الاتجاهات الأمامية الخلفية (x''G) والمتوسطية (y'G) والعمودية (z''G) من قوى التفاعل الأرضي ثلاثي الأبعاد التي تم الحصول عليها باستخدام منصة القوة (انظر الشكل التكميلي S1) باستخدام قانون نيوتن الثاني10,23.
ملاحظة: وفقا لقانون نيوتن الثاني، فإن مجموع القوى الخارجية المطبقة على نظام ما يساوي كتلة هذا النظام (m) مضروبة في تسارع مركز ثقله. وبالتالي ، مع بروتوكول GI الموصوف في هذه الدراسة ، فإن القوى الخارجية الوحيدة المطبقة على المشاركين هي وزن الجسم (BW) وقوى رد الفعل الأرضي (R). يمكن كتابة المعادلات (1) و (2) و (3):
x''G = Rx / m (1)
y''G = Ry / m (2)
z"G = (Rz - BW) / m (3)
حيث Rx و Ry و Rz هي المكونات الأمامية الخلفية الفورية والمتوسطة والرأسية لقوة التفاعل الأرضي المتجه ، على التوالي. تظهر في الشكل 2 مخططات نموذجية ل x''G و y''G و z''G. - احسب المخططات الزمنية ثلاثية الأبعاد لمركز سرعة الثقل عن طريق تكامل عددي بسيط لمخططات وقت تسارع مركز الثقل ثلاثي الأبعاد ، باستخدام ثوابت تكامل تساوي صفرا (أي مركز أولي ثلاثي الأبعاد لسرعة الثقل يعتبر فارغا10). انظر الشكل 2 للاطلاع على مخططات زمنية نموذجية للسرعة الأمامية الخلفية والمتوسطة والرأسية لمركز الثقل (x'G و y'G و z'G على التوالي).
- قم بإجراء تكامل إضافي لمخطط زمن y'G للحصول على إزاحة مركز الثقل على طول الاتجاه المتوسط. استخدم هذه الكمية لحساب "هامش الاستقرار" (انظر الخطوة 5-3-5-2).
- حساب الإزاحة المتوسطة (yP) والأمامية الخلفية (xP) لمركز الضغط من بيانات منصة القوة باستخدام المعادلتين (4) و (5):
(4)
(5)
حيث Mx و My هي اللحظات الفورية حول الاتجاهات الأمامية الخلفية والمتوسطة، على التوالي؛ Rx و Ry و Rz هي قوى الرد الأرضي الأمامية الخلفية والمتوسطة، والرأسية اللحظية، على التوالي. و dz هي المسافة بين سطح منصة القوة وأصلها (المقدمة من الشركة المصنعة). تظهر مخططات الوقت النموذجية ل xP و yP في الشكل 2 (انظر أيضا الشكل التكميلي S2).
(4)
(5)5. المتغيرات التجريبية
ملاحظة: يجب استخراج كل متغير تجريبي موضح أدناه من مخططات الوقت التجريبي التي تم الحصول عليها لكل تجربة.
- الكشف عن أحداث توقيت بدء المشية
- بداية APA
- عرض المخططات الزمنية لمركز إزاحة الضغط على طول الاتجاهات المتوسطة والأمامية الخلفية.
- احسب القيمة المتوسطة للمركز المتوسط الجانبي والأمامي الخلفي لمخطط وقت الضغط خلال النافذة الزمنية 250 مللي ثانية التي تسبق الإشارة الثانية التي تم تسليمها إلى المشاركين.
ملاحظة: تتوافق هذه القيم مع "قيم الأساس" لهذه المخططات الزمنية. - اكتشف اللحظات التي تلي الإشارة الثانية عندما ينحرف الوسط الجانبي والمركز الأمامي الخلفي لتتبع إزاحة الضغط بمقدار 2.5 انحراف معياري عن قيمة خط الأساس لمدة 50 مللي ثانية على الأقل.
ملاحظة: تتوافق هاتان اللحظتان مع بداية APA على طول الاتجاهين المتوسط الجانبي والأمامي الخلفي (t0ML و t0AP ، على التوالي ؛ الشكل 2). يمكن أيضا تحديد هاتين اللحظتين على أنهما اللحظتان عندما تصل المخططات الزمنية لتسارع الثقل المتوسط الجانبي والأمامي الخلفي إلى 10٪ من قيمة الذروة لكل منهما. - تأكد من أنه في حالة وقت التفاعل ، يتراوح ظهور APA بين 150 مللي ثانية و 300 مللي ثانية بعد الإشارة الثانية (Go). إذا لم يكن الأمر كذلك ، كرر التجربة والتعليمات المتعلقة بالضغط الزمني.
ملاحظة: إذا كان أقل من 150 مللي ثانية ، فقد توقع المشاركون. إذا كان أكبر من 300 مللي ثانية ، لم يركز المشاركون على المهمة. - تأكد من أنه في حالة البدء الذاتي ، يكون ظهور APA أكبر من 300 مللي ثانية. إذا لم يكن الأمر كذلك ، كرر التجربة والتعليمات المتعلقة بالضغط الزمني حيث قد يكون المشاركون قد بدأوا المشية في حالة وقت رد الفعل.
- وقت إيقاف الكعب المتأرجح
- عرض المخططات الزمنية للمركز الرأسي لسرعة الثقل ومركز إزاحة الضغط الأمامي الخلفي.
- حدد اللحظة التي يبلغ فيها أثر مركز الثقل الرأسي سرعة الجاذبية ذروته أولا إلى الأسفل بعد بداية APA كوقت الكعب المتأرجح24 (الشكل 2). بدلا من ذلك ، حدد اللحظة التي يظهر فيها المخطط الزمني لمركز إزاحة الضغط الأمامي الخلفي انخفاضا سريعا نحو خط الأساس (أي نحو أصابع القدمين ؛ الشكل 2) أو ضع مفتاح قدم (أداة غير مكلفة) في كعب الأرجوحة.
- وقت التأرجح لأصابع القدم
- عرض المخططات الزمنية للمركز المتوسط الجانبي والأمامي الخلفي لإزاحة الضغط والسرعة الأمامية الخلفية لمركز الجاذبية.
- حدد اللحظة التي يصل فيها المخطط الزمني لمركز إزاحة الضغط المتوسط الجانبي إلى هضبة أولى (شبه موجهة) نحو جانب قدم الوقوف كوقت تأرجح إصبع القدم (الشكل 2). بدلا من ذلك ، حدد كعب التأرجح الفوري التالي عندما يصل المخطط الزمني لمركز إزاحة الضغط الأمامي الخلفي إلى 90٪ من القيمة القصوى للخلف ، أو ضع مفتاح قدم عند إصبع القدم المتأرجح.
- وقت ملامسة القدم المتأرجحة
- عرض مخططات الوقت للمركز الأمامي الخلفي لإزاحة الضغط.
- حدد اللحظة التي يتحول فيها مركز الضغط الأمامي الخلفي فجأة إلى الأمام (الشكل 2) كوقت ملامسة القدم المتأرجحة. إذا تم اشتقاق مخطط الوقت هذا، فحدد وقت ملامسة القدم المتأرجحة على أنه اللحظة التي يزداد فيها مخطط الوقت المشتق هذا بشكل حاد من قيمة مستوى خط الأساس الخاص به. بدلا من ذلك ، ضع مفتاح القدم عند الكعب المتأرجح للكشف عن هذه اللحظة.
ملاحظة: يمكن استخدام طريقة مشابهة لتلك الموضحة سابقا أعلاه للكشف عن APA (استنادا إلى حساب قيمة مستوى خط الأساس المتوسط؛ الخطوة 5.1.1.2) هنا.
- وقت إيقاف القدم الخلفي
- عرض المخطط الزمني للمركز المتوسط الجانبي لإزاحة الضغط.
- حدد اللحظة التي يصل فيها المخطط الزمني لمركز إزاحة الضغط المتوسط الجانبي إلى هضبة ثانية (شبه هضبة) ، موجهة في الاتجاه المعاكس مثل الاتجاه الأول (الخطوة 5.1.3.2 ؛ الشكل 2)، وقت إيقاف القدم الخلفي25. بدلا من ذلك ، ضع مفتاح قدم في الخلف للكشف عن هذه اللحظة.
- بداية APA
- حساب المتغيرات الزمنية
- حساب التأخير بين بداية APA (t0ML و t0AP) ووقت الكعب المتأرجح (tHO) لكل من الاتجاهين المتوسط الجانبي والأمامي الخلفي ، والذي يتوافق مع مدة APA على طول الاتجاهات المتوسطة (dAPAML) والاتجاهات الأمامية الخلفية (dAPAAP). انظر المعادلتين (6) و (7).
dAPAML = tHO - t0ML (6)
dAPAAP = tHO - t0AP (7) - حساب التأخير بين وقت التأرجح لإصبع القدم (tTO) ووقت الكعب المتأرجح (tHO) ، والذي يتوافق مع مدة "مرحلة التفريغ" (UNLd; الشكل 2) باستخدام المعادلة (8).
UNLd = tTO - tHO (8) - حساب التأخير بين وقت إيقاف إصبع القدم المتأرجح (tTO) وملامسة القدم المتأرجحة (tFC) ، والذي يتوافق مع مدة "مرحلة التأرجح" (SWINGd; الشكل 2) باستخدام المعادلة (9).
SWINGd = tFC - tTO (9)
- حساب التأخير بين بداية APA (t0ML و t0AP) ووقت الكعب المتأرجح (tHO) لكل من الاتجاهين المتوسط الجانبي والأمامي الخلفي ، والذي يتوافق مع مدة APA على طول الاتجاهات المتوسطة (dAPAML) والاتجاهات الأمامية الخلفية (dAPAAP). انظر المعادلتين (6) و (7).
- حساب المتغيرات المكانية
- الموضع الأولي لمركز الضغط
- عرض المخططات الزمنية لمركز إزاحة الضغط على طول الاتجاهات المتوسطة والأمامية الخلفية.
- احسب القيم المتوسطة لمركز الوضع المتوسط (yP0) والأمامي الخلفي (xP0) لمواضع الضغط خلال النافذة الزمنية البالغة 250 مللي ثانية التي تسبق الإشارة الثانية (المغادرة) التي يتم تسليمها إلى المشاركين ، والتي تمثل مركز موضع الضغط في الوضع الأولي (أو قيمة "خط الأساس").
ملاحظة: السمات المكانية والزمانية ل APA الموصوفة أعلاه حساسة لموضع مركز الضغط في الوضع الأولي26. وبالتالي ، من المهم التحقق من أن أي تغيير في ميزات APA بين الظروف التجريبية (على سبيل المثال ، حالة ذات عقبة أمام الوضوح مقابل حالة دون وجود عقبة أمام التطهير) أو بين المجموعات التجريبية (على سبيل المثال ، المشاركون الأصحاء مقابل المشاركين العصبيين) لا يمكن أن يعزى إلى تغيير "بسيط" في مركز وضع الضغط في الموقف الأولي ، ولكن بدلا من ذلك إلى العامل الذي يجري التحقيق فيه.
- سعة APA
- عرض المخططات الزمنية لمركز إزاحة الضغط ومركز سرعة مركز الثقل على طول الاتجاهين المتوسط الجانبي والأمامي.
- اكتشف اللحظة التي تصل فيها كل من هذه المخططات الزمنية الأربعة إلى قيمة قصوى خلال النافذة الزمنية APA (الشكل 2).
- اطرح متوسط مركز قيمة خط أساس الضغط المحسوب في الخطوة 5.3.1.2 (أي قيمتي xP0 وyP0) من المركز الأقصى لقيمة الضغط المكتشفة خلال النافذة الزمنية APA (لكل اتجاه؛ أي الحساب باستخدام المعادلتين (10) و(11)).
xPAPA = xPMAX - xP0 (10)
yPAPA = yPMAX - yP0 (11)
حيث xPAPA و yPAPA هما سعة APA (مركز الضغط) على طول الاتجاهين الأمامي الخلفي والمتوسط الجانبي ، على التوالي ؛ xPMAX و yPMAX هما المركز الاستباقي الأقصى لإزاحة الضغط على طول الاتجاهين الأمامي الخلفي والمتوسط ، على التوالي.
ملاحظة: لا يلزم مثل هذا الطرح الأساسي لسرعة مركز الثقل لأنه يعتبر أن المشاركين غير متحركين في البداية (وبالتالي فإن مركز الثقل الأولي لسرعة الجاذبية فارغ؛ انظر الخطوة 4.4). تمثل القيم الأربع التي تم الحصول عليها سعة APA (قيمتان لكل اتجاه).
- طول الخطوة وعرض الخطوة
- عرض المخطط الزمني لمركز إزاحة الضغط على طول الاتجاه الأمامي الخلفي.
- الكشف عن الموضع الأكثر تراجعا في مركز وضع الضغط ، xPBACK.
- اكتشف مركز موضع الضغط في وقت إيقاف القدم الخلفية ، xPRFO (الشكل 2 والخطوة 5.1.5).
- احسب الفرق المكاني بين هاتين الكميتين ، والذي يتوافق مع طول الخطوة ، L41 ، باستخدام المعادلة (12).
L = xPBACK -- Xprfo (12) - عرض المخطط الزمني لمركز إزاحة الضغط على طول الاتجاه المتوسط.
- اكتشف الموضع الأكثر جانبية لمركز الضغط المتوسط الجانبي الذي تم الحصول عليه خلال الهضبة الأولى من المخطط الزمني ، yPSTANCE ("الموقف" ، لأن مركز الضغط يقع تحت قدم الموقف في ذلك الوقت ؛ انظر الشكل 2).
- اكتشف المركز الجانبي لموضع الضغط في وقت إيقاف القدم الخلفي ، yPRFO (الشكل 2 والخطوة 5.1.5).
- احسب الفرق المكاني بين هاتين الكميتين ، والذي يتوافق مع عرض الخطوة ، W25 ، باستخدام المعادلة (13).
W = yPSTANCE - yPRFO (13)
- أداء بدء المشية
- عرض المخطط الزمني لسرعة مركز الثقل على طول الاتجاه الأمامي الخلفي (الشكل 2).
- اكتشف اللحظة التي يضرب فيها المشاركون منصة القوة بالقدم المتأرجحة (الخطوة 5.1.4 ، الشكل 2) ولاحظ سرعة مركز الثقل في هذه اللحظة كمعيار لأداء GI.
ملاحظة: يمكن أيضا اعتبار قيمة الذروة لمخطط الوقت هذا ، والتي يتم الوصول إليها بعد بضعة مللي ثانية من ملامسة القدم المتأرجحة ، معيارا لأداء GI. يمكن أيضا اعتبار طول الخطوة ومدة مرحلة التأرجح معيارين لأداء GI. كلما كانت هذه الكميات أطول وأقصر ، على التوالي ، كان الأداء أفضل.
- معلمات التحكم في الثبات
- بالنسبة لمؤشر الكبح، اعرض المخطط الزمني لسرعة مركز الثقل على طول الاتجاه الرأسي. اكتشف ذروة مركز الثقل الهابط لسرعة المخطط الزمني (z'GMIN) ومركز سرعة الثقل عند وقت ملامسة القدم المتأرجحة (z'GFC، الشكل 2). احسب الفرق بين هاتين الكميتين ، ويسمى "مؤشر الكبح" (BI) ، كمؤشر للتحكم في الثبات ، باستخدام المعادلة (14).
BI =
(14)
ملاحظة: تم تقديم BI من قبل دو وزملاؤه ويقدم دليلا على أن الجهاز العصبي المركزي يتوقع ضربة القدم المتأرجحة مع سطح الدعم عن طريق تقليل مركز الثقل الرأسي لسرعة الثقل خلال مرحلة التأرجح من بدء المشية 4,5,27. تسهل هذه الفرامل النشطة الحفاظ على الثبات بعد ضربة القدم. كلما زاد BI ، كان التحكم في الاستقرار أفضل. - بالنسبة لهامش الاستقرار، اعرض المخططات الزمنية لسرعة مركز الثقل والإزاحة على طول الاتجاه المتوسط. الكشف عن السرعة (y'GFC) وإزاحة مركز الثقل (yGFC) في وقت ملامسة القدم المتأرجحة (الشكل 2). احسب المكون المتوسط الجانبي لهامش الاستقرار (MOS) عند ملامسة القدم باستخدام المعادلة (15).
(15)
حيث BOSmax هو الحد المتوسط الجانبي لقاعدة الدعم (BOS) و ω0 هو التردد الذاتي للجسم ، على غرار البندول المقلوب. خلال GI ، يهبط المشاركون بشكل منهجي على منصة القوة أولا بالكعب المتأرجح ، ثم بإصبع القدم. في ظل استراتيجية هبوط القدم هذه ، يمكن تقدير BOSmax مع مركز الضغط المتوسط الجانبي لموضع الضغط في وقت إيقاف القدم الخلفي (الخطوة 5.1.5). يمكن حساب التردد الذاتي للجسم باستخدام المعادلة (16).
(16)
حيث g = 9.81 m/s² هو تسارع الجاذبية و l هو طول البندول المقلوب ، والذي يتوافق مع 57.5٪ من ارتفاع الجسم.
ملاحظة: تسمى الكمية الموجودة بين قوسين في المعادلة (15) "مركز الكتلة المستنبط"18. تشير حالة الاستقرار عند ملامسة القدم إلى أن مركز الكتلة المستنبط يقع داخل قاعدة الدعم. يتوافق هذا الشرط مع قيمة MOS موجبة. إذا كان MOS سلبيا ، فيجب إجراء تعديلات وضعية تصحيحية لاستعادة التوازن.
- بالنسبة لمؤشر الكبح، اعرض المخطط الزمني لسرعة مركز الثقل على طول الاتجاه الرأسي. اكتشف ذروة مركز الثقل الهابط لسرعة المخطط الزمني (z'GMIN) ومركز سرعة الثقل عند وقت ملامسة القدم المتأرجحة (z'GFC، الشكل 2). احسب الفرق بين هاتين الكميتين ، ويسمى "مؤشر الكبح" (BI) ، كمؤشر للتحكم في الثبات ، باستخدام المعادلة (14).
- الموضع الأولي لمركز الضغط
(14)
(15)
(16)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
وصف مخططات الوقت الميكانيكية الحيوية التمثيلية التي تم الحصول عليها من منصة القوة أثناء بدء المشية
مهما كان مستوى الضغط الزمني أو التعليمات الخاصة بسرعة GI ، فإن الكعب المتأرجح يسبقه بشكل منهجي APA. يمكن أن تتميز APA هذه بتحول جانبي للساق إلى الخلف والتأرجح لمركز الضغط (الشكل 2). يعزز هذا المركز الاستباقي لتحول الضغط تسارع مركز الثقل في الاتجاه المعاكس (أي إلى الأمام وإلى جانب ساق الموقف). على طول الاتجاه الأمامي الخلفي ، تزداد سرعة مركز الثقل تدريجيا إلى ذروتها بعد فترة وجيزة من ملامسة القدم المتأرجحة. على طول الاتجاه المتوسط الجانبي، يصل مركز سرعة الثقل أولا نحو جانب ساق الوقوف عند مقدمة القدم المتأرجحة تقريبا، ثم يصل إلى ذروته نحو جانب الساق المتأرجحة بعد وقت قصير من ملامسة القدم. على طول الاتجاه الرأسي ، يبلغ مركز سرعة الثقل ذروته لأسفل عند منتصف الموقف تقريبا. ثم يعكس الاتجاه ويصل إلى قيمة قريبة من الصفر عند ملامسة القدم تقريبا.
الشكل 2: مخططات زمنية بيوميكانيكية تمثيلية تم الحصول عليها من منصة القوة أثناء بدء المشية (تجربة واحدة) ومتغيرات مكانية زمانية مختارة. بدأت المشية بسرعة في حالة وقت رد الفعل. X''G، y''G، z''G: تسارع مركز الثقل على طول الاتجاهات الأمامية الخلفية والمتوسطة، والرأسية، على التوالي. X'G، y'G، z'G: سرعة مركز الثقل على طول الاتجاهات الأمامية الخلفية، المتوسطة، والرأسية، على التوالي. xP ، yP: إزاحة مركز الضغط على طول الاتجاهين الأمامي الخلفي والمتوسط ، على التوالي. توقيت الأحداث. t0ML ، t0AP ، tHO ، tTO ، tFC ، tRFO: بداية APA على طول الاتجاهات المتوسطة والأمامية الخلفية ، ووقت تأرجح الكعب ، ووقت تأرجح إصبع القدم ، ووقت ملامسة القدم المتأرجحة ، ووقت القدم الخلفية ، على التوالي. المتغيرات الزمنية. APA ، UNL ، التأرجح: النوافذ الزمنية ل APA ، مرحلة التفريغ ، ومرحلة التأرجح لبدء المشية ، على التوالي. المتغيرات المكانية. X'GFO, x'GFC, XPMAX, YPMAX, L, W, z'GMIN, z'GFC: السرعة الأمامية الخلفية لمركز الثقل عند الانطلاق والاتصال بالقدمين، المركز الاستباقي الأقصى لإزاحة الضغط على طول الاتجاهين الأمامي الخلفي والمتوسط، طول الخطوة، عرض الخطوة، ذروة مركز الثقل الهبوطي، ومركز الثقل الرأسي لسرعة الثقل في وقت ملامسة القدم المتأرجحة، على التوالي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
القيم التمثيلية للمتغيرات التجريبية لدى الشباب الأصحاء: تأثير السرعة والضغط الزمني
المتغيرات الزمنية
مدة APA
تعتمد مدة APA على طول الاتجاهات الأمامية الخلفية والمتوسطة، على سرعة GI ولكن بطريقة معاكسة. وبشكل أكثر تحديدا ، تزداد مدة APA على طول الاتجاه الأمامي الخلفي مع سرعة GI ، مع قيم نموذجية تتراوح بين ~ 500 مللي ثانية للمؤشر الجلايسيمي البطيء ، و ~ 700 مللي ثانية للمؤشر الجلايسيمي السريع9. على النقيض من ذلك ، تنخفض مدة APA على طول الاتجاه المتوسط الجانبي مع سرعة GI. تتراوح القيم النموذجية بين ~ 700 مللي ثانية للمؤشر الجلايسيمي البطيء و ~ 500 مللي ثانية للمؤشر الجلايسيميالسريع 21.
تعتمد مدة APA الأمامي الخلفي والمتوسط أيضا على الضغط الزمني (القيم المذكورة أعلاه هي لحالة ذاتية البدء (أي حالة ذات مستوى ضغط زمني منخفض). عادة ما تقارن الدراسات في الأدبيات مدة APA في حالة ذات ضغط زمني منخفض مقابل ضغط زمني مرتفع ، عندما تبدأ المشية في حالة سريعة 1,28. في ظل هذه الظروف ، تنخفض مدة كل من APA الأمامي الخلفي والمتوسط الجانبي بحوالي 20-30 مللي ثانية في حالة وقت التفاعل مقارنة بالحالة التي بدأت ذاتيا.
مدة مرحلة التفريغ
تعتمد مدة مرحلة التفريغ على سرعة GI (أي أنها تنخفض عندما تزداد سرعة GI). تتراوح المدد النموذجية بين ~ 200 مللي ثانية للمؤشر الجلايسيمي البطيء و ~ 70 مللي ثانية للمؤشر الجلايسيمي السريع21. مدة مرحلة التفريغ ليست حساسة للضغط الزمني ، على الأقل عندما تبدأ المشية في حالة سريعة29.
مدة مرحلة التأرجح
تعتمد مدة مرحلة التأرجح على سرعة GI (أي أنها تتناقص عندما تزداد السرعة). تتراوح المدد النموذجية بين ~ 500 مللي ثانية للمؤشر الجلايسيمي البطيء و ~ 300 مللي ثانية للمؤشر الجلايسيميالسريع 21. على النقيض من ذلك ، هذه المدة ليست حساسة للضغط الزمني ، على الأقل عندما تبدأ المشية في حالة سريعة29.
المتغيرات المكانية
سعة APA
تعتمد سعة APA على سرعة GI. وبشكل أكثر تحديدا ، في حالة ذاتية المبادرة ، تزداد سعة APA على طول الاتجاه الأمامي الخلفي عندما تزيد سرعة GI9. تتراوح قيم APA النموذجية بين ~ 7 سم و ~ 0.15 م / ث (للمركز الاستباقي لإزاحة الضغط ومركز سرعة الثقل ، على التوالي) للمؤشر الجلايسيمي البطيء ، و ~ 13 سم و ~ 0.36 م / ث للمؤشر الجلايسيمي السريع. تزداد سعة APA على طول الاتجاه المتوسط الجانبي ، من حيث مركز إزاحة الضغط ، أيضا بسرعة GI21. تتراوح القيم النموذجية بين ~ 3 سم للمؤشر الجلايسيمي البطيء و ~ 4 سم للمؤشر الجلايسيمي السريع. وعلى النقيض من ذلك، فإن السرعة القصوى لمركز الثقل الذي تم الوصول إليه خلال APA (الاتجاه المتوسط الجانبي) لا تتغير مع سرعة GI. القيم النموذجية هي ~ 0.13 م / ث. سعة APA حساسة أيضا للضغط الزمني ، على الأقل عندما تبدأ المشية بسرعة28,29. وبشكل أكثر تحديدا ، تزداد كل من المكونات الأمامية الخلفية والمتوسطة.
طول الخطوة وعرض الخطوة
يعتمد كل من طول الخطوة وعرض الخطوة على سرعة GI ولكن ليس على الضغط الزمني. يصل طول الخطوة عادة إلى ~ 50 سم و ~ 90 سم عندما تبدأ المشية في حالة بطيئة وسريعة ، على التوالي23. يصل عرض الخطوة عادة إلى ~ 12 سم و ~ 14 سم عند بدء المشية في حالة GI بطيئة وسريعة ، على التوالي9.
أداء بدء المشية
تتراوح ذروة سرعة مركز الثقل عادة بين ~ 1 m / s للمؤشر الجلايسيمي البطيء و ~ 2 m / s ل GI10 السريع. بالنسبة للمؤشر الجلايسيمي السريع ، لا يؤثر الضغط الزمني على معلمة الأداء29 هذه ، على الرغم من أنه قد يحفز تغييرا صغيرا (~ 9٪)28.
معلمات التحكم في الثبات
مؤشر الكبح
BI حساس لسرعة GI. عندما تبدأ المشية في حالة بطيئة بطول خطوة أقل من ~ 43 سم ، يكون BI فارغا لأنه ليست هناك حاجة لفرملة سقوط مركز الجاذبية. تحدث الحاجة إلى فرملة سقوط مركز الثقل لأطوال الخطوات الأكبر من 43 سم. القيمة النموذجية ل BI هي 0.08 m / s للمشي الذي يبدأ عند 1 m / s وبطول خطوة 55 سم27.
هامش الاستقرار
MOS غير حساس لسرعة GI أو للضغط الزمني21,30. قيم MOS النموذجية التي تم الحصول عليها خلال GI هي ~ 5 سم21.
الشكل التكميلي S1: لقطات شاشة للبرنامج (Qualisys Track Manager) تظهر قوى رد الفعل الأرضي 3D أثناء بدء المشي. إلى اليسار ، محور منصة القوة ، مركز موضع الضغط (المقابل لنقطة تطبيق متجه قوة رد الفعل الأرضي) ، ومتجه قوة التفاعل الأرضي في الموقف الأولي ؛ الحق ، والمسار الزمني لقوى رد الفعل الأرضي 3D الخام أثناء بدء المشي (مشارك واحد ، تجربة واحدة). تمثل الآثار الخضراء والحمراء والزرقاء قوة التفاعل الأرضي على طول الاتجاه الأمامي الخلفي والمتوسط والرأسي على التوالي. الإحداثيات: سعة القوة بالنيوتن. الخراج: الوقت في مللي ثانية. وقف المشاركون في البداية على الجانب الأيسر من منصة القوة وبدأوا المشي إلى الجانب الأيمن. لاحظ أن المشارك غادر منصة القوة في الوقت t = 3,200 مللي ثانية ، يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
الشكل التكميلي S2: لقطات شاشة للبرنامج (Qualisys Track Manager) توضح المركز الخام لآثار إزاحة الضغط. إلى اليسار ، محور منصة القوة ، مركز موضع الضغط (المقابل لنقطة تطبيق متجه قوة رد الفعل الأرضي) ، ومتجه قوة الفعل الذي يمارسه المشارك على منصة القوة في الموقف الأولي ؛ على اليمين ، المسار الزمني للمركز الخام لآثار إزاحة الضغط (مشارك واحد ، تجربة واحدة). تمثل الآثار الخضراء والحمراء مركز إزاحة الضغط على طول الاتجاه الأمامي الخلفي والمتوسط الجانبي ، على التوالي. الإحداثيات: الإزاحة بالملليمتر. الخراج: الوقت في مللي ثانية. وقف المشاركون في البداية على الجانب الأيسر من منصة القوة وبدأوا المشي إلى الجانب الأيمن. لاحظ أن المشارك غادر منصة القوة في الوقت t = 3,200 مللي ثانية ، يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
كان الهدف من هذه الورقة هو تزويد العلماء والأطباء وطلاب التعليم العالي بمعلومات حول الطريقة (الطريقة "العالمية") المستخدمة في مختبرنا للتحقيق في التنظيم الميكانيكي الحيوي لبدء المشي (GI). وتناقش أدناه الخطوات الحاسمة للبروتوكول، والقيود المفروضة على الطريقة، والأساليب والتطبيقات البديلة.
تتمثل إحدى الخطوات الحاسمة في البروتوكول في الكشف عن أحداث توقيت GI (أي بداية APA ، وتأرجح الكعب وإصبع القدم ، والقدم الخلفية). تعتمد قيم كل من المتغيرات الزمنية والمكانية المتعلقة بتنظيم GI على الكشف الصحيح عن هذه الأحداث. لكل واحد منهم ، تم اقتراح عدة طرق للكشف (هذه الطرق المقترحة ليست شاملة). يوصى باستخدام نفس الطريقة في جميع أنحاء تحليل البيانات لضمان الاتساق عبر التجارب والظروف التجريبية والسماح بالمقارنة عبر الدراسات في الأدبيات. ومع ذلك ، يوصى أيضا باستخدام طريقتين مختلفتين على الأقل لضمان اكتشاف أحداث التوقيت الصحيحة بشكل صحيح (من المتوقع فقط اختلافات طفيفة في قيم الميزات الزمنية عبر هذه الأساليب). علاوة على ذلك ، لكل حدث توقيت ، يمكن تطبيق الكشف التلقائي (على سبيل المثال ، مع روتين MATLAB). يمكن برمجة هذا الروتين بسهولة من خلال الطرق المقدمة في هذه المقالة. يوصى بشدة بالتحقق بصريا من تماسك و "مصداقية" البيانات التي يتم الحصول عليها تلقائيا باستخدام هذه الإجراءات الروتينية. على سبيل المثال ، يجب ألا تتجاوز سعة المركز الاستباقي لإزاحة الضغط قاعدة حجم الدعم. ومن المتوقع أن توجه إلى الخلف ونحو جانب الساق المتأرجحة (باستثناء مجموعات تجريبية محددة)؛ من المتوقع أن يحدث وقت تأرجح إصبع القدم بعد الكعب المتأرجح ؛ يجب ألا يحدث ظهور APA في وقت أقرب من 150 مللي ثانية قبل إشارة المغادرة أو 300 مللي ثانية بعد ذلك (في حالة وقت رد الفعل). وبعبارة أخرى ، يعتقد أن الكشف التلقائي وحده لا يكفي لتحليل البيانات بشكل صحيح و "آمن" ؛ من الضروري أن يكون لديك معرفة متعمقة ب i) دورة الوقت العالمي للمؤامرات الميكانيكية الحيوية المتوقعة من منصة القوة و ii) القيم النموذجية المتوقعة من المشاركين الأصحاء. ونحن نعتقد أنه بالإضافة إلى القدرة على برمجة الروتين التلقائي، وهذه المعرفة هي ذات قيمة تعليمية قوية لطلاب التعليم العالي في الميكانيكا الحيوية. هذا هو السبب في توفير هذين العنصرين في هذه المقالة.
ومن المسلم به أن الطريقة "العالمية" تنطوي على قيدين على الأقل. أولا ، لا توفر هذه الطريقة بيانات عن الموقف الأولي للمشاركين (أي عن الوضع النسبي لأجزاء الجسم) ولكنها توفر بيانات عن المركز الأولي للضغط ومركز وضع الثقل (الذي يحدد وضعه النسبي حالة التوازن). يمكن نظريا الوصول إلى نفس المركز الأولي للضغط ومركز مركز الثقل بعدد لا نهائي من المواقف. وبعبارة أخرى ، قد لا يتم التحكم الكامل في الظروف الوضعية الأولية التي يبدأ فيها المشاركون في المشي بشكل كامل بالطريقة العالمية. لذلك فإن الفحص البصري للوضع الأولي للمشاركين من قبل باحث أو طبيب مجرب مهم إذا لم يكن من الممكن تسجيل الوضع النسبي لأجزاء الجسم (على سبيل المثال ، باستخدام كاميرا). ثانيا، لا توفر هذه الطريقة معلومات عن مساهمة كل تسارع جزء من الجسم (أو التسارع "المحلي") في مركز تسارع الجاذبية للجسم كله. ويترتب على ذلك أنه من الممكن نظريا أن يتم تعويض تسارع أجزاء معينة من الجسم عن طريق تباطؤ بعض أجزاء الجسم البعيدة ، مما يؤدي إلى مركز ثقل كامل الجسم فارغ من تسارع الثقل خلال APA31. وبالتالي ، قد يكون استخدام مقاييس التسارع الموضوعة على عدة أجزاء من الجسم (على سبيل المثال ، الجذع والوركين والساقين) ذا صلة لإكمال بيانات منصة القوة.
هناك طريقة بديلة وشائعة لحساب مركز ثقل الجسم بالكامل أثناء GI وهي الطريقة الحركية ، والتي تستند إلى التسجيلات باستخدام نظام التقاط الحركة من علامات عاكسة ملتصقة بأجزاء مشتركة من الجسم كله. تسمح الإشارات التي توفرها هذه العلامات العاكسة بإعادة تكوين الهيكل العظمي للجسم بأكمله. استنادا إلى حجم كل جزء من أجزاء الجسم التي أعيد تشكيلها والمعلومات التي توفرها الجداول الأنثروبومترية (على سبيل المثال ، كتلة وكثافة العظام) ، يمكن حساب موضع 3D لمركز ثقل كل جزء باستخدام برنامج الكاميرا. مع هذه البيانات ، من الممكن بعد ذلك حساب موضع 3D لمركز ثقل الجسم كله. مع الاشتقاق المتتالي لإشارة الموضع ، يمكن الحصول على سرعة وتسارع مركز ثقل الجسم بأكمله. لحساب حركية مركز ثقل الجسم بأكمله ، هناك حاجة إلى 53 علامة عاكسة32. ومع ذلك، اقترح مؤخرا تيسيراند وآخرون 33 نموذجا مبسطا يحتوي على 13 علامة.
مزايا الطريقة العالمية (التي يمكن استيعابها في طريقة حركية لأنها تستند إلى تسجيل القوى واللحظات) على الطريقة الحركية للتحقيق في التنظيم الوضعي للمؤشر الجغرافي هي التالية: أ) أنها لا تتطلب أي إعداد للمشاركين ، وبالتالي توفير الوقت ، وهو أمر مهم بشكل خاص في حالات المرضى الضعفاء أو المرضيين المشاركين في التجربة. ب) يتجنب الأخطاء المحتملة في حساب مركز الثقل للجسم كله بسبب الأخطاء الصغيرة التراكمية في وضع العلامات التي يقوم بها المجرب ، لأن الطريقة العالمية توفر مقياسا مباشرا لهذه الكمية ؛ ج) لا يمكن حساب مركز موضع الضغط باستخدام أنظمة التقاط الحركة. تم رفع العيب الرئيسي للطريقة العالمية على الطريقة الحركية أعلاه - فهي لا تسمح بالتحقيق في الموقف أو التنسيق القطاعي.
الآن ، من الجدير بالذكر أن نتائج الأدبيات الحالية تشير إلى أن كلتا الطريقتين توفران مقياسا مكافئا لحركية مركز الثقل وتوقيت الحدث أثناء المهام الحركية. على سبيل المثال، أفاد Langeard et al.34 أن تقدير مركز الكبح ("مؤشر الكبح" (BI)) باستخدام الطريقة العالمية أو الطريقة الحركية أثناء GI كان موثوقا به للغاية. خلال تفاعلات الخطوة التعويضية ، أفاد ماكي وماكلروي35 أن السرعة الأمامية الخلفية وإزاحة مركز الثقل المحسوبة عند ملامسة القدم بكلتا الطريقتين وفرت اتفاقا جيدا بشكل معقول في كل من الشباب الأصحاء وكبار السن. وبالمثل ، أثناء المشي المستقيم على أرض مستوية لدى الأشخاص الذين يعانون من البتر عبر الفخذ ، أظهر Lansade et al.36 أن تقدير سرعة مركز الثقل من تكامل بيانات منصة القوة كان مقبولا. وأخيرا، أظهر كل من Caderby et al.24 و Yiou et al.25 أن هاتين الطريقتين توفران تقديرا مماثلا للكعب المتأرجح خارج الحدث وطول/عرض الخطوة، على التوالي، خلال GI.
تم تطبيق الطريقة العالمية في البداية على نموذج GI لدى الشباب الأصحاء للحصول على المعرفة الأساسية حول التحكم الطبيعي في الوضع أثناء مهمة حركية وظيفية تتطلب الدفع المتزامن للجسم كله والحفاظ على الثبات10. ومنذ ذلك الحين تم توسيعه على نطاق واسع للتحقيق في العديد من المهام الحركية الديناميكية الأخرى للجسم بأكمله ، مثل الاندفاع في المبارزة37 ، والقفز 38 ، والجلوس للوقوف39 ، وانثناء الأطراف السفلية40. ومن الجدير بالذكر أنه تم تطبيق هذه الطريقة أيضا للتحقيق في التحكم الوضعي أثناء إنهاء المهام الحركية المختلفة، بما في ذلك الخطوة الواحدة 41 والإشارة42، ويمكن تطبيقها للتحقيق في إنهاء المشية كما تم سابقا مع الطريقة الحركية43. وأخيرا ، تم استخدام هذه الطريقة أيضا على نطاق واسع في المرضى الذين يعانون من حالات عصبية وفي كبار السن لفهم أفضل للآليات الفسيولوجية النفسية المرضية التي تؤثر على التحكم الوضعي الديناميكي2،3،4،5 ، وفي الآونة الأخيرة ، في المرضى الذين يعانون من مرض باركنسون لاختبار فعالية التدخلات غير الدوائية المختلفة (مثل تمديد الكاحل44 والتحفيز الكهربائي الوظيفي 3 ) في تعزيز التحكم الوضعي.
في الختام ، قدمت هذه المقالة طريقة مفصلة مصممة للتحقيق في التحكم الوضعي أثناء بدء المشي. لكل متغير ، تم توفير القيم المعيارية التي تم الحصول عليها في الشباب البالغين الأصحاء. هذه الطريقة لها خلفية ميكانيكية حيوية قوية ، لأنها تستند إلى قوانين الميكانيكا لحساب حركية مركز الثقل ومركز الضغط. يعد تحليل التفاعل بين هاتين النقطتين الافتراضيتين نقطة رئيسية في هذه الطريقة ، لأنه يحدد ظروف الاستقرار وتطور الجسم بأكمله. نظرا لأن أداء معظم مهامنا الحركية اليومية (بما في ذلك الرياضة والعمل) يتطلب تقدما آمنا (مستقرا) في الجسم بأكمله ، فإن هذه الطريقة مناسبة للغاية للحصول على نظرة ثاقبة على الآليات الديناميكية بعد الشفق الكامنة وراء الكفاءة الحركية / النقص في كل من السكان الأصحاء والمرضيين. وبالتالي فإن لديها تطبيقات قوية في علوم الحركة البشرية ، وعلوم الرياضة ، وبيئة العمل ، والعلوم السريرية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ليس لدى المؤلفين مصالح متنافسة.
Acknowledgments
يود المؤلفان أن يشكرا الوكالة الوطنية لتقنين المواصلات وLADAPT.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Force platform(s) | AMTI | One large [120 cm x 60 cm] or two small [60 cm x 40 cm] force platform(s) | |
| Python or Matlab | Python or MathWorks | Programming language for the computation of experimental variables | |
| Qualisys track manage | Qualisys | Software for the synchronization of the force platform(s), the recording and the on-line visualization of raw biomechanical traces (3D forces and moments) | |
| Visual3D | C-Motion Inc | Software for the processing of raw biomechanical traces (low-pass filtering) |
References
- 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).
- 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).
- Delafontaine, A., et al. Anticipatory postural adjustments during gait initiation in stroke patients. Frontiers in Neurology. 10, 352 (2019).
- 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).
- Demain, A., et al. High-level gait and balance disorders in the elderly, a midbrain disease. Journal of Neurology. 261 (1), 196-206 (2013).
- Belen'kiĭ, V. E., Gurfinkel', V. S., Pal'tsev, E. I. On the control elements of voluntary movements. Biofizika. 12 (1), 135-141 (1967).
- Bouisset, S., Zattara, M. A sequence of postural movements precedes voluntary movement. Neuroscience Letters. 22 (3), 263-270 (1981).
- 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).
- Bouisset, S., Do, M. C. Poster, dynamic stability, and voluntary movement. Neurophysiologie Clinique/Clinical Neurophysiology. 38 (6), 345-362 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hess, W. R. Teleokinetisches und ereismatisches Kräftesystem in der Biomotorik. Helv Physiol Pharmacol Acta. 1, 62-63 (1943).
- Lepers, R., Brenière, Y. The role of anticipatory postural adjustments and gravity in gait initiation. Experimental Brain Research. 107 (1), 118-124 (1995).
- Lyon, I. N., Day, B. L. Control of frontal plane body motion in human stepping. Experimental Brain Research. 115 (2), 345-356 (1997).
- 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).
- 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).
- Hof, A. L., Gazendam, M. G. J., Sinke, W. E. The condition for dynamic stability. Journal of Biomechanics. 38 (1), 1-8 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Brenière, Y., Do, M. C.
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Sint, J. S. V. Color Atlas of Skeletal Landmark Definitions: Guidelines for Reproducible Manual and Virtual Palpations. , Churchill Livingstone. Edinburgh. 29 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Yiou, E., Caderby, T., Hussein, T. Adaptability of anticipatory postural adjustments associated with voluntary movement. World Journal of Orthopedics. 3 (6), 75 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
