Summary
本文描述了用于研究步态起始的姿势组织的材料和方法。该方法基于力平台记录和力学的直接原理来计算重心和压力运动学中心。
Abstract
步态起始（GI）是正交姿势和稳态运动之间的瞬态阶段，是一项功能性任务和实验范式，文献中经典地用于深入了解身体运动和平衡控制的基本姿势机制。胃肠道调查也有助于更好地了解老年人和神经系统受试者（例如帕金森病患者）姿势性疾病的生理病理学。因此，它被认为具有重要的临床意义，特别是在预防跌倒方面。
本文旨在为学者、临床医生和高等教育学生提供有关通过生物力学 方法研究 胃肠道姿势组织的材料和方法的信息。该方法基于力平台记录和力学的直接原理来计算重心和压力中心的运动学。这两个虚拟点之间的相互作用是该方法的关键要素，因为它决定了稳定性和全身进展的条件。该协议涉及参与者最初以直立姿势站立不动，并开始行走直到至少 5 m 的轨道尽头。
建议改变胃肠道速度（慢，自发，快速）和颞压水平 - 步态可以在离开信号传递（高水平的颞压）或参与者感觉准备好时尽快开始（低水平颞压）。定义了用这种方法获得的生物力学参数（例如，预期姿势调整的持续时间和幅度、步长/宽、性能和稳定性），并详细说明了它们的计算方法。此外，还提供了在健康年轻人中获得的典型值。最后，讨论了该方法相对于替代方法（运动捕捉系统）的关键步骤、局限性和意义。
Introduction
步态起始 （GI） 是正交姿势和稳态运动之间的瞬态阶段，是一项功能性任务和实验范式，在文献中经典地用于研究需要同时全身推进和稳定性的复杂运动任务期间的姿势控制1。已知患有神经系统疾病（例如帕金森病2、中风3、进行性核上性麻痹4 和“更高水平的步态障碍”5）的患者难以开始步态，这使他们跌倒的风险增加。因此，基础科学和临床科学都必须开发概念和方法，以深入了解步态开始期间起作用的姿势控制机制，获得科学知识和更好地了解步态和平衡障碍的病理生理学，并能够通过适当的干预措施进行补救。
步态起始的生物力学组织的概念描述如下，旨在研究该组织的经典方法详见协议部分。GI可以细分为三个连续的阶段：“预期姿势调整”（APA）阶段对应于摆动脚跟脱落前全身发生的动态现象，“卸载”阶段（摆动脚跟脱落和脚趾脱落之间），以及在摆动脚接触支撑面时结束的“摆动”阶段。GI过程的这种经典细分源于Belenkii等人6等人7，8的开创性研究，重点是在直立姿势中自愿举臂到水平时姿势和运动之间的协调。在这种范式中，直接参与手臂抬起的身体节段对应于“焦点”链，而插入焦点链近端部分和支撑面之间的身体节段对应于“姿势”链9。这些作者报告说，在举起手臂之前，姿势链中系统地出现了动态和肌电图现象，他们称之为“预期姿势调整”。对于胃肠道，摆动脚跟脱落（或摆动脚趾脱落，取决于作者）被认为是步态运动的开始10。因此，在此瞬间之前发生的动态现象对应于APA，并且摆动肢被认为是焦点链11的组成部分。这种说法与运动生物力学组织的经典概念一致，根据该概念，任何运动行为都必须涉及焦点和姿势成分12，13。
从生物力学的角度来看，与胃肠道相关的APA表现为压力中心的向后和中外侧（摆腿侧向）位移，其作用是推动重心向相反的方向 - 向前和朝向站立腿侧。预期后压位移中心越大，就脚接触时向前重心速度而言，电机性能越高10，14.此外，通过将重心推向站立腿侧，APA 有助于在 GI1，15，16，17 的摆动阶段保持中侧稳定性。目前的文献强调，这种对稳定性的预期控制的改变是老年人跌倒的主要原因1。GI期间的稳定性已在文献中通过调整“稳定边际”18进行了量化，该量考虑了速度和重心在支撑底座内的位置。除了APA的发展外，据报道，在重力作用下GI摆动阶段重心下降被站立腿的三头肌主动制动。这种主动制动有助于在脚接触后保持稳定性，使脚平稳地落在支撑表面上4.
本文的目的是为学者、临床医生和高等教育学生提供有关我们实验室开发的材料和方法的信息，以通过生物力学方法 研究 胃肠道的姿势组织。这种“全局”方法（由于下面详述的原因，也可以同化为“动力学”方法）是由Brenière和合作者10，19发起的。它基于力学的直接原理来计算重心的加速度以及压力中心的瞬时位置。这些点中的每一个都是特定于运动的全局表达式。
一个是与运动目的相关的所有身体部分运动的瞬时表达（重心;例如，GI期间身体的进展速度）;另一个（压力中心）是实现这一目标所需的支持条件的表达。这两个点的瞬时位置反映了步态启动需要满足的姿势动力学条件。力平台是该模型的合适仪器，因为它允许直接测量运动过程中作用在支撑表面上的外力和力矩。它还允许执行自然运动，不需要特殊准备。
已知许多因素会影响胃肠道的姿势组织，包括生物力学、（神经）生理、心理、环境和认知因素1，20。本文重点介绍了两个因素的影响 - 胃肠道速度和时间压力 - 并提供了健康年轻人获得的典型值。
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Protocol
下面描述的协议遵循巴黎萨克雷大学人类研究伦理委员会的指导方针。与会者批准并签署了同意书。
1. 参与者
- 在实验中包括至少15名健康的年轻成年参与者（年龄在20至40岁之间）。
注意：这一推荐的受试者数量与地理标志文献中经典考虑的相对应。 - 排除有助行器、视觉、听力或骨科问题、已识别的神经系统疾病、痴呆、认知障碍（即迷你精神状态检查得分< 25）和跌倒病史的参与者。
- 要求参与者在告知实验的性质和目的后提供书面同意。
- 确保实验符合《赫尔辛基宣言》规定的标准。
2. 实验室准备
- 确保力平台足够长，以便在第一步结束时让整个摆动脚落在其上。如果不是，请使用两个小距离力平台，参与者在第一个平台上以初始姿势站立，在第一个21 个前面的第二个平台上击打他们的摆动脚。在这两种情况下，请确保力平台嵌入至少 5 m 长的轨道中，以确保达到稳态行走。
注意：记录3D力矩和力的力平台对于计算整套实验变量是必要的（见第5节）。- 作为安全措施，将安全带固定在天花板上，并将其居中到力平台的大斧头上，以防实验包括虚弱的患者（例如神经系统患者）。
- 校准力平台。单击 自动归零 按钮。
- 导入日记帐
- 打开 Qualisys 跟踪管理器。
- 选择并打开“项目”文件夹。
- 创建患者文件夹。
- 单击“ 添加”，然后选择 “患者”。
- 输入标签：患者 ID、名字、姓氏、出生日期、性别和注释（如果需要）。
- 单击“ 添加”，然后选择 “步态 会话”。
- 输入标签：病例 ID、测试操作员、评论（如果需要）、诊断、二次诊断、患侧、粗大运动功能分类、功能活动量表、身高、体重、腿长左、腿长右、膝盖宽左、膝盖宽右、踝宽左、脚踝宽右、鞋底三角洲左、肩部左偏移、肩部右偏移、肘部宽度左、 肘宽右、手腕宽度左、手宽右、手粗细右和标记直径。
- 单击“ 添加”，然后选择 “无标记 会话”。
- 输入标签：测试条件、Prothesis_Orthosis、外部辅助、外部辅助侧、个人辅助侧、注释（如果需要）、测试操作员和事件模式（选择多个测力板）。
- 选中 测力板自动归零。
- 选择 “工具”。
- 单击 测力板。
- 单击标签框中的“强制板自动归零”中的预览开始时。
- 确保来自力平台的基线信号（力和力矩）在未充电时为零。
- 单击“ 新建 ”或使用快捷键 Ctrl+N。
- 单击 数据信息窗口 1 或使用快捷键 Ctrl+D。
- 单击“ 显示力数据 ”或使用快捷键 Ctrl+D。
- 单击“ 强制 ”并选择 “绘图”。
3. 实验程序
- 要求参与者赤脚站立，以自然的直立姿势站在力台上，手臂松散地垂在两侧，目光指向至少 5 m 外与视线齐平的目标（图 1）。
注意：以初始姿势（例如，用粉笔）描绘脚在力平台上的位置。仔细检查参与者在每次试验后是否在这些标记上重新定位他们的脚。这一点很重要，因为初始脚的位置会影响GI的APA特征。 - 确定参与者的优先起始腿，在参与者闭上眼睛的初始姿势时轻轻推挤参与者的背部以向前迈出一步。
- 向参与者解释，他们要执行的任务是用首选腿从站立姿势开始步态，继续走到赛道尽头，然后安静地回到最初的站立姿势。
注意：如果在实验过程中未在给定试验中以确定的首选腿启动步态，请重复试验。 - 解释步态将在两个连续信号（听觉、视觉或触觉）之后开始：预备信号和离开信号（参见步骤 3.6 和 3.7）。
- 解释有关速度和时间压力的说明（请参阅步骤3.8-3.10）。
- 向参与者传递第一个（准备）信号。指示他们站立不动，避免在第一个信号时出现胃肠道。
- 在准备信号后随机延迟 2-5 秒后传递第二个（出发）信号。
- 在发出第二个信号之前，确保参与者在视觉上不动。使用压力位移前后位或中外侧中心的时间图在线检查不动
注意：如果它们不是固定的，则可能难以检测APA发病（步骤5.1.1）。
- 在发出第二个信号之前，确保参与者在视觉上不动。使用压力位移前后位或中外侧中心的时间图在线检查不动
- 指导参与者在出发信号后尽快（即在反应时间条件下）或ii）仅在他们准备好（即在自我启动状态下）启动步态。
- 改变施加在GI上的“时间压力”条件（即低时间压力（自启动条件）和高温时间压力（反应时间条件））。
- 改变胃肠道速度的条件（慢、自发、快的条件）。
- 为了限制实验条件的数量，从而避免疲劳，指示参与者在低或高时间压力条件下仅执行两种胃肠道速度条件（例如，慢速和快速），或相反（即，在高和低时间压力条件下以慢速或快速速度进行GI）。
注意：经常重复有关时间压力和胃肠道速度的说明。
- 为了限制实验条件的数量，从而避免疲劳，指示参与者在低或高时间压力条件下仅执行两种胃肠道速度条件（例如，慢速和快速），或相反（即，在高和低时间压力条件下以慢速或快速速度进行GI）。
- 指导参与者在每个实验条件下进行连续10次试验。
注意：五项试验系列足以用于老年受试者或帕金森病患者22。- 随机化参与者的胃肠道速度和时间压力条件，以避免顺序效应。
- 在连续条件之间至少休息2分钟，以避免疲劳的影响。
- 在每种情况下，允许参与者在录制前进行两次熟悉试验。
- 在准备信号开始前几秒钟从力平台触发数据采集，并在参与者离开力平台后停止。
图 1：实验设置。 参与者最初站在嵌入至少 5 m 长的轨道 （2） 中的力平台 （1） 上，目光指向与眼睛齐平的目标 （3）。 请点击此处查看此图的大图。
4. 力平台动力学记录的处理
- 使用截止频率为 15 Hz 的无滞后低通巴特沃兹阶次从力平台过滤数据。
- 导入文件。
- 打开 可视化3D。
- 选择并打开文件“项目”。
- 加工
- 单击“ 管道 ”或使用快捷方式 F11。
- 选择 信号滤波器。
- 选择“ Lowpass_Filter”。
- 单击 执行。
- 以 100 Hz 的速率从力平台收集数据。
- 单击“ 管道 ”或使用快捷方式 F11。
- 选择 文件保存/导出。
- 选择 “Export_Data_To_Acsii_File”。
- 单击 编辑。
- 在标签归一化点数中输入 100。
- 单击 执行。
- 使用牛顿第二定律10，23 计算沿后向 （x''G）、中外侧 （y''G） 和垂直 （z''G） 方向的瞬时重心加速度的时间图，这些时间图来自用力平台获得的 3D 地面反作用力（见补充图 S1）。
注意：根据牛顿第二定律，施加到系统的外力之和等于该系统的质量（m）乘以其重心加速度。因此，根据本研究中描述的GI协议，施加在参与者身上的唯一外力是体重（BW）和地面反作用力（R）。方程（1）、（2）和（3）可以写成：
x''G = Rx / m （1）
y''G = Ry / m （2）
z“G = （Rz - BW） / m （3）
其中 Rx、Ry、Rz 分别是矢量地面反作用力的瞬时前后分量、中侧分量和垂直分量。x''G、y''G 和 z''G 的典型图如图 2 所示。 - 使用等于零的积分常数（即 3D 初始重心速度被视为零10），通过 3D 重心加速度时间图的简单数值积分来计算重心速度的 3D 时间图。有关重心前后、中外侧和垂直速度（分别为 x'G、y'G 和 z'G）的典型时间图，请参见 图 2 。
- 对 y'G 时间图执行额外的积分，以获得重心沿中外侧方向的位移。使用此量计算“稳定裕度”（见步骤5.3.5.2）。
- 使用等式 （4） 和 （5） 根据力平台数据计算压力中心的中外侧 （yP） 和前后 （xP） 位移：
（四）
（五）
其中 Mx 和 My 分别是前后和中外侧方向周围的瞬时矩;Rx、Ry 和 Rz 分别是瞬时前后、中侧和垂直地面反作用力;dz是力平台表面与其原点之间的距离（由制造商提供）。xP和yP的典型时间图如图 2 所示（另见 补充图S2）。
（四）
（五）5. 实验变量
注意：下面描述的每个实验变量必须从每次试验获得的实验时间图中提取。
- 检测步态启动的定时事件
- APA 的发作
- 显示沿中外侧和前后方向的压力位移中心的时间图。
- 计算在传递给参与者的第二个信号之前的 250 ms 时间窗口内压力时间图中的中外侧和前后中心位置的平均值。
注意：这些值对应于这些时间图的“基线值”。 - 检测第二个信号之后的时刻，当中外侧和前后压力位移迹线偏离基线值 2.5 个标准偏差至少 50 毫秒时。
注意：这两个时刻对应于沿中外侧和前后方向（分别为t0ML和t0AP; 图2）。这两个时刻也可以被识别为中外侧和前后重心加速度的时间图达到其各自峰值的 10% 的时刻。 - 确保在反应时间条件下，APA的开始范围在第二个（Go）信号后150ms至300ms之间。如果没有，请重复试验和有关颞压的说明。
注意：如果小于 150 毫秒，则参与者已预期。如果大于 300 毫秒，则参与者没有专注于任务。 - 确保在自启动条件下，APA 的开始时间大于 300 毫秒。如果不是，请重复试验和关于颞压的说明，因为参与者可能在反应时间条件下开始步态。
- 挥杆脚跟脱落时间
- 显示垂直重心速度和前后压力位移中心的时间图。
- 确定 APA 开始后垂直重心速度的轨迹首次向下达到峰值的时刻作为摆动脚跟脱落时间24 （图 2）。或者，确定压力位移前后心的时间图显示向基线快速下降（即朝向脚趾; 图2）或在摆动鞋跟处放置一个脚踏开关（一种廉价的工具）。
- 摆动脚趾脱落时间
- 显示压力位移的中外侧和前后中心以及重心前后速度的时间图。
- 确定压力位移中外侧中心的时间图到达指向站立脚侧的第一（准）平台的时刻作为摆动脚趾离开时间（图 2）。或者，当压力位移前后心的时间图达到最大向后值的 90% 时，确定摆动脚跟脱落后的瞬间，或在摆动脚趾处放置一个脚踏开关。
- 摆动脚接触时间
- 显示压力位移前后中心的时间图。
- 确定前后压力中心突然向前移动的时刻（图2）作为摆动脚接触时间。如果派生了此时间图，则将摆脚接触时间标识为此派生的时间图从其基线水平值急剧增加的时刻。或者，在摆动脚跟处放置一个脚踏开关以检测此时刻。
注意：此处可以使用类似于上述APA检测的方法（基于平均基线水平值的计算;步骤5.1.1.2）。
- 后脚脱落时间
- 显示压力位移中侧中心的时间图。
- 确定压力位移中侧中心的时间图到达第二个（准）平台的时刻，其方向与第一个平台相反（步骤5.1.3.2; 图2），后脚脱落时间25.或者，在后部放置一个脚踏开关以检测此时刻。
- APA 的发作
- 时间变量的计算
- 计算中外侧和前后方向的 APA 开始（t0ML 和 t0AP）与摆动脚跟脱落时间 （tHO） 之间的延迟，对应于沿中外侧 （dAPAML） 和前后方向 （dAPAAP） 的 APA 持续时间。参见等式（6）和（7）。
dAPAML = tHO - t0ML （6）
dAPAAP = tHO - t0AP （7） - 计算摆动脚趾离开时间 （tTO） 和摆动脚跟脱落时间 （tHO） 之间的延迟，它对应于“卸载阶段”持续时间 （UNLd; 图2）使用公式（8）。
UNLd = tTO - tHO （8） - 计算摆动脚趾关闭时间 （tTO） 和摆动脚接触 （tFC） 之间的延迟，它对应于“摆动阶段”持续时间 （SWINGd; 图2）使用公式 （9）。
摆动 = tFC - tTO （9）
- 计算中外侧和前后方向的 APA 开始（t0ML 和 t0AP）与摆动脚跟脱落时间 （tHO） 之间的延迟，对应于沿中外侧 （dAPAML） 和前后方向 （dAPAAP） 的 APA 持续时间。参见等式（6）和（7）。
- 空间变量的计算
- 压力中心的初始位置
- 显示沿中外侧和前后方向的压力位移中心的时间图。
- 计算在传递给参与者的第二个（离开）信号之前的 250 毫秒时间窗口内，中外侧 （yP0） 和前后 （xP0） 压力位置中心的平均值，这些值代表初始姿势（或“基线”值）的压力位置中心。
注意：上述APA的时空特征对初始姿势26中压力中心的位置很敏感。因此，重要的是要检查实验条件（例如，有清除障碍的条件与没有清除障碍的条件）或实验人群之间（例如，健康参与者与神经参与者）之间APA特征的任何变化不能归因于初始姿势中压力位置中心的“简单”变化， 而是被调查的因素。
- APA的振幅
- 显示沿中外侧和前后方向的压力位移中心和重心速度的时间图。
- 检测这四个时间图中的每一个在APA时间窗口内达到最大值的时刻（图2）。
- 从APA时间窗口期间检测到的最大压力中心值中减去步骤5.3.1.2中计算的平均压力中心基线值（即xP0和yP0值）（对于每个方向;即使用方程（10）和（11）计算）。
xPAPA = xPMAX - xP0 （10）
yPAPA = yPMAX - yP0 （11）
其中 xPAPA 和 yPAPA 分别是沿前后位和中外侧方向的 APA（压力中心）的振幅;xPMAX 和 yPMAX 分别是沿前后位移和中外侧方向的压力位移的最大预期中心。
注意：重心速度不需要这样的基线减法，因为认为参与者最初是不动的（因此初始重心速度为零;见步骤4.4）。获得的四个值代表 APA 的振幅（每个方向两个值）。
- 台阶长度和台阶宽度
- 显示压力位移中心沿前后方向的时间图。
- 检测压力中心位置的最后方位置，xPBACK。
- 检测后脚脱落时的压力位置中心，xPRFO（图2 和步骤5.1.5）。
- 使用等式 （12） 计算这两个量之间的空间差，对应于步长 L41。
L = xPBACK - Xprfo （12） - 显示压力位移中心沿中侧方向的时间图。
- 检测在时间图的第一个平台yPSTANCE（“站立”，因为当时压力中心位于站立脚下方;见 图2）期间获得的中侧压力位置中心的最横向位置。
- 检测后脚关闭时间yPRFO处压力位置的侧向中心（图2 和步骤5.1.5）。
- 使用公式 （13） 计算这两个量之间的空间差，对应于步长宽度 W25。
W = yPSTANCE - yPRFO （13）
- 步态启动的表现
- 显示重心沿前后方向的时间图（图2）。
- 检测参与者用摆动脚撞击力平台的瞬间（步骤5.1.4， 图2），并注意该时刻的重心速度作为GI性能的标准。
注意：该时间图的峰值在摆动脚接触后几毫秒内达到，也可以被视为GI性能的标准。步长和摆动阶段持续时间也可以被视为胃肠道表现的标准。这些数量分别越长和越短，性能越好。
- 稳定性控制参数
- 对于制动指数，显示重心沿垂直方向的时间图。检测时间图的峰值向下重心 （z'GMIN） 和摆动脚接触时间的重心速度 （z'GFC， 图 2）。使用公式（14）计算这两个量之间的差异，称为“制动指数”（BI），作为稳定性控制的指标。
BI =
（14）
注意：BI是由Do及其同事引入的，并提供证据表明，中枢神经系统通过在步态起始4，5，27的摆动阶段降低垂直重心来预测与支撑面的摆动脚撞击。这种主动制动有助于在脚撞后保持稳定性。BI 越大，稳定性控制越好。 - 对于稳定性裕度，显示重心速度和沿中外侧方向的位移的时间图。检测摆动脚接触时间的速度 （y'GFC） 和重心位移 （yGFC）（图 2）。使用公式（15）计算脚接触时稳定裕度（MOS）的中外侧分量。
（15）
其中BOSmax是支撑底（BOS）的中侧边界，ω0是物体的特征频率，建模为倒立摆。在GI期间，参与者首先用摆动脚跟系统地降落在力平台上，然后用脚趾。在这种脚着陆策略下，BOSmax可以用后脚脱落时的中外侧压力中心位置（步骤5.1.5）来估计。物体的特征频率可以使用公式（16）计算。
（16）
其中g = 9.81 m/s²是重力加速度，l是倒立摆的长度，对应于体高的57.5%。
注：公式（15）中括号内的量称为“外推质心”18。脚接触时的稳定性条件意味着外推的质心位于支撑基部内。此条件对应于正 MOS 值。如果 MOS 为阴性，则需要进行矫正姿势调整以恢复平衡。
- 对于制动指数，显示重心沿垂直方向的时间图。检测时间图的峰值向下重心 （z'GMIN） 和摆动脚接触时间的重心速度 （z'GFC， 图 2）。使用公式（14）计算这两个量之间的差异，称为“制动指数”（BI），作为稳定性控制的指标。
- 压力中心的初始位置
（14）
（15）
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Representative Results
描述步态启动期间从力平台获得的代表性生物力学时间图
无论时间压力水平或胃肠道速度说明如何，在 APA 之前系统地进行摆动脚跟脱落。这些APA的特征是压力中心的向后和摆腿侧移（图2）。这种预期的压力转移中心促进了重心在相反方向（即向前和向站立腿侧）的加速。沿前后方向，重心速度逐渐增加，在摆动脚接触后不久达到峰值。沿着中外侧方向，重心速度首先在摆动脚趾附近向站立腿侧达到峰值，然后在脚接触后不久向摆腿侧达到峰值。沿垂直方向，重心速度在大约中间位置向下达到峰值。然后它反转方向，在大约脚接触时达到接近零的值。
图 2：步态启动期间从力平台获得的代表性生物力学时间图（一项试验）和选定的时空变量。步态在反应时间条件下迅速启动。X''G， y''G， z''G：重心分别沿前后、中外侧和垂直方向的加速度。X'G、y'G、z'G：重心分别沿前后、中外侧和垂直方向的速度。xP，yP：压力中心分别沿前后和中外侧方向位移。计时事件。 t0ML、t0AP、tHO、tTO、tFC、tRFO：APA 分别沿中外侧和前后方向开始，摆动脚跟脱落时间、摆动脚趾脱落时间、摆动脚接触时间和后足脱落时间。时间变量。APA、UNL、SWING：APA 的时间窗口、步态起始的卸载阶段和摆动阶段。空间变量。X'GFO，x'GFC，xPMAX，yPMAX，L，W，z'GMIN，z'GFC：脚下和脚接触时的重心前后速度，沿前后和中外侧方向的最大预期压力位移中心，台阶长度，台阶宽度，峰值向下重心速度和摆动脚接触时间的垂直重心速度。请点击此处查看此图的大图。
年轻健康成人实验变量的代表性值：速度和时间压力的影响
时间变量
预约定价调整持续时间
APA沿前后位和中外侧方向的持续时间取决于胃肠道的速度，但方式相反。更具体地说，沿前后方向的 APA 持续时间随着胃肠道速度的增加而增加，慢速 GI 的典型值范围在 ~500 ms 和快速 GI9 的 ~700 ms 之间。相比之下，沿中外侧方向的APA持续时间随着GI速度的降低而降低。慢速 GI 的典型值范围为 ~700 ms，快速 GI21 的典型值范围为 ~500 ms。
前后位和中外侧 APA 的持续时间还取决于颞压（上面提供的值适用于自启动条件（即颞压水平低的疾病）。文献中的研究通常比较在低颞压和高颞压条件下的APA持续时间，当步态在快速条件下开始时1，28。在这些条件下，与自启动条件相比，在反应时间条件下前后和中外侧APA的持续时间减少了约20-30ms。
卸载阶段持续时间
卸载阶段持续时间取决于GI的速度（即，当GI速度增加时，它降低）。慢速胃肠道的典型持续时间范围为 ~200 毫秒，快速胃肠道21 的典型持续时间范围为 ~70 毫秒。卸载阶段持续时间对时间压力不敏感，至少当步态在快速条件下启动时29.
摆动阶段持续时间
摆动阶段持续时间取决于GI的速度（即，当速度增加时，它降低）。慢速 GI 的典型持续时间范围为 ~500 毫秒，快速GI 21 的典型持续时间范围为 ~300 毫秒。相比之下，该持续时间对时间压力不敏感，至少在快速条件下开始步态时 29.
空间变量
APA的振幅
APA的振幅取决于胃肠道的速度。更具体地说，在自启动条件下，当GI的速度增加9时，沿前后方向的APA振幅增加。对于慢速 GI，典型的 APA 值范围在 ~7 cm 和 ~0.15 m/s（分别为预期压力位移中心和重心速度）之间，对于快速 GI，典型 APA 值范围在 ~13 cm 和 ~0.36 m/s 之间。就压力位移中心而言，沿中外侧方向的APA振幅也随着GI21的速度而增加。慢速胃肠道的典型值范围为 ~3 厘米，快速胃肠道的典型值范围为 ~4 厘米。相比之下，在APA（中外侧方向）期间达到的最大重心速度不随GI的速度而变化。典型值为 ~0.13 m/s。APA的振幅对颞压也很敏感，至少在步态快速启动时是这样28，29。更具体地说，APA 的前后位和中外侧成分都随着颞压的增加而增加。
台阶长度和台阶宽度
步长和步宽都取决于GI的速度，但不取决于时间压力。步态在慢速和快速状态下开始时，步长通常分别达到~50厘米和~90厘米23。当步态在慢速和快速胃肠道条件下开始时，步宽通常分别达到~12厘米和~14厘米9。
步态启动的表现
对于慢速 GI，重心速度峰值通常在 ~1 m/s 和快速 GI10 的 ~2 m/s 之间。对于快速GI，颞压不会影响该性能参数29，尽管它可能引起小幅（~9%）改变28。
稳定性控制参数
制动指数
BI对GI的速度很敏感。当步态在步长小于 ~43 cm 的缓慢条件下启动时，BI 为零，因为不需要制动重心的下降。当步长大于 43 cm 时，需要制动重心下降。对于以 1 m/s 启动步态且步长为 55 cm27，BI 的典型值为 0.08 m/s。
稳定边际
MOS对GI的速度或时间压力21，30不敏感。在GI期间获得的典型MOS值为~5cm21。
补充图S1：软件（Qualisys轨道管理器）的屏幕截图，显示了步态启动期间的3D地面反作用力。 左为力平台轴线、压力中心位置（对应地面反作用力矢量的应用点）、初始姿态下的地面反作用力矢量;右，步态启动期间原始 3D 地面反作用力的时间过程（一名参与者，一名试验）。绿色、红色和蓝色迹线分别表示沿前后、中外侧和垂直方向的地面反作用力。纵坐标：以牛顿为单位的力振幅。横坐标：以毫秒为单位的时间。参与者最初站在力平台的左侧，并向右侧开始步态。请注意，参与者在时间t = 3，200 ms离开力平台， 请单击此处下载此文件。
补充图S2：软件（Qualisys轨道管理器）的屏幕截图，显示了压力位移曲线的原始中心。 左为力平台轴线、压力中心位置（对应地面反作用力矢量的应用点）、初始姿态下参与者在力平台上施加的动作力矢量;右，压力位移迹线原始中心的时间过程（一个参与者，一个试验）。绿色和红色迹线分别代表沿前后和中外侧方向的压力位移中心。纵坐标：以毫米为单位的位移。横坐标：以毫秒为单位的时间。参与者最初站在力平台的左侧，并向右侧开始步态。请注意，参与者在时间t = 3，200 ms离开力平台， 请单击此处下载此文件。
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Discussion
本文的目的是为学者、临床医生和高等教育学生提供有关我们实验室用于研究步态起始（GI）的生物力学组织的方法（“全球”方法）的信息。下面讨论协议的关键步骤、方法的局限性以及替代方法和应用。
该方案的一个关键步骤是检测胃肠道的时间事件（即 APA 发作、摆动脚跟脱落和脚趾脱落以及后足脱落）。与地理标志组织相关的时间和空间变量的值都取决于对这些事件的正确检测。对于它们中的每一个，都提出了几种检测方法（这些提出的方法并非详尽无遗）。建议在整个数据分析中使用相同的方法，以确保试验和实验条件之间的一致性，并允许在文献中的研究之间进行比较。但是，还建议至少使用两种不同的方法来确保正确检测正确的计时事件（这些方法之间预计只有时态特征值的细微差异）。此外，对于每个定时事件，可以应用自动检测（例如，使用 MATLAB 例程）。可以通过本文中提供的方法轻松编程此例程。强烈建议目视检查使用这些例程自动获得的数据的一致性和“可信度”。例如，压力位移的预期中心振幅不应超过支撑尺寸的底数。预计它将向后指向并朝向摆腿侧（特定实验人群除外）;预计在挥杆脚跟脱落后会出现摆动脚趾脱落时间;APA 发病不应早于出发信号前 150 毫秒或之后 300 毫秒（在反应时间条件下）。换句话说，据信仅靠自动检测不足以正确和“安全”地分析数据;必须深入了解 i） 力平台预期生物力学图的全球时间进程和 ii） 健康参与者预期的典型值。我们相信，除了对自动例程进行编程的能力外，这些知识对于生物力学的高等教育学生具有很强的教学价值。这就是本文提供这两个元素的原因。
人们承认，“全局”方法至少有两个局限性。首先，这种方法不提供参与者初始 姿势 的数据（即身体节段的相对位置），而是提供初始压力中心和重心位置的数据（其相对位置决定了 平衡条件）。理论上，相同的初始压力中心和重心位置可以通过无限多个姿势达到。换句话说，参与者开始步态的初始姿势条件可能无法通过全局方法完全控制。因此，如果无法记录身体部分的相对位置（例如，使用相机），则由实验研究人员或临床医生对参与者的初始姿势进行目视检查很重要。其次，该方法没有提供有关每个身体段加速度（或“局部”加速度）对全身重心加速度的贡献的信息。因此，从理论上讲，某些身体节段的加速度可能会通过某些远处身体节段的减速来补偿，从而导致APA31期间的全身重心加速度为零。因此，使用位于多个身体部位（例如，躯干、臀部、腿部）的加速度计可能与完成力平台数据相关。
在GI期间计算全身重心的另一种流行方法是 运动学 方法，该方法基于使用粘在全身关节段上的反射标记的运动捕捉系统的记录。这些反射标记提供的信号允许全身骨骼的重建。根据这样重组的每个身体节段的大小和人体测量表提供的信息（例如，骨骼的质量和密度），可以使用相机软件计算每个节段重心的3D位置。有了这些数据，就可以计算出全身重心的3D位置。通过位置信号的连续推导，可以获得全身重心的速度和加速度。为了计算全身重心的运动学，需要53个反射标记32。然而，Tisserand 等人最近提出了一个具有 13 个标记的简化模型 33。
与运动学方法相比，全局方法（可以同化为 动力学 方法，因为它基于力和力矩的记录）在研究胃肠道的姿势组织方面的优势如下：i）它不需要参与者的准备，从而节省时间，这在虚弱或病理患者参与实验的情况下尤为重要;ii）它避免了由于实验者在标记定位上累积的小误差而导致的全身重心加速度计算中的潜在误差，因为全局方法提供了对该量的直接测量;iii） 压力位置的中心无法使用运动捕捉系统计算。上面提出了全局方法相对于运动学方法的主要缺点 - 它不允许研究姿势或节段协调。
现在，值得注意的是，当前文献的结果表明，这两种方法在运动任务期间都提供了等效的重心运动学和事件时间测量。例如，Langeard等人34 报告说，在GI期间使用全局方法或运动学方法估计重心制动（“制动指数”（BI））是非常可靠的。在代偿性步进反应期间，Maki和McIlroy35 报告说，使用两种方法在脚接触时计算的前后速度和重心位移在年轻健康成年人和老年人中都提供了相当好的一致性。同样，在经股骨截肢患者的水平地面上直线行走时，Lansade 等人 36 表明，通过力平台数据集成估计重心速度是可以接受的。最后，Caderby等人24 和Yiou等人25 表明，这两种方法分别提供了GI期间摆动脚跟脱落事件和台阶长度/宽度的相似估计。
全局方法最初应用于年轻健康成年人的胃肠道范式，以获得在需要同时全身推进和维持稳定性的功能性运动任务期间获得有关正常姿势控制的基本知识10。此后，它已被广泛扩展到研究许多其他动态全身运动任务，例如击剑37，跳跃38，坐立39和下肢屈曲40。值得一提的是，该方法还应用于研究各种运动任务终止期间的姿势控制，包括单步41和指向42，并且可能潜在地应用于研究步态终止，就像以前使用运动学方法43所做的那样。最后，该方法还被广泛用于神经系统疾病患者和老年人，以更好地了解影响动态姿势控制的病理心理生理机制2，3，4，5，以及最近在帕金森病患者中测试各种非药物干预（如踝关节拉伸44和功能性电刺激3），以加强姿势控制。
总之，本文提出了一种详细的方法，旨在研究步态启动期间的姿势控制。对于每个变量，提供了在年轻健康成年人中获得的规范值。该方法具有强大的生物力学背景，因为它基于力学定律来计算重心和压力中心的运动学。分析这两个虚拟点之间的相互作用是该方法的关键点，因为它决定了稳定性和全身进展的条件。由于我们大多数日常运动任务（包括运动和工作）的执行需要安全（稳定）的全身进展，因此该方法非常适合深入了解健康和病理人群中运动效率/缺陷的姿势动力学机制。因此，它在人体运动科学、运动科学、人体工程学和临床科学方面具有强大的应用。
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Disclosures
作者没有竞争利益。
Acknowledgments
作者要感谢ANRT和LADAPT。
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) |
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