Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Postural organisering af ganginitiering til biomekanisk analyse ved hjælp af kraftplatformsoptagelser

Published: July 26, 2022 doi: 10.3791/64088
Automatic Translation
1,2,3, 2,3,4, 2,3, 2,3
1LADAPT Loiret, Centre de Soins de Suite et de Réadaptation, 2CIAMS, Université Paris-Saclay, 3CIAMS, Université d'Orléans, 4Université Libre de Bruxelles, Belgique

Summary

Dette papir beskriver materialet og metoden, der er udviklet til at undersøge den posturale organisering af ganginitiering. Metoden er baseret på kraftplatformsoptagelser og på det direkte princip om mekanik til beregning af tyngdepunkt og trykkinematik.

Abstract

Ganginitiering (GI), den forbigående fase mellem orthograde kropsholdning og steady-state bevægelse, er en funktionel opgave og et eksperimentelt paradigme, der klassisk bruges i litteraturen til at få indsigt i de grundlæggende posturale mekanismer, der ligger til grund for kropsbevægelse og balancekontrol. Undersøgelse af GI har også bidraget til en bedre forståelse af fysiopatologien af posturale lidelser hos ældre og neurologiske deltagere (fx patienter med Parkinsons sygdom). Som sådan anerkendes det at have vigtige kliniske konsekvenser, især med hensyn til faldforebyggelse.

Dette papir har til formål at give lærde, klinikere og studerende på videregående uddannelser information om materialet og metoden, der er udviklet til at undersøge GI-postural organisation via en biomekanisk tilgang. Metoden er baseret på kraftplatformsoptagelser og det direkte princip om mekanik til beregning af kinematikken i tyngdepunktet og trykcentret. Samspillet mellem disse to virtuelle punkter er et centralt element i denne metode, da det bestemmer betingelserne for stabilitet og helkropsprogression. Protokollen indebærer, at deltageren oprindeligt står ubevægelig i opretstående stilling og begynder at gå indtil slutningen af et mindst 5 m spor.

Det anbefales at variere GI-hastigheden (langsom, spontan, hurtig) og niveauet af tidsmæssigt tryk - gang kan initieres så hurtigt som muligt efter levering af et afgangssignal (højt niveau af tidsmæssigt tryk) eller når deltageren føler sig klar (lavt niveau af tidsmæssigt tryk). Biomekaniske parametre opnået med denne metode (f.eks. varighed og amplitude af foregribende posturale justeringer, trinlængde / bredde, ydeevne og stabilitet) defineres, og deres beregningsmetode er detaljeret. Derudover tilvejebringes typiske værdier opnået hos raske unge voksne. Endelig diskuteres kritiske trin, begrænsninger og betydning af metoden i forhold til den alternative metode (motion capture-system).

Introduction

Ganginitiering (GI), den forbigående fase mellem orthograde kropsholdning og steady-state bevægelse, er en funktionel opgave og et eksperimentelt paradigme, der klassisk anvendes i litteraturen til at undersøge postural kontrol under en kompleks motorisk opgave, der kræver samtidig helkropsfremdrivning og stabilitet1. Patienter med neurologiske tilstande, såsom Parkinsons sygdom2, slagtilfælde3, progressiv supranukleær parese4 og "højere niveau ganglidelser"5, er kendt for at have svært ved at starte gang, hvilket udsætter dem for en øget risiko for at falde. Det er derfor vigtigt for både grund- og kliniske videnskaber at udvikle begreber og metoder til at få indsigt i de posturale kontrolmekanismer, der er i spil under ganginitiering, at opnå videnskabelig viden og en bedre forståelse af patofysiologien af gang- og balanceforstyrrelser og være i stand til at afhjælpe dem gennem passende interventioner.

Begrebet biomekanisk organisering af ganginitiering er beskrevet nedenfor, og den klassiske metode designet til at undersøge denne organisation er beskrevet i protokolafsnittet. GI kan opdeles i tre på hinanden følgende faser: den "foregribende posturale justeringer" (APA) fase svarende til de dynamiske fænomener, der forekommer i hele kroppen før svinghælen, "losningsfasen" (mellem svinghæl og tå-off) og "swing" -fasen, der slutter på tidspunktet for svingfoden, der kontakter støttefladen. Denne klassiske underopdeling af GI-processen stammer fra de banebrydende undersøgelser af Belenkii et al.6 og andre 7,8, der fokuserer på koordineringen mellem kropsholdning og bevægelse under frivillig armhævning til vandret i den oprejste kropsholdning. I dette paradigme svarer de kropssegmenter, der er direkte involveret i armhævningen, til den "fokale" kæde, mens de kropssegmenter, der er indskudt mellem den proksimale del af fokuskæden og støttefladen, svarer til den "posturale" kæde9. Disse forfattere rapporterede, at hævning af armen systematisk blev forud for dynamiske og elektromyografiske fænomener i posturalkæden, som de kaldte "foregribende posturale justeringer". For GI betragtes swing heel-off (eller swing toe-off, afhængigt af forfatterne) som begyndelsen på gangbevægelse10. Følgelig svarer de dynamiske fænomener, der forekommer før dette øjeblik, til APA, og svinglemmen anses for at være en komponent i fokuskæden11. Denne erklæring er i overensstemmelse med den klassiske opfattelse af bevægelse biomekanisk organisation, ifølge hvilken enhver motorisk handling skal involvere et fokus og en postural komponent12,13.

Fra et biomekanisk synspunkt manifesterer APA forbundet med GI sig som en bagudvendt og middelmådig (svingbenssideorienteret) forskydning af trykcentret, som virker til at drive tyngdepunktet i den modsatte retning - fremad og mod holdningsbensiden. Jo større det foregribende bagudrettede centrum for trykforskydning er, desto højere er motorydelsen med hensyn til det fremadrettede tyngdepunkt ved fodkontakt10,14. Ved at drive tyngdepunktet mod holdningsbensiden bidrager APA desuden til at opretholde middelmådig stabilitet i svingfasen af GI 1,15,16,17. Den nuværende litteratur understreger, at ændringer i denne foregribende kontrol af stabilitet er en vigtig kilde til fald hos ældre1. Stabilitet under GI er blevet kvantificeret i litteraturen med en tilpasning af "stabilitetsmargenen"18, en mængde, der tager højde for både hastigheden og positionen af tyngdepunktet inden for støttebasen. Ud over udviklingen af APA er faldet af tyngdepunktet under svingfasen af GI under tyngdekraften rapporteret at blive aktivt bremset af triceps surae af holdningsbenet. Denne aktive bremsning letter stabilitetsvedligeholdelse efter fodkontakt, hvilket muliggør en jævn fodlanding på støttefladen4.

Målet med dette papir er at give lærde, klinikere og studerende på videregående uddannelser information om materialet og metoden, der er udviklet i vores laboratorium for at undersøge den posturale organisering af GI via en biomekanisk tilgang. Denne "globale" metode (som også kan sidestilles med en "kinetisk" metode af de grunde, der er beskrevet nedenfor) blev initieret af Brenière og samarbejdspartnere10,19. Det er baseret på det direkte princip om mekanik til beregning af både accelerationen af tyngdepunktet såvel som de øjeblikkelige positioner af trykcentret. Hvert af disse punkter er et globalt udtryk, der er specifikt for bevægelsen.

Den ene er det øjeblikkelige udtryk for bevægelserne af alle kropssegmenter relateret til bevægelsens formål (tyngdepunktet; fx kroppens progressionshastighed under GI); den anden (trykcentret) er udtryk for de støttebetingelser, der er nødvendige for at nå dette mål. De øjeblikkelige positioner af disse to punkter afspejler de posturo-dynamiske betingelser, der skal opfyldes for ganginitiering. Kraftplatformen er det passende instrument til denne model, fordi den tillader direkte måling af de eksterne kræfter og øjeblikke, der virker på understøtningsoverfladen under bevægelse. Det tillader også udførelse af naturlige bevægelser og kræver ingen særlig forberedelse.

Mange faktorer er kendt for at påvirke den posturale organisering af GI, herunder biomekaniske, (neuro) fysiologiske, psykologiske, miljømæssige og kognitive faktorer 1,20. Dette papir fokuserer på indflydelsen af to faktorer - hastighed af GI og tidsmæssigt tryk - og giver typiske værdier opnået hos raske unge voksne.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Protokollen beskrevet nedenfor følger retningslinjen fra den humane videnskabsetiske komité ved Université Paris-Saclay. Deltagerne godkendte og underskrev en samtykkeerklæring.

1. Deltagere

  1. Medtag mindst 15 raske unge voksne deltagere i eksperimentet (i alderen 20 til 40 år).
    BEMÆRK: Dette anbefalede antal emner svarer til, hvad der klassisk betragtes i litteraturen om GI.
  2. Ekskluder deltagere med ganghjælpemidler, visuelle, høre- eller ortopædiske problemer, identificerede neurologiske lidelser, demens, kognitive svækkelser (dvs. en score < 25 på Mini Mental State Exam) og en medicinsk historie med fald.
  3. Bed deltagerne om at give skriftligt samtykke efter at have informeret dem om eksperimentets art og formål.
  4. Sørg for, at eksperimentet er i overensstemmelse med de standarder, der er fastsat i Helsingforserklæringen.

2. Forberedelse af laboratorier

  1. Sørg for, at kraftplatformen er lang nok til at få hele svingfoden til at lande på den i slutningen af det første trin. Hvis det ikke er tilfældet, skal du bruge to små afstandskraftplatforme, hvor deltagerne står i den indledende kropsholdning på den første og slår deres svingfod på den anden placeret foran den første21. I begge tilfælde skal du sikre dig, at kraftplatformen/-perronerne er indlejret i et spor, der er mindst 5 m langt, for at sikre, at der opnås steady-state-gang.
    BEMÆRK: En kraftplatform, der registrerer 3D-øjeblikke og kræfter, er nødvendig for at beregne hele sættet af eksperimentelle variabler (se afsnit 5).
    1. Som en sikkerhedsforanstaltning skal du fastgøre en sele til loftet og centrere den på kraftplatformens store økse, hvis eksperimentet inkluderer skrøbelige patienter (f.eks. Neurologiske patienter).
  2. Kalibrer kraftplatformen/-platformene. Klik på knappen auto-nul .
  3. Import af kladder
    1. Åbn Qualisys Track manager.
    2. Vælg og åbn mappen "Projekt".
  4. Opret en patientmappe.
    1. Klik på Tilføj, og vælg derefter patienter.
    2. Indtast etiketter: Patient-id, Fornavn, Efternavn, Fødselsdato, Køn og Kommentar, hvis det er nødvendigt.
    3. Klik på Tilføj, og vælg derefter Gait-session .
    4. Indtast etiketter: Sags-id, Testoperatør, Kommentarer om nødvendigt, Diagnose, Sekundær diagnose, Berørt side, Bruttomotorisk funktionsklassifikation, Funktionel mobilitetsskala, Højde, Vægt, Benlængde venstre, Benlængde højre, Knæbredde venstre, Knæbredde højre, Ankelbredde venstre, Ankelbredde højre, Sål delta venstre, Sål delta højre, Skulderforskydning venstre, Skulderforskydning højre, Albuebredde venstre, Albuebredde til højre, håndledsbredde til venstre, håndledsbredde til højre, håndtykkelse til venstre, håndtykkelse til højre og markørdiameter.
    5. Klik på Tilføj, og vælg derefter Markørløs session.
    6. Indtast etiketter: Testbetingelse, Prothesis_Orthosis, Ekstern hjælp, Ekstern hjælp, Personlig hjælp, Personlig hjælp, Kommentarer, hvis det er nødvendigt, Testoperatør og Hændelsestilstand (vælg multikraftplade).
  5. Kontroller kraftplade auto-nul.
    1. Vælg Værktøjer.
    2. Klik på Force Plates.
    3. Klik på Ved forhåndsvisning start i etiketfeltet "Tving plade auto-nul".
  6. Sørg for, at basissignalerne fra kraftplatformen (kræfter og øjeblikke) er på nul, når den er uopladet.
    1. Klik på Ny eller brug genvej Ctrl + N.
    2. Klik på Datainfovindue 1 , eller brug genvej Ctrl + D.
    3. Klik på Vis kraftdata , eller brug genvej Ctrl + D.
    4. Klik på Tving, og vælg Plot.

3. Eksperimentel procedure

  1. Bed deltagerne om at stå barfodet og ubevægelig på en kraftplatform i deres naturlige opretstående kropsholdning, med armene hængende løst mod deres sider, og deres blik rettet mod et mål i øjenhøjde mindst 5 m væk (figur 1).
    BEMÆRK: Afgræns føddernes position på kraftplatformen i den indledende kropsholdning (f.eks. med kridt). Kontroller omhyggeligt, at deltagerne omplacerer deres fødder på disse mærker efter hvert forsøg. Dette punkt er vigtigt, da den oprindelige fodposition påvirker GIA's APA-funktioner.
  2. Bestem deltagernes foretrukne startben ved at skubbe let mod deltagernes ryg, mens de er i den indledende kropsholdning med lukkede øjne for at provokere et skridt fremad.
  3. Forklar deltagerne, at den opgave, de skal udføre, er at indlede gang fra stående stilling med det foretrukne ben, at fortsætte med at gå til slutningen af sporet og derefter stille vende tilbage til den oprindelige stående kropsholdning.
    BEMÆRK: Hvis gangen ikke initieres med det identificerede foretrukne ben i et givet forsøg, skal du gentage forsøget.
  4. Forklar, at gangart skal initieres efter to på hinanden følgende signaler (akustisk, visuel eller taktil): et forberedende signal og et afgangssignal (se trin 3.6 og 3.7).
  5. Forklar instruktionerne om hastighed og tidstryk (se trin 3.8-3.10).
  6. Lever det første (forberedende) signal til deltagerne. Bed dem om at stå ubevægelige og undgå at foregribe GI ved dette første signal.
  7. Lever det andet (afgangs)signal efter en tilfældig forsinkelse på 2-5 sekunder efter det forberedende signal.
    1. Sørg for, at deltagerne er visuelt immobile, før de leverer dette andet signal. Kontroller immobilitet online med tidsplotterne for anteroposterior eller middelmådigt center for trykforskydning
      BEMÆRK: Hvis de ikke er immobile, kan det være vanskeligt at opdage APA-debut (trin 5.1.1).
  8. Instruer deltagerne til enten at indlede gang i) så hurtigt som muligt (dvs. i en reaktionstidstilstand) eller ii) kun når de føler sig klar (dvs. i en selvinitieret tilstand) efter afgangssignalet.
  9. Varier betingelserne for "tidsmæssigt tryk", der pålægges GI (dvs. lavt tidsmæssigt tryk (selvinitieret tilstand) og højt tidsmæssigt tryk (reaktionstidstilstand)).
  10. Varier betingelserne for GI-hastighed (langsomme, spontane, hurtige forhold).
    1. For at begrænse antallet af eksperimentelle betingelser og dermed undgå træthed skal du instruere deltagerne om kun at udføre to betingelser for GI-hastighed (f.eks. Langsom og hurtig) under en lav eller høj tidsmæssig tryktilstand eller omvendt (dvs. GI ved en langsom eller hurtig hastighed under en høj og en lav tidsmæssig tryktilstand).
      BEMÆRK: Gentag instruktionerne om tidstryk og GI-hastighed ofte.
  11. Instruer deltagerne til at udføre serier på 10 på hinanden følgende forsøg i hver eksperimentel tilstand.
    BEMÆRK: Serie på fem forsøg er tilstrækkelige til ældre forsøgspersoner eller patienter med Parkinsons sygdom22.
    1. Randomiser betingelserne for GI-hastighed og tidsmæssigt tryk på tværs af deltagerne for at undgå ordreeffekter.
  12. Pålæg en hvile på mindst 2 minutter mellem successive tilstande for at undgå virkningerne af træthed.
  13. I hver tilstand skal deltagerne have mulighed for at udføre to fortrolighedsforsøg før optagelserne.
  14. Udløs dataindsamling fra kraftplatformen et par sekunder før starten af det forberedende signal og stop, når deltageren har forladt kraftplatformen.

Figure 1
Figur 1: Eksperimentel opsætning. Deltagerne står oprindeligt på en kraftplatform (1) indlejret i et spor, der er mindst 5 m langt (2), med blikket rettet mod et mål i øjenhøjde (3). Klik her for at se en større version af denne figur.

4. Behandling af kraftplatform kinetiske optagelser

  1. Filtrer data fra kraftplatformen ved hjælp af en low-pass Butterworth-ordre uden forsinkelse med en 15 Hz afskæringsfrekvens.
    1. Importer filen.
    2. Åbn Visual3D.
    3. Vælg og åbn filen "Project".
    4. Behandling
      1. Klik på Pipeline eller brug genvej F11.
      2. Vælg Signalfilter.
      3. Vælg Lowpass_Filter.
      4. Klik på Udfør.
  2. Indsaml data fra kraftplatformen med en hastighed på 100 Hz.
    1. Klik på Pipeline eller brug genvej F11.
    2. Vælg Fillag/eksporter.
    3. Vælg Export_Data_To_Acsii_File.
    4. Klik på Rediger.
    5. Indtast 100 i etiketten Antal point for normalisering.
    6. Klik på Udfør.
  3. Beregn tidsdiagrammerne for de øjeblikkelige tyngdepunktsaccelerationer langs anteroposterior (x''G), middelmådige (y''G) og lodrette (z''G) retninger fra 3D-jordreaktionskræfterne opnået med kraftplatformen (se supplerende figur S1) ved hjælp af Newtons anden lov10,23.
    BEMÆRK: Ifølge Newtons anden lov er summen af de eksterne kræfter, der anvendes på et system, lig med massen af dette system (m) ganget med accelerationen af dets tyngdepunkt. Med den GI-protokol, der er beskrevet i denne undersøgelse, er de eneste eksterne kræfter, der anvendes på deltagerne, kropsvægt (BW) og jordreaktionskræfter (R). Ligningerne (1), (2) og (3) kan skrives:
    x''G = Rx / m (1)
    y''G = Ry / m (2)
    z"G = (Rz - BW) / m (3)
    Hvor Rx, Ry, Rz er henholdsvis de øjeblikkelige anteroposterior, middelmådige og lodrette komponenter i vektorjordreaktionskraften. Typiske plots af x''G, y''G og z''G er vist i figur 2.
  4. Beregn 3D-tidsdiagrammerne for tyngdepunktets hastighed ved hjælp af en simpel numerisk integration af 3D-tyngdepunktets accelerationstidsplots ved hjælp af integrationskonstanter svarende til nul (dvs. 3D-initial tyngdepunktshastighed betragtes som null10). Se figur 2 for typiske tidsdiagrammer for anteroposterior, middelmådig og lodret hastighed af tyngdepunktet (henholdsvis x'G, y'G og z'G).
  5. Udfør en yderligere integration af y'G-tidsplottet for at opnå forskydning af tyngdepunktet langs den middelmådige retning. Brug dette antal til at beregne "stabilitetsmargenen" (se trin 5.3.5.2).
  6. Beregn den middelmådige (yP) og anteroposterior (xP) forskydning af trykcentret fra kraftplatformsdata ved hjælp af ligninger (4) og (5):
    Equation 1(4)
    Equation 2(5)
    Hvor Mx og My er de øjeblikkelige øjeblikke omkring henholdsvis anteroposterior og middelolaterale retninger; Rx, Ry og Rz er henholdsvis de øjeblikkelige anteroposterior, middelmådige og lodrette jordreaktionskræfter; Og dz er afstanden mellem overfladen af kraftplatformen og dens oprindelse (leveret af producenten). Typiske tidsdiagrammer for xP og yP er vist i figur 2 (se også supplerende figur S2).

5. Eksperimentelle variabler

BEMÆRK: Hver eksperimentel variabel, der er beskrevet nedenfor, skal ekstraheres fra de eksperimentelle tidsplot, der er opnået for hvert forsøg.

  1. Påvisning af timinghændelser ved ganginitiering
    1. Begyndelsen af APA
      1. Vis tidsdiagrammerne for trykforskydningens centrum langs de middelmådige og anteroposterior retninger.
      2. Beregn middelværdien af det middelmådige og anteroposterior center for tryktidsdiagrammet i løbet af tidsvinduet på 250 ms forud for det andet signal, der leveres til deltagerne.
        BEMÆRK: Disse værdier svarer til "basisværdierne" for disse tidsplot.
      3. Detekterer øjeblikkene efter det andet signal, når det middelmådige og det anteroposteriære centrum for trykforskydningsspor afviger 2,5 standardafvigelser fra basislinjeværdien i mindst 50 ms.
        BEMÆRK: Disse to øjeblikke svarer til begyndelsen af APA langs de middelmådige og anteroposterior retninger (henholdsvis t0ML og t0AP; Figur 2). Disse to øjeblikke kan også identificeres som de øjeblikke, hvor tidsplotterne for den middelmådige og anteroposterior tyngdepunktsacceleration når 10% af deres respektive topværdi.
      4. Sørg for, at APA's begyndelse i reaktionstidstilstand varierer mellem 150 ms og 300 ms efter det andet (Go) signal. Hvis ikke, skal du gentage forsøget og instruktionerne om tidsmæssigt pres.
        BEMÆRK: Hvis det er mindre end 150 ms, har deltagerne forventet. Hvis det er større end 300 ms, var deltagerne ikke fokuseret på opgaven.
      5. Sørg for, at APA i den selvinitierede tilstand er større end 300 ms. Hvis det ikke er tilfældet, skal du gentage forsøget og instruktionerne om tidsmæssigt pres, da deltagerne kan have indledt gang i en reaktionstidstilstand.
    2. Sving hæl-af-tid
      1. Vis tidsdiagrammerne for det lodrette tyngdepunkt hastighed og anteroposterior centrum for trykforskydning.
      2. Identificer det øjeblik, hvor sporet af det lodrette tyngdepunktshastighed først topper nedad efter APA-starten som svinghælsningstiden24 (figur 2). Alternativt kan du identificere det øjeblik, hvor tidsplottet for det anteroposterior center for trykforskydning viser et hurtigt fald mod basislinjen (dvs. mod tæerne; Figur 2) eller placer en fodkontakt (et billigt værktøj) ved svinghælen.
    3. Sving tå-off tid
      1. Vis tidsdiagrammerne for det middelmådige og anteroposterior trykforskydningscenter og for tyngdepunktets anteroposteriorhastighed.
      2. Identificer det øjeblik, hvor tidsplottet for det middelmådige centrum for trykforskydning når et første (kvasi) plateau rettet mod holdningens fodside som svingtå-off-tiden (figur 2). Alternativt kan du identificere den øjeblikkelige efterfølgende svinghæl, når tidsplottet for det anteroposterior center for trykforskydning når 90% af den maksimale bagudgående værdi, eller placere en fodkontakt ved svingtåen.
    4. Sving fodkontakttid
      1. Vis tidsdiagrammerne for det anteroposterior center for trykforskydning.
      2. Identificer det øjeblik, hvor det anteroposterior trykcenter pludselig forskydes fremad (figur 2) som svingfodens kontakttid. Hvis dette tidsdiagram er afledt, skal du identificere kontakttiden for svingfoden som det øjeblik, hvor dette afledte tidsdiagram stiger kraftigt fra dets basisniveauværdi. Alternativt kan du placere en fodkontakt ved svinghælen for at registrere dette øjeblik.
        BEMÆRK: En metode svarende til den, der tidligere er beskrevet ovenfor til APA-detektion (baseret på beregning af en gennemsnitlig basisniveauværdi; trin 5.1.1.2) kan bruges her.
    5. Bageste fod-off tid
      1. Vis tidsplottet for det middelmådige center for trykforskydning.
      2. Identificer det øjeblik, hvor tidsplottet for det middelmådige centrum for trykforskydning når et andet (kvasi) plateau, rettet i den modsatte retning som det første (trin 5.1.3.2; Figur 2), den bageste fodafgangstid25. Alternativt kan du placere en fodkontakt bagpå for at registrere dette øjeblik.
  2. Beregning af tidsmæssige variabler
    1. Beregn forsinkelsen mellem begyndelsen af APA (t0ML og t0AP) og svinghælsningstiden (tHO) for både de middelmådige og anteroposteriorretninger, som svarer til varigheden af APA langs den middelmådige (dAPAML) og anteroposterior retninger (dAPAAP). Se ligningerne (6) og (7).
      dAPAML = tHO - t0ML (6)
      dAPAAP = tHO - t0AP (7)
    2. Beregn forsinkelsen mellem svingtå-sluk-tid (tTO) og svinghæl-slukningstid (tHO), hvilket svarer til varigheden af "losningsfasen" (UNLd; Figur 2) ved hjælp af ligning (8).
      UNLd = tTO - tHO (8)
    3. Beregn forsinkelsen mellem svingtå-sluktid (tTO) og svingfodkontakt (tFC), hvilket svarer til varigheden af "svingfasen" (SWINGd; Figur 2) ved hjælp af ligning (9).
      SWINGd = tFC - tTO (9)
  3. Beregning af rumlige variabler
    1. Indledende position af trykcentret
      1. Vis tidsdiagrammerne for trykforskydningens centrum langs de middelmådige og anteroposterior retninger.
      2. Beregn middelværdierne for det middelmådige (yP0) og anteroposterior (xP0) centrum af trykpositionerne i løbet af tidsvinduet på 250 ms forud for det andet (afgangs)signal, der leveres til deltagerne, og som er repræsentative for trykcentret i den oprindelige stilling (eller "baseline"-værdi).
        BEMÆRK: De spatio-temporale træk ved APA beskrevet ovenfor er følsomme over for placeringen af trykcentret i den oprindelige kropsholdning26. Derfor er det vigtigt at kontrollere, at enhver ændring i APA-funktionerne mellem eksperimentelle tilstande (f.eks. En tilstand med en hindring for at rydde vs. en tilstand uden hindring for at rydde) eller mellem eksperimentelle populationer (f.eks. Sunde deltagere vs. neurologiske deltagere) ikke kan tilskrives en "simpel" ændring i trykcentret i den oprindelige kropsholdning, men snarere til den faktor, der undersøges.
    2. Amplitude af APA
      1. Vis tidsplottene for trykforskydningscentret og tyngdepunktet hastighed langs de middelmådige og anteroposterior retninger.
      2. Registrer det øjeblik, hvor hvert af disse fire tidsplots når en maksimal værdi i APA-tidsvinduet (figur 2).
      3. Træk det gennemsnitlige centrum af trykbaselineværdien beregnet i trin 5.3.1.2 (dvs. xP0- og yP0-værdierne) fra det maksimale trykcenter, der registreres i APA-tidsvinduet (for hver retning; dvs. beregne ved hjælp af ligningerne (10) og (11)).
        xPAPA = xPMAX - xP0 (10)
        yPAPA = yPMAX - yP0 (11)
        Hvor xPAPA og yPAPA er amplituden af APA (trykcenter) langs henholdsvis anteroposterior og middelmådige retninger; xPMAX og yPMAX er det maksimale foregribende center for trykforskydning langs henholdsvis anteroposterior og middelolateral retning.
        BEMÆRK: En sådan baseline-subtraktion er ikke nødvendig for tyngdepunktets hastighed, da det vurderes, at deltagerne oprindeligt er immobile (det oprindelige tyngdepunktshastighed er derfor nul; se trin 4.4). De fire opnåede værdier er repræsentative for amplituden af APA (to værdier pr. Retning).
    3. Trinlængde og trinbredde
      1. Vis tidsplottet for trykforskydningens centrum langs anteroposteriorretningen.
      2. Registrer den mest bagudrettede position af trykcentrets position, xPBACK.
      3. Trykcentret registreres på tidspunktet for bagfoden, xPRFO (figur 2 og trin 5.1.5).
      4. Beregn den rumlige forskel mellem disse to størrelser, hvilket svarer til trinlængde, L41, ved hjælp af ligning (12).
        L = xPBACK - Xprfo (12)
      5. Vis tidsplottet for trykforskydningscentret langs den middelmådige retning.
      6. Detekter den mest laterale position af den middelmådige trykcenterposition opnået under det første plateau i tidsplottet, yPSTANCE ("holdning", fordi trykcentret er placeret under holdningsfoden på det tidspunkt; se figur 2).
      7. Det laterale trykpunkt for trykpositionen ved den bageste fodafgangstid, yPRFO (figur 2 og trin 5.1.5).
      8. Beregn den rumlige forskel mellem disse to mængder, hvilket svarer til trinbredde, W25, ved hjælp af ligning (13).
        W = yPSTANCE - yPRFO (13)
    4. Udførelse af ganginitiering
      1. Vis tidsplottet for tyngdepunktets hastighed langs anteroposteriorretningen (figur 2).
      2. Registrer det øjeblik, hvor deltagerne rammer kraftplatformen med svingfoden (trin 5.1.4, figur 2) og bemærk hastigheden af tyngdepunktet i dette øjeblik som et kriterium for GI-ydeevne.
        BEMÆRK: Topværdien af dette tidsplot, som nås et par millisekunder efter svingfodkontakt, kan også betragtes som et kriterium for GI-ydeevne. Trinlængde og svingfasevarighed kan også betragtes som kriterier for GI-ydeevne. Jo længere og jo kortere disse mængder er, jo bedre er ydeevnen.
    5. Parametre for stabilitetskontrol
      1. For bremseindeks skal du vise tidsdiagrammet for tyngdepunktets hastighed langs lodret retning. Detekter det maksimale nedadgående tyngdepunkt for tidsplottet (z'GMIN) og tyngdepunktet ved svingfodens kontakttid (z'GFC, figur 2). Beregn forskellen mellem disse to mængder, kaldet "bremseindekset" (BI), som en indikator for stabilitetskontrol ved hjælp af ligning (14).
        BI = Equation 3 (14)
        BEMÆRK: BI blev introduceret af Do og kolleger og giver bevis for, at centralnervesystemet forudser svingfodstrejken med støttefladen ved at reducere det lodrette tyngdepunktshastighed under svingfasen af ganginitiering 4,5,27. Denne aktive bremsning letter stabilitetsvedligeholdelse efter fodslag. Jo større BI, jo bedre stabilitetskontrol.
      2. For stabilitetsmargenen skal du vise tidsplottene for tyngdepunktet hastighed og forskydning langs den middelmådige retning. Registrer hastigheden (y'GFC) og forskydningen af tyngdepunktet (yGFC) ved svingfodkontakttid (figur 2). Beregn den middelmådige komponent i stabilitetsmargenen (MOS) ved fodkontakt ved hjælp af ligning (15).
        Equation 4(15)
        Hvor BOSmax er den middelmådige grænse for støttebasen (BOS) og ω0 er kroppens egenfrekvens, modelleret som et omvendt pendul. Under GI lander deltagerne systematisk på kraftplatformen først med svinghælen, derefter med tåen. Under en sådan fodlandingsstrategi kan BOSmax estimeres med det middelmådige trykcenter på tidspunktet for bagfoden (trin 5.1.5). Kroppens egenfrekvens kan beregnes ved hjælp af ligning (16).
        Equation 5(16)
        Hvor g = 9,81 m/s² er tyngdeaccelerationen, og l er længden af det omvendte pendul, hvilket svarer til 57,5% af kropshøjden.
        BEMÆRK: Mængden i parentes i ligning (15) kaldes det "ekstrapolerede massecenter"18. Betingelsen for stabiliteten ved fodkontakt indebærer, at det ekstrapolerede massecenter er placeret inden for bunden af støtten. Denne betingelse svarer til en positiv MOS-værdi. Hvis MOS er negativ, kræves korrigerende posturale justeringer for at genoprette balancen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Beskrivelse af repræsentative biomekaniske tidsplots opnået fra kraftplatformen under ganginitiering
Uanset niveauet af tidsmæssigt tryk eller instruktionen om GI-hastighed er svinghælen systematisk forud for APA. Disse APA kan karakteriseres ved en baglæns og svingende bensideforskydning af trykcentret (figur 2). Dette foregribende center for trykforskydning fremmer accelerationen af tyngdepunktet i den modsatte retning (dvs. fremad og til holdningens benside). Langs anteroposteriorretningen øges tyngdepunktets hastighed gradvist for at toppe kort efter svingfodkontakt. Langs den middelmådige retning topper tyngdepunktet først mod holdningsbensiden omkring svingtåen og topper derefter mod svingbensiden kort efter fodkontakt. Langs den lodrette retning topper tyngdepunktets hastighed nedad omkring midten af positionen. Den vender derefter retning og når en værdi tæt på nul ved omkring fodkontakt.

Figure 2
Figur 2: Repræsentative biomekaniske tidsdiagrammer opnået fra kraftplatformen under ganginitiering (et enkelt forsøg) og udvalgte spatio-temporale variabler. Gangart blev indledt hurtigt i en reaktionstidstilstand. X''G, y''G, z''G: acceleration af tyngdepunktet langs henholdsvis anteroposterior, middelolaterale og lodrette retninger. X'G, y'G, z'G: hastighed af tyngdepunktet langs henholdsvis anteroposterior, middelmådige og lodrette retninger. xP, yP: forskydning af trykcentret langs henholdsvis anteroposterior og middelmådige retninger. Timing begivenheder. t0ML, t0AP, tHO, tTO, tFC, tRFO: begyndelse af APA langs henholdsvis middelmådige og anteroposterior retninger, tidspunkt for svinghæl, tidspunkt for svingtå-off, tidspunkt for svingfodkontakt og tidspunkt for bageste fod-off. Tidsmæssige variabler. APA, UNL, SWING: tidsvinduer for henholdsvis APA, losningsfase og svingfase for ganginitiering. Rumlige variabler. X'GFO, x'GFC, xPMAX, yPMAX, L, W, z'GMIN, z'GFC: anteroposterior hastighed af tyngdepunktet ved fod-off og fodkontakt, maksimalt foregribende center for trykforskydning langs anteroposterior og middelmådige retninger, trinlængde, trinbredde, top nedadgående tyngdepunkt hastighed og lodret tyngdepunkt hastighed ved svingfod kontakttid, henholdsvis. Klik her for at se en større version af denne figur.

Repræsentative værdier af eksperimentelle variabler hos unge raske voksne: Indflydelse af hastighed og tidsmæssigt tryk

Tidsmæssige variabler

APA-varighed
Varigheden af APA langs anteroposterior og middelmådige retninger afhænger af hastigheden af GI men på en modsat måde. Mere specifikt øges APA-varigheden langs anteroposteriorretningen med GI-hastighed med typiske værdier på mellem ~ 500 ms for langsom GI og ~ 700 ms for hurtig GI9. I modsætning hertil falder APA-varigheden langs den middelmådige retning med GI-hastigheden. Typiske værdier varierer mellem ~ 700 ms for langsom GI og ~ 500 ms for hurtig GI21.

Varigheden af anteroposterior og middelmådig APA afhænger også af det tidsmæssige tryk (værdier angivet ovenfor er for en selvinitieret tilstand (dvs. en tilstand med et lavt tidsmæssigt trykniveau). Undersøgelser i litteraturen sammenligner typisk APA-varighed i en tilstand med lavt versus højt tidsmæssigt tryk, når gang initieres i en hurtig tilstand 1,28. Under disse betingelser falder varigheden af både anteroposterior og middelmådig APA med ca. 20-30 ms i reaktionstidstilstanden sammenlignet med den selvinitierede tilstand.

Varighed af aflæsningsfasen
Varigheden af aflæsningsfasen afhænger af hastigheden af GI (dvs. den falder, når GI-hastigheden stiger). Typiske varigheder varierer mellem ~ 200 ms for langsom GI og ~ 70 ms for hurtig GI21. Varigheden af aflæsningsfasen er ikke følsom over for tidsmæssigt tryk, i det mindste når gangen initieres i hurtig tilstand29.

Varighed af svingfase
Svingfasens varighed afhænger af hastigheden af GI (dvs. den falder, når hastigheden stiger). Typiske varigheder varierer mellem ~ 500 ms for langsom GI og ~ 300 ms for hurtig GI21. I modsætning hertil er denne varighed ikke følsom over for tidsmæssigt tryk, i det mindste når gangen initieres i en hurtig tilstand29.

Rumlige variabler

Amplitude af APA
Amplituden af APA afhænger af hastigheden af GI. Mere specifikt, i en selvinitieret tilstand, øges amplituden af APA langs anteroposteriorretningen, når hastigheden af GI stiger9. Typiske APA-værdier varierer mellem ~7 cm og ~0,15 m/s (for henholdsvis det foregribende trykforskydningscenter og tyngdepunktets hastighed) for langsom GI og ~13 cm og ~0,36 m/s for hurtig GI. Amplituden af APA langs den middelmådige retning, hvad angår trykforskydningscenter, øges også med hastigheden af GI21. Typiske værdier varierer mellem ~ 3 cm for langsom GI og ~ 4 cm for hurtig GI. I modsætning hertil ændres den maksimale hastighed af tyngdepunktet, der nås under APA (middelmådig retning), ikke med hastigheden af GI. Typiske værdier er ~0,13 m/s. Amplituden af APA er også følsom over for tidsmæssigt tryk, i det mindste når gangart initieres hurtigt28,29. Mere specifikt øges både de anteroposteriære og medialaterale komponenter i APA med tidsmæssigt tryk.

Trinlængde og trinbredde
Trinlængde og trinbredde afhænger begge af hastigheden af GI men ikke af tidsmæssigt tryk. Trinlængden når typisk ~50 cm og ~90 cm, når gangarten startes i langsom og hurtig tilstand, henholdsvis23. Trinbredden når typisk ~12 cm og ~14 cm, når gangarten startes i en langsom og en hurtig GI-tilstand, henholdsvis9.

Udførelse af ganginitiering
Tyngdepunktets tophastighed varierer typisk mellem ~ 1 m / s for langsom GI og ~ 2 m / s for hurtig GI10. For hurtig GI påvirker tidsmæssigt tryk ikke denne præstationsparameter29, selvom det kan fremkalde en lille (~ 9%) ændring28.

Parametre for stabilitetskontrol

Bremseindeks
BI er følsom over for hastigheden af GI. Når gangarten startes i en langsom tilstand med en trinlængde mindre end ~ 43 cm, er BI nul, fordi der ikke er behov for at bremse tyngdepunktets fald. Behovet for at bremse tyngdepunktet falder forekommer for trinlængder større end 43 cm. En typisk værdi for BI er 0,08 m/s for gangart initieret ved 1 m/s og med en trinlængde på 55 cm27.

Margen for stabilitet
MOS er ikke følsom over for hastigheden af GI eller for tidsmæssigt tryk21,30. Typiske MOS-værdier opnået under GI er ~ 5 cm21.

Supplerende figur S1: Skærmbilleder af softwaren (Qualisys Track Manager), der viser 3D-reaktionskræfter på jorden under ganginitiering. Til venstre kraftplatformens akse, trykcentrets position (svarende til påføringspunktet for jordreaktionskraftvektoren) og jordreaktionskraftvektoren i den oprindelige kropsholdning; ret, tidsforløbet for de rå 3D-jordreaktionskræfter under ganginitiering (en deltager, et forsøg). Grønne, røde og blå spor repræsenterer jordens reaktionskraft langs henholdsvis anteroposterior, middelmådig og lodret retning. Ordinat: kraftamplitude i Newtons. Abscissa: tid i ms. Deltagerne stod oprindeligt på venstre side af kraftplatformen og indledte gang til højre side. Bemærk, at deltageren forlod kraftplatformen på tidspunktet t = 3.200 ms. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende figur S2: Skærmbilleder af softwaren (Qualisys Track Manager), der viser det rå centrum af trykforskydningsspor. Til venstre kraftplatformsaksen, trykcentrets position (svarende til anvendelsespunktet for jordreaktionskraftvektoren) og aktionskraftvektoren udøvet af deltageren på kraftplatformen i den indledende kropsholdning; Højre, tidsforløbet for det rå center for trykforskydning sporer (en deltager, et forsøg). Grønne og røde spor repræsenterer centrum for trykforskydning langs henholdsvis anteroposterior og middelmådig retning. Ordinat: forskydning i millimeter. Abscissa: tid i ms. Deltagerne stod oprindeligt på venstre side af kraftplatformen og indledte gang til højre side. Bemærk, at deltageren forlod kraftplatformen på tidspunktet t = 3.200 ms. Klik her for at downloade denne fil.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Målet med dette papir var at give forskere, klinikere og studerende på videregående uddannelser information om metoden (den "globale" metode), der blev brugt i vores laboratorium til at undersøge den biomekaniske organisering af ganginitiering (GI). Kritiske trin i protokollen, metodens begrænsninger og alternative metoder og applikationer diskuteres nedenfor.

Et kritisk trin i protokollen er detekteringen af timinghændelserne for GI (dvs. APA-start, svinghæl-off og tå-off og bageste fod-off). Værdierne af både de tidsmæssige og de rumlige variabler relateret til organiseringen af GI afhænger af den korrekte påvisning af disse begivenheder. For hver af dem blev der foreslået flere metoder til påvisning (disse foreslåede metoder er ikke udtømmende). Det anbefales at bruge den samme metode gennem dataanalyse for at sikre konsistens på tværs af forsøg og eksperimentelle betingelser og for at muliggøre sammenligning på tværs af studier i litteraturen. Det anbefales dog også at anvende mindst to forskellige metoder for at sikre, at de korrekte timinghændelser registreres korrekt (der forventes kun små forskelle i værdierne for tidsmæssige træk på tværs af disse metoder). Desuden kan der for hver timinghændelse anvendes automatisk detektion (f.eks. med en MATLAB-rutine). Denne rutine kan let programmeres gennem metoderne i denne artikel. Det anbefales kraftigt visuelt at kontrollere sammenhængen og "troværdigheden" af de data, der automatisk opnås med disse rutiner. For eksempel bør amplituden af foregribende center for trykforskydning ikke overstige bunden af støttestørrelse. Det forventes at blive rettet bagud og mod svingbensiden (undtagen for specifikke eksperimentelle populationer); swing toe-off tid forventes at forekomme efter swing heel-off; APA-debut bør ikke forekomme hurtigere end 150 ms før afgangssignalet eller 300 ms bagefter (i en reaktionstidstilstand). Med andre ord menes det, at automatisk detektion alene ikke er tilstrækkelig til korrekt og "sikkert" at analysere dataene; Det er vigtigt at have et indgående kendskab til i) det globale tidsforløb for de biomekaniske plots, der forventes fra FORCE-platformen, og ii) de typiske værdier, der forventes af sunde deltagere. Vi mener, at ud over evnen til at programmere automatiske rutiner er denne viden af stærk didaktisk værdi for studerende på videregående uddannelser i biomekanik. Derfor er disse to elementer angivet i denne artikel.

Det erkendes, at den "globale" metode har mindst to begrænsninger. For det første giver denne metode ikke data om deltagernes indledende kropsholdning (dvs. om den relative position af kropssegmenter ), men giver data om det oprindelige trykpunkt og tyngdepunktsposition (hvis relative position bestemmer balancetilstanden). Det samme indledende trykpunkt og tyngdepunktsposition kunne teoretisk nås med et uendeligt antal stillinger. Med andre ord kan de indledende posturale forhold, hvorunder deltagerne indleder gang, muligvis ikke kontrolleres fuldt ud med den globale metode. Visuel kontrol af deltagernes indledende kropsholdning af en eksperimenteret forsker eller kliniker er derfor vigtig, hvis den relative position af kropssegmenterne ikke kan registreres (f.eks. Med et kamera). For det andet giver metoden ikke oplysninger om bidraget fra hver kropssegmentacceleration (eller "lokale" accelerationer) til helkropstyngdepunktsacceleration. Det følger heraf, at det teoretisk er muligt, at accelerationen af visse kropssegmenter kan kompenseres ved en deceleration af nogle fjerne kropssegmenter, hvilket resulterer i en nul helkropstyngdepunktacceleration under APA31. Således kan brugen af accelerometre placeret over flere kropssegmenter (f.eks. Bagagerum, hofter, ben) være relevant for at fuldføre kraftplatformsdataene.

En alternativ og populær metode til at beregne hele kroppens tyngdepunkt under GI er den kinematiske metode, der er baseret på optagelser ved hjælp af et motion capture-system af reflekterende markører limet til helkropsledsegmenter. Signalerne fra disse reflekterende markører tillader rekonstitution af hele kropsskelettet. Baseret på størrelsen af hvert kropssegment, der således rekonstitueres, og information fra antropometriske tabeller (f.eks. masse og tæthed af knogler) kan 3D-positionen for tyngdepunktet for hvert segment beregnes med kamerasoftwaren. Med disse data er det derefter muligt at beregne 3D-positionen for hele kroppens tyngdepunkt. Ved successiv afledning af positionssignalet kan hastigheden og accelerationen af hele kroppens tyngdepunkt opnås. For at beregne kinematikken i hele kroppens tyngdepunkt kræves 53 reflekterende markører32. Imidlertid blev en forenklet model med 13 markører for nylig foreslået af Tisserand et al.33.

Fordelene ved den globale metode (som kan assimileres i en kinetisk metode, da den er baseret på registrering af kræfter og øjeblikke) i forhold til den kinematiske metode til at undersøge den posturale organisering af GI er følgende: i) det kræver ingen forberedelse af deltagerne, hvilket sparer tid, hvilket er særligt vigtigt i tilfælde af skrøbelige eller patologiske patienter, der deltager i eksperimentet; ii) det undgår potentielle fejl i beregningen af helkrops tyngdepunktsacceleration på grund af kumulative små fejl på markørpositionering foretaget af eksperimentatoren, da den globale metode giver et direkte mål for denne mængde; iii) trykcentrets position kan ikke beregnes ved hjælp af motion capture-systemer. Den største ulempe ved den globale metode i forhold til den kinematiske metode blev rejst ovenfor - det tillader ikke undersøgelse af kropsholdning eller segmentkoordinering.

Nu er det bemærkelsesværdigt, at resultater fra den nuværende litteratur tyder på, at begge metoder giver ækvivalent måling af tyngdepunktskinematik og begivenhedstiming under lokomotoriske opgaver. For eksempel rapporterede Langeard et al.34, at estimering af tyngdepunktsbremsningen ("bremseindekset" (BI)) ved hjælp af den globale metode eller den kinematiske metode under GI var meget pålidelig. Under kompenserende trinreaktioner rapporterede Maki og McIlroy35, at anteroposteriorhastigheden og forskydningen af tyngdepunktet beregnet ved fodkontakt med begge metoder gav rimelig god overensstemmelse hos både unge raske voksne og ældre. På samme måde viste Lansade et al.36 under lige gang på jævnt underlag hos mennesker med transfemoral amputation, at estimering af tyngdepunktshastighed fra integration af kraftplatformdata var acceptabel. Endelig viste Caderby et al.24 og Yiou et al.25, at disse to metoder gav et lignende skøn over henholdsvis svinghæl og trinlængde/bredde under GI.

Den globale metode blev oprindeligt anvendt på GI-paradigmet hos unge raske voksne for at opnå grundlæggende viden om normal postural kontrol under en funktionel motorisk opgave, der kræver samtidig helkropsfremdrivning og stabilitetsvedligeholdelse10. Det er siden blevet udvidet bredt til at undersøge mange andre dynamiske helkropsmotoriske opgaver, såsom at kaste sig i hegn 37, hoppe38, sidde til at stå39 og bøje underekstremiteter40. Det er værd at nævne, at metoden også er blevet anvendt til at undersøge postural kontrol under afslutningen af forskellige motoriske opgaver, herunder enkelt trin41 og punkt 42, og potentielt kan anvendes til at undersøge gangafslutning, som det tidligere er blevet gjort med den kinematiske metode43. Endelig er metoden også blevet anvendt i vid udstrækning hos patienter med neurologiske tilstande og hos ældre for bedre at forstå de patopsykofysiologiske mekanismer, der påvirker dynamisk postural kontrol 2,3,4,5 og for nylig hos patienter med Parkinsons sygdom for at teste effektiviteten af forskellige ikke-farmakologiske indgreb (såsom ankelstrækning 44 og funktionel elektrisk stimulering 3 ) med henblik på at forbedre postural kontrol.

Afslutningsvis har denne artikel præsenteret en detaljeret metode designet til at undersøge postural kontrol under ganginitiering. For hver variabel blev der tilvejebragt normative værdier opnået hos unge raske voksne. Metoden har en stærk biomekanisk baggrund, da den er baseret på mekanikkens love for at beregne kinematikken i tyngdepunktet og trykcentret. Analyse af samspillet mellem disse to virtuelle punkter er et centralt punkt i denne metode, da den bestemmer betingelserne for stabilitet og helkropsprogression. Da udførelsen af de fleste af vores daglige motoriske opgaver (herunder sport og arbejde) kræver sikker (stabil) helkropsprogression, er metoden yderst velegnet til at opnå indsigt i de posturo-dynamiske mekanismer, der ligger til grund for motorisk effektivitet / mangel hos både sunde og patologiske populationer. Det har derfor stærke anvendelser inden for menneskelig bevægelsesvidenskab, sportsvidenskab, ergonomi og klinisk videnskab.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen konkurrerende interesser.

Acknowledgments

Forfatterne vil gerne takke ANRT og 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)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Neurovidenskab udgave 185
Postural organisering af ganginitiering til biomekanisk analyse ved hjælp af kraftplatformsoptagelser
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Simonet, A., Delafontaine, A.,… More

Simonet, A., Delafontaine, A., Fourcade, P., Yiou, E. Postural Organization of Gait Initiation for Biomechanical Analysis Using Force Platform Recordings. J. Vis. Exp. (185), e64088, doi:10.3791/64088 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter