Summary
Dit artikel beschrijft het materiaal en de methode die zijn ontwikkeld om de houdingsorganisatie van loopinitiatie te onderzoeken. De methode is gebaseerd op krachtplatformregistraties en op het directe principe van de mechanica om het zwaartepunt en het zwaartepunt van de kinematica van het drukcentrum te berekenen.
Abstract
Loopinitiatie (GI), de voorbijgaande fase tussen orthogradehouding en steady-state voortbeweging, is een functionele taak en een experimenteel paradigma dat klassiek wordt gebruikt in de literatuur om inzicht te krijgen in de fundamentele houdingsmechanismen die ten grondslag liggen aan lichaamsbeweging en balanscontrole. Het onderzoeken van GI heeft ook bijgedragen aan een beter begrip van de fysiopathologie van houdingsstoornissen bij oudere en neurologische deelnemers (bijv. Patiënten met de ziekte van Parkinson). Als zodanig wordt erkend dat het belangrijke klinische implicaties heeft, vooral in termen van valpreventie.
Dit artikel is bedoeld om wetenschappers, clinici en studenten in het hoger onderwijs informatie te geven over het materiaal en de methode die is ontwikkeld om GI-houdingsorganisatie te onderzoeken via een biomechanische benadering. De methode is gebaseerd op krachtplatformregistraties en het directe principe van de mechanica om de kinematica van het zwaartepunt en het drukmiddelpunt te berekenen. De interactie tussen deze twee virtuele punten is een belangrijk element in deze methode, omdat het de voorwaarden voor stabiliteit en progressie van het hele lichaam bepaalt. Het protocol houdt in dat de deelnemer in eerste instantie onbeweeglijk in een rechtopstaande houding staat en begint te lopen tot het einde van een baan van minstens 5 m.
Het wordt aanbevolen om de GI-snelheid (langzaam, spontaan, snel) en het niveau van temporele druk te variëren - de gang kan zo snel mogelijk worden gestart na de afgifte van een vertreksignaal (hoge mate van temporele druk) of wanneer de deelnemer zich klaar voelt (laag niveau van temporele druk). Biomechanische parameters verkregen met deze methode (bijv. duur en amplitude van anticiperende houdingsaanpassingen, staplengte / breedte, prestaties en stabiliteit) worden gedefinieerd en hun berekeningsmethode is gedetailleerd. Daarnaast worden typische waarden verkregen bij gezonde jongvolwassenen verstrekt. Tot slot worden kritische stappen, beperkingen en betekenis van de methode met betrekking tot de alternatieve methode (motion capture systeem) besproken.
Introduction
Loopinitiatie (GI), de voorbijgaande fase tussen orthogradehouding en steady-state voortbeweging, is een functionele taak en een experimenteel paradigma dat klassiek in de literatuur wordt gebruikt om houdingscontrole te onderzoeken tijdens een complexe motorische taak die gelijktijdige voortstuwing en stabiliteit van het hele lichaam vereist1. Van patiënten met neurologische aandoeningen, zoals de ziekte van Parkinson2, beroerte3, progressieve supranucleaireparese 4 en "loopstoornissen op een hoger niveau"5, is bekend dat ze moeite hebben met het initiëren van looppatroon, waardoor ze worden blootgesteld aan een verhoogd risico op vallen. Het is daarom belangrijk voor zowel de basis- als de klinische wetenschappen om concepten en methoden te ontwikkelen om inzicht te krijgen in de houdingscontrolemechanismen die spelen tijdens het lopen, om wetenschappelijke kennis en een beter begrip van de pathofysiologie van loop- en evenwichtsstoornissen te verwerven en deze te kunnen verhelpen door adequate interventies.
Het concept van biomechanische organisatie van loopinitiatie wordt hieronder beschreven en de klassieke methode die is ontworpen om deze organisatie te onderzoeken, wordt gedetailleerd beschreven in de protocolsectie. GI kan worden onderverdeeld in drie opeenvolgende fasen: de fase "anticiperende houdingsaanpassingen" (APA) die overeenkomt met de dynamische verschijnselen die zich in het hele lichaam voordoen vóór de swing heel-off, de "losfase" (tussen swing heel-off en toe-off) en de "swing" -fase die eindigt op het moment dat de swingvoet contact maakt met het ondersteuningsoppervlak. Deze klassieke onderverdeling van het GI-proces komt voort uit de baanbrekende studies van Belenkii et al.6 en anderen 7,8, gericht op de coördinatie tussen houding en beweging tijdens vrijwillige armverhoging naar horizontaal in de rechtopstaande houding. In dit paradigma komen de lichaamssegmenten die direct betrokken zijn bij het opheffen van de arm overeen met de "focale" keten, terwijl de lichaamssegmenten die worden tussengebracht tussen het proximale deel van de focale keten en het ondersteuningsoppervlak overeenkomen met de "posturale" keten9. Deze auteurs meldden dat het opheffen van de arm systematisch werd voorafgegaan door dynamische en elektromyografische verschijnselen in de houdingsketen, die ze "anticiperende houdingsaanpassingen" noemden. Voor GI wordt swing heel-off (of swing toe-off, afhankelijk van de auteurs) beschouwd als het begin van loopbeweging10. Bijgevolg komen de dynamische verschijnselen die vóór dit moment optreden overeen met APA en wordt de swing limb beschouwd als een onderdeel van de focale keten11. Deze verklaring is in overeenstemming met de klassieke opvatting van beweging biomechanische organisatie, volgens welke elke motorische handeling een focale en een posturale component12,13 moet omvatten.
Vanuit biomechanisch oogpunt manifesteert APA geassocieerd met GI zich als een achterwaartse en middelmatige (zijwaarts georiënteerde) verplaatsing van het drukmiddelpunt, die werkt om het zwaartepunt in de tegenovergestelde richting voort te stuwen - vooruit en naar de kant van het standbeen. Hoe groter het anticiperende achterwaartse centrum van drukverplaatsing, hoe hoger de motorprestaties in termen van het voorwaartse zwaartepuntsnelheid bij voetcontact10,14. Bovendien draagt APA, door het zwaartepunt naar de kant van het standbeen te stuwen, bij aan het behoud van middelmatige stabiliteit tijdens de swingfase van GI 1,15,16,17. De huidige literatuur benadrukt dat verandering in deze anticiperende controle van stabiliteit een belangrijke bron van vallen is bij ouderen1. Stabiliteit tijdens GI is in de literatuur gekwantificeerd met een aanpassing van de "stabiliteitsmarge"18, een grootheid die rekening houdt met zowel de snelheid als de positie van het zwaartepunt binnen de basis van de steun. Naast de ontwikkeling van APA, is gemeld dat de val van het zwaartepunt tijdens de swingfase van GI onder invloed van de zwaartekracht actief wordt geremd door de triceps surae van het standbeen. Dit actieve remmen vergemakkelijkt het stabiliteitsbehoud na voetcontact, waardoor een soepele voetlanding op het steunoppervlakmogelijk is 4.
Het doel van dit artikel is om wetenschappers, clinici en studenten in het hoger onderwijs informatie te geven over het materiaal en de methode die in ons laboratorium zijn ontwikkeld om de houdingsorganisatie van GI via een biomechanische benadering te onderzoeken. Deze "globale" methode (die om de hieronder beschreven redenen ook kan worden gelijkgesteld met een "kinetische" methode) werd geïnitieerd door Brenière en medewerkers10,19. Het is gebaseerd op het directe principe van de mechanica om zowel de versnelling van het zwaartepunt als de momentane posities van het drukmiddelpunt te berekenen. Elk van deze punten is een globale uitdrukking die specifiek is voor de beweging.
Een daarvan is de onmiddellijke expressie van de bewegingen van alle lichaamssegmenten die verband houden met het doel van de beweging (het zwaartepunt; bijvoorbeeld de progressiesnelheid van het lichaam tijdens GI); de andere (het centrum van de druk) is de uitdrukking van de ondersteunende voorwaarden die nodig zijn om dit doel te bereiken. De momentane posities van deze twee punten weerspiegelen de posturodynamische omstandigheden waaraan moet worden voldaan voor loopinitiatie. Het krachtplatform is het geschikte instrument voor dit model omdat het de directe meting van de externe krachten en momenten die tijdens beweging op het ondersteunende oppervlak werken, mogelijk maakt. Het maakt ook de uitvoering van natuurlijke bewegingen mogelijk en vereist geen speciale voorbereiding.
Van veel factoren is bekend dat ze de houdingsorganisatie van GI beïnvloeden, waaronder biomechanische, (neuro)fysiologische, psychologische, omgevings- en cognitieve factoren 1,20. Dit artikel richt zich op de invloed van twee factoren - snelheid van GI en temporele druk - en biedt typische waarden verkregen bij gezonde jonge volwassenen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Het hieronder beschreven protocol volgt de richtlijn van de ethische commissie voor menselijk onderzoek van de Université Paris-Saclay. Deelnemers hebben een toestemmingsformulier goedgekeurd en ondertekend.
1. Deelnemers
- Neem ten minste 15 gezonde jongvolwassen deelnemers op aan het experiment (in de leeftijd van 20 tot 40 jaar oud).
OPMERKING: Dit aanbevolen aantal proefpersonen komt overeen met wat klassiek wordt overwogen in de literatuur over GI. - Sluit deelnemers uit met loophulpmiddelen, visuele, gehoor- of orthopedische problemen, geïdentificeerde neurologische aandoeningen, dementie, cognitieve stoornissen (d.w.z. een score < 25 op het Mini Mental State Exam) en een medische geschiedenis van vallen.
- Vraag deelnemers om schriftelijke toestemming te geven nadat ze hen hebben geïnformeerd over de aard en het doel van het experiment.
- Zorg ervoor dat het experiment voldoet aan de normen van de Verklaring van Helsinki.
2. Laboratoriumvoorbereiding
- Zorg ervoor dat het krachtplatform lang genoeg is om de hele zwenkvoet er aan het einde van de eerste stap op te laten landen. Als dat niet het geval is, gebruik dan twee kleine afstandskrachtplatforms, waarbij deelnemers in de beginhouding op de eerste staan en hun swingvoet slaan op de tweede die voor de eerste21 is geplaatst. Zorg er in beide gevallen voor dat het krachtplatform (de krachtplatforms) is / zijn ingebed in een spoor van ten minste 5 m lang om ervoor te zorgen dat steady-state lopen wordt bereikt.
OPMERKING: Een krachtplatform dat de 3D-momenten en -krachten registreert, is nodig om de hele set experimentele variabelen te berekenen (zie sectie 5).- Bevestig als veiligheidsmaatregel een harnas aan het plafond en centreer het op de grote bijl van het krachtplatform voor het geval het experiment kwetsbare patiënten (bijv. Neurologische patiënten) omvat.
- Kalibreer het(de) krachtplatform(s). Klik op de knop auto-zero .
- De tijdschriften importeren
- Open Qualisys Track manager.
- Kies en open de map "Project".
- Maak een patiëntenmap.
- Klik op Toevoegen en selecteer vervolgens patiënten.
- Voer labels in: patiënt-ID, voornaam, achternaam, geboortedatum, geslacht en opmerking indien nodig.
- Klik op Toevoegen en selecteer vervolgens Gait-sessie .
- Voer labels in: Case ID, Test operator, Opmerkingen indien nodig, Diagnose, Secundaire diagnose, Aangedane Zijde, Bruto Motorische Functie Classificatie, Functionele Mobiliteit Schaal, Lengte, Gewicht, Beenlengte links, Beenlengte rechts, Knie breedte links, Knie breedte rechts, Enkel breedte links, Enkel breedte rechts, Enkel delta links, Zool delta rechts, Schouder offset links, Schouder offset rechts, Elleboog breedte links, Elleboogbreedte rechts, Polsbreedte links, Polsbreedte rechts, Handdikte links, Handdikte rechts en Markerdiameter.
- Klik op Toevoegen en selecteer vervolgens Markerless session.
- Voer labels in: Testconditie, Prothesis_Orthosis, Externe hulp, Externe hulpzijde, Persoonlijke hulp, Persoonlijke hulpzijde, Opmerkingen indien nodig, Testoperator en Gebeurtenismodus (kies meerdere krachtplaat).
- Schakel Auto-zero forceren in.
- Selecteer Extra.
- Klik op Force Plates.
- Klik op Op voorbeeld start in het labelvak "Forceer plaat auto-nul".
- Zorg ervoor dat de basissignalen van het krachtplatform (krachten en momenten) op nul staan wanneer het niet wordt opgeladen.
- Klik op Nieuw of gebruik de sneltoets Ctrl+N.
- Klik op Gegevensinformatie Venster 1 of gebruik de sneltoets Ctrl + D.
- Klik op Force Data weergeven of gebruik de sneltoets Ctrl+D.
- Klik op Forceren en selecteer Plot.
3. Experimentele procedure
- Vraag deelnemers om blootsvoets en onbeweeglijk op een krachtplatform te staan in hun natuurlijke rechtopstaande houding, waarbij de armen losjes tegen hun zijkanten hangen en hun blik gericht is op een doelwit op ooghoogte op ten minste 5 m afstand (figuur 1).
OPMERKING: Baken de positie van de voeten op het krachtplatform af in de beginhouding (bijvoorbeeld met krijt). Controleer zorgvuldig of de deelnemers na elke proef hun voeten op deze markeringen herpositioneren. Dit punt is belangrijk omdat de initiële voetpositie de APA-kenmerken van GI beïnvloedt. - Bepaal het voorkeursstartbeen van de deelnemers door lichtjes tegen de rug van de deelnemers te duwen terwijl ze in de eerste houding met hun ogen gesloten zijn om een stap naar voren te zetten.
- Leg de deelnemers uit dat de taak die ze moeten uitvoeren is om de gang vanuit de staande houding met het gewenste been te initiëren, om door te lopen naar het einde van de baan en vervolgens om rustig terug te keren naar de oorspronkelijke staande houding.
OPMERKING: Als tijdens het experiment het lopen niet wordt gestart met het geïdentificeerde voorkeursbeen in een bepaald onderzoek, herhaalt u het onderzoek. - Leg uit dat de gang moet worden gestart na twee opeenvolgende signalen (akoestisch, visueel of tactiel): een voorbereidend signaal en een vertreksignaal (zie stappen 3.6 en 3.7).
- Leg de instructies over snelheid en temporele druk uit (zie stappen 3.8-3.10).
- Geef het eerste (voorbereidende) signaal aan de deelnemers. Instrueer hen om onbeweeglijk te staan en te voorkomen dat ze gi anticiperen op dit eerste signaal.
- Geef het tweede (vertrek)signaal na een willekeurige vertraging van 2-5 s na het voorbereidende signaal.
- Zorg ervoor dat de deelnemers visueel onbeweeglijk zijn voordat ze dit tweede signaal afgeven. Controleer immobiliteit online met de tijdplots van de anteroposterior of middellaterale drukverplaatsing
OPMERKING: Als ze niet immobiel zijn, kan de detectie van het begin van APA (stap 5.1.1) moeilijk zijn.
- Zorg ervoor dat de deelnemers visueel onbeweeglijk zijn voordat ze dit tweede signaal afgeven. Controleer immobiliteit online met de tijdplots van de anteroposterior of middellaterale drukverplaatsing
- Instrueer de deelnemers om ofwel zo snel mogelijk te beginnen met lopen i) (d.w.z. in een reactietijdtoestand), of ii) pas als ze zich klaar voelen (d.w.z. in een zelf geïnitieerde toestand) na het vertreksignaal.
- Varieer de voorwaarden van "temporele druk" opgelegd aan GI (d.w.z. lage temporele druk (zelf geïnitieerde toestand) en hoge temporele druk (reactietijdconditie)).
- Varieer de omstandigheden van GI-snelheid (langzame, spontane, snelle omstandigheden).
- Om het aantal experimentele omstandigheden te beperken en zo vermoeidheid te voorkomen, instrueert u de deelnemers om slechts twee omstandigheden van GI-snelheid (bijv. Langzaam en snel) uit te voeren onder een lage of hoge temporele drukconditie, of het omgekeerde (d.w.z. GI met een langzame of snelle snelheid onder een hoge en een lage temporele druk).
OPMERKING: Herhaal de instructies over temporele druk en GI-snelheid regelmatig.
- Om het aantal experimentele omstandigheden te beperken en zo vermoeidheid te voorkomen, instrueert u de deelnemers om slechts twee omstandigheden van GI-snelheid (bijv. Langzaam en snel) uit te voeren onder een lage of hoge temporele drukconditie, of het omgekeerde (d.w.z. GI met een langzame of snelle snelheid onder een hoge en een lage temporele druk).
- Instrueer de deelnemers om series van 10 opeenvolgende onderzoeken uit te voeren in elke experimentele toestand.
OPMERKING: Reeks van vijf onderzoeken is voldoende voor oudere proefpersonen of patiënten met de ziekte van Parkinson22.- Randomiseer de omstandigheden van GI-snelheid en temporele druk over de deelnemers om orde-effecten te voorkomen.
- Leg een rust van ten minste 2 minuten op tussen opeenvolgende omstandigheden om de effecten van vermoeidheid te voorkomen.
- Laat deelnemers in elke voorwaarde twee kennismakingsproeven uitvoeren vóór de opnames.
- Activeer data-acquisitie van het krachtplatform een paar seconden voor het begin van het voorbereidende signaal en stop zodra de deelnemer het krachtplatform heeft verlaten.
Figuur 1: Experimentele opstelling. De deelnemers staan in eerste instantie op een krachtplatform (1) ingebed in een baan van minstens 5 m lang (2), met de blik gericht op een doel op ooghoogte (3). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
4. Verwerking van kinetische opnames van het krachtplatform
- Filter gegevens van het krachtplatform met behulp van een no-lag low-pass Butterworth-order met een cut-offfrequentie van 15 Hz.
- Importeer het bestand.
- Open Visual3D.
- Kies en open het bestand "Project".
- Verwerking
- Klik op Pipeline of gebruik snelkoppeling F11.
- Selecteer Signaalfilter.
- Selecteer Lowpass_Filter.
- Klik op Uitvoeren.
- Verzamel gegevens van het krachtplatform met een snelheid van 100 Hz.
- Klik op Pipeline of gebruik snelkoppeling F11.
- Selecteer Bestand opslaan/exporteren.
- Selecteer Export_Data_To_Acsii_File.
- Klik op Bewerken.
- Voer 100 in het label Aantal punten voor normalisatie in.
- Klik op Uitvoeren.
- Bereken de tijdplots van de momentane zwaartepuntversnellingen langs de anteroposterior (x''G), middellaterale (y''G) en verticale (z''G) richtingen van de 3D-grondreactiekrachten verkregen met het krachtplatform (zie Aanvullende figuur S1) met behulp van de tweede wet van Newton10,23.
OPMERKING: Volgens de tweede wet van Newton is de som van de externe krachten die op een systeem worden uitgeoefend gelijk aan de massa van dit systeem (m) vermenigvuldigd met de versnelling van het zwaartepunt. Dus, met het GI-protocol dat in deze studie wordt beschreven, zijn de enige externe krachten die op de deelnemers worden toegepast lichaamsgewicht (BW) en grondreactiekrachten (R). Vergelijkingen (1), (2) en (3) kunnen worden geschreven:
x''G = Rx / m (1)
y''G = Ry / m (2)
z"G = (Rz - BW) / m (3)
Waar Rx, Ry, Rz de momentane anteroposterior, middellaterale en verticale componenten van de vector grondreactiekracht zijn, respectievelijk. Typische plots van x''G, y''G en z''G zijn weergegeven in figuur 2. - Bereken de 3D-tijdplots van het zwaartepuntsnelheid door middel van een eenvoudige numerieke integratie van het 3D-zwaartepunt versnellingstijdplots, met behulp van integratieconstanten gelijk aan nul (d.w.z. 3D initiële zwaartepuntsnelheid beschouwd als null10). Zie figuur 2 voor typische tijdplots van anteroposterior, middelmatige en verticale snelheid van het zwaartepunt (respectievelijk x'G, y'G en z'G).
- Voer een extra integratie van de y'G-tijdplot uit om de verplaatsing van het zwaartepunt langs de middellaterale richting te verkrijgen. Gebruik deze hoeveelheid om de "stabiliteitsmarge" te berekenen (zie stap 5.3.5.2).
- Bereken de mediolaterale (yP) en anteroposterior (xP) verplaatsing van het drukmiddelpunt van krachtplatformgegevens met behulp van vergelijkingen (4) en (5):
(4)
(5)
Waar Mx en My de momentane momenten zijn rond respectievelijk de anteroposterale en middelmatige richtingen; Rx, Ry en Rz zijn respectievelijk de momentane anteroposterior, mediolaterale en verticale grondreactiekrachten; en dz is de afstand tussen het oppervlak van het krachtplatform en de oorsprong ervan (verstrekt door de fabrikant). Typische tijdplots van xP en yP zijn weergegeven in figuur 2 (zie ook aanvullende figuur S2).
(4)
(5)5. Experimentele variabelen
OPMERKING: Elke hieronder beschreven experimentele variabele moet worden geëxtraheerd uit de experimentele tijdplots die voor elke proef zijn verkregen.
- Detectie van de timinggebeurtenissen van loopinitiatie
- Begin van APA
- Geef de tijdplots weer van het centrum van drukverplaatsing langs de middellaterale en anteroposterior richtingen.
- Bereken de gemiddelde waarde van het middellaterale en anteroposterische centrum van druktijdplot tijdens het tijdvenster van 250 ms voorafgaand aan het tweede signaal dat aan de deelnemers wordt geleverd.
OPMERKING: Deze waarden komen overeen met de "basiswaarden" van deze tijdplots. - Detecteer de momenten na het tweede signaal wanneer het middelmatige en het anteroposterior centrum van drukverplaatsingsspoor 2,5 standaardafwijkingen van de basislijnwaarde afwijkt gedurende ten minste 50 ms.
OPMERKING: Deze twee momenten komen overeen met het begin van APA langs de middellaterale en anteroposterior richtingen (respectievelijk t0ML en t0AP; Figuur 2). Deze twee momenten kunnen ook worden geïdentificeerd als de momenten waarop de tijdplots van het middelmatige en anteroposterior zwaartepuntversnelling 10% van hun respectieve piekwaarde bereiken. - Zorg ervoor dat, in de reactietijdtoestand, het begin van APA varieert tussen 150 ms en 300 ms na het tweede (Go) signaal. Zo niet, herhaal dan de proef en de instructies over temporele druk.
OPMERKING: Als het minder dan 150 ms is, hebben de deelnemers geanticipeerd. Als het groter is dan 300 ms, waren de deelnemers niet gefocust op de taak. - Zorg ervoor dat in de zelf geïnitieerde toestand het begin van APA groter is dan 300 ms. Als dit niet het geval is, herhaal dan de studie en de instructies over de temporele druk, aangezien de deelnemers mogelijk een gang hebben gestart in een reactietijdtoestand.
- Swing hiel-off tijd
- Geef de tijdplots weer van het verticale zwaartepuntsnelheid en het anteroposterior drukverplaatsingscentrum.
- Identificeer het moment waarop het spoor van het verticale zwaartepunt voor het eerst naar beneden piekt na het begin van APA als de swing heel-off tijd24 (figuur 2). U kunt ook het moment identificeren waarop de tijdplot van het anteroposterieure centrum van drukverplaatsing een snelle daling naar de basislijn vertoont (d.w.z. naar de tenen; Figuur 2) of plaats een voetschakelaar (een goedkoop hulpmiddel) bij de zwenkarel.
- Swing teen-off tijd
- Toon de tijdplots van het middellaterale en anteroposterieure centrum van drukverplaatsing en van de anteroposteriorsnelheid van het zwaartepunt.
- Identificeer het moment waarop de tijdplot van het middelmatige centrum van drukverplaatsing een eerste (quasi) plateau bereikt dat gericht is op de standvoetzijde als de swingteen-off-tijd (figuur 2). U kunt ook de direct volgende swing heel-off identificeren wanneer de tijdplot van het anteroposterior centrum van drukverplaatsing 90% van de maximale achterwaartse waarde bereikt, of een voetschakelaar bij de swingteen plaatsen.
- Swing voet contacttijd
- Geef de tijdplots weer van het anteroposterior centrum van drukverplaatsing.
- Identificeer het moment waarop het anteroposterior drukmiddelpunt abrupt naar voren wordt verschoven (figuur 2) als de contacttijd van de zwenkvoet. Als deze tijdplot is afgeleid, identificeert u de contacttijd van de swingvoet als het moment waarop deze afgeleide tijdplot sterk toeneemt ten opzichte van de basislijnniveauwaarde. U kunt ook een voetschakelaar op de zwenkarel plaatsen om dit moment te detecteren.
OPMERKING: Een methode die vergelijkbaar is met de methode die hierboven is beschreven voor APA-detectie (gebaseerd op de berekening van een gemiddelde basislijnniveauwaarde; stap 5.1.1.2) kan hier worden gebruikt.
- Achterste foot-off tijd
- Geef de tijdplot van het middelmatige centrum van drukverplaatsing weer.
- Identificeer het moment waarop de tijdplot van het middelmatige centrum van drukverplaatsing een tweede (quasi) plateau bereikt, gericht in de tegenovergestelde richting als de eerste (stap 5.1.3.2; Figuur 2), de achterste voet-uit tijd25. U kunt ook een voetschakelaar aan de achterkant plaatsen om dit moment te detecteren.
- Begin van APA
- Berekening van temporele variabelen
- Bereken de vertraging tussen het begin van APA (t0ML en t0AP) en de swing heel-off tijd (tHO) voor zowel de middellaterale als de anteroposterior richtingen, die overeenkomen met de duur van APA langs de mediolaterale (dAPAML) en de anteroposterior richtingen (dAPAAP). Zie vergelijkingen (6) en (7).
dAPAML = tHO - t0ML (6)
dAPAAP = tHO - t0AP (7) - Bereken de vertraging tussen swing toe-off time (tTO) en swing heel-off time (tHO), wat overeenkomt met de "unloading phase" duration (UNLd; Figuur 2) met behulp van vergelijking (8).
UNLd = tTO - tHO (8) - Bereken de vertraging tussen swing toe-off time (tTO) en swing foot contact (tFC), wat overeenkomt met de "swing phase" duur (SWINGd; Figuur 2) met behulp van vergelijking (9).
SWINGd = tFC - tTO (9)
- Bereken de vertraging tussen het begin van APA (t0ML en t0AP) en de swing heel-off tijd (tHO) voor zowel de middellaterale als de anteroposterior richtingen, die overeenkomen met de duur van APA langs de mediolaterale (dAPAML) en de anteroposterior richtingen (dAPAAP). Zie vergelijkingen (6) en (7).
- Berekening van ruimtelijke variabelen
- Beginpositie van het drukmiddelpunt
- Geef de tijdplots weer van het centrum van drukverplaatsing langs de middellaterale en anteroposterior richtingen.
- Bereken de gemiddelde waarden van het middelmatige (yP0) en anteroposterior (xP0) centrum van drukposities tijdens het tijdvenster van 250 ms voorafgaand aan het tweede (vertrek) signaal dat aan de deelnemers wordt geleverd, die representatief zijn voor het centrum van de drukpositie in de initiële houding (of "baseline" -waarde).
OPMERKING: De spatio-temporele kenmerken van APA zoals hierboven beschreven, zijn gevoelig voor de positie van het drukmiddelpunt in de beginhouding26. Daarom is het belangrijk om te controleren of elke verandering in de APA-kenmerken tussen experimentele omstandigheden (bijvoorbeeld een aandoening met een obstakel om te wissen versus een aandoening zonder een obstakel om te wissen) of tussen experimentele populaties (bijv. Gezonde deelnemers versus neurologische deelnemers) niet kan worden toegeschreven aan een "eenvoudige" verandering in het centrum van de drukpositie in de initiële houding, maar eerder aan de factor die wordt onderzocht.
- Amplitude van APA
- Geef de tijdplots weer van het centrum van drukverplaatsing en het zwaartepuntsnelheid langs de middellaterale en anteroposterior richtingen.
- Detecteer het moment waarop elk van deze vier tijdplots een maximale waarde bereikt tijdens het APA-tijdvenster (figuur 2).
- Trek de gemiddelde basislijnwaarde van het drukmiddelpunt zoals berekend in stap 5.3.1.2 (d.w.z. de xP0- en yP0-waarden) af van het maximale drukmiddelpunt dat is gedetecteerd tijdens het APA-tijdvenster (voor elke richting; d.w.z. berekenen met behulp van vergelijkingen (10) en (11)).
xPAPA = xPMAX - xP0 (10)
yPAPA = yPMAX - yP0 (11)
Waarbij xPAPA en yPAPA de amplitude zijn van APA (drukmiddelpunt) langs respectievelijk de anteroposterior en middelmatige richting; xPMAX en yPMAX zijn het maximale anticiperende centrum van drukverplaatsing langs respectievelijk de anteroposterior en middelmatige richting.
OPMERKING: Een dergelijke basislijnaftrek is niet nodig voor de snelheid van het zwaartepunt, omdat wordt aangenomen dat de deelnemers aanvankelijk onbeweeglijk zijn (het initiële zwaartepunt is daarom nul; zie stap 4.4). De vier verkregen waarden zijn representatief voor de amplitude van APA (twee waarden per richting).
- Staplengte en stapbreedte
- Geef de tijdplot weer van het centrum van drukverplaatsing langs de anteroposteriorrichting.
- Detecteer de meest achterwaartse positie van het midden van de drukpositie, xPBACK.
- Detecteer het midden van de drukpositie op het moment van achterste voet-off, xPRFO (figuur 2 en stap 5.1.5).
- Bereken het ruimtelijke verschil tussen deze twee grootheden, dat overeenkomt met staplengte, L41, met behulp van vergelijking (12).
L = xPBACK - Xprfo (12) - Geef de tijdplot van het centrum van drukverplaatsing langs de middellaterale richting weer.
- Detecteer de meest laterale positie van het middelmatige centrum van de drukpositie verkregen tijdens het eerste plateau van de tijdplot, yPSTANCE ("houding", omdat het drukmiddelpunt zich op dat moment onder de standvoet bevindt; zie figuur 2).
- Detecteer het laterale centrum van de drukpositie op de achterste voet-off tijd, yPRFO (figuur 2 en stap 5.1.5).
- Bereken het ruimtelijke verschil tussen deze twee grootheden, dat overeenkomt met stapbreedte, W25, met behulp van vergelijking (13).
W = yPSTANCE - yPRFO (13)
- Uitvoering van loopinitiatie
- Geef de tijdplot van het zwaartepunt langs de anteroposteriorrichting weer (figuur 2).
- Detecteer het moment waarop de deelnemers het krachtplatform raken met de zwaaivoet (stap 5.1.4, figuur 2) en noteer de snelheid van het zwaartepunt op dit moment als een criterium voor GI-prestaties.
OPMERKING: De piekwaarde van deze tijdplot, die enkele milliseconden na swingvoetcontact wordt bereikt, kan ook worden beschouwd als een criterium voor GI-prestaties. Staplengte en swingfaseduur kunnen ook worden beschouwd als criteria voor GI-prestaties. Hoe langer en hoe korter deze hoeveelheden respectievelijk zijn, hoe beter de prestaties zijn.
- Stabiliteitscontrole parameters
- Voor de remindex geeft u de tijdplot van het zwaartepunt langs de verticale richting weer. Detecteer de piek neerwaartse zwaartepuntssnelheid van de tijdplot (z'GMIN) en het zwaartepuntsnelheid bij de swingvoetcontacttijd (z'GFC, figuur 2). Bereken het verschil tussen deze twee grootheden, de "remindex" (BI) genoemd, als een indicator van stabiliteitscontrole, met behulp van vergelijking (14).
BI =
(14)
OPMERKING: De BI werd geïntroduceerd door Do en collega's en levert bewijs dat het centrale zenuwstelsel anticipeert op de swingvoetslag met het ondersteuningsoppervlak door het verticale zwaartepuntsnelheid te verlagen tijdens de swingfase van loopinitiatie 4,5,27. Dit actieve remmen vergemakkelijkt het behoud van de stabiliteit na het raken van de voet. Hoe groter de BI, hoe beter de stabiliteitscontrole. - Voor de stabiliteitsmarge geeft u de tijdplots van het zwaartepuntsnelheid en verplaatsing langs de middellaterale richting weer. Detecteer de snelheid (y'GFC) en de verplaatsing van het zwaartepunt (yGFC) bij de contacttijd van de zwaaivoet (figuur 2). Bereken de middellaterale component van de stabiliteitsmarge (MOS) bij voetcontact met behulp van vergelijking (15).
(15)
Waarbij BOSmax de middelmatige grens is van de basis van steun (BOS) en ω0 de eigenfrequentie van het lichaam, gemodelleerd als een omgekeerde slinger. Tijdens GI landen deelnemers systematisch op het krachtplatform, eerst met de swinghak, daarna met de teen. Bij een dergelijke voetlandingsstrategie kan de BOSmax worden geschat met het middelmatige centrum van de drukpositie op het moment van achterste voetafname (stap 5.1.5). De eigenfrequentie van het lichaam kan worden berekend met behulp van een vergelijking (16).
(16)
Waarbij g = 9,81 m/s² de zwaartekrachtversnelling is en l de lengte van de omgekeerde slinger, die overeenkomt met 57,5% van de lichaamslengte.
OPMERKING: De grootheid tussen haakjes in vergelijking (15) wordt het "geëxtrapoleerde massamiddelpunt" genoemd18. De toestand van de stabiliteit bij voetcontact impliceert dat het geëxtrapoleerde massamiddelpunt zich binnen de basis van de ondersteuning bevindt. Deze voorwaarde komt overeen met een positieve MOS-waarde. Als de MOS negatief is, zijn corrigerende houdingsaanpassingen nodig om het evenwicht te herstellen.
- Voor de remindex geeft u de tijdplot van het zwaartepunt langs de verticale richting weer. Detecteer de piek neerwaartse zwaartepuntssnelheid van de tijdplot (z'GMIN) en het zwaartepuntsnelheid bij de swingvoetcontacttijd (z'GFC, figuur 2). Bereken het verschil tussen deze twee grootheden, de "remindex" (BI) genoemd, als een indicator van stabiliteitscontrole, met behulp van vergelijking (14).
- Beginpositie van het drukmiddelpunt
(14)
(15)
(16)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Beschrijving van representatieve biomechanische tijdplots verkregen van het krachtplatform tijdens loopinitiatie
Ongeacht het niveau van de temporele druk of de instructie over GI-snelheid, swing heel-off wordt systematisch voorafgegaan door APA. Deze APA kan worden gekenmerkt door een achterwaartse en swingbeenzijde verschuiving van het drukmiddelpunt (figuur 2). Dit anticiperende drukmiddelpunt bevordert de versnelling van het zwaartepunt in de tegenovergestelde richting (d.w.z. naar voren en naar de kant van het standbeen). Langs de anteroposteriorrichting neemt de snelheid van het zwaartepunt geleidelijk toe tot een piek kort na het contact met de zwaaivoet. Langs de middelmatige richting piekt de snelheid van het zwaartepunt eerst naar de kant van het standbeen rond de swingteen-off en piekt vervolgens naar de swingbeenzijde kort na voetcontact. Langs de verticale richting piekt het zwaartepuntsnelheid naar beneden rond de middenstand. Het keert dan van richting en bereikt een waarde dicht bij nul bij ongeveer voetcontact.
Figuur 2: Representatieve biomechanische tijdplots verkregen uit het krachtplatform tijdens loopinitiatie (één enkele studie) en geselecteerde spatio-temporele variabelen. De gang werd snel geïnitieerd in een reactietijdtoestand. X''G, y''G, z''G: versnelling van het zwaartepunt langs respectievelijk de anteroposterior, middellaterale en verticale richtingen. X'G, y'G, z'G: snelheid van het zwaartepunt langs respectievelijk de anteroposterior, middellaterale en verticale richting. xP, yP: verplaatsing van het drukmiddelpunt langs respectievelijk de anteroposterior en middelmatige richting. Timing gebeurtenissen. t0ML, t0AP, tHO, tTO, tFC, tRFO: aanvang van APA langs de mediolaterale en anteroposterior richtingen, tijd van swing heel-off, tijd van swing toe-off, tijd van swing voetcontact en tijd van achterste voet-off, respectievelijk. Temporele variabelen. APA, UNL, SWING: tijdvensters voor respectievelijk APA, losfase en swingfase van loopinitiatie. Ruimtelijke variabelen. X'GFO, x'GFC, xPMAX, yPMAX, L, W, z'GMIN, z'GFC: anteroposteriorsnelheid van het zwaartepunt bij voet-off en voetcontact, maximaal anticiperend centrum van drukverplaatsing langs de anteroposterior en middellaterale richtingen, staplengte, stapbreedte, piek neerwaarts zwaartepuntsnelheid en verticaal zwaartepuntstijd bij swingvoetcontacttijd, respectievelijk. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Representatieve waarden van experimentele variabelen bij jonge gezonde volwassenen: invloed van snelheid en temporele druk
Temporele variabelen
APA duur
De duur van APA langs de anteroposterior en middelmatige richtingen hangt af van de snelheid van GI, maar op een tegenovergestelde manier. Meer specifiek neemt de APA-duur langs de anteroposteriorrichting toe met de GI-snelheid, met typische waarden variërend tussen ~ 500 ms voor langzame GI en ~ 700 ms voor snelle GI9. Daarentegen neemt de APA-duur langs de middellaterale richting af met de GI-snelheid. Typische waarden variëren tussen ~700 ms voor langzame GI en ~500 ms voor snelle GI21.
De duur van anteroposterior en middellaterale APA hangt ook af van de temporele druk (de hierboven gegeven waarden zijn voor een zelf geïnitieerde aandoening (d.w.z. een aandoening met een laag temporeel drukniveau). Studies in de literatuur vergelijken doorgaans de APA-duur in een toestand met lage versus hoge temporele druk, wanneer het lopen wordt gestart in een snelle toestand 1,28. Onder deze omstandigheden neemt de duur van zowel anteroposterior als middellaterale APA af met ongeveer 20-30 ms in de reactietijdconditie in vergelijking met de zelf geïnitieerde aandoening.
Duur van de losfase
De duur van de losfase hangt af van de snelheid van GI (d.w.z. deze neemt af wanneer de GI-snelheid toeneemt). Typische duur varieert tussen ~ 200 ms voor langzame GI en ~ 70 ms voor snelle GI21. De duur van de losfase is niet gevoelig voor temporele druk, tenminste wanneer de gang in een snelle toestand wordt geïnitieerd29.
Duur van de swingfase
De duur van de swingfase hangt af van de snelheid van GI (d.w.z. deze neemt af wanneer de snelheid toeneemt). Typische duur varieert tussen ~ 500 ms voor langzame GI en ~ 300 ms voor snelle GI21. Daarentegen is deze duur niet gevoelig voor temporele druk, tenminste wanneer de gang in een snelle toestand wordt geïnitieerd29.
Ruimtelijke variabelen
Amplitude van APA
De amplitude van APA hangt af van de snelheid van GI. Meer specifiek, in een zelf geïnitieerde toestand, neemt de amplitude van APA langs de anteroposteriorrichting toe wanneer de snelheid van GI toeneemt9. Typische APA-waarden variëren tussen ~ 7 cm en ~ 0,15 m / s (voor respectievelijk het anticiperende centrum van drukverplaatsing en het zwaartepuntsnelheid) voor langzame GI, en ~ 13 cm en ~ 0,36 m / s voor snelle GI. De amplitude van APA langs de middelmatige richting, in termen van centrum van drukverplaatsing, neemt ook toe met de snelheid van GI21. Typische waarden variëren tussen ~ 3 cm voor langzame GI en ~ 4 cm voor snelle GI. Daarentegen verandert de maximale snelheid van het zwaartepunt dat tijdens APA wordt bereikt (middelmatige richting) niet met de snelheid van GI. Typische waarden zijn ~0,13 m/s. De amplitude van APA is ook gevoelig voor temporele druk, tenminste wanneer de gang snel wordt gestart28,29. Meer specifiek nemen zowel de anteroposterior als de middellaterale componenten van APA toe met de temporele druk.
Staplengte en stapbreedte
Staplengte en stapbreedte zijn beide afhankelijk van de snelheid van GI, maar niet van de temporele druk. Staplengte bereikt meestal ~ 50 cm en ~ 90 cm wanneer het lopen wordt gestart in een langzame en een snelle toestand, respectievelijk23. Stapbreedte bereikt meestal ~ 12 cm en ~ 14 cm wanneer de gang wordt gestart in een langzame en een snelle GI-toestand, respectievelijk9.
Uitvoering van loopinitiatie
De piek van de snelheid van het zwaartepunt varieert meestal tussen ~ 1 m / s voor langzame GI en ~ 2 m / s voor snelle GI10. Voor een snelle GI heeft de temporele druk geen invloed op deze prestatieparameter29, hoewel deze een kleine (~ 9%) verandering kan veroorzaken28.
Stabiliteitscontrole parameters
Remindex
De BI is gevoelig voor de snelheid van GI. Wanneer de gang wordt geïnitieerd in een langzame toestand met een staplengte van minder dan ~ 43 cm, is de BI nul omdat het niet nodig is om de val van het zwaartepunt te remmen. De noodzaak om het zwaartepunt te remmen, treedt op voor staplengtes groter dan 43 cm. Een typische waarde van BI is 0,08 m/s voor loopbeweging geïnitieerd bij 1 m/s en met een staplengte van 55 cm27.
Stabiliteitsmarge
De MOS is niet gevoelig voor de snelheid van GI of voor temporele druk21,30. Typische MOS-waarden verkregen tijdens GI zijn ~ 5 cm21.
Aanvullende figuur S1: Screenshots van de software (Qualisys Track Manager) met 3D-grondreactiekrachten tijdens het initiëren van de gang. Links, de krachtplatformas, het midden van de drukpositie (overeenkomend met het toepassingspunt van de grondreactiekrachtvector) en de grondreactiekrachtvector in de beginhouding; juist, het tijdsverloop van de ruwe 3D-grondreactiekrachten tijdens loopinitiatie (één deelnemer, één proef). Groene, rode en blauwe sporen vertegenwoordigen de grondreactiekracht langs respectievelijk de anteroposterior, middellaterale en verticale richting. Ordinate: krachtamplitude in Newton. Abscissa: tijd in ms. De deelnemers stonden aanvankelijk aan de linkerkant van het krachtplatform en initieerden de gang naar de rechterkant. Merk op dat de deelnemer het krachtplatform verliet op tijdstip t = 3.200 ms. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullende figuur S2: Screenshots van de software (Qualisys Track Manager) met het ruwe centrum van drukverplaatsingssporen. Links, de krachtplatformas, het midden van de drukpositie (overeenkomend met het toepassingspunt van de grondreactiekrachtvector) en de actiekrachtvector die door de deelnemer op het krachtplatform in de beginhouding wordt uitgeoefend; rechts, het tijdsverloop van het ruwe centrum van drukverplaatsingssporen (één deelnemer, één proef). Groene en rode sporen vertegenwoordigen het centrum van drukverplaatsing langs respectievelijk de anteroposterior en middellaterale richting. Ordinate: verplaatsing in millimeters. Abscissa: tijd in ms. De deelnemers stonden aanvankelijk aan de linkerkant van het krachtplatform en initieerden de gang naar de rechterkant. Merk op dat de deelnemer het krachtplatform verliet op tijdstip t = 3.200 ms. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Het doel van dit artikel was om wetenschappers, clinici en studenten in het hoger onderwijs informatie te geven over de methode (de "globale" methode) die in ons laboratorium wordt gebruikt om de biomechanische organisatie van loopinitiatie (GI) te onderzoeken. Kritieke stappen van het protocol, beperkingen van de methode en alternatieve methoden en toepassingen worden hieronder besproken.
Een cruciale stap in het protocol is de detectie van de timinggebeurtenissen van GI (d.w.z. APA-begin, swing heel-off en toe-off en achterste voet-off). De waarden van zowel de temporele als de ruimtelijke variabelen met betrekking tot de organisatie van GI zijn afhankelijk van de juiste detectie van deze gebeurtenissen. Voor elk van hen werden verschillende detectiemethoden voorgesteld (deze voorgestelde methoden zijn niet uitputtend). Het wordt aanbevolen om dezelfde methode te gebruiken in de hele gegevensanalyse om consistentie tussen onderzoeken en experimentele omstandigheden te waarborgen en om vergelijking tussen studies in de literatuur mogelijk te maken. Het wordt echter ook aanbevolen om ten minste twee verschillende methoden te gebruiken om ervoor te zorgen dat de juiste timinggebeurtenissen correct worden gedetecteerd (slechts kleine verschillen in de temporele kenmerkenwaarden worden verwacht voor deze methoden). Bovendien kan voor elke timinggebeurtenis automatische detectie worden toegepast (bijvoorbeeld met een MATLAB-routine). Deze routine kan eenvoudig worden geprogrammeerd via de methoden in dit artikel. Het wordt sterk aanbevolen om de samenhang en "geloofwaardigheid" van de gegevens die automatisch met deze routines worden verkregen, visueel te controleren. De amplitude van het anticiperende centrum van drukverplaatsing mag bijvoorbeeld de basis van de ondersteuningsgrootte niet overschrijden. Verwacht wordt dat het naar achteren en naar de kant van het zwaaibeen wordt gericht (behalve voor specifieke experimentele populaties); swing toe-off tijd zal naar verwachting optreden na swing heel-off; Het begin van APA mag niet eerder optreden dan 150 ms vóór het vertreksignaal of 300 ms daarna (in een reactietijdtoestand). Met andere woorden, er wordt aangenomen dat automatische detectie alleen niet voldoende is om de gegevens goed en "veilig" te analyseren; het is essentieel om een grondige kennis te hebben van i) het globale tijdsverloop van de biomechanische plots die van het krachtplatform worden verwacht en ii) de typische waarden die van gezonde deelnemers worden verwacht. Wij geloven dat, naast de mogelijkheid om automatische routines te programmeren, deze kennis van sterke didactische waarde is voor studenten in het hoger onderwijs in de biomechanica. Dit is de reden waarom deze twee elementen in dit artikel worden verstrekt.
Erkend wordt dat de "globale" methode ten minste twee beperkingen heeft. Ten eerste levert deze methode geen gegevens op over de beginhouding van de deelnemers (d.w.z. over de relatieve positie van lichaamssegmenten), maar levert gegevens over het initiële drukmiddelpunt en de positie van het zwaartepunt (waarvan de relatieve positie de toestand van het evenwicht bepaalt). Hetzelfde initiële drukmiddel en zwaartepuntpositie zouden theoretisch met een oneindig aantal houdingen kunnen worden bereikt. Met andere woorden, de initiële houdingsomstandigheden waaronder de deelnemers de gang initiëren, worden mogelijk niet volledig gecontroleerd met de globale methode. Visuele controle van de initiële houding van de deelnemers door een geëxperimenteerde onderzoeker of clinicus is daarom belangrijk als de relatieve positie van de lichaamssegmenten niet kan worden geregistreerd (bijvoorbeeld met een camera). Ten tweede geeft de methode geen informatie over de bijdrage van elke versnelling van het lichaamssegment (of "lokale" versnellingen) aan de versnelling van het zwaartepunt van het hele lichaam. Hieruit volgt dat het theoretisch mogelijk is dat de versnelling van bepaalde lichaamssegmenten wordt gecompenseerd door een vertraging van sommige verre lichaamssegmenten, wat resulteert in een nul-zwaartepuntversnelling van het hele lichaam tijdens APA31. Het gebruik van versnellingsmeters die over verschillende lichaamssegmenten zijn geplaatst (bijv. Romp, heupen, benen) kan dus relevant zijn om de gegevens van het krachtplatform te voltooien.
Een alternatieve en populaire methode om het zwaartepunt van het hele lichaam tijdens GI te berekenen, is de kinematische methode, die is gebaseerd op opnames met behulp van een motion capture-systeem van reflecterende markers die op gewrichtssegmenten van het hele lichaam zijn gelijmd. De signalen van deze reflecterende markers maken de reconstitutie van het hele lichaam mogelijk. Op basis van de grootte van elk aldus gereconstitueerd lichaamssegment en informatie die wordt verstrekt door antropometrische tabellen (bijv. Massa en dichtheid van botten), kan de 3D-positie van het zwaartepunt van elk segment worden berekend met de camerasoftware. Met deze gegevens is het vervolgens mogelijk om de 3D-positie van het zwaartepunt van het hele lichaam te berekenen. Met opeenvolgende afleiding van het positiesignaal kan de snelheid en versnelling van het zwaartepunt van het hele lichaam worden verkregen. Om de kinematica van het zwaartepunt van het hele lichaam te berekenen, zijn 53 reflecterende markers nodig32. Een vereenvoudigd model met 13 markers werd echter onlangs voorgesteld door Tisserand et al.33.
De voordelen van de globale methode (die kan worden geassimileerd in een kinetische methode omdat deze is gebaseerd op de registratie van krachten en momenten) ten opzichte van de kinematische methode om de houdingsorganisatie van GI te onderzoeken, zijn de volgende: i) het vereist geen voorbereiding van de deelnemers, waardoor tijd wordt bespaard, wat vooral belangrijk is in gevallen van kwetsbare of pathologische patiënten die deelnemen aan het experiment; ii) het vermijdt potentiële fouten in de berekening van de versnelling van het zwaartepunt van het hele lichaam als gevolg van cumulatieve kleine fouten in de markerpositionering die door de experimentator zijn gemaakt, aangezien de globale methode een directe meting van deze hoeveelheid biedt; iii) het zwaartepunt van de drukpositie kan niet worden berekend met behulp van motion capture-systemen. Het belangrijkste nadeel van de globale methode ten opzichte van de kinematische methode werd hierboven genoemd - het staat het onderzoek naar houding of segmentale coördinatie niet toe.
Nu is het opmerkelijk dat de resultaten van de huidige literatuur suggereren dat beide methoden een gelijkwaardige maat bieden voor het zwaartepunt kinematica en de timing van gebeurtenissen tijdens locomotorische taken. Langeard et al.34 rapporteerden bijvoorbeeld dat het schatten van het zwaartepunt (de "remindex" (BI)) met behulp van de globale methode of de kinematische methode tijdens GI zeer betrouwbaar was. Tijdens compenserende stapreacties rapporteerden Maki en McIlroy35 dat de anteroposteriorsnelheid en verplaatsing van het zwaartepunt berekend bij voetcontact met beide methoden redelijk goede overeenstemming opleverden bij zowel jonge gezonde volwassenen als ouderen. Evenzo toonden Lansade et al.36 tijdens recht lopen op vlakke grond bij mensen met transfemorale amputatie aan dat de schatting van de snelheid van het zwaartepunt van de data-integratie van het krachtplatform acceptabel was. Ten slotte toonden Caderby et al.24 en Yiou et al.25 aan dat deze twee methoden een vergelijkbare schatting gaven van respectievelijk swing heel off event en staplengte/breedte tijdens GI.
De globale methode werd aanvankelijk toegepast op het GI-paradigma bij jonge gezonde volwassenen om basiskennis te verkrijgen over normale houdingscontrole tijdens een functionele motorische taak die gelijktijdige voortstuwing van het hele lichaam en stabiliteitsonderhoud vereist10. Het is sindsdien uitgebreid om vele andere dynamische motorische taken van het hele lichaam te onderzoeken, zoals longeren in schermen37,springen 38, zitten om39 te staan en flexie van de onderste ledematen40. Het is vermeldenswaard dat de methode ook is toegepast om houdingscontrole te onderzoeken tijdens de beëindiging van verschillende motorische taken, waaronder enkele stap41 en punt42, en mogelijk kan worden toegepast om loopbeëindiging te onderzoeken zoals eerder is gedaan met de kinematische methode43. Ten slotte is de methode ook op grote schaal gebruikt bij patiënten met neurologische aandoeningen en bij ouderen om de pathopsychofysiologische mechanismen die de dynamische houdingscontrole beïnvloedenbeter te begrijpen 2,3,4,5 en, meer recent, bij patiënten met de ziekte van Parkinson om de effectiviteit van verschillende niet-farmacologische interventies te testen (zoals enkelrek44 en functionele elektrische stimulatie3 ) bij het verbeteren van de houdingscontrole.
Concluderend heeft dit artikel een gedetailleerde methode gepresenteerd die is ontworpen om houdingscontrole tijdens loopinitiatie te onderzoeken. Voor elke variabele werden normatieve waarden verkregen bij jonggezonde volwassenen verstrekt. De methode heeft een sterke biomechanische achtergrond, omdat het gebaseerd is op de wetten van de mechanica om de kinematica van het zwaartepunt en het drukmiddelpunt te berekenen. Analyse van de interactie tussen deze twee virtuele punten is een belangrijk punt van deze methode, omdat het de voorwaarden voor stabiliteit en progressie van het hele lichaam bepaalt. Omdat de uitvoering van de meeste van onze dagelijkse motorische taken (inclusief sport en werk) een veilige (stabiele) progressie van het hele lichaam vereist, is de methode zeer geschikt om inzicht te krijgen in de posturo-dynamische mechanismen die ten grondslag liggen aan motorische efficiëntie / tekort in zowel gezonde als pathologische populaties. Het heeft daarom sterke toepassingen in de bewegingswetenschappen, sportwetenschap, ergonomie en klinische wetenschap.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben geen tegenstrijdige belangen.
Acknowledgments
De auteurs willen de ANRT en de LADAPT bedanken.
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. Control of Gait Initiation. Journal of Motor Behavior. 23 (4), 235-240 (1991).
- 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).
