Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

ארגון יציבתי של התחלת הליכה לניתוח ביומכני באמצעות הקלטות פלטפורמת כוח

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

מאמר זה מתאר את החומר והשיטה שפותחו כדי לחקור את הארגון היציבתי של ייזום הליכה. השיטה מבוססת על הקלטות של פלטפורמות כוח ועל העיקרון הישיר של מכניקה לחישוב מרכז הכובד ומרכז קינמטיקה של לחץ.

Abstract

חניכת הליכה (GI), השלב החולף בין יציבה אורתוגרדיאלית לתנועה במצב יציב, היא משימה פונקציונלית ופרדיגמה ניסיונית המשמשת באופן קלאסי בספרות כדי לקבל תובנה לגבי מנגנוני היציבה הבסיסיים העומדים בבסיס תנועת הגוף ובקרת שיווי המשקל. חקר מערכת העיכול תרם גם להבנה טובה יותר של הפיזיופתולוגיה של הפרעות ביציבה אצל קשישים ומשתתפים נוירולוגיים (למשל, חולי פרקינסון). ככזה, הוא מוכר כבעל השלכות קליניות חשובות, במיוחד במונחים של מניעת נפילות.

מאמר זה נועד לספק לחוקרים, קלינאים וסטודנטים להשכלה גבוהה מידע על החומר והשיטה שפותחו כדי לחקור ארגון יציבת GI באמצעות גישה ביומכנית. השיטה מבוססת על הקלטות של פלטפורמת כוח ועל העיקרון הישיר של המכניקה לחישוב הקינמטיקה של מרכז הכובד ומרכז הלחץ. האינטראקציה בין שתי נקודות וירטואליות אלה היא מרכיב מרכזי בשיטה זו שכן היא קובעת את תנאי היציבות והתקדמות הגוף כולו. הפרוטוקול כולל את המשתתף בתחילה עומד ללא תנועה בתנוחה זקופה ומתחיל ללכת עד סוף מסלול של לפחות 5 מ '.

מומלץ לשנות את מהירות מערכת העיכול (איטית, ספונטנית, מהירה) ואת רמת הלחץ הטמפורלי - ניתן ליזום הליכה בהקדם האפשרי לאחר מסירת אות עזיבה (רמה גבוהה של לחץ טמפורלי) או כאשר המשתתף מרגיש מוכן (רמה נמוכה של לחץ טמפורלי). פרמטרים ביומכניים המתקבלים בשיטה זו (למשל, משך ומשרעת של התאמות יציבה צפויות, אורך/רוחב צעד, ביצועים ויציבות) מוגדרים, ושיטת החישוב שלהם מפורטת. בנוסף, ערכים אופייניים המתקבלים אצל צעירים בריאים מסופקים. לבסוף, נדונים צעדים קריטיים, מגבלות ומשמעות של השיטה ביחס לשיטה החלופית (מערכת לכידת תנועה).

Introduction

חניכת הליכה (GI), השלב החולף בין יציבה אורתוגרדיאלית לתנועה במצב יציב, היא משימה פונקציונלית ופרדיגמה ניסיונית המשמשת באופן קלאסי בספרות לחקר בקרת יציבה במהלך משימה מוטורית מורכבת הדורשת הנעה ויציבות בו זמנית של כל הגוף1. חולים עם מצבים נוירולוגיים, כגון מחלת פרקינסון2, שבץמוחי 3, שיתוק על-טבעי מתקדם4 ו"הפרעות הליכה ברמה גבוהה יותר"5, ידועים כמתקשים ליזום הליכה, החושפת אותם לסיכון מוגבר לנפילה. לכן חשוב למדעים בסיסיים וקליניים כאחד לפתח מושגים ושיטות כדי לקבל תובנה על מנגנוני בקרת היציבה במשחק במהלך חניכת הליכה, להשיג ידע מדעי והבנה טובה יותר של הפתופיזיולוגיה של הפרעות הליכה ואיזון ולהיות מסוגלים לתקן אותם באמצעות התערבויות נאותות.

הרעיון של ארגון ביומכני של התחלת הליכה מתואר להלן, והשיטה הקלאסית שנועדה לחקור ארגון זה מפורטת בסעיף הפרוטוקול. ניתן לחלק את מערכת העיכול לשלושה שלבים עוקבים: שלב "התאמות היציבה הצפויות" (APA) המתאים לתופעות הדינמיות המתרחשות בכל הגוף לפני הנפת העקב, שלב ה"פריקה" (בין העקב המתנדנד לבוהן כבויה), ושלב ה"נדנדה" שמסתיים בזמן שכף הרגל המתנדנדת יוצרת קשר עם משטח התמיכה. תת-חלוקה קלאסית זו של תהליך מערכת העיכול מקורה במחקרים החלוציים של Belenkii et al.6 ואחרים7,8, המתמקדים בתיאום בין יציבה ותנועה במהלך הרמת זרוע רצונית לאופקית בתנוחה הזקופה. בפרדיגמה זו, מקטעי הגוף המעורבים ישירות בהרמת הזרוע תואמים את שרשרת ה"מוקד", ואילו מקטעי הגוף המשולבים בין החלק הפרוקסימלי של שרשרת המוקד לבין משטח התמיכה תואמים את שרשרת "היציבה"9. מחברים אלה דיווחו כי להרמת הזרוע קדמו באופן שיטתי תופעות דינמיות ואלקטרומיוגרפיות בשרשרת היציבה, שאותן כינו "התאמות יציבה צפויות". עבור GI, swing heel-off (או swing toe-off, בהתאם למחברים) נחשב כתחילת תנועת ההליכה10. כתוצאה מכך, התופעות הדינמיות המתרחשות לפני רגע זה תואמות את APA, ואת איבר הנדנדה נחשב מרכיב של שרשרת מוקד11. הצהרה זו עולה בקנה אחד עם התפיסה הקלאסית של ארגון ביומכני תנועתי, לפיה כל פעולה מוטורית חייבת לערב מוקד ומרכיב יציבתי12,13.

מנקודת מבט ביומכנית, APA הקשור ל- GI מתבטא בתזוזה לאחור ובינונית (רגל מתנדנדת מכוונת צד) של מרכז הלחץ, הפועלת להניע את מרכז הכובד בכיוון ההפוך - קדימה ולכיוון צד הרגל העמדה. ככל שמרכז תזוזת הלחץ לאחור הצפוי גדול יותר, כך ביצועי המנוע גבוהים יותר במונחים של מהירות מרכז הכובד הקדמי במגע כף הרגל10,14. בנוסף, על ידי הנעת מרכז הכובד לכיוון צד הרגל העמדה, APA תורם לשמירה על יציבות בינונית במהלך שלב הנדנדה של GI 1,15,16,17. הספרות הנוכחית מדגישה כי שינוי בשליטה הצפויה הזו על היציבות הוא מקור מרכזי לנפילות אצל קשישים1. יציבות במהלך מערכת העיכול כומתה בספרות עם התאמה של "מרווח היציבות"18, כמות שלוקחת בחשבון הן את המהירות והן את המיקום של מרכז הכובד בתוך בסיס התמיכה. בנוסף לפיתוח APA, דווח כי נפילת מרכז הכובד במהלך שלב הנדנדה של GI בהשפעת כוח הכבידה נבלמה באופן פעיל על ידי הטריפס סורה של רגל העמדה. בלימה אקטיבית זו מאפשרת שמירה על יציבות לאחר מגע כף הרגל, ומאפשרת נחיתת רגל חלקה על משטח התמיכה4.

מטרת מאמר זה היא לספק לחוקרים, קלינאים וסטודנטים להשכלה גבוהה מידע על החומר והשיטה שפותחו במעבדה שלנו כדי לחקור את הארגון היציב של מערכת העיכול באמצעות גישה ביומכנית. שיטה "גלובלית" זו (שניתן להטמיע אותה גם בשיטה "קינטית" מהסיבות שיפורטו להלן) יזמו ברנייר ומשתפי הפעולה10,19. הוא מבוסס על העיקרון הישיר של המכניקה כדי לחשב הן את התאוצה של מרכז הכובד, כמו גם את המיקום המיידי של מרכז הלחץ. כל אחת מהנקודות הללו היא ביטוי גלובלי ספציפי לתנועה.

האחד הוא הביטוי המיידי של התנועות של כל מקטעי הגוף הקשורים למטרת התנועה (מרכז הכובד; למשל, מהירות ההתקדמות של הגוף במהלך GI); השני (מרכז הלחץ) הוא הביטוי של תנאי התמיכה הדרושים כדי להגיע למטרה זו. המיקומים המיידיים של שתי נקודות אלה משקפים את התנאים הפוסטורו-דינמיים שיש לספק להתחלת הליכה. פלטפורמת הכוח היא המכשיר המתאים למודל זה משום שהיא מאפשרת מדידה ישירה של הכוחות החיצוניים והרגעים הפועלים על המשטח התומך במהלך התנועה. זה גם מאפשר ביצוע של תנועות טבעיות ולא דורש הכנה מיוחדת.

גורמים רבים ידועים כמשפיעים על הארגון היציבתי של GI, כולל גורמים ביומכניים, (נוירו-פיזיולוגיים), פסיכולוגיים, סביבתיים וקוגניטיביים 1,20. מאמר זה מתמקד בהשפעתם של שני גורמים - מהירות מערכת העיכול ולחץ טמפורלי - ומספק ערכים אופייניים המתקבלים אצל צעירים בריאים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

הפרוטוקול המתואר להלן תואם את ההנחיה של ועדת האתיקה של המחקר האנושי של אוניברסיטת פריז-סקלי. המשתתפים אישרו וחתמו על טופס הסכמה.

1. משתתפים

  1. כלול לפחות 15 משתתפים צעירים ובריאים בניסוי (בגילאי 20 עד 40).
    הערה: מספר מומלץ זה של נושאים מתאים למה שנחשב באופן קלאסי בספרות על GI.
  2. לא לכלול משתתפים עם עזרי הליכה, בעיות ראייה, שמיעה או אורתופדיות, הפרעות נוירולוגיות מזוהות, דמנציה, ליקויים קוגניטיביים (כלומר, ציון < 25 במבחן מצב נפשי מיני), והיסטוריה רפואית של נפילה.
  3. בקשו מהמשתתפים לתת הסכמה בכתב לאחר שהודיעו להם על מהות הניסוי ומטרתו.
  4. ודא שהניסוי תואם את הסטנדרטים שנקבעו על ידי הצהרת הלסינקי.

2. הכנת מעבדה

  1. ודא שפלטפורמת הכוח ארוכה מספיק כדי שכל רגל הנדנדה תנחת עליה בסוף הצעד הראשון. אם לא, השתמש בשתי פלטפורמות כוח מרחק קטנות, כאשר המשתתפים עומדים בתנוחה הראשונית על הראשון ומכה את רגל הנדנדה שלהם על השני ממוקם מול21 הראשונים. בשני המקרים, ודא שפלטפורמות הכוח מוטמעות/מוטמעות במסלול באורך של 5 מטרים לפחות כדי להבטיח הגעה להליכה במצב יציב.
    הערה: פלטפורמת כוח הרושמת את המומנטים והכוחות התלת-ממדיים נחוצה כדי לחשב את כל מערך המשתנים הניסוייים (ראה סעיף 5).
    1. כאמצעי בטיחות, הצמידו רתמה לתקרה ומרכזו אותה לגרזן הגדול של פלטפורמת הכוח למקרה שהניסוי יכלול חולים חלשים (למשל, חולים נוירולוגיים).
  2. כייל את פלטפורמות הכוח. לחץ על כפתור האפס האוטומטי .
  3. ייבוא כתבי העת
    1. פתח את מנהל המסלול של Qualisys.
    2. בחר ופתח את התיקייה "פרויקט".
  4. צור תיקיית מטופלים.
    1. לחץ על הוסף ולאחר מכן בחר מטופלים.
    2. הזן תוויות: מזהה מטופל, שם פרטי, שם משפחה, תאריך לידה, מין והערה במידת הצורך.
    3. לחץ על הוסף ולאחר מכן בחר הפעלת הליכה .
    4. הזן תוויות: מזהה מקרה, מפעיל בדיקה, הערות במידת הצורך, אבחון, אבחנה משנית, צד מושפע, סיווג תפקוד מוטורי ברוטו, סולם ניידות תפקודי, גובה, משקל, אורך רגל שמאלה, אורך רגל ימינה, רוחב ברך שמאלה, רוחב ברך ימינה, רוחב קרסול שמאלה, רוחב קרסול ימינה, סוללת דלתא שמאלה, סוליה דלתא ימינה, כתף היסט שמאלה , היסט כתף ימינה, רוחב מרפק שמאלה, רוחב המרפק ימינה, רוחב שורש כף היד שמאלה, רוחב שורש כף היד ימינה, עובי היד שמאלה, עובי היד ימין וקוטר הסמן.
    5. לחץ על הוסף ולאחר מכן בחר הפעלה ללא סמן .
    6. הזן תוויות: מצב בדיקה, Prothesis_Orthosis, סיוע חיצוני, צד סיוע חיצוני, סיוע אישי, צד עזרה אישית, הערות במידת הצורך, מפעיל בדיקה ומצב אירוע (בחר לוח כוח מרובה).
  5. בדוק את האפשרות ' אפס אוטומטי של לוחית כוח'.
    1. בחר כלים.
    2. לחץ על לוחות כוח.
    3. לחץ על התחל בתצוגה מקדימה בתיבת התווית "כפה צלחת אוטומטית אפס".
  6. ודא שהאותות הבסיסיים מפלטפורמת הכוח (כוחות ורגעים) נמצאים באפס כאשר הוא לא נטען.
    1. לחץ על חדש או השתמש בקיצור המקשים Ctrl+N.
    2. לחץ על חלון פרטי נתונים 1 או השתמש בקיצור הדרך Ctrl+D.
    3. לחץ על הצג נתוני כפה או השתמש בקיצור הדרך Ctrl+D.
    4. לחץ על כוח ובחר עלילה.

3. הליך ניסיוני

  1. בקשו מהמשתתפים לעמוד יחפים וחסרי תנועה על פלטפורמת כוח בתנוחה הזקופה הטבעית שלהם, כשהזרועות תלויות ברפיון על צדם, ומבטם מופנה למטרה בגובה העיניים במרחק של לפחות 5 מטרים (איור 1).
    הערה: הגדר את מיקום הרגליים על משטח הכוח בתנוחה הראשונית (למשל, עם גיר). בדקו היטב שהמשתתפים ממקמים מחדש את רגליהם על סימנים אלה לאחר כל ניסוי. נקודה זו חשובה מכיוון שתנוחת כף הרגל הראשונית משפיעה על תכונות ה- APA של GI.
  2. קבעו את רגל ההתחלה המועדפת על המשתתפים על ידי דחיפה קלה כנגד גבם של המשתתפים בתנוחה הראשונית בעיניים עצומות כדי לעורר צעד קדימה.
  3. הסבירו למשתתפים שהמשימה שעליהם לבצע היא ליזום הליכה מתנוחת העמידה עם הרגל המועדפת, להמשיך ללכת עד סוף המסלול ואז לחזור בשקט לתנוחת העמידה הראשונית.
    הערה: אם במהלך הניסוי ההליכה אינה יזומה עם הרגל המועדפת שזוהתה בניסוי נתון, חזור על הניסוי.
  4. הסבירו כי יש ליזום הליכה בעקבות שני אותות עוקבים (אקוסטיים, חזותיים או מישושיים): אות הכנה ואות יציאה (ראו שלבים 3.6 ו-3.7).
  5. הסבר את ההוראות על מהירות ולחץ טמפורלי (ראה שלבים 3.8-3.10).
  6. העבירו את האות הראשון (הכנה) למשתתפים. הנחו אותם לעמוד חסרי תנועה ולהימנע מציפייה למערכת העיכול באות ראשון זה.
  7. ספק את האות השני (יציאה) לאחר עיכוב אקראי של 2-5 שניות לאחר אות ההכנה.
    1. ודא שהמשתתפים חסרי תנועה חזותית לפני מסירת אות שני זה. בדוק חוסר תנועה באינטרנט עם חלקות הזמן של anteroposterior או מרכז בינוני של עקירה בלחץ
      הערה: אם הם אינם חסרי תנועה, זיהוי התפרצות APA (שלב 5.1.1) עשוי להיות קשה.
  8. הנחו את המשתתפים ליזום הליכה i) בהקדם האפשרי (כלומר, במצב של זמן תגובה), או ii) רק ברגע שהם מרגישים מוכנים (כלומר, במצב של יוזמה עצמית) לאחר אות היציאה.
  9. לשנות את התנאים של "לחץ טמפורלי" המוטל על GI (כלומר, לחץ טמפורלי נמוך (מצב יזום עצמי) ולחץ טמפורלי גבוה (מצב זמן תגובה)).
  10. לשנות את התנאים של מהירות GI (תנאים איטיים, ספונטניים, מהירים).
    1. כדי להגביל את מספר תנאי הניסוי ובכך למנוע עייפות, הנחו את המשתתפים לבצע רק שני תנאים של מהירות מערכת העיכול (למשל, איטי ומהיר) בתנאי לחץ טמפורלי נמוך או גבוה, או הפוך (כלומר, GI במהירות איטית או מהירה בתנאי לחץ טמפורלי גבוה ונמוך).
      הערה: חזור על ההוראות על לחץ זמני ומהירות מערכת העיכול לעתים קרובות.
  11. הנחו את המשתתפים לבצע סדרה של 10 ניסויים רצופים בכל תנאי ניסוי.
    הערה: סדרה של חמישה ניסויים מספיקה לנבדקים קשישים או לחולי פרקינסון22.
    1. בצעו אקראיות את התנאים של מהירות מערכת העיכול והלחץ הזמני על פני המשתתפים כדי למנוע אפקטים של סדר.
  12. להטיל מנוחה של לפחות 2 דקות בין תנאים רצופים כדי למנוע את ההשפעות של עייפות.
  13. בכל מצב, אפשרו למשתתפים לבצע שני ניסויי היכרות לפני ההקלטות.
  14. הפעל איסוף נתונים מפלטפורמת הכוח מספר שניות לפני תחילת אות ההכנה והפסק לאחר שהמשתתף עזב את פלטפורמת הכוח.

Figure 1
איור 1: מערך ניסוי. המשתתפים עומדים בתחילה על משטח כוח (1) המוטמע במסלול שאורכו לפחות 5 מטרים (2), כאשר המבט מופנה לעבר מטרה בגובה העיניים (3). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

4. עיבוד הקלטות קינטיקה של פלטפורמת כוח

  1. סנן נתונים מפלטפורמת הכוח באמצעות הזמנת Butterworth ללא השהיה עם תדר חיתוך של 15 הרץ.
    1. ייבא את הקובץ.
    2. פתח את Visual3D.
    3. בחר ופתח את הקובץ "פרויקט".
    4. עיבוד
      1. לחץ על צינור או השתמש בקיצור דרך F11.
      2. בחר מסנן אותות.
      3. בחר Lowpass_Filter.
      4. לחץ על ביצוע.
  2. איסוף נתונים מפלטפורמת הכוח בקצב של 100 הרץ.
    1. לחץ על צינור או השתמש בקיצור דרך F11.
    2. בחר שמור קובץ / ייצוא.
    3. בחר Export_Data_To_Acsii_File.
    4. לחץ על ערוך.
    5. הזן 100 בתווית מספר הנקודות לנורמליזציה.
    6. לחץ על ביצוע.
  3. חשב את מקטעי הזמן של מרכז הכובד המיידי לאורך הכיוונים האנטרופוסטריוריים (x''G), הבינוניים (y''G) והאנכיים (z''G) מכוחות התגובה הקרקעית התלת-ממדית המתקבלים עם פלטפורמת הכוח (ראו איור משלים S1) באמצעות החוק השני של ניוטון10,23.
    הערה: על פי החוק השני של ניוטון, סכום הכוחות החיצוניים המופעלים על מערכת שווה למסה של מערכת זו (m) כפול התאוצה של מרכז הכובד שלה. לפיכך, בפרוטוקול GI המתואר במחקר זה, הכוחות החיצוניים היחידים המופעלים על המשתתפים הם משקל הגוף (BW) וכוחות התגובה הקרקעית (R). ניתן לכתוב משוואות (1), (2) ו-(3):
    x''G = Rx / m (1)
    y''G = Ry / m (2)
    z"G = (Rz - BW) / m (3)
    כאשר Rx, Ry, Rz הם המרכיבים האנטרופוסטריים, הבינוניים והאנכיים המיידיים של כוח התגובה הקרקעית הווקטורית, בהתאמה. חלקות אופייניות של x''G, y''G ו-z''G מוצגות באיור 2.
  4. חישוב חלקות הזמן התלת-ממדיות של מהירות מרכז הכובד באמצעות אינטגרציה נומרית פשוטה של חלקות הזמן של מרכז הכובד התלת-ממדי, באמצעות קבועי אינטגרציה השווים לאפס (כלומר, מרכז ראשוני תלת-ממדי של מהירות הכובד נחשב כאפס10). ראו איור 2 עבור חלקות זמן טיפוסיות של מהירות אנטרופוסטרית, בינונית ואנכית של מרכז הכובד (x'G, y'G ו-z'G, בהתאמה).
  5. בצע אינטגרציה נוספת של עלילת הזמן y'G כדי לקבל את התזוזה של מרכז הכובד לאורך הכיוון הבינוני. השתמש בכמות זו כדי לחשב את "שולי היציבות" (ראה שלב 5.3.5.2).
  6. חישוב התזוזה הבינונית (yP) והאנטרופוסטריורית (xP) של מרכז הלחץ מנתוני פלטפורמת הכוח באמצעות משוואות (4) ו-(5):
    Equation 1(4)
    Equation 2(5)
    כאשר Mx ו- My הם הרגעים המיידיים סביב הכיוונים האנטרופוסטריוריים והבינוניים, בהתאמה; Rx, Ry ו-Rz הם כוחות התגובה הקרקעיים האנטרופוסטריים, הבינוניים והאנכיים המיידיים, בהתאמה; ו- dz הוא המרחק בין פני השטח של פלטפורמת הכוח לבין מקורה (המסופק על ידי היצרן). חלקות זמן אופייניות של xP ו-yP מוצגות באיור 2 (ראו גם איור משלים S2).

5. משתנים ניסיוניים

הערה: כל משתנה ניסיוני המתואר להלן חייב להיות מופק מתוך חלקות זמן הניסוי שהתקבלו עבור כל ניסוי.

  1. איתור אירועי התזמון של התחלת ההליכה
    1. הופעת APA
      1. הצג את חלקות הזמן של מרכז תזוזת הלחץ לאורך הכיוונים הבינוניים והאנטרופוסטריורים.
      2. חשב את הערך הממוצע של מרכז זמן הלחץ הבינוני והאנטרופוסטרי במהלך חלון הזמן של 250 אלפיות השנייה שקדם לאות השני שנמסר למשתתפים.
        הערה: ערכים אלה תואמים ל"ערכי הבסיס" של חלקות זמן אלה.
      3. זהה את הרגעים שלאחר האות השני כאשר עקבות תזוזת הלחץ הבינוניים והאנטרופוסטריוריים סוטים 2.5 סטיות תקן מערך הבסיס למשך 50 אלפיות השנייה לפחות.
        הערה: שני רגעים אלה תואמים את הופעת APA לאורך הכיוונים הבינוניים והאנטרופוסטריוריים (t0ML ו- t0AP, בהתאמה; איור 2). שני הרגעים האלה עשויים להיות מזוהים גם כרגעים שבהם חלקות הזמן של מרכז הכובד הבינוני והאנטרופוסטרי מגיעות ל-10% מערך השיא שלהן.
      4. ודא שבמצב זמן התגובה, הופעת APA נעה בין 150 אלפיות השנייה ל-300 אלפיות השנייה (Go). אם לא, חזור על המשפט ועל ההוראות על לחץ זמני.
        הערה: אם הטמפרטורה היא פחות מ-150 אלפיות השנייה, המשתתפים צפו. אם הוא גדול מ-300 אלפיות השנייה, המשתתפים לא היו ממוקדים במשימה.
      5. ודא כי במצב יזם עצמי, את הופעת APA הוא יותר מ 300 ms. אם לא, חזור על הניסוי ועל ההוראות על לחץ זמני כפי שהמשתתפים עשויים ליזום הליכה במצב זמן תגובה.
    2. זמן הנפת עקב
      1. הצג את חלקות הזמן של מרכז הכובד האנכי של מהירות ומרכז אנטרופוסטריור של תזוזת הלחץ.
      2. זהה את הרגע שבו עקבות מרכז הכובד האנכי של מהירות הכובד מגיעים לראשונה כלפי מטה לאחר הופעת APA כזמן היציאה מהעקב המתנדנד24 (איור 2). לחלופין, זהה את הרגע שבו עלילת הזמן של מרכז הלחץ האנטרופוסטרי מראה ירידה מהירה לכיוון קו הבסיס (כלומר, לכיוון הבהונות; איור 2) או הניחו מתג לכף הרגל (כלי זול) בעקב הנדנדה.
    3. נדנדת זמן הבוהן
      1. הצג את חלקות הזמן של מרכז התזוזה הבינוני והאנטרופוסטרי של תזוזת הלחץ ושל המהירות האנטרופוסטרית של מרכז הכובד.
      2. זהה את הרגע שבו מתווה הזמן של מרכז תזוזת הלחץ הבינוני מגיע לרמה ראשונה (מעין) המכוונת לצד כף הרגל היציבה כזמן הנדנדה (איור 2). לחלופין, זהה את ההסטה המיידית שלאחר הנדנדה כאשר מתווה הזמן של מרכז הלחץ האנטרופוסטרי מגיע ל -90% מהערך המרבי לאחור, או הצב מתג רגל בבוהן הנדנדה.
    4. זמן מגע כף רגל מתנדנדת
      1. הצג את חלקות הזמן של המרכז האנטרופוסטרי של תזוזת הלחץ.
      2. זהה את הרגע שבו מרכז הלחץ האנטרופוסטרי מוסט בפתאומיות קדימה (איור 2) כזמן המגע של כף הרגל המתנדנדת. אם נגזרת עלילת זמן זו, זהה את זמן המגע של רגל הנדנדה ברגע שבו עלילת הזמן הנגזרת עולה בחדות מערך הרמה הבסיסי שלה. לחלופין, הניחו מתג לכף הרגל בעקב הנדנדה כדי לזהות את הרגע הזה.
        הערה: ניתן להשתמש בשיטה דומה לזו שתוארה לעיל עבור זיהוי APA (בהתבסס על חישוב של ערך בסיסי ממוצע; שלב 5.1.1.2) כאן.
    5. זמן כיבוי רגליים אחוריות
      1. הצג את עלילת הזמן של המרכז הבינוני של תזוזת הלחץ.
      2. זהה את הרגע שבו עלילת הזמן של המרכז הבינוני של תזוזת הלחץ מגיעה לרמה שנייה (מעין), המכוונת בכיוון ההפוך לראשון (שלב 5.1.3.2; איור 2), זמן הכיבוי האחורי25. לחלופין, הנח מתג רגל מאחור כדי לזהות את הרגע הזה.
  2. חישוב משתנים זמניים
    1. חשב את ההשהיה בין הופעת APA (t0ML ו- t0AP) לבין זמן ההנעה של עקב ההנעה (tHO) עבור הכיוונים הבינוניים והאנטרופוסטריורים, התואמים את משך הזמן של APA לאורך הכיוונים הבינוניים (dAPAML) והאנטרופוסטריורים (dAPAAP). ראו משוואות (6) ו-(7).
      dAPAML = tHO - t0ML (6)
      dAPAAP = tHO - t0AP (7)
    2. חשב את ההשהיה בין זמן הנדנדה (tTO) לבין זמן הנדנדה (tHO), המתאים למשך "שלב פריקה" (UNLd; איור 2) באמצעות משוואה (8).
      UNLd = tTO - tHO (8)
    3. חשב את ההשהיה בין זמן הנדנדה (tTO) לבין מגע רגל מתנדנדת (tFC), התואמת את משך "שלב הנדנדה" (SWINGd; איור 2) באמצעות משוואה (9).
      SWINGd = tFC - tTO (9)
  3. חישוב משתנים מרחביים
    1. מיקום התחלתי של מרכז הלחץ
      1. הצג את חלקות הזמן של מרכז תזוזת הלחץ לאורך הכיוונים הבינוניים והאנטרופוסטריורים.
      2. חשב את הערכים הממוצעים של עמדות הלחץ הבינוניות (yP0) והאנטרופוסטריור (xP0) במהלך חלון הזמן של 250 אלפיות השנייה שקדמה לאות השני (היציאה) המועבר למשתתפים, המייצגים את מיקום מרכז הלחץ בתנוחה הראשונית (או ערך "בסיס").
        הערה: המאפיינים המרחביים-טמפורליים של APA שתוארו לעיל רגישים למיקום מרכז הלחץ בתנוחה הראשונית26. לפיכך, חשוב לבדוק כי כל שינוי בתכונות ה-APA בין תנאי ניסוי (למשל, מצב עם מכשול לניקוי לעומת מצב ללא מכשול ברור) או בין אוכלוסיות ניסוי (למשל, משתתפים בריאים לעומת משתתפים נוירולוגיים) אינו יכול להיות מיוחס לשינוי "פשוט" בתנוחת מרכז הלחץ בתנוחה הראשונית, אלא לגורם הנחקר.
    2. משרעת של APA
      1. הצג את חלקות הזמן של מרכז תזוזת הלחץ ומהירות מרכז הכובד לאורך הכיוונים הבינוניים והאנטרופוסטריורים.
      2. זהה את הרגע שבו כל אחת מארבע חלקות הזמן האלה מגיעה לערך מרבי במהלך חלון הזמן של APA (איור 2).
      3. הפחת את המרכז הממוצע של ערך הבסיס של הלחץ המחושב בשלב 5.3.1.2 (כלומר, ערכי xP0 ו- yP0) מהמרכז המרבי של ערך הלחץ שזוהה במהלך חלון הזמן APA (עבור כל כיוון; כלומר, חישוב באמצעות משוואות (10) ו- (11)).
        xPAPA = xPMAX - xP0 (10)
        yPAPA = yPMAX - yP0 (11)
        כאשר xPAPA ו- yPAPA הם המשרעת של APA (מרכז הלחץ) לאורך הכיוונים האנטרופוסטריוריים והבינוניים, בהתאמה; xPMAX ו- yPMAX הם מרכז הציפייה המרבי של תזוזת לחץ לאורך הכיוונים האנטרופוסטריור והבינוני, בהתאמה.
        הערה: אין צורך בחיסור בסיסי כזה עבור מהירות מרכז הכובד מכיוון שנחשב שהמשתתפים אינם ניידים בתחילה (מרכז המהירות הראשוני של הכובד הוא לפיכך ריק; ראה שלב 4.4). ארבעת הערכים המתקבלים מייצגים את המשרעת של APA (שני ערכים לכל כיוון).
    3. אורך צעד ורוחב צעד
      1. הצג את תרשים הזמן של מרכז תזוזת הלחץ לאורך הכיוון האנטרופוסטרי.
      2. זהה את המיקום האחורי ביותר של מיקום מרכז הלחץ, xPBACK.
      3. זהה את מיקום מרכז הלחץ בזמן כיבוי הרגליים האחורי, xPRFO (איור 2 ושלב 5.1.5).
      4. חישוב ההפרש המרחבי בין שתי כמויות אלה, המתאים לאורך צעד, L41, באמצעות משוואה (12).
        L = xPBACK - Xprfo (12)
      5. הצג את תרשים הזמן של מרכז תזוזת הלחץ לאורך הכיוון הבינוני.
      6. זהה את המיקום הרוחבי ביותר של מיקום מרכז הלחץ הבינוני המתקבל במהלך הרמה הראשונה של עלילת הזמן, yPSTANCE ("עמדה", מכיוון שמרכז הלחץ ממוקם מתחת לכף הרגל של העמדה באותו זמן; ראו איור 2).
      7. זהה את מרכז הלחץ הצדדי בזמן היציאה האחורית, yPRFO (איור 2 ושלב 5.1.5).
      8. חישוב ההפרש המרחבי בין שתי כמויות אלה, המתאים לרוחב הצעד, W25, באמצעות משוואה (13).
        W = yPSTANCE - yPRFO (13)
    4. ביצוע התחלת הליכה
      1. הציגו את מתווה הזמן של מהירות מרכז הכובד לאורך הכיוון האנטרופוסטרי (איור 2).
      2. זהה את הרגע שבו המשתתפים מכים בפלטפורמת הכוח עם רגל הנדנדה (שלב 5.1.4, איור 2) וציין את מהירות מרכז הכובד ברגע זה כקריטריון לביצועי מערכת העיכול.
        הערה: ערך השיא של עלילת זמן זו, אשר מגיע כמה אלפיות השנייה לאחר מגע רגל מתנדנדת, יכול להיחשב גם כקריטריון של ביצועי GI. אורך הצעד ומשך שלב הנדנדה יכולים להיחשב גם כקריטריונים לביצועי GI. ככל שהכמויות הללו ארוכות וקצרות יותר, בהתאמה, כך הביצועים טובים יותר.
    5. פרמטרים של בקרת יציבות
      1. עבור אינדקס בלימה, הצג את תרשים הזמן של מהירות מרכז הכובד לאורך הכיוון האנכי. זהה את שיא המהירות כלפי מטה של מרכז הכובד של עלילת הזמן (z'GMIN) ואת מהירות מרכז הכובד בזמן המגע של כף הרגל המתנדנדת (z'GFC, איור 2). חישוב ההפרש בין שתי כמויות אלה, המכונה "מדד הבלימה" (BI), כאינדיקטור לבקרת יציבות, באמצעות משוואה (14).
        BI = Equation 3 (14)
        הערה: ה- BI הוצג על ידי Do ועמיתיו ומספק ראיות לכך שמערכת העצבים המרכזית צופה את שביתת כף הרגל המתנדנדת עם משטח התמיכה על ידי הקטנת מרכז הכובד האנכי של מהירות במהלך שלב הנדנדה של התחלת ההליכה 4,5,27. בלימה אקטיבית זו מאפשרת שמירה על יציבות לאחר פגיעה בכף הרגל. ככל שה- BI גדול יותר, כך בקרת היציבות טובה יותר.
      2. עבור שולי היציבות, הצג את חלקות הזמן של מהירות מרכז הכובד והתזוזה לאורך הכיוון הבינוני. זהה את המהירות (y'GFC) ואת התזוזה של מרכז הכובד (yGFC) בזמן המגע של רגל מתנדנדת (איור 2). חישוב הרכיב הבינוני של שולי היציבות (MOS) במגע רגלי באמצעות משוואה (15).
        Equation 4(15)
        כאשר BOSmax הוא הגבול הבינוני של בסיס התמיכה (BOS) ו- ω0 הוא ה- eigenfrequency של הגוף, המעוצב כמטוטלת הפוכה. במהלך GI, המשתתפים נוחתים באופן שיטתי על פלטפורמת הכוח תחילה עם עקב הנדנדה, ולאחר מכן עם הבוהן. תחת אסטרטגיית נחיתת רגל כזו, ניתן להעריך את ה- BOSmax עם מיקום מרכז הלחץ הבינוני בזמן כיבוי הרגל האחורית (שלב 5.1.5). ניתן לחשב את התדירות של הגוף באמצעות משוואה (16).
        Equation 5(16)
        כאשר g = 9.81 m/s² הוא תאוצת הכבידה ו- l הוא אורך המטוטלת ההפוכה, המתאימה ל -57.5% מגובה הגוף.
        הערה: הכמות בסוגריים במשוואה (15) נקראת "מרכז אקסטרפולציה של מסה"18. מצב היציבות במגע כף הרגל מרמז כי מרכז המסה האקסטרפולטיבי ממוקם בבסיס התמיכה. מצב זה מתאים לערך MOS חיובי. אם ה- MOS שלילי, נדרשות התאמות יציבה מתקנות כדי לשחזר את האיזון.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

תיאור חלקות זמן ביומכניות מייצגות המתקבלות מפלטפורמת הכוח במהלך התחלת ההליכה
לא משנה מה רמת הלחץ הזמני או ההוראה על מהירות GI, להניף את העקב מקדים באופן שיטתי APA. ניתן לאפיין את ה-APA הזה בהסטת צד לאחור וברגל מתנדנדת של מרכז הלחץ (איור 2). הסטת לחץ צפויה זו מקדמת את ההאצה של מרכז הכובד בכיוון ההפוך (כלומר, קדימה ולצד הרגל העמדה). לאורך הכיוון האנטרופוסטריור, מהירות מרכז הכובד עולה בהדרגה לשיא זמן קצר לאחר מגע כף הרגל המתנדנדת. לאורך הכיוון הבינוני, מרכז המהירות של מהירות הכובד מגיע לשיאו תחילה לכיוון צד רגל העמידה סביב הבוהן המתנדנדת, ואז מגיע לשיאו לכיוון צד הרגל המתנדנדת זמן קצר לאחר מגע כף הרגל. לאורך הכיוון האנכי, מרכז המהירות של הכובד מגיע לשיאו כלפי מטה בסביבות אמצע העמידה. לאחר מכן הוא הופך כיוון ומגיע לערך הקרוב לאפס במגע סביב כף הרגל.

Figure 2
איור 2: חלקות זמן ביומכניות מייצגות המתקבלות מפלטפורמת הכוח במהלך התחלת ההליכה (ניסוי אחד בודד) ומשתנים מרחביים-טמפורליים נבחרים. ההליכה החלה במהירות במצב של זמן תגובה. X''G, y''G, z''G: האצה של מרכז הכובד לאורך הכיוונים האנטרופוסטריור, הבינוני והאנכי, בהתאמה. X'G, y'G, z'G: מהירות מרכז הכובד לאורך הכיוונים האנטרופוסטריור, הבינוני והאנכי, בהתאמה. xP, yP: עקירה של מרכז הלחץ לאורך הכיוונים האנטרופוסטריור והבינוני, בהתאמה. תזמון אירועים. t0ML, t0AP, tHO, tTO, tFC, tRFO: התפרצות של APA לאורך הכיוונים הבינוניים והאנטרופוסטריורים, זמן הנדנדה-אוף, זמן הנדנדה, זמן מגע כף הרגל המתנדנדת, וזמן כיבוי הרגל האחורית, בהתאמה. משתנים זמניים. APA, UNL, SWING: חלונות זמן עבור APA, שלב פריקה ושלב נדנדה של התחלת הליכה, בהתאמה. משתנים מרחביים. X'GFO, x'GFC, xPMAX, yPMAX, L, W, z'GMIN, z'GFC: מהירות אנטרופוסטריורית של מרכז הכובד ב-foot-off ו-foot-contact, מרכז ציפייה מקסימלי של תזוזת לחץ לאורך הכיוונים האנטרופוסטריוריים והבינוניים, אורך הצעד, רוחב הצעד, שיא מרכז הכובד כלפי מטה של מהירות הכובד בזמן המגע של כף הרגל המתנדנדת, בהתאמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

ערכים מייצגים של משתני ניסוי במבוגרים צעירים ובריאים: השפעת מהירות ולחץ טמפורלי

משתנים זמניים

משך APA
משך הזמן של APA לאורך הכיוונים האנטרופוסטריור והבינוניים תלוי במהירות של GI אך באופן הפוך. באופן ספציפי יותר, משך APA לאורך כיוון האנטרופוסטריור גדל עם מהירות מערכת העיכול, עם ערכים אופייניים הנעים בין ~500 אלפיות השנייה עבור GI איטי, ו~700 אלפיות השנייה עבור GI9 מהיר. לעומת זאת, משך ה-APA לאורך הכיוון הבינוני פוחת עם מהירות מערכת העיכול. הערכים האופייניים נעים בין ~700 אלפיות השנייה עבור GI איטי ו- ~500 אלפיות השנייה עבור GI21 מהיר.

משך הזמן של APA אנטרופוסטריור ובינוני תלוי גם בלחץ הטמפורלי (הערכים שסופקו לעיל הם עבור תנאי ביוזמה עצמית (כלומר, מצב עם רמת לחץ טמפורלית נמוכה). מחקרים בספרות משווים בדרך כלל משך APA במצב עם לחץ טמפורלי נמוך לעומת גבוה, כאשר ההליכה מתחילה במצב מהיר 1,28. בתנאים אלה, משך הזמן של APA אנטרופוסטריור ובינוני יורד בכ 20-30 אלפיות השנייה במצב זמן התגובה בהשוואה למצב שיזם עצמי.

משך שלב הפריקה
משך שלב הפריקה תלוי במהירות של GI (כלומר, הוא פוחת כאשר מהירות GI עולה). משכי זמן אופייניים נעים בין ~200 אלפיות השנייה עבור GI איטי ו~ 70 אלפיות השנייה עבור GI21 מהיר. משך שלב הפריקה אינו רגיש ללחץ זמני, לפחות כאשר ההליכה מתחילה במצב מהיר29.

משך שלב הנדנדה
משך פאזה הנדנדה תלוי במהירות של GI (כלומר, היא פוחתת כאשר המהירות עולה). משכי זמן אופייניים נעים בין ~500 אלפיות השנייה עבור GI איטי ו~ 300 אלפיות השנייה עבור GI21 מהיר. לעומת זאת, משך זה אינו רגיש ללחץ זמני, לפחות כאשר ההליכה מתחילה במצב מהיר29.

משתנים מרחביים

משרעת של APA
המשרעת של APA תלויה במהירות של GI. באופן ספציפי יותר, במצב של יוזמה עצמית, המשרעת של APA לאורך הכיוון האנטרופוסטריורי עולה כאשר מהירות ה- GI עולה9. ערכי APA טיפוסיים נעים בין ~7 ס"מ ל-~0.15 מ'/ש' (עבור המרכז הצפוי של תזוזת הלחץ ומהירות מרכז הכובד, בהתאמה) עבור GI איטי, ו-~13 ס"מ ו-~0.36 מ'/ש' עבור GI מהיר. המשרעת של APA לאורך הכיוון הבינוני, במונחים של מרכז תזוזת הלחץ, עולה גם עם המהירות של GI21. ערכים אופייניים נעים בין ~3 ס"מ עבור GI איטי ו~ 4 ס"מ עבור GI מהיר. לעומת זאת, המהירות המרבית של מרכז הכובד שהושגה במהלך APA (כיוון בינוני) אינה משתנה עם מהירות ה-GI. ערכים אופייניים הם ~ 0.13 m/s. המשרעת של APA רגישה גם ללחץ זמני, לפחות כאשר ההליכה מופעלת במהירות28,29. באופן ספציפי יותר, הן המרכיבים האנטרופוסטריוריים והן המדיולטרליים של APA גדלים עם לחץ זמני.

אורך צעד ורוחב צעד
אורך הצעד ורוחב הצעד תלויים שניהם במהירות מערכת העיכול אך לא בלחץ הזמני. אורך הצעד מגיע בדרך כלל ל~50 ס"מ ו~90 ס"מ כאשר ההליכה מופעלת במצב איטי ומהיר,בהתאמה 23. רוחב הצעד מגיע בדרך כלל ל~12 ס"מ ו~14 ס"מ כאשר ההליכה מופעלת במצב GI איטי ומהיר,בהתאמה 9.

ביצוע התחלת הליכה
שיא מהירות מרכז הכובד נע בדרך כלל בין ~1 מטר לשנייה עבור GI איטי ו~ 2 m/s עבור GI10 מהיר. עבור GI מהיר, לחץ טמפורלי אינו משפיע על פרמטר ביצועים זה29, אם כי הוא עשוי לגרום לשינוי קטן (~ 9%)28.

פרמטרים של בקרת יציבות

מדד בלימה
ה- BI רגיש למהירות של GI. כאשר ההליכה מופעלת במצב איטי עם אורך צעד פחות מ ~ 43 ס"מ, ה- BI הוא ריק מכיוון שאין צורך לבלום את נפילת מרכז הכובד. הצורך לבלום את מרכז הכובד מתרחש באורכי צעדים הגדולים מ-43 ס"מ. ערך אופייני של BI הוא 0.08 m/s עבור הליכה יזומה ב 1 m/s עם אורך צעד של 55 ס"מ27.

שולי יציבות
ה-MOS אינו רגיש למהירות של GI או ללחץ טמפורלי21,30. ערכי MOS טיפוסיים המתקבלים במהלך GI הם ~ 5 ס"מ21.

איור משלים S1: צילומי מסך של התוכנה (Qualisys Track Manager) המציגים כוחות תגובת קרקע תלת-ממדיים במהלך התחלת הליכה. משמאל, ציר פלטפורמת הכוח, מיקום מרכז הלחץ (המתאים לנקודת היישום של וקטור כוח תגובת הקרקע), ווקטור כוח תגובת הקרקע בתנוחה הראשונית; נכון, מהלך הזמן של כוחות התגובה הקרקעית התלת-ממדית הגולמית במהלך התחלת ההליכה (משתתף אחד, ניסוי אחד). עקבות ירוקים, אדומים וכחולים מייצגים את כוח התגובה הקרקעית לאורך הכיוון האנטרופוסטרי, הבינוני והאנכי, בהתאמה. אורדינאט: משרעת כוח בניוטונים. אבסיסה: זמן בטרשת נפוצה. המשתתפים עמדו בתחילה בצד שמאל של פלטפורמת הכוח ויזמו הליכה לצד ימין. שים לב שהמשתתף עזב את פלטפורמת הכוח בזמן t = 3,200 ms. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים S2: צילומי מסך של התוכנה (Qualisys Track Manager) המציגים את המרכז הגולמי של עקבות תזוזת לחץ. משמאל, ציר פלטפורמת הכוח, מרכז מיקום הלחץ (המתאים לנקודת היישום של וקטור כוח התגובה הקרקעית), ווקטור כוח הפעולה המופעל על ידי המשתתף על פלטפורמת הכוח בתנוחה הראשונית; נכון, מהלך הזמן של המרכז הגולמי של עקירה בלחץ עקבות (משתתף אחד, משפט אחד). עקבות ירוקים ואדומים מייצגים את מרכז תזוזת הלחץ לאורך הכיוון האנטרופוסטריור והבינוני, בהתאמה. Ordinate: עקירה במילימטרים. אבסיסה: זמן בטרשת נפוצה. המשתתפים עמדו בתחילה בצד שמאל של פלטפורמת הכוח ויזמו הליכה לצד ימין. שים לב שהמשתתף עזב את פלטפורמת הכוח בזמן t = 3,200 ms. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

מטרת מאמר זה הייתה לספק לחוקרים, קלינאים וסטודנטים להשכלה גבוהה מידע על השיטה (השיטה ה"גלובלית") המשמשת במעבדה שלנו לחקר הארגון הביומכני של ייזום הליכה (GI). השלבים הקריטיים של הפרוטוקול, מגבלות השיטה ושיטות ויישומים חלופיים נדונים להלן.

שלב קריטי בפרוטוקול הוא זיהוי אירועי התזמון של GI (כלומר, התפרצות APA, הנעה של העקב והבוהן, והרגל האחורית). הערכים של המשתנים הזמניים והמרחביים הקשורים לארגון מערכת העיכול תלויים בזיהוי הנכון של אירועים אלה. עבור כל אחד מהם הוצעו מספר שיטות זיהוי (שיטות מוצעות אלה אינן ממצות). מומלץ להשתמש באותה שיטה לאורך כל ניתוח הנתונים כדי להבטיח עקביות בין ניסויים ותנאי ניסוי ולאפשר השוואה בין מחקרים בספרות. עם זאת, מומלץ גם להשתמש לפחות בשתי שיטות שונות כדי להבטיח שאירועי התזמון הנכון מזוהים כראוי (רק הבדלים קלים בערכי התכונות הטמפורליות צפויים בין שיטות אלה). יתר על כן, עבור כל אירוע תזמון, ניתן להחיל זיהוי אוטומטי (למשל, עם שגרת MATLAB). ניתן לתכנת שגרה זו בקלות באמצעות השיטות המפורטות במאמר זה. מומלץ מאוד לבדוק באופן חזותי את הקוהרנטיות ואת "האמינות" של הנתונים המתקבלים באופן אוטומטי עם שגרות אלה. לדוגמה, המשרעת של מרכז ציפייה של עקירה בלחץ לא יעלה על הבסיס של גודל התמיכה. הוא צפוי להיות מופנה לאחור ולכיוון צד הרגל המתנדנדת (למעט אוכלוסיות ניסוי ספציפיות); זמן הנדנדה צפוי להתרחש לאחר הנדנדה של העקב; התפרצות APA לא אמורה להתרחש מוקדם יותר מ-150 אלפיות השנייה לפני אות היציאה או 300 אלפיות השנייה לאחר מכן (במצב של זמן תגובה). במילים אחרות, הוא האמין כי זיהוי אוטומטי לבדו אינו מספיק כדי לנתח כראוי "בבטחה" את הנתונים; חיוני להכיר לעומק א) את מהלך הזמן הגלובלי של החלקות הביומכניות הצפויות מפלטפורמת הכוח ו- 2) את הערכים האופייניים המצופים ממשתתפים בריאים. אנו מאמינים כי בנוסף ליכולת לתכנת שגרות אוטומטיות, ידע זה הוא בעל ערך דידקטי רב לסטודנטים להשכלה גבוהה בביומכניקה. זו הסיבה ששני אלמנטים אלה מסופקים במאמר זה.

ידוע כי לשיטה "הגלובלית" יש לפחות שתי מגבלות. ראשית, שיטה זו אינה מספקת נתונים על היציבה הראשונית של המשתתפים (כלומר, על המיקום היחסי של מקטעי הגוף) אלא מספקת נתונים על מרכז הלחץ הראשוני ומיקום מרכז הכובד (שהמיקום היחסי שלו קובע את מצב האיזון). ניתן באופן תיאורטי להגיע לאותו מרכז לחץ ראשוני ומיקום מרכז כובד עם מספר אינסופי של תנוחות. במילים אחרות, תנאי היציבה הראשוניים שבהם המשתתפים יוזמים הליכה עשויים שלא להיות נשלטים באופן מלא בשיטה הגלובלית. לפיכך, בדיקה חזותית של היציבה הראשונית של המשתתפים על ידי חוקר או קלינאי שנוסה חשובה אם לא ניתן לתעד את המיקום היחסי של מקטעי הגוף (למשל, באמצעות מצלמה). שנית, השיטה אינה מספקת מידע על תרומתה של כל תאוצת מקטע גוף (או תאוצות "מקומיות") למרכז התאוצה של כל הגוף. מכאן שבאופן תיאורטי ייתכן שהתאוצה של מקטעי גוף מסוימים תפוצה על ידי האטה של כמה מקטעי גוף מרוחקים, וכתוצאה מכך מרכז תאוצה של כל הגוף במהלך APA31. לפיכך, השימוש במדי תאוצה הממוקמים על פני מספר מקטעי גוף (למשל, תא מטען, ירכיים, רגליים) עשוי להיות רלוונטי להשלמת נתוני פלטפורמת הכוח.

שיטה חלופית ופופולרית לחישוב מרכז הכובד של כל הגוף במהלך GI היא השיטה הקינמטית , המבוססת על הקלטות באמצעות מערכת לכידת תנועה של סמנים מחזירי אור המודבקים למקטעי מפרקים של כל הגוף. האותות המסופקים על ידי סמנים מחזירי אור אלה מאפשרים את הבנייה מחדש של השלד של כל הגוף. בהתבסס על גודלו של כל מקטע גוף ששוחזר ומידע המסופק על ידי טבלאות אנתרופומטריות (למשל, מסה וצפיפות של עצמות), ניתן לחשב את המיקום התלת-ממדי של מרכז הכובד של כל מקטע באמצעות תוכנת המצלמה. בעזרת נתונים אלה ניתן לחשב את המיקום התלת-ממדי של מרכז הכובד של כל הגוף. עם נגזרת עוקבת של אות המיקום, ניתן לקבל את המהירות והתאוצה של מרכז הכובד של כל הגוף. כדי לחשב את הקינמטיקה של מרכז הכובד של כל הגוף, נדרשים 53 סמנים מחזירי אור32. עם זאת, מודל פשוט עם 13 סמנים הוצע לאחרונה על ידי Tisserand et al.33.

היתרונות של השיטה העולמית (אשר ניתן להטמיע בשיטה קינטית שכן היא מבוססת על רישום של כוחות ורגעים) על פני השיטה הקינמטית לחקור את הארגון היציבתי של GI הם כדלקמן: 1) זה לא דורש הכנה של המשתתפים, ובכך לחסוך זמן, אשר חשוב במיוחד במקרים של חולים חלשים או פתולוגיים המשתתפים בניסוי; 2) היא נמנעת מטעויות פוטנציאליות בחישוב מרכז הכובד של כל הגוף עקב טעויות קטנות מצטברות במיקום הסמנים שנעשו על ידי הנסיין, שכן השיטה העולמית מספקת מדידה ישירה של כמות זו; 3) לא ניתן לחשב את מיקום מרכז הלחץ באמצעות מערכות לכידת תנועה. החיסרון העיקרי של השיטה העולמית על פני השיטה הקינמטית הועלה לעיל - הוא אינו מאפשר חקירה של יציבה או תיאום סגמנטלי.

כעת, ראוי לציין כי תוצאות מהספרות הנוכחית מצביעות על כך ששתי השיטות מספקות מידה מקבילה של קינמטיקה של מרכז הכובד ותזמון אירועים במהלך משימות לוקומוטור. לדוגמה, Langeard et al.34 דיווחו כי הערכת מרכז הכובד של בלימה ("מדד הבלימה" (BI)) באמצעות השיטה הגלובלית או השיטה הקינמטית במהלך GI הייתה אמינה ביותר. במהלך תגובות דריכה מפצות, מאקי ומקילרוי35 דיווחו כי המהירות האנטרופוסטרית והתזוזה של מרכז הכובד שחושב במגע כף הרגל עם שתי השיטות סיפקו הסכמה טובה למדי הן במבוגרים צעירים בריאים והן בקשישים. באופן דומה, במהלך הליכה ישרה על קרקע מישורית אצל אנשים עם קטיעה טרנספמורלית, Lansade et al.36 הראו כי הערכת מהירות מרכז הכובד משילוב נתוני פלטפורמת הכוח הייתה מקובלת. לבסוף, Caderby et al.24 ו- Yiou et al.25 הראו כי שתי שיטות אלה סיפקו הערכה דומה של עקב מתנדנד מחוץ לאירוע ואורך / רוחב צעד, בהתאמה, במהלך GI.

השיטה הגלובלית יושמה בתחילה על פרדיגמת מערכת העיכול במבוגרים צעירים ובריאים כדי לקבל ידע בסיסי על שליטה יציבה נורמלית במהלך משימה מוטורית פונקציונלית הדורשת הנעה בו זמנית של כל הגוף ושמירה על יציבות10. מאז הוא הורחב באופן נרחב כדי לחקור משימות מוטוריות דינמיות רבות אחרות של כל הגוף, כגון ריצה בגידור37, קפיצה 38, ישיבה לעמידה39 וכיפוף גפיים תחתונות40. ראוי להזכיר כי השיטה יושמה גם כדי לחקור שליטה יציבה במהלך סיום משימות מוטוריות שונות, כולל צעד יחיד41 והצבעה 42, וניתן ליישם אותה כדי לחקור סיום הליכה כפי שנעשה בעבר בשיטה הקינמטית43. לבסוף, השיטה נמצאת בשימוש נרחב גם בחולים עם מצבים נוירולוגיים ובקשישים כדי להבין טוב יותר את המנגנונים הפתופסיכופיזיולוגיים המשפיעים על שליטה דינמית ביציבה 2,3,4,5, ולאחרונה, בחולים עם מחלת פרקינסון כדי לבחון את היעילות של התערבויות לא פרמקולוגיות שונות (כגון מתיחת קרסול44 וגירוי חשמלי תפקודי 3 ) בהגברת השליטה ביציבה.

לסיכום, מאמר זה הציג שיטה מפורטת שנועדה לחקור בקרת יציבה במהלך התחלת הליכה. עבור כל משתנה ניתנו ערכים נורמטיביים שהתקבלו במבוגרים צעירים ובריאים. לשיטה יש רקע ביומכני חזק, שכן היא מבוססת על חוקי המכניקה כדי לחשב את הקינמטיקה של מרכז הכובד ומרכז הלחץ. ניתוח האינטראקציה בין שתי נקודות וירטואליות אלה הוא נקודת מפתח בשיטה זו, שכן היא קובעת את תנאי היציבות ואת התקדמות הגוף כולו. מכיוון שהביצועים של רוב המטלות המוטוריות היומיומיות שלנו (כולל ספורט ועבודה) דורשים התקדמות בטוחה (יציבה) של כל הגוף, השיטה מתאימה מאוד כדי לקבל תובנה לגבי המנגנונים הפוסטורו-דינמיים העומדים בבסיס יעילות/מחסור מוטורי באוכלוסיות בריאות ופתולוגיות כאחד. לכן יש לו יישומים חזקים במדע התנועה האנושית, במדע הספורט, בארגונומיה ובמדע הקליני.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין אינטרסים מתחרים.

Acknowledgments

המחברים רוצים להודות ל-ANRT ול-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

מדעי המוח גיליון 185
ארגון יציבתי של התחלת הליכה לניתוח ביומכני באמצעות הקלטות פלטפורמת כוח
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