Summary
Questo articolo descrive il materiale e il metodo sviluppato per studiare l'organizzazione posturale dell'iniziazione dell'andatura. Il metodo si basa sulle registrazioni della piattaforma di forza e sul principio diretto della meccanica per calcolare la cinematica del centro di gravità e del centro di pressione.
Abstract
L'iniziazione dell'andatura (GI), la fase transitoria tra la postura ortograda e la locomozione stazionaria, è un compito funzionale e un paradigma sperimentale che viene classicamente utilizzato in letteratura per ottenere informazioni sui meccanismi posturali di base alla base del movimento del corpo e del controllo dell'equilibrio. Lo studio della GI ha anche contribuito a una migliore comprensione della fisiopatologia dei disturbi posturali nei partecipanti anziani e neurologici (ad esempio, pazienti con malattia di Parkinson). Come tale, è riconosciuto per avere importanti implicazioni cliniche, soprattutto in termini di prevenzione delle cadute.
Questo articolo mira a fornire a studiosi, clinici e studenti di istruzione superiore informazioni sul materiale e sul metodo sviluppato per studiare l'organizzazione posturale gastrointestinale attraverso un approccio biomeccanico. Il metodo si basa sulle registrazioni della piattaforma di forza e sul principio diretto della meccanica per calcolare la cinematica del centro di gravità e del centro di pressione. L'interazione tra questi due punti virtuali è un elemento chiave in questo metodo poiché determina le condizioni di stabilità e progressione di tutto il corpo. Il protocollo prevede che il partecipante stia inizialmente immobile in posizione eretta e inizi a camminare fino alla fine di un percorso di almeno 5 m.
Si raccomanda di variare la velocità GI (lenta, spontanea, veloce) e il livello di pressione temporale - l'andatura può essere iniziata il più presto possibile dopo la consegna di un segnale di partenza (alto livello di pressione temporale) o quando il partecipante si sente pronto (basso livello di pressione temporale). I parametri biomeccanici ottenuti con questo metodo (ad esempio, durata e ampiezza degli aggiustamenti posturali anticipatori, lunghezza/larghezza del passo, prestazioni e stabilità) sono definiti e il loro metodo di calcolo è dettagliato. Inoltre, vengono forniti valori tipici ottenuti in giovani adulti sani. Infine, vengono discussi i passaggi critici, i limiti e il significato del metodo rispetto al metodo alternativo (sistema di motion capture).
Introduction
L'iniziazione dell'andatura (GI), la fase transitoria tra la postura ortograda e la locomozione stazionaria, è un compito funzionale e un paradigma sperimentale che viene classicamente utilizzato in letteratura per studiare il controllo posturale durante un compito motorio complesso che richiede la propulsione e la stabilità simultanee di tutto il corpo1. I pazienti con condizioni neurologiche, come il morbo di Parkinson2, l'ictus3, la paralisi sopranucleare progressiva4 e i "disturbi dell'andatura di livello superiore"5, sono noti per avere difficoltà a iniziare l'andatura, il che li espone ad un aumentato rischio di caduta. È quindi importante sia per le scienze di base che per quelle cliniche sviluppare concetti e metodi per comprendere i meccanismi di controllo posturale in gioco durante l'iniziazione del cammino, acquisire conoscenze scientifiche e una migliore comprensione della fisiopatologia dei disturbi dell'andatura e dell'equilibrio ed essere in grado di porvi rimedio attraverso interventi adeguati.
Il concetto di organizzazione biomeccanica dell'iniziazione dell'andatura è descritto di seguito e il metodo classico progettato per indagare questa organizzazione è dettagliato nella sezione del protocollo. L'IG può essere suddiviso in tre fasi successive: la fase di "aggiustamenti posturali anticipatori" (APA) corrispondente ai fenomeni dinamici che si verificano in tutto il corpo prima dello swing heel-off, la fase di "scarico" (tra swing heel-off e toe-off) e la fase di "swing" che termina al momento del contatto del piede oscillante con il piano di appoggio. Questa suddivisione classica del processo gastrointestinale ha origine dagli studi pionieristici di Belenkii et al.6 e altri7,8, concentrandosi sulla coordinazione tra postura e movimento durante il sollevamento volontario del braccio in orizzontale nella postura eretta. In questo paradigma, i segmenti corporei che sono direttamente coinvolti nel sollevamento del braccio corrispondono alla catena "focale", mentre i segmenti corporei che si interpongono tra la parte prossimale della catena focale e la superficie di appoggio corrispondono alla catena "posturale"9. Questi autori hanno riferito che il sollevamento del braccio è stato sistematicamente preceduto da fenomeni dinamici ed elettromiografici nella catena posturale, che hanno chiamato "aggiustamenti posturali anticipatori". Per GI, lo swing heel-off (o swing toe-off, a seconda degli autori) è considerato come l'inizio del movimento dell'andatura10. Di conseguenza, i fenomeni dinamici che si verificano prima di questo istante corrispondono all'APA e l'arto oscillante è considerato un componente della catena focale11. Questa affermazione è in accordo con la concezione classica dell'organizzazione biomeccanica del movimento, secondo la quale ogni atto motorio deve coinvolgere una componente focale e una posturale12,13.
Da un punto di vista biomeccanico, l'APA associato a GI si manifesta come uno spostamento all'indietro e mediolaterale (orientato lateralmente alla gamba oscillante) del centro di pressione, che agisce per spingere il centro di gravità nella direzione opposta - in avanti e verso il lato della gamba della posizione. Maggiore è il centro di spostamento anticipatorio all'indietro della pressione, maggiori sono le prestazioni del motore in termini di velocità del baricentro in avanti al contatto con il piede10,14. Inoltre, spingendo il baricentro verso il lato della gamba in posizione, gli APA contribuiscono a mantenere la stabilità mediolaterale durante la fase di oscillazione di GI 1,15,16,17. La letteratura attuale sottolinea che l'alterazione di questo controllo anticipatorio della stabilità è una delle principali fonti di cadute negli anziani1. La stabilità durante GI è stata quantificata in letteratura con un adattamento del "margine di stabilità"18, una quantità che tiene conto sia della velocità che della posizione del baricentro all'interno della base di appoggio. Oltre allo sviluppo dell'APA, è stato riportato che la caduta del centro di gravità durante la fase di oscillazione del GI sotto l'effetto della gravità è attivamente frenata dai tricipiti della gamba in posizione. Questa frenata attiva facilita il mantenimento della stabilità dopo il contatto con il piede, consentendo un atterraggio regolare del piede sulla superficie di appoggio4.
L'obiettivo di questo lavoro è quello di fornire a studiosi, clinici e studenti di istruzione superiore informazioni sul materiale e sul metodo sviluppato nel nostro laboratorio per studiare l'organizzazione posturale del GI attraverso un approccio biomeccanico. Questo metodo "globale" (che può anche essere assimilato a un metodo "cinetico" per le ragioni descritte di seguito) è stato iniziato da Brenière e collaboratori10,19. Si basa sul principio diretto della meccanica per calcolare sia l'accelerazione del centro di gravità, sia le posizioni istantanee del centro di pressione. Ognuno di questi punti è un'espressione globale specifica del movimento.
Uno è l'espressione istantanea dei movimenti di tutti i segmenti del corpo relativi allo scopo del movimento (il centro di gravità; ad esempio, la velocità di progressione del corpo durante GI); l'altro (il centro di pressione) è l'espressione delle condizioni di supporto necessarie per raggiungere questo obiettivo. Le posizioni istantanee di questi due punti riflettono le condizioni posturo-dinamiche da soddisfare per l'iniziazione dell'andatura. La piattaforma di forza è lo strumento appropriato per questo modello perché consente la misurazione diretta delle forze esterne e dei momenti che agiscono sulla superficie di appoggio durante il movimento. Permette anche l'esecuzione di movimenti naturali e non richiede una preparazione speciale.
Molti fattori sono noti per influenzare l'organizzazione posturale del GI, compresi i fattori biomeccanici, (neuro)fisiologici, psicologici, ambientali e cognitivi 1,20. Questo articolo si concentra sull'influenza di due fattori - velocità del GI e pressione temporale - e fornisce valori tipici ottenuti in giovani adulti sani.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Il protocollo descritto di seguito segue le linee guida del comitato etico della ricerca umana dell'Université Paris-Saclay. I partecipanti hanno approvato e firmato un modulo di consenso.
1. Partecipanti
- Includere almeno 15 giovani adulti sani partecipanti all'esperimento (di età compresa tra 20 e 40 anni).
NOTA: Questo numero raccomandato di soggetti corrisponde a quanto classicamente considerato nella letteratura sull'IG. - Escludere i partecipanti con ausili per la deambulazione, problemi visivi, uditivi o ortopedici, disturbi neurologici identificati, demenza, disturbi cognitivi (cioè un punteggio < 25 al Mini Mental State Exam) e una storia medica di caduta.
- Chiedere ai partecipanti di fornire il consenso scritto dopo averli informati della natura e dello scopo dell'esperimento.
- Assicurarsi che l'esperimento sia conforme agli standard stabiliti dalla Dichiarazione di Helsinki.
2. Preparazione di laboratorio
- Assicurarsi che la piattaforma di forza sia abbastanza lunga da far atterrare l'intero piede oscillante su di essa alla fine del primo passo. In caso contrario, utilizzare due piattaforme di forza a piccola distanza, con i partecipanti in piedi nella posizione iniziale sulla prima e colpendo il piede oscillante sulla seconda posta di fronte alle prime21. In entrambi i casi, assicurarsi che la piattaforma o le piattaforme di forza siano incorporate in un binario lungo almeno 5 m per garantire che si raggiunga la camminata in stato stazionario.
NOTA: Una piattaforma di forza che registri i momenti e le forze 3D è necessaria per calcolare l'intero insieme di variabili sperimentali (vedere la sezione 5).- Come misura di sicurezza, applicare un'imbracatura al soffitto e centrarla sulla grande ascia della piattaforma di forza nel caso in cui l'esperimento includa pazienti fragili (ad esempio, pazienti neurologici).
- Calibrare le piattaforme di forza. Fare clic sul pulsante di azzeramento automatico .
- Importazione delle riviste
- Apri Qualisys Track Manager.
- Scegli e apri la cartella "Progetto".
- Creare una cartella paziente.
- Fare clic su Aggiungi, quindi selezionare i pazienti.
- Inserisci le etichette: ID paziente, Nome, Cognome, Data di nascita, Sesso e Commento, se necessario.
- Fare clic su Aggiungi, quindi selezionare Sessione andatura .
- Inserire le etichette: ID caso, Operatore di prova, Commenti se necessario, Diagnosi, Diagnosi secondaria, Lato interessato, Classificazione della funzione motoria lorda, Scala di mobilità funzionale, Altezza, Peso, Lunghezza gamba sinistra, Lunghezza gamba destra, Larghezza ginocchio sinistra, Larghezza caviglia sinistra, Larghezza suola delta sinistra, Sposta spalla sinistra, Spalla offset destra, Larghezza gomito sinistra, Larghezza gomito destra, larghezza polso sinistra, larghezza polso destra, spessore mano sinistra, spessore mano destra e diametro marcatore.
- Fare clic su Aggiungi, quindi selezionare Sessione senza marker .
- Immettere le etichette: Test Condition, Prothesis_Orthosis, External aid, External aid side, Personal aid, Personal aid side, Comments if needed, Test operator e Event mode (scegliere più force plate).
- Controllare Forza piastra auto-zero.
- Selezionare Strumenti.
- Fare clic su Piastre di forza.
- Fare clic su All'inizio dell'anteprima nella casella dell'etichetta "Force plate auto-zero".
- Assicurarsi che i segnali di base dalla piattaforma di forza (forze e momenti) siano a zero quando è scarica.
- Fare clic su Nuovo o utilizzare la scorciatoia Ctrl + N.
- Fare clic su Data info Window 1 o utilizzare la scorciatoia Ctrl+D.
- Fare clic su Visualizza dati forza o utilizzare la scorciatoia Ctrl + D.
- Fare clic su Forza e selezionare Plot.
3. Procedura sperimentale
- Chiedi ai partecipanti di stare a piedi nudi e immobili su una piattaforma di forza nella loro naturale postura eretta, con le braccia appese liberamente ai loro fianchi e lo sguardo diretto verso un bersaglio all'altezza degli occhi ad almeno 5 m di distanza (Figura 1).
NOTA: delineare la posizione dei piedi sulla piattaforma di forza nella postura iniziale (ad esempio, con il gesso). Controllare attentamente che i partecipanti riposizionino i piedi su questi segni dopo ogni prova. Questo punto è importante poiché la posizione iniziale del piede influenza le caratteristiche APA di GI. - Determinare la gamba di partenza preferenziale dei partecipanti spingendo leggermente contro la schiena dei partecipanti mentre si trovano nella postura iniziale con gli occhi chiusi per provocare un passo avanti.
- Spiega ai partecipanti che il compito che devono svolgere è quello di iniziare l'andatura dalla posizione eretta con la gamba preferita, di continuare a camminare fino alla fine della pista e quindi di tornare tranquillamente alla postura iniziale in piedi.
NOTA: Se durante l'esperimento l'andatura non viene iniziata con la gamba preferita identificata in una determinata prova, ripetere la prova. - Spiega che l'andatura deve essere iniziata dopo due segnali successivi (acustico, visivo o tattile): un segnale preparatorio e un segnale di partenza (vedi punti 3.6 e 3.7).
- Spiegare le istruzioni sulla velocità e la pressione temporale (vedere i punti 3.8-3.10).
- Consegnare il primo segnale (preparatorio) ai partecipanti. Istruiscili a stare immobili ed evitare di anticipare GI a questo primo segnale.
- Fornire il secondo segnale (di partenza) dopo un ritardo casuale di 2-5 s dopo il segnale preparatorio.
- Assicurarsi che i partecipanti siano visivamente immobili prima di fornire questo secondo segnale. Controlla l'immobilità online con i grafici temporali del centro anteroposteriore o mediolaterale dello spostamento della pressione
NOTA: se non sono immobili, il rilevamento dell'insorgenza di APA (passaggio 5.1.1) può essere difficile.
- Assicurarsi che i partecipanti siano visivamente immobili prima di fornire questo secondo segnale. Controlla l'immobilità online con i grafici temporali del centro anteroposteriore o mediolaterale dello spostamento della pressione
- Istruire i partecipanti a iniziare l'andatura i) il più presto possibile (cioè in una condizione di tempo di reazione), o ii) solo una volta che si sentono pronti (cioè in una condizione auto-iniziata) dopo il segnale di partenza.
- Variare le condizioni di "pressione temporale" imposte al GI (cioè bassa pressione temporale (condizione auto-iniziata) e alta pressione temporale (condizione di tempo di reazione)).
- Variare le condizioni di velocità GI (condizioni lente, spontanee, veloci).
- Per limitare il numero di condizioni sperimentali e quindi evitare l'affaticamento, istruire i partecipanti a eseguire solo due condizioni di velocità GI (ad esempio, lenta e veloce) in una condizione di pressione temporale bassa o alta, o il contrario (cioè GI a velocità lenta o veloce in una condizione di pressione temporale alta e bassa).
NOTA: Ripetere frequentemente le istruzioni sulla pressione temporale e sulla velocità GI.
- Per limitare il numero di condizioni sperimentali e quindi evitare l'affaticamento, istruire i partecipanti a eseguire solo due condizioni di velocità GI (ad esempio, lenta e veloce) in una condizione di pressione temporale bassa o alta, o il contrario (cioè GI a velocità lenta o veloce in una condizione di pressione temporale alta e bassa).
- Istruire i partecipanti a eseguire serie di 10 prove successive in ogni condizione sperimentale.
NOTA: Serie di cinque studi sono sufficienti per soggetti anziani o pazienti con malattia di Parkinson22.- Randomizzare le condizioni di velocità GI e pressione temporale tra i partecipanti per evitare effetti di ordine.
- Imporre un riposo di almeno 2 minuti tra condizioni successive per evitare gli effetti della fatica.
- In ogni condizione, consentire ai partecipanti di eseguire due prove di familiarizzazione prima delle registrazioni.
- Innesca l'acquisizione dei dati dalla piattaforma di forza pochi secondi prima dell'inizio del segnale preparatorio e fermati una volta che il partecipante ha lasciato la piattaforma di forza.
Figura 1: Configurazione sperimentale. I partecipanti inizialmente si trovano su una piattaforma di forza (1) incorporata in una pista lunga almeno 5 m (2), con lo sguardo diretto verso un bersaglio all'altezza degli occhi (3). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
4. Elaborazione delle registrazioni cinetiche della piattaforma di forza
- Filtra i dati dalla piattaforma di forza utilizzando un ordine Butterworth passa-basso senza ritardi con una frequenza di interruzione di 15 Hz.
- Importare il file.
- Apri Visual3D.
- Scegli e apri il file "Progetto".
- Elaborazione
- Fare clic su Pipeline o utilizzare la scorciatoia F11.
- Seleziona Filtro segnale.
- Selezionare Lowpass_Filter.
- Fare clic su Esegui.
- Raccogli i dati dalla piattaforma di forza a una frequenza di 100 Hz.
- Fare clic su Pipeline o utilizzare la scorciatoia F11.
- Seleziona Salva/Esporta file.
- Selezionare Export_Data_To_Acsii_File.
- Clicca su Modifica.
- Immettete 100 nell'etichetta Numero di punti per la normalizzazione.
- Fare clic su Esegui.
- Calcolare i grafici temporali delle accelerazioni istantanee del centro di gravità lungo le direzioni anteroposteriore (x''G), mediolaterale (y''G) e verticale (z''G) dalle forze di reazione 3D ottenute con la piattaforma di forza (vedi Figura supplementare S1) usando la seconda legge di Newton10,23.
NOTA: Secondo la seconda legge di Newton, la somma delle forze esterne applicate ad un sistema è uguale alla massa di questo sistema (m) moltiplicata per l'accelerazione del suo centro di gravità. Pertanto, con il protocollo GI descritto in questo studio, le uniche forze esterne applicate ai partecipanti sono il peso corporeo (BW) e le forze di reazione del terreno (R). Le equazioni (1), (2) e (3) possono essere scritte:
x''G = Rx / m (1)
y''G = Ry / m (2)
z"G = (Rz - BW) / m (3)
Dove Rx, Ry, Rz sono rispettivamente le componenti istantanee anteroposteriore, mediolaterale e verticale della forza di reazione del terreno vettore. I grafici tipici di x''G, y''G e z''G sono mostrati nella Figura 2. - Calcolare i grafici temporali 3D della velocità del baricentro mediante una semplice integrazione numerica dei grafici 3D del tempo di accelerazione del baricentro, utilizzando costanti di integrazione pari a zero (cioè velocità iniziale del centro di gravità 3D considerata come nulla10). Vedere la Figura 2 per i tipici grafici temporali della velocità anteroposteriore, mediolaterale e verticale del centro di gravità (x'G, y'G e z'G, rispettivamente).
- Eseguire un'ulteriore integrazione del grafico del tempo y'G per ottenere lo spostamento del baricentro lungo la direzione mediolaterale. Utilizzare questa quantità per calcolare il "margine di stabilità" (cfr. punto 5.3.5.2).
- Calcolare lo spostamento mediolaterale (yP) e anteroposteriore (xP) del centro di pressione dai dati della piattaforma di forza usando le equazioni (4) e (5):
(4)
(5)
Dove Mx e My sono i momenti istantanei attorno alle direzioni anteroposteriore e mediolaterale, rispettivamente; Rx, Ry e Rz sono rispettivamente le forze di reazione istantanea anteroposteriore, mediolaterale e verticale; e dz è la distanza tra la superficie della piattaforma di forza e la sua origine (fornita dal produttore). I grafici temporali tipici di xP e yP sono mostrati nella Figura 2 (vedere anche la Figura supplementare S2).
(4)
(5)5. Variabili sperimentali
NOTA: Ogni variabile sperimentale descritta di seguito deve essere estratta dai grafici temporali sperimentali ottenuti per ciascuna prova.
- Rilevamento degli eventi di temporizzazione dell'iniziazione dell'andatura
- Insorgenza dell'APA
- Visualizza i grafici temporali del centro di spostamento della pressione lungo le direzioni mediolaterale e anteroposteriore.
- Calcolare il valore medio del grafico del tempo mediolaterale e anteroposteriore del centro di pressione durante la finestra temporale di 250 ms che precede il secondo segnale consegnato ai partecipanti.
NOTA: questi valori corrispondono ai "valori di base" di questi grafici temporali. - Rileva gli istanti successivi al secondo segnale quando la traccia mediolaterale e il centro anteroposteriore di spostamento della pressione deviano di 2,5 deviazioni standard dal valore basale per almeno 50 ms.
NOTA: Questi due istanti corrispondono all'insorgenza di APA lungo le direzioni mediolaterale e anteroposteriore (t0ML e t0AP, rispettivamente; Figura 2). Questi due istanti possono anche essere identificati come gli istanti in cui i grafici temporali dell'accelerazione mediolaterale e anteroposteriore del centro di gravità raggiungono il 10% del loro rispettivo valore di picco. - Assicurarsi che, nella condizione del tempo di reazione, l'insorgenza dell'APA sia compresa tra 150 ms e 300 ms dopo il secondo segnale (Go). In caso contrario, ripetere la prova e le istruzioni sulla pressione temporale.
NOTA: Se è inferiore a 150 ms, i partecipanti hanno anticipato. Se è superiore a 300 ms, i partecipanti non erano concentrati sul compito. - Assicurarsi che nella condizione auto-iniziata, l'insorgenza di APA sia superiore a 300 ms. In caso contrario, ripetere la prova e le istruzioni sulla pressione temporale poiché i partecipanti potrebbero aver iniziato l'andatura in una condizione di tempo di reazione.
- Tempo di scioglimento del tallone oscillante
- Visualizza i grafici temporali della velocità verticale del baricentro e del centro anteroposteriore di spostamento della pressione.
- Identificare l'istante in cui la traccia della velocità verticale del baricentro raggiunge il picco verso il basso dopo l'inizio dell'APA come tempo di swing heel-off24 (Figura 2). In alternativa, identificare l'istante in cui il grafico temporale del centro anteroposteriore di spostamento della pressione mostra un rapido calo verso la linea di base (cioè verso le dita dei piedi; Figura 2) o posizionare un interruttore a pedale (uno strumento economico) sul tallone oscillante.
- Tempo di rotazione
- Visualizzare i grafici temporali del centro di spostamento della pressione mediolaterale e anteroposteriore e della velocità anteroposteriore del baricentro.
- Identificare l'istante in cui il grafico temporale del centro mediolaterale di spostamento della pressione raggiunge un primo (quasi) plateau diretto verso il lato del piede di posizione come tempo di oscillazione (Figura 2). In alternativa, identificare l'istante successivo allo swing heel-off quando il grafico temporale del centro anteroposteriore di spostamento della pressione raggiunge il 90% del valore massimo all'indietro, oppure posizionare un interruttore del piede sulla punta oscillante.
- Tempo di contatto del piede oscillante
- Visualizza i grafici temporali del centro anteroposteriore di spostamento della pressione.
- Identificare l'istante in cui il centro di pressione anteroposteriore viene bruscamente spostato in avanti (Figura 2) come tempo di contatto del piede oscillante. Se questo grafico temporale è derivato, identificare il tempo di contatto del piede oscillante come l'istante in cui questo grafico temporale derivato aumenta bruscamente dal suo valore di livello di base. In alternativa, posiziona un interruttore a pedale sul tallone oscillante per rilevare questo istante.
NOTA: qui è possibile utilizzare un metodo simile a quello descritto in precedenza per il rilevamento APA (basato sul calcolo di un valore medio del livello di base; passaggio 5.1.1.2).
- Tempo di partenza posteriore
- Visualizza il grafico temporale del centro mediolaterale di spostamento della pressione.
- Identificare l'istante in cui il grafico temporale del centro mediolaterale di spostamento della pressione raggiunge un secondo (quasi) plateau, diretto nella direzione opposta al primo (passo 5.1.3.2; Figura 2), il tempo di spegnimento del piede posteriore25. In alternativa, posizionare un interruttore a pedale sul retro per rilevare questo istante.
- Insorgenza dell'APA
- Calcolo delle variabili temporali
- Calcolare il ritardo tra l'inizio dell'APA (t0ML e t0AP) e il tempo di oscillazione del tallone (tHO) per entrambe le direzioni mediolaterale e anteroposteriore, che corrispondono alla durata dell'APA lungo le direzioni mediolaterale (dAPAML) e anteroposteriore (dAPAAP). Vedi equazioni (6) e (7).
dAPAML = tHO - t0ML (6)
dAPAAP = tHO - t0AP (7) - Calcolare il ritardo tra il tempo di swing toe-off (tTO) e il tempo di swing heel-off (tHO), che corrisponde alla durata della "fase di scarico" (UNLd; Figura 2) usando l'equazione (8).
UNLd = tTO - tHO (8) - Calcolare il ritardo tra il tempo di rotazione del piede (tTO) e il contatto del piede oscillante (tFC), che corrisponde alla durata della "fase di oscillazione" (SWINGd; Figura 2) usando l'equazione (9).
SWINGd = tFC - tTO (9)
- Calcolare il ritardo tra l'inizio dell'APA (t0ML e t0AP) e il tempo di oscillazione del tallone (tHO) per entrambe le direzioni mediolaterale e anteroposteriore, che corrispondono alla durata dell'APA lungo le direzioni mediolaterale (dAPAML) e anteroposteriore (dAPAAP). Vedi equazioni (6) e (7).
- Calcolo delle variabili spaziali
- Posizione iniziale del centro di pressione
- Visualizza i grafici temporali del centro di spostamento della pressione lungo le direzioni mediolaterale e anteroposteriore.
- Calcolare i valori medi del centro di pressione mediolaterale (yP0) e anteroposteriore (xP0) durante la finestra temporale di 250 ms che precede il secondo segnale (di partenza) consegnato ai partecipanti, che sono rappresentativi della posizione del centro di pressione nella postura iniziale (o valore "baseline").
NOTA: Le caratteristiche spazio-temporali dell'APA sopra descritte sono sensibili alla posizione del centro di pressione nella postura iniziale26. Quindi, è importante verificare che qualsiasi cambiamento nelle caratteristiche dell'APA tra condizioni sperimentali (ad esempio, una condizione con un ostacolo alla cancellazione rispetto a una condizione senza un ostacolo da eliminare) o tra popolazioni sperimentali (ad esempio, partecipanti sani vs partecipanti neurologici) non possa essere attribuito a un "semplice" cambiamento nella posizione del centro di pressione nella postura iniziale, ma piuttosto al fattore oggetto di indagine.
- Ampiezza dell'APA
- Visualizza i grafici temporali del centro di spostamento della pressione e della velocità del centro di gravità lungo le direzioni mediolaterale e anteroposteriore.
- Rileva l'istante in cui ciascuno di questi quattro grafici temporali raggiunge un valore massimo durante la finestra temporale APA (Figura 2).
- Sottrarre il valore medio del centro della linea di base della pressione calcolato al punto 5.3.1.2 (cioè i valori xP0 e yP0) dal centro massimo del valore di pressione rilevato durante la finestra temporale APA (per ogni direzione, cioè calcolare utilizzando le equazioni (10) e (11)).
xPAPA = xPMAX - xP0 (10)
yPAPA = yPMAX - yP0 (11)
Dove xPAPA e yPAPA sono l'ampiezza di APA (centro di pressione) lungo le direzioni anteroposteriore e mediolaterale, rispettivamente; xPMAX e yPMAX sono il massimo centro anticipatorio di spostamento della pressione lungo le direzioni anteroposteriore e mediolaterale, rispettivamente.
NOTA: tale sottrazione di base non è necessaria per la velocità del centro di gravità poiché si considera che i partecipanti siano inizialmente immobili (la velocità iniziale del baricentro è quindi nulla; vedere punto 4.4). I quattro valori ottenuti sono rappresentativi dell'ampiezza dell'APA (due valori per direzione).
- Lunghezza e larghezza del passo
- Visualizza il grafico temporale del centro di spostamento della pressione lungo la direzione anteroposteriore.
- Rileva la posizione più arretrata del centro di pressione, xPBACK.
- Rilevare il centro della posizione di pressione al momento del foot-off posteriore, xPRFO (Figura 2 e punto 5.1.5).
- Calcolare la differenza spaziale tra queste due quantità, che corrisponde alla lunghezza del passo, L41, usando l'equazione (12).
L = xPBACK - Xprfo (12) - Visualizza il grafico temporale del centro di spostamento della pressione lungo la direzione mediolaterale.
- Rileva la posizione più laterale della posizione mediolaterale del centro di pressione ottenuta durante il primo plateau del grafico temporale, yPSTANCE ("posizione", perché il centro di pressione si trova sotto il piede di posizione in quel momento; vedi Figura 2).
- Rilevare il centro laterale della posizione di pressione al momento del foot-off posteriore, yPRFO (Figura 2 e passo 5.1.5).
- Calcolare la differenza spaziale tra queste due quantità, che corrisponde alla larghezza del passo, W25, usando l'equazione (13).
W = yPSTANCE - yPRFO (13)
- Esecuzione dell'iniziazione dell'andatura
- Visualizza il grafico temporale della velocità del baricentro lungo la direzione anteroposteriore (Figura 2).
- Rileva l'istante in cui i partecipanti colpiscono la piattaforma di forza con il piede oscillante (passo 5.1.4, Figura 2) e nota la velocità del centro di gravità in questo istante come criterio di prestazione GI.
NOTA: Il valore di picco di questo grafico temporale, che viene raggiunto pochi millisecondi dopo il contatto del piede oscillante, può anche essere considerato come un criterio di prestazione GI. Anche la lunghezza del passo e la durata della fase di oscillazione possono essere considerate come criteri di prestazione GI. Più lunghe e più brevi sono queste quantità, rispettivamente, migliori sono le prestazioni.
- Parametri di controllo della stabilità
- Per l'indice di frenatura, visualizzare il grafico temporale della velocità del baricentro lungo la direzione verticale. Rilevare il picco di velocità del centro di gravità verso il basso del grafico temporale (z'GMIN) e la velocità del centro di gravità al tempo di contatto del piede oscillante (z'GFC, Figura 2). Calcolare la differenza tra queste due quantità, chiamata "indice di frenatura" (BI), come indicatore del controllo della stabilità, usando l'equazione (14).
BI =
(14)
NOTA: La BI è stata introdotta da Do e colleghi e fornisce la prova che il sistema nervoso centrale anticipa il colpo del piede oscillante con la superficie di supporto diminuendo la velocità verticale del centro di gravità durante la fase di oscillazione dell'iniziazione dell'andatura 4,5,27. Questa frenata attiva facilita il mantenimento della stabilità dopo il colpo del piede. Maggiore è la BI, migliore è il controllo della stabilità. - Per il margine di stabilità, visualizzare i grafici temporali della velocità del baricentro e dello spostamento lungo la direzione mediolaterale. Rilevare la velocità (y'GFC) e lo spostamento del baricentro (yGFC) al momento del contatto con il piede oscillante (Figura 2). Calcolare la componente mediolaterale del margine di stabilità (MOS) al contatto con il piede usando l'equazione (15).
(15)
Dove BOSmax è il limite mediolaterale della base di supporto (BOS) e ω0 è l'autofrequenza del corpo, modellata come un pendolo invertito. Durante GI, i partecipanti atterrano sistematicamente sulla piattaforma di forza prima con il tallone oscillante, poi con la punta. Nell'ambito di tale strategia di atterraggio del piede, il BOSmax può essere stimato con la posizione mediolaterale del centro di pressione al momento del foot-off posteriore (passo 5.1.5). La autofrequenza del corpo può essere calcolata usando l'equazione (16).
(16)
Dove g = 9,81 m/s² è l'accelerazione gravitazionale e l è la lunghezza del pendolo invertito, che corrisponde al 57,5% dell'altezza del corpo.
NOTA: La quantità tra parentesi nell'equazione (15) è definita "centro di massa estrapolato"18. La condizione della stabilità al contatto del piede implica che il centro di massa estrapolato si trovi all'interno della base di supporto. Questa condizione corrisponde a un valore MOS positivo. Se il MOS è negativo, sono necessari aggiustamenti posturali correttivi per recuperare l'equilibrio.
- Per l'indice di frenatura, visualizzare il grafico temporale della velocità del baricentro lungo la direzione verticale. Rilevare il picco di velocità del centro di gravità verso il basso del grafico temporale (z'GMIN) e la velocità del centro di gravità al tempo di contatto del piede oscillante (z'GFC, Figura 2). Calcolare la differenza tra queste due quantità, chiamata "indice di frenatura" (BI), come indicatore del controllo della stabilità, usando l'equazione (14).
- Posizione iniziale del centro di pressione
(14)
(15)
(16)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Descrizione dei grafici temporali biomeccanici rappresentativi ottenuti dalla piattaforma di forza durante l'iniziazione dell'andatura
Qualunque sia il livello di pressione temporale o le istruzioni sulla velocità GI, lo swing heel-off è sistematicamente preceduto dall'APA. Questi APA possono essere caratterizzati da uno spostamento laterale della gamba all'indietro e oscillante del centro di pressione (Figura 2). Questo centro anticipatorio di spostamento della pressione promuove l'accelerazione del baricentro nella direzione opposta (cioè in avanti e verso il lato della gamba in posizione). Lungo la direzione anteroposteriore, la velocità del baricentro aumenta progressivamente fino a raggiungere il picco poco dopo il contatto del piede. Lungo la direzione mediolaterale, la velocità del centro di gravità raggiunge prima il picco verso il lato della gamba di posizione intorno al dito oscillante, quindi raggiunge il picco verso il lato della gamba oscillante poco dopo il contatto con il piede. Lungo la direzione verticale, la velocità del baricentro raggiunge il picco verso il basso intorno alla metà della posizione. Quindi inverte la direzione e raggiunge un valore vicino allo zero intorno al contatto con il piede.
Figura 2: Grafici temporali biomeccanici rappresentativi ottenuti dalla piattaforma di forza durante l'iniziazione dell'andatura (una singola prova) e variabili spazio-temporali selezionate. L'andatura è stata avviata rapidamente in una condizione di tempo di reazione. X''G, y''G, z''G: accelerazione del baricentro lungo le direzioni anteroposteriore, mediolaterale e verticale, rispettivamente. X'G, y'G, z'G: velocità del baricentro lungo le direzioni anteroposteriore, mediolaterale e verticale, rispettivamente. xP, yP: spostamento del centro di pressione lungo le direzioni anteroposteriore e mediolaterale, rispettivamente. Eventi di cronometraggio. t0ML, t0AP, tHO, tTO, tFC, tRFO: insorgenza dell'APA lungo le direzioni mediolaterale e anteroposteriore, tempo di swing heel-off, tempo di swing toe-off, tempo di contatto swing foot e tempo di backfoot-off, rispettivamente. Variabili temporali. APA, UNL, SWING: finestre temporali per APA, fase di scarico e fase di oscillazione dell'inizio dell'andatura, rispettivamente. Variabili spaziali. X'GFO, x'GFC, xPMAX, yPMAX, L, W, z'GMIN, z'GFC: velocità anteroposteriore del baricentro al foot-off e foot-contact, massimo centro anticipatorio di spostamento della pressione lungo le direzioni anteroposteriore e mediolaterale, lunghezza del passo, larghezza del passo, velocità del picco verso il basso del centro di gravità e velocità verticale del centro di gravità al tempo di contatto del piede oscillante, rispettivamente. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Valori rappresentativi di variabili sperimentali in giovani adulti sani: influenza della velocità e della pressione temporale
Variabili temporali
Durata APA
La durata dell'APA lungo le direzioni anteroposteriore e mediolaterale dipende dalla velocità dell'IG ma in modo opposto. Più specificamente, la durata dell'APA lungo la direzione anteroposteriore aumenta con la velocità GI, con valori tipici compresi tra ~ 500 ms per GI lento e ~ 700 ms per GI 9veloce. Al contrario, la durata dell'APA lungo la direzione mediolaterale diminuisce con la velocità GI. I valori tipici variano tra ~ 700 ms per GI lento e ~ 500 ms per GI21 veloce.
La durata dell'APA anteroposteriore e mediolaterale dipende anche dalla pressione temporale (i valori forniti sopra si riferiscono a una condizione auto-iniziata (cioè una condizione con un basso livello di pressione temporale). Gli studi in letteratura confrontano tipicamente la durata dell'APA in una condizione con pressione temporale bassa rispetto a quella alta, quando l'andatura è iniziata in una condizione veloce 1,28. In queste condizioni, la durata dell'APA anteroposteriore e mediolaterale diminuisce di circa 20-30 ms nella condizione del tempo di reazione rispetto alla condizione auto-iniziata.
Durata della fase di scarico
La durata della fase di scarico dipende dalla velocità di GI (cioè, diminuisce quando la velocità GI aumenta). Le durate tipiche variano tra ~ 200 ms per GI lento e ~ 70 ms per GI21 veloce. La durata della fase di scarico non è sensibile alla pressione temporale, almeno quando l'andatura è iniziata in una condizione veloce29.
Durata della fase di oscillazione
La durata della fase di oscillazione dipende dalla velocità di GI (cioè, diminuisce quando la velocità aumenta). Le durate tipiche variano tra ~ 500 ms per GI lento e ~ 300 ms per GI21 veloce. Al contrario, questa durata non è sensibile alla pressione temporale, almeno quando l'andatura è iniziata in una condizione veloce29.
Variabili spaziali
Ampiezza dell'APA
L'ampiezza dell'APA dipende dalla velocità dell'IG. Più specificamente, in una condizione auto-iniziata, l'ampiezza dell'APA lungo la direzione anteroposteriore aumenta quando la velocità di GI aumentadi 9. I valori tipici di APA sono compresi tra ~ 7 cm e ~ 0,15 m / s (rispettivamente per il centro di spostamento anticipatorio della pressione e la velocità del centro di gravità) per GI lento e ~ 13 cm e ~ 0,36 m / s per GI veloce. L'ampiezza dell'APA lungo la direzione mediolaterale, in termini di centro di spostamento della pressione, aumenta anche con la velocità di GI21. I valori tipici variano tra ~ 3 cm per GI lento e ~ 4 cm per GI veloce. Al contrario, la velocità massima del baricentro raggiunta durante l'APA (direzione mediolaterale) non cambia con la velocità dell'IG. I valori tipici sono ~0,13 m/s. L'ampiezza dell'APA è anche sensibile alla pressione temporale, almeno quando l'andatura è iniziata rapidamente28,29. Più specificamente, sia la componente anteroposteriore che quella mediolaterale dell'APA aumentano con la pressione temporale.
Lunghezza e larghezza del passo
La lunghezza e la larghezza del passo dipendono entrambe dalla velocità dell'IG ma non dalla pressione temporale. La lunghezza del passo raggiunge tipicamente ~ 50 cm e ~ 90 cm quando l'andatura viene iniziata in una condizione lenta e veloce, rispettivamente23. La larghezza del passo raggiunge tipicamente ~ 12 cm e ~ 14 cm quando l'andatura viene iniziata in una condizione GI lenta e veloce, rispettivamente9.
Esecuzione dell'iniziazione dell'andatura
Il picco della velocità del centro di gravità varia tipicamente tra ~1 m/s per GI lento e ~2 m/s per GI10 veloce. Per GI veloce, la pressione temporale non influisce su questo parametro di prestazione29, sebbene possa indurre una piccola alterazione (~ 9%)28.
Parametri di controllo della stabilità
Indice di frenatura
La BI è sensibile alla velocità dell'IG. Quando l'andatura viene avviata in una condizione lenta con una lunghezza del passo inferiore a ~ 43 cm, il BI è nullo perché non è necessario frenare la caduta del baricentro. La necessità di frenare la caduta del baricentro si verifica per lunghezze di passo superiori a 43 cm. Un valore tipico di BI è 0,08 m/s per l'andatura iniziata a 1 m/s e con una lunghezza del passo di 55 cm27.
Margine di stabilità
Il MOS non è sensibile alla velocità dell'IG o alla pressione temporale21,30. I valori tipici di MOS ottenuti durante GI sono ~ 5 cm21.
Figura supplementare S1: Schermate del software (Qualisys Track Manager) che mostrano le forze di reazione del terreno 3D durante l'avvio dell'andatura. A sinistra, l'asse della piattaforma di forza, il centro della posizione di pressione (corrispondente al punto di applicazione del vettore della forza di reazione al suolo) e il vettore della forza di reazione del terreno nella postura iniziale; a destra, il corso temporale delle forze di reazione del terreno 3D grezze durante l'iniziazione dell'andatura (un partecipante, una prova). Le tracce verdi, rosse e blu rappresentano la forza di reazione del terreno lungo la direzione anteroposteriore, mediolaterale e verticale, rispettivamente. Ordinata: ampiezza della forza in Newton. Abscissa: tempo in ms. I partecipanti inizialmente si trovavano sul lato sinistro della piattaforma di forza e iniziavano l'andatura verso il lato destro. Si noti che il partecipante ha lasciato la piattaforma di forza al tempo t = 3.200 ms. Clicca qui per scaricare questo file.
Figura supplementare S2: Schermate del software (Qualisys Track Manager) che mostrano il centro grezzo delle tracce di spostamento della pressione. A sinistra, l'asse della piattaforma di forza, il centro della posizione di pressione (corrispondente al punto di applicazione del vettore della forza di reazione al suolo) e il vettore della forza d'azione esercitato dal partecipante sulla piattaforma di forza nella postura iniziale; A destra, il corso temporale del centro grezzo delle tracce di spostamento della pressione (un partecipante, una prova). Le tracce verdi e rosse rappresentano il centro di spostamento della pressione lungo la direzione anteroposteriore e mediolaterale, rispettivamente. Ordinata: spostamento in millimetri. Abscissa: tempo in ms. I partecipanti inizialmente si trovavano sul lato sinistro della piattaforma di forza e iniziavano l'andatura verso il lato destro. Si noti che il partecipante ha lasciato la piattaforma di forza al tempo t = 3.200 ms. Clicca qui per scaricare questo file.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
L'obiettivo di questo articolo era quello di fornire a studiosi, clinici e studenti di istruzione superiore informazioni sul metodo (il metodo "globale") utilizzato nel nostro laboratorio per studiare l'organizzazione biomeccanica dell'iniziazione dell'andatura (GI). I passaggi critici del protocollo, le limitazioni del metodo e i metodi e le applicazioni alternativi sono discussi di seguito.
Un passo fondamentale nel protocollo è il rilevamento degli eventi di temporizzazione del GI (cioè insorgenza APA, swing heel-off e toe-off e backfoot-off). I valori sia delle variabili temporali che spaziali relative all'organizzazione dell'IG dipendono dalla corretta rilevazione di questi eventi. Per ciascuno di essi sono stati proposti diversi metodi di rilevamento (questi metodi proposti non sono esaustivi). Si raccomanda di utilizzare lo stesso metodo durante l'analisi dei dati per garantire la coerenza tra gli studi e le condizioni sperimentali e per consentire il confronto tra gli studi in letteratura. Tuttavia, si consiglia inoltre di utilizzare almeno due metodi diversi per garantire che gli eventi di temporizzazione corretti vengano rilevati correttamente (sono previste solo lievi differenze nei valori delle caratteristiche temporali tra questi metodi). Inoltre, per ogni evento di temporizzazione, potrebbe essere applicato il rilevamento automatico (ad esempio, con una routine MATLAB). Questa routine può essere programmata facilmente attraverso i metodi forniti in questo articolo. Si raccomanda vivamente di verificare visivamente la coerenza e la "credibilità" dei dati ottenuti automaticamente con queste routine. Ad esempio, l'ampiezza del centro anticipatorio di spostamento della pressione non deve superare la base della dimensione del supporto. Ci si aspetta che sia diretto all'indietro e verso il lato della gamba oscillante (ad eccezione di specifiche popolazioni sperimentali); si prevede che il tempo di swing toe-off si verifichi dopo lo swing heel-off; L'insorgenza dell'APA non deve avvenire prima di 150 ms prima del segnale di partenza o 300 ms dopo (in una condizione di tempo di reazione). In altre parole, si ritiene che il rilevamento automatico da solo non sia sufficiente per analizzare correttamente e "in sicurezza" i dati; È essenziale avere una conoscenza approfondita di i) il corso temporale globale dei grafici biomeccanici attesi dalla piattaforma di forza e ii) i valori tipici attesi dai partecipanti sani. Riteniamo che, oltre alla capacità di programmare routine automatiche, questa conoscenza sia di forte valore didattico per gli studenti di istruzione superiore in biomeccanica. Questo è il motivo per cui questi due elementi sono forniti in questo articolo.
Si riconosce che il metodo "globale" ha almeno due limiti. In primo luogo, questo metodo non fornisce dati sulla postura iniziale dei partecipanti (cioè sulla posizione relativa dei segmenti corporei) ma fornisce dati sul centro di pressione iniziale e sulla posizione del centro di gravità (la cui posizione relativa determina la condizione di equilibrio). Lo stesso centro di pressione iniziale e la stessa posizione del baricentro potrebbero teoricamente essere raggiunti con un numero infinito di posture. In altre parole, le condizioni posturali iniziali in cui i partecipanti iniziano l'andatura potrebbero non essere completamente controllate con il metodo globale. Il controllo visivo della postura iniziale dei partecipanti da parte di un ricercatore o clinico sperimentato è quindi importante se la posizione relativa dei segmenti del corpo non può essere registrata (ad esempio, con una telecamera). In secondo luogo, il metodo non fornisce informazioni sul contributo di ciascuna accelerazione del segmento corporeo (o accelerazioni "locali") all'accelerazione del centro di gravità dell'intero corpo. Ne consegue che è teoricamente possibile che l'accelerazione di alcuni segmenti corporei possa essere compensata da una decelerazione di alcuni segmenti corporei distanti, con conseguente accelerazione nulla del centro di gravità di tutto il corpo durante APA31. Pertanto, l'uso di accelerometri posizionati su diversi segmenti del corpo (ad esempio, tronco, fianchi, gambe) potrebbe essere rilevante per completare i dati della piattaforma di forza.
Un metodo alternativo e popolare per calcolare il centro di gravità di tutto il corpo durante GI è il metodo cinematico , che si basa su registrazioni utilizzando un sistema di motion capture di marcatori riflettenti incollati a segmenti articolari di tutto il corpo. I segnali forniti da questi marcatori riflettenti consentono la ricostituzione dello scheletro di tutto il corpo. Sulla base delle dimensioni di ciascun segmento corporeo così ricostituito e delle informazioni fornite dalle tabelle antropometriche (ad esempio, massa e densità delle ossa), la posizione 3D del baricentro di ciascun segmento può essere calcolata con il software della fotocamera. Con questi dati, è quindi possibile calcolare la posizione 3D del baricentro di tutto il corpo. Con la successiva derivazione del segnale di posizione, è possibile ottenere la velocità e l'accelerazione del centro di gravità di tutto il corpo. Per calcolare la cinematica del baricentro di tutto il corpo, sono necessari 53 marcatori riflettenti32. Tuttavia, un modello semplificato con 13 marcatori è stato recentemente proposto da Tisserand et al.33.
I vantaggi del metodo globale (assimilabile in un metodo cinetico poiché si basa sulla registrazione di forze e momenti) rispetto al metodo cinematico per indagare l'organizzazione posturale dell'IG sono i seguenti: i) non richiede alcuna preparazione dei partecipanti, risparmiando così tempo, che è particolarmente importante nei casi di pazienti fragili o patologici che partecipano all'esperimento; ii) evita potenziali errori nel calcolo dell'accelerazione del centro di gravità dell'intero corpo dovuti a piccoli errori cumulativi sul posizionamento dei marcatori effettuati dallo sperimentatore, poiché il metodo globale fornisce una misura diretta di questa quantità; iii) la posizione del centro di pressione non può essere calcolata utilizzando sistemi di motion capture. Il principale svantaggio del metodo globale rispetto al metodo cinematico è stato sollevato sopra - non consente l'indagine della postura o della coordinazione segmentale.
Ora, è interessante notare che i risultati della letteratura attuale suggeriscono che entrambi i metodi forniscono una misura equivalente della cinematica del centro di gravità e della temporizzazione degli eventi durante le attività locomotorie. Ad esempio, Langeard et al.34 hanno riferito che stimare il centro di gravità della frenatura (l'"indice di frenata" (BI)) utilizzando il metodo globale o il metodo cinematico durante GI era altamente affidabile. Durante le reazioni di passo compensativo, Maki e McIlroy35 hanno riferito che la velocità anteroposteriore e lo spostamento del centro di gravità calcolati al contatto con il piede con entrambi i metodi hanno fornito un accordo ragionevolmente buono sia nei giovani adulti sani che negli anziani. Allo stesso modo, durante la camminata dritta su un terreno pianeggiante in persone con amputazione transfemorale, Lansade et al.36 hanno dimostrato che la stima della velocità del centro di gravità dall'integrazione dei dati della piattaforma di forza era accettabile. Infine, Caderby et al.24 e Yiou et al.25 hanno dimostrato che questi due metodi hanno fornito una stima simile dell'evento swing heel off e della lunghezza/larghezza del passo, rispettivamente, durante GI.
Il metodo globale è stato inizialmente applicato al paradigma GI in giovani adulti sani per ottenere conoscenze di base sul normale controllo posturale durante un compito motorio funzionale che richiede la propulsione simultanea di tutto il corpo e il mantenimento della stabilità10. Da allora è stato esteso ampiamente per studiare molti altri compiti motori dinamici di tutto il corpo, come l'affondo nella scherma37, il salto38, sedersi in piedi39 e la flessione degli arti inferiori40. Vale la pena ricordare che il metodo è stato applicato anche per indagare il controllo posturale durante la cessazione di vari compiti motori, tra cui il passo singolo 41 e il puntamento42, e può potenzialmente essere applicato per indagare la terminazione dell'andatura come è stato precedentemente fatto con il metodo cinematico43. Infine, il metodo è stato ampiamente utilizzato anche in pazienti con condizioni neurologiche e negli anziani per comprendere meglio i meccanismi fisiopatologici che influenzano il controllo posturale dinamico 2,3,4,5 e, più recentemente, nei pazienti con malattia di Parkinson per testare l'efficacia di vari interventi non farmacologici (come lo stretching della caviglia44 e la stimolazione elettrica funzionale 3 ) nel migliorare il controllo posturale.
In conclusione, questo articolo ha presentato un metodo dettagliato progettato per indagare il controllo posturale durante l'iniziazione dell'andatura. Per ogni variabile sono stati forniti i valori normativi ottenuti nei giovani adulti sani. Il metodo ha un forte background biomeccanico, poiché si basa sulle leggi della meccanica per calcolare la cinematica del centro di gravità e del centro di pressione. L'analisi dell'interazione tra questi due punti virtuali è un punto chiave di questo metodo, poiché determina le condizioni di stabilità e progressione di tutto il corpo. Poiché l'esecuzione della maggior parte delle nostre attività motorie quotidiane (compresi lo sport e il lavoro) richiede una progressione sicura (stabile) di tutto il corpo, il metodo è altamente appropriato per ottenere informazioni sui meccanismi posturo-dinamici alla base dell'efficienza / carenza motoria sia nelle popolazioni sane che patologiche. Ha quindi forti applicazioni nella scienza del movimento umano, nella scienza dello sport, nell'ergonomia e nella scienza clinica.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Gli autori non hanno interessi concorrenti.
Acknowledgments
Gli autori ringraziano l'ANRT e il 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) |
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).
