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Neuroscience

Organização Postural da Iniciação da Marcha para Análise Biomecânica Utilizando Registros da Plataforma de Força

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

Este trabalho descreve o material e o método desenvolvidos para investigar a organização postural do início da marcha. O método é baseado em registros de plataforma de força e no princípio direto da mecânica para calcular a cinemática do centro de gravidade e do centro de pressão.

Abstract

A iniciação da marcha (IG), a fase transitória entre a postura ortorógrada e a locomoção no estado estacionário, é uma tarefa funcional e um paradigma experimental que é classicamente utilizado na literatura para obter informações sobre os mecanismos posturais básicos subjacentes ao movimento corporal e ao controle do equilíbrio. A investigação do IG também contribuiu para uma melhor compreensão da fisiopatologia dos distúrbios posturais em participantes idosos e neurológicos (por exemplo, pacientes com doença de Parkinson). Como tal, reconhece-se ter implicações clínicas importantes, especialmente em termos de prevenção de quedas.

Este artigo tem como objetivo fornecer a acadêmicos, clínicos e estudantes do ensino superior informações sobre o material e o método desenvolvidos para investigar a organização postural gastrointestinal por meio de uma abordagem biomecânica. O método é baseado em registros de plataforma de força e no princípio direto da mecânica para calcular a cinemática do centro de gravidade e do centro de pressão. A interação entre esses dois pontos virtuais é um elemento-chave neste método, uma vez que determina as condições de estabilidade e progressão de todo o corpo. O protocolo envolve o participante inicialmente em pé imóvel em uma postura ereta e começando a caminhar até o final de uma pista de pelo menos 5 m.

Recomenda-se variar a velocidade GI (lenta, espontânea, rápida) e o nível de pressão temporal - a marcha pode ser iniciada o mais rápido possível após a liberação de um sinal de partida (alto nível de pressão temporal) ou quando o participante se sentir pronto (baixo nível de pressão temporal). Os parâmetros biomecânicos obtidos com esse método (por exemplo, duração e amplitude dos ajustes posturais antecipatórios, comprimento/largura do passo, desempenho e estabilidade) são definidos e seu método de cálculo é detalhado. Além disso, valores típicos obtidos em adultos jovens saudáveis são fornecidos. Finalmente, etapas críticas, limitações e significado do método em relação ao método alternativo (sistema de captura de movimento) são discutidos.

Introduction

A iniciação da marcha (IG), fase transitória entre a postura ortorógrada e a locomoção no estado estacionário, é uma tarefa funcional e um paradigma experimental classicamente utilizado na literatura para investigar o controle postural durante uma tarefa motora complexa que requer propulsão e estabilidade simultâneas de corpo inteiro1. Pacientes com condições neurológicas, como doença de Parkinson2, acidente vascular cerebral3, paralisia supranuclear progressiva4 e "distúrbios da marcha de nível superior"5, são conhecidos por terem dificuldade em iniciar a marcha, o que os expõe a um risco aumentado de queda. Portanto, é importante que as ciências básicas e clínicas desenvolvam conceitos e métodos para obter informações sobre os mecanismos de controle postural em jogo durante a iniciação da marcha, para obter conhecimento científico e uma melhor compreensão da fisiopatologia dos distúrbios da marcha e do equilíbrio e ser capaz de corrigi-los através de intervenções adequadas.

O conceito de organização biomecânica da iniciação da marcha é descrito a seguir, e o método clássico projetado para investigar essa organização é detalhado na seção de protocolo. O IG pode ser subdividido em três fases sucessivas: a fase de "ajustes posturais antecipatórios" (APA) correspondente aos fenômenos dinâmicos que ocorrem em todo o corpo antes do calcanhar de balanço, a fase de "descarga" (entre o calcanhar de balanço e o dedo do pé) e a fase de "balanço" que termina no momento do pé de balanço entrar em contato com a superfície de suporte. Essa subdivisão clássica do processo GI origina-se dos estudos pioneiros de Belenkii et al.6 e outros7,8, com foco na coordenação entre postura e movimento durante a elevação voluntária do braço para horizontal na postura ereta. Nesse paradigma, os segmentos corporais que estão diretamente envolvidos na elevação do braço correspondem à cadeia "focal", enquanto os segmentos corporais que se interpõem entre a parte proximal da cadeia focal e a superfície de suporte correspondem à cadeia "postural"9. Esses autores relataram que a elevação do braço foi sistematicamente precedida por fenômenos dinâmicos e eletromiográficos na cadeia postural, que denominaram "ajustes posturais antecipatórios". Para o GI, o swing heel-off (ou swing toe-off, dependendo dos autores) é considerado como o início do movimento da marcha10. Consequentemente, os fenômenos dinâmicos que ocorrem antes desse instante correspondem à APA, e o membro oscilante é considerado um componente da cadeia focal11. Essa afirmação está de acordo com a concepção clássica de organização biomecânica do movimento, segundo a qual qualquer ato motor deve envolver um componente focal e um componente postural12,13.

Do ponto de vista biomecânico, a APA associada ao IG se manifesta como um deslocamento para trás e médio-lateral (inclinado para o lado da perna) do centro de pressão, que atua para impulsionar o centro de gravidade na direção oposta - para frente e em direção ao lado da perna de postura. Quanto maior o deslocamento antecipatório do centro de pressão para trás, maior o desempenho do motor em termos da velocidade do centro de gravidade para frente no contato com o pé10,14. Além disso, ao impulsionar o centro de gravidade em direção ao lado da perna de apoio, a APA contribui para manter a estabilidade mediolateral durante a fase de balanço do GI 1,15,16,17. A literatura atual ressalta que a alteração nesse controle antecipatório da estabilidade é uma das principais fontes de quedas em idosos1. A estabilidade durante o IG tem sido quantificada na literatura com uma adaptação da "margem de estabilidade"18, uma quantidade que leva em conta tanto a velocidade quanto a posição do centro de gravidade dentro da base de apoio. Além do desenvolvimento de APA, a queda do centro de gravidade durante a fase de balanço do IG sob o efeito da gravidade foi relatada como sendo ativamente freada pelas suras tricipitais da perna de postura. Esta travagem ativa facilita a manutenção da estabilidade após o contacto com os pés, permitindo uma aterragem suave dos pés na superfície de apoio4.

O objetivo deste artigo é fornecer aos estudiosos, clínicos e estudantes do ensino superior informações sobre o material e o método desenvolvidos em nosso laboratório para investigar a organização postural do GI por meio de uma abordagem biomecânica. Esse método "global" (que também pode ser assimilado a um método "cinético" pelas razões detalhadas a seguir) foi iniciado por Brenière e colaboradores10,19. Baseia-se no princípio direto da mecânica para calcular tanto a aceleração do centro de gravidade, bem como as posições instantâneas do centro de pressão. Cada um desses pontos é uma expressão global específica do movimento.

Uma é a expressão instantânea dos movimentos de todos os segmentos do corpo relacionados ao propósito do movimento (o centro de gravidade; por exemplo, a velocidade de progressão do corpo durante o GI); o outro (o centro de pressão) é a expressão das condições de apoio necessárias para alcançar esse objetivo. As posições instantâneas desses dois pontos refletem as condições pós-urodinâmicas a serem satisfeitas para o início da marcha. A plataforma de força é o instrumento apropriado para este modelo, pois permite a medição direta das forças externas e momentos que atuam na superfície de suporte durante o movimento. Também permite a realização de movimentos naturais e não requer nenhuma preparação especial.

Sabe-se que muitos fatores influenciam a organização postural do GI, incluindo fatores biomecânicos, (neuro)fisiológicos, psicológicos, ambientais e cognitivos 1,20. Este trabalho enfoca a influência de dois fatores - velocidade do GI e pressão temporal - e fornece valores típicos obtidos em adultos jovens saudáveis.

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Protocol

O protocolo descrito abaixo segue a diretriz do comitê de ética em pesquisa com seres humanos da Université Paris-Saclay. Os participantes aprovaram e assinaram o Termo de Consentimento Livre e Esclarecido.

1. Participantes

  1. Inclua pelo menos 15 participantes adultos jovens saudáveis no experimento (com idades entre 20 e 40 anos).
    NOTA: Esse número recomendado de sujeitos corresponde ao que é classicamente considerado na literatura sobre GI.
  2. Exclua os participantes com auxiliares de caminhada, problemas visuais, auditivos ou ortopédicos, distúrbios neurológicos identificados, demência, deficiências cognitivas (ou seja, uma pontuação < 25 no Mini Exame do Estado Mental) e uma história médica de queda.
  3. Peça aos participantes que forneçam consentimento por escrito depois de informá-los sobre a natureza e o propósito do experimento.
  4. Assegurar que a experiência está em conformidade com as normas estabelecidas pela Declaração de Helsínquia.

2. Preparação laboratorial

  1. Certifique-se de que a plataforma de força seja longa o suficiente para que todo o pé de balanço pouse nela no final do primeiro passo. Se não for, use duas plataformas de força de pequena distância, com os participantes em pé na postura inicial na primeira e batendo o pé de balanço na segunda colocada na frente dasprimeiras 21. Em ambos os casos, certifique-se de que a(s) plataforma(s) de força está(ão) embutida(s) em uma pista de pelo menos 5 m de comprimento para garantir que a caminhada em estado estacionário seja alcançada.
    NOTA: Uma plataforma de força que registra os momentos e forças 3D é necessária para calcular todo o conjunto de variáveis experimentais (ver seção 5).
    1. Como medida de segurança, fixe um arnês no teto e centralize-o no grande machado da plataforma de força, caso o experimento inclua pacientes frágeis (por exemplo, pacientes neurológicos).
  2. Calibre a(s) plataforma(s) de força. Clique no botão de zero automático .
  3. Importando os periódicos
    1. Abra o gerenciador Qualisys Track.
    2. Escolha e abra a pasta "Projeto".
  4. Crie uma pasta de pacientes.
    1. Clique em Adicionar e selecione pacientes.
    2. Insira as etiquetas: ID do paciente, Nome, Sobrenome, Data de nascimento, Sexo e Comentário, se necessário.
    3. Clique em Adicionar e, em seguida, selecione Sessão de marcha .
    4. Insira os rótulos: ID do caso, Operador de teste, Comentários se necessário, Diagnóstico, Diagnóstico secundário, Lado afetado, Classificação da função motora grossa, Escala de mobilidade funcional, Altura, Peso, Comprimento da perna à esquerda, Comprimento da perna à direita, Largura do joelho à esquerda, Largura do joelho à direita, Largura do tornozelo à esquerda, Largura do tornozelo à direita, Delta da sola esquerda, Sole delta à direita, Deslocamento do ombro esquerdo, Deslocamento do ombro à direita, Largura do cotovelo à esquerda, Largura do cotovelo à direita, Largura do pulso à esquerda, Largura do pulso à direita, Espessura da mão à esquerda, Espessura da mão à direita e Diâmetro do marcador.
    5. Clique em Adicionar e, em seguida, selecione Sessão sem marcadores .
    6. Insira as etiquetas: Condição de teste, Prothesis_Orthosis, Ajuda externa, Lado da ajuda externa, Ajuda pessoal, Lado da ajuda pessoal, Comentários, se necessário, Operador de teste e Modo de evento (escolha placa de força múltipla).
  5. Verifique forçar a placa auto-zero.
    1. Selecione Ferramentas.
    2. Clique em Forçar placas.
    3. Clique em No início da visualização na caixa de etiqueta "Forçar placa auto-zero".
  6. Certifique-se de que os sinais de linha de base da plataforma de força (forças e momentos) estejam em zero quando ela estiver descarregada.
    1. Clique em Novo ou use o atalho Ctrl+N.
    2. Clique em Informações de dados Janela 1 ou use o atalho Ctrl + D.
    3. Clique em Exibir dados de força ou use o atalho Ctrl+D.
    4. Clique em Forçar e selecione Plotar.

3. Procedimento experimental

  1. Peça aos participantes que fiquem descalços e imóveis em uma plataforma de força em sua postura ereta natural, com os braços pendurados frouxamente contra os lados e o olhar direcionado para um alvo ao nível dos olhos a pelo menos 5 m de distância (Figura 1).
    NOTA: Delineie a posição dos pés na plataforma de força na postura inicial (por exemplo, com giz). Verifique cuidadosamente se os participantes reposicionam os pés nessas marcas após cada tentativa. Este ponto é importante, uma vez que a posição inicial do pé influencia as características da APA do IG.
  2. Determine a perna inicial preferencial dos participantes, empurrando levemente contra as costas dos participantes enquanto estiver na postura inicial com os olhos fechados para provocar um passo à frente.
  3. Explique aos participantes que a tarefa que eles devem realizar é iniciar a marcha a partir da postura em pé com a perna preferida, continuar caminhando até o final da pista e, em seguida, retornar silenciosamente à postura inicial em pé.
    NOTA: Se durante o experimento a marcha não for iniciada com a perna preferida identificada em um determinado ensaio, repita o ensaio.
  4. Explique-lhes que a marcha deve ser iniciada seguindo dois sinais sucessivos (acústico, visual ou tátil): um sinal preparatório e um sinal de partida (ver etapas 3.6 e 3.7).
  5. Explique as instruções sobre velocidade e pressão temporal (ver passos 3.8-3.10).
  6. Entregar o primeiro sinal (preparatório) aos participantes. Instrua-os a ficar imóveis e evitar antecipar o IG neste primeiro sinal.
  7. Entregue o segundo sinal (de partida) após um atraso aleatório de 2-5 s após o sinal preparatório.
    1. Certifique-se de que os participantes estão visualmente imóveis antes de entregar este segundo sinal. Verifique a imobilidade on-line com os gráficos de tempo do centro anteroposterior ou mediolateral de deslocamento de pressão
      NOTA: Se eles não estiverem imóveis, a detecção do início da APA (etapa 5.1.1) pode ser difícil.
  8. Instrua os participantes a iniciar a marcha i) o mais rápido possível (ou seja, em uma condição de tempo de reação), ou ii) somente quando se sentirem prontos (ou seja, em uma condição auto-iniciada) após o sinal de partida.
  9. Variar as condições de "pressão temporal" impostas ao IG (ou seja, baixa pressão temporal (condição auto-iniciada) e alta pressão temporal (condição de tempo de reação)).
  10. Variam as condições de velocidade gastrointestinal (condições lentas, espontâneas e rápidas).
    1. Para limitar o número de condições experimentais e, assim, evitar a fadiga, instruir os participantes a realizar apenas duas condições de velocidade gastrointestinal (por exemplo, lenta e rápida) sob uma condição de pressão temporal baixa ou alta, ou o inverso (ou seja, IG a uma velocidade lenta ou rápida sob uma condição de pressão temporal alta e baixa).
      NOTA: Repita as instruções sobre pressão temporal e velocidade gastrointestinal com frequência.
  11. Instruir os participantes a realizar séries de 10 ensaios sucessivos em cada condição experimental.
    NOTA: Séries de cinco ensaios são suficientes para idosos ou pacientes com doença de Parkinson22.
    1. Randomize as condições de velocidade GI e pressão temporal entre os participantes para evitar efeitos de ordem.
  12. Impor um descanso de pelo menos 2 minutos entre condições sucessivas para evitar os efeitos da fadiga.
  13. Em cada condição, permita que os participantes realizem dois ensaios de familiarização antes das gravações.
  14. Acione a aquisição de dados da plataforma de força alguns segundos antes do início do sinal preparatório e pare assim que o participante deixar a plataforma de força.

Figure 1
Figura 1: Configuração experimental. Os participantes inicialmente ficam em uma plataforma de força (1) embutida em uma trilha de pelo menos 5 m de comprimento (2), com o olhar direcionado para um alvo ao nível dos olhos (3). Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

4. Processamento de gravações cinéticas da plataforma de força

  1. Filtre os dados da plataforma de força usando uma ordem Butterworth low-pass sem atraso com uma frequência de corte de 15 Hz.
    1. Importe o arquivo.
    2. Abra o Visual3D.
    3. Escolha e abra o arquivo "Projeto".
    4. Processamento
      1. Clique em Pipeline ou use o atalho F11.
      2. Selecione Filtro de sinal.
      3. Selecione Lowpass_Filter.
      4. Clique em Executar.
  2. Colete dados da plataforma de força a uma taxa de 100 Hz.
    1. Clique em Pipeline ou use o atalho F11.
    2. Selecione Salvar/Exportar Arquivo.
    3. Selecione Export_Data_To_Acsii_File.
    4. Clique em Editar.
    5. Insira 100 no rótulo Número de Pontos para Normalização.
    6. Clique em Executar.
  3. Calcule os gráficos de tempo das acelerações instantâneas do centro de gravidade ao longo das direções anteroposterior (x''G), mediolateral (y''G) e vertical (z''G) das forças de reação terrestre 3D obtidas com a plataforma de força (ver Figura Suplementar S1) usando a segunda leide Newton 10,23.
    NOTA: De acordo com a segunda lei de Newton, a soma das forças externas aplicadas a um sistema é igual à massa deste sistema (m) multiplicada pela aceleração do seu centro de gravidade. Assim, com o protocolo GI descrito neste estudo, as únicas forças externas aplicadas aos participantes são o peso corporal (PC) e as forças de reação do solo (R). As equações (1), (2) e (3) podem ser escritas:
    x''G = Rx / m (1)
    y''G = Ry / m (2)
    z"G = (Rz - BW) / m (3)
    Onde Rx, Ry, Rz são os componentes instantâneos anteroposterior, mediolateral e vertical da força de reação vetorial do solo, respectivamente. Gráficos típicos de x''G, y''G e z''G são mostrados na Figura 2.
  4. Calcule os gráficos de tempo 3D da velocidade do centro de gravidade por meio de uma integração numérica simples dos gráficos de tempo de aceleração do centro de gravidade 3D, usando constantes de integração iguais a zero (ou seja, velocidade inicial do centro de gravidade 3D considerada nula10). Veja a Figura 2 para gráficos de tempo típicos de velocidade anteroposterior, mediolateral e vertical do centro de gravidade (x'G, y'G e z'G, respectivamente).
  5. Realizar uma integração adicional do gráfico de tempo y'G para obter o deslocamento do centro de gravidade ao longo da direção mediolateral. Utilize esta quantidade para calcular a "margem de estabilidade" (ver passo 5.3.5.2).
  6. Calcular o deslocamento mediolateral (yP) e anteroposterior (xP) do centro de pressão a partir dos dados da plataforma de força usando as equações (4) e (5):
    Equation 1(4)
    Equation 2(5)
    Onde Mx e My são os momentos instantâneos em torno das direções anteroposterior e mediolateral, respectivamente; Rx, Ry e Rz são as forças instantâneas de reação terrestre anteroposterior, mediolateral e vertical, respectivamente; e dz é a distância entre a superfície da plataforma de força e sua origem (fornecida pelo fabricante). Os gráficos de tempo típicos de xP e yP são mostrados na Figura 2 (ver também Figura Suplementar S2).

5. Variáveis experimentais

NOTA: Cada variável experimental descrita a seguir deve ser extraída dos timeplots experimentais obtidos para cada ensaio.

  1. Detecção dos eventos de cronometragem do início da marcha
    1. Início da APA
      1. Exibir os gráficos de tempo do deslocamento do centro de pressão ao longo das direções mediolateral e anteroposterior.
      2. Calcule o valor médio do gráfico de tempo do centro de pressão mediolateral e anteroposterior durante a janela de tempo de 250 ms que precede o segundo sinal entregue aos participantes.
        Observação : esses valores correspondem aos "valores de linha de base" desses gráficos de tempo.
      3. Detectar os instantes após o segundo sinal quando o traço mediolateral e anteroposterior do centro de deslocamento da pressão se desviar 2,5 desvios-padrão do valor basal por pelo menos 50 ms.
        NOTA: Esses dois instantes correspondem ao aparecimento da APA ao longo das direções mediolateral e anteroposterior (t0ML e t0AP, respectivamente; Figura 2). Esses dois instantes também podem ser identificados como os instantes quando os gráficos de tempo da aceleração do centro de gravidade mediolateral e anteroposterior atingem 10% de seu respectivo valor de pico.
      4. Certifique-se de que, na condição de tempo de reação, o início da APA varia entre 150 ms e 300 ms após o segundo sinal (Go). Caso contrário, repita o ensaio e as instruções sobre a pressão temporal.
        NOTA: Se for inferior a 150 ms, os participantes anteciparam. Se for maior que 300 ms, os participantes não estavam focados na tarefa.
      5. Certifique-se de que, na condição auto-iniciada, o início da APA seja superior a 300 ms. Se não for, repita o ensaio e as instruções sobre pressão temporal, pois os participantes podem ter iniciado a marcha em uma condição de tempo de reação.
    2. Tempo de swing heel-off
      1. Exibir os gráficos de tempo da velocidade do centro de gravidade vertical e do deslocamento do centro de pressão anteroposterior.
      2. Identificar o instante em que o traço da velocidade do centro de gravidade vertical atinge o pico descendente após o início da APA como o tempo de swing heel-off24 (Figura 2). Alternativamente, identifique o instante em que o gráfico de tempo do deslocamento do centro de pressão anteroposterior mostra uma queda rápida em direção à linha de base (ou seja, em direção aos dedos dos pés; Figura 2) ou coloque um interruptor de pé (uma ferramenta barata) no calcanhar de balanço.
    3. Tempo de desligamento do dedo do pé
      1. Exibir os gráficos de tempo do deslocamento do centro de pressão mediolateral e anteroposterior e da velocidade anteroposterior do centro de gravidade.
      2. Identifique o instante em que o gráfico de tempo do deslocamento do centro de pressão mediolateral atinge um primeiro (quase) platô direcionado para o lado do pé de postura como o tempo de afastamento do dedo do pé oscilante (Figura 2). Alternativamente, identifique o instante seguinte ao calcanhar de balanço, quando o gráfico de tempo do centro anteroposterior de deslocamento de pressão atingir 90% do valor máximo para trás, ou coloque um interruptor de pé no dedo do pé oscilante.
    4. Tempo de contato do pé de balanço
      1. Exibir os gráficos de tempo do deslocamento do centro anteroposterior da pressão.
      2. Identificar o instante em que o centro de pressão anteroposterior é abruptamente deslocado para a frente (Figura 2) como o tempo de contato do pé oscilante. Se esse gráfico de tempo for derivado, identifique o tempo de contato do pé oscilante como o instante em que esse gráfico de tempo derivado aumenta acentuadamente a partir de seu valor de nível de linha de base. Alternativamente, coloque um interruptor de pé no calcanhar de balanço para detectar esse instante.
        NOTA: Um método semelhante ao descrito anteriormente acima para detecção de APA (com base no cálculo de um valor médio do nível basal; etapa 5.1.1.2) pode ser usado aqui.
    5. Tempo de folga do pé traseiro
      1. Mostre o gráfico de tempo do centro mediolateral de deslocamento de pressão.
      2. Identificar o instante em que o gráfico de tempo do deslocamento do centro de pressão mediolateral atinge um segundo (quase) platô, direcionado na direção oposta à primeira (etapa 5.1.3.2; Figura 2), o tempo de afastamento do pé traseiro25. Alternativamente, coloque um interruptor de pé na parte traseira para detectar esse instante.
  2. Cálculo de variáveis temporais
    1. Calcule o atraso entre o início da APA (t0ML e t0AP) e o tempo de swing heel-off (tHO) para as direções mediolateral e anteroposterior, que correspondem à duração da APA ao longo das direções mediolateral (dAPAML) e anteroposterior (dAPAAP). Ver equações (6) e (7).
      dAPAML = tHO - t0ML (6)
      dAPAAP = tHO - t0AP (7)
    2. Calcule o atraso entre o tempo de desligamento do dedo do balanço (tTO) e o tempo de folga do calcanhar do balanço (tHO), que corresponde à duração da "fase de descarga" (UNLd; Figura 2) usando a equação (8).
      UNLd = tTO - tHO (8)
    3. Calcular o atraso entre o tempo de desligamento do dedo do balanço (tTO) e o contato do pé do balanço (tFC), que corresponde à duração da "fase de balanço" (SWINGd; Figura 2) usando a equação (9).
      SWINGd = tFC - tTO (9)
  3. Cálculo de variáveis espaciais
    1. Posição inicial do centro de pressão
      1. Exibir os gráficos de tempo do deslocamento do centro de pressão ao longo das direções mediolateral e anteroposterior.
      2. Calcule os valores médios das posições do centro de pressão mediolateral (yP0) e anteroposterior (xP0) durante a janela de tempo de 250 ms que precede o segundo sinal (de partida) entregue aos participantes, que são representativos da posição do centro de pressão na postura inicial (ou valor de "linha de base").
        NOTA: As características espaço-temporais da APA descritas acima são sensíveis à posição do centro de pressão na postura inicial26. Portanto, é importante verificar se qualquer alteração nas características da APA entre condições experimentais (por exemplo, uma condição com um obstáculo a ser limpo versus uma condição sem um obstáculo a ser limpo) ou entre populações experimentais (por exemplo, participantes saudáveis versus participantes neurológicos) não pode ser atribuída a uma mudança "simples" na posição do centro de pressão na postura inicial, mas sim ao fator que está sendo investigado.
    2. Amplitude da APA
      1. Exibir os gráficos de tempo do deslocamento do centro de pressão e da velocidade do centro de gravidade ao longo das direções mediolateral e anteroposterior.
      2. Detecte o instante em que cada um desses quatro gráficos de tempo atinge um valor máximo durante a janela de tempo do APA (Figura 2).
      3. Subtraia o valor basal médio do centro de pressão calculado na etapa 5.3.1.2 (ou seja, os valores de xP0 e yP0) do valor máximo do centro de pressão detectado durante a janela de tempo da APA (para cada direção; ou seja, calcule usando as equações (10) e (11)).
        xPAPA = xPMAX - xP0 (10)
        yPAPA = yPMAX - yP0 (11)
        Onde xPAPA e yPAPA são a amplitude da APA (centro de pressão) ao longo das direções anteroposterior e mediolateral, respectivamente; xPMAX e yPMAX são o centro antecipatório máximo de deslocamento da pressão ao longo das direções anteroposterior e mediolateral, respectivamente.
        NOTA: Não é necessária tal subtração basal para a velocidade do centro de gravidade, uma vez que se considera que os participantes estão inicialmente imóveis (a velocidade inicial do centro de gravidade é, portanto, nula; ver passo 4.4). Os quatro valores obtidos são representativos da amplitude da APA (dois valores por direção).
    3. Comprimento do passo e largura do passo
      1. Exibir o gráfico de tempo do deslocamento do centro de pressão ao longo da direção anteroposterior.
      2. Detecte a posição mais para trás da posição do centro de pressão, xPBACK.
      3. Detectar a posição do centro de pressão no momento do afastamento do pé traseiro, xPRFO (Figura 2 e passo 5.1.5).
      4. Calcule a diferença espacial entre essas duas quantidades, que corresponde ao comprimento do passo, L41, usando a equação (12).
        L = xPBACK - Xprfo (12)
      5. Exiba o gráfico de tempo do deslocamento do centro de pressão ao longo da direção mediolateral.
      6. Detectar a posição mais lateral da posição do centro de pressão mediolateral obtida durante o primeiro platô do gráfico de tempo, yPSTANCE ("postura", porque o centro de pressão está localizado sob o pé de postura naquele momento; ver Figura 2).
      7. Detectar a posição lateral do centro de pressão no tempo de afastamento do pé traseiro, yPRFO (Figura 2 e passo 5.1.5).
      8. Calcule a diferença espacial entre essas duas quantidades, que corresponde à largura do passo, W25, usando a equação (13).
        W = yPSTANCE - yPRFO (13)
    4. Realização da iniciação da marcha
      1. Mostre o gráfico de tempo da velocidade do centro de gravidade ao longo da direção anteroposterior (Figura 2).
      2. Detecte o instante em que os participantes atingem a plataforma de força com o pé oscilante (passo 5.1.4, Figura 2) e observe a velocidade do centro de gravidade neste instante como critério de desempenho gastrointestinal.
        NOTA: O valor de pico deste gráfico de tempo, que é atingido alguns milissegundos após o contato do pé oscilante, também pode ser considerado como um critério de desempenho gastrointestinal. O comprimento do passo e a duração da fase de balanço também podem ser considerados como critérios de desempenho gastrointestinal. Quanto mais longas e mais curtas forem essas quantidades, respectivamente, melhor será o desempenho.
    5. Parâmetros de controle de estabilidade
      1. Para o índice de travagem, exiba o gráfico de tempo da velocidade do centro de gravidade ao longo da direção vertical. Detectar o pico de velocidade descendente do centro de gravidade do gráfico de tempo (z'GMIN) e a velocidade do centro de gravidade no tempo de contato do pé oscilante (z'GFC, Figura 2). Calcule a diferença entre essas duas quantidades, denominada "índice de frenagem" (BI), como indicador de controle de estabilidade, utilizando a equação (14).
        BI = Equation 3 (14)
        NOTA: O BI foi introduzido por Do e colegas e fornece evidências de que o sistema nervoso central antecipa o golpe do pé oscilante com a superfície de suporte, diminuindo a velocidade do centro de gravidade vertical durante a fase de balanço do início da marcha 4,5,27. Esta travagem ativa facilita a manutenção da estabilidade após a colisão do pé. Quanto maior o BI, melhor o controle de estabilidade.
      2. Para a margem de estabilidade, exiba os gráficos de tempo da velocidade do centro de gravidade e do deslocamento ao longo da direção mediolateral. Detectar a velocidade (y'GFC) e o deslocamento do centro de gravidade (yGFC) no tempo de contato do pé oscilante (Figura 2). Calcule o componente mediolateral da margem de estabilidade (MOS) no contato do pé usando a equação (15).
        Equation 4(15)
        Onde BOSmax é o limite mediolateral da base de suporte (BOS) e ω0 é a autofrequência do corpo, modelada como um pêndulo invertido. Durante o GI, os participantes pousam sistematicamente na plataforma de força primeiro com o calcanhar de balanço, depois com o dedo do pé. Sob essa estratégia de aterrissagem do pé, o BOSmax pode ser estimado com a posição do centro de pressão mediolateral no momento do pé traseiro (passo 5.1.5). A autofrequência do corpo pode ser calculada usando a equação (16).
        Equation 5(16)
        Onde g = 9,81 m/s² é a aceleração gravitacional e l é o comprimento do pêndulo invertido, que corresponde a 57,5% da altura corporal.
        NOTA: A quantidade entre parênteses na equação (15) é denominada "centro de massa extrapolado"18. A condição da estabilidade no contato com o pé implica que o centro de massa extrapolado está localizado dentro da base de apoio. Essa condição corresponde a um valor MOS positivo. Se o MOS for negativo, ajustes posturais corretivos são necessários para recuperar o equilíbrio.

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Representative Results

Descrição de parcelas de tempo biomecânico representativas obtidas da plataforma de força durante o início da marcha
Seja qual for o nível de pressão temporal ou a instrução sobre a velocidade GI, o swing heel-off é sistematicamente precedido pelo APA. Esses APA podem ser caracterizados por um deslocamento para trás e para o lado da perna oscilante do centro de pressão (Figura 2). Esse deslocamento antecipatório do centro de pressão promove a aceleração do centro de gravidade na direção oposta (ou seja, para a frente e para o lado da perna de postura). Ao longo da direção anteroposterior, a velocidade do centro de gravidade aumenta progressivamente até o pico logo após o contato do pé oscilante. Ao longo da direção mediolateral, a velocidade do centro de gravidade primeiro atinge o pico em direção ao lado da perna de apoio em torno do dedo do pé de balanço, em seguida, atinge o pico em direção ao lado da perna oscilante logo após o contato com o pé. Ao longo da direção vertical, a velocidade do centro de gravidade atinge o pico para baixo em torno da posição média. Em seguida, inverte a direção e atinge um valor próximo de zero ao redor do contato do pé.

Figure 2
Figura 2: Gráficos de tempo biomecânicos representativos obtidos da plataforma de força durante o início da marcha (um único ensaio) e variáveis espaço-temporais selecionadas. A marcha foi iniciada rapidamente em uma condição de tempo de reação. X''G, y''G, z''G: aceleração do centro de gravidade ao longo das direções anteroposterior, mediolateral e vertical, respectivamente. X'G, y'G, z'G: velocidade do centro de gravidade ao longo das direções anteroposterior, mediolateral e vertical, respectivamente. xP, yP: deslocamento do centro de pressão ao longo das direções anteroposterior e mediolateral, respectivamente. Cronometragem de eventos. t0ML, t0AP, tHO, tTO, tFC, tRFO: início da APA ao longo das direções mediolateral e anteroposterior, tempo de calcanhar de balanço, tempo de saída do dedo do pé de balanço, tempo de contato com o pé oscilante e tempo de afastamento do pé traseiro, respectivamente. Variáveis temporais. APA, UNL, SWING: janelas de tempo para APA, fase de descarga e fase de balanço de iniciação da marcha, respectivamente. Variáveis espaciais. X'GFO, x'GFC, xPMAX, yPMAX, L, W, z'GMIN, z'GFC: velocidade anteroposterior do centro de gravidade ao pé e ao contato com o pé, deslocamento do centro antecipatório máximo de pressão ao longo das direções anteroposterior e mediolateral, comprimento do passo, largura do passo, velocidade do centro de gravidade descendente de pico e velocidade do centro de gravidade vertical no tempo de contato do pé oscilante, respectivamente. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Valores representativos de variáveis experimentais em adultos jovens saudáveis: Influência da velocidade e pressão temporal

Variáveis temporais

Duração da APA
A duração da APA ao longo das direções anteroposterior e mediolateral depende da velocidade do IG, mas de forma oposta. Mais especificamente, a duração da APA ao longo da direção anteroposterior aumenta com a velocidade GI, com valores típicos variando entre ~500 ms para IG lento e ~700 ms para GI rápido9. Por outro lado, a duração da APA ao longo da direção mediolateral diminui com a velocidade gastrointestinal. Os valores típicos variam entre ~700 ms para IG lento e ~500 ms para GI21 rápido.

A duração da APA anteroposterior e mediolateral também depende da pressão temporal (os valores fornecidos acima são para uma condição auto-iniciada (ou seja, uma condição com um baixo nível de pressão temporal). Estudos na literatura tipicamente comparam a duração da APA em uma condição com pressão temporal baixa versus alta, quando a marcha é iniciada em uma condição rápida 1,28. Nessas condições, a duração da APA anteroposterior e mediolateral diminui em aproximadamente 20-30 ms na condição de tempo de reação em comparação com a condição auto-iniciada.

Duração da fase de descarga
A duração da fase de descarga depende da velocidade do GI (ou seja, diminui quando a velocidade do GI aumenta). As durações típicas variam entre ~200 ms para GI lento e ~70 ms para GI21 rápido. A duração da fase de descarga não é sensível à pressão temporal, pelo menos quando a marcha é iniciada em condição rápida29.

Duração da fase de balanço
A duração da fase de balanço depende da velocidade do IG (ou seja, diminui quando a velocidade aumenta). As durações típicas variam entre ~ 500 ms para GI lento e ~ 300 ms para GIrápido 21. Por outro lado, essa duração não é sensível à pressão temporal, pelo menos quando a marcha é iniciada em condição de jejum29.

Variáveis espaciais

Amplitude da APA
A amplitude da APA depende da velocidade do IG. Mais especificamente, em uma condição auto-iniciada, a amplitude da APA ao longo da direção anteroposterior aumenta quando a velocidade do IG aumenta9. Os valores típicos de APA variam entre ~7 cm e ~0,15 m/s (para o centro antecipatório de deslocamento de pressão e a velocidade do centro de gravidade, respectivamente) para GI lento, e ~13 cm e ~0,36 m/s para IG rápido. A amplitude da APA ao longo da direção mediolateral, em termos de deslocamento do centro de pressão, também aumenta com a velocidade do GI21. Os valores típicos variam entre ~ 3 cm para IG lento e ~ 4 cm para IG rápido. Por outro lado, a velocidade máxima do centro de gravidade atingido durante a APA (direção mediolateral) não se altera com a velocidade do IG. Os valores típicos são ~0,13 m/s. A amplitude da APA também é sensível à pressão temporal, pelo menos quando a marcha é iniciada rapidamente28,29. Mais especificamente, os componentes anteroposterior e mediolateral da APA aumentam com a pressão temporal.

Comprimento do passo e largura do passo
O comprimento do passo e a largura do passo dependem da velocidade do IG, mas não da pressão temporal. O comprimento do passo normalmente atinge ~50 cm e ~90 cm quando a marcha é iniciada em uma condição lenta e rápida, respectivamente23. A largura do degrau normalmente atinge ~12 cm e ~14 cm quando a marcha é iniciada em uma condição gastrointestinal lenta e rápida, respectivamente9.

Realização da iniciação da marcha
O pico de velocidade do centro de gravidade normalmente varia entre ~1 m/s para GI lento e ~2 m/s para GI rápido10. Para o IG rápido, a pressão temporal não afeta esse parâmetrode desempenho 29, embora possa induzir uma pequena alteração (~9%)28.

Parâmetros de controle de estabilidade

Índice de travagem
O BI é sensível à velocidade do GI. Quando a marcha é iniciada em uma condição lenta com um comprimento de passo inferior a ~ 43 cm, o BI é nulo porque não há necessidade de frear a queda do centro de gravidade. A necessidade de frear a queda do centro de gravidade ocorre para comprimentos de degraus superiores a 43 cm. Um valor típico de BI é de 0,08 m/s para marcha iniciada a 1 m/s e com um comprimento de passo de 55 cm27.

Margem de estabilidade
O MOS não é sensível à velocidade do IG ou à pressão temporal21,30. Os valores típicos de MOS obtidos durante o IG são ~5 cm21.

Figura Suplementar S1: Capturas de tela do software (Qualisys Track Manager) mostrando as forças de reação terrestre 3D durante o início da marcha. À esquerda, o eixo da plataforma de força, o centro de posição de pressão (correspondente ao ponto de aplicação do vetor de força de reação do solo) e o vetor de força de reação do solo na postura inicial; certo, o curso do tempo das forças de reação terrestre 3D brutas durante o início da marcha (um participante, um ensaio). Traços verdes, vermelhos e azuis representam a força de reação do solo ao longo da direção anteroposterior, mediolateral e vertical, respectivamente. Ordenado: amplitude de força em Newtons. Abscissa: tempo em ms. Os participantes inicialmente ficaram no lado esquerdo da plataforma de força e iniciaram a marcha para o lado direito. Observe que o participante deixou a plataforma de força no momento t = 3.200 ms. Clique aqui para baixar este arquivo.

Figura suplementar S2: Capturas de tela do software (Qualisys Track Manager) mostrando o centro bruto dos traços de deslocamento de pressão. À esquerda, o eixo da plataforma de força, a posição do centro de pressão (correspondente ao ponto de aplicação do vetor de força de reação no solo) e o vetor de força de ação exercido pelo participante na plataforma de força na postura inicial; à direita, o curso temporal dos traços brutos de deslocamento do centro de pressão (um participante, um ensaio). Os traços verde e vermelho representam o centro de deslocamento da pressão ao longo da direção anteroposterior e mediolateral, respectivamente. Ordenado: deslocamento em milímetros. Abscissa: tempo em ms. Os participantes inicialmente ficaram no lado esquerdo da plataforma de força e iniciaram a marcha para o lado direito. Observe que o participante deixou a plataforma de força no momento t = 3.200 ms. Clique aqui para baixar este arquivo.

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Discussion

O objetivo deste artigo foi fornecer a acadêmicos, clínicos e estudantes do ensino superior informações sobre o método (o método "global") utilizado em nosso laboratório para investigar a organização biomecânica da iniciação da marcha (GI). Etapas críticas do protocolo, limitações do método e métodos e aplicativos alternativos são discutidos abaixo.

Uma etapa crítica no protocolo é a detecção dos eventos de temporização do IG (ou seja, início da APA, balanço do calcanhar e do dedo do pé e pé traseiro). Os valores das variáveis temporais e espaciais relacionadas à organização do IG dependem da correta detecção desses eventos. Para cada um deles, vários métodos de detecção foram propostos (estes métodos propostos não são exaustivos). Recomenda-se o uso do mesmo método ao longo da análise de dados para garantir a consistência entre ensaios e condições experimentais e permitir a comparação entre estudos na literatura. No entanto, também é recomendável usar pelo menos dois métodos diferentes para garantir que os eventos de tempo corretos sejam detectados corretamente (apenas pequenas diferenças nos valores das características temporais são esperadas nesses métodos). Além disso, para cada evento de temporização, a detecção automática pode ser aplicada (por exemplo, com uma rotina MATLAB). Essa rotina pode ser programada facilmente através dos métodos fornecidos neste artigo. Recomenda-se fortemente verificar visualmente a coerência e a "credibilidade" dos dados obtidos automaticamente com essas rotinas. Por exemplo, a amplitude do centro antecipatório de deslocamento de pressão não deve exceder a base do tamanho do suporte. Espera-se que seja direcionado para trás e para o lado da perna oscilante (exceto para populações experimentais específicas); espera-se que o tempo de desligamento do dedo do pé ocorra após o balanço do calcanhar; O início da APA não deve ocorrer antes de 150 ms antes do sinal de partida ou 300 ms depois (em uma condição de tempo de reação). Em outras palavras, acredita-se que a detecção automática por si só não é suficiente para analisar os dados de forma adequada e "segura"; é essencial ter um conhecimento aprofundado de i) o curso temporal global das parcelas biomecânicas esperadas da plataforma de força e ii) os valores típicos esperados de participantes saudáveis. Acreditamos que, além da capacidade de programar rotinas automáticas, esse conhecimento é de forte valor didático para estudantes do ensino superior em biomecânica. É por isso que esses dois elementos são fornecidos neste artigo.

Reconhece-se que o método "global" tem pelo menos duas limitações. Primeiro, este método não fornece dados sobre a postura inicial dos participantes (ou seja, sobre a posição relativa dos segmentos corporais), mas fornece dados sobre o centro de pressão inicial e a posição do centro de gravidade (cuja posição relativa determina a condição de equilíbrio). O mesmo centro de pressão inicial e a mesma posição do centro de gravidade poderiam, teoricamente, ser alcançados com um número infinito de posturas. Em outras palavras, as condições posturais iniciais sob as quais os participantes iniciam a marcha podem não ser totalmente controladas com o método global. A verificação visual da postura inicial dos participantes por um pesquisador ou clínico experimentado é, portanto, importante se a posição relativa dos segmentos corporais não puder ser registrada (por exemplo, com uma câmera). Em segundo lugar, o método não fornece informações sobre a contribuição de cada aceleração do segmento do corpo (ou acelerações "locais") para a aceleração do centro de gravidade de todo o corpo. Segue-se que é teoricamente possível que a aceleração de certos segmentos corporais possa ser compensada por uma desaceleração de alguns segmentos corporais distantes, resultando em uma aceleração nula do centro de gravidade de corpo inteiro durante a APA31. Assim, o uso de acelerômetros posicionados em vários segmentos do corpo (por exemplo, tronco, quadris, pernas) pode ser relevante para completar os dados da plataforma de força.

Um método alternativo e popular para calcular o centro de gravidade de todo o corpo durante o GI é o método cinemático , que é baseado em gravações usando um sistema de captura de movimento de marcadores reflexivos colados a segmentos articulares de todo o corpo. Os sinais fornecidos por esses marcadores reflexivos permitem a reconstituição do esqueleto de todo o corpo. Com base no tamanho de cada segmento corporal assim reconstituído e nas informações fornecidas por tabelas antropométricas (por exemplo, massa e densidade dos ossos), a posição 3D do centro de gravidade de cada segmento pode ser calculada com o software da câmera. Com esses dados, é possível calcular a posição 3D do centro de gravidade de todo o corpo. Com a derivação sucessiva do sinal de posição, a velocidade e a aceleração do centro de gravidade de todo o corpo podem ser obtidas. Para calcular a cinemática do centro de gravidade de todo o corpo, são necessários 53 marcadores reflexivos32. No entanto, um modelo simplificado com 13 marcadores foi recentemente proposto por Tisserand et al.33.

As vantagens do método global (que pode ser assimilado em um método cinético , uma vez que se baseia no registro de forças e momentos) sobre o método cinemático para investigar a organização postural do GI são as seguintes: i) não requer preparação dos participantes, economizando tempo, o que é particularmente importante nos casos de pacientes frágeis ou patológicos que participam do experimento; ii) evita possíveis erros no cálculo da aceleração do centro de gravidade de corpo inteiro devido a pequenos erros cumulativos no posicionamento do marcador feitos pelo experimentador, uma vez que o método global fornece uma medida direta dessa quantidade; iii) a posição do centro de pressão não pode ser calculada usando sistemas de captura de movimento. A principal desvantagem do método global em relação ao método cinemático foi levantada acima - não permite a investigação da postura ou coordenação segmentar.

Agora, vale ressaltar que os resultados da literatura atual sugerem que ambos os métodos fornecem medida equivalente da cinemática do centro de gravidade e do tempo de eventos durante tarefas locomotoras. Por exemplo, Langeard et al.34 relataram que estimar a frenagem do centro de gravidade (o "índice de frenagem" (BI)) usando o método global ou o método cinemático durante o IG foi altamente confiável. Durante as reações compensatórias de pisada, Maki e McIlroy35 relataram que a velocidade anteroposterior e o deslocamento do centro de gravidade computados no contato do pé com ambos os métodos proporcionaram concordância razoavelmente boa tanto em adultos jovens saudáveis quanto em idosos. Da mesma forma, durante a caminhada reta em terreno plano em pessoas com amputação transfemoral, Lansade et al.36 mostraram que a estimativa da velocidade do centro de gravidade a partir da integração de dados da plataforma de força foi aceitável. Finalmente, Caderby et al.24 e Yiou et al.25 mostraram que esses dois métodos forneceram uma estimativa semelhante do evento swing heel off e do comprimento/largura do passo, respectivamente, durante o GI.

O método global foi inicialmente aplicado ao paradigma GI em adultos jovens saudáveis para obter conhecimentos básicos sobre o controle postural normal durante uma tarefa motora funcional que requer propulsão simultânea de corpo inteiro e manutenção da estabilidade10. Desde então, foi amplamente estendido para investigar muitas outras tarefas motoras dinâmicas de corpo inteiro, como mergulhar na esgrima37, saltar38, sentar-se para ficar em pé39 e flexão de membros inferiores40. Vale ressaltar que o método também tem sido aplicado para investigar o controle postural durante o término de diversas tarefas motoras, incluindo o passo único41 e o apontamento 42, podendo potencialmente ser aplicado para investigar a terminação da marcha, como já foi feito anteriormente com o método cinemático43. Por fim, o método também tem sido amplamente utilizado em pacientes com condições neurológicas e em idosos para melhor compreender os mecanismos fisiopatológicos que afetam o controle postural dinâmico 2,3,4,5 e, mais recentemente, em pacientes com doença de Parkinson para testar a efetividade de várias intervenções não farmacológicas (como o alongamento do tornozelo44 e a estimulação elétrica funcional 3 ) no aumento do controle postural.

Em conclusão, este artigo apresentou um método detalhado para investigar o controle postural durante o início da marcha. Para cada variável, foram fornecidos valores normativos obtidos em adultos jovens saudáveis. O método tem uma forte formação biomecânica, uma vez que se baseia nas leis da mecânica para calcular a cinemática do centro de gravidade e do centro de pressão. A análise da interação entre esses dois pontos virtuais é um ponto-chave desse método, uma vez que determina as condições de estabilidade e progressão de todo o corpo. Como o desempenho da maioria de nossas tarefas motoras diárias (incluindo esportes e trabalho) requer progressão segura (estável) de corpo inteiro, o método é altamente apropriado para obter informações sobre os mecanismos pós-urodinâmicos subjacentes à eficiência / deficiência motora em populações saudáveis e patológicas. Portanto, tem fortes aplicações na ciência do movimento humano, ciência do esporte, ergonomia e ciência clínica.

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Disclosures

Os autores não têm interesses concorrentes.

Acknowledgments

Os autores agradecem à ANRT e à LADAPT.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Force platform(s) AMTI One large [120 cm x 60 cm] or two small [60 cm x 40 cm] force platform(s)
Python or Matlab Python or MathWorks Programming language for the computation of experimental variables
Qualisys track manage Qualisys Software for the synchronization of the force platform(s), the recording and the on-line visualization of raw biomechanical traces (3D forces and moments)
Visual3D C-Motion Inc Software for the processing of raw biomechanical traces (low-pass filtering)

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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).

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