Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Organización postural de la iniciación de la marcha para el análisis biomecánico utilizando grabaciones de plataforma de fuerza

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 artículo describe el material y el método desarrollado para investigar la organización postural de la iniciación de la marcha. El método se basa en registros de plataforma de fuerza y en el principio directo de la mecánica para calcular el centro de gravedad y la cinemática del centro de presión.

Abstract

La iniciación de la marcha (GI), la fase transitoria entre la postura ortógrada y la locomoción en estado estacionario, es una tarea funcional y un paradigma experimental que se utiliza clásicamente en la literatura para obtener información sobre los mecanismos posturales básicos que subyacen al movimiento corporal y al control del equilibrio. La investigación GI también ha contribuido a una mejor comprensión de la fisiopatología de los trastornos posturales en pacientes ancianos y neurológicos (por ejemplo, pacientes con enfermedad de Parkinson). Como tal, se reconoce que tiene importantes implicaciones clínicas, especialmente en términos de prevención de caídas.

Este artículo tiene como objetivo proporcionar a académicos, médicos y estudiantes de educación superior información sobre el material y el método desarrollado para investigar la organización postural gastrointestinal a través de un enfoque biomecánico. El método se basa en registros de plataforma de fuerza y el principio directo de la mecánica para calcular la cinemática del centro de gravedad y el centro de presión. La interacción entre estos dos puntos virtuales es un elemento clave en este método, ya que determina las condiciones de estabilidad y progresión de todo el cuerpo. El protocolo implica que el participante inicialmente esté inmóvil en posición vertical y comience a caminar hasta el final de una pista de al menos 5 m.

Se recomienda variar la velocidad GI (lenta, espontánea, rápida) y el nivel de presión temporal: la marcha puede iniciarse tan pronto como sea posible después de la entrega de una señal de salida (alto nivel de presión temporal) o cuando el participante se sienta listo (bajo nivel de presión temporal). Se definen los parámetros biomecánicos obtenidos con este método (por ejemplo, duración y amplitud de los ajustes posturales anticipatorios, longitud/anchura del paso, rendimiento y estabilidad) y se detalla su método de cálculo. Además, se proporcionan valores típicos obtenidos en adultos jóvenes sanos. Finalmente, se discuten los pasos críticos, las limitaciones y la importancia del método con respecto al método alternativo (sistema de captura de movimiento).

Introduction

La iniciación de la marcha (GI), la fase transitoria entre la postura ortógrada y la locomoción en estado estacionario, es una tarea funcional y un paradigma experimental que se utiliza clásicamente en la literatura para investigar el control postural durante una tarea motora compleja que requiere propulsión y estabilidad simultáneas de todo el cuerpo1. Se sabe que los pacientes con afecciones neurológicas, como la enfermedad de Parkinson2, el accidente cerebrovascular3, la parálisis supranuclear progresiva4 y los "trastornos de la marcha de nivel superior"5, tienen dificultades para iniciar la marcha, lo que los expone a un mayor riesgo de caídas. Por lo tanto, es importante que las ciencias básicas y clínicas desarrollen conceptos y métodos para obtener información sobre los mecanismos de control postural en juego durante el inicio de la marcha, para obtener conocimiento científico y una mejor comprensión de la fisiopatología de los trastornos de la marcha y el equilibrio y poder remediarlos a través de intervenciones adecuadas.

El concepto de organización biomecánica de la iniciación de la marcha se describe a continuación, y el método clásico diseñado para investigar esta organización se detalla en la sección de protocolo. GI se puede subdividir en tres fases sucesivas: la fase de "ajustes posturales anticipatorios" (APA) correspondiente a los fenómenos dinámicos que ocurren en todo el cuerpo antes del swing heel-off, la fase de "descarga" (entre swing heel-off y toe-off), y la fase de "swing" que termina en el momento en que el swing foot entra en contacto con la superficie de apoyo. Esta subdivisión clásica del proceso GI tiene su origen en los estudios pioneros de Belenkii et al.6 y otros7,8, centrándose en la coordinación entre la postura y el movimiento durante la elevación voluntaria del brazo a horizontal en la postura erecta. En este paradigma, los segmentos corporales que están directamente involucrados en la elevación del brazo corresponden a la cadena "focal", mientras que los segmentos corporales que se interponen entre la parte proximal de la cadena focal y la superficie de apoyo corresponden a la cadena "postural"9. Estos autores informaron que la elevación del brazo fue precedida sistemáticamente por fenómenos dinámicos y electromiográficos en la cadena postural, que llamaron "ajustes posturales anticipatorios". Para GI, swing heel-off (o swing toe-off, dependiendo de los autores) es considerado como el inicio del movimiento de la marcha10. En consecuencia, los fenómenos dinámicos que ocurren antes de ese instante corresponden a APA, y la extremidad oscilante es considerada como un componente de la cadena focal11. Esta afirmación está de acuerdo con la concepción clásica de la organización biomecánica del movimiento, según la cual cualquier acto motor debe involucrar un componente focal y otro postural12,13.

Desde un punto de vista biomecánico, APA asociado con GI se manifiesta como un desplazamiento hacia atrás y mediolateral (orientado hacia el lado de la pierna oscilante) del centro de presión, que actúa para impulsar el centro de gravedad en la dirección opuesta: hacia adelante y hacia el lado de la pierna de la posición. Cuanto mayor sea el desplazamiento anticipatorio hacia atrás del centro de presión, mayor será el rendimiento del motor en términos de la velocidad del centro de gravedad delantero en contacto con el pie10,14. Además, al propulsar el centro de gravedad hacia el lado de la pierna de apoyo, los APA contribuyen a mantener la estabilidad mediolateral durante la fase de oscilación de GI 1,15,16,17. La literatura actual enfatiza que la alteración en este control anticipatorio de la estabilidad es una fuente importante de caídas en los ancianos1. La estabilidad durante el GI ha sido cuantificada en la literatura con una adaptación del "margen de estabilidad"18, cantidad que tiene en cuenta tanto la velocidad como la posición del centro de gravedad dentro de la base de apoyo. Además del desarrollo de APA, se ha informado que la caída del centro de gravedad durante la fase de oscilación de GI bajo el efecto de la gravedad se frena activamente por el tríceps surae de la pierna de apoyo. Este frenado activo facilita el mantenimiento de la estabilidad después del contacto con el pie, permitiendo un aterrizaje suave del pie en la superficie de apoyo4.

El objetivo de este artículo es proporcionar a académicos, clínicos y estudiantes de educación superior información sobre el material y el método desarrollado en nuestro laboratorio para investigar la organización postural de GI a través de un enfoque biomecánico. Este método "global" (que también puede ser asimilado a un método "cinético" por las razones que se detallan a continuación) fue iniciado por Brenière y colaboradores10,19. Se basa en el principio directo de la mecánica para calcular tanto la aceleración del centro de gravedad, como las posiciones instantáneas del centro de presión. Cada uno de estos puntos es una expresión global específica del movimiento.

Una es la expresión instantánea de los movimientos de todos los segmentos del cuerpo relacionados con el propósito del movimiento (el centro de gravedad; por ejemplo, la velocidad de progresión del cuerpo durante el GI); El otro (el centro de presión) es la expresión de las condiciones de apoyo necesarias para alcanzar este objetivo. Las posiciones instantáneas de estos dos puntos reflejan las condiciones posturodinámicas que deben satisfacerse para el inicio de la marcha. La plataforma de fuerza es el instrumento apropiado para este modelo porque permite la medición directa de las fuerzas externas y los momentos que actúan en la superficie de apoyo durante el movimiento. También permite la realización de movimientos naturales y no requiere ninguna preparación especial.

Se sabe que muchos factores influyen en la organización postural de la GI, incluyendo factores biomecánicos, (neuro)fisiológicos, psicológicos, ambientales y cognitivos 1,20. Este artículo se centra en la influencia de dos factores, la velocidad de GI y la presión temporal, y proporciona valores típicos obtenidos en adultos jóvenes sanos.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

El protocolo descrito a continuación sigue las directrices del comité de ética de investigación humana de la Université Paris-Saclay. Los participantes aprobaron y firmaron un formulario de consentimiento.

1. Participantes

  1. Incluya al menos 15 participantes adultos jóvenes sanos en el experimento (de 20 a 40 años de edad).
    NOTA: Este número recomendado de asignaturas corresponde a lo que se considera clásicamente en la literatura sobre IG.
  2. Excluir a los participantes con ayudas para caminar, problemas visuales, auditivos u ortopédicos, trastornos neurológicos identificados, demencia, deficiencias cognitivas (es decir, una puntuación < 25 en el Mini Examen del Estado Mental) y un historial médico de caídas.
  3. Pida a los participantes que den su consentimiento por escrito después de informarles de la naturaleza y el propósito del experimento.
  4. Asegúrese de que el experimento se ajusta a las normas establecidas por la Declaración de Helsinki.

2. Preparación de laboratorio

  1. Asegúrese de que la plataforma de fuerza sea lo suficientemente larga como para que todo el pie oscilante caiga sobre ella al final del primer paso. Si no es así, use dos plataformas de fuerza de distancia pequeña, con los participantes de pie en la postura inicial en la primera y golpeando su pie de balanceo en la segunda colocada frente a las primeras21. En ambos casos, asegúrese de que la(s) plataforma(s) de fuerza estén(n) incrustadas en una pista de al menos 5 m de largo para asegurar que se alcance la marcha en estado estacionario.
    NOTA: Una plataforma de fuerza que registre los momentos y fuerzas 3D es necesaria para calcular todo el conjunto de variables experimentales (ver sección 5).
    1. Como medida de seguridad, fije un arnés al techo y céntrelo en el gran hacha de la plataforma de fuerza en caso de que el experimento incluya pacientes frágiles (por ejemplo, pacientes neurológicos).
  2. Calibre la(s) plataforma(s) de fuerza. Haga clic en el botón de cero automático .
  3. Importación de las revistas
    1. Abra el administrador de pistas de calificación.
    2. Elija y abra la carpeta "Proyecto".
  4. Cree una carpeta de pacientes.
    1. Haga clic en Agregar y, a continuación, seleccione pacientes.
    2. Ingrese las etiquetas: ID del paciente, Nombre, Apellido, Fecha de nacimiento, Sexo y Comentario si es necesario.
    3. Haga clic en Agregar y, a continuación, seleccione Sesión de marcha .
    4. Introduzca las etiquetas: ID del caso, Operador de prueba, Comentarios si es necesario, Diagnóstico, Diagnóstico secundario, Lado afectado, Clasificación de la función motora gruesa, Escala de movilidad funcional, Altura, Peso, Longitud de la pierna izquierda, Longitud de la pierna derecha, Anchura de la rodilla izquierda, Anchura de la rodilla derecha, Anchura del tobillo izquierda, Anchura del tobillo derecha, Delta de la suela izquierda, Delta de la suela derecha, Desplazamiento del hombro a la izquierda, Desplazamiento del hombro a la derecha, Anchura del codo izquierda, Ancho del codo a la derecha, ancho de la muñeca a la izquierda, ancho de la muñeca a la derecha, grosor de la mano a la izquierda, grosor de la mano derecha y diámetro del marcador.
    5. Haga clic en Agregar y, a continuación, seleccione Sesión sin marcadores .
    6. Introduzca las etiquetas: Condición de prueba, Prothesis_Orthosis, Ayuda externa, Ayuda externa, Ayuda personal, Lado de ayuda personal, Comentarios si es necesario, Operador de prueba y Modo de evento (elija placa de fuerza múltiple).
  5. Compruebe la placa de fuerza automáticamente a cero.
    1. Seleccione Herramientas.
    2. Haga clic en Force Plates.
    3. Haga clic en Al iniciar la vista previa en el cuadro de etiqueta "Force plate auto-zero".
  6. Asegúrese de que las señales de referencia de la plataforma de fuerza (fuerzas y momentos) estén en cero cuando no esté cargada.
    1. Haga clic en Nuevo o use el acceso directo Ctrl + N.
    2. Haga clic en Información de datos Ventana 1 o use el acceso directo Ctrl + D.
    3. Haga clic en Mostrar datos de fuerza o use el acceso directo Ctrl + D.
    4. Haga clic en Forzar y seleccione Trazar.

3. Procedimiento experimental

  1. Pida a los participantes que se paren descalzos e inmóviles en una plataforma de fuerza en su postura erguida natural, con los brazos colgando libremente contra sus costados y su mirada dirigida a un objetivo a la altura de los ojos al menos a 5 m de distancia (Figura 1).
    NOTA: Delinee la posición de los pies en la plataforma de fuerza en la postura inicial (p. ej., con tiza). Verifique cuidadosamente que los participantes reposicionen sus pies en estas marcas después de cada prueba. Este punto es importante ya que la posición inicial del pie influye en las características APA de GI.
  2. Determine la pierna inicial preferencial de los participantes empujando ligeramente contra la espalda de los participantes mientras están en la postura inicial con los ojos cerrados para provocar un paso adelante.
  3. Explique a los participantes que la tarea que deben realizar es iniciar la marcha desde la postura de pie con la pierna preferida, continuar caminando hasta el final de la pista y luego regresar silenciosamente a la postura inicial de pie.
    NOTA: Si durante el experimento la marcha no se inicia con la pierna preferida identificada en un ensayo determinado, repita el ensayo.
  4. Explique que la marcha debe iniciarse siguiendo dos señales sucesivas (acústica, visual o táctil): una señal preparatoria y una señal de salida (véanse los pasos 3.6 y 3.7).
  5. Explique las instrucciones sobre la velocidad y la presión temporal (ver pasos 3.8-3.10).
  6. Entregar la primera señal (preparatoria) a los participantes. Indíqueles que permanezcan inmóviles y eviten anticipar GI en esta primera señal.
  7. Entregue la segunda señal (de salida) después de un retraso aleatorio de 2-5 s después de la señal preparatoria.
    1. Asegúrese de que los participantes estén visualmente inmóviles antes de entregar esta segunda señal. Compruebe la inmovilidad en línea con los gráficos de tiempo del centro anteroposterior o mediolateral de desplazamiento de presión
      NOTA: Si no están inmóviles, la detección del inicio de APA (paso 5.1.1) puede ser difícil.
  8. Indique a los participantes que inicien la marcha i) tan pronto como sea posible (es decir, en una condición de tiempo de reacción), o ii) solo una vez que se sientan listos (es decir, en una condición autoiniciada) después de la señal de salida.
  9. Varíe las condiciones de "presión temporal" impuestas a GI (es decir, baja presión temporal (condición autoiniciada) y alta presión temporal (condición de tiempo de reacción)).
  10. Varíe las condiciones de velocidad GI (condiciones lentas, espontáneas, rápidas).
    1. Para limitar el número de condiciones experimentales y así evitar la fatiga, instruya a los participantes para que realicen solo dos condiciones de velocidad GI (por ejemplo, lenta y rápida) bajo una condición de presión temporal baja o alta, o a la inversa (es decir, GI a una velocidad lenta o rápida bajo una condición de presión temporal alta y baja).
      NOTA: Repita las instrucciones sobre la presión temporal y la velocidad GI con frecuencia.
  11. Instruir a los participantes para realizar series de 10 ensayos sucesivos en cada condición experimental.
    NOTA: Una serie de cinco ensayos es suficiente para sujetos ancianos o pacientes con enfermedad de Parkinson22.
    1. Aleatorice las condiciones de velocidad GI y presión temporal entre los participantes para evitar efectos de orden.
  12. Imponer un descanso de al menos 2 min entre condiciones sucesivas para evitar los efectos de la fatiga.
  13. En cada condición, permita que los participantes realicen dos pruebas de familiarización antes de las grabaciones.
  14. Activar la adquisición de datos desde la plataforma de fuerza unos segundos antes del inicio de la señal preparatoria y detenerse una vez que el participante haya abandonado la plataforma de fuerza.

Figure 1
Figura 1: Configuración experimental. Los participantes inicialmente se paran en una plataforma de fuerza (1) incrustada en una pista de al menos 5 m de largo (2), con la mirada dirigida hacia un objetivo a la altura de los ojos (3). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

4. Procesamiento de grabaciones cinéticas de plataforma de fuerza

  1. Filtre los datos de la plataforma de fuerza utilizando una orden de Butterworth de paso bajo sin retraso con una frecuencia de corte de 15 Hz.
    1. Importe el archivo.
    2. Abra Visual3D.
    3. Elija y abra el archivo "Proyecto".
    4. Tratamiento
      1. Haga clic en Canalización o use el acceso directo F11.
      2. Seleccione Filtro de señal.
      3. Seleccione Lowpass_Filter.
      4. Haga clic en Ejecutar.
  2. Recopile datos de la plataforma de fuerza a una velocidad de 100 Hz.
    1. Haga clic en Canalización o use el acceso directo F11.
    2. Seleccione Guardar / Exportar archivo.
    3. Seleccione Export_Data_To_Acsii_File.
    4. Haga clic en Editar.
    5. Introduzca 100 en la etiqueta Número de puntos para normalización.
    6. Haga clic en Ejecutar.
  3. Calcule las gráficas de tiempo de las aceleraciones instantáneas del centro de gravedad a lo largo de las direcciones anteroposterior (x''G), mediolateral (y''G) y vertical (z''G) a partir de las fuerzas de reacción del suelo 3D obtenidas con la plataforma de fuerza (ver Figura suplementaria S1) utilizando la segunda ley de Newton10,23.
    NOTA: De acuerdo con la segunda ley de Newton, la suma de las fuerzas externas aplicadas a un sistema es igual a la masa de este sistema (m) multiplicada por la aceleración de su centro de gravedad. Por lo tanto, con el protocolo GI descrito en este estudio, las únicas fuerzas externas aplicadas a los participantes son el peso corporal (PC) y las fuerzas de reacción del suelo (R). Las ecuaciones (1), (2) y (3) se pueden escribir:
    x''G = Rx / m (1)
    y''G = Ry / m (2)
    z"G = (Rz - BW) / m (3)
    Donde Rx, Ry, Rz son los componentes instantáneos anteroposterior, mediolateral y vertical de la fuerza de reacción del vector tierra, respectivamente. Los gráficos típicos de x''G, y''G y z''G se muestran en la Figura 2.
  4. Calcule las gráficas de tiempo 3D de la velocidad del centro de gravedad mediante una integración numérica simple de las gráficas de tiempo de aceleración del centro de gravedad 3D, utilizando constantes de integración iguales a cero (es decir, velocidad del centro de gravedad inicial 3D considerada como nula10). Consulte la Figura 2 para ver los gráficos de tiempo típicos de la velocidad anteroposterior, mediolateral y vertical del centro de gravedad (x'G, y'G y z'G, respectivamente).
  5. Realice una integración adicional de la gráfica de tiempo y'G para obtener el desplazamiento del centro de gravedad a lo largo de la dirección mediolateral. Utilice esta cantidad para calcular el "margen de estabilidad" (véase el paso 5.3.5.2).
  6. Calcule el desplazamiento mediolateral (yP) y anteroposterior (xP) del centro de presión a partir de los datos de la plataforma de fuerza utilizando las ecuaciones (4) y (5):
    Equation 1(4)
    Equation 2(5)
    Donde Mx y My son los momentos instantáneos alrededor de las direcciones anteroposterior y mediolateral, respectivamente; Rx, Ry y Rz son las fuerzas instantáneas de reacción anteroposterior, mediolateral y vertical del suelo, respectivamente; y dz es la distancia entre la superficie de la plataforma de fuerza y su origen (proporcionada por el fabricante). Los gráficos de tiempo típicos de xP e yP se muestran en la Figura 2 (consulte también la Figura Suplementaria S2).

5. Variables experimentales

NOTA: Cada variable experimental descrita a continuación debe extraerse de las gráficas de tiempo experimental obtenidas para cada ensayo.

  1. Detección de los eventos de sincronización del inicio de la marcha
    1. Inicio de APA
      1. Mostrar los gráficos de tiempo del centro de desplazamiento de presión a lo largo de las direcciones mediolateral y anteroposterior.
      2. Calcular el valor medio del gráfico de tiempo del centro de presión mediolateral y anteroposterior durante la ventana de tiempo de 250 ms anterior a la segunda señal entregada a los participantes.
        NOTA: Estos valores corresponden a los "valores de línea base" de estas gráficas de tiempo.
      3. Detectar los instantes que siguen a la segunda señal cuando la traza de desplazamiento mediolateral y anteroposterior del centro de presión se desvía 2,5 desviaciones estándar del valor basal durante al menos 50 ms.
        NOTA: Estos dos instantes corresponden al inicio de APA a lo largo de las direcciones mediolateral y anteroposterior (t0ML y t0AP, respectivamente; Figura 2). Estos dos instantes también pueden identificarse como los instantes en que las gráficas de tiempo de la aceleración del centro de gravedad mediolateral y anteroposterior alcanzan el 10% de su respectivo valor máximo.
      4. Asegúrese de que, en la condición de tiempo de reacción, el inicio de APA oscila entre 150 ms y 300 ms después de la segunda señal (Go). Si no es así, repita el ensayo y las instrucciones sobre la presión temporal.
        NOTA: Si es menos de 150 ms, los participantes han anticipado. Si es mayor de 300 ms, los participantes no se centraron en la tarea.
      5. Asegúrese de que en la condición autoiniciada, el inicio de APA sea mayor de 300 ms. Si no es así, repita el ensayo y las instrucciones sobre la presión temporal, ya que los participantes pueden haber iniciado la marcha en una condición de tiempo de reacción.
    2. Tiempo de swing heel-off
      1. Mostrar los gráficos de tiempo del centro de gravedad vertical de la velocidad y el centro anteroposterior del desplazamiento de la presión.
      2. Identifique el instante en que la traza de la velocidad del centro de gravedad vertical alcanza su punto máximo hacia abajo después del inicio de APA como el tiempo de swing heel-off24 (Figura 2). Alternativamente, identifique el instante en que la gráfica de tiempo del centro anteroposterior de desplazamiento de presión muestra una caída rápida hacia la línea de base (es decir, hacia los dedos de los pies; Figura 2) O coloque un interruptor de pie (una herramienta económica) en el talón oscilante.
    3. Tiempo de swing toe-off
      1. Mostrar los gráficos de tiempo del centro mediolateral y anteroposterior del desplazamiento de presión y de la velocidad anteroposterior del centro de gravedad.
      2. Identifique el instante en que la gráfica de tiempo del centro mediolateral de desplazamiento de presión alcanza una primera (cuasi) meseta dirigida hacia el lado del pie de la postura como el tiempo de giro del dedo del pie (Figura 2). Alternativamente, identifique el instante siguiente al giro del talón cuando el gráfico de tiempo del centro anteroposterior del desplazamiento de presión alcance el 90% del valor máximo hacia atrás, o coloque un interruptor de pie en el dedo oscilante.
    4. Tiempo de contacto del pie oscilante
      1. Mostrar los gráficos de tiempo del centro anteroposterior del desplazamiento de presión.
      2. Identifique el instante en que el centro de presión anteroposterior se desplaza abruptamente hacia adelante (Figura 2) como el tiempo de contacto del pie oscilante. Si se deriva esta gráfica de tiempo, identifique el tiempo de contacto del pie oscilante como el instante en que esta gráfica de tiempo derivada aumenta bruscamente desde su valor de nivel de referencia. Alternativamente, coloque un interruptor de pie en el talón oscilante para detectar este instante.
        NOTA: Aquí se puede utilizar un método similar al descrito anteriormente para la detección de APA (basado en el cálculo de un valor de nivel de referencia medio; paso 5.1.1.2).
    5. Tiempo de pie trasero
      1. Muestre la gráfica de tiempo del centro mediolateral de desplazamiento de presión.
      2. Identifique el instante en que la gráfica temporal del centro mediolateral de desplazamiento de presión alcanza una segunda (cuasi) meseta, dirigida en dirección opuesta a la primera (paso 5.1.3.2; Figura 2), el tiempo de pie trasero25. Alternativamente, coloque un interruptor de pie en la parte trasera para detectar este instante.
  2. Cálculo de variables temporales
    1. Calcular el retraso entre el inicio de APA (t0ML y t0AP) y el tiempo de oscilación del talón (tHO) para las direcciones mediolateral y anteroposterior, que corresponden a la duración de APA a lo largo de las direcciones mediolateral (dAPAML) y anteroposterior (dAPAAP). Ver ecuaciones (6) y (7).
      dAPAML = tHO - t0ML (6)
      dAPAAP = tHO - t0AP (7)
    2. Calcular el retraso entre el tiempo de giro (tTO) y el tiempo de giro del talón (tHO), que corresponde a la duración de la "fase de descarga" (UNLd; Figura 2) usando la ecuación (8).
      UNLd = tTO - tHO (8)
    3. Calcular el retraso entre el tiempo de giro (tTO) y el contacto del pie oscilante (tFC), que corresponde a la duración de la "fase de giro" (SWINGd; Figura 2) usando la ecuación (9).
      SWINGd = tFC - tTO (9)
  3. Cálculo de variables espaciales
    1. Posición inicial del centro de presión
      1. Mostrar los gráficos de tiempo del centro de desplazamiento de presión a lo largo de las direcciones mediolateral y anteroposterior.
      2. Calcule los valores medios de las posiciones del centro de presión mediolateral (yP0) y anteroposterior (xP0) durante la ventana de tiempo de 250 ms anterior a la segunda señal (salida) entregada a los participantes, que son representativos de la posición del centro de presión en la postura inicial (o valor "basal").
        NOTA: Las características espacio-temporales de APA descritas anteriormente son sensibles a la posición del centro de presión en la postura inicial26. Por lo tanto, es importante verificar que cualquier cambio en las características de APA entre condiciones experimentales (por ejemplo, una condición con un obstáculo para despejar frente a una condición sin un obstáculo para despejar) o entre poblaciones experimentales (por ejemplo, participantes sanos vs. participantes neurológicos) no puede atribuirse a un cambio "simple" en el centro de posición de presión en la postura inicial, sino más bien al factor que se está investigando.
    2. Amplitud de APA
      1. Muestre los gráficos de tiempo del centro de desplazamiento de presión y la velocidad del centro de gravedad a lo largo de las direcciones mediolateral y anteroposterior.
      2. Detecte el instante en que cada uno de estos cuatro gráficos de tiempo alcanza un valor máximo durante la ventana de tiempo APA (Figura 2).
      3. Reste el valor de referencia del centro de presión medio calculado en el paso 5.3.1.2 (es decir, los valores xP0 e yP0) del valor máximo del centro de presión detectado durante la ventana de tiempo APA (para cada dirección; es decir, calcular utilizando ecuaciones (10) y (11)).
        xPAPA = xPMAX - xP0 (10)
        yPAPA = yPMAX - yP0 (11)
        Donde xPAPA e yPAPA son la amplitud de APA (centro de presión) a lo largo de las direcciones anteroposterior y mediolateral, respectivamente; xPMAX e yPMAX son el centro anticipatorio máximo de desplazamiento de presión a lo largo de las direcciones anteroposterior y mediolateral, respectivamente.
        NOTA: No es necesaria tal resta de referencia para la velocidad del centro de gravedad, ya que se considera que los participantes están inicialmente inmóviles (la velocidad inicial del centro de gravedad es, por lo tanto, nula; ver paso 4.4). Los cuatro valores obtenidos son representativos de la amplitud de APA (dos valores por dirección).
    3. Longitud y anchura del paso
      1. Muestre la gráfica de tiempo del centro de desplazamiento de presión a lo largo de la dirección anteroposterior.
      2. Detecte la posición más atrasada del centro de la posición de presión, xPBACK.
      3. Detectar la posición del centro de presión en el momento del pie trasero, xPRFO (Figura 2 y paso 5.1.5).
      4. Calcula la diferencia espacial entre estas dos cantidades, que corresponde a la longitud del paso, L41, usando la ecuación (12).
        L = xPBACK - Xprfo (12)
      5. Muestre la gráfica de tiempo del centro de desplazamiento de presión a lo largo de la dirección mediolateral.
      6. Detectar la posición más lateral del centro mediolateral de posición de presión obtenida durante la primera meseta de la gráfica de tiempo, yPSTANCE ("postura", porque el centro de presión se encuentra debajo del pie de apoyo en ese momento; ver Figura 2).
      7. Detectar el centro lateral de la posición de presión en el momento del pie trasero, yPRFO (Figura 2 y paso 5.1.5).
      8. Calcule la diferencia espacial entre estas dos cantidades, que corresponde al ancho de paso, W25, usando la ecuación (13).
        W = yPSTANCE - yPRFO (13)
    4. Realización de la iniciación de la marcha
      1. Muestre la gráfica de tiempo de la velocidad del centro de gravedad a lo largo de la dirección anteroposterior (Figura 2).
      2. Detecte el instante en que los participantes golpean la plataforma de fuerza con el pie oscilante (paso 5.1.4, Figura 2) y observe la velocidad del centro de gravedad en este instante como criterio de rendimiento GI.
        NOTA: El valor máximo de esta gráfica de tiempo, que se alcanza unos pocos milisegundos después del contacto del pie oscilante, también se puede considerar como un criterio de rendimiento GI. La longitud del paso y la duración de la fase de oscilación también pueden considerarse como criterios de rendimiento GI. Cuanto más largas y más cortas sean estas cantidades, respectivamente, mejor será el rendimiento.
    5. Parámetros de control de estabilidad
      1. Para el índice de frenado, muestre el gráfico de tiempo de la velocidad del centro de gravedad a lo largo de la dirección vertical. Detecte la velocidad máxima del centro de gravedad descendente del gráfico de tiempo (z'GMIN) y la velocidad del centro de gravedad en el tiempo de contacto del pie oscilante (z'GFC, Figura 2). Calcule la diferencia entre estas dos cantidades, denominada "índice de frenado" (BI), como un indicador de control de estabilidad, utilizando la ecuación (14).
        BI = Equation 3 (14)
        NOTA: El BI fue introducido por Do y sus colegas y proporciona evidencia de que el sistema nervioso central anticipa el golpe del pie oscilante con la superficie de apoyo al disminuir la velocidad del centro de gravedad vertical durante la fase de oscilación del inicio de la marcha 4,5,27. Este frenado activo facilita el mantenimiento de la estabilidad después del golpe del pie. Cuanto mayor sea el BI, mejor será el control de estabilidad.
      2. Para el margen de estabilidad, muestre los gráficos de tiempo de la velocidad del centro de gravedad y el desplazamiento a lo largo de la dirección mediolateral. Detectar la velocidad (y'GFC) y el desplazamiento del centro de gravedad (yGFC) en el momento del contacto del pie oscilante (Figura 2). Calcule el componente mediolateral del margen de estabilidad (MOS) en el contacto del pie usando la ecuación (15).
        Equation 4(15)
        Donde BOSmax es el límite mediolateral de la base de apoyo (BOS) y ω0 es la frecuencia propia del cuerpo, modelada como un péndulo invertido. Durante GI, los participantes aterrizan sistemáticamente en la plataforma de fuerza primero con el talón oscilante, luego con el dedo del pie. Bajo tal estrategia de aterrizaje del pie, el BOSmax se puede estimar con el centro mediolateral de la posición de presión en el momento del pie trasero (paso 5.1.5). La frecuencia propia del cuerpo se puede calcular usando la ecuación (16).
        Equation 5(16)
        Donde g = 9,81 m/s² es la aceleración gravitacional y l es la longitud del péndulo invertido, que corresponde al 57,5% de la altura del cuerpo.
        NOTA: La cantidad entre paréntesis en la ecuación (15) se denomina "centro de masa extrapolado"18. La condición de la estabilidad en el contacto con el pie implica que el centro de masa extrapolado se encuentra dentro de la base de apoyo. Esta condición corresponde a un valor MOS positivo. Si el MOS es negativo, se requieren ajustes posturales correctivos para recuperar el equilibrio.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Descripción de gráficos de tiempo biomecánicos representativos obtenidos de la plataforma de fuerza durante el inicio de la marcha
Cualquiera que sea el nivel de presión temporal o la instrucción sobre la velocidad GI, el swing heel-off es sistemáticamente precedido por APA. Estos APA se pueden caracterizar por un desplazamiento lateral de la pierna hacia atrás y hacia atrás del centro de presión (Figura 2). Este desplazamiento anticipatorio del centro de presión promueve la aceleración del centro de gravedad en la dirección opuesta (es decir, hacia adelante y hacia el lado de la pierna de la posición). A lo largo de la dirección anteroposterior, la velocidad del centro de gravedad aumenta progresivamente hasta alcanzar su punto máximo poco después del contacto del pie oscilante. A lo largo de la dirección mediolateral, la velocidad del centro de gravedad primero alcanza su punto máximo hacia el lado de la pierna de la postura alrededor del dedo del pie oscilante, luego alcanza su punto máximo hacia el lado de la pierna oscilante poco después del contacto con el pie. A lo largo de la dirección vertical, la velocidad del centro de gravedad alcanza su punto máximo hacia abajo alrededor de la posición media. Luego invierte la dirección y alcanza un valor cercano a cero alrededor del contacto con el pie.

Figure 2
Figura 2: Gráficos de tiempo biomecánicos representativos obtenidos de la plataforma de fuerza durante el inicio de la marcha (un único ensayo) y variables espacio-temporales seleccionadas. La marcha se inició rápidamente en una condición de tiempo de reacción. X''G, y''G, z''G: aceleración del centro de gravedad a lo largo de las direcciones anteroposterior, mediolateral y vertical, respectivamente. X'G, y'G, z'G: velocidad del centro de gravedad a lo largo de las direcciones anteroposterior, mediolateral y vertical, respectivamente. xP, yP: desplazamiento del centro de presión a lo largo de las direcciones anteroposterior y mediolateral, respectivamente. Cronometrar eventos. t0ML, t0AP, tHO, tTO, tFC, tRFO: inicio de APA a lo largo de las direcciones mediolateral y anteroposterior, tiempo de swing heel-off, tiempo de swing toe-off, tiempo de swing foot-off, y tiempo de pie trasero, respectivamente. Variables temporales. APA, UNL, SWING: ventanas de tiempo para APA, fase de descarga y fase de oscilación de iniciación de la marcha, respectivamente. Variables espaciales. X'GFO, x'GFC, xPMAX, yPMAX, L, W, z'GMIN, z'GFC: velocidad anteroposterior del centro de gravedad al pie y al contacto con el pie, desplazamiento anticipado máximo del centro de presión a lo largo de las direcciones anteroposterior y mediolateral, longitud del paso, ancho del paso, velocidad máxima del centro de gravedad hacia abajo y velocidad vertical del centro de gravedad en el momento del contacto del pie oscilante, respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Valores representativos de variables experimentales en adultos jóvenes sanos: Influencia de la velocidad y la presión temporal

Variables temporales

Duración APA
La duración de APA a lo largo de las direcciones anteroposterior y mediolateral depende de la velocidad del GI, pero de manera opuesta. Más específicamente, la duración de APA a lo largo de la dirección anteroposterior aumenta con la velocidad GI, con valores típicos que oscilan entre ~ 500 ms para GI lento y ~ 700 ms para GI9 rápido. Por el contrario, la duración de APA a lo largo de la dirección mediolateral disminuye con la velocidad GI. Los valores típicos oscilan entre ~700 ms para GI lento y ~500 ms para GI21 rápido.

La duración de la APA anteroposterior y mediolateral también depende de la presión temporal (los valores proporcionados anteriormente son para una condición autoiniciada (es decir, una condición con un nivel de presión temporal bajo). Los estudios en la literatura típicamente comparan la duración de APA en una condición con baja versus alta presión temporal, cuando la marcha se inicia en una condición rápida 1,28. En estas condiciones, la duración de la APA anteroposterior y mediolateral disminuye en aproximadamente 20-30 ms en la condición de tiempo de reacción en comparación con la condición autoiniciada.

Duración de la fase de descarga
La duración de la fase de descarga depende de la velocidad del GI (es decir, disminuye cuando aumenta la velocidad GI). Las duraciones típicas oscilan entre ~ 200 ms para GI lento y ~ 70 ms para GI21 rápido. La duración de la fase de descarga no es sensible a la presión temporal, al menos cuando la marcha se inicia en una condición rápida29.

Duración de la fase de oscilación
La duración de la fase de oscilación depende de la velocidad del GI (es decir, disminuye cuando aumenta la velocidad). Las duraciones típicas oscilan entre ~ 500 ms para GI lento y ~ 300 ms para GI21 rápido. Por el contrario, esta duración no es sensible a la presión temporal, al menos cuando la marcha se inicia en una condición rápida29.

Variables espaciales

Amplitud de APA
La amplitud de APA depende de la velocidad de GI. Más específicamente, en una condición autoiniciada, la amplitud de APA a lo largo de la dirección anteroposterior aumenta cuando la velocidad del GI aumenta9. Los valores típicos de APA oscilan entre ~7 cm y ~0,15 m/s (para el desplazamiento anticipado del centro de presión y la velocidad del centro de gravedad, respectivamente) para GI lento, y ~13 cm y ~0,36 m/s para GI rápido. La amplitud de APA a lo largo de la dirección mediolateral, en términos de desplazamiento del centro de presión, también aumenta con la velocidad de GI21. Los valores típicos oscilan entre ~3 cm para el IG lento y ~4 cm para el IG rápido. Por el contrario, la velocidad máxima del centro de gravedad alcanzada durante APA (dirección mediolateral) no cambia con la velocidad de GI. Los valores típicos son ~0.13 m/s. La amplitud de APA también es sensible a la presión temporal, al menos cuando la marcha se inicia rápidamente28,29. Más específicamente, tanto los componentes anteroposterior como mediolateral de APA aumentan con la presión temporal.

Longitud y anchura del paso
La longitud y el ancho del paso dependen de la velocidad del GI, pero no de la presión temporal. La longitud del paso generalmente alcanza ~ 50 cm y ~ 90 cm cuando la marcha se inicia en una condición lenta y rápida, respectivamente23. El ancho del paso generalmente alcanza ~ 12 cm y ~ 14 cm cuando la marcha se inicia en una condición GI lenta y rápida, respectivamente9.

Realización de la iniciación de la marcha
El pico de velocidad del centro de gravedad típicamente oscila entre ~ 1 m / s para GI lento y ~ 2 m / s para GIrápido 10. Para GI rápido, la presión temporal no afecta este parámetro de rendimiento 29, aunque puede inducir una pequeña alteración (~9%)28.

Parámetros de control de estabilidad

Índice de frenado
El BI es sensible a la velocidad del GI. Cuando la marcha se inicia en una condición lenta con una longitud de paso inferior a ~ 43 cm, el BI es nulo porque no hay necesidad de frenar la caída del centro de gravedad. La necesidad de frenar la caída del centro de gravedad se produce para longitudes de paso superiores a 43 cm. Un valor típico de BI es 0,08 m/s para la marcha iniciada a 1 m/s y con una longitud de paso de 55 cm27.

Margen de estabilidad
El MOS no es sensible a la velocidad del GI ni a la presión temporal21,30. Los valores típicos de MOS obtenidos durante el IG son ~5 cm21.

Figura suplementaria S1: Capturas de pantalla del software (Qualisys Track Manager) que muestran las fuerzas de reacción del suelo en 3D durante el inicio de la marcha. Izquierda, el eje de la plataforma de fuerza, el centro de posición de presión (correspondiente al punto de aplicación del vector de fuerza de reacción del suelo) y el vector de fuerza de reacción del suelo en la postura inicial; derecha, el curso temporal de las fuerzas de reacción del suelo en 3D sin procesar durante el inicio de la marcha (un participante, un ensayo). Las trazas verdes, rojas y azules representan la fuerza de reacción del suelo a lo largo de la dirección anteroposterior, mediolateral y vertical, respectivamente. Coordenada: amplitud de fuerza en Newtons. Abscisa: tiempo en ms. Los participantes inicialmente se pararon en el lado izquierdo de la plataforma de fuerza e iniciaron la marcha hacia el lado derecho. Tenga en cuenta que el participante abandonó la plataforma de fuerza en el tiempo t = 3.200 ms. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Figura suplementaria S2: Capturas de pantalla del software (Qualisys Track Manager) que muestran el centro bruto de las trazas de desplazamiento de presión. Izquierda, el eje de la plataforma de fuerza, el centro de posición de presión (correspondiente al punto de aplicación del vector de fuerza de reacción en tierra) y el vector de fuerza de acción ejercido por el participante sobre la plataforma de fuerza en la postura inicial; A la derecha, el curso temporal de las trazas de desplazamiento del centro bruto de presión (un participante, un ensayo). Las trazas verdes y rojas representan el centro de desplazamiento de presión a lo largo de la dirección anteroposterior y mediolateral, respectivamente. Ordenada: desplazamiento en milímetros. Abscisa: tiempo en ms. Los participantes inicialmente se pararon en el lado izquierdo de la plataforma de fuerza e iniciaron la marcha hacia el lado derecho. Tenga en cuenta que el participante abandonó la plataforma de fuerza en el tiempo t = 3.200 ms. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

El objetivo de este artículo fue proporcionar a académicos, médicos y estudiantes de educación superior información sobre el método (el método "global") utilizado en nuestro laboratorio para investigar la organización biomecánica de la iniciación de la marcha (IG). Los pasos críticos del protocolo, las limitaciones del método y los métodos y aplicaciones alternativos se discuten a continuación.

Un paso crítico en el protocolo es la detección de los eventos de sincronización de GI (es decir, inicio de APA, swing heel-off y toe-off, y pie trasero). Los valores de las variables temporales y espaciales relacionadas con la organización de la IG dependen de la correcta detección de estos eventos. Para cada uno de ellos, se propusieron varios métodos de detección (estos métodos propuestos no son exhaustivos). Se recomienda utilizar el mismo método en todo el análisis de datos para garantizar la coherencia entre los ensayos y las condiciones experimentales y para permitir la comparación entre los estudios de la literatura. Sin embargo, también se recomienda utilizar al menos dos métodos diferentes para garantizar que los eventos de tiempo correctos se detecten correctamente (solo se esperan ligeras diferencias en los valores de las características temporales entre estos métodos). Además, para cada evento de temporización, se puede aplicar la detección automática (por ejemplo, con una rutina de MATLAB). Esta rutina se puede programar fácilmente a través de los métodos proporcionados en este artículo. Se recomienda encarecidamente comprobar visualmente la coherencia y "credibilidad" de los datos obtenidos automáticamente con estas rutinas. Por ejemplo, la amplitud del centro anticipatorio de desplazamiento de presión no debe exceder la base del tamaño del soporte. Se espera que se dirija hacia atrás y hacia el lado de la pierna oscilante (excepto para poblaciones experimentales específicas); Se espera que el tiempo de swing toe-off ocurra después del swing heel-off; El inicio de APA no debe ocurrir antes de 150 ms antes de la señal de salida o 300 ms después (en una condición de tiempo de reacción). En otras palabras, se cree que la detección automática por sí sola no es suficiente para analizar los datos de manera adecuada y "segura"; Es esencial tener un conocimiento profundo de i) el curso temporal global de las parcelas biomecánicas esperadas de la plataforma de fuerza y ii) los valores típicos esperados de los participantes sanos. Creemos que, además de la capacidad de programar rutinas automáticas, este conocimiento es de gran valor didáctico para los estudiantes de educación superior en biomecánica. Es por eso que estos dos elementos se proporcionan en este artículo.

Se reconoce que el método "global" tiene al menos dos limitaciones. En primer lugar, este método no proporciona datos sobre la postura inicial de los participantes (es decir, sobre la posición relativa de los segmentos corporales), pero proporciona datos sobre el centro de presión inicial y la posición del centro de gravedad (cuya posición relativa determina la condición de equilibrio). El mismo centro de presión inicial y la misma posición del centro de gravedad teóricamente podrían alcanzarse con un número infinito de posturas. En otras palabras, las condiciones posturales iniciales bajo las cuales los participantes inician la marcha pueden no controlarse completamente con el método global. Por lo tanto, la verificación visual de la postura inicial de los participantes por parte de un investigador o clínico experimentado es importante si no se puede registrar la posición relativa de los segmentos corporales (por ejemplo, con una cámara). En segundo lugar, el método no proporciona información sobre la contribución de la aceleración de cada segmento corporal (o aceleraciones "locales") a la aceleración del centro de gravedad de todo el cuerpo. De ello se deduce que es teóricamente posible que la aceleración de ciertos segmentos del cuerpo pueda ser compensada por una desaceleración de algunos segmentos corporales distantes, lo que resulta en una aceleración nula del centro de gravedad de todo el cuerpo durante APA31. Por lo tanto, el uso de acelerómetros colocados sobre varios segmentos del cuerpo (por ejemplo, tronco, caderas, piernas) podría ser relevante para completar los datos de la plataforma de fuerza.

Un método alternativo y popular para calcular el centro de gravedad de todo el cuerpo durante el GI es el método cinemático , que se basa en grabaciones utilizando un sistema de captura de movimiento de marcadores reflectantes pegados a segmentos articulares de todo el cuerpo. Las señales proporcionadas por estos marcadores reflectantes permiten la reconstitución del esqueleto de todo el cuerpo. Sobre la base del tamaño de cada segmento corporal así reconstituido y la información proporcionada por tablas antropométricas (por ejemplo, masa y densidad de huesos), la posición 3D del centro de gravedad de cada segmento se puede calcular con el software de la cámara. Con estos datos, es posible calcular la posición 3D del centro de gravedad de todo el cuerpo. Con la derivación sucesiva de la señal de posición, se puede obtener la velocidad y la aceleración del centro de gravedad de todo el cuerpo. Para calcular la cinemática del centro de gravedad de todo el cuerpo, se requieren 53 marcadores reflectantes32. Sin embargo, un modelo simplificado con 13 marcadores fue propuesto recientemente por Tisserand et al.33.

Las ventajas del método global (que puede asimilarse en un método cinético ya que se basa en el registro de fuerzas y momentos) sobre el método cinemático para investigar la organización postural de GI son las siguientes: i) no requiere preparación de los participantes, ahorrando tiempo, lo cual es particularmente importante en casos de pacientes frágiles o patológicos que participan en el experimento; ii) evita errores potenciales en el cálculo de la aceleración del centro de gravedad de todo el cuerpo debido a pequeños errores acumulativos en el posicionamiento del marcador realizados por el experimentador, ya que el método global proporciona una medida directa de esta cantidad; iii) La posición del centro de presión no se puede calcular utilizando sistemas de captura de movimiento. La principal desventaja del método global sobre el método cinemático se planteó anteriormente: no permite la investigación de la postura o la coordinación segmentaria.

Ahora, es digno de mención que los resultados de la literatura actual sugieren que ambos métodos proporcionan una medida equivalente de la cinemática del centro de gravedad y el tiempo de eventos durante las tareas locomotoras. Por ejemplo, Langeard et al.34 informaron que la estimación del frenado del centro de gravedad (el "índice de frenado" (BI)) utilizando el método global o el método cinemático durante el GI era altamente confiable. Durante las reacciones compensatorias escalonadas, Maki y McIlroy35 informaron que la velocidad anteroposterior y el desplazamiento del centro de gravedad calculado en el contacto del pie con ambos métodos proporcionaron un acuerdo razonablemente bueno tanto en adultos jóvenes sanos como en ancianos. Del mismo modo, durante la marcha recta sobre terreno llano en personas con amputación transfemoral, Lansade et al.36 demostraron que la estimación de la velocidad del centro de gravedad a partir de la integración de datos de la plataforma de fuerza era aceptable. Finalmente, Caderby et al.24 y Yiou et al.25 mostraron que estos dos métodos proporcionaron una estimación similar del evento swing heel off y la longitud/anchura del paso, respectivamente, durante el GI.

El método global se aplicó inicialmente al paradigma GI en adultos jóvenes sanos para obtener conocimientos básicos sobre el control postural normal durante una tarea motora funcional que requiere propulsión simultánea de todo el cuerpo y mantenimiento de la estabilidad10. Desde entonces, se ha extendido ampliamente para investigar muchas otras tareas motoras dinámicas de todo el cuerpo, como lanzarse en esgrima37, saltar 38, sentarse para pararse39 y flexión de las extremidades inferiores40. Vale la pena mencionar que el método también se ha aplicado para investigar el control postural durante la terminación de varias tareas motoras, incluyendo el paso único41 y el apuntamiento 42, y potencialmente puede aplicarse para investigar la terminación de la marcha como se ha hecho anteriormente con el método cinemático43. Finalmente, el método también ha sido ampliamente utilizado en pacientes con afecciones neurológicas y en ancianos para comprender mejor los mecanismos fisiopatológicos que afectan el control postural dinámico 2,3,4,5 y, más recientemente, en pacientes con enfermedad de Parkinson para probar la efectividad de diversas intervenciones no farmacológicas (como el estiramiento del tobillo44 y la estimulación eléctrica funcional3 ) en la mejora del control postural.

En conclusión, este artículo ha presentado un método detallado diseñado para investigar el control postural durante el inicio de la marcha. Para cada variable, se proporcionaron valores normativos obtenidos en adultos jóvenes sanos. El método tiene una fuerte formación biomecánica, ya que se basa en las leyes de la mecánica para calcular la cinemática del centro de gravedad y el centro de presión. El análisis de la interacción entre estos dos puntos virtuales es un punto clave de este método, ya que determina las condiciones de estabilidad y progresión de todo el cuerpo. Debido a que el desempeño de la mayoría de nuestras tareas motoras diarias (incluidos los deportes y el trabajo) requiere una progresión segura (estable) de todo el cuerpo, el método es muy apropiado para obtener información sobre los mecanismos posturodinámicos subyacentes a la eficiencia / deficiencia motora tanto en poblaciones sanas como patológicas. Por lo tanto, tiene fuertes aplicaciones en la ciencia del movimiento humano, la ciencia del deporte, la ergonomía y la ciencia clínica.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Los autores no tienen intereses contrapuestos.

Acknowledgments

Los autores desean agradecer a la ANRT y al LADAPT.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Yiou, E., Caderby, T., Delafontaine, A., Fourcade, P., Honeine, J. L. Balance control during gait initiation, State-of-the-art and research perspectives. World Journal of Orthopedics. 8 (11), 815-828 (2017).
  2. Delval, A., Tard, C., Defebvre, L. Why we should study gait initiation in Parkinson's disease. Neurophysiologie Clinique/Clinical Neurophysiology. 44 (1), 69-76 (2014).
  3. Delafontaine, A., et al. Anticipatory postural adjustments during gait initiation in stroke patients. Frontiers in Neurology. 10, 352 (2019).
  4. Welter, M. L., et al. Control of vertical components of gait during initiation of walking in normal adults and patients with progressive supranuclear palsy. Gait & Posture. 26 (3), 393-399 (2007).
  5. Demain, A., et al. High-level gait and balance disorders in the elderly, a midbrain disease. Journal of Neurology. 261 (1), 196-206 (2013).
  6. Belen'kiĭ, V. E., Gurfinkel', V. S., Pal'tsev, E. I. On the control elements of voluntary movements. Biofizika. 12 (1), 135-141 (1967).
  7. Bouisset, S., Zattara, M. A sequence of postural movements precedes voluntary movement. Neuroscience Letters. 22 (3), 263-270 (1981).
  8. Bouisset, S., Zattara, M. Biomechanical study of the programming of anticipatory postural adjustments associated with voluntary movement. Journal of Biomechanics. 20 (8), 735-742 (1987).
  9. Bouisset, S., Do, M. C. Poster, dynamic stability, and voluntary movement. Neurophysiologie Clinique/Clinical Neurophysiology. 38 (6), 345-362 (2008).
  10. Brenière, Y., Cuong Do, M., Bouisset, S. Are dynamic phenomena prior to stepping essential to walking. Journal of Motor Behavior. 19 (1), 62-76 (1987).
  11. Memari, S., Yiou, E., Fourcade, P. The role(s) of "Simultaneous Postural Adjustments" (SPA) during Single Step revealed with the Lissajous method. Journal of Biomechanics. 108, 109910 (2020).
  12. Gelfand, I. M., Gurfinkel, V. S., Fomin, S. V., Tsetlin, M. L. Models of the structural functional organization of certain biological systems. , M.I.T. Press. 330-345 (1966).
  13. Hess, W. R. Teleokinetisches und ereismatisches Kräftesystem in der Biomotorik. Helv Physiol Pharmacol Acta. 1, 62-63 (1943).
  14. Lepers, R., Brenière, Y. The role of anticipatory postural adjustments and gravity in gait initiation. Experimental Brain Research. 107 (1), 118-124 (1995).
  15. Lyon, I. N., Day, B. L. Control of frontal plane body motion in human stepping. Experimental Brain Research. 115 (2), 345-356 (1997).
  16. Yang, F., Espy, D., Pai, Y. C. Feasible stability region in the frontal plane during human gait. Annals of Biomedical Engineering. 37 (12), 2606-2614 (2009).
  17. Zettel, J. L., McIlroy, W. E., Maki, B. E. Can stabilizing features of rapid triggered stepping reactions be modulated to meet environmental constraints. Experimental Brain Research. 145 (3), 297-308 (2002).
  18. Hof, A. L., Gazendam, M. G. J., Sinke, W. E. The condition for dynamic stability. Journal of Biomechanics. 38 (1), 1-8 (2005).
  19. Brenière, Y., Do, M. C. When and how does steady state gait movement induced from upright posture begin. Journal of Biomechanics. 19 (12), 1035-1040 (1986).
  20. Yiou, E., Hussein, T., LaRue, J. Influence of temporal pressure on anticipatory postural control of medio-lateral stability during rapid leg flexion. Gait & Posture. 35 (3), 494-499 (2012).
  21. Caderby, T., Yiou, E., Peyrot, N., Begon, M., Dalleau, G. Influence of gait speed on the control of mediolateral dynamic stability during gait initiation. Journal of Biomechanics. 47 (2), 417-423 (2014).
  22. Seuthe, J., D'Cruz, N., Ginis, P., et al. How many gait initiation trials are necessary to reliably detect anticipatory postural adjustments and first step characteristics in healthy elderly and people with Parkinson's disease. Gait & Posture. 88, 126-131 (2021).
  23. Brenière, Y., Do, M. C. Control of Gait Initiation. Journal of Motor Behavior. 23 (4), 235-240 (1991).
  24. Caderby, T., Yiou, E., Peyrot, N., Bonazzi, B., Dalleau, G. Detection of swing heel-off event in gait initiation using force-plate data. Gait & Posture. 37 (3), 463-466 (2013).
  25. Yiou, E., Teyssèdre, C., Artico, R., Fourcade, P. Comparison of base of support size during gait initiation using force-plate and motion-capture system, A Bland and Altman analysis. Journal of Biomechanics. 49 (16), 4168-4172 (2016).
  26. Dalton, E., Bishop, M., Tillman, M. D., Hass, C. J. Simple change in initial standing position enhances the initiation of gait. Medicine and Science in Sports and Exercise. 43 (12), 2352-2358 (2011).
  27. Delafontaine, A., Gagey, O., Colnaghi, S., Do, M. C., Honeine, J. L. Rigid ankle foot orthosis deteriorates mediolateral balance control and vertical braking during gait initiation. Frontiers in Human Neuroscience. 11, 214 (2017).
  28. Delval, A., et al. Caractérisation des ajustements posturaux lors d'une initiation de la marche déclenchée par un stimulus sonore et autocommandée chez 20 sujets sains. Neurophysiologie Clinique/Clinical Neurophysiology. 35 (5-6), 180-190 (2005).
  29. Yiou, E., Fourcade, P., Artico, R., Caderby, T. Influence of temporal pressure constraint on the biomechanical organization of gait initiation made with or without an obstacle to clear. Experimental Brain Research. 234 (6), 1363-1375 (2015).
  30. Yiou, E., Artico, R., Teyssedre, C. A., Labaune, O., Fourcade, P. Anticipatory postural control of stability during gait initiation over obstacles of different height and distance made under reaction-time and self-initiated instructions. Frontiers in Human Neuroscience. 10, 449 (2016).
  31. Nouillot, P., Do, M. C., Bouisset, S. Are there anticipatory segmental adjustments associated with lower limb flexions when balance is poor in humans. Neuroscience Letters. 279 (2), 77-80 (2000).
  32. Sint, J. S. V. Color Atlas of Skeletal Landmark Definitions: Guidelines for Reproducible Manual and Virtual Palpations. , Churchill Livingstone. Edinburgh. 29 (2007).
  33. Tisserand, R., Robert, T., Dumas, R., Chèze, L. A simplified marker set to define the center of mass for stability analysis in dynamic situations. Gait & Posture. 48, 64-67 (2016).
  34. Langeard, A., et al. Kinematics or kinetics: Optimum measurement of the vertical variations of the center of mass during gait initiation. Sensors. 21 (23), 7954 (2021).
  35. Maki, B. E., Mcllroy, W. E. The control of foot placement during compensatory stepping reactions, does speed of response take precedence over stability. IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering. 7 (1), 80-90 (1999).
  36. Lansade, C., et al. Estimation of the body center of mass velocity during gait of people with transfemoral amputation from force plate data integration. Clinical Biomechanics. 88, 105423 (2021).
  37. Yiou, E., Do, M. C. In a complex sequential movement, what component of the motor program is improved with intensive practice, sequence timing or ensemble motor learning. Experimental Brain Research. 137 (2), 197-204 (2001).
  38. Le Pellec, A., Maton, B. Anticipatory postural adjustments are associated with single vertical jump and their timing is predictive of jump amplitude. Experimental Brain Research. 129 (4), 0551-0558 (1999).
  39. Diakhaté, D. G., Do, M. C., Le Bozec, S. Effects of seat-thigh contact on kinematics performance in sit-to-stand and trunk flexion tasks. Journal of Biomechanics. 46 (5), 879-882 (2013).
  40. Yiou, E., Caderby, T., Hussein, T. Adaptability of anticipatory postural adjustments associated with voluntary movement. World Journal of Orthopedics. 3 (6), 75 (2013).
  41. Memari, S., Do, M. C., Le Bozec, S., Bouisset, S. The consecutive postural adjustments (CPAs) that follow foot placement in single stepping. Neuroscience Letters. 543, 32-36 (2013).
  42. Fourcade, P., Bouisset, S., Le Bozec, S., Memari, S. Consecutive postural adjustments (CPAs): A kinetic analysis of variable velocity during a pointing task. Neurophysiologie Clinique. 48 (6), 387-396 (2018).
  43. Zhou, H., Cen, X., Song, Y., Ugbolue, U. C., Gu, Y. Lower-limb biomechanical characteristics associated with unplanned gait termination under different walking speeds. Journal of Visualized Experiments. (162), e61558 (2020).
  44. Vialleron, T., et al. Acute effects of short-term stretching of the triceps surae on ankle mobility and gait initiation in patients with Parkinson's disease. Clinical Biomechanics. 89, 105449 (2021).

Tags

Neurociencia Número 185
Organización postural de la iniciación de la marcha para el análisis biomecánico utilizando grabaciones de plataforma de fuerza
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Simonet, A., Delafontaine, A.,… More

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

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

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

Waiting X
Simple Hit Counter