Postural organisation av gånginitiering för biomekanisk analys med hjälp av kraftplattformsinspelningar

Summary

Denna uppsats beskriver materialet och metoden som utvecklats för att undersöka den posturala organisationen av gånginitiering. Metoden är baserad på kraftplattformsinspelningar och på mekanikens direkta princip för att beräkna tyngdpunkt och tryckkinematik.

Abstract

Gånginitiering (GI), den övergående fasen mellan ortograd hållning och steady-state locomotion, är en funktionell uppgift och ett experimentellt paradigm som klassiskt används i litteraturen för att få insikt i de grundläggande posturala mekanismerna som ligger till grund för kroppsrörelse och balanskontroll. Att undersöka GI har också bidragit till en bättre förståelse för fysiopatologin för posturala störningar hos äldre och neurologiska deltagare (t.ex. patienter med Parkinsons sjukdom). Som sådan är det erkänt att det har viktiga kliniska konsekvenser, särskilt när det gäller fallförebyggande.

Denna uppsats syftar till att ge forskare, kliniker och högskolestudenter information om material och metod som utvecklats för att undersöka GI-postural organisation via ett biomekaniskt tillvägagångssätt. Metoden är baserad på kraftplattformsinspelningar och mekanikens direkta princip för att beräkna kinematiken för tyngdpunkten och tryckpunkten. Samspelet mellan dessa två virtuella punkter är ett nyckelelement i denna metod eftersom det bestämmer villkoren för stabilitet och helkroppsprogression. Protokollet innebär att deltagaren initialt står orörlig i upprätt ställning och börjar gå till slutet av ett minst 5 m spår.

Det rekommenderas att variera GI-hastigheten (långsam, spontan, snabb) och nivån på tidstrycket – gången kan initieras så snart som möjligt efter avgivningen av en avgångssignal (hög nivå av tidstryck) eller när deltagaren känner sig redo (låg nivå av tidstryck). Biomekaniska parametrar som erhålls med denna metod (t.ex. varaktighet och amplitud för förutseende posturala justeringar, steglängd / bredd, prestanda och stabilitet) definieras och deras beräkningsmetod är detaljerad. Dessutom tillhandahålls typiska värden som erhållits hos friska unga vuxna. Slutligen diskuteras kritiska steg, begränsningar och metodens betydelse med avseende på den alternativa metoden (motion capture-systemet).

Introduction

Gånginitiering (GI), den övergående fasen mellan ortograd hållning och steady-state locomotion, är en funktionell uppgift och ett experimentellt paradigm som klassiskt används i litteraturen för att undersöka postural kontroll under en komplex motorisk uppgift som kräver samtidig helkroppsframdrivning och stabilitet¹. Patienter med neurologiska tillstånd, såsom Parkinsons sjukdom², stroke³, progressiv supranukleär pares⁴ och “högre nivå gångstörningar”⁵, är kända för att ha svårt att initiera gång, vilket utsätter dem för en ökad risk att falla. Det är därför viktigt för både grundläggande och kliniska vetenskaper att utveckla koncept och metoder för att få insikt i de posturala kontrollmekanismer som spelar in under gånginitiering, för att få vetenskaplig kunskap och en bättre förståelse för patofysiologin hos gång- och balansstörningar och kunna åtgärda dem genom adekvata interventioner.

Begreppet biomekanisk organisation av gånginitiering beskrivs nedan, och den klassiska metoden som är utformad för att undersöka denna organisation beskrivs i protokollavsnittet. GI kan delas in i tre på varandra följande faser: fasen “förutseende posturala justeringar” (APA) som motsvarar de dynamiska fenomen som förekommer i hela kroppen före svängklackning, “lossningsfasen” (mellan svängklack-off och tå-av) och “sväng” -fasen som slutar vid tidpunkten för svängfoten som kommer i kontakt med stödytan. Denna klassiska indelning av GI-processen härstammar från de banbrytande studierna av Belenkii et ^al.6 och andra^7,8, med fokus på samordningen mellan hållning och rörelse under frivillig armhöjning till horisontell i upprätt hållning. I detta paradigm motsvarar kroppssegmenten som är direkt involverade i armhöjningen den “fokala” kedjan, medan kroppssegmenten som är placerade mellan den proximala delen av fokalkedjan och stödytan motsvarar den “posturala” kedjan⁹. Dessa författare rapporterade att höjning av armen systematiskt föregicks av dynamiska och elektromyografiska fenomen i posturalkedjan, som de kallade “förutseende posturala justeringar”. För GI betraktas swing heel-off (eller swing toe-off, beroende på författarna) som början på gångrörelse¹⁰. Följaktligen motsvarar de dynamiska fenomen som uppträder före detta ögonblick APA, och svängbenet anses vara en komponent i fokalkedjan¹¹. Detta uttalande överensstämmer med den klassiska uppfattningen om rörelse biomekanisk organisation, enligt vilken varje motorisk handling måste involvera en fokal och en postural komponent^12,13.

Ur biomekanisk synvinkel manifesterar APA associerad med GI som en bakåt och mediolateral (svängben sidoorienterad) förskjutning av tryckcentrumet, vilket verkar för att driva tyngdpunkten i motsatt riktning – framåt och mot hållningsbensidan. Ju större det förutseende bakåtriktade tryckförskjutningscentrumet är, desto högre motorprestanda när det gäller den främre tyngdpunktens hastighet vid fotkontakt^10,14. Dessutom, genom att driva tyngdpunkten mot hållningsbensidan, bidrar APA till att upprätthålla mediolateral stabilitet under svängfasen av GI 1,15,16,17. Den nuvarande litteraturen betonar att förändring i denna förutseende kontroll av stabilitet är en viktig källa till fall hos äldre¹. Stabilitet under GI har kvantifierats i litteraturen med en anpassning av “stabilitetsmarginalen”¹⁸, en kvantitet som tar hänsyn till både tyngdpunktens hastighet och position inom stödbasen. Förutom utvecklingen av APA har tyngdpunktens fall under svängfasen av GI under effekten av tyngdkraften rapporterats bromsas aktivt av triceps surae i hållningsbenet. Denna aktiva bromsning underlättar stabilitetsunderhåll efter fotkontakt, vilket möjliggör en smidig fotlandning på stödytan⁴.

Målet med detta papper är att ge forskare, kliniker och högskolestudenter information om materialet och metoden som utvecklats i vårt laboratorium för att undersöka den posturala organisationen av GI via ett biomekaniskt tillvägagångssätt. Denna “globala” metod (som också kan likställas med en “kinetisk” metod av de skäl som beskrivs nedan) initierades av Brenière och medarbetare^10,19. Det är baserat på mekanikens direkta princip för att beräkna både accelerationen av tyngdpunkten och de momentana positionerna för tryckcentrumet. Var och en av dessa punkter är ett globalt uttryck som är specifikt för rörelsen.

Den ena är det momentana uttrycket av rörelserna i alla kroppssegment relaterade till rörelsens syfte (tyngdpunkten; t.ex. kroppens progressionshastighet under GI); den andra (tryckcentrum) är uttrycket för de stödvillkor som är nödvändiga för att nå detta mål. De momentana positionerna för dessa två punkter återspeglar de posturodynamiska förhållanden som ska uppfyllas för gånginitiering. Kraftplattformen är det lämpliga instrumentet för denna modell eftersom det möjliggör direkt mätning av de yttre krafterna och ögonblicken som verkar vid stödytan under rörelse. Det möjliggör också utförandet av naturliga rörelser och kräver ingen speciell förberedelse.

Många faktorer är kända för att påverka den posturala organisationen av GI, inklusive biomekaniska, (neuro) fysiologiska, psykologiska, miljömässiga och kognitiva faktorer ^1,20. Detta dokument fokuserar på påverkan av två faktorer – GI-hastighet och tidstryck – och ger typiska värden som erhållits hos friska unga vuxna.

Protocol

Protokollet som beskrivs nedan följer riktlinjerna från den mänskliga forskningsetiska kommittén vid Université Paris-Saclay. Deltagarna godkände och undertecknade ett samtyckesformulär. 1. Deltagare Inkludera minst 15 friska unga vuxna deltagare i experimentet (i åldern 20 till 40 år).OBS: Detta rekommenderade antal ämnen motsvarar vad som klassiskt beaktas i litteraturen om GI. Uteslut deltagare med gånghjälpmedel, visuella, hörsel- eller…

Representative Results

Beskrivning av representativa biomekaniska tidsdiagram som erhållits från kraftplattformen under gånginitieringOavsett nivån på tidstrycket eller instruktionen om GI-hastighet, föregås svängklacken systematiskt av APA. Dessa APA kan kännetecknas av en bakåt- och svängbensförskjutning av tryckcentrum (figur 2). Detta förutseende centrum för tryckförskjutning främjar accelerationen av tyngdpunkten i motsatt riktning (dvs framåt och till hållningsbensidan)…

Discussion

Målet med detta papper var att ge forskare, kliniker och högskolestudenter information om metoden (den “globala” metoden) som används i vårt laboratorium för att undersöka den biomekaniska organisationen av gånginitiering (GI). Kritiska steg i protokollet, metodens begränsningar och alternativa metoder och applikationer diskuteras nedan.

Ett kritiskt steg i protokollet är detektering av tidshändelserna för GI (dvs. APA-start, svängklack av och tå-av och bakre fotav). Värdena för…

Materials

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)