Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Kuvvet Platformu Kayıtlarını Kullanarak Biyomekanik Analiz için Yürüme Başlangıcının Postural Organizasyonu

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

Bu yazıda yürüme başlangıcının postüral organizasyonunu araştırmak için geliştirilen materyal ve yöntem açıklanmaktadır. Yöntem, kuvvet platformu kayıtlarına ve ağırlık merkezini ve basınç merkezi kinematiğini hesaplamak için mekaniğin doğrudan prensibine dayanmaktadır.

Abstract

Ortograd duruş ve kararlı hal hareketi arasındaki geçici faz olan yürüme başlatma (GI), fonksiyonel bir görev ve literatürde klasik olarak vücut hareketi ve denge kontrolünün altında yatan temel postüral mekanizmalar hakkında fikir edinmek için kullanılan deneysel bir paradigmadır. GI'nin araştırılması, yaşlı ve nörolojik katılımcılarda (örneğin, Parkinson hastalığı olan hastalar) postüral bozuklukların fizyopatolojisinin daha iyi anlaşılmasına da katkıda bulunmuştur. Bu nedenle, özellikle düşmenin önlenmesi açısından önemli klinik etkileri olduğu kabul edilmektedir.

Bu yazıda akademisyenlere, klinisyenlere ve yükseköğretim öğrencilerine GI postüral organizasyonunu biyomekanik bir yaklaşımla araştırmak için geliştirilen materyal ve yöntem hakkında bilgi vermek amaçlanmıştır. Yöntem, ağırlık merkezi ve basınç merkezinin kinematiğini hesaplamak için kuvvet platformu kayıtlarına ve mekaniğin doğrudan prensibine dayanmaktadır. Bu iki sanal nokta arasındaki etkileşim, stabilite ve tüm vücut ilerlemesinin koşullarını belirlediği için bu yöntemde kilit bir unsurdur. Protokol, katılımcının başlangıçta dik bir duruşta hareketsiz durmasını ve en az 5 m'lik bir pistin sonuna kadar yürümeye başlamasını içerir.

GI hızının (yavaş, kendiliğinden, hızlı) ve zamansal basınç seviyesinin değiştirilmesi önerilir - yürüyüş, bir kalkış sinyalinin verilmesinden sonra (yüksek zamansal basınç seviyesi) veya katılımcı hazır hissettiğinde (düşük zamansal basınç seviyesi) mümkün olan en kısa sürede başlatılabilir. Bu yöntemle elde edilen biyomekanik parametreler (örneğin, beklenen postüral ayarlamaların süresi ve genliği, adım uzunluğu / genişliği, performans ve stabilite) tanımlanır ve hesaplama yöntemleri detaylandırılır. Ayrıca sağlıklı genç erişkinlerde elde edilen tipik değerler de sağlanmaktadır. Son olarak, yöntemin alternatif yönteme (hareket yakalama sistemi) göre kritik adımları, sınırlamaları ve önemi tartışılmaktadır.

Introduction

Ortograd duruş ve kararlı hal hareketi arasındaki geçici faz olan yürüme başlatma (GI), eşzamanlı tüm vücut itme ve stabilite gerektiren karmaşık bir motor görev sırasında postüral kontrolü araştırmak için literatürde klasik olarak kullanılan fonksiyonel bir görev ve deneysel bir paradigmadır1. Parkinson hastalığı2, inme3, ilerleyici supranükleer felç4 ve "daha üst düzey yürüme bozuklukları"5 gibi nörolojik rahatsızlıkları olan hastaların, yürümeyi başlatmakta zorluk çektikleri bilinmektedir, bu da onları düşme riskinin artmasına neden olur. Bu nedenle, hem temel hem de klinik bilimler için, yürüme başlangıcında oyunda olan postüral kontrol mekanizmaları hakkında fikir sahibi olmak, bilimsel bilgi edinmek ve yürüme ve denge bozukluklarının patofizyolojisini daha iyi anlamak ve bunları yeterli müdahalelerle düzeltebilmek için kavram ve yöntemler geliştirmek önemlidir.

Yürüme başlatmanın biyomekanik organizasyonu kavramı aşağıda açıklanmıştır ve bu organizasyonu araştırmak için tasarlanan klasik yöntem protokol bölümünde detaylandırılmıştır. GI, üç ardışık faza ayrılabilir: salıncak topuğundan önce tüm vücutta meydana gelen dinamik fenomene karşılık gelen "beklenen postüral ayarlamalar" (APA) fazı, "boşaltma" aşaması (salıncak topuğu ve ayak parmağı kapalı arasında) ve salıncak ayağının destek yüzeyine temas ettiği sırada sona eren "salıncak" aşaması. GI sürecinin bu klasik alt bölümü, Belenkii ve ark.6 ve diğerlerinin öncü çalışmalarından kaynaklanmaktadır7,8, gönüllü kolun dik duruşta yataya kaldırılması sırasında duruş ve hareket arasındaki koordinasyona odaklanmaktadır. Bu paradigmada, kol kaldırmaya doğrudan dahil olan vücut segmentleri "odak" zincirine karşılık gelirken, odak zincirinin proksimal kısmı ile destek yüzeyi arasında yer alan vücut segmentleri "postüral" zincir9'a karşılık gelir. Bu yazarlar, kolun kaldırılmasının sistematik olarak postüral zincirdeki dinamik ve elektromiyografik fenomenlerden önce geldiğini ve buna "beklenen postüral ayarlamalar" adını verdiklerini bildirmişlerdir. GI için, salıncak topuk (veya yazarlara bağlı olarak salıncak ayak parmağı) yürüyüş hareketi10'un başlangıcı olarak kabul edilir. Sonuç olarak, bu andan önce meydana gelen dinamik fenomenler APA'ya karşılık gelir ve salıncak uzuv, odak zinciri11'in bir bileşeni olarak kabul edilir. Bu ifade, herhangi bir motor eylemin bir odak ve postüral bir bileşen içermesi gerektiğine göre klasik hareket biyomekanik organizasyon anlayışı ile uyumludur12,13.

Biyomekanik bir bakış açısından, GI ile ilişkili APA, ağırlık merkezini ters yönde itmek için hareket eden basınç merkezinin geriye ve mediolateral (salıncak bacağı yan odaklı) bir yer değiştirmesi olarak kendini gösterir - ileri ve duruş bacağı tarafına doğru. Basınç deplasmanının beklenen geri merkezi ne kadar büyük olursa, ayak temasında ileri ağırlık merkezi hızı açısından motor performansı o kadar yüksekolur 10,14. Ek olarak, ağırlık merkezini duruş bacağı tarafına doğru iterek, APA, GI 1,15,16,17'nin salınım fazı sırasında mediolateral stabilitenin korunmasına katkıda bulunur. Mevcut literatür, stabilitenin bu beklenti kontrolündeki değişikliğin yaşlılarda önemli bir düşme kaynağı olduğunu vurgulamaktadır1. GI sırasındaki stabilite, literatürde, destek tabanı içindeki ağırlık merkezinin hem hızını hem de konumunu dikkate alan bir miktar olan "stabilite marjı"nın18 uyarlanmasıyla ölçülmüştür. APA'nın gelişimine ek olarak, ağırlık merkezinin ağırlık etkisi altında GI'nin salınım fazı sırasında ağırlık merkezinin düşmesinin, duruş bacağının triceps surae tarafından aktif olarak frenlendiği bildirilmiştir. Bu aktif frenleme, ayak temasından sonra denge bakımını kolaylaştırır ve destek yüzeyine düzgün bir ayak inişisağlar 4.

Bu makalenin amacı, akademisyenlere, klinisyenlere ve yükseköğretim öğrencilerine, GI'nin postüral organizasyonunu biyomekanik bir yaklaşımla araştırmak için laboratuvarımızda geliştirilen materyal ve yöntem hakkında bilgi vermektir. Bu "küresel" yöntem (aşağıda ayrıntılı olarak açıklanan nedenlerden dolayı "kinetik bir yönteme de asimile edilebilir) Brenière ve işbirlikçileri tarafından başlatılmıştır10,19. Hem ağırlık merkezinin ivmesini hem de basınç merkezinin anlık konumlarını hesaplamak için mekaniğin doğrudan prensibine dayanır. Bu noktaların her biri, harekete özgü küresel bir ifadedir.

Birincisi, hareketin amacı ile ilgili tüm vücut bölümlerinin hareketlerinin anlık ifadesidir (ağırlık merkezi; örneğin, GI sırasında vücudun ilerleme hızı); diğeri (baskı merkezi) bu amaca ulaşmak için gerekli destek koşullarının ifadesidir. Bu iki noktanın anlık konumları, yürüyüşün başlatılması için yerine getirilmesi gereken posturo-dinamik koşulları yansıtır. Kuvvet platformu bu model için uygun bir araçtır, çünkü hareket sırasında destek yüzeyinde hareket eden dış kuvvetlerin ve momentlerin doğrudan ölçülmesine izin verir. Aynı zamanda doğal hareketlerin gerçekleştirilmesine izin verir ve özel bir hazırlık gerektirmez.

Biyomekanik, (nöro)fizyolojik, psikolojik, çevresel ve bilişsel faktörler 1,20 dahil olmak üzere GI'nin postüral organizasyonunu etkileyen birçok faktörün olduğu bilinmektedir. Bu yazıda iki faktörün etkisi üzerinde durulmuştur - GI hızı ve zamansal basınç - ve sağlıklı genç erişkinlerde elde edilen tipik değerleri sunmaktadır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Aşağıda açıklanan protokol, Université Paris-Saclay insan araştırma etik komitesinin kılavuzunu takip etmektedir. Katılımcılar bir onay formunu onayladı ve imzaladı.

1. Katılımcılar

  1. Deneye en az 15 sağlıklı genç yetişkin katılımcı ekleyin (20 ila 40 yaş arası).
    NOT: Bu önerilen konu sayısı, GI literatüründe klasik olarak dikkate alınanlara karşılık gelir.
  2. Yürüme yardımcısı, görsel, işitme veya ortopedik problemleri, tanımlanmış nörolojik bozuklukları, demans, bilişsel bozuklukları (yani, Mini Zihinsel Durum Muayenesinde 25 < bir puan) ve tıbbi düşme öyküsü olan katılımcıları hariç tutun.
  3. Katılımcılardan deneyin niteliği ve amacı hakkında bilgi verdikten sonra yazılı onay vermelerini isteyin.
  4. Deneyin Helsinki Deklarasyonu tarafından belirlenen standartlara uygun olduğundan emin olun.

2. Laboratuvar hazırlığı

  1. Kuvvet platformunun, ilk adımın sonunda tüm salıncak ayağının üzerine inmesini sağlayacak kadar uzun olduğundan emin olun. Değilse, katılımcılar birincisinde ilk duruşta duran ve ilk21'in önüne yerleştirilen ikincisine salıncak ayaklarını vuran iki küçük mesafe kuvvet platformu kullanın. Her iki durumda da, kararlı durum yürüyüşüne ulaşılmasını sağlamak için kuvvet platformlarının en az 5 m uzunluğundaki bir piste gömülü olduğundan / gömüldüğünden emin olun.
    NOT: Tüm deneysel değişkenler kümesini hesaplamak için 3B momentleri ve kuvvetleri kaydeden bir kuvvet platformu gereklidir (bkz. bölüm 5).
    1. Bir güvenlik önlemi olarak, tavana bir emniyet kemeri takın ve deneyin zayıf hastaları (örneğin, nörolojik hastalar) içermesi durumunda kuvvet platformunun büyük baltasına ortalayın.
  2. Kuvvet platformlarını kalibre edin. Otomatik sıfır düğmesine tıklayın.
  3. Günlükleri içe aktarma
    1. Qualisys Track manager'ı açın.
    2. "Proje" klasörünü seçin ve açın.
  4. Bir hasta klasörü oluşturun.
    1. Ekle'ye tıklayın, ardından hastaları seçin.
    2. Etiketleri girin: Gerekirse Hasta Kimliği, Ad, Soyad, Doğum Tarihi, Cinsiyet ve Yorum.
    3. Ekle'ye tıklayın ve ardından Yürüyüş oturumu'nu seçin.
    4. Etiketleri girin: Vaka Kimliği, Test operatörü, Gerekirse yorumlar, Tanı, İkincil Tanı, Etkilenen Taraf, Brüt Motor Fonksiyon Sınıflandırması, Fonksiyonel Hareketlilik Ölçeği, Boy, Ağırlık, Bacak uzunluğu sola, Bacak uzunluğu sağ, Diz genişliği sola, Diz genişliği sağ, Ayak bileği genişliği sağa, Tek delta sola, Tek delta sağ, Omuz ofseti sağa, Omuz ofseti sağa, Dirsek genişliği solda, Dirsek genişliği sağ, Bilek genişliği sol, Bilek genişliği sağ, El kalınlığı sol, El kalınlığı sağ ve İşaretçi çapı.
    5. Ekle'ye tıklayın ve ardından İşaretsiz oturum'u seçin.
    6. Etiketleri girin: Test Koşulu, Prothesis_Orthosis, Dış yardım, Dış yardım tarafı, Kişisel yardım, Kişisel yardım tarafı, Gerekirse yorumlar, Test operatörü ve Olay modu (birden fazla kuvvet plakası seçin).
  5. Force plate auto-zero (Plakayı otomatik sıfıra zorla) seçeneğini işaretleyin.
    1. Araçlar'ı seçin.
    2. Force Plates'e (Kuvvet Plakaları) tıklayın.
    3. "Plakayı otomatik sıfıra zorla" etiket kutusundaki Önizleme başlangıcında'ya tıklayın.
  6. Kuvvet platformundan gelen temel sinyallerin (kuvvetler ve anlar) şarj edilmediğinde sıfırda olduğundan emin olun.
    1. Yeni'ye tıklayın veya Ctrl + N kısayolunu kullanın.
    2. Veri bilgisi Penceresi 1'e tıklayın veya Ctrl + D kısayolunu kullanın.
    3. Görüntü Kuvveti Verisi'ne tıklayın veya Ctrl + D kısayolunu kullanın.
    4. Kuvvet'e tıklayın ve Plot'u seçin.

3. Deneysel prosedür

  1. Katılımcılardan doğal dik duruşlarında bir kuvvet platformunda çıplak ayakla ve hareketsiz durmalarını, kollarının yanlarına gevşek bir şekilde asılı olmalarını ve bakışlarının en az 5 m uzaklıktaki göz seviyesindeki bir hedefe yönlendirilmesini isteyin (Şekil 1).
    NOT: Ayakların kuvvet platformundaki konumunu ilk duruşta tanımlayın (örneğin, tebeşirle). Katılımcıların her denemeden sonra ayaklarını bu işaretler üzerinde yeniden konumlandırdıklarını dikkatlice kontrol edin. Bu nokta önemlidir, çünkü ilk ayak pozisyonu GI'nin APA özelliklerini etkiler.
  2. Katılımcıların tercihli başlangıç bacağını, ilk duruştayken ileri doğru bir adım atmak için gözleri kapalıyken katılımcıların sırtına hafifçe iterek belirleyin.
  3. Katılımcılara, yapacakları görevin, tercih edilen bacakla ayakta durma duruşundan yürüyüşü başlatmak, pistin sonuna kadar yürümeye devam etmek ve ardından sessizce ilk ayakta durma duruşuna geri dönmek olduğunu açıklayın.
    NOT: Deney sırasında yürüyüş, belirli bir denemede tanımlanan tercih edilen bacakla başlatılmazsa, denemeyi tekrarlayın.
  4. Yürüyüşün birbirini izleyen iki sinyalin (akustik, görsel veya dokunsal) ardından başlatılacağını açıklayın: bir hazırlık sinyali ve bir kalkış sinyali (bkz. adım 3.6 ve 3.7).
  5. Hız ve zamansal basınçla ilgili talimatları açıklayın (bkz. adım 3.8-3.10).
  6. İlk (hazırlık) sinyali katılımcılara iletin. Onlara hareketsiz durmalarını ve bu ilk sinyalde GI'yi beklemekten kaçınmalarını söyleyin.
  7. Hazırlık sinyalinden sonra rastgele 2-5 sn gecikmenin ardından ikinci (kalkış) sinyali verin.
    1. Bu ikinci sinyali vermeden önce katılımcıların görsel olarak hareketsiz olduklarından emin olun. Basınç deplasmanının anteroposterior veya mediolateral merkezinin zaman grafikleriyle hareketsizliği çevrimiçi olarak kontrol edin
      NOT: Hareketsiz değillerse, APA başlangıcının tespiti (adım 5.1.1) zor olabilir.
  8. Katılımcılara, kalkış sinyalini takiben ya i) mümkün olan en kısa sürede (yani bir reaksiyon süresi koşulunda) ya da ii) sadece kendilerini hazır hissettiklerinde (yani kendi kendine başlatılan bir durumda) yürüyüşü başlatmalarını söyleyin.
  9. GI'ye uygulanan "zamansal basınç" koşullarını değiştirin (yani, düşük zamansal basınç (kendi kendine başlatılan durum) ve yüksek zamansal basınç (reaksiyon süresi koşulu)).
  10. GI hızının koşullarını değiştirin (yavaş, kendiliğinden, hızlı koşullar).
    1. Deneysel koşulların sayısını sınırlamak ve böylece yorgunluğu önlemek için, katılımcılara düşük veya yüksek zamansal basınç koşulu altında yalnızca iki GI hızı koşulu (örneğin, yavaş ve hızlı) veya tersi (yani, yüksek ve düşük bir zamansal basınç koşulu altında yavaş veya hızlı bir hızda GI) gerçekleştirmelerini söyleyin.
      NOT: Zamansal basınç ve GI hızı ile ilgili talimatları sık sık tekrarlayın.
  11. Katılımcılara her deneysel koşulda 10 ardışık deneme serisi gerçekleştirmelerini söyleyin.
    NOT: Yaşlı denekler veya Parkinson hastalığı olan hastalar için beş denemeden oluşan bir seri yeterlidir22.
    1. Sipariş etkilerinden kaçınmak için katılımcılar arasında GI hızı ve zamansal basınç koşullarını rastgele hale getirin.
  12. Yorgunluğun etkilerinden kaçınmak için ardışık koşullar arasında en az 2 dakikalık bir dinlenme uygulayın.
  13. Her koşulda, katılımcıların kayıtlardan önce iki alıştırma denemesi yapmasına izin verin.
  14. Hazırlık sinyalinin başlamasından birkaç saniye önce kuvvet platformundan veri toplamayı tetikleyin ve katılımcı kuvvet platformundan ayrıldıktan sonra durun.

Figure 1
Şekil 1: Deney düzeneği. Katılımcılar başlangıçta en az 5 m uzunluğunda (2) bir piste gömülü bir kuvvet platformunda (1) dururlar ve bakışlar göz hizasındaki bir hedefe yönlendirilir (3). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

4. Kuvvet platformu kinetiği kayıtlarının işlenmesi

  1. 15 Hz kesme frekansına sahip gecikmesiz düşük geçişli Butterworth siparişini kullanarak kuvvet platformundan gelen verileri filtreleyin.
    1. Dosyayı içe aktarın.
    2. Visual3D'yi açın.
    3. "Proje" dosyasını seçin ve açın.
    4. Işleme
      1. Pipeline'a tıklayın veya F11 kısayolunu kullanın.
      2. Sinyal Filtresi'ni seçin.
      3. Lowpass_Filter'ı seçin.
      4. Yürüt'e tıklayın.
  2. Kuvvet platformundan 100 Hz hızında veri toplayın.
    1. Pipeline'a tıklayın veya F11 kısayolunu kullanın.
    2. Dosya Kaydet/Dışa Aktar'ı seçin.
    3. Export_Data_To_Acsii_File'ı seçin.
    4. Düzenle'ye tıklayın.
    5. Normalleştirme için Nokta Sayısı etiketine 100 girin.
    6. Yürüt'e tıklayın.
  3. Newton'un ikinci yasası 10,23'ü kullanarak, kuvvet platformuyla elde edilen 3B yer reaksiyon kuvvetlerinden anteroposterior (x''G), mediolateral (y''G) ve dikey (z''G) yönler boyunca anlık ağırlık merkezi ivmelenmelerinin zaman grafiklerini hesaplayın (bakınız Ek Şekil S1).
    NOT: Newton'un ikinci yasasına göre, bir sisteme uygulanan dış kuvvetlerin toplamı, bu sistemin kütlesine eşittir (m), ağırlık merkezinin ivmesiyle çarpılır. Bu nedenle, bu çalışmada açıklanan GI protokolü ile, katılımcılara uygulanan tek dış kuvvetler vücut ağırlığı (BW) ve yer reaksiyon kuvvetleridir ( R ). Denklemler (1), (2) ve (3) yazılabilir:
    x''G = Rx / m (1)
    y''G = Ry / m (2)
    z"G = (Rz - BW) / m (3)
    Burada Rx, Ry, Rz, sırasıyla vektör yer reaksiyon kuvvetinin anlık anteroposterior, mediolateral ve dikey bileşenleridir. X''G, y''G ve z''G'nin tipik grafikleri Şekil 2'de gösterilmiştir.
  4. Ağırlık merkezi hızının 3B zaman grafiklerini, sıfıra eşit entegrasyon sabitlerini kullanarak (yani, boş10 olarak kabul edilen 3B başlangıç ağırlık merkezi ağırlık merkezi hızı) 3B ağırlık merkezi ivme zaman grafiklerinin basit bir sayısal entegrasyonu aracılığıyla hesaplayın. Ağırlık merkezinin anteroposterior, mediolateral ve dikey hızının tipik zaman grafikleri için Şekil 2'ye bakın (sırasıyla x'G, y'G ve z'G).
  5. Mediolateral yön boyunca ağırlık merkezinin yer değiştirmesini elde etmek için y'G zaman grafiğinin ek bir entegrasyonunu gerçekleştirin. "Kararlılık marjını" hesaplamak için bu miktarı kullanın (bkz. adım 5.3.5.2).
  6. (4) ve (5) denklemlerini kullanarak kuvvet platformu verilerinden basınç merkezinin mediolateral (yP) ve anteroposterior (xP) yer değiştirmesini hesaplayın:
    Equation 1(4)
    Equation 2(5)
    Mx ve My sırasıyla anteroposterior ve mediolateral yönlerin etrafındaki anlık anlardır; Rx, Ry ve Rz sırasıyla anlık anteroposterior, mediolateral ve dikey yer reaksiyon kuvvetleridir; ve dz, kuvvet platformunun yüzeyi ile menşei arasındaki mesafedir (üretici tarafından sağlanır). xP ve yP'nin tipik zaman grafikleri Şekil 2'de gösterilmiştir (ayrıca Ek Şekil S2'ye bakınız).

5. Deneysel değişkenler

NOT: Aşağıda açıklanan her deneysel değişken, her deneme için elde edilen deneysel zaman grafiklerinden çıkarılmalıdır.

  1. Yürüme başlatmanın zamanlama olaylarının tespiti
    1. APA'nın başlangıcı
      1. Mediolateral ve anteroposterior yönler boyunca basınç yer değiştirme merkezinin zaman grafiklerini görüntüleyin.
      2. Katılımcılara iletilen ikinci sinyalden önceki 250 ms'lik zaman penceresinde basınç zaman grafiğinin mediolateral ve anteroposterior merkezinin ortalama değerini hesaplayın.
        NOT: Bu değerler, bu zaman grafiklerinin "temel değerlerine" karşılık gelir.
      3. Mediolateral ve anteroposterior basınç yer değiştirme merkezi izi, en az 50 ms için taban çizgisi değerinden 2,5 standart sapma saptığında ikinci sinyali takip eden anları tespit edin.
        NOT: Bu iki an, mediolateral ve anteroposterior yönler boyunca APA'nın başlangıcına karşılık gelir (sırasıyla t0ML ve t0AP; Şekil 2). Bu iki an, mediolateral ve anteroposterior ağırlık merkezi ivmesinin zaman grafiklerinin kendi tepe değerlerinin% 10'una ulaştığı anlar olarak da tanımlanabilir.
      4. Reaksiyon süresi durumunda, APA'nın başlangıcının ikinci (Go) sinyalden sonra 150 ms ile 300 ms arasında değiştiğinden emin olun. Değilse, denemeyi ve zamansal basınçla ilgili talimatları tekrarlayın.
        NOT: 150 ms'den az ise, katılımcılar tahmin etmişlerdir. 300 ms'den büyükse, katılımcılar göreve odaklanmamıştır.
      5. Kendi kendine başlatılan durumda, APA'nın başlangıcının 300 ms'den büyük olduğundan emin olun. Değilse, denemeyi ve zamansal basınçla ilgili talimatları tekrarlayın, çünkü katılımcılar bir reaksiyon süresi koşulunda yürüyüşe başlamış olabilirler.
    2. Salıncak topuklu kapanma süresi
      1. Dikey ağırlık merkezi hızının ve basınç deplasmanının anteroposterior merkezinin zaman grafiklerini görüntüleyin.
      2. Dikey ağırlık merkezi hızının izinin, APA başlangıcından sonra salıncak topuk kapanma zamanı24 olarak ilk kez aşağı doğru zirveye ulaştığı anı tanımlayın (Şekil 2). Alternatif olarak, basınç yer değiştirmesinin anteroposterior merkezinin zaman grafiğinin taban çizgisine doğru hızlı bir düşüş gösterdiği anı tanımlayın (yani, ayak parmaklarına doğru; Şekil 2) veya salıncak topuğuna bir ayak anahtarı (ucuz bir alet) yerleştirin.
    3. Salıncak ayak parmağı kapanma süresi
      1. Mediolateral ve anteroposterior basınç yer değiştirme merkezinin ve ağırlık merkezinin anteroposterior hızının zaman grafiklerini görüntüleyin.
      2. Mediolateral basınç yer değiştirme merkezinin zaman grafiğinin, salıncak ayak parmağı kapanma zamanı olarak duruş ayağı tarafına doğru yönlendirilmiş ilk (yarı) bir platoya ulaştığı anı tanımlayın (Şekil 2). Alternatif olarak, basınç deplasmanının anteroposterior merkezinin zaman grafiği maksimum geriye doğru değerin% 90'ına ulaştığında sonraki salıncak topuğunu tanımlayın veya salıncak parmağına bir ayak anahtarı yerleştirin.
    4. Salıncak ayağı temas süresi
      1. Basınç deplasmanının anteroposterior merkezinin zaman grafiklerini görüntüleyin.
      2. Anteroposterior basınç merkezinin aniden öne doğru kaydırıldığı anı tanımlayın (Şekil 2) salıncak ayağı temas süresi olarak. Bu zaman grafiği türetilmişse, salıncak ayağı temas süresini, bu türetilmiş zaman grafiğinin temel düzey değerinden keskin bir şekilde arttığı an olarak tanımlayın. Alternatif olarak, bu anı algılamak için salıncak topuğuna bir ayak anahtarı yerleştirin.
        NOT: APA tespiti için yukarıda açıklananlara benzer bir yöntem (ortalama bir temel düzey değerinin hesaplanmasına dayanarak; adım 5.1.1.2) burada kullanılabilir.
    5. Arka ayak basma süresi
      1. Mediolateral basınç yer değiştirme merkezinin zaman grafiğini görüntüleyin.
      2. Mediolateral basınç yer değiştirme merkezinin zaman grafiğinin, birincisi olarak ters yönde yönlendirilmiş ikinci (yarı) bir platoya ulaştığı anı tanımlayın (adım 5.1.3.2; Şekil 2), arka ayak basma süresi25. Alternatif olarak, bu anı algılamak için arkaya bir ayak pedalı anahtarı yerleştirin.
  2. Zamansal değişkenlerin hesaplanması
    1. Hem mediolateral hem de anteroposterior yönler için APA'nın başlangıcı (t0ML ve t0AP) ile salıncak topuk kapanma süresi (tHO) arasındaki gecikmeyi hesaplayın, bu da mediolateral (dAPAML) ve anteroposterior yönler (dAPAAP) boyunca APA süresine karşılık gelir. Bkz. denklemler (6) ve (7).
      dAPAML = tHO - t0ML (6)
      dAPAAP = tHO - t0AP (7)
    2. "Boşaltma aşaması" süresine (UNLd; Şekil 2) denklemini kullanarak (8).
      UNLd = tTO - tHO (8)
    3. "Salıncak fazı" süresine (SWINGd; Şekil 2) denklemini kullanarak (9).
      SWINGd = tFC - tTO (9)
  3. Uzamsal değişkenlerin hesaplanması
    1. Basınç merkezinin başlangıç konumu
      1. Mediolateral ve anteroposterior yönler boyunca basınç yer değiştirme merkezinin zaman grafiklerini görüntüleyin.
      2. Katılımcılara verilen ikinci (kalkış) sinyalden önceki 250 ms zaman penceresinde basınç pozisyonlarının mediolateral (yP0) ve anteroposterior (xP0) merkezinin ortalama değerlerini, başlangıç duruşundaki (veya "taban çizgisi" değerindeki) basınç pozisyonunun merkezini temsil eden ortalama değerlerini hesaplayın.
        NOT: Yukarıda açıklanan APA'nın uzaysal-zamansal özellikleri, ilk duruş26'daki basınç merkezinin konumuna duyarlıdır. Bu nedenle, APA özelliklerinde deneysel koşullar (örneğin, temizlemeye engel olmayan bir koşul ile temizlemeye engeli olmayan bir durum) veya deneysel popülasyonlar arasında (örneğin, sağlıklı katılımcılara karşı nörolojik katılımcılar) herhangi bir değişikliğin, ilk duruştaki basınç pozisyonunun merkezindeki "basit" bir değişikliğe atfedilemeyeceğinin kontrol edilmesi önemlidir. daha ziyade araştırılan faktöre.
    2. APA genliği
      1. Mediolateral ve anteroposterior yönler boyunca basınç yer değiştirme merkezinin ve ağırlık merkezi hızının zaman grafiklerini görüntüleyin.
      2. Bu dört zaman grafiğinin her birinin APA zaman penceresi sırasında maksimum değere ulaştığı anı tespit edin (Şekil 2).
      3. Adım 5.3.1.2'de hesaplanan ortalama basınç taban çizgisi değerini (yani, xP0 ve yP0 değerleri), APA zaman penceresi sırasında algılanan maksimum basınç değeri merkezinden çıkarın (her yön için; yani, denklemleri kullanarak hesaplama (10) ve (11)).
        xPAPA = xPMAX - xP0 (10)
        yPAPA = yPMAX - yP0 (11)
        xPAPA ve yPAPA'nın sırasıyla anteroposterior ve mediolateral yönler boyunca APA'nın (basınç merkezi) genliği olduğu yerlerde; xPMAX ve yPMAX, sırasıyla anteroposterior ve mediolateral yönler boyunca basınç deplasmanının maksimum beklenti merkezidir.
        NOT: Ağırlık merkezi hızı için böyle bir taban çizgisi çıkarma gerekli değildir, çünkü katılımcıların başlangıçta hareketsiz oldukları düşünülmektedir (ilk ağırlık merkezi hızı bu nedenle boştur; bkz. adım 4.4). Elde edilen dört değer, APA'nın genliğini temsil eder (yön başına iki değer).
    3. Adım uzunluğu ve adım genişliği
      1. Anteroposterior yön boyunca basınç yer değiştirme merkezinin zaman grafiğini görüntüleyin.
      2. Basınç pozisyonunun merkezi xPBACK'in en geriye doğru konumunu tespit edin.
      3. Arka ayağın kapanması sırasında basınç pozisyonunun merkezini algılayın, xPRFO (Şekil 2 ve adım 5.1.5).
      4. Denklem (12) kullanarak adım uzunluğuna, L41'e karşılık gelen bu iki nicelik arasındaki uzamsal farkı hesaplayın.
        L = xPBACK - Xprfo (12)
      5. Mediolateral yön boyunca basınç yer değiştirme merkezinin zaman grafiğini görüntüleyin.
      6. Zaman grafiğinin ilk platosu olan yPSTANCE ("duruş", çünkü basınç merkezi o sırada duruş ayağının altında bulunur; bkz. Şekil 2) sırasında elde edilen mediolateral basınç merkezi pozisyonunun en yanal pozisyonunu tespit edin.
      7. Arka ayak kapama zamanında, yPRFO'da basınç pozisyonunun yanal merkezini tespit edin (Şekil 2 ve adım 5.1.5).
      8. Denklemi (13) kullanarak adım genişliğine (W25) karşılık gelen bu iki miktar arasındaki uzamsal farkı hesaplayın.
        W = yPSTANCE - yPRFO (13)
    4. Yürüme başlatma performansı
      1. Anteroposterior yön boyunca ağırlık merkezi hızının zaman grafiğini görüntüleyin (Şekil 2).
      2. Katılımcıların kuvvet platformuna salıncak ayağıyla çarptığı anı tespit edin (adım 5.1.4, Şekil 2) ve bu anda ağırlık merkezinin hızını GI performansının bir kriteri olarak not edin.
        NOT: Salıncak ayağı temasından birkaç milisaniye sonra ulaşılan bu zaman grafiğinin tepe değeri de GI performansının bir kriteri olarak düşünülebilir. Adım uzunluğu ve salınım fazı süresi de GI performansının kriterleri olarak düşünülebilir. Bu miktarlar sırasıyla ne kadar uzun ve ne kadar kısa olursa, performans o kadar iyi olur.
    5. Stabilite kontrol parametreleri
      1. Frenleme indeksi için, ağırlık merkezi hızının zaman grafiğini dikey yön boyunca görüntüleyin. Zaman grafiğinin (z'GMIN) ağırlık merkezinin tepe aşağı doğru merkezini ve salıncak ayağı temas zamanındaki ağırlık merkezi hızını tespit edin (z'GFC, Şekil 2). Denklemi (14) kullanarak, denge kontrolünün bir göstergesi olarak "frenleme endeksi" (BI) olarak adlandırılan bu iki miktar arasındaki farkı hesaplayın.
        BI = Equation 3 (14)
        NOT: BI, Do ve meslektaşları tarafından tanıtıldı ve merkezi sinir sisteminin, yürüyüş başlangıcı 4,5,27'nin salıncak aşamasında dikey ağırlık merkezi hızını azaltarak destek yüzeyi ile salıncak ayağı vuruşunu öngördüğüne dair kanıt sağlar. Bu aktif frenleme, ayak darbesinden sonra denge bakımını kolaylaştırır. BI ne kadar büyük olursa, stabilite kontrolü o kadar iyi olur.
      2. Stabilite marjı için, ağırlık merkezi hızının zaman grafiklerini ve mediolateral yön boyunca yer değiştirmeyi görüntüleyin. Hızı (y'GFC) ve ağırlık merkezinin (yGFC) yer değiştirmesini salıncak ayağı temas zamanında tespit edin (Şekil 2). Denklemi (15) kullanarak ayak temasında stabilite marjının (MOS) mediolateral bileşenini hesaplayın.
        Equation 4(15)
        Burada BOSmax, destek tabanının (BOS) mediolateral sınırıdır ve ω0, ters çevrilmiş bir sarkaç olarak modellenen vücudun özfrekansıdır. GI sırasında, katılımcılar sistematik olarak önce salıncak topuğuyla, sonra ayak parmağıyla kuvvet platformuna inerler. Böyle bir ayak iniş stratejisi altında, BOSmax, arka ayağın kapanması sırasındaki basınç pozisyonunun mediolateral merkezi ile tahmin edilebilir (adım 5.1.5). Vücudun özfrekansı denklem (16) kullanılarak hesaplanabilir.
        Equation 5(16)
        Burada g = 9.81 m / s² yerçekimi ivmesidir ve l, vücut yüksekliğinin% 57.5'ine karşılık gelen ters sarkaçların uzunluğudur.
        NOT: Denklemdeki parantez içindeki miktar (15) "tahmini kütle merkezi"18 olarak adlandırılır. Ayak temasında stabilitenin durumu, ekstrapolasyonlu kütle merkezinin destek tabanı içinde yer aldığını ima eder. Bu durum pozitif bir MOS değerine karşılık gelir. MOS negatifse, dengeyi sağlamak için düzeltici postüral ayarlamalar gereklidir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Yürüme başlatma sırasında kuvvet platformundan elde edilen temsili biyomekanik zaman grafiklerinin tanımı
Zamansal basınç seviyesi veya GI hızı talimatı ne olursa olsun, salıncak topuklu ayakkabı sistematik olarak APA'dan önce gelir. Bu APA, basınç merkezinin geriye ve salıncak bacak yan kayması ile karakterize edilebilir (Şekil 2). Bu beklenen basınç kayma merkezi, ağırlık merkezinin ters yönde (yani ileri ve duruş bacağı tarafına) hızlanmasını teşvik eder. Anteroposterior yön boyunca, ağırlık merkezinin hızı, salıncak ayak temasından kısa bir süre sonra zirveye doğru kademeli olarak artar. Mediolateral yön boyunca, ağırlık merkezi hızı ilk önce ayak parmağının etrafındaki duruş bacağı tarafına doğru zirveye ulaşır, daha sonra ayak temasından kısa bir süre sonra salıncak bacağı tarafına doğru zirveye ulaşır. Dikey yön boyunca, ağırlık merkezi hızı orta duruşta aşağı doğru zirveye ulaşır. Daha sonra yönü tersine çevirir ve ayak temasında sıfıra yakın bir değere ulaşır.

Figure 2
Şekil 2: Yürüme başlatma sırasında kuvvet platformundan elde edilen temsili biyomekanik zaman grafikleri (tek bir deneme) ve seçilen uzay-zamansal değişkenler. Yürüyüş, reaksiyon süresi durumunda hızlı bir şekilde başlatıldı. X''G, y''G, z''G: ağırlık merkezinin sırasıyla anteroposterior, mediolateral ve dikey yönler boyunca hızlanması. X'G, y'G, z'G: sırasıyla anteroposterior, mediolateral ve dikey yönler boyunca ağırlık merkezinin hızı. xP, yP: basınç merkezinin sırasıyla anteroposterior ve mediolateral yönler boyunca yer değiştirmesi. Zamanlama olayları. t0ML, t0AP, tHO, tTO, tFC, tRFO: sırasıyla mediolateral ve anteroposterior yönler boyunca APA'nın başlangıcı, salıncak topuğu kalkış zamanı, ayak parmağını sallama zamanı, salıncak ayağı teması zamanı ve arka ayağı kapatma zamanı. Zamansal değişkenler. APA, UNL, SWING: APA, için zaman pencereleri, sırasıyla boşaltma aşaması ve yürüyüş başlatmanın salıncak aşaması. Uzamsal değişkenler. X'GFO, x'GFC, xPMAX, yPMAX, L, W, z'GMIN, z'GFC: sırasıyla ayak-off ve ayak temasında ağırlık merkezinin anteroposterior hızı, anteroposterior ve mediolateral yönler boyunca maksimum beklentili basınç yer değiştirme merkezi, adım uzunluğu, adım genişliği, ağırlık merkezinin aşağı doğru tepe merkezi hızı ve salıncak ayak temas zamanında dikey ağırlık merkezi hızı. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Genç sağlıklı yetişkinlerde deneysel değişkenlerin temsili değerleri: Hız ve zamansal basıncın etkisi

Zamansal değişkenler

APA süresi
APA'nın anteroposterior ve mediolateral yönler boyunca süresi, GI'nin hızına bağlıdır, ancak tam tersi bir şekilde. Daha spesifik olarak, anteroposterior yön boyunca APA süresi, yavaş GI için ~ 500 ms ve hızlı GI9 için ~ 700 ms arasında değişen tipik değerlerle GI hızı ile artar. Buna karşılık, mediolateral yön boyunca APA süresi GI hızı ile azalır. Tipik değerler yavaş GI için ~700 ms ile hızlı GI21 için ~500 ms arasında değişir.

Anteroposterior ve mediolateral APA'nın süresi de temporal basınca bağlıdır (yukarıda verilen değerler kendi kendine başlatılan bir durum içindir (yani, düşük temporal basınç seviyesine sahip bir durum). Literatürdeki çalışmalar tipik olarak, hızlı bir durumda 1,28 yürüyüş başlatıldığında, düşük ve yüksek zamansal basınca sahip bir durumda APA süresini karşılaştırır. Bu koşullar altında, hem anteroposterior hem de mediolateral APA'nın süresi, reaksiyon süresi durumunda, kendi kendine başlatılan duruma kıyasla yaklaşık 20-30 ms azalır.

Boşaltma aşaması süresi
Boşaltma aşaması süresi, GI'nin hızına bağlıdır (yani, GI hızı arttığında azalır). Tipik süreler yavaş GI için ~200 ms ve hızlı GI21 için ~70 ms arasında değişir. Boşaltma fazı süresi, en azından hızlı bir durumda yürüyüş başlatıldığında zamansal basınca duyarlı değildir29.

Salıncak fazı süresi
Salınım fazı süresi, GI'nin hızına bağlıdır (yani, hız arttıkça azalır). Tipik süreler yavaş GI için ~500 ms ve hızlı GI21 için ~300 ms arasındadır. Buna karşılık, bu süre zamansal basınca duyarlı değildir, en azından yürüyüş hızlı bir durumda başlatıldığında29.

Uzamsal değişkenler

APA genliği
APA'nın genliği GI'nin hızına bağlıdır. Daha spesifik olarak, kendi kendine başlatılan bir durumda, GI'nin hızı9 arttığında, APA'nın anteroposterior yön boyunca genliği artar. Tipik APA değerleri, yavaş GI için ~7 cm ile ~0,15 m/s (basınç yer değiştirmesinin beklenen merkezi ve ağırlık merkezi hızı için) ve hızlı GI için ~13 cm ve ~0,36 m/s arasında değişir. APA'nın mediolateral yön boyunca, basınç yer değiştirmesinin merkezi açısından, GI21'in hızı ile de artar. Tipik değerler yavaş GI için ~3 cm ve hızlı GI için ~4 cm arasında değişir. Buna karşılık, APA sırasında ulaşılan ağırlık merkezinin maksimum hızı (mediolateral yön) GI'nin hızı ile değişmez. Tipik değerler ~ 0.13 m / s'dir. APA'nın genliği de zamansal basınca duyarlıdır, en azından yürüyüş hızlı bir şekilde başlatıldığında28,29. Daha spesifik olarak, APA'nın hem anteroposterior hem de mediolateral bileşenleri temporal basınçla artar.

Adım uzunluğu ve adım genişliği
Adım uzunluğu ve adım genişliğinin her ikisi de GI'nin hızına bağlıdır, ancak zamansal basınca bağlı değildir. Adım uzunluğu, sırasıyla yavaş ve hızlı bir durumda yürüyüş başlatıldığında tipik olarak ~ 50 cm ve ~ 90 cm'ye ulaşır,23. Adım genişliği, yürüyüş yavaş ve hızlı bir GI durumunda başlatıldığında tipik olarak ~ 12 cm ve ~ 14 cm'ye ulaşır, sırasıyla9.

Yürüme başlatma performansı
Ağırlık merkezi hızının zirvesi tipik olarak yavaş GI için ~ 1 m / s ve hızlı GI10 için ~ 2 m / s arasında değişir. Hızlı GI için, zamansal basınç bu performans parametresi29'u etkilemez, ancak küçük (~% 9) bir değişikliğe neden olabilir28.

Stabilite kontrol parametreleri

Frenleme indeksi
BI, GI'nin hızına duyarlıdır. Yürüyüş, ~ 43 cm'den daha az bir adım uzunluğuna sahip yavaş bir durumda başlatıldığında, ağırlık merkezinin düşüşünü frenlemeye gerek olmadığı için BI boştur. Ağırlık merkezi düşüşünü frenleme ihtiyacı, 43 cm'den daha büyük adım uzunlukları için ortaya çıkar. BI'ın tipik bir değeri, 1 m/s'de başlatılan ve adım uzunluğu 55 cm27 olan yürüyüş için 0,08 m/sn'dir.

Stabilite marjı
MOS, GI'nin hızına veya zamansal basınç 21,30'a duyarlı değildir. GI sırasında elde edilen tipik MOS değerleri ~ 5 cm21'dir.

Ek Şekil S1: Yürüme başlatma sırasında 3D yer reaksiyon kuvvetlerini gösteren yazılımın (Qualisys Track Manager) ekran görüntüleri. Solda, kuvvet platformu ekseni, basınç pozisyonunun merkezi (yer reaksiyonu kuvveti vektörünün uygulama noktasına karşılık gelir) ve ilk duruştaki yer reaksiyon kuvveti vektörü; sağda, yürüyüş başlatma sırasında ham 3D yer reaksiyonu kuvvetlerinin zaman seyri (bir katılımcı, bir deneme). Yeşil, kırmızı ve mavi izler sırasıyla anteroposterior, mediolateral ve dikey yön boyunca zemin reaksiyon kuvvetini temsil eder. Ordinat: Newton'larda kuvvet genliği. Abscissa: Bayan cinsinden zaman. Katılımcılar başlangıçta kuvvet platformunun sol tarafında durdular ve sağ tarafa doğru yürüyüşe başladılar. Katılımcının kuvvet platformundan t = 3.200 ms zamanında ayrıldığını unutmayın.

Ek Şekil S2: Basınç yer değiştirme izlerinin ham merkezini gösteren yazılımın (Qualisys Track Manager) ekran görüntüleri. Solda, kuvvet platformu ekseni, basınç pozisyonunun merkezi (yer reaksiyon kuvveti vektörünün uygulama noktasına karşılık gelir) ve katılımcı tarafından ilk duruşta kuvvet platformuna uygulanan eylem kuvveti vektörü; sağda, basınç yer değiştirmenin ham merkezinin zaman seyri izler (bir katılımcı, bir deneme). Yeşil ve kırmızı izler, sırasıyla anteroposterior ve mediolateral yön boyunca basınç yer değiştirmesinin merkezini temsil eder. Ordinat: milimetre cinsinden yer değiştirme. Abscissa: Bayan cinsinden zaman. Katılımcılar başlangıçta kuvvet platformunun sol tarafında durdular ve sağ tarafa doğru yürüyüşe başladılar. Katılımcının kuvvet platformundan t = 3.200 ms zamanında ayrıldığını unutmayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bu makalenin amacı, akademisyenlere, klinisyenlere ve yükseköğretim öğrencilerine laboratuvarımızda yürüme başlatmanın (GI) biyomekanik organizasyonunu araştırmak için kullanılan yöntem ("küresel" yöntem) hakkında bilgi vermektir. Protokolün kritik adımları, yöntemin sınırlamaları, alternatif yöntem ve uygulamalar aşağıda tartışılmıştır.

Protokoldeki kritik bir adım, GI'nin zamanlama olaylarının (yani, APA başlangıcı, salıncak topuk ve ayak parmağı ve arka ayak kapalı) tespit edilmesidir. GI'nin organizasyonu ile ilgili hem zamansal hem de mekansal değişkenlerin değerleri, bu olayların doğru tespitine bağlıdır. Her biri için çeşitli tespit yöntemleri önerilmiştir (önerilen bu yöntemler kapsamlı değildir). Denemeler ve deneysel koşullar arasında tutarlılık sağlamak ve literatürdeki çalışmalar arasında karşılaştırmaya izin vermek için veri analizi boyunca aynı yöntemin kullanılması önerilmektedir. Bununla birlikte, doğru zamanlama olaylarının doğru şekilde algılandığından emin olmak için en az iki farklı yöntem kullanılması da önerilir (bu yöntemlerde zamansal özellik değerlerinde yalnızca küçük farklılıklar beklenir). Ayrıca, her zamanlama olayı için otomatik algılama uygulanabilir (örneğin, bir MATLAB rutini ile). Bu rutin, bu makalede sağlanan yöntemlerle kolayca programlanabilir. Bu rutinlerle otomatik olarak elde edilen verilerin tutarlılığını ve "güvenilirliğini" görsel olarak kontrol etmeniz şiddetle tavsiye edilir. Örneğin, beklenen basınç yer değiştirme merkezinin genliği, destek boyutunun tabanını geçmemelidir. Geriye ve salıncak bacağı tarafına doğru yönlendirilmesi beklenmektedir (belirli deneysel popülasyonlar hariç); salıncak topuğundan sonra salıncak ayak parmağı çıkış zamanının gerçekleşmesi beklenir; APA başlangıcı, kalkış sinyalinden 150 ms önce veya 300 ms sonra (reaksiyon süresi durumunda) gerçekleşmemelidir. Başka bir deyişle, otomatik algılamanın verileri doğru ve "güvenli" bir şekilde analiz etmek için tek başına yeterli olmadığına inanılmaktadır; i) kuvvet platformundan beklenen biyomekanik grafiklerin küresel zaman seyri ve ii) sağlıklı katılımcılardan beklenen tipik değerler hakkında derinlemesine bilgi sahibi olmak esastır. Otomatik rutinleri programlama becerisine ek olarak, bu bilginin biyomekanikteki yüksek öğrenim öğrencileri için güçlü bir didaktik değere sahip olduğuna inanıyoruz. Bu nedenle bu iki unsur bu makalede verilmiştir.

"Küresel" yöntemin en az iki sınırlaması olduğu kabul edilmektedir. İlk olarak, bu yöntem katılımcıların başlangıç duruşu (yani, vücut segmentlerinin göreceli konumu hakkında) hakkında veri sağlamaz, ancak başlangıç basınç merkezi ve ağırlık merkezi konumu (göreceli konumu denge durumunu belirler) hakkında veri sağlar. Aynı başlangıç basınç merkezine ve ağırlık merkezi konumuna teorik olarak sonsuz sayıda duruşla ulaşılabilir. Başka bir deyişle, katılımcıların yürüyüşe başladığı ilk postüral koşullar, global yöntemle tam olarak kontrol edilemeyebilir. Bu nedenle, katılımcıların ilk duruşunun denenmiş bir araştırmacı veya klinisyen tarafından görsel olarak kontrol edilmesi, vücut segmentlerinin göreceli pozisyonu kaydedilemiyorsa (örneğin, bir kamera ile) önemlidir. İkincisi, yöntem her bir vücut segmenti ivmesinin (veya "yerel" ivmelenmelerin) tüm vücut ağırlık merkezi ivmesine katkısı hakkında bilgi sağlamaz. Bazı vücut segmentlerinin hızlanmasının, bazı uzak vücut segmentlerinin yavaşlamasıyla telafi edilebileceği ve APA31 sırasında boş bir tüm vücut ağırlık merkezi ivmesi ile sonuçlanabileceği teorik olarak mümkündür. Bu nedenle, birkaç vücut segmenti (örneğin, gövde, kalçalar, bacaklar) üzerine yerleştirilmiş ivmeölçerlerin kullanılması, kuvvet platformu verilerini tamamlamak için uygun olabilir.

GI sırasında tüm vücut ağırlık merkezini hesaplamak için alternatif ve popüler bir yöntem, tüm vücut eklem segmentlerine yapıştırılmış yansıtıcı belirteçlerin hareket yakalama sistemini kullanan kayıtlara dayanan kinematik yöntemdir. Bu yansıtıcı belirteçler tarafından sağlanan sinyaller, tüm vücut iskeletinin yeniden yapılandırılmasına izin verir. Böylece yeniden oluşturulan her bir vücut segmentinin büyüklüğüne ve antropometrik tablolar tarafından sağlanan bilgilere (örneğin, kemiklerin kütlesi ve yoğunluğu) dayanarak, her segmentin ağırlık merkezinin 3D konumu kamera yazılımı ile hesaplanabilir. Bu verilerle, tüm vücut ağırlık merkezinin 3B konumunu hesaplamak mümkündür. Konum sinyalinin art arda türetilmesiyle, tüm vücut ağırlık merkezinin hızı ve ivmesi elde edilebilir. Tüm vücut ağırlık merkezinin kinematiğini hesaplamak için, 53 yansıtıcı belirteç gereklidir32. Bununla birlikte, yakın zamanda Tisserand ve ark.33 tarafından 13 işaretleyicili basitleştirilmiş bir model önerilmiştir.

Küresel yöntemin (kuvvetlerin ve anların kaydedilmesine dayandığı için kinetik bir yönteme asimile edilebilen) GI'nin postüral organizasyonunu araştırmak için kinematik yönteme göre avantajları şunlardır: i) katılımcıların hazırlanmasını gerektirmez, böylece deneye katılan zayıf veya patolojik hastalarda özellikle önemli olan zamandan tasarruf sağlar; ii) küresel yöntem bu miktarın doğrudan bir ölçüsünü sağladığından, deneyci tarafından yapılan işaretleyici konumlandırmasındaki kümülatif küçük hatalardan dolayı tüm vücut ağırlık merkezi ivmesinin hesaplanmasında potansiyel hataları önler; iii) Basınç pozisyonunun merkezi, hareket yakalama sistemleri kullanılarak hesaplanamaz. Küresel yöntemin kinematik yönteme göre ana dezavantajı yukarıda belirtilmiştir - duruş veya segmental koordinasyonun araştırılmasına izin vermez.

Şimdi, mevcut literatürden elde edilen sonuçların, her iki yöntemin de lokomotor görevler sırasında ağırlık merkezi kinematiğinin ve olay zamanlamasının eşdeğer ölçüsünü sağladığını öne sürmesi dikkat çekicidir. Örneğin, Langeard ve ark.34, GI sırasında global yöntemi veya kinematik yöntemi kullanarak ağırlık merkezi frenlemesinin ("frenleme indeksi" (BI)) tahmin edilmesinin oldukça güvenilir olduğunu bildirmiştir. Telafi edici adım atma reaksiyonları sırasında, Maki ve McIlroy35, her iki yöntemle ayak temasında hesaplanan ağırlık merkezinin anteroposterior hızının ve yer değiştirmesinin hem genç sağlıklı yetişkinlerde hem de yaşlılarda makul derecede iyi bir anlaşma sağladığını bildirmiştir. Benzer şekilde, transfemoral amputasyonu olan kişilerde düz zeminde düz yürüyüş sırasında, Lansade ve ark.36, kuvvet platformu veri entegrasyonundan ağırlık merkezi hızının tahmininin kabul edilebilir olduğunu göstermiştir. Son olarak, Caderby ve ark.24 ve Yiou ve ark.25, bu iki yöntemin, GI sırasında sırasıyla salıncak topuğu olayı ve adım uzunluğu / genişliğinin benzer bir tahminini sağladığını göstermiştir.

Küresel yöntem başlangıçta genç sağlıklı yetişkinlerde GI paradigmasına, eşzamanlı tüm vücut itici gücü ve stabilite bakımı gerektiren fonksiyonel bir motor görev sırasında normal postüral kontrol hakkında temel bilgi edinmek için uygulanmıştır10. O zamandan beri, eskrim37'de dalma,38 atlama,39 ayakta durmak için oturma ve alt ekstremite fleksiyonu40 gibi diğer birçok dinamik tüm vücut motor görevini araştırmak için geniş çapta genişletilmiştir. Yöntemin, tek adımlı41 ve işaret 42 dahil olmak üzere çeşitli motor görevlerin sonlandırılması sırasında postüral kontrolü araştırmak için de uygulandığını ve daha önce kinematik yöntem43 ile yapıldığı gibi yürüme sonlandırmayı araştırmak için potansiyel olarak uygulanabileceğini belirtmekte fayda var. Son olarak, yöntem nörolojik rahatsızlığı olan hastalarda ve yaşlılarda dinamik postüral kontrolü etkileyen patopsikofizyolojik mekanizmaları daha iyi anlamak için yaygın olarak kullanılmaktadır 2,3,4,5 ve daha yakın zamanlarda, Parkinson hastalığı olan hastalarda, çeşitli farmakolojik olmayan müdahalelerin etkinliğini test etmek için (ayak bileği germe44 ve fonksiyonel elektriksel stimülasyongibi) 3 ) postüral kontrolün arttırılmasında.

Sonuç olarak, bu makalede yürüme başlangıcında postüral kontrolü araştırmak için tasarlanmış ayrıntılı bir yöntem sunulmuştur. Her değişken için genç sağlıklı erişkinlerde elde edilen normatif değerler sağlanmıştır. Yöntem, ağırlık merkezinin ve basınç merkezinin kinematiğini hesaplamak için mekanik yasalarına dayandığından, güçlü bir biyomekanik arka plana sahiptir. Bu iki sanal nokta arasındaki etkileşimin analizi, bu yöntemin kilit noktasıdır, çünkü stabilite ve tüm vücut ilerlemesi koşullarını belirler. Günlük motor görevlerimizin çoğunun (spor ve iş dahil) performansı güvenli (istikrarlı) tüm vücut progresyonunu gerektirdiğinden, yöntem hem sağlıklı hem de patolojik popülasyonlarda motor verimliliğin / eksikliğin altında yatan posturo-dinamik mekanizmalar hakkında fikir edinmek için oldukça uygundur. Bu nedenle insan hareketi bilimi, spor bilimi, ergonomi ve klinik bilimde güçlü uygulamalara sahiptir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların birbiriyle çelişen çıkarları yoktur.

Acknowledgments

Yazarlar ANRT ve LADAPT'a teşekkür eder.

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

Nörobilim Sayı 185
Kuvvet Platformu Kayıtlarını Kullanarak Biyomekanik Analiz için Yürüme Başlangıcının Postural Organizasyonu
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