Sit-to-stand-e-piedi dal 120% del ginocchio Altezza: Un nuovo approccio per valutare la dinamica posturale controllo indipendente di piombo-arto

Behavior

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Jones, G. D., James, D. C., Thacker, M., Green, D. A. Sit-to-stand-and-walk from 120% Knee Height: A Novel Approach to Assess Dynamic Postural Control Independent of Lead-limb. J. Vis. Exp. (114), e54323, doi:10.3791/54323 (2016).

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Abstract

Gli individui con sensomotoria patologia ad esempio, ictus hanno difficoltà a eseguire il compito comune di passando da seduto e l'avvio di andatura (sit-a-passeggiata: STW). Così, nella riabilitazione clinica separazione dei sit-to-stand e andatura iniziazione - chiamato sit-to-stand-e-passeggiata (STSW) - è usuale. Tuttavia, un protocollo STSW standardizzato con un approccio analitico ben definito adatto per la valutazione patologica deve ancora essere definita.

Quindi, un protocollo obiettivo orientato è definito che è adatto per gli individui sani e compromessi richiedendo la fase di salita essere iniziato da all'altezza del ginocchio 120% con un'ampia base di appoggio indipendenti dell'arto piombo. acquisizione ottica di tridimensionale (3D) traiettorie di movimento segmentale e forza piattaforme per cedere bidimensionali (2D) di centro-di-pressione (COP) traiettorie monitoraggio permesso della distanza orizzontale tra COP e di tutto il corpo-centro-di- massa (BCOM), la diminuzione che aumentanos stabilità di posizionamento, ma si propone di rappresentare un cattivo controllo posturale dinamico.

distanza BCOM-COP si esprime con e senza la normalizzazione di lunghezza delle gambe dei soggetti. Mentre distanze COP-BCom variano attraverso STSW, dati normalizzati alle manifestazioni del movimento chiave del sedile-off e l'iniziale toe-off (TO1) durante le fasi 1 e 2 hanno un basso intra ed inter variabilità soggetto in 5 prove ripetute effettuate da 10 giovani individui sani . Così, il confronto a distanza COP-BCOM in occasione di eventi importanti durante l'esecuzione di un paradigma STSW tra i pazienti con lesioni del motoneurone superiore, o di altri gruppi di pazienti compromessi, e dati normativi nei giovani individui sani è una nuova metodologia per la valutazione della stabilità posturale dinamico.

Introduction

patologie cliniche che colpiscono il sistema senso-motori, per esempio motoneurone superiore (UMN) infortunio dopo ictus, portano a disturbi funzionali tra cui la debolezza, perdita di stabilità posturale e spasticità, che possono influenzare negativamente la locomozione. Il recupero può essere variabile con un numero significativo di ictus che non raggiungono le tappe funzionali di livello di sicurezza o camminare 1,2.

La pratica discreta di camminare e sit-to-supporto sono compiti riabilitativi comuni dopo UMN patologia 3,4, tuttavia movimenti di transizione sono spesso trascurati. Sit-a-passeggiata (STW) è un compito posturale-motorio sequenziale che incorpora sit-to-supporto (STS), andatura iniziazione (GI), e camminare 5.

La separazione di STS e GI, riflettente di esitazione durante STW è stata osservata nei pazienti con malattia cronica 6 e ictus di Parkinson 7, oltre a unimpaire anzianid adulti 8, ma non nei giovani individui sani 9. Pertanto sit-to-stand-and-piedi (STSW) è comunemente implementato all'interno dell'ambiente clinica ed è definito da una fase di pausa di lunghezza variabile in piedi. Tuttavia, non ci sono protocolli pubblicati fino ad oggi definiscono la dinamica STSW in un contesto adatto per popolazioni di pazienti.

Di solito negli studi STW l'altezza della sedia iniziale è al 100% dell'altezza del ginocchio (KH, dal pavimento al ginocchio a distanza), piedi di larghezza e GI piombo degli arti sono auto-selezionati, le braccia sono vincolati sul petto e un contesto compito ecologicamente significativo è spesso assente 5-9. Tuttavia, i pazienti trovare passando dal 100% KH impegnativo 10 e adottare spesso una posizione del piede più ampia rispetto agli individui sani 11, avviare l'andatura con la gamba colpita 7, e usare le armi per generare lo slancio 7.

Per avviare andatura, un cambiamento di stato del movimento di tutto il corpo in un purpos direzione eful è richiesto 12. Ciò si ottiene sgancio del corpo intero centro di massa (BCOM: la media ponderata di tutti i segmenti corporei considerati nello spazio 13) dal centro-di-pressione (COP: la posizione della forza di reazione terra risultante (GRF) vector 14). Nella fase anticipatoria GI, rapida posteriore stereotipo e il movimento laterale del COP verso dell'arto da oscillare si verifica generando BCOM slancio 12,15. Il COP e BCOM sono quindi separati, con la distanza orizzontale tra di loro essendo stato proposto come misura di controllo posturale dinamico 16.

Il calcolo della distanza COP-BCOM richiede misurazione simultanea di posizioni COP e BCom. Il calcolo standard del COP è mostrato sotto nell'equazione (1) 17:

Equazione 1

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Equazione 3
(1)

Dove M e Forza rappresentano momenti intorno agli assi piattaforma di forza e il direzionale GRF rispettivamente. Gli indici rappresentano assi. L'origine è la distanza verticale tra la superficie di contatto e l'origine della piattaforma di forza, ed è considerata pari a zero.

Il metodo cinematico di derivare posizione BCOM comporta il monitoraggio dello spostamento dei marcatori segmentale. Una rappresentazione fedele del movimento del corpo-segmento può essere raggiunto impiegando marcatori cluster su piastre rigide poste lontano da punti di riferimento ossei, riducendo al minimo dei tessuti molli-artefatto (tecnica CAST 18). Al fine di determinare la posizione BCOM, singole masse segmento corporeo sono stimati, sulla base di lavoro cadaverico 19. Tridimensionale software proprietario (3D) sistema di movimento utilizza il posizioni prossimale e d coordinateIstal posizioni segmento a: 1) determinare le lunghezze segmentale, 2) stimano aritmeticamente masse segmentale, e 3) calcolare posizioni COM segmentale. Questi modelli sono quindi in grado di fornire stime di posizione BCOM 3D in un dato punto nel tempo in base alla somma netto delle posizioni inter-segmentale (Figura 1).

Pertanto, lo scopo di questo documento è prima di presentare un protocollo standardizzato STSW ecologicamente valido e comprende passando da una sede altezza alto. E 'stato dimostrato in precedenza che STSW dal 120% KH è biomeccanicamente indistinto dal 100% KH blocco generazione di minori BCom velocità verticali e GRF di aumento nel corso di 20, il che significa passando dal 120% KH è più facile (e più sicuro) per gli individui compromessi. In secondo luogo, per ricavare distanze orizzontali COP-BCOM per valutare il controllo posturale dinamico durante le tappe fondamentali e transizioni utilizzando motion-capture 3D. Questo approccio, che in individui sani durante STSW è indipendente arto-leAD 20, offre la prospettiva della valutazione recupero funzionale. Infine, un preliminare insieme rappresentativo di dati STSW di giovani individui sani è presentato, e la variabilità intra e inter-soggetto nel gruppo è definito al fine di informare il confronto con gli individui patologici.

Figura 1
Figura 1. 2D calcolo BCOM. Per semplicità, l'esempio è basato sul calcolo complesso gamba COM da una massa 3-linked in 2 dimensioni, dove coordinate delle posizioni rispettive COM (x, y), e masse segmentale (m 1, m 2, m 3) sono noti. masse Segmento e posizione delle posizioni COM segmentale, per quanto riguarda il laboratorio di sistema di coordinate (LCS; origine: 0, 0), sono stimati dal sistema di analisi del movimento utilizzando il software proprietario di massa corporea soggetto e dati antropometrici pubblicati (vedi testo principale). Il x unND posizione COM gamba y, in questo esempio di massa 3-linked, viene poi ricavato utilizzando le formule riportate. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Protocol

Il protocollo segue le linee guida locali per la sperimentazione di partecipanti umani, definito dal London South Bank University approvazione del comitato etico di ricerca (UREC1413 / 2014).

1. Preparazione Gait Laboratory

  1. Cancellare il volume di cattura di oggetti riflettenti indesiderati che possono essere fraintesi come marcatori di movimento ed eliminano la luce ambiente per ridurre i riflessi a seconda dei casi.
  2. Accendere le telecamere motion-capture, software di monitoraggio di proprietà, amplificatori piattaforma di forza, e analogico-digitale (AD) esterno. Lasciare il tempo per le telecamere per inizializzare.
  3. Disporre le telecamere garantendo che non vi sono almeno 2 assi che si intersecano agli estremi del volume di cattura. Assicurarsi che le singole telecamere hanno impostazioni ottimali di esposizione e apertura controllando punto risoluzione individuale dei marcatori di prova (ad esempio, il telaio di calibrazione statica) all'interno dello spazio del volume di cattura (vedi riferimento Appendice A 21).
  4. Mount oggetto per spegnere segnale di andare visiva sulla linea mediana della passerella, 6 m di fronte alla posizione di partenza nella direzione di marcia, su un treppiede all'altezza dell'ombelico del soggetto. Fonte Mount luminosa (per il segnale go visivo) sulla linea mediana della passerella, 1 m di fronte al soggetto-interruttore nella direzione di marcia, su un treppiede all'altezza canto del soggetto (Figura 2). Disporre l'interruttore della luce operatore in prossimità del ricercatore.
  5. Disporre piattaforme di forza 1 e 2 in parallelo per andatura-iniziazione, e piattaforme di forza 3 e 4 in una configurazione sfalsata per catturare non dominanti prove lead-arti. Poi allegare piattaforma di forza copre con nastro adesivo rimovibile.

figura 2
Figura 2. Il protocollo sperimentale. Questo esempio mostra un vantaggio di sinistra-gamba: Soggetti siedono su uno sgabello strumentato all'altezza del ginocchio 120% (KH) ingegnoh caviglie 10 ° gradi in flessione dorsale e piedi alla larghezza delle spalle orientata in avanti. Su un segnale visivo, i soggetti eseguono 5 prove di STSW leader con il loro arto non dominante a passo auto-selezionati terminato spegnendo la luce. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

  1. Nel software di monitoraggio della frequenza di acquisizione set di proprietà di 60 Hz e parametri di monitoraggio 3D. Specificamente, utilizzare un errore di predizione di 20 mm, un residua massima di 2 mm, lunghezza minima traiettoria equivalente a 2 fotogrammi, e una differenza massima telaio 10 fotogrammi. Vai su per identificare ognuno degli 8 singoli componenti della piattaforma forza (Z1, Z2, Z3, Z4, X1-2. X3-4, y1-4, y2-3) da ciascun amplificatore piattaforma forma nel rispettivo convertitore analogico-digitale ( 32 canali in questo studio).
    1. Assicurarsi che tutte le impostazioni di calibrazione predeterminati dal CALIBRAZIO di ciascuna piattaforma di forzadocumentazione n, sono stati specificati fattori di scala e dei canali analogici (vedi capitolo Opzioni progetto; analogici Boards 21) e nominare compensato da leggere durante gli ultimi 10 fotogrammi di cattura quando scaricato.
  2. Nel software di monitoraggio proprietario, nominare un moltiplicatore alla frequenza di motion-capture per garantire una frequenza di campionamento di riferimento adeguato. Utilizzare un moltiplicatore di 17, ottenendo una piattaforma di forza frequenza di campionamento individuale di 1.020 Hz.
  3. Implementare la procedura di calibrazione bacchetta dinamica:
    1. Posizionare la struttura di riferimento a forma di L sul pavimento del volume di cattura in preparazione per la taratura di spazio 3D. L'asse lungo di questa struttura dovrebbe essere rivolta nella direzione anteriore. (vedi capitolo bacchetta metodo di calibrazione 21).
    2. Nella pagina delle impostazioni di calibrazione nella finestra di dialogo Opzioni progetto, selezionare il 'tipo' di calibrazione a bacchetta, con una lunghezza di 750 mm. Quindi selezionare coororientamento del sistema dinare con punta verso l'alto positivo asse Z e positivo asse y come il braccio lungo (vedi capitolo Calibrazione 21). Fare clic su OK.
    3. Fare clic sull'icona di calibrazione e impostare la durata prevista della cattura di calibrazione a 60 sec. Quindi impostare un ritardo di 5 secondi e identificare la directory in cui verranno salvati i risultati. Fare clic su OK per iniziare la calibrazione.
      Nota: La procedura bacchetta utilizza due oggetti di calibrazione per calibrare il volume di misura; questo è usato per massimizzare la risoluzione di un grande volume motion capture (Figura 3). Uno è una struttura di riferimento a L stazionaria con quattro marcatori collegato ad esso ed è usato per definire il sistema di coordinate globale. L'altro oggetto è una bacchetta, che consiste di due marcatori che si trovano ad una distanza fissa tra loro. Durante la calibrazione, il x, y, z orientamenti di questi sono tracciati rispetto alla x, y, z posizioni dei quattro marcatori staticisulla struttura di riferimento; a sua volta, permettendo al software proprietario di triangolare, prevedere e ricostruire le traiettorie dei marcatori in movimento nello spazio 3D. Al termine di questo processo, ogni telecamera restituirà un errore residuo della sua accuratezza.
    4. Spostare la bacchetta di calibrazione all'interno del volume di calibrazione ruotando e traducendo la bacchetta intorno al volume di cattura destinato alla specificato 60 sec (vedi capitolo bacchetta metodo di calibrazione 21).
    5. Controllare i risultati di calibrazione, accettare calibrazione con singola telecamera errori residui di <1,5 mm fare clic su OK.
      Nota: Se si dispone di piattaforme di forza ci sarà un avviso che ricorda di misurare nuovamente la posizione della piastra forza (dato che è molto probabilmente cambiato con la nuova taratura).

Figura 3
Figura 3. L a forma di struttura di riferimento e bacchetta per la macchina fotograficaCalibrazione. La struttura di riferimento a forma di L rimane fermo e con 4 marcatori collegati ad esso. La bacchetta ha due marcatori collegati ad esso ad una distanza fissa e viene spostato, rispetto alla struttura di riferimento, per creare un calibrato volume di 3-D di spazio che è sufficiente per il marcatore previsto impostato per passare attraverso. Prego qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. Rimuovere set di calibrazione dal volume di cattura. Individuare le piattaforme di forza nello spazio 3D calibrato mettendo una 9 mm di diametro marcatore passivo retro-riflettente in ognuno dei 4 angoli di ogni piattaforma (attenzione al posizionamento è essenziale; vedere il capitolo Forza Piastra Posizione 21). Ottenere una registrazione 5 secondi e procedere per identificare ogni marcatore e sistema di riferimento di ciascuna piattaforma (PRS) all'interno dello spazio 3D come da suggerimento di software proprietario.
  2. Intraprendere una dinamicaacquisire utilizzando il campionamento di cui sopra e parametri di monitoraggio 3D (1.6) per confermare e senso controllare successive grandezze di forza e le direzioni.
    1. Impostare la cattura dinamica per 15 secondi con un ritardo di 5 secondi. Una volta avviato il click per iniziare la cattura, l'operatore ha il tempo di sedersi sullo sgabello, mettere in pausa, stare in piedi, mettere in pausa e camminare in avanti entrare in contatto con le piattaforme di forza (a questo punto, non vi è alcuna necessità per l'operatore di avere retroriflettente marcatori allegate in situ).
    2. Una volta che la cattura è terminata, controllare la direzione e grandezze di vettori di reazione a terra al fine di garantire le configurazioni della forza-piattaforme siano corretti. Aspettatevi alto e posteriore alla direzione dei vettori di viaggi contatto del piede, e una forza verticale massimo di circa 1 a 1,5 volte il peso corporeo.
  3. Altezza Luogo sgabello regolabile in linea mediana del volume di cattura tra forza piattaforme 1 e 2 (figura 2), quindi collegare un diame 300 millimetripressione ter sedile tappetino per il convertitore AD esterna.
  4. Preparare tutti i marcatori anatomici retroriflettenti passivi per fissazione con pre collegare singolarmente ad un lato del doppio nastro adesivo, circa 15 mm di lunghezza (almeno 60 cm di nastro biadesivo in totale per soggetto) e disporre in una posizione appropriata pronto per l'applicazione di sottoporre. Includere cluster marcatori di monitoraggio e bendaggio auto-fissaggio pronti per l'applicazione soggetto tempestivo.
    Nota: i marcatori di monitoraggio dovrebbe comprendere un minimo di 3 marcatori retroriflettenti disposte in una disposizione non-co-lineari, e sono collocati su segmenti corporei (alcuni marcatori anatomici posizionati presso i centri congiunti stimati possono essere utilizzati come tracciamento marcatori ad esempio, 1 ° e 5 ° metatarso).

2. Fatte salve Preparazione

  1. Ottenere il consenso informato scritto da soggetto che soddisfi i criteri di inclusione / esclusione.
  2. Chiedi soggette a modifiche in abbigliamento adeguato (ciclismo shorts, aderente t-shirt e sport reggiseno a seconda dei casi).
  3. Stabilire dominante arti inferiori utilizzando il test calci-a-ball 22 se il soggetto è in grado di farlo in modo sicuro così.
  4. Misurare soggetto altezza in piedi (m) e la massa (kg); convertire massa peso (N).
  5. Con soggetto in piedi, misurare la distanza del soggetto bi-acromiale (m) con pinze di misurazione. posizione pinza di blocco da utilizzare a distanza per il posizionamento piedi (vedi 4.5 sotto).
  6. Misurare verticale distanza dal pavimento al ginocchio (m) sull'arto dominante (a piedi); moltiplicare la distanza da 1.2 per calcolare il 120% KH distanza (m). Regolare l'altezza delle feci al 120% KH. Tabella 1 riassume 10 caratteristiche soggetti sani tra cui dati di altezza ginocchio.

Tabella 1
Tabella 1:. Caratteristiche Dati soggetti individuali e medio (± 1 SD) in 10 soggetti sono mostrati.

    Preparare le zone della pelle per il posizionamento marcatore. Radere peli superflui del corpo a seconda dei casi e l'uso di alcol salviette per rimuovere l'eccesso di sudore e / o crema idratante per massimizzare l'aderenza tra i marcatori e la pelle.
  1. Palpare, individuare e applicare i marcatori retroriflettenti per punti di riferimento anatomici degli arti inferiori e superiori, tronco, testa e segmenti pelvico utilizzando doppio nastro adesivo in accordo con la struttura tecnica di riferimento scelto 23 (tabella 2). Vai ad applicare gli indicatori di tracciamento segmentale con bendaggio auto-fissaggio.
    Nota: Nelle femmine, se difficoltà nasce localizzare il marcatore sternale - luogo marcatore sopra il centro del capo reggiseno sportivo.

Tabella 2
Tabella 2: posizionamento Marker-set. Marcatori (anatomiche e tracking) sulla base di un telaio tecnica riportato in precedenza di riferimento 23

  1. Chiedi soggetto a camminare nel volume cattura e adottare la posizione anatomica. A questo punto il soggetto non deve muoversi fino a dopo la cattura statica è stata eseguita a causa del problema inerente la stima del centro di articolazione dell'anca sopra gli indumenti in questa posizione anatomica.

3. Cattura statico

  1. Istruire soggette a stare stazionari nel centro del volume di cattura, assumendo la posizione anatomica standard, con tutti i marcatori anatomici e monitoraggio in situ.
    Nota: Al fine di ridurre molli manufatto tessuto una calibrazione statica viene effettuata con marcatori anatomici e di monitoraggio in situ. I marcatori di monitoraggio si riferiscono ai marcatori anatomici, che nega la limitazione di assumere che i centri comuni non si muovono sotto la pelle. Marcatori di monitoraggio vengono lasciati in situ per le successive prove dinamiche. Questa è denominata tecnica calibrato anatomica sistemi (CAST) 18.
    1. Al fine di effettuare una cattura statica breve, utilizzare il campionamento di cui sopra e parametri di monitoraggio 3D (1.6) e garantire tutti gli indicatori sono contabilizzati nel volume di cattura confermando il numero totale di marcatori elencati nel pannello di traiettorie non identificati in modalità 3D in tempo reale . Questo dovrebbe corrispondere al numero totale di marcatori che il telaio tecnica di riferimento scelto richiede. Fare clic sull'icona di registrazione per completare una cattura 5 sec. Ripetere la procedura, se necessario, se gli indicatori sono mancanti.
      Nota: Vedere la sezione 6 di seguito per il trattamento dei dati di cattura statici.
  2. Utilizzare i dati di posizione del hip-joint-centrale punto di riferimento sul lato dominante soggetto per determinare gamba lunghezza (distanza dal hip-joint-centro (vedi 7.1 e Tabella 3b sotto) per piano) per la distanza normalizzazione (vedi 7.11 sotto).

4. familiarizzazione

  1. Rimuovere tutti i anatomo-solo marcatori.
  2. Istruire soggetti a sedersisullo sgabello con i piedi sulle singole piattaforme di forza 1 e 2.
  3. Istruire soggetti a stare in piedi e poi a piedi in avanti con la gamba di primo piano definito. Regolare la posizione antero-posteriore dello sgabello fino a quando il soggetto fa costantemente il contatto centrale con piattaforme di forza 3 e 4 durante i primi 2 passi del cammino. Consentire prove pratica ripetuta fino a quando il soggetto è confortevole.
  4. Segnare la posizione gamba anteriore dello sgabello con nastro adesivo sulla superficie del pavimento in modo da ristabilire la posizione di feci.
  5. Impostare posizione finale piedi (Figura 2). Chiedi soggetti a sedersi sullo sgabello con i piedi sulle singole piattaforme di forza 1 e 2. Regolare la posizione gambo sul lato dominante del soggetto 10 ° posteriore rispetto alla verticale utilizzando un goniometro braccio estensibile. Proseguire per regolare il piede non dominante ugualmente in linea, e quindi utilizzando le pinze bloccate (vedi 2.5 sopra), organizzare la larghezza inter-piedi alla distanza predeterminata bi-acromiale di conseguenza tra i confini laterale del piede. Regolare l'orientamento piano trasversale di ciascun piede tale che ogni bordo mediale del piede è posto in linea con la direzione di marcia.
  6. Dopo aver finalmente controllare l'allineamento, disegnare intorno posizioni finali del piede utilizzando un pennarello a secco bordo sulla superficie della piattaforma forza rimovibile.
  7. Utilizzare l'istruzione verbale:. ". Quando si vede la luce si accende di fronte a voi, alzarsi in piedi e si ferma mentalmente il conto alla rovescia da 3 a 1, un numero alla volta Poi, leader con la gamba non dominante, camminare a un ritmo confortevole verso l'interruttore di fronte alla luce e smettere. Contare mentalmente da 3 fino a 1, un numero alla volta, e poi con la mano la scrittura utilizzare l'interruttore per spegnere la luce ".
  8. Ribadire al soggetto che essi possono usare le armi, naturalmente, quindi lasciare al soggetto familiarizzazione sufficiente per STSW protocollo. Familiarizzazione dà al soggetto quanto più tempo possibile per acclimatarsi per l'ambiente di test per garantire che siano in grado di realizzare in modo efficientel'attività senza alcun movimento forzato che altrimenti potrebbero incidere sulla validità ecologica del paradigma sperimentale.

5. STSW Prove dinamiche

  1. Con soggetto seduto sullo sgabello pronto per le prove dinamiche, confermare il numero totale di marcatori elencati nel pannello Trajectories identificati in modalità 3D in tempo reale e corrisponde al numero totale di marcatori che il telaio tecnica di riferimento scelto richiede. Quindi fare clic sull'icona di registrazione per completare un'acquisizione dinamica 15 sec.
  2. Dopo 5 cattura sec, accendere l'interruttore della luce operatore e verificare come il soggetto risponde - che si alzano dallo sgabello e pausa secondo le istruzioni, passo su di costringere le piattaforme 3 e 4, e che si fermano e spegnere la luce secondo le istruzioni entro il periodo di acquisizione.
  3. Re-impostare l'interruttore della luce e verificare la presenza di interruzioni marcatori tenendo conto di tutti i marcatori durante la riproduzione al rallentatore della prova. Ripetere se necessary, altrimenti continuerà a prova successiva. Proseguire per catturare 5 prove di STSW in ogni materia.
  4. In caso di marcatori anatomici venire tolto, ricollegare al predeterminato segno di pelle. Se gli indicatori di monitoraggio si muovono, ricollegare marcatori anatomici e ripetere prova statica - per poi proseguire con rimanenti prove dinamiche.

Processing 6. proprietario software di monitoraggio post

  1. Nel software di monitoraggio di proprietà, individuare ed etichettare tutti i marcatori di prove statiche e dinamiche (vedi Manuale capitolo Identificazione delle traiettorie 21) e la cattura indesiderati delle colture spostando i termini diapositive per l'inizio e la fine del compito. Utilizzare la "identificazione automatica dei marcatori", altrimenti noto come AIM, funzionalità nel software di monitoraggio di proprietà per aiutare l'etichettatura (vedi capitolo generazione di un modello AIM 21).
    Nota: è necessario Etichettatura dei marcatori in modo che il software di analisi biomeccanica proprietarie e successivecostruisce costantemente e calcola la traiettoria relativa di un corpo rigido nello spazio 3-dimensionale. Utilizzare etichettatura significativo, come indicato nella tabella 2. Scopo è soggetto specifico, ma continuamente aggiornamenti. Con un soggetto diverso e in caso di scarsa AIM, proseguire per aggiornare AIM mediante l'etichettatura manuale. Questo vale anche per il processo di acquisizione statica (si veda la sezione 3.1.1).
  2. In caso di marcatore drop out, che supera i 10 fotogrammi, andare avanti se localizzare la traiettoria mancante nel pannello Traiettorie non identificato, o manualmente gap-fill utilizzando la funzione di interpolazione polinomiale fornita dal software proprietario (vedi capitolo Gap Fill Traiettorie 21) .
    Nota: In alcuni casi, le traiettorie dei marker sono parzialmente assente e riempitivo è un meccanismo grazie al quale i dati mancanti possono essere matematicamente stimato sulla base del traiettoria misurata prima e dopo i dati mancanti.
  3. formato und esportare tutte le prove statiche e dinamiche, in formato C3D, per il post-processing in software di analisi biomeccanica.
    Nota: prima dell'esportazione, escludere tutte le traiettorie dei marker identificati e vuoti, specificando de facto l'etichettatura, e nominare gli ultimi 10 fotogrammi per i livelli basali di forza pari a zero per ogni piatto forza.

Processing 7. biomeccanica Analisi software di post

  1. Costruire statici 13-Segment Modello 23 (piedi, gambi, cosce, bacino, tronco, braccia, avambracci e la testa (nota senza mani)).
    Nota:. Il processo di costruzione del modello è fondamentale nella definizione dei segmenti legati basati sul processo di misurazione statica e le istruzioni software proprietari sono stati utilizzati 24 In questo protocollo sistemi per ogni segmento del corpo (Tabella 3 bis) e le posizioni del centro congiunte coordinate anatomiche (3b Tabella ) si basano principalmente su Ren et al. 23 con adattamenti per evitare h funzionaleIP e la stima centro gleno-omerale. gold standard per tutte le sedi degli snodi rimangono tecniche di imaging come la risonanza magnetica (MRI), che sono irrealistici nella maggior parte delle situazioni. Funzionali stime Centro comune sono state utilizzate; Tuttavia, permane il rischio che i pazienti con patologia non sarebbe in grado di spostare il giunto nei piani necessari 25. Pertanto, per il bacino equazioni di regressione ad esempio, Davis 26 sono spesso utilizzati. Qui, la CODA bacino 27 è stato utilizzato e si basa sul lavoro da Bell et al. 28, ei centri gleno-omerale sono stati stimati in base alle Eames et al. 29.

Tabella 3a
Tabella 3a: anatomico sistema di coordinate per il corpo intero modello.

Tabella 3b
Tabella 3b: Joint Definizioni Centro per il corpo intero modello.

  1. Importare i file dinamici e assegnare il modello a ciascuno. Confermare la precisione di costruzione del modello controllando normale configurazione visiva di segmenti. Nel caso di inesattezza, si consiglia all'operatore di tornare ai file del software di monitoraggio di proprietà e di controllo Immagine sensore profili di monitoraggio e correggere, se necessario.
  2. Bassa cinematica filtro passa e dati cinetici usando un ordine di 4 ° filtro Butterworth con frequenza di taglio a 6 Hz e 25 Hz rispettivamente.
  3. luce media filtro e pressione-mat segnali analogici su una finestra di 25-frame.
  4. Creare struttura delle forze di piattaforme di forza 1, 2, 3, e coordina 4. Utilizzare angolo per creare una struttura rettangolare livello a superficie che comprende tutte le piattaforme 4 di forza (Figura 4).
    Nota: Una struttura forza è richiesto 30 in modo che i calcoli netti COP possono essere effettuate attraverso le piattaforme 4 di forza. i>
  5. Calcolare la coordinata COP netti segnali (X e Y) all'interno del laboratorio di sistema (LCS) dalla struttura delle forze coordinate.
    Nota: Il software esegue questo usando equazioni 2a-g di seguito.
    1. Utilizzare x e y segnali dalle equazioni 2F e 2G per la posizione COP netto nei LCS.

(2a) forza medio-laterale Net Equazione 4

(2b) forza antero-posteriore Net Equazione 5

(2c) forza verticale netto equazione 6

(2d) piattaforma momento netto su asse x equazione 7

(2e) piattaforma momento netto su -axis yn 8 "src =" / files / ftp_upload / 54323 / 54323eq8.jpg "/>

(2f) x -Coordinate del punto di applicazione della forza netta (COP x) equazione 9

(2G) y -Coordinate di rete punto di applicazione della forza (COP y) equazione 10

Figura 4
Figura 4. struttura delle forze. Esempio di una struttura rettangolare di forza che comprende 4 piattaforme di forza in una destra di orientamento piombo arto. Dettagli di applicazione COP locale e dimensioni rispetto ad un sistema di coordinate di laboratorio (LCS) sono mostrate per piattaforma di forza 1 come esempio. Il x, y, z posizione del sistema di riferimento della piattaforma (PRS) è sfalsato rispetto alla L CS dove X e Y 1 1 rappresentano le distanze medio-laterale e antero-posteriore da PRS, rispettivamente. Per calcolare il momento piattaforma individuale sul asse x, il GRF verticale viene moltiplicato per la somma del COP y coordinate locali e le nuove PRS-LCS compensato coordinata y (Y 1 + y 1). Il momento sul asse y coordinate è analogamente calcolato moltiplicando il GRF verticale dalla somma negativa del COP x coordinate locali e il nuovo spostamento x PRS-LCS coordinata - (X 1 + x 1). Il momento complessivo della forza sulla struttura forza globale è pari alla somma di tutti i momenti di forza, divisa per la somma delle singole forze verticali. COP netto coordinate X e Y sono quindi prodotti per la struttura delle forze all'interno delle LCS (equazioni 2a-g).large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

  1. Utilizzando i comandi della pipeline personalizzati, creare importanti eventi di movimento all'interno STSW, in particolare sedere-off, in posizione verticale, andatura iniziazione esordio, prima punta di forza 1, e 1 ° e 2 ° i primi contatti (Tabella 4).

Tabella 4
. Tabella 4: Movimento Evento Definizioni GI - iniziazione andatura; COP - Centro-di-pressione; HO1 - primo tallone-off; TO1 - 1 ° dito del piede-off, IC1 - 1 ° contatto iniziale.

  1. Utilizzo dei comandi personalizzati gasdotti calcolare la distanza COP-BCOM (L) applicando l'equazione 3 ad ogni evento di movimento, dove t i rappresenta un dato evento.

    equazione 12
    (3)
  2. Utilizzando i comandi della pipeline personalizzati, calcolare la distanza COP-BCOM massimo (L max) applicando l'equazione 4 tra due eventi (t ot i).

    equazione 15
    (4)

    dove: t 0 e t rappresento movimento insorgenza e l'istanza tempo finale di interesse, rispettivamente, (x COP (t i)) è la coordinata x del COP al tempo t i, (x BCOM (t i)) è la coordinata del BCOM al tempo t i, e (y COP (t i)) e (y BCOM (t i)) sono i valori corrispondenti per il coordinate Y 31.
  3. Estrarre variabili dipendenti di interesse in occasione di eventi di movimento; distanze COP-BCom nella sede-off e first toe-off (TO1) eventi e distanze massime COP-BCom durante la fase di st 1 fase (tra il TO1 e l'iniziale contatto; IC1) e la fase di passaggio 2 ° (tra IC1 e IC2) utilizzando personalizzare i comandi di pipeline.
  4. Normalizzare intra-soggetto distanze COP-BCOM come proporzione di lunghezza della gamba dominante del soggetto (vedi 3.2 sopra).
  5. Esportare i dati per l'analisi statistica utilizzando la copia negli Appunti funzionalità o di esportazione di file in altri formati nativi disponibili.

8. Calcoli normativo valore specifico-Lab

  1. Calcolare i valori medi (± 1 SD) intra e inter-oggetto per entrambe le distanze COP-BCom reali e valori normalizzati come percentuali di dominante lunghezza degli arti inferiori soggetti.
  2. Calcolare coefficienti di variazione (COV) per i dati medi inter-soggetto.
  3. Calcolare la variazione intra-soggetto per evento utilizzando due vie coefficienti di correlazione modello a effetti misti intra-classe (ICC 32.

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Representative Results

Tutti i soggetti sono aumentati con i piedi posizionati sulle piattaforme gemelle di forza, portando con loro arto non dominante come da istruzioni. andatura normale è stato osservato con soggetti passo nettamente sulle altre piattaforme e analisi del movimento ottico basato su 3D rintracciato con successo il movimento tutto il corpo durante 5 compiti STSW obiettivo orientato ripetuti che passa dal 120% KH. COP simultanea e BCOM mediolaterale (ML) e antero-posteriore (AP) spostamenti tra sella-off e IC2 (100% del ciclo STSW) che comprende: aumento, mettere in pausa, andatura iniziazione (GI), punto 1, e la fase 2 sono riportati rispettivamente in Figura 5A e 5B per il primo soggetto (gamba sinistra (non dominante) di piombo). Nel piano ML, c'era COP trascurabile o BCOM spostamento dal sedile-off per GI insorgenza. Tuttavia, dopo GI COP insorgenza sposta verso sinistra lontano dal arto in piedi verso l'arto swing - separa dalla BCOM, che sposta verso destra. Poi, il COP lateralmente CILINDRATAES verso destra verso la successiva presa di posizione degli arti, passando al di là del verso destra BCOM prima toe-off. Successivamente, durante i punti 1 e 2, il BCOM segue uno spostamento sinusoidale, con il COP spostando ulteriormente lateralmente durante l'appoggio dell'arto singola (Figura 5A).

Figura 5
. Figura 5. COP e BCom spostamenti pannelli mostrano la prima STSW impresa soggetta dal 120% KH con non dominante arti-piombo; in questo caso portare sinistra gamba. L'asse temporale è normalizzato in volta percentuale tra il sedile-off e contatto iniziale 2 (IC2). A) di spostamento mediolaterale. Asse y etichette di direzione rispetto alla rotazione (a sinistra) della gamba. Le linee mostrano COP e BCom i dati corrispondenti a ogni prova, le linee in grassetto rappresenta la media, e aree ombreggiate rappresentano ± 1SD intorno alla media. B) Anteroposterspostamenti IOR. asse y etichette di direzione rispetto alla rotazione (a sinistra) della gamba. Le linee mostrano COP e BCom i dati corrispondenti a ogni prova, le linee in grassetto rappresenta la media, e aree ombreggiate rappresentano ± 1 deviazione standard intorno alla media. C) distanza orizzontale COP-BCOM. Le linee mostrano i dati distanza corrispondente a ogni prova, la linea in grassetto rappresenta la media, e la zona ombreggiata rappresenta ± 1 deviazione standard intorno alla media. Seat-off e toe-off 1 eventi e massimi durante le fasi 1 e 2 sono contrassegnati. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Nel piano AP, il COP al sedile off inizia davanti al BCOM, e mentre entrambi avanzare in lievitazione; la loro separazione diminuisce costantemente prima di fondersi in posizione verticale. Dopo la fase di pausa del BCOM accelera avanti attraverso GI e passaggi 1 e 2. Al contrario, il COP sposta all'indietro GI comparsa e poi in avanti dopo toe-off, ma resta dietro il BCOM tutto punto 1. Il COP, tuttavia, passa davanti al BCOM durante la fase 2 dopo il contatto iniziale 1 probabilità di corrispondere con il passaggio alla posizione singola arto . Spostamento in avanti COP rallenta poi e passa dietro la BCOM di nuovo poco prima di metà-za / oscillazione (Figura 5B).

La distanza di separazione orizzontale tra COP e BCOM, per tutto il ciclo di STSW, fornisce un composto della descrizione planare di COP e BCOM spostamenti. Questo approccio semplifica la complessa interazione di COP e BCOM spostamento fornendo un indice di stabilità di posizione (Figura 5C).

Intra-soggetto distanze di separazione COP-BCOM erano coerenti presso la sede-off, TO1, e durante la fase 1 e 2 in virtù di forti coefficienti di correlazione intraclasse a tutti i 4 eventi. InInoltre, l'errore di misura (Tabella 5), o la deviazione standard comune di misure ripetute 32, era piccolo: 9 mm (sede-off) e 12 mm (TO1, punto 1, punto 2) in tutte le materie. Un altro metodo utile per presentare errore di misura è la statistica ripetibilità (Tabella 5). Esso rappresenta la grandezza della differenza attesa tra 2 misure ripetute 95% del tempo, ed è compreso tra 24 mm e 34 millimetri per i 4 eventi.

Inter-soggetto distanze di separazione COP-BCom erano coerenti (Tabella 6) presso la sede-off e TO1, oltre a durante la fase 1 e 2. In questo omogenea, gruppo di adulti in buona salute; Oggetto del campo di lunghezza delle gambe (0,803-0,976 m (Tabella 1)) 33 e varianza era piccola (media 0. 855 m; SD 0,051 m). Anche se non è tipico di normalizzare distanze COP-BCom per la lunghezza delle gambe e la figura 6 mostra differenze trascurabili tra normalizzato e non-norma alized inter-soggetto, i dati COP-BCom, la normalizzazione fa ridurre il coefficiente di variazione (COV; Tabella 6).

Tabella 5
Tabella 5:. COP-BCOM Distanze Intra (5 studi) e inter-soggetto media ± 1 dati SD è indicata come distanze reali e normalizzato di sottoporre lunghezza delle gambe non dominante per le distanze discrete presso la sede-off e TO1, e le distanze massime durante la fase 1 e fase 2.

Tabella 6
Tabella 6:. Intra-soggetto Variazione ICCS (95% intervallo di confidenza) e di errore di misura (media intra-soggetto distanza SD in m) e ripetibilità statistiche 32 sono mostrati per evento.

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Figura 6. all'interno e tra-Soggetto COP-BCOM distanze. (A) Un-normalizzato. Ogni linea rappresenta entro i soggetti distanza media COP-BCOM. La linea in grassetto rappresenta la distanza media tra i soggetti. (B) normalizzato a dominante Leg Lunghezza. Ogni linea rappresenta entro i soggetti distanza media COP-BCOM come percentuale della lunghezza della gamba dominante del soggetto. La linea in grassetto rappresenta la distanza tra soggetto-media come percentuale della lunghezza della gamba dominante del soggetto.

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Discussion

Il protocollo sit-to-stand-e-passeggiata (STSW) qui definita può essere utilizzato per testare il controllo posturale dinamico durante il complesso movimento di transizione in individui sani o gruppi di pazienti. Il protocollo include i vincoli che sono progettati per consentire i soggetti con patologia di partecipare, e l'inclusione di spegnere la luce significa che è ecologicamente valido e obiettivo orientato. Come è stato dimostrato in precedenza che il piombo-arto e si alza da una sedia alta (120% KH) non influisce sostanzialmente la dinamica delle attività durante STSW 20, i metodi descritti qui possono essere applicati come un protocollo standard. Questo protocollo STSW ha validità perché rispetto agli individui sani, i pazienti trovare passando da basse altezze del sedile una sfida 10, tendono a generare meno orizzontale slancio 7 e separato in aumento prima di iniziare andatura da una posizione piede largo 11 con la gamba colpita 7. Questo documento descrive anche come calcolare COP e BCOM CILINDRATAement durante STSW, da cui la separazione orizzontale tra COP e BCOM - un indice di stabilità dinamica 16 - può essere derivata tra il sedile-off e il secondo passo.

I risultati dipendono da un certo numero di fasi critiche nel protocollo. In primo luogo, è necessario la rimozione di luce artefatti e impostazioni di esposizione della fotocamera ottimali per assicurare l'accuratezza del tracciamento ottico marcatore 3D. In secondo luogo, attenzione al volume di cattura per la taratura è una considerazione importante per ottimizzare ulteriormente il movimento accuratezza cattura. In terzo luogo, la sincronizzazione piatto forza con il sistema di acquisizione movimento utilizzando un fattore di scala appropriata riduce la possibilità di errori nella grandezza della risultante forza di reazione terra vettoriale. In quarto luogo, l'identificazione precisa piastra di forza nello spazio 3D è critica. Particolare cura deve essere fatta quando la localizzazione PRS di ogni piatto, e la convalida di questa precisione deve essere una routine 34. Questo assicura che la struttura piastra di forza di unND rendering durante la post-elaborazione è ottimizzata per la presentazione dei dati COP di alta qualità. Infine, i principali contributori BCom errori di stima di spostamento sono posizionamento marcatore inesatte, l'individuazione di centri comuni e artefatti da movimento pelle 35. Così, l'esperienza in palpazione anatomica e adozione del metodo CAST 18 dovrebbe essere considerato prerequisiti. Altre tecniche prevedono l'uso minor numero di marcatori o anche un estimatore singolare posizione BCOM durante il cammino, come sensori inerziali sacrali. Tuttavia, questa tecnica richiede validazione 36 ed è di utilità limitata quando orientamenti segmento corporeo discostano da quelli in cui cioè in posizione verticale., Durante la crescita 37. Così, più la quantificazione fotocamera BCOM rimane la tecnica gold standard per STSW.

Con questi passaggi esaminato in una popolazione sana, intra-variabilità durante STSW è basso, giustificando media in tutti gli studi con un alto grado di fiducia.Inoltre, basso (sano) variabilità inter-soggetto suggerisce confronto con (laboratorio specifico) dei dati di tali normative potrebbe fornire elevata sensibilità alle differenze indotte dalla patologia. Mentre, la variabilità interindividuale è basso, ridotto COV può essere ottenuto normalizzando per la lunghezza delle gambe. Un aspetto che merita ulteriori indagini è la fase STSW pausa. Soggetti sani auto-selezionato una media (± SD) Fase di pausa di 0,84 secondi (± 0,07). Se questo si differenzia in gruppi patologici, e in caso affermativo se vi è alcun effetto sulla stabilità durante la transizione resta ancora da determinare.

Il grado di separazione COP-BCOM varia durante le diverse fasi di STSW. Le più grandi distanze COP-BCom erano in sella-off, TO1, e appena prima di contatto del piede durante le fasi 1 e 2. Questi rappresentano la più grande sfida per i sistemi di controllo posturale e sono quindi definiti come gli eventi di interesse. Diminuzione della separazione COP-BCOM è associata ad un aumento Stabili posizionalety, ma indica ridotta stabilità posturale 31. Alla sede-off come il corpo transizioni da una stalla a una base instabile di sostegno, la stabilità posizionale viene ottenuto mediante posizionamento posteriore del piede o anterior posizionamento del tronco rispetto al sedile, entrambi i quali sono comunemente osservato nei pazienti funzionalmente deteriorati 38,39. Dopo la pausa, BCOM-COP distanze aumento durante GI; incorpora il "rilascio" anticipatoria, posturale e "scarico" sotto-fasi 15, e una fase di arto motorio oscillante. La fine del GI e inizio della fase 1 avviene a TO1; dove un aumento relativo separazione COP-BCOM è associata con BCOM avanti accelerazione causata dalle fasi GI combinate, il cui esito è maggiore velocità piedi 40. Pertanto, la distanza COP-BCOM nella sede-off e TO1 rappresentare candidati dinamica variabili stabilità posturale per essere testati in gruppi patologici.

Inoltre, massima COP-BCOMpicchi di distanza si verificano costantemente durante le fasi 1 e 2 alla fine del singolo supporto. Si tratta di eventi importanti per misurare, perché i punti da 1 e 2 rappresentano il periodo in cui si realizza l'andatura dello stato stazionario. Più grande medi distanze COP-BCom durante la fase 1 rispetto al punto 2 in tutti, ma sono stati osservati un soggetto sano utilizzando il protocollo. Fase 1 rimane parte della fase di accelerazione locomotore prima andatura dello stato stazionario viene raggiunta al termine della fase 2 12 Pertanto, il punto 1 è soggetta ad entrambe le esigenze di controllo posturale e locomotore ed è più instabile di positionally successive fasi di andatura.; una caratteristica supportata da un aumento del rischio di cadute durante tutti i giorni movimenti di transizione 41. Fase 2 è meno importante in quanto rappresenta l'inizio della deambulazione stato stazionario. Pertanto, distanze massime COP-BCom durante entrambe le fasi 1 e 2 fasi sono indicate nell'analisi STSW.

In conclusione, questo protocollo STSW estende l'uso dei SEPA orizzontale COP-BCOMrazione di STSW ed i nostri risultati preliminari forniscono una dati normativi iniziali fissati per individui sani. COP-BCOM distanze normalizzate alla lunghezza della gamba presso la sede-off, TO1, e la fase 1 e 2 massimi durante l'esecuzione di un STSW paradigma obiettivo orientato è una nuova metodologia per la valutazione della stabilità posturale dinamico. Offre la possibilità di derivare insiemi di dati globali o locali normative altamente coerenti che può essere confrontato con i pazienti UMN feriti o altri gruppi di pazienti compromessi.

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Acknowledgements

Gli autori desiderano ringraziare Tony Christopher, Lindsey maggiorana al King College di Londra e Bill Anderson al London South Bank University per il loro sostegno pratico. Grazie anche a Eleanor Jones al King College di Londra per il suo aiuto nella raccolta dei dati per questo progetto.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Motion Tracking Cameras Qualysis  (Qualysis AB Gothenburg, Sweden) Oqus 300+ n= 8
Qualysis Track Manager (QTM) Qualysis  (Qualysis AB Gothenburg, Sweden) QTM 2.9 Build No: 1697 Proprietary tracking software 
Force Platform  Amplifier Kistler Instruments, Hook, UK 5233A n= 4
Force Platform Kistler Instruments, Hook, UK 9281E n= 4
AD Converter Qualysis  (Qualysis AB Gothenburg, Sweden) 230599
Light-Weight Wooden Walkway Section Kistler Instruments, Hook, UK Type 9401B01  n= 2
Light-Weight Wooden Walkway Section Kistler Instruments, Hook, UK Type 9401B02  n= 4
4 Point "L-Shaped" Calibration Frame Qualysis  (Qualysis AB Gothenburg, Sweden)
"T-Shaped" Wand Qualysis  (Qualysis AB Gothenburg, Sweden)
12 mm Diameter Passive Retro reflective Marker Qualysis  (Qualysis AB Gothenburg, Sweden) Cat No: 160181 Flat Base
Double Adhesive Tape Qualysis  (Qualysis AB Gothenburg, Sweden) Cat No: 160188 For fixing markers to skin
Height-Adjustable Stool Ikea, Sweden Svenerik Height 43 - 58 cm with ~ 10cm customized height extension option at each leg
Circular (Disc) Pressure Floor Pad Arun Electronics Ltd, Sussex, UK PM10 305 mm Diameter, 3 mm thickness, 2 wire
Lower Limb Tracking Marker Clusters Qualysis  (Qualysis AB Gothenburg, Sweden) Cat No: 160145 2 Marker clusters, lower body with 8 markers (n= 2)
Upper Limb Tracking Marker Clusters Qualysis  (Qualysis AB Gothenburg, Sweden) Cat No: 160146 2 Marker clusters, lower body with 6 markers (n= 2)
Self-Securing Bandage Fabrifoam, PA, USA 3'' x 5'
Cycling Skull Cap Dhb Windslam
Digital Column Scale Seca 763 Digital Medical Scale w/ Stadiometer
Measuring Caliper Grip-On Grip Jumbo Aluminum Caliper - Model no. 59070 24 in. Jaw
Extendable Arm Goniometer Lafayette Instrument Model 01135 Gollehon
Light Switch Custom made
Visual3D Biomechanics Analysis Software C-Motion Inc., Germantown, MD, USA Version 4.87

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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