힘 플랫폼 기록을 사용한 생체 역학 분석을위한 보행 개시의 자세 조직
Summary
이 논문은 보행 개시의 자세 조직을 조사하기 위해 개발 된 재료와 방법을 설명합니다. 이 방법은 힘 플랫폼 기록과 무게 중심과 압력 중심을 계산하는 역학의 직접적인 원리를 기반으로 합니다.
Abstract
직교 자세와 정상 상태 이동 사이의 과도 단계인 보행 개시(GI)는 신체 움직임과 균형 제어의 기초가 되는 기본 자세 메커니즘에 대한 통찰력을 얻기 위해 문헌에서 고전적으로 사용되는 기능적 작업이자 실험적 패러다임입니다. GI를 조사하는 것은 또한 노인 및 신경계 참가자(예: 파킨슨병 환자)의 자세 장애의 생리병리학을 더 잘 이해하는 데 기여했습니다. 따라서 특히 낙상 예방 측면에서 중요한 임상적 의미가 있는 것으로 인식되고 있습니다.
이 논문은 학자, 임상의 및 고등 교육 학생에게 생체 역학적 접근 방식을 통해 GI 자세 조직을 조사하기 위해 개발 된 재료 및 방법에 대한 정보를 제공하는 것을 목표로합니다. 이 방법은 힘 플랫폼 기록과 역학의 직접적인 원리를 기반으로 무게 중심과 압력 중심의 운동학을 계산합니다. 이 두 가상 지점 간의 상호 작용은 안정성과 전신 진행 조건을 결정하기 때문에이 방법의 핵심 요소입니다. 이 프로토콜은 참가자가 처음에는 똑바로 서서 최소 5m 트랙이 끝날 때까지 걷기 시작하는 것을 포함합니다.
GI 속도 (천천히, 자발적, 빠름)와 시간적 압력 수준을 변경하는 것이 좋습니다-보행은 출발 신호 전달 후 (높은 수준의 시간적 압력) 또는 참가자가 준비가되었다고 느낄 때 가능한 한 빨리 시작될 수 있습니다 (낮은 수준의 시간적 압력). 이 방법으로 얻은 생체 역학적 매개 변수 (예 : 예상 자세 조정의 지속 시간 및 진폭, 스텝 길이 / 너비, 성능 및 안정성)가 정의되고 계산 방법이 자세히 설명되어 있습니다. 또한 건강한 젊은 성인에서 얻은 전형적인 값이 제공됩니다. 마지막으로, 대안적인 방법(모션 캡처 시스템)에 관한 방법의 중요한 단계, 한계 및 중요성이 논의된다.
Introduction
보행 개시 (GI)는 직교 자세와 정상 상태 이동 사이의 과도 단계로, 전신 추진과 안정성을 동시에 요구하는 복잡한 운동 작업 중 자세 제어를 조사하기 위해 문헌에서 고전적으로 사용되는 기능적 작업 및 실험 패러다임입니다1. 파킨슨병2, 뇌졸중3, 진행성 핵상 마비4 및 “고수준 보행장애”5와 같은 신경계 질환이 있는 환자는 보행을 시작하는 데 어려움을 겪는 것으로 알려져 있어 낙상 위험이 증가합니다. 따라서 기초 과학과 임상 과학 모두 보행 개시 중 자세 조절 메커니즘에 대한 통찰력을 얻고, 과학적 지식을 얻고 보행 및 균형 장애의 병태생리학을 더 잘 이해하고 적절한 개입을 통해 치료할 수 있는 개념과 방법을 개발하는 것이 중요합니다.
보행 개시의 생체 역학적 조직의 개념은 아래에 설명되어 있으며,이 조직을 조사하기 위해 고안된 고전적인 방법은 프로토콜 섹션에 자세히 설명되어 있습니다. GI는 스윙 힐 오프 전에 전신에서 발생하는 동적 현상에 해당하는 “예상 자세 조정”(APA) 단계, “언로딩”단계 (스윙 힐 오프와 토 오프 사이) 및 스윙 발이지지 표면에 접촉 할 때 끝나는 “스윙”단계의 세 가지 연속 단계로 세분화 될 수 있습니다. GI 과정의 이러한 고전적인 세분화는 Belenkii et al.6 및 기타7,8의 선구적인 연구에서 비롯되었으며, 직립 자세에서 자발적으로 팔을 수평으로 올리는 동안 자세와 움직임 사이의 조정에 중점을 둡니다. 이 패러다임에서, 팔 올리기에 직접 관여하는 신체 세그먼트는 “초점”체인에 대응하고, 초점 체인의 근위 부분과지지 표면 사이에 개재되는 신체 세그먼트는 “자세”체인9에 대응한다. 이 저자들은 팔을 올리는 것이 자세 사슬에서 역동적이고 근전도적인 현상이 체계적으로 선행되었다고 보고했으며, 이를 “예상 자세 조정”이라고 불렀습니다. GI의 경우, 스윙 힐 오프 (또는 저자에 따라 스윙 토 오프)는 보행 운동10의 시작으로 간주됩니다. 결과적으로, 이 순간 이전에 발생하는 동적 현상은 APA에 상응하며, 스윙 사지는 초점 사슬(11)의 구성요소로 간주된다. 이 진술은 운동 생체 역학 조직의 고전적 개념과 일치하며, 이에 따라 모든 운동 행위는 초점 및 자세 구성 요소12,13을 포함해야합니다.
생체 역학적 관점에서 GI와 관련된 APA는 무게 중심을 반대 방향으로 추진하는 역할을하는 압력 중심의 후방 및 중간 측면 (스윙 레그 측면 방향) 변위로 나타납니다. 압력 변위의 예상 후방 중심이 클수록 발 접촉10,14에서 전방 무게 중심 속도 측면에서 모터 성능이 높아집니다. 또한 APA는 무게 중심을 스탠스 레그 쪽으로 추진함으로써 GI 1,15,16,17의 스윙 단계에서 중간 측면 안정성을 유지하는 데 기여합니다. 현재의 문헌은 안정성에 대한 이러한 예상 제어의 변화가 노인1의 낙상의 주요 원인이라고 강조합니다. GI 동안의 안정성은 지지대 바닥 내에서 무게 중심의 속도와 위치를 모두 고려한 양인 “안정성 마진”18의 적응으로 문헌에서 정량화되었습니다. APA의 발달 이외에도, 중력의 영향 하에서 GI의 스윙 단계에서 무게 중심의 하강은 자세 다리의 삼두근 수래에 의해 능동적으로 제동되는 것으로 보고되었다. 이 능동 제동은 발 접촉 후 안정성 유지를 용이하게하여지지 표면에 부드러운 발 착륙을 허용합니다4.
이 논문의 목표는 학자, 임상의 및 고등 교육 학생에게 생체 역학적 접근을 통해 GI의 자세 조직을 조사하기 위해 실험실에서 개발 된 재료 및 방법에 대한 정보를 제공하는 것입니다. 이 “글로벌”방법 (아래에 설명 된 이유로 “운동”방법에 동화 될 수도 있음)은 Brenière와 공동 연구자10,19에 의해 시작되었습니다. 무게 중심의 가속도와 압력 중심의 순간 위치를 모두 계산하는 역학의 직접적인 원리를 기반으로합니다. 이러한 각 점은 운동에 특정한 전역 표현입니다.
하나는 운동의 목적과 관련된 모든 신체 세그먼트의 움직임의 즉각적인 표현입니다 (무게 중심, 예를 들어, GI 동안 신체의 진행 속도). 다른 하나 (압력 중심)는이 목표에 도달하는 데 필요한지지 조건의 표현입니다. 이 두 지점의 순간 위치는 보행 개시에 만족해야 할 자세-동적 조건을 반영합니다. 힘 플랫폼은 이동 중지지 표면에서 작용하는 외력과 모멘트를 직접 측정 할 수 있기 때문에이 모델에 적합한 도구입니다. 또한 자연스러운 움직임을 수행 할 수 있으며 특별한 준비가 필요하지 않습니다.
생체 역학적, (신경) 생리적, 심리적, 환경 적,인지 적 요인을 포함하여 GI의 자세 조직에 영향을 미치는 많은 요인이 알려져 있습니다 1,20. 이 논문은 GI의 속도와 시간압이라는 두 가지 요인의 영향에 초점을 맞추고 건강한 젊은 성인에서 얻은 전형적인 값을 제공합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 논문의 목표는 학자, 임상의 및 고등 교육 학생들에게 보행 개시 (GI)의 생체 역학적 조직을 조사하기 위해 실험실에서 사용 된 방법 ( “글로벌”방법)에 대한 정보를 제공하는 것이 었습니다. 프로토콜의 중요한 단계, 방법의 한계, 및 대체 방법 및 응용 프로그램이 아래에서 논의됩니다.
프로토콜의 중요한 단계는 GI의 타이밍 이벤트(즉, APA 발병, 스윙 힐 오프 및 토 오프, 리?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 ANRT와 LADAPT에 감사드립니다.
Materials
| Force platform(s) | AMTI | One large [120 cm x 60 cm] or two small [60 cm x 40 cm] force platform(s) | |
| Python or Matlab | Python or MathWorks | Programming language for the computation of experimental variables | |
| Qualisys track manage | Qualisys | Software for the synchronization of the force platform(s), the recording and the on-line visualization of raw biomechanical traces (3D forces and moments) | |
| Visual3D | C-Motion Inc | Software for the processing of raw biomechanical traces (low-pass filtering) |
References
- 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).
- 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).
- Delafontaine, A. et al. Anticipatory postural adjustments during gait initiation in stroke patients. Frontiers in Neurology. 10, 352 (2019).
- 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).
- Demain, A. et al. High-level gait and balance disorders in the elderly, a midbrain disease? Journal of Neurology. 261 (1), 196-206 (2013).
- Belen'kiĭ, V. E., Gurfinkel', V. S., Pal'tsev, E. I. On the control elements of voluntary movements. Biofizika. 12 (1), 135-141 (1967).
- Bouisset, S., Zattara, M. A sequence of postural movements precedes voluntary movement. Neuroscience Letters. 22 (3), 263-270 (1981).
- 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).
- Bouisset, S., Do, M. C. Posture, dynamic stability, and voluntary movement. Neurophysiologie Clinique/Clinical Neurophysiology. 38 (6), 345-362 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hess, W. R. Teleokinetisches und ereismatisches Kräftesystem in der Biomotorik. Helv Physiol Pharmacol Acta. 1 , C62-C63 (1943).
- Lepers, R., Brenière, Y. The role of anticipatory postural adjustments and gravity in gait initiation. Experimental Brain Research. 107 (1), 118-124 (1995).
- Lyon, I. N., Day, B. L. Control of frontal plane body motion in human stepping. Experimental Brain Research. 115 (2), 345-356 (1997).
- 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).
- 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).
- Hof, A. L., Gazendam, M. G. J., Sinke, W. E. The condition for dynamic stability. Journal of Biomechanics. 38 (1), 1-8 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Brenière, Y., Do, M. C. Control of Gait Initiation. Journal of Motor Behavior. 23 (4), 235-240 (1991).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Sint, J. S. V. Color Atlas of Skeletal Landmark Definitions: Guidelines for Reproducible Manual and Virtual Palpations. Edinburgh: Churchill Livingstone, 29-175 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Yiou, E., Caderby, T., Hussein, T. Adaptability of anticipatory postural adjustments associated with voluntary movement. World Journal of Orthopedics. 3 (6), 75 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
