Biomekaniske egenskaber i underekstremiteter forbundet med uplanlagt gangafslutning under forskellige ganghastigheder
Summary
Denne undersøgelse sammenlignede de biomekaniske egenskaber ved den nedre ekstremitet under uplanlagt gangterminering under forskellige ganghastigheder. De kinematiske og kinetiske data fra underekstremiteterne fra femten forsøgspersoner med normale og hurtige ganghastigheder blev indsamlet ved hjælp af et bevægelsesanalysesystem og plantartrykplatform.
Abstract
Gangafslutning forårsaget af uventet stimulus er en almindelig begivenhed i hverdagen. Denne undersøgelse præsenterer en protokol til at undersøge de biomekaniske ændringer i underekstremiteterne, der opstår under uplanlagt gangafslutning (UGT) under forskellige ganghastigheder. Femten mandlige deltagere blev bedt om at udføre UGT på en gangbro med normal ganghastighed (NWS) og hurtig ganghastighed (FWS), henholdsvis. Der blev anvendt et bevægelsesanalysesystem og plantartrykplatform til indsamling af kinematiske og plantartryksdata i underekstremiteterne. T-test med parrede stikprøver blev anvendt til at undersøge forskellene i kinematik i underekstremiteterne og plantartrykdata mellem to ganghastigheder. Resultaterne viste større vifte af bevægelse i hoften, knæet, og ankel leddene i sagittal flyet samt plantar pres i forfod og hæl regioner under UGT på FWS sammenlignet med NWS. Med stigningen i ganghastigheden udviste forsøgspersoner forskellige biomekaniske egenskaber i underekstremiteterne, der viser FWS forbundet med større potentielle skadesrisici.
Introduction
Menneskelig bevægelse anses for at være en yderst kompleks proces , der skal beskrives ved hjælp af tværfaglige metoder1,2. Det mest repræsentative aspekt er ganganalysen ved biomekaniske tilgange. Human gangart har til formål at opretholde progression fra indledning til opsigelse, og den dynamiske balance bør opretholdes i position bevægelse. Selv om gangart opsigelse (GT) er blevet grundigt undersøgt som en sub-opgave gangart, har det fået mindre opmærksomhed. Sparrow og Tirosh3 definerede GT i deres gennemgang som motorisk kontrolperiode, når begge fødder holder op med at bevæge sig enten frem eller tilbage baseret på forskydnings- og tidskarakteristika. Sammenlignet med steady-state gangart kræver processen med at udføre GT højere kontrol over postural stabilitet og kompleks integration og samarbejde i det neuromuskulære system4. Under GT skal kroppen hurtigt øge bremseimpulsen og reducere fremdriftsimpulsen for at danne en ny kropsbalance5,6. Uplanlagt gangafslutning (UGT) er en stressrespons på en ukendt stimulus6. Når man konfronteres med en uventet stimulus, der kræver, at man stopper pludseligt, vil den indledende dynamiske balance blive forstyrret. På grund af behovet for kontinuerlig kontrol af kroppens centrum af masse (COM) og feedback kontrol, UGT udgør en større udfordring for postural kontrol og stablity3,7.
UGT er blevet rapporteret at være en vigtig faktor, der fører til fald og skader, især hos ældre og patienter med balanceforstyrrelser3,8. Hurtigere ganghastigheder kan føre til et yderligere fald i motorstyringen under UGT9. Ridge et al.10 undersøgte peak fælles vinkel og interne fælles øjeblik data om børn under UGT ved normal ganghastighed (NWS) og hurtig ganghastighed (FWS). Resultaterne viste større knæfleksionsvinkler og forlængerøjeblikke ved hurtigere hastigheder sammenlignet med foretrukken hastighed. De anførte, at en styrkelse af de relaterede muskler omkring de nedre ekstremitetsled kunne være en nyttig intervention for forebyggelse af personskader under UGT.
Selv om effekten af ganghastighed på underekstremiteterne biomekaniske karakter under steady-state gangart er blevet grundigt undersøgt11,12,13, den biomekaniske mekanisme UGT under forskellige ganghastigheder er begrænset. Så vidt vi ved, har kun tre undersøgelser specifikt evalueret raske individers UGT-præstationer med hensyn til hastighedseffekter9,10,14. Forsøgspersonerne i disse undersøgelser var dog hovedsageligt ældre14 og børn10, den biomekaniske mekanisme hos unge voksne under UGT er stadig uklar. Kinematik i underekstremiteterne og plantartrykket kan give en præcis analyse af bevægelsesbiomekanik, og disse anses også for at være afgørende komponenter til kliniske gangdiagnoser15,16. For eksempel brugte Serrao et al.17 kinematiske data fra underekstremiteterne til at påvise de kliniske forskelle mellem patienter med cerebellar ataksi og sunde modstykker under pludselig standsning. I forhold til planlagt gangterminering (PGT) kunne der desuden observeres større spidsbelastning og kraft i det laterale metatarsal under UGT7, hvilket kan være forbundet med højere skadesrisici.
Derfor kan en undersøgelse af UGT’s biomekaniske mekanismer give indsigt i forebyggelse af personskader og yderligere klinisk forskning. Denne undersøgelse præsenterer en protokol til at undersøge enhver biomekanisk ændring hos unge voksne under UGT under forskellige ganghastigheder. Det er en hypotese, at med en stigning i ganghastigheden ville deltagerne udvise forskellige biomekaniske egenskaber i underekstremiteterne under UGT.
Protocol
Representative Results
Discussion
De fleste tidligere undersøgelser, der analyserer gangart biomekanik under UGT udelade betydningen af ganghastighed i deres biomekaniske vurdering. Således undersøgte denne undersøgelse de biomekaniske ændringer i underekstremiteterne, der opstår i UGT ved NWS og FWS med det formål at afsløre de hastighedsrelaterede virkninger.
Væsentlige forskelle er fundet på ROM af hoften, knæet og ankelleddene i sagittal flyet under UGT på NWS og FWS. Vores resultater viste større rom’er af de…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
NSFC-RSE Joint Project (81911530253), National Key R&D Program of China (2018YFF0300905) og K.C. Wong Magna Fund i Ningbo University.
Materials
| 14 mm Diameter Passive Retro-reflective Marker | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | n=16 |
| Double Adhesive Tape | Minnesota Mining and Manufacturing Corporation, Minnesota, USA | For fixing markers to skin |
| Motion Tracking Cameras | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | n= 8 |
| T-Frame | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | – |
| Valid Dongle | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | Vicon Nexus 1.4.116 |
| Vicon Datastation ADC | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | – |
| Pressure platform | RSscan International, Olen, Belgium | – |
References
- Cappozzo, A. Gait analysis methodology. Human Movement Science. 3 (1), 27-50 (1984).
- Gao, Z., Mei, Q., Fekete, G., Baker, J., Gu, Y. The Effect of Prolonged Running on the Symmetry of Biomechanical Variables of the Lower Limb Joints. Symmetry. 12, 720 (2020).
- Sparrow, W. A., Tirosh, O. Gait termination: a review of experimental methods and the effects of ageing and gait pathologies. Gait & Posture. 22 (4), 362-371 (2005).
- Conte, C., et al. Planned Gait Termination in Cerebellar Ataxias. The Cerebellum. 11 (4), 896-904 (2012).
- Bishop, M. D., Brunt, D., Pathare, N., Patel, B. The interaction between leading and trailing limbs during stopping in humans. Neuroscience Letters. 323 (1), 1-4 (2002).
- Jaeger, R. J., Vanitchatchavan, P. Ground reaction forces during termination of human gait. Journal of Biomechanics. 25 (10), 1233-1236 (1992).
- Cen, X., Jiang, X., Gu, Y. Do different muscle strength levels affect stability during unplanned gait termination. Acta of Bioengineering and Biomechanics. 21 (4), 27-35 (2019).
- O’Kane, F. W., McGibbon, C. A., Krebs, D. E. Kinetic analysis of planned gait termination in healthy subjects and patients with balance disorders. Gait & Posture. 17 (2), 170-179 (2003).
- Bishop, M., Brunt, D., Pathare, N., Patel, B. The effect of velocity on the strategies used during gait termination. Gait & Posture. 20 (2), 134-139 (2004).
- Ridge, S. T., Henley, J., Manal, K., Miller, F., Richards, J. G. Biomechanical analysis of gait termination in 11–17year old youth at preferred and fast walking speeds. Human Movement Science. 49, 178-185 (2016).
- Sun, D., Fekete, G., Mei, Q., Gu, Y. The effect of walking speed on the foot inter-segment kinematics, ground reaction forces and lower limb joint moments. PeerJ. 6, 5517 (2018).
- Eerdekens, M., Deschamps, K., Staes, F. The impact of walking speed on the kinetic behaviour of different foot joints. Gait & Posture. 68, 375-381 (2019).
- Wang, Z. p., Qiu, Q. e., Chen, S. h., Chen, B. c., Lv, X. t. Effects of Unstable Shoes on Lower Limbs with Different Speeds. Physical Activity and Health. 3, 82-88 (2019).
- Tirosh, O., Sparrow, W. A. Age and walking speed effects on muscle recruitment in gait termination. Gait & Posture. 21 (3), 279-288 (2005).
- Xiang, L., Mei, Q., Fernandez, J., Gu, Y. A biomechanical assessment of the acute hallux abduction manipulation intervention. Gait & Posture. 76, 210-217 (2020).
- Zhou, H., Ugbolue, U. C. Is There a Relationship Between Strike Pattern and Injury During Running: A Review. Physical Activity and Health. 3 (1), 127-134 (2019).
- Serrao, M., et al. Sudden Stopping in Patients with Cerebellar Ataxia. The Cerebellum. 12 (5), 607-616 (2013).
- Zhang, Y., et al. Using Gold-standard Gait Analysis Methods to Assess Experience Effects on Lower-limb Mechanics During Moderate High-heeled Jogging and Running. Journal of Visualized Experiments. (127), e55714 (2017).
- Buddhadev, H. H., Barbee, C. E. Redistribution of joint moments and work in older women with and without hallux valgus at two walking speeds. Gait & Posture. 77, 112-117 (2020).
- Yu, P., et al. Morphology-Related Foot Function Analysis: Implications for Jumping and Running. Applied Sciences. 9 (16), 3236 (2019).
- Ridge, S. T., Henley, J., Manal, K., Miller, F., Richards, J. G. Kinematic and kinetic analysis of planned and unplanned gait termination in children. Gait & Posture. 37 (2), 178-182 (2013).
- Burnfield, J. M., Few, C. D., Mohamed, O. S., Perry, J. The influence of walking speed and footwear on plantar pressures in older adults. Clinical Biomechanics. 19 (1), 78-84 (2004).
- Cen, X., Xu, D., Baker, J. S., Gu, Y. Effect of additional body weight on arch index and dynamic plantar pressure distribution during walking and gait termination. PeerJ. 8, 8998 (2020).
- Chatzipapas, C. N., et al. Stress Fractures in Military Men and Bone Quality Related Factors. International Journal of Sports Medicine. 29 (11), 922-926 (2008).
- Cen, X., Xu, D., Baker, J. S., Gu, Y. Association of Arch Stiffness with Plantar Impulse Distribution during Walking, Running, and Gait Termination. International Journal of Environmental Research and Public Health. 17 (6), 2090 (2020).
