Biomechanische kenmerken van de onderste ledematen geassocieerd met ongeplande gangbeëindiging onder verschillende loopsnelheden
Summary
Deze studie vergeleek de biomechanische kenmerken van de onderste extremiteit tijdens ongeplande gangafsluiting onder verschillende loopsnelheden. De kinematische en kinetische gegevens van vijftien proefpersonen met normale en hoge loopsnelheden werden verzameld met behulp van een bewegingsanalysesysteem en een plantair drukplatform.
Abstract
Gangbeëindiging veroorzaakt door onverwachte prikkels komt veel voor in het dagelijks leven. Deze studie presenteert een protocol om de biomechanische veranderingen in de onderste ledematen te onderzoeken die optreden tijdens ongeplande gangafsluiting (UGT) onder verschillende loopsnelheden. Vijftien mannelijke deelnemers werden gevraagd om UGT uit te voeren op een loopbrug met respectievelijk normale loopsnelheid (NWS) en hoge loopsnelheid (FWS). Een bewegingsanalysesysteem en een plantair drukplatform werden toegepast om kinematische en plantaire drukgegevens van de onderste ledematen te verzamelen. Gekoppelde T-test werd gebruikt om de verschillen in kinematica van de onderste ledematen en plantaire drukgegevens tussen twee loopsnelheden te onderzoeken. De resultaten toonden een groter bewegingsbereik in de heup-, knie- en enkelgewrichten in het sagittale vlak, evenals plantaire druk in voorvoet- en hielgebieden tijdens UGT bij FWS in vergelijking met NWS. Met de toename van de loopsnelheid vertoonden proefpersonen verschillende biomechanische kenmerken van de onderste ledematen die FWS vertonen die verband houden met grotere potentiële letselrisico’s.
Introduction
Menselijke voortbeweging wordt beschouwd als een uiterst complex proces dat moet worden beschreven met multidisciplinaire methoden1,2. Het meest representatieve aspect is de ganganalyse door biomechanische benaderingen. De menselijke gang is gericht op het ondersteunen van progressie van initiatie tot beëindiging, en het dynamische evenwicht moet in positiebeweging worden gehandhaafd. Hoewel gangbeëindiging (GT) uitgebreid is bestudeerd als een subtaak van gang, heeft het minder aandacht gekregen. Sparrow en Tirosh3 definieerden GT in hun beoordeling als motorische controleperiode wanneer beide voeten niet meer vooruit of achteruit bewegen op basis van de verplaatsings- en tijdskenmerken. In vergelijking met steady-state gang vereist het proces van het uitvoeren van GT een hogere controle van de houdingsstabiliteit en complexe integratie en samenwerking van het neuromusculaire systeem4. Tijdens GT moet het lichaam de remimpuls snel verhogen en de voortstuwingsimpuls verlagen om een nieuwe lichaamsbalans te vormen5,6. Ongeplande gangafbreking (UGT) is een stressreactie op een onbekende stimulus6. Wanneer men geconfronteerd wordt met een onverwachte stimulus die plotseling moet stoppen, zal het initiële dynamische evenwicht verstoord raken. Vanwege de behoefte aan de continue controle van het massacentrum van het lichaam (COM) en feedbackcontrole vormt UGT een grotere uitdaging voor posturale controle en stabliteit3,7.
UGT is gemeld als een belangrijke factor die leidt tot vallen en verwondingen, met name bij ouderen en patiënten met evenwichtsstoornissen3,8. Hogere loopsnelheden kunnen leiden tot een extra afname van de motorische controle tijdens UGT9. Ridge et al.10 onderzochten de piekverbindingshoek en interne gewrichtsmomentgegevens van kinderen tijdens UGT bij normale loopsnelheid (NWS) en snelle loopsnelheid (FWS). De resultaten toonden grotere knieflexiehoeken en verlengingsmomenten bij hogere snelheden in vergelijking met de gewenste snelheid. Ze gaven aan dat het versterken van de gerelateerde spieren rond de gewrichten van de onderste extremiteit een nuttige interventie kan zijn voor blessurepreventie tijdens UGT.
Hoewel het effect van loopsnelheid op het biomechanische karakter van de onderste ledematen tijdens steady-state gang uitgebreid is bestudeerd11,12,13, is het biomechanische mechanisme van UGT onder verschillende loopsnelheden beperkt. Voor zover wij weten, hebben slechts drie studies specifiek de UGT-prestaties van gezonde individuen geëvalueerd met betrekking tot snelheidseffecten9,10,14. Echter, proefpersonen in deze studies waren voornamelijk ouderen14 en kinderen10, het biomechanische mechanisme van jongvolwassenen tijdens UGT is nog steeds onduidelijk. Kinematica van de onderste ledematen en plantaire druk kunnen een nauwkeurige analyse van de biomechanica van de voortbeweging bieden , en deze worden ook beschouwd als cruciale componenten voor klinische gangdiagnoses15,16. Serrao et al.17 gebruikten bijvoorbeeld kinematische gegevens van de onderste ledematen om de klinische verschillen tussen patiënten met cerebellaire ataxie en gezonde tegenhangers tijdens plotseling stoppen op te sporen. Bovendien konden in vergelijking met geplande gangafbreking (PGT) grotere piekdruk en kracht in het laterale middenvoetsbeentjes tijdens UGT worden waargenomen7, wat gepaard kan gaan met hogere letselrisico’s.
Daarom kan het verkennen van de biomechanische mechanismen van UGT inzichten opleveren voor letselpreventie en verder klinisch onderzoek. Deze studie presenteert een protocol om elke biomechanische verandering bij jongvolwassenen tijdens UGT onder verschillende loopsnelheden te onderzoeken. Er wordt verondersteld dat, met een toename van de loopsnelheid, deelnemers verschillende biomechanische kenmerken van de onderste ledematen zouden vertonen tijdens UGT.
Protocol
Representative Results
Discussion
De meeste eerdere studies die gangbiomechanica analyseren tijdens UGT laten het belang van loopsnelheid weg in hun biomechanische beoordeling. Deze studie onderzocht dus de biomechanische veranderingen in de onderste ledematen die optreden in UGT bij NWS en FWS met als doel de snelheidsgerelateerde effecten te onthullen.
Significante verschillen zijn gevonden op de ROM van de heup-, knie- en enkelgewrichten in het sagittale vlak tijdens UGT bij NWS en FWS. Onze bevindingen toonden grotere ROM’…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
NSFC-RSE Joint Project (81911530253), National Key R&D Program of China (2018YFF0300905), en K.C. Wong Magna Fund in 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).
