Caratteristiche biomeccaniche degli arti inferiori associate alla terminazione dell'andatura non pianificata a diverse velocità di camminata
Summary
Questo studio ha confrontato le caratteristiche biomeccaniche degli arti inferiori durante la terminazione dell’andatura non pianificata a diverse velocità di deaezione. I dati cinematici e cinetici degli arti inferiori di quindici soggetti con velocità di camminata normali e veloci sono stati raccolti utilizzando un sistema di analisi del movimento e una piattaforma di pressione plantare.
Abstract
La terminazione dell’andatura causata da stimoli imprevisti è un evento comune nella vita di tutti i giorni. Questo studio presenta un protocollo per studiare i cambiamenti biomeccanici degli arti inferiori che si verificano durante la terminazione dell’andatura non pianificata (UGT) a diverse velocità di deaezione. A quindici partecipanti maschi è stato chiesto di eseguire UGT su una passerella a velocità di camminata normale (NWS) e velocità di camminata veloce (FWS), rispettivamente. Un sistema di analisi del movimento e una piattaforma di pressione plantare sono stati applicati per raccogliere dati sulla pressione cinematica e plantare degli arti inferiori. Il test T campionato accoppiato è stato utilizzato per esaminare le differenze nella cinematica degli arti inferiori e i dati sulla pressione plantare tra due velocità di deaezione. I risultati hanno mostrato una maggiore gamma di movimento nelle articolazioni dell’anca, del ginocchio e della caviglia nel piano sagittale, nonché una pressione plantare nelle regioni dell’avampiede e del tallone durante ugt a FWS rispetto a NWS. Con l’aumento della velocità di camminata, i soggetti hanno mostrato diverse caratteristiche biomeccaniche degli arti inferiori che mostrano FWS associato a maggiori potenziali rischi di lesioni.
Introduction
La locomozione umana è considerata un processo estremamente complesso che deve essere descritto con metodi multidisciplinari1,2. L’aspetto più rappresentativo è l’analisi dell’andatura mediante approcci biomeccanici. L’andatura umana mira a sostenere la progressione dall’iniziazione alla terminazione e l’equilibrio dinamico dovrebbe essere mantenuto nel movimento della posizione. Sebbene la terminazione dell’andatura (GT) sia stata ampiamente studiata come sotto-compito dell’andatura, ha ricevuto meno attenzione. Sparrow e Tirosh3 hanno definito GT nella loro recensione come periodo di controllo del motore quando entrambi i piedi smettono di muoversi in avanti o all’indietro in base alle caratteristiche di spostamento e tempo. Rispetto all’andatura in stato stazionario, il processo di esecuzione di GT richiede un maggiore controllo della stabilità posturale e una complessa integrazione e cooperazione del sistema neuromuscolare4. Durante gt, il corpo deve aumentare rapidamente l’impulso frenante e diminuire l’impulso di propulsione per formare unnuovo bilanciamento del corpo 5,6. La terminazione dell’andatura non pianificata (UGT) è una risposta allo stress a uno stimolo sconosciuto6. Di fronte a uno stimolo inaspettato che richiede di fermarsi improvvisamente, l’equilibrio dinamico iniziale verrà interrotto. A causa della necessità di un controllo continuo del centro di massa (COM) del corpo e del controllo del feedback, UGT pone una sfida maggiore al controllo posturale e allabilibilità 3,7.
L’UGT è stato segnalato per essere un fattore importante che porta a cadute e lesioni, specialmente nelle persone anziane e nei pazienti con disturbidell’equilibrio 3,8. Velocità di camminata più elevate possono portare a un ulteriore calo del controllo del motore durante UGT9. Ridge et al.10 ha studiato l’angolo di picco del giunto e i dati del momento interno del giunto dei bambini durante ugt a velocità di camminata normale (NWS) e velocità di camminata veloce (FWS). I risultati hanno mostrato angoli di flessione del ginocchio più grandi e momenti di estensione a velocità più elevate rispetto alla velocità preferita. Hanno indicato che rafforzare i muscoli correlati che circondano le articolazioni degli arti inferiori potrebbe essere un utile intervento per la prevenzione delle lesioni durante l’UGT.
Sebbene l’effetto della velocità di camminata sul carattere biomeccanico degli arti inferiori durante l’andatura allo stato stazionario sia statoampiamente studiato 11,12,13, il meccanismo biomeccanico dell’UGT a diverse velocità di deaezione è limitato. Per quanto ne siamo a conoscenza, solo tre studi hanno valutato specificamente le prestazioni UGT degli individui sani rispetto agli effetti divelocità 9,10,14. Tuttavia, i soggetti in questi studi erano principalmente gli anzianidi 14 anni e ibambini di 10anni, il meccanismo biomeccanico dei giovani adulti durante l’UGT non è ancora chiaro. La cinematica degli arti inferiori e la pressione plantare possono fornire un’analisi precisa della biomeccanica della locomozione, e questi sono anche considerati componenti cruciali per le diagnosi di andatura clinica15,16. Ad esempio, Serrao et al. Inoltre, rispetto alla terminazione dell’andatura pianificata (PGT), è stato possibile osservare una maggiore pressione e forza di picco nel metatarso laterale durante l’UGT7, che può essere associato a rischi di lesioni più elevati.
Pertanto, l’esplorazione dei meccanismi biomeccanici dell’UGT potrebbe fornire approfondimenti per la prevenzione delle lesioni e ulteriori ricerche cliniche. Questo studio presenta un protocollo per indagare qualsiasi alterazione biomeccanica nei giovani adulti durante l’UGT a diverse velocità di camminata. Si ipotizza che, con un aumento della velocità di camminata, i partecipanti mostrerebbero diverse caratteristiche biomeccaniche degli arti inferiori durante l’UGT.
Protocol
Representative Results
Discussion
La maggior parte degli studi precedenti che analizzano la biomeccanica dell’andatura durante l’UGT omettono l’importanza della velocità di camminata nella loro valutazione biomeccanica. Pertanto, questo studio ha studiato i cambiamenti biomeccanici degli arti inferiori che si verificano in UGT a NWS e FWS con l’obiettivo di rivelare gli effetti relativi alla velocità.
Differenze significative sono state riscontrate sulla ROM delle articolazioni dell’anca, del ginocchio e della caviglia nel p…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
NSFC-RSE Joint Project (81911530253), National Key R&D Program of China (2018YFF0300905) e K.C. Wong Magna Fund presso l’Università di Ningbo.
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).
