シットにスタンド・アンド・ウォーク120％の膝の高さから：鉛四肢の動的姿勢制御の独立性を評価するための新しいアプローチ
概要
Here, we present a novel protocol to measure positional stability at key events during the sit-to-stand-to-walk using the center-of-pressure to the whole-body-center-of-mass distance. This was derived from the force platform and three-dimensional motion-capture technology. The paradigm is reliable and can be utilized for the assessment of neurologically compromised individuals.
Abstract
感覚病理などを持つ個人は、ストロークが困難（：STW座る・ツー・ウォーク）座って歩行を開始から上昇の一般的なタスクを実行しています。このように、シット・ツー・スタンドと歩行開始の臨床リハビリテーションの分離に – と呼ばシット・ツー・スタンド・アンド・ウォーク（STSWは） – 通常です。しかしながら、病理学的評価のために適した明確に定義された分析手法で標準化されたSTSWプロトコルが定義されていません。
したがって、ゴール指向のプロトコルは、それがリード手足のサポート独立した広いベースで120％の膝の高さから開始される立上り位相を要求することによって、健康で妥協個人に適して定義されます。 2次元（2D）センター・オブ・圧力（COP）を得た3次元（3D）セグメントの移動軌跡、及び力プラットフォームの光学キャプチャはCOPと全身-センターオブ間の水平距離の許可追跡を軌道質量（BCOM）、増加の減少位置安定性だが、貧困層の動的姿勢制御を表現することが提案されています。
BCOM-COPの距離はとし、被験者の脚の長さに正規化なしで発現されます。 COP-BCOM距離がSTSWを通じて変化する一方で、ステップ1と2の間にシートを切り、初期つま先オフ（TO1）の主要な移動イベントでの正規化されたデータは、10若い健康な個体によって実行される5繰り返し試験で低イントラ及びインター対象の変動を持っています。このように、若い健康な個体で上位運動ニューロン損傷患者、またはその他の危険にさらさ患者群、および規範的データとの間STSWパラダイムの実行中に重要なイベントでのCOP-BCOMの距離を比較して、動的姿勢の安定性の評価のための新規方法論です。
Introduction
脳卒中後の感覚システム、例えば上位運動ニューロン（UMN）損傷に影響を与える臨床病理は、負の運動に影響を与える可能性が弱さ、姿勢の安定性および痙性の損失、などの機能障害につながります。回復は安全立ったり1,2を歩くの機能マイルストーンを達成するために失敗脳卒中生存者のかなりの数が可変することができます。
歩行の離散的な実践と座る・ツー・スタンドUMN病理3,4の後に一般的なリハビリのタスクは、しかし、移行の動きが頻繁に無視されています。シットにウォーク（STW）は対スタンドシット（STS）、歩行開始（GI）を組み込む、および5を歩いシーケンシャル姿勢-運動タスクがあります。
STW時ためらいの反射STSとGIの分離は、古いunimpaireに加えて、パーキンソン病6および慢性脳卒中7を有する患者において観察されていますD大人8ではなく、若い健康な個体9インチしたがって、座る・ツー・スタンド・アンド・ウォーク（STSW）は、一般的に臨床環境内に実装されており、立ったときに、可変長の休止期が定義されています。しかし、患者集団に適したコンテキストでSTSWダイナミクスを定義する現在まで発表されたプロトコルはありません。
通常STWで最初の椅子の高さを研究（KH;床から膝までの距離）膝の高さの100％で、足幅やGI鉛四肢自己選択であり、腕は胸や生態学的に意味のあるタスクのコンテキスト全体で拘束されています5-9不在ことが多いです。しかし、患者が100％KH挑戦10から上昇見つけ、頻繁に健康な個体11に比べて、広い足の位置を採用し、その影響を受けた脚部7で歩行を開始し、勢い7を生成するために、彼らの武器を使用しています。
歩行、purposで全身運動の状態変化を開始するには eful方向が12必要です。これは、全身重心切り離すことにより達成される：中央の圧力（COPから（BCOMを空間13内のすべての考え身体セグメントの加重平均）：得られた地面反力の位置（GRF）ベクトル14）。 GIの先行段階では、急速なステレオタイプの後部と揺動する四肢に向けてCOPの横方向の動きは、それによってBCOMの勢い12,15を発生させる発生します。それらの間の水平距離は、動的姿勢制御16の尺度として提案されたものとCOPとBCOMは、このように、分離されています。
COP-BCOMの距離の計算は、COPとBCOM位置の同時測定が必要です。 COPの標準的な計算は、式（1）17に次のようになります。
tp_upload / 54323 / 54323eq2.jpg "/>
（1）
Mと力はそれぞれ力プラットフォーム軸と方向性GRF周りのモーメントを表しています。添字は、軸を表します。原点は、接触面と力プラットフォームの原点との間の垂直距離であり、ゼロであると考えられます。
BCOM位置を導出する動方法は、セグメントマーカの変位を追跡することを含みます。身体セグメントの動きの忠実な表現は、軟組織アーチファクト（CAST法18）を最小化する、骨のランドマークから離れて配置された剛性板でクラスター化マーカーを使用することによって達成することができます。 BCOM位置を決定するために、個々の身体セグメントの質量は、死体のワーク19に基づいて、推定されます。三次元（3D）運動システム独自のソフトウェアは、近位およびdの座標位置を使用してistalセグメントの場所：1）セグメントの長さを決定するには、2）算術分節質量を推定し、3）セグメントCOMの位置を計算します。これらのモデルは、その後、セグメント間の位置の純和（ 図1）に基づいて、特定の時点での3D BCOM位置の推定値を提供することができます。
したがって、本論文の目的は、生態学的に有効であり、高シート高さから上昇含まれ、標準化さSTSWプロトコルを提示する最初のものです。 STSW 120％からKHは、KHが侵害個人向けより簡単に（かつ安全）で120％から上昇を意味し、20を上昇中に下BCOM垂直速度とGRFのの100％KH禁止世代から生体力学的に不明瞭であることが以前に示されています。第二に、3Dモーションキャプチャを使用して、主要なマイルストーンと遷移中に動的な姿勢制御を評価するために、COP-BCOM水平距離を導出します。 STSW中に健康な個体で手足ルとは無関係である。このアプローチは、広告20は 、機能回復の評価の見通しを提供しています。最後に、若い健康な個体の予備STSWデータセットを表すが提示され、グループ内の内および対象間可変性は、病理学的個体との比較を通知するために定義されています。
図1は、2次元BCOM計算。簡略化のため、例えば、2次元、3結合塊から全脚COMの計算に基づいているそれぞれのCOM位置（x、y）、およびセグメントの質量（M 1の座標M 2、M 3）が知られています。セグメント大衆や実験に対する分節COM位置の位置は、（LCS;起源：0、0）座標系、対象体重および公開された人体計測データを用いて動き解析システム独自のソフトウェアによって推定されている（本文参照します）。 X AND Y脚COMの位置は、3-結合質量のこの例では、次に示す式を用いて導出されている。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
Protocol
Representative Results
Discussion
ここで定義されたシット・ツー・スタンド・アンド・ウォーク（STSW）プロトコルは、健康な個体または患者群における複雑な過渡的移動中に動的な姿勢制御をテストするために使用することができます。プロトコルは、病理を有する被験者が参加できるように設計されている制約を含み、光をオフを含めることは、それが生態学的に有効と目標志向であることを意味します。それは、鉛四肢…
開示
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者は彼らの実用的なサポートのためにロンドンサウスバンク大学キングス・カレッジ・ロンドンとビル・アンダーソンでトニー・クリストファー、リンジーマジョラムに感謝したいと思います。このプロジェクトのためのデータを収集中で彼女の助けのためにロンドン大学キングスカレッジでエレノア・ジョーンズにもありがとうございます。
Materials
| 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) | ||
| 12mm 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 43-58cmwith ~10cm customized height extension option at each leg |
| Circular (Disc) Pressure Floor Pad | Arun Electronics Ltd, Sussex, UK | PM10 | 305mm Diameter, 3mm 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 | 24in. 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 |
参考文献
- Duncan, P. W., Goldstein, L. B., Matchar, D., Divine, G. W., Feussner, J. Measurement of motor recovery after stroke. Outcome assessment and sample size requirements. Stroke. 23 (8), 1084-1089 (1992).
- Smith, M. T., Baer, G. D. Achievement of simple mobility milestones after stroke. Arch Phys Med Rehabil. 80 (4), 442-447 (1999).
- Langhorne, P., Bernhardt, J., Kwakkel, G. Stroke rehabilitation. Lancet. 377 (9778), 1693-1702 (2011).
- Veerbeek, J. M., et al. What is the evidence for physical therapy poststroke? A systematic review and meta-analysis. PLoS One. 9 (2), e87987 (2014).
- Magnan, A., McFadyen, B., St-Vincent, G. Modification of the sit-to-stand task with the addition of gait initiation. Gait Posture. 4 (3), 232-241 (1996).
- Buckley, T. A., Pitsikoulis, C., Hass, C. J. Dynamic postural stability during sit-to-walk transitions in Parkinson disease patients. Mov Disord. 23 (9), 1274-1280 (2008).
- Frykberg, G. E., Aberg, A. C., Halvorsen, K., Borg, J., Hirschfeld, H. Temporal coordination of the sit-to-walk task in subjects with stroke and in controls. Arch Phys Med Rehabil. 90 (6), 1009-1017 (2009).
- Dehail, P., et al. Kinematic and electromyographic analysis of rising from a chair during a "Sit-to-Walk" task in elderly subjects: role of strength. Clin Biomech (Bristol, Avon). 22 (10), 1096-1103 (2007).
- Buckley, T., Pitsikoulis, C., Barthelemy, E., Hass, C. J. Age impairs sit-to-walk motor performance. J Biomech. 42 (14), 2318-2322 (2009).
- Roy, G., et al. The effect of foot position and chair height on the asymmetry of vertical forces during sit-to-stand and stand-to-sit tasks in individuals with hemiparesis. Clin Biomech (Bristol, Avon). 21 (6), 585-593 (2006).
- Kubinski, S. N., McQueen, C. A., Sittloh, K. A., Dean, J. C. Walking with wider steps increases stance phase gluteus medius activity. Gait Posture. 41 (1), 130-135 (2015).
- Jian, Y., Winter, D. A., Ishac, M. G., Gilchrist, L. Trajectory of the body COG and COP during initiation and termination of gait. Gait Posture. 1 (1), 9-22 (1993).
- Winter, D. A. Human balance and posture control during standing and walking. Gait Posture. 3 (4), 193-214 (1995).
- Cavanagh, P. R. A technique for averaging center of pressure paths from a force platform. J Biomech. 11 (10-12), 487-491 (1978).
- Halliday, S. E., Winter, D. A., Frank, J. S., Patla, A. E., Prince, F. The initiation of gait in young, elderly, and Parkinson’s disease subjects. Gait Posture. 8 (1), 8-14 (1998).
- Hass, C. J., Waddell, D. E., Fleming, R. P., Juncos, J. L., Gregor, R. J. Gait initiation and dynamic balance control in Parkinson’s disease. Arch Phys Med Rehabil. 86 (11), 2172-2176 (2005).
- Winter, D. A., Patla, A. E., Ishac, M., Gage, W. H. Motor mechanisms of balance during quiet standing. J Electromyogr Kinesiol. 13 (1), 49-56 (2003).
- Cappozzo, A., Catani, F., Croce, U. D., Leardini, A. Position and orientation in space of bones during movement: anatomical frame definition and determination. Clin Biomech (Bristol, Avon). 10 (4), 171-178 (1995).
- Dempster, W. T., Gabel, W. C., Felts, W. J. The anthropometry of the manual work space for the seated subject. Am J Phys Anthropol. 17 (4), 289-317 (1959).
- Jones, G. D., James, D. C., Thacker, M., Jones, E. J., Green, D. A. Sit-to-Walk and Sit-to-Stand-and-Walk Task Dynamics are Maintained During Rising at an Elevated Seat-Height Independent of Lead-Limb in Healthy Individuals. Gait Posture. 48, 226-229 (2016).
- Qualysis AB. . Qualysis Track Manager User Manual. , (2011).
- Hoffman, M., Schrader, J., Applegate, T., Koceja, D. Unilateral postural control of the functionally dominant and nondominant extremities of healthy subjects. J Athl Train. 33 (4), 319-322 (1998).
- Ren, L., Jones, R. K., Howard, D. Whole body inverse dynamics over a complete gait cycle based only on measured kinematics. J Biomech. 41 (12), 2750-2759 (2008).
- C-Motion Wiki Documentation. . Tutorial: Building a Model. , (2013).
- Kainz, H., Carty, C. P., Modenese, L., Boyd, R. N., Lloyd, D. G. Estimation of the hip joint centre in human motion analysis: a systematic review. Clin Biomech (Bristol, Avon). 30 (4), 319-329 (2015).
- Harrington, M. E., Zavatsky, A. B., Lawson, S. E., Yuan, Z., Theologis, T. N. Prediction of the hip joint centre in adults, children, and patients with cerebral palsy based on magnetic resonance imaging. J Biomech. 40 (3), 595-602 (2007).
- C-Motion Wiki Documentation. . Coda Pelvis. , (2015).
- Bell, A. L., Brand, R. A., Pedersen, D. R. Prediction of hip joint centre location from external landmarks. Human movement science. 8 (1), 3-16 (1989).
- Eames, M. H. A., Cosgrove, A., Baker, R. Comparing methods of estimating the total body centre of mass in three-dimensions in normal and pathological gaits. Human movement science. 18 (5), 637-646 (1999).
- C-Motion Wiki Documentation. . Force Structures. , (2015).
- Martin, M., et al. Gait initiation in community-dwelling adults with Parkinson disease: comparison with older and younger adults without the disease. Phys Ther. 82 (6), 566-577 (2002).
- Bland, J. M., Altman, D. G. Measurement error. BMJ. 313 (7059), (1996).
- Hof, A. L. Scaling gait data to body size. Gait Posture. 4 (3), 222-223 (1996).
- Holden, J. P., Selbie, W. S., Stanhope, S. J. A proposed test to support the clinical movement analysis laboratory accreditation process. Gait Posture. 17 (3), 205-213 (2003).
- Baker, R. Gait analysis methods in rehabilitation. J Neuroeng Rehabil. 3, (2006).
- Gregory, C. M., Embry, A., Perry, L., Bowden, M. G. Quantifying human movement across the continuum of care: From lab to clinic to community. J Neurosci Methods. 231, 18-21 (2014).
- Pai, Y. C., Rogers, M. W. Segmental contributions to total body momentum in sit-to-stand. Medicine and Science in Sports and Exercise. 23 (2), 225-230 (1991).
- Hughes, M. A., Weiner, D. K., Schenkman, M. L., Long, R. M., Studenski, S. A. Chair rise strategies in the elderly. Clin Biomech (Bristol, Avon). 9 (3), 187-192 (1994).
- Medeiros, D. L., Conceição, J. S., Graciosa, M. D., Koch, D. B., Santos, M. J., Ries, L. G. The influence of seat heights and foot placement positions on postural control in children with cerebral palsy during a sit-to-stand task. Res Dev Disabil. 43-44, 1-10 (2015).
- Breniere, Y., Do, M. C. When and how does steady state gait movement induced from upright posture begin?. J Biomech. 19 (12), 1035-1040 (1986).
- Weerdesteyn, V., de Niet, M., van Duijnhoven, H. J., Geurts, A. C. Falls in individuals with stroke. J Rehabil Res Dev. 45 (8), 1195-1213 (2008).
