التنظيم الوضعي لبدء المشي للتحليل الميكانيكي الحيوي باستخدام تسجيلات منصة القوة
Summary
تصف هذه الورقة المواد والطريقة التي تم تطويرها للتحقيق في التنظيم الوضعي لبدء المشي. تعتمد هذه الطريقة على تسجيلات منصة القوة وعلى المبدأ المباشر للميكانيكا لحساب مركز الثقل ومركز حركية الضغط.
Abstract
بدء المشي (GI) ، المرحلة العابرة بين الموقف التقويمي والحركة الثابتة ، هي مهمة وظيفية ونموذج تجريبي يستخدم بشكل كلاسيكي في الأدبيات للحصول على نظرة ثاقبة على الآليات الوضعية الأساسية الكامنة وراء حركة الجسم والتحكم في التوازن. ساهم التحقيق في الجهاز الهضمي أيضا في فهم أفضل لعلم الأمراض الفسيولوجي للاضطرابات الوضعية لدى كبار السن والمشاركين العصبيين (على سبيل المثال ، المرضى الذين يعانون من مرض باركنسون). على هذا النحو ، من المسلم به أن لها آثارا سريرية مهمة ، خاصة فيما يتعلق بالوقاية من السقوط.
تهدف هذه الورقة إلى تزويد العلماء والأطباء وطلاب التعليم العالي بمعلومات حول المواد والطريقة التي تم تطويرها للتحقيق في تنظيم الجهاز الهضمي الوضعي من خلال نهج ميكانيكي حيوي. تعتمد الطريقة على تسجيلات منصة القوة والمبدأ المباشر للميكانيكا لحساب حركية مركز الثقل ومركز الضغط. التفاعل بين هاتين النقطتين الافتراضيتين هو عنصر أساسي في هذه الطريقة لأنه يحدد ظروف الاستقرار وتطور الجسم كله. يتضمن البروتوكول أن يقف المشارك في البداية غير متحرك في وضع مستقيم ويبدأ في المشي حتى نهاية مسار طوله 5 أمتار على الأقل.
يوصى بتغيير سرعة GI (بطيئة ، عفوية ، سريعة) ومستوى الضغط الزمني – يمكن بدء المشية في أقرب وقت ممكن بعد تسليم إشارة المغادرة (مستوى عال من الضغط الزمني) أو عندما يشعر المشارك بالاستعداد (مستوى منخفض من الضغط الزمني). يتم تحديد المعلمات الميكانيكية الحيوية التي تم الحصول عليها باستخدام هذه الطريقة (على سبيل المثال ، مدة وسعة التعديلات الوضعية الاستباقية ، وطول / عرض الخطوة ، والأداء ، والاستقرار) ، ويتم تفصيل طريقة حسابها. بالإضافة إلى ذلك ، يتم توفير القيم النموذجية التي تم الحصول عليها في الشباب الأصحاء. وأخيرا ، تتم مناقشة الخطوات الحاسمة والقيود وأهمية الطريقة فيما يتعلق بالطريقة البديلة (نظام التقاط الحركة).
Introduction
بدء المشية (GI) ، المرحلة العابرة بين الموقف التقويمي والحركة الثابتة ، هي مهمة وظيفية ونموذج تجريبي يستخدم بشكل كلاسيكي في الأدبيات للتحقيق في التحكم الوضعي خلال مهمة حركية معقدة تتطلب الدفع والاستقرار في وقت واحد للجسم كله1. من المعروف أن المرضى الذين يعانون من حالات عصبية ، مثل مرض باركنسون2 ، والسكتة الدماغية3 ، والشلل فوق النووي التدريجي4 ، و “اضطرابات المشي عالية المستوى”5 ، يواجهون صعوبة في بدء المشي ، مما يعرضهم لخطر متزايد للسقوط. لذلك من المهم لكل من العلوم الأساسية والسريرية تطوير مفاهيم وأساليب لاكتساب نظرة ثاقبة على آليات التحكم الوضعي التي يتم تشغيلها أثناء بدء المشية ، واكتساب المعرفة العلمية وفهم أفضل للفيزيولوجيا المرضية لاضطرابات المشي والتوازن والقدرة على علاجها من خلال التدخلات الكافية.
يتم وصف مفهوم التنظيم الميكانيكي الحيوي لبدء المشي أدناه ، ويتم تفصيل الطريقة الكلاسيكية المصممة للتحقيق في هذا التنظيم في قسم البروتوكول. يمكن تقسيم GI إلى ثلاث مراحل متتالية: مرحلة “التعديلات الوضعية الاستباقية” (APA) المقابلة للظواهر الديناميكية التي تحدث في الجسم كله قبل تأرجح الكعب ، ومرحلة “التفريغ” (بين كعب التأرجح وإصبع القدم) ، ومرحلة “التأرجح” التي تنتهي في وقت ملامسة القدم المتأرجحة لسطح الدعم. ينبع هذا التقسيم الفرعي الكلاسيكي لعملية GI من الدراسات الرائدة ل Belenkii et al.6 وآخرين 7,8 ، مع التركيز على التنسيق بين الموقف والحركة أثناء رفع الذراع الطوعي إلى أفقي في وضع الانتصاب. في هذا النموذج ، تتوافق أجزاء الجسم التي تشارك بشكل مباشر في رفع الذراع مع السلسلة “البؤرية” ، في حين أن أجزاء الجسم المتداخلة بين الجزء القريب من السلسلة البؤرية وسطح الدعم تتوافق مع السلسلة “الوضعية”9. أفاد هؤلاء المؤلفون أن رفع الذراع سبقته بشكل منهجي ظواهر ديناميكية وكهربية ميوغرافية في السلسلة الوضعية ، والتي أطلقوا عليها اسم “التعديلات الوضعية الاستباقية”. بالنسبة ل GI ، يعتبر تأرجح الكعب (أو تأرجح إصبع القدم ، اعتمادا على المؤلفين) بداية حركة المشي10. وبالتالي ، فإن الظواهر الديناميكية التي تحدث قبل هذه اللحظة تتوافق مع APA ، ويعتبر الطرف المتأرجح مكونا من مكونات السلسلة البؤرية11. يتفق هذا البيان مع المفهوم الكلاسيكي للتنظيم الميكانيكي الحيوي للحركة ، والذي بموجبه يجب أن يتضمن أي فعل حركي مكونا بؤريا ووضعيا12,13.
من وجهة نظر ميكانيكية حيوية ، يتجلى APA المرتبط ب GI على أنه إزاحة خلفية ومتوسطة (أرجوحة موجهة نحو الجانب) لمركز الضغط ، والذي يعمل على دفع مركز الثقل في الاتجاه المعاكس – إلى الأمام ونحو جانب ساق الموقف. كلما زاد مركز إزاحة الضغط الخلفي الاستباقي ، زاد أداء المحرك من حيث مركز الثقل الأمامي لسرعة الثقل عند ملامسة القدم10,14. بالإضافة إلى ذلك ، من خلال دفع مركز الثقل نحو جانب ساق الموقف ، تساهم APA في الحفاظ على الاستقرار المتوسط الجانبي خلال مرحلة التأرجح من GI 1,15,16,17. تؤكد الأدبيات الحالية على أن التغيير في هذه السيطرة الاستباقية على الاستقرار هو مصدر رئيسي للسقوط في كبار السن1. وقد تم قياس الاستقرار أثناء المؤشر الجغرافي كميا في الأدبيات مع تكييف “هامش الاستقرار”18، وهي كمية تأخذ في الاعتبار كل من سرعة وموضع مركز الثقل داخل قاعدة الدعم. بالإضافة إلى تطوير APA ، تم الإبلاغ عن سقوط مركز الثقل خلال مرحلة التأرجح من GI تحت تأثير الجاذبية ليتم فرملته بنشاط بواسطة السورات ثلاثية الرؤوس في ساق الوقوف. تسهل هذه الفرامل النشطة الحفاظ على الثبات بعد ملامسة القدم، مما يسمح بهبوط القدم بسلاسة على سطح الدعم4.
الهدف من هذه الورقة هو تزويد العلماء والأطباء وطلاب التعليم العالي بمعلومات حول المواد والطريقة التي تم تطويرها في مختبرنا للتحقيق في التنظيم الوضعي للمؤشر الجلايسيمي عبر نهج ميكانيكي حيوي. هذه الطريقة “العالمية” (التي يمكن استيعابها أيضا في طريقة “حركية” للأسباب المفصلة أدناه) بدأها برينيير والمتعاونونمعه 10,19. يعتمد على المبدأ المباشر للميكانيكا لحساب كل من تسارع مركز الثقل ، وكذلك المواقع الفورية لمركز الضغط. كل نقطة من هذه النقاط هي تعبير عالمي خاص بالحركة.
الأول هو التعبير الفوري عن حركات جميع أجزاء الجسم المتعلقة بالغرض من الحركة (مركز الجاذبية ؛ على سبيل المثال ، سرعة تقدم الجسم أثناء GI) ؛ والآخر (مركز الضغط) هو التعبير عن شروط الدعم اللازمة للوصول إلى هذا الهدف. تعكس المواقف الفورية لهاتين النقطتين الظروف الديناميكية اللاحقة التي يجب استيفاؤها لبدء المشية. منصة القوة هي الأداة المناسبة لهذا النموذج لأنها تسمح بالقياس المباشر للقوى الخارجية واللحظات التي تعمل على السطح الداعم أثناء الحركة. كما أنه يسمح بأداء الحركات الطبيعية ولا يتطلب أي إعداد خاص.
من المعروف أن العديد من العوامل تؤثر على التنظيم الوضعي للجهاز الهضمي ، بما في ذلك العوامل الميكانيكية الحيوية والفسيولوجية (العصبية) والنفسية والبيئية والمعرفية 1,20. تركز هذه الورقة على تأثير عاملين – سرعة الجهاز الهضمي والضغط الزمني – وتوفر قيما نموذجية تم الحصول عليها في الشباب الأصحاء.
Protocol
Representative Results
Discussion
كان الهدف من هذه الورقة هو تزويد العلماء والأطباء وطلاب التعليم العالي بمعلومات حول الطريقة (الطريقة “العالمية”) المستخدمة في مختبرنا للتحقيق في التنظيم الميكانيكي الحيوي لبدء المشي (GI). وتناقش أدناه الخطوات الحاسمة للبروتوكول، والقيود المفروضة على الطريقة، والأساليب والتطبيقات البديلة…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يود المؤلفان أن يشكرا الوكالة الوطنية لتقنين المواصلات وLADAPT.
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. Poster, 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. , 330-345 (1966).
- Hess, W. R. Teleokinetisches und ereismatisches Kräftesystem in der Biomotorik. Helv Physiol Pharmacol Acta. 1, 62-63 (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. , 29 (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).
