Sit-to-stand-en-lopen van 120% Knee Lengte: een nieuwe benadering voor Assess Dynamic houdingsregulatie Onafhankelijk van Lead-ledemaat
Summary
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
Personen met sensomotorische pathologie bijvoorbeeld beroerte moeite hebben met het uitvoeren van de gemeenschappelijke taak van de stijgende uit zitten en het initiëren van gait (sit-to-walk: STW). Zo is in de klinische revalidatie scheiding van sit-to-stand en manier van lopen initiatie – de zogenaamde sit-to-stand-en-wandeling (STSW) – is gebruikelijk. Echter, een gestandaardiseerd STSW protocol met een duidelijk omschreven analytische benadering geschikt voor pathologische evaluatie moet nog worden gedefinieerd.
Daarom wordt een doelgerichte gedefinieerde protocol dat geschikt is voor gezonde en individuelen door van de stijgende fase wordt ingeleid uit 120% kniehoogte met een breed draagvlak onafhankelijke lood ledemaat. Optische vangst van driedimensionale (3D) segmentale beweging trajecten en kracht platforms op tweedimensionale (2D) van midden-druk (COP) toelaten trajecten volgen van de horizontale afstand tussen COP en het gehele lichaam-center-of- massa (BCOM) was de daling van die toenemens positionele stabiliteit, maar wordt voorgesteld om een slechte dynamische posturale controle te vertegenwoordigen.
BCOM-COP afstand wordt uitgedrukt met en zonder normalisatie om beenlengte proefpersonen. Terwijl COP-BCOM afstanden variëren door middel van STSW, genormaliseerde gegevens op de belangrijkste beweging gebeurtenissen van de stoel-off en de eerste toe-off (TO1) tijdens de stappen 1 en 2 hebben een lage intra- en inter individuele variabiliteit in 5 herhaalde tests uitgevoerd door 10 jonge gezonde individuen . Zo, het vergelijken van COP-BCOM afstand bij belangrijke gebeurtenissen tijdens de uitvoering van een STSW paradigma tussen patiënten met bovenste motorische neuron letsel, of andere gecompromitteerde patiëntengroepen, en normatieve data bij jonge gezonde personen is een nieuwe methodologie voor de evaluatie van de dynamische posturale stabiliteit.
Introduction
Klinische pathologieën invloed zijn op de sensomotorische systemen, bijvoorbeeld bovenste motorische neuron (UMN) schade na een beroerte, leiden tot functionele beperkingen met inbegrip van zwakte, verlies van posturale stabiliteit en spasticiteit, die een negatieve invloed kan hebben op de motoriek. Herstel variabele met een groot aantal slagoverlevenden niet de functionele mijlpalen veilig staan of lopen 1,2 bereiken.
De discrete praktijk van wandelen en sit-to-stand komen vaak voor revalidatie taken na UMN pathologie 3,4 echter overgangsregeling bewegingen worden vaak verwaarloosd. Sit-to-wandeling (STW) is een sequentiële houdings-bewegingsapparaat taak opnemen sit-to-stand (STS), gait initiatie (GI), en lopen 5.
Scheiding van STS en GI, reflecterende aarzeling tijdens STW is waargenomen bij patiënten met de ziekte 6 en 7 CVA Parkinson, naast oudere unimpaired 8 volwassenen, maar niet bij jonge gezonde individuen 9. Daarom zitten naar staan-en-wandeling (STSW) wordt gewoonlijk uitgevoerd in de klinische omgeving en wordt gedefinieerd door een pauze fase van variabele lengte bij het staan. Er zijn echter geen gepubliceerde protocollen bijgewerkt definiëren STSW dynamica in een context geschikt om patiëntenpopulaties.
Meestal in STW studies de hoogte eerste stoel is 100% van de kniehoogte (KH, van vloer tot knie afstand), aan de breedte en GI lead-ledematen zijn zelf gekozen, de armen worden gedwongen over de borst en een ecologisch zinvolle taak context is vaak afwezig 5-9. Echter, patiënten vinden een stijging van 100% KH uitdagende 10 en vaak kiezen voor een bredere voet positie in vergelijking met gezonde individuen 11, initiëren gang met hun aangedane been 7, en gebruiken hun armen om momentum 7 te genereren.
Om gait, een toestand verandering in het hele lichaam beweging in een purpos initiëren eful is gewenst 12. Dit wordt bereikt door het ontkoppelen van het gehele lichaam center-of-massa (BCOM: het gewogen gemiddelde van alle beschouwd lichaamssegmenten in ruimte 13) vanaf het middelpunt van druk (COP: de positie van de resulterende grondreactiekracht (GRF) vector 14). In de anticiperende fase van GI, snelle stereotiepe achterste en zijwaartse beweging van de COP in de richting van het ledemaat worden gezwaaid optreedt waardoor BCOM momentum 12,15 genereren. De COP en BCOM worden aldus afgescheiden, de horizontale onderlinge afstand hebben als maat voor dynamische houdingsregulatie 16 voorgesteld.
De berekening van de COP-BCOM afstand vereist gelijktijdige meting van de COP en BCOM posities. De standaard berekening van de COP is hieronder in vergelijking getoond (1) 17:
tp_upload / 54323 / 54323eq2.jpg "/>
(1)
Waar M en Force vertegenwoordigen momenten om de kracht platform assen en de directionele GRF respectievelijk. De indices vertegenwoordigen assen. De oorsprong is de verticale afstand tussen het contactvlak en de oorsprong van de kracht platform, en wordt beschouwd als nul.
De kinematische methode waarbij BCOM positie omvat het volgen van de verplaatsing van gesegmenteerde markers. Een getrouwe weergave van body-segment beweging kan worden bereikt door markers geclusterd op harde borden afstand geplaatst van benige oriëntatiepunten, minimaliseren zacht weefsel-artefact (CAST techniek 18). Om BCOM positie te bepalen, worden individuele lichaam segment massa's geschat op basis van cadaveric werk 19. Driedimensionale (3D) bewegingssysteem proprietary software maakt gebruik van de coördinatie van standpunten van de proximale en dIstal segment locaties: 1) bepalen segmentale lengtes, 2) rekenkundig schatten segmentale massa, en 3) te berekenen segmentale COM locaties. Deze modellen zijn vervolgens in staat om schattingen van de 3D BCOM positie verschaffen op een bepaald punt in de tijd op basis van de netto som van inter-segmentale posities (figuur 1).
Zo is het doel van dit document is eerst een gestandaardiseerd protocol STSW die ecologisch valide en omvat opstaan uit een hoge zithoogte presenteren. Het is eerder aangetoond dat STSW van 120% KH is biomechanisch onduidelijk van 100% KH blokkeren generatie van lagere BCOM verticale snelheden en GRF tijdens de stijgende 20, wat betekent dat een stijging van 120% KH is makkelijker (en veiliger) voor gecompromitteerde individuen. Ten tweede, COP-BCOM horizontale afstanden af te leiden om dynamische posturale controle tijdens belangrijke mijlpalen en overgangen met behulp van 3D motion-capture beoordelen. Deze werkwijze werd in gezonde individuen tijdens STSW onafhankelijk van ledematen le isad 20, biedt het vooruitzicht van de functionele evaluatie herstel. Tenslotte wordt een voorlopige STSW dataset representatief zijn voor jonge, gezonde individuen gepresenteerd, en intra- en inter-individuele variatie in de groep wordt gedefinieerd om een vergelijking te informeren met pathologische individuen.
Figuur 1. 2D BCOM berekening. Eenvoudigheidshalve het voorbeeld wordt een berekening hele been COM van een 3-gekoppelde massa in 2 dimensies, waarbij coördinaten van de respectieve COM posities (x, y) en segmentale massa (m 1, m 2, m 3) zijn bekend. Segment massa en locatie van gesegmenteerde COM posities ten opzichte van het laboratorium coördinatensysteem (LCS; herkomst: 0, 0) worden geschat door beweging analysesysteem ontwikkelde software gebruikt onder lichaamsgewicht en gepubliceerde antropometrische gegevens (zie hoofdtekst). De x eennd y been COM positie, in dit voorbeeld van de 3-gekoppelde massa wordt dan afgeleid met behulp van de getoonde formules. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Protocol
Representative Results
Discussion
De sit-to-stand-en-wandeling (STSW) protocol gedefinieerd kan worden gebruikt om dynamische posturale controle testen bij complexe overgangsperiode beweging in gezonde individuen of groepen patiënten. Het protocol bevat de beperkingen die zijn ontworpen om patiënten met pathologie om deel te nemen, en het opnemen van het uitschakelen van het licht betekent dat het ecologisch valide en doelgericht. Aangezien het eerder die leiden ledematen is aangetoond en opstaan uit een hoog (120% KH) zitting niet fundamenteel …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen graag bedanken Tony Christopher, Lindsey Marjolein aan het King's College in Londen en Bill Anderson aan de London South Bank University voor hun praktische ondersteuning. Dank ook aan Eleanor Jones aan het King's College in Londen voor haar hulp bij het verzamelen van de gegevens voor dit project.
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 |
References
- 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).
