Lower-Limb biomechanische Eigenschaften im Zusammenhang mit ungeplanten Gait Termination unter verschiedenen Gehgeschwindigkeiten
Summary
Diese Studie verglich die biomechanischen Eigenschaften der unteren Extremität bei ungeplanter Gangbeendigung unter unterschiedlichen Gehgeschwindigkeiten. Die kinematischen und kinetischen Daten von fünfzehn Probanden mit normalen und schnellen Gehgeschwindigkeiten wurden mit einem Bewegungsanalysesystem und einer Plantardruckplattform gesammelt.
Abstract
Gait-Beendigung durch unerwartete Reize verursacht ist eine häufige Erscheinung im täglichen Leben. Diese Studie stellt ein Protokoll zur Untersuchung der biomechanischen Veränderungen der unteren Gliedmaßen vor, die bei ungeplanter Gangbeendigung (UGT) unter unterschiedlichen Gehgeschwindigkeiten auftreten. Fünfzehn männliche Teilnehmer wurden gebeten, UGT auf einem Walkway mit normaler Gehgeschwindigkeit (NWS) bzw. schneller Gehgeschwindigkeit (FWS) durchzuführen. Ein Bewegungsanalysesystem und eine Plantardruckplattform wurden eingesetzt, um kinematische und plantare Druckdaten unter den Gliedmaßen zu sammeln. Der T-Test mit gepaarter Probe wurde verwendet, um die Unterschiede in der Kinematik der unteren Gliedmaßen und den plantaren Druckdaten zwischen zwei Gehgeschwindigkeiten zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten einen größeren Bewegungsumfang in den Hüft-, Knie- und Sprunggelenken in der sagittalen Ebene sowie den Plantardruck in Vorfuß- und Fersenregionen während der UGT an der FWS im Vergleich zu NWS. Mit der Erhöhung der Gehgeschwindigkeit wiesen die Probanden unterschiedliche biomechanische Eigenschaften der unteren Gliedmaßen auf, die FWS im Zusammenhang mit einem größeren potenziellen Verletzungsrisiko aufweisen.
Introduction
Die menschliche Fortbewegung gilt als ein äußerst komplexer Prozess, der mit multidisziplinären Methoden beschrieben werden muss1,2. Der repräsentativste Aspekt ist die Ganganalyse durch biomechanische Ansätze. Der menschliche Gang zielt darauf ab, die Progression von der Einleitung bis zur Beendigung aufrechtzuerhalten, und das dynamische Gleichgewicht sollte in der Positionsbewegung aufrechterhalten werden. Obwohl Gangbeendigung (GT) als Unteraufgabe des Ganges ausgiebig untersucht wurde, hat sie weniger Aufmerksamkeit erhalten. Sparrow und Tirosh3 definierten GT in ihrer Überprüfung als Motorsteuerungsperiode, wenn beide Füße aufhören, sich vorwärts oder rückwärts zu bewegen, basierend auf den Verschiebungs- und Zeiteigenschaften. Im Vergleich zu stationärem Gang erfordert der Prozess der Ausführung von GT eine höhere Kontrolle der Haltungsstabilität und komplexe Integration und Zusammenarbeit des neuromuskulären Systems4. Während GT muss der Körper den Bremsimpuls schnell erhöhen und den Antriebsimpuls verringern, um eine neue Körperbalance5,6zu bilden. Ungeplante Gangbeendigung (UGT) ist eine Stressreaktion auf einen unbekannten Stimulus6. Wenn man mit einem unerwarteten Stimulus konfrontiert wird, der erfordert, dass man plötzlich aufhört, wird das anfängliche dynamische Gleichgewicht gestört. Aufgrund der Notwendigkeit der kontinuierlichen Kontrolle des körpereigenen Massenzentrums (COM) und der Rückkopplungssteuerung stellt UGT eine größere Herausforderung für die Haltungskontrolle und Stabilität3,7dar.
UGT ist berichtet, dass ein wichtiger Faktor, der zu Stürzen und Verletzungen, vor allem bei älteren Menschen und Patienten mit Gleichgewichtsstörungen3,8. Schnellere Gehgeschwindigkeiten können zu einem zusätzlichen Rückgang der Motorsteuerung während UGT9führen. Ridge et al.10 untersuchten die Spitzengelenkwinkel und internen Gelenkmomentdaten von Kindern während der UGT bei normaler Gehgeschwindigkeit (NWS) und schneller Gehgeschwindigkeit (FWS). Die Ergebnisse zeigten größere Knieflexionswinkel und Verlängerungsmomente bei höheren Geschwindigkeiten im Vergleich zur bevorzugten Geschwindigkeit. Sie wiesen darauf hin, dass die Stärkung der verwandten Muskeln um die unteren Extremitätsgelenke könnte ein nützlicher Eingriff zur Verletzungsprävention während UGT sein.
Obwohl die Wirkung der Gehgeschwindigkeit auf den biomechanischen Charakter der unteren Gliedmaßen während des stationären Ganges ausgiebig untersucht wurde11,12,13, ist der biomechanische Mechanismus von UGT unter verschiedenen Gehgeschwindigkeiten begrenzt. Unserer Kenntnis nach haben nur drei Studien die UGT-Leistungen gesunder Personen in Bezug auf Geschwindigkeitseffekte9,10,14spezifisch bewertet. Probanden in diesen Studien waren jedoch hauptsächlich die älteren14 und Kinder10, der biomechanische Mechanismus junger Erwachsener während der UGT ist noch unklar. Die Kinematik der unteren Gliedmaßen und der Plantardruck können eine präzise Analyse der Bewegungsbiomechanik liefern, und diese gelten auch als entscheidende Komponenten für klinische Gangdiagnosen15,16. Zum Beispiel, Serrao et al.17 verwendet untere Gliedmaßen kinematischen Daten, um die klinischen Unterschiede zwischen Patienten mit Kleinhirn-Ataxie und gesunden Gegenstücken während plötzlichen Anhaltens zu erkennen. Außerdem konnten im Vergleich zur geplanten Gangbeendigung (PGT) ein größerer Spitzendruck und größere Kraft im lateralen Metatarsal während der UGT beobachtet werden7, die mit höheren Verletzungsrisiken verbunden sein können.
Daher könnte die Erforschung der biomechanischen Mechanismen von UGT Erkenntnisse für die Verletzungsprävention und weitere klinische Forschungen liefern. Diese Studie stellt ein Protokoll zur Untersuchung biomechanischer Veränderungen bei jungen Erwachsenen während der UGT unter unterschiedlichen Gehgeschwindigkeiten vor. Es wird vermutet, dass die Teilnehmer bei einer Erhöhung der Gehgeschwindigkeit während der UGT unterschiedliche biomechanische Eigenschaften der unteren Gliedmaßen aufweisen würden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die meisten früheren Studien, die Gangbiomechanik während ugT analysieren, lassen die Bedeutung der Gehgeschwindigkeit in ihrer biomechanischen Bewertung aus. So untersuchte diese Studie die biomechanischen Veränderungen der unteren Gliedmaßen, die in UGT bei NWS und FWS auftreten, mit dem Ziel, die geschwindigkeitsbedingten Effekte aufzudecken.
Erhebliche Unterschiede wurden an der ROM der Hüfte, Knie, und Knöchelgelenke in der sagittalen Ebene während UGT bei NWS und FWS gefunden. Uns…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
NSFC-RSE Joint Project (81911530253), National Key R&D Program of China (2018YFF0300905) und 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).
