Биомеханические характеристики нижних конечностей, связанные с незапланированным прекращением походки при различных скоростях ходьбы
Summary
В этом исследовании сравнивались биомеханические характеристики нижних конечностей при незапланированном прекращении походки при разной скорости ходьбы. Кинематические и кинетические данные о нижних конечностьх пятнадцати субъектов с нормальной и быстрой скоростью ходьбы были собраны с помощью системы анализа движения и подошвенной платформы давления.
Abstract
Прекращение походки, вызванное неожиданным стимулом, является обычным явлением в повседневной жизни. Это исследование представляет собой протокол для исследования нижних конечностей биомеханических изменений, которые происходят во время незапланированного прекращения походки (UGT) при различных скоростях ходьбы. Пятнадцать мужчин-участников было предложено выполнить UGT на дорожке на нормальной скорости ходьбы (NWS) и быстрой скорости ходьбы (FWS), соответственно. Для сбора данных о кинематических и подошвенные давления были применены система анализа движения и платформа растительного давления. Парный T-тест был использован для изучения различий в кинематике нижних конечностей и данных о давлении растений между двумя скоростями ходьбы. Результаты показали больший диапазон движения в тазобедренном, коленных и голеностопных суставах в сагиттаальной плоскости, а также подошвенные давления в области стопы и пятки во время UGT на FWS по сравнению с NWS. С увеличением скорости ходьбы, субъекты выставлены различные нижние конечности биомеханические характеристики, которые показывают FWS, связанные с большими потенциальными рисками травмы.
Introduction
Человеческое передвижение считается чрезвычайно сложным процессом, который должен быть описан междисциплинарными методами1,2. Наиболее репрезентативным аспектом является анализ походки по биомеханическим подходам. Человеческая походка направлена на поддержание прогресса от посвящения к прекращению, и динамический баланс должен поддерживаться в движении положения. Хотя походка прекращения (GT) была широко изучена в качестве подзаготовки походки, он получил меньше внимания. Воробей иТирош 3 определили GT в своем обзоре как период управления двигателем, когда обе ноги перестают двигаться вперед или назад в зависимости от смещения и характеристик времени. По сравнению с устойчивой государственной походкой, процесс выполнения GT требует более высокого контроля за постуральной стабильностью и сложной интеграцией и сотрудничеством нервно-мышечной системы4. Во время GT, тело должно быстро увеличить тормозной импульс и уменьшить двигательный импульс, чтобы сформировать новый баланстела 5,6. Незапланированное прекращение походки (UGT) является стрессовой реакцией на неизвестный стимул6. При столкновении с неожиданным стимулом, который требует, чтобы остановить внезапно, первоначальный динамический баланс будет нарушен. Из-за необходимости постоянного контроля центра тела массы (COM) и контроля обратной связи, UGT представляет собой большую проблему для постуральногоконтроля и стабилности 3,7.
UGT, как сообщается, является важным фактором, ведущим к падениям и травмам, особенно у пожилых людей и пациентов снарушениями баланса 3,8. Более быстрая скорость ходьбы может привести к дополнительному снижению управления двигателем во время UGT9. Ridge et al.10 исследовали пиковый угол соединения и внутренние данные о совместном моменте детей во время UGT при нормальной скорости ходьбы (NWS) и скорости быстрой ходьбы (FWS). Результаты показали большие углы сгибания колена и моменты расширения на более высоких скоростях по сравнению с предпочтительной скоростью. Они указали, что укрепление связанных мышц, окружающих нижние конечности суставов может быть полезным вмешательством для предотвращения травм во время UGT.
Несмотря на то, что влияние скорости ходьбы на биомеханический характер нижних конечностей во время походкис устойчивым состоянием было тщательно изучено 11,12,13,биомеханический механизм UGT при различных скоростях ходьбы ограничен. К нашим знаниям, только три исследования специально оценили показатели UGT здоровых людей по отношению кэффектам скорости 9,10,14. Тем не менее, предметы в этих исследованиях были восновном пожилые 14 и дети 10, биомеханический механизм молодых людей во время UGT до сих пор неясно. Нижней конечности кинематики и подошвеного давления может обеспечить точный анализ локомотив биомеханики, и они также считаются важнейшими компонентами для клиническихдиагнозов походки 15,16. Например, Serrao et al.17 использовали кинематические данные нижних конечностей для выявления клинических различий между пациентами с мозжечковой атаксией и здоровыми коллегами во время внезапной остановки. Кроме того, по сравнению с запланированным прекращением походки (PGT), более высокое пиковое давление и сила в боковой плюсневой во время UGTможно наблюдать 7, которые могут быть связаны с более высоким риском травмы.
Таким образом, изучение биомеханических механизмов UGT может обеспечить понимание для профилактики травм и дальнейших клинических исследований. Это исследование представляет собой протокол для изучения любых биомеханических изменений у молодых людей во время UGT под различными скоростями ходьбы. Предполагается, что с увеличением скорости ходьбы, участники будут проявлять различные ниже конечности биомеханических характеристик во время UGT.
Protocol
Representative Results
Discussion
Большинство предыдущих исследований, которые анализируют походку биомеханики во время UGT опустить важность скорости ходьбы в их биомеханической оценки. Таким образом, это исследование исследовало биомеханические изменения нижних конечностей, которые происходят в UGT на NWS и FWS с целью ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Совместный проект NSFC-RSE (81911530253), Национальная ключевая программа НИОКР Китая (2018YFF0300905) и Фонд К.C Вонг Магна в Университете Нинбо.
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).
