Биомеханические характеристики нижних конечностей, связанные с незапланированным прекращением походки при различных скоростях ходьбы

Резюме

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.

Аннотация

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.

Введение

Человеческое передвижение считается чрезвычайно сложным процессом, который должен быть описан междисциплинарными методами^1,2. 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 и^{Тирош 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 системы^4. Во время GT, тело должно быстро увеличить тормозной импульс и уменьшить двигательный импульс, чтобы сформировать новый баланс^{тела 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 постурального^{контроля и стабилности 3,7}.

UGT, как сообщается, является важным фактором, ведущим к падениям и травмам, особенно у пожилых людей и пациентов с^{нарушениями баланса 3,8}. Более быстрая скорость ходьбы может привести к дополнительному снижению управления двигателем во время UGT^9. 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 походки^{с 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 к^{эффектам скорости 9,10,14}. Тем не менее, предметы в этих исследованиях были в^{основном 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 клинических^{диагнозов 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 UGT^{можно 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.

протокол

Комитет по этике нинбойского университета одобрил этот эксперимент. Все письменное информированное согласие было получено от всех субъектов после того, как им рассказали о цели, требованиях и экспериментальных процедурах эксперимента UGT.

1. Лабораторная подготовка к походке

1. Кинематика: система захвата движения
   1. При калибровке системы выключите лампы накаливания и удалите все возможные отражающие объекты, которые могут быть ошибочно приняты за пассивные ретро-отражающие маркеры. Убедитесь, что восемь инфракрасных камер должным образом направлены и имеют четкое и разумное представление.
   2. Подключите соответствующий USB ключ в параллельный порт ПК. Включите инфракрасные камеры захвата движения и аналоговый цифровой преобразователь.
   3. Откройте программное обеспечение для отслеживания в ПК и дайте время для инициализации восьми инфракрасных камер. Выберите"Локайвнуюсистему" узел" Ресурсы" панели. Каждый узел камеры покажет зеленый свет, если аппаратное соединение верно.
   4. Отрегулируйте параметры системы в панели просмотра камеры: установите интенсивность Строба до 0,95 - 1, Порог до 0,2 - 0,4, Увеличение в разы 1 (x1), Режим Grayscale к Авто, Минимальное соотношение кругового значения до 0,5, и Макс Blob Высота до 50.
   5. Поместите T-рамку, состоящую из 5 маркеров, в центр области захвата движения. Выберите все камеры с помощью 2D-режима и подтвердите, что они могут просматривать калибровочные палочки (T-кадр) без каких-либо помех и / или артефактов. Нажмите наэлемент «Подготовкасистемы» в панели инструментов и выберите 5 маркеров Wand и T-Frame калибровки объекта из списка падения T-Frame.
   6. В панели«Инструмент»выберите кнопку«Подготовкасистемы» и нажмитекнопку«Пуск» в разделе«Калибруйтекамеры». Затем физически волны T-кадр в диапазоне захвата. Остановите действие, когда синие огни на инфракрасных камерах перестанут мигать. Мониторинг планки прогресса до тех пор, пока процесс калибровкине будет завершен на "100%" и возвращается к "0%".
      ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что значения ошибки изображения меньше 0,3.
   7. Положите Т-кадр на пол (центр области захвата движения) и убедитесь, что оси T-кадра соответствуют направленному направлению.
   8. Выберитекнопку «Старт»подразделом «Начало громкости»в панели инструментов.
2. Подошвеее давление: Давление платформы
   1. Поместите платформу давления 2 м в центр испытательной площадки. Обратите внимание на восемь инфракрасных камер, отображаемых вокруг платформы давления.
   2. Разделите платформу давления на четыре средние области, A, B, C и D (каждая область составляет 50 см и 50 см) линейным способом и отличите их этикеткой алфавита / наклейкой(рисунок 1).
   3. Подключайтесь к ПК и платформе давления с помощью собственного кабеля данных.
   4. Дважды щелкните значок программного обеспечения на рабочем столе.
   5. Нажмите на"Калибровкувеса" на экране калибровки и ввемите массу тела персонала. Попросите его или ее встать на платформу давления, ожидая, пока система завершит калибровку автоматически, прежде чем он / она может покинуть платформу давления.

Рисунок 1: Экспериментальный протокол. Если испытуемые получили сигнал прекращения, как пяткикоснулся области( A ), UGT был выполнен так, что объект остановился в области (B). Кинешемские и подошвенно-плантологические данные о давлении были собраны синхронно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

2. Подготовка участников

1. Перед тестом UGT, интервью всех субъектов и предоставить им простое объяснение экспериментальных целей и процедур. Получение письменного информированного согласия от субъектов, которые отвечают ключевым критериям включения.
   1. Включите участников, которые физически активны взрослых мужчин, имеют правую ногу в качестве доминирующей, не имеют каких-либо слуховых расстройств, не имеют нижней конечности расстройств, и не понесли травм в течение последних шести месяцев.
      ПРИМЕЧАНИЕ: 15 мужчин (возраст: 24,1 ± 0,8 года; рост: 175,7 ± 2,8 см; вес тела: 68,3 ± 3,3 кг; длина ног: 252,7 ± 2,1 мм), которые выполнили экспериментальные условия были включены в этот тест.
2. Разрешить всем предметам заполнить анкетирование.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Вопросы включают в себя: Были ли у вас истории бега или других физических нагрузок? Как часто вы делаете физические упражнения в неделю? Есть ли у вас профессиональная спортивная подготовка? Вы страдали какие-либо ниже конечности расстройств и травм в течение последних шести месяцев?
3. Убедитесь, что все предметы носят одинаковые футболки и облегающие брюки.
4. Измерьте высоту (мм) и вес тела (кг), нижнюю длину конечности (мм), ширину колена (мм) и ширину лодыжки (мм) как левой, так и правой ноги с помощью калипера Vernier или небольшого антропометра.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Измерьте нижнюю длину конечности от верхнего подвиха позвоночника до медиального кондыла лодыжки; ширина колена от боковой до медиальной конды колена; ширина лодыжки от боковой до медиальной лодыжки condyle.
5. Бритье от волос на теле по мере необходимости и удалить избыток пота с помощью спиртовых салфеток. Подготовка области кожи анатомических костлявые ориентиры для размещения маркеров на суставах и сегментах.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Это исследование использовало 16 светоотражающих^{маркеров 18}, в том числе передний-высший подвих позвоночника (LASI/RASI), задний-высший подвих позвоночника (LPSI/RPSI), боковой середине бедра (LTHI/RTHI), боковое колено (3LKNE/RKNE), боковой средний хвостовик (LTIB/RTIB), боковой malleolus (LANK/RANK), вторая плюсневая головка (LTOE/RTOE) и calcaneus (LHEE/RHEE) (Рисунок 2).
6. Определите 16 анатомических ориентиров. На ориентирах прикрепляем пассивные ретро-отражающие маркеры с двусторонними клеевыми лентами.
7. Дайте каждому предмету 5 минут, чтобы приспособиться к тестовой среде и разогреться при легком беге и растяжении.

Рисунок 2: Светоотражающие маркеры, прикрепленные к нижним конечностям. (A) сторона, (B) спереди и (C) сзади. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

3. Статическая калибровка

1. Кинематика: система захвата движения
   1. В программном обеспечении для отслеживания найдите«Новую базу данных»в панели инструментов для создания базы данных. Нажмитекнопку «Управлениеданными», чтобы открыть«Управлениеданными» инажмитекнопку «Новая классификация пациентов»,«Новый пациент»и «Новая сессия». Вернитесь к«ОкнуРесурсов», выберите кнопку«Создайтеновый объект» для создания объекта и введите значения высоты (мм), массы тела (кг), длины ноги (мм), ширины колена (мм) и ширины лодыжки (мм) в панели«Свойства».
   2. Нажмитекнопку «Go Live»,а затемщелкните напанели «СплитГоризонтально»в «Взгляде». Затем выберите график для просмотра графа траектории.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Проверьте«3D-перспективу»,чтобы убедиться, что все 16 маркеров видны.
   3. Попросите испытуемых стоять на месте в разделе A. Click "Start" в разделе захвата объектов для захвата статической модели. Около 200 кадров изображений были сняты перед нажатиемкнопки «Стоп».
   4. В«Инструменты»найдите кнопку«Трубопровод»и нажмите на кнопку«Запустите реконструированный трубопровод»,чтобы построить новое 3D-изображение всех захваченных маркеров. Определите в списке маркеров и вручную нанесите соответствующие метки на маркеры. Сохранить и нажмите "ESC" ключ к выходу.
   5. Выберите«Предметнаяподготовка» и«Темакалибровки» в панели инструментов и выберите опцию «Статическая подключаемая походка» в меню высадки.
   6. Выберите«Левую ногу»и«Правуюногу» впанели «Статическиенастройки» и нажмите кнопку«Старт». Затем сохраните статическую модель.
2. Подошвеее давление: Давление платформы
   1. В программном обеспечении щелкните«Базаданных», чтобы добавить нового пациента. И введите назначенный номер предмета впанели"Добавить пациента". Затем нажмите кнопку"Добавить".
   2. Нажмите "Динамический" и введите вес тела и размер обуви. Затем нажмите кнопку"Хорошо".

4. Динамические испытания

1. Попросите субъекта быть в исходной позиции.
2. Операции программного обеспечения
   ПРИМЕЧАНИЕ: Два вида программного обеспечения начинаются (Система захвата движения: нажмитекнопку «Захват»; Платформа давления: нажмитекнопку «Захват»и конец (Система захвата движения: нажмитекнопку«Стоп»; Платформа давления: нажмитекнопку "Сохранитьизмерение", одновременно.
   1. Кинематика: система захвата движения
      1. Выберитекнопку «Go Live»в панели«Ресурсы»и нажмитекнопку « Capture»в правой панели инструментов. Найдите"Пробныйтип" и"Сессия"сверху вниз и отредактировать описание "Испытание".
      2. Попросите испытуемых выполнить тест UGT, описанный в 4.3.
      3. После окончания теста UGT нажмите кнопку«Стоп»,чтобы закончить пробную версию по сбору данных. Повторите вышеуказанные шаги в течение 5 раз.
   2. Подошвеее давление: Давление платформы
      1. Выберитекнопку «Мера»перед началом испытаний UGT.
      2. После завершения теста UGT нажмите кнопку«Сохранить измерение»,чтобы сохранить данные. Повторите вышеуказанные шаги в течение 5 раз.
3. Испытания UGT
   1. Попросите испытуемых пройти по дорожке в их NWS и поручить им использовать доминирующую ногу и не доминирующей ногой, чтобы пройти области А и В, соответственно, и, наконец, остановиться в области D на платформе давления.
   2. Сообщите субъекту, когда будет предоставлен сигнал о прекращении, он должен быстро остановиться в зоне B.
   3. Случайно обеспечить прекращение сигнала, как пятка касается области А, убедитесь, что UGT выполняется и предметы быстро остановиться на области B (Рисунок 1). Персонал посылает сигнал о прекращении, случайно позвонив в красный колокол, и вероятность звонка контролировалась примерно на 20%. Захват по крайней мере пять последовательных испытаний UGT.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Существует 2-минутный интервал отдыха между обоими испытаниями.
   4. Рассчитайте скорость ходьбы каждого субъекта с помощью программного обеспечения платформы давления. Затем рассчитайте FWS как 125% NWS.
   5. Повторите вышеуказанный тест UGT для FWS. Захват по крайней мере 5 последовательных испытаний UGT с использованием протокола FWS.

5. После обработки

1. Кинематика: система захвата движения
   1. Найдитекнопку «Управлениеданными» в панели инструментов и дважды нажмите на пробную версию впанели «Управлениеданными». Затем выберите"Реконструкция"и"Label",чтобы реконструировать 3D динамическую модель.
   2. На баре«Время»перемести синие треугольники, чтобы установить необходимый диапазон времени (для фазы позиции во время UGT).
   3. Нажмите набар "Время". Затемщелкните «Увеличить до региона интереса»вменю «Контекст».
   4. Нажмите кнопку"Label",чтобы определить и проверить точки этикетки. Убедитесь, что шаги такие же, как и процесс статической идентификации.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Заполните некоторые неполные маркеры идентификации и удалить неоцененые маркеры (при необходимости).
   5. Выберите«Динамическую подключаемуюгайту» впанели «Темакалибровки». Затем нажмите кнопку«Пуск»,чтобы запустить данные. Экспортные динамические испытания в формате .csv" для следующего анализа данных.
   6. Используйте фильтр с низким проходом четвертого порядка Butterworth с отрезанной частотой 10 Гц и экспортируют данные под углом сустава.
   7. Рассчитайте диапазон движения (ROM) из трех суставов (бедра, колена и лодыжки) в сагиттаальной плоскости.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Определите различия между максимальными углами и минимальными углами бедра, колена и лодыжки на sagittal плоскостях движения, как ROMs.
   8. Рассчитать средства (M) и стандартные отклонения (SD) из десяти испытаний (5 для NWS и 5 для FWS) от каждого предмета.
2. Подошвеее давление: Давление платформы
   1. Выберите пробное название изменю «Измерения»соответствующих предметов. Нажмите кнопку"Динамический",чтобы открыть данные.
   2. Нажмите наподборку"Руководство". Используйтекнопку «Леваямышь», чтобы выбрать шаг интереса (фаза позиции во время GT). Нажмите кнопку"OK",чтобы сохранить.
   3. Нажмите на"Зона Отдел"и "Ручной выбор зоны", чтобы сделать корректировки. Затем нажмите кнопку"Принять",чтобы сохранить.
   4. Откройте экран"Давление-Силы"и нажмитекнопку "Граф Композиция",чтобы открыть окно"Зона ГрафКомпозиция". Разделите 10 анатомических областей, включая Большой ног (BT), Другие ноги (OT), Первый Плюс (M1), Второй Плюсы (M2), Третий Плюс (M3), Четвертый Плюс (M4), Пятый Плюс (M5), Средний Фут (MF), Медиальная пятка (MH) и Боковой пятки (LH). Затем нажмите кнопку"OK",чтобы сохранить.
   5. Нажмите"Параметр Таблица"для экспорта данных о давлении растений, включая максимальное давление, максимальную силу и зону контакта.
   6. Рассчитайте средства и SD для 10 испытаний (5 для NWS и 5 для FWS) от каждого предмета.

6. Статистический анализ

1. Выполните тесты Шапиро-Уилкс, чтобы проверить нормальное распределение по всем переменным. Используйте парные T-тесты для сравнения кинематики нижних конечностей и данных о давлении растений во время UGT на NWS и FWS. Установите уровень значимости на уровне p lt; 0.05.

Результаты

Средние значения NWS и FWS по 15 предметам были 1,33 ± 0,07 м/с и 1,62 ± 0,11 м/с соответственно.

Рисунок 3 показывает средний ROM тазобедренного, коленного и голеностопного суставов в сагиттаальной плоскости во время UGT на NWS и FWS. По сравнению с NWS, ПЗУ из трех суставов зна?...

Обсуждение

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 ?...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
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	-