NSFC-RSE共同プロジェクト(81911530253)、中国の国家キーR&Dプログラム(2018YFF0300905)、寧波大学のK.Cウォンマグナ基金。

寧波大学人間倫理委員会は、この実験を承認しました.UGT実験の目標、要件、実験手順について話された後、すべての書面によるインフォームド・コンセントがすべての被験者から得られました。
1. 歩行のための実験室の準備
<ol><li>キネマティクス: モーションキャプチャシステム<ol>
<li>システムをキャリブレーションする場合は、白熱灯を消し、受動的な反射マーカーと間違える可能性のある反射オブジェクトを取り除きます。8台の赤外線カメラが適切に狙われ、明確で合理的な視野を持っていることを確認します。</li>
		<li>PCのパラレルポートに適切なUSBドングルを差し込みます。モーションキャプチャ赤外線カメラとアナログデジタルコンバータのスイッチをオンにします。</li>
		<li>追跡ソフトウェアをPCで開き、8台の赤外線カメラが初期化される時間を取ります。[リソース] ペインの [ローカル システム] ノードを選択します。ハードウェア接続が真であれば、すべてのカメラノードに緑色のライトが表示されます。</li>
		<li>カメラビューペインでシステムパラメータを調整する:ストロボ強度を0.95 -1、しきい値を0.2-0.4、ゲインから時間1(x1)、グレースケールモードから自動、最小円度比を0.5に、最大ブロブ高さを50に設定します。</li>
		<li>5 つのマーカーからなる T フレームをモーション キャプチャ領域の中央に配置します。2Dモードを使用してすべてのカメラを選択し、干渉やアーティファクトなしでキャリブレーション杖(Tフレーム)を表示できることを確認します。ツールバーの 「システム準備」項目をクリックし、T フレーム ドロップダウン リストから 5マーカーの Wand & T-Frame キャリブレーション オブジェクトを選択します。</li>
		<li>[ツール] ウィンドウで、[システムの準備] ボタンをクリックし、[カメラの調整] セクションの [スタート] ボタンをクリックします。次に、キャプチャ範囲内のTフレームを物理的に振ります。赤外線カメラの青いライトが点滅しなくなったら、アクションを停止します。「100%」でキャリブレーションプロセスが完了し、0%に戻るまで、進行状況バーを監視します。 注: イメージ エラー の値が 0.3 未満であることを確認します。</li>
		<li>T フレームをフロア(モーション キャプチャ領域の中心)に配置し、T フレームの軸が方向方向と一致していることを確認します。</li>
		<li>ツール ウィンドウの [ボリュームの原点の設定] セクションの下にある [スタート] ボタンを選択します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>足底圧力:圧力プラットフォーム<ol>
<li>2 mの圧力プラットフォームをテスト領域の中央に置きます。圧力プラットフォームの周囲に 8 台の赤外線カメラが表示されていることに注目してください。</li>
		<li>圧力プラットフォームを4つの平均領域(A、B、C、D)に線形で分割し、アルファベットラベル/ステッカーで区別します(図1)。</li>
		<li>PCと圧力プラットフォームは、専用のデータケーブルを介して接続し続けます。</li>
		<li>デスクトップのソフトウェアアイコンをダブルクリックします。</li>
		<li>キャリブレーション画面の「重量調整」をクリックし、スタッフの体重を入力します。圧力プラットフォームを離れる前にシステムが自動的にキャリブレーションを完了するまで待って、圧力プラットフォームに立つよう依頼します。</li>
	</ol>
</li>
</ol><img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61558/61558fig01.jpg"> 図1:実験プロトコル被験者がヒールタッチ領域(A)として終了信号を受信した場合、UGTは被検体が領域(B)で停止するように実行された。キネマティックおよび足底圧力データを、同期的に収集した。 <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/61558/61558fig01large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
2. 参加者の準備
<ol><li>UGTテストの前に、すべての被験者にインタビューし、実験目標と手順についての簡単な説明を提供します。主要な包含基準を満たす対象者から書面によるインフォームド・コンセントを取得する。<ol>
<li>身体的に活動的な男性成人であり、右足を支配的にし、聴覚障害を持たない、下肢障害を持たない、過去6ヶ月間に怪我をしていない参加者を含む。 注:実験条件を満たした15人の男性被験者(年齢:24.1±0.8歳;身長:175.7±2.8cm;体重:68.3±3.3kg;足の長さ:252.7±2.1mm)がこの試験に含まれていた。</li>
	</ol>
</li>
	<li>アンケート調査ですべての被験者が記入できるようにします。 注:質問は次のとおりです: ランニングやその他の身体活動の歴史を持っていますか?1週間にどのくらいの頻度で身体活動をしますか?プロの運動トレーニングはありますか?過去6ヶ月間に下肢障害や怪我をしましたか?</li>
	<li>すべての被験者が同じTシャツとタイトフィットパンツを着用していることを確認します。</li>
	<li>ヴェルニエキャリパーまたは小さな人類計を使用して、被験者の立ち上がり高さ(mm)と体重(kg)、下肢の長さ(mm)、膝幅(mm)、および左右の脚の両方の足首幅(mm)を測定します。 注:上の腸骨脊椎から足首内側コンディレまでの下肢の長さを測定します。膝幅は外側から内側膝の顆まで。外側から内側の足首のコンディレまでの足首幅。</li>
	<li>適宜体毛を剃り、アルコール拭きで余分な汗を取り除きます。関節やセグメント上のマーカー配置のための解剖学的骨のランドマークの皮膚領域を準備します。 注:この研究では、前側優腸骨脊椎(LASI/RASI)、後方優腸骨脊椎(LPSI/RPSI)、横腿中大腿(LTHI/RTHI)、横膝(LK)を含む16個の反射マーカー18を使用しました。 ネ/RKNE)、横中間シャンク(LTIB/RTIB)、横型マリョルス(LANK/RANK)、第2中足頭(LTOE/RTOE)、カルカニュー(LHEE/RHEE)(図2)。</li>
	<li>16の解剖学的ランドマークを特定します。ランドマークには、受動のレトロ反射マーカーを両面粘着テープで取り付けます。</li>
	<li>各被験者に5分を与えてテスト環境に適応し、軽いランニングとストレッチでウォームアップします。</li>
</ol><img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61558/61558fig02.jpg"> 図2:下肢に付着した反射マーカー。(A)側、(B)前部および(C)後部。<a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/61558/61558fig02large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
3. 静的キャリブレーション
<ol><li>キネマティクス: モーションキャプチャシステム<ol>
<li>追跡ソフトウェアで、ツールバーの "新しいデータベース" を見つけて、データベースを構築します。[データ管理] をクリックして [データ管理] ウィンドウを開き、[新しい患者分類] ボタン、[新しい患者] ボタン、[新しいセッション] ボタンを順にクリックします。[リソース] ウィンドウに戻り、[新しい件名の作成] をクリックして件名を作成し、[高さ]、[体重 (kg)]、脚の長さ (mm)、膝の幅 (mm)、足首の幅 (mm) の値を [プロパティ]ウィンドウに入力します。</li>
		<li>[ライブに移動] をクリックし、[表示] ウィンドウの [左右に分割] をクリックします。次に、グラフを選択して、軌道数を表示します。 注 :[3D パースペクティブ] ペインをチェックして、16 個のマーカーがすべて表示されていることを確認します。</li>
		<li>サブジェクトに、静的モデルをキャプチャするには、サブジェクトキャプチャ セクションの [開始] をクリックして、領域 A に静止するように依頼します。[停止] ボタンをクリックする前に、約 200 フレームの画像がキャプチャされました。</li>
		<li>[ツール] ウィンドウで [パイプライン] ボタンを見つけ、[再構築パイプラインの実行] をクリックして、キャプチャしたすべてのマーカーの新しい 3D イメージを作成します。マーカーのリストで識別し、対応するラベルをマーカーに手動で適用します。保存して、ESCキーを押して終了します。</li>
		<li>ツールバーの [件名の準備] と [件名の調整] を選択し、ドロップダウン メニューの [静的プラグインの移動] オプションを選択します。</li>
		<li>[静的設定] ウィンドウで [左足] と [右足] を選択し、[スタート] ボタンをクリックします。次に、静的モデルを保存します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>足底圧力:圧力プラットフォーム<ol>
<li>ソフトウェアで[データベース]をクリックして、新しい患者を追加します。[患者の追加] ウィンドウに、割り当てられた件名番号を入力します。次に、[追加] をクリックします。</li>
		<li>「動的」をクリックし、体重と靴のサイズを入力します。次に、[OK] をクリックします。</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. 動的な試験
<ol><li>被験者に開始位置に移動するように依頼します。</li>
	<li>ソフトウェア操作 メモ:ソフトウェアの2種類の起動(モーションキャプチャシステム:[キャプチャ]ボタンをクリックします。圧力プラットフォーム: クリック "キャプチャボタン " と終了 (モーション キャプチャ システム: クリック "停止" ボタン;圧力プラットフォーム: 同時に「測定を保存」ボタンをクリックします。<ol>
<li>キネマティクス: モーションキャプチャシステム<ol>
<li>[リソース] ウィンドウの [ライブに移行] ボタンを選択し、右側のツールバーの [キャプチャ] をクリックします。"試用版" と "セッション" を上から下に検索し、"試用版" の説明を編集します。</li>
			<li>4.3 で説明されているように、被験者に UGT テストを実行するように依頼します。</li>
			<li>UGT テストが終了したら、"Stop"をクリックしてデータ収集の試用を終了します。上記の手順を 5 回繰り返します。</li>
		</ol>
</li>
		<li>足底圧力:圧力プラットフォーム<ol>
<li>UGT トライアルを開始する前に、[測定] ボタンを選択します。</li>
			<li>UGT テストが終了したら、[計測値の保存] ボタンをクリックしてデータを保存します。上記の手順を 5 回繰り返します。</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>UGTトライアル<ol>
<li>被験者にNWSの歩道を歩き、支配的な脚と非支配的な脚を使用してエリアAとBを通過させ、最後に圧力プラットフォームの領域Dで停止するように指示します。</li>
		<li>終了信号が提供されたら、エリアBで素早く停止する必要があることを被験者に知らせます。</li>
		<li>かかとがエリアAに触れるので、無作為に終了信号を提供し、UGTが実行され、被験者がエリアB(図1)で素早く停止することを確認する。スタッフは赤いベルをランダムに鳴らして終了信号を送信し、鳴る確率は約20%で制御されました。少なくとも 5 回の UGT 試行をキャプチャします。 注: 両方の試行の間に 2 分の休憩間隔があります。</li>
		<li>圧力プラットフォームソフトウェアを使用して、各被験者の歩行速度を計算します。次に、FWS を NWS の 125% として計算します。</li>
		<li>FWS に対して上記の UGT テストを繰り返します。FWS プロトコルを使用して、5 回以上の UGT 試行をキャプチャします。</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. 後処理
<ol><li>キネマティクス: モーションキャプチャシステム<ol>
<li>ツール バーの [データ管理] ボタンを見つけ、[データ管理] ウィンドウで試用版の名前をダブルクリックします。次に、3D 動的モデルを再構築するには、「再構築」と「ラベル」を選択します。</li>
		<li>[時間] バーで、青い三角形を移動して、必要な時間範囲を設定します (UGT 中のスタンス フェーズに対して)。</li>
		<li>[時刻] バーをクリックします。次に、[コンテキスト] メニューの [対象地域にズーム] をクリックします。</li>
		<li>ラベル ポイントを識別して確認するには、[ラベル] ボタンをクリックします。ステップが静的識別プロセスと同じであることを確認します。 注: 不完全な識別マーカーを入力し、ラベルのないマーカーを削除します(必要に応じて)。</li>
		<li>[件名の調整] ウィンドウで [動的プラグインの実行] を選択します。次に、[スタート] ボタンをクリックしてデータを実行します。次のデータ分析のために「.csv」形式で動的試行をエクスポートします。</li>
		<li>4次ローパスバターワースフィルタを使用し、周波数を10 Hzにカットし、ジョイント角度のデータをエクスポートします。</li>
		<li>矢状平面の3つの関節(股関節、膝、足首)の動きの範囲(ROM)を計算します。 注: 矢状運動面の腰、膝、足首の最大角度と最小角度の差を ROM として定義します。</li>
		<li>各被験者からの10回の試験(NWSの場合は5、FWSの場合は5)の平均(M)と標準偏差(SD)を計算します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>足底圧力:圧力プラットフォーム<ol>
<li>該当する対象の [測定] メニューから試用版名を選択します。[動的] ボタンをクリックしてデータを開きます。</li>
		<li>[手動]をクリックします。[マウスの左] ボタンを使用して、目的のステップ (GT 中のスタンス フェーズ) を選択します。[OK] ボタンをクリックして保存します。</li>
		<li>[ゾーン分割] と [手動ゾーンの選択] をクリックして調整します。次に、[同意する] ボタンをクリックして保存します。</li>
		<li>[圧力 - 力] 画面を開き、[ グラフコンポジション] ボタンをクリックして [ゾーン グラフコンポジション] ウィンドウを開きます。ビッグつま先(BT)、その他のつま先(OT)、第一中足骨(M1)、第2中足骨(M2)、第3中足骨(M4)、第5中足骨(M5)、中足(MF)、中足(MF)、内側かかと(MH)および横ヒール(LH)を含む10の解剖学的領域を分割する。次に、[OK] ボタンをクリックして保存します。</li>
		<li>「パラメータテーブル」をクリックして、最大圧力、最大力、接触面積を含む足底圧力データをエクスポートします。</li>
		<li>各被験者から 10 回の試行 (NWS の場合は 5、FWS の場合は 5 回) の平均と SD を計算します。</li>
	</ol>
</li>
</ol>6. 統計分析
<ol><li>シャピロ-ウィルクス検定を実行して、すべての変数の正規分布をチェックします。ペアリングサンプル T 検定を使用して、NWS および FWS で UGT の間に下肢運動学と足底圧データを比較します。有意水準を p < 0.05 に設定します。</li>
</ol>

<ol>
	<li>Cappozzo, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gait+analysis+methodology.">Gait analysis methodology.</a> Human Movement Science. 3 (1), 27-50 (1984).</li><li>Gao, Z., Mei, Q., Fekete, G., Baker, J., Gu, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Effect+of+Prolonged+Running+on+the+Symmetry+of+Biomechanical+Variables+of+the+Lower+Limb+Joints.">The Effect of Prolonged Running on the Symmetry of Biomechanical Variables of the Lower Limb Joints.</a> Symmetry. 12, 720 (2020).</li><li>Sparrow, W. A., Tirosh, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gait+termination:+a+review+of+experimental+methods+and+the+effects+of+ageing+and+gait+pathologies.">Gait termination: a review of experimental methods and the effects of ageing and gait pathologies.</a> Gait &amp; Posture. 22 (4), 362-371 (2005).</li><li>Conte, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Planned+Gait+Termination+in+Cerebellar+Ataxias.">Planned Gait Termination in Cerebellar Ataxias.</a> The Cerebellum. 11 (4), 896-904 (2012).</li><li>Bishop, M. 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(127), e55714 (2017).</li><li>Buddhadev, H. H., Barbee, C. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Redistribution+of+joint+moments+and+work+in+older+women+with+and+without+hallux+valgus+at+two+walking+speeds.">Redistribution of joint moments and work in older women with and without hallux valgus at two walking speeds.</a> Gait &amp; Posture. 77, 112-117 (2020).</li><li>Yu, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Morphology-Related+Foot+Function+Analysis:+Implications+for+Jumping+and+Running.">Morphology-Related Foot Function Analysis: Implications for Jumping and Running.</a> Applied Sciences. 9 (16), 3236 (2019).</li><li>Ridge, S. T., Henley, J., Manal, K., Miller, F., Richards, J. 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潜在的な利益相反は著者によって報告されなかった。

UGT中に歩行バイオメカニクスを分析するほとんどの以前の研究は、生体力学的評価における歩行速度の重要性を省略しています。そこで本研究では、速度関連の効果を明らかにすることを目的として、NWSおよびFWSでUGTで起こる下肢バイオメカニカル変化を調査した。
NWSおよびFWSのUGT中に、矢状面の股関節、膝関節および足首関節のROMに有意な違いが見られた。我々の知?...

人間の移動は、学際的な方法1,2によって記述される必要がある非常に複雑なプロセスであると考えられている。最も代表的な側面は、生体力学的アプローチによる歩行分析です。人間の歩行は、開始から終了への進行を維持することを目的とし、動的バランスは位置の動きに維持されるべきです。歩行終了(GT)は歩行のサブタスクとして広範囲に研究されているが、あまり注目されていない。スパローとティロッシュ3は、両足が変位と時間特性に基づいて前後に動かなくなる運動制御期間としてGTを定義しました。安定状態の歩行と比較して、GTを実行するプロセスは、姿勢安定性の高い制御と神経筋系4の複雑な統合と協力を必要とする。GTの間に、体は急速にブレーキインパルスを増加し、新しいボディバランス5、6を形成するために推進インパルスを減少させる必要があります。計画外歩行終端(UGT)は、未知の刺激6に対するストレス応答である。突然停止する必要がある予期しない刺激に直面すると、最初の動的バランスが乱されます。体の質量の中心(COM)とフィードバック制御の連続制御の必要性のために、UGTは姿勢制御と安定度3、7に大きな挑戦を提起する。
UGTは、特に高齢者やバランス障害を有する患者3,8において、転倒や怪我につながる重要な要因であると報告されている。より速い歩行速度はUGT9の間にモーター制御の追加の低下につながるかもしれない。Ridge et al.10は、UGT中の子どものピーク関節角および内部関節モーメントデータを通常歩行速度(NWS)および高速歩行速度(FWS)で調べた。結果は、好ましい速度と比較して速い速度でより大きな膝の屈曲角度と延長モーメントを示した。彼らは、下肢関節を取り巻く関連する筋肉を強化することは、UGT中の傷害予防のための有用な介入であり得る可能性があることを示した。
定常性の足取り時の下肢生体力学的特性に対する歩行速度の効果は11、12、13に広く研究されているが、異なる歩行速度下でのUGTの生体機構機構は限られている。我々の知る限りでは、3つの研究だけが、速度効果9、10、14に関して健康な個人のUGTのパフォーマンスを具体的に評価している。しかしながら、これらの研究の対象は主に14歳及び10歳の高齢者であったが、UGT中の若年成人の生体力学的機構は依然として不明である。下肢運動学および足底圧は、移動性バイオメカニクスの正確な分析を提供することができ、これらはまた、臨床歩行診断15、16のための重要な成分であると考えられている。例えば、Serrao et al.17は、小脳運動失調症患者と突然の停止中の健康な患者との間の臨床的な違いを検出するために、下肢運動学的データを使用した。さらに、計画歩行終了(PGT)と比較して、UGT中の横中足骨の大きなピーク圧力および力は、より高い傷害リスクに関連する可能性のある7を観察することができた。
したがって、UGTの生体機械機構を探求することは、傷害予防およびさらなる臨床研究のための洞察を提供することができる。本研究は、UGT中の若年成人の生体力学的変化を異なる歩行速度で調べるプロトコルを提示する。歩行速度の増加に伴い、参加者はUGT中に異なる下肢生体力学的特性を示すと仮定されています。

<table><tbody><tr><td>14 mm Diameter Passive Retro-reflective Marker</td><td>Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK</td><td>n=16</td><td></td></tr><tr><td>Double Adhesive Tape</td><td>Minnesota Mining and Manufacturing Corporation, Minnesota, USA</td><td>For fixing markers to skin</td><td></td></tr><tr><td>Motion Tracking Cameras</td><td>Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK</td><td>n= 8</td><td></td></tr><tr><td>T-Frame</td><td>Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>Valid Dongle</td><td>Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK</td><td>Vicon Nexus 1.4.116</td><td></td></tr><tr><td>Vicon Datastation ADC&amp;nbsp;</td><td>Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>Pressure platform</td><td>RSscan International, Olen, Belgium</td><td>-</td><td></td></tr></tbody></table>

lower-limb biomechanical characteristics associated with unplanned gait termination under different walking speeds

予期せぬ刺激によって引き起こされる歩行終結は、日常生活の中で一般的に起こる。本研究は、異なる歩行速度の下で計画外の歩行終結(UGT)の間に起こる下肢の生体力学的変化を調査するためのプロトコルを提示する。15人の男性参加者は、それぞれ通常の歩行速度(NWS)と高速歩行速度(FWS)で歩道でUGTを実行するように求められました。運動解析システムと足底圧力プラットフォームを適用して、下肢運動学および足底圧データを収集しました。ペアサンプルT検定を使用して、下肢運動学と足底圧データの違いを調べ、2つの歩行速度間で検査を行った。結果は、NWSと比較すると、FWSでUGT中に前足およびかかと領域の足底圧と同様に、矢状平面の股関節、膝関節、足首関節の運動の広い範囲を示した。歩行速度の増加に伴い、被験者は、より大きな潜在的な傷害リスクに関連するFWSを示す異なる下肢バイオメカ学的特性を示した。

15人対象のNWSとFWSの平均値とSD値はそれぞれ1.33±0.07m/s、1.62±0.11m/sであった。
図3は、NWSおよびFWSでのUGT中の矢状面における股関節、膝関節、および足首関節の平均ROMを示す。NWSと比較すると、3つの関節のROMはFWS(p<0.05)で大幅に増加しました。詳細には、股関節、膝関節、足首関節のROMは、それぞれ22.26±3.03、29.72±5.14、24.92±4.17から25.98±2.94、31.61±4.34...

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Lower-Limb Biomechanical Characteristics Associated with Unplanned Gait Termination Under Different Walking Speeds

本研究では、異なる歩行速度での計画外歩行終了時の下肢の生体力学的特性を比較した。正常かつ速い歩行速度を有する15人の被験者からの下肢運動学的および運動学的データは、運動解析システムおよび足底圧力プラットフォームを用いて収集された。

異なる歩行速度の下で計画外の歩行終端に関連する下肢バイオメカニカル特性

Gait termination caused by unexpected stimulus is a common occurrence in everyday life. This study presents a protocol to investigate the lower-limb ...

lower-limb-biomechanical-characteristics-associated-with-unplanned

Universidad de Cartagena UDEC

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Anatomy and Physiology

Behavior

Unit 1

The Appendicular Skeleton

SCIENTISTS IN ACTION

4.4K ビュー.  Ningbo University. 本研究では、異なる歩行速度での計画外歩行終了時の下肢の生体力学的特性を比較した。正常かつ速い歩行速度を有する15人の被験者からの下肢運動学的および運動学的データは、運動解析システムおよび足底圧力プラットフォームを用いて収集された。

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Sit-to-stand-and-walk from 120% Knee Height: A Novel Approach to Assess Dynamic Postural Control Independent of Lead-limb

Individuals with sensorimotor pathology e.g., stroke have difficulty executing the common task of rising from sitting and initiating gait (sit-to-walk: STW). Thus, in clinical rehabilitation separation of sit-to-stand and gait initiation - termed sit-to-stand-and-walk (STSW) - is usual. However, a standardized STSW protocol with a clearly defined analytical approach suitable for pathological assessment has yet to be defined.
Hence, a goal-orientated protocol is defined that is suitable for healthy and compromised individuals by requiring the rising phase to be initiated from 120% knee height with a wide base of support independent of lead limb. Optical capture of three-dimensional (3D) segmental movement trajectories, and force platforms to yield two-dimensional (2D) center-of-pressure (COP) trajectories permit tracking of the horizontal distance between COP and whole-body-center-of-mass (BCOM), the decrease of which increases positional stability but is proposed to represent poor dynamic postural control.
BCOM-COP distance is expressed with and without normalization to subjects&#39; leg length. Whilst COP-BCOM distances vary through STSW, normalized data at the key movement events of seat-off and initial toe-off (TO1) during steps 1 and 2 have low intra and inter subject variability in 5 repeated trials performed by 10 young healthy individuals. Thus, comparing COP-BCOM distance at key events during performance of an STSW paradigm between patients with upper motor neuron injury, or other compromised patient groups, and normative data in young healthy individuals is a novel methodology for evaluation of dynamic postural stability.

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.

シットにスタンド・アンド・ウォーク120％の膝の高さから：鉛四肢の動的姿勢制御の独立性を評価するための新しいアプローチ

Individuals with sensorimotor pathology e.g., stroke have difficulty executing the common task of rising from sitting and initiating gait (sit-to-walk: ...

行動学

Using Gold-standard Gait Analysis Methods to Assess Experience Effects on Lower-limb Mechanics During Moderate High-heeled Jogging and Running

A limited number of studies have explored lower-limb biomechanics during high-heeled jogging and running, and most studies have failed to clarify the wearing experience of subjects. This protocol describes the differences in lower-limb kinematics and ground reaction force (GRF) between experienced wearers (EW) and inexperienced wearers (IEW) during moderate high-heeled jogging and running. A three-dimensional (3D) motion analysis system with a configured force platform was used to synchronously capture lower-limb joint movements and GRF. 36 young females volunteered to participate in this study and were asked about high-heeled shoe-wearing experience, including frequency, duration, heel types, and heel heights. Eleven who had the experience of 3 to 6 cm heels for a minimum of three days per week (6 h per day) for at least two years and eleven who wore high heels less than twice per month participated. Subjects performed jogging and running at comfortable low and high speeds, respectively, with the right foot completely stepping onto a force platform when passing by along a 10 m walkway. EW and IEW adopted different biomechanical adaptations while jogging and running. IEW exhibited a generally larger range of joint movement, while EW showed a dramatically larger loading rate of GRF during running. Hence, further studies on the lower-limb biomechanics of high-heeled gait should strictly control the wearing experience of the subjects.

This study investigated lower-limb kinematics and ground reaction force (GRF) during moderate high-heeled jogging and running. Subjects were divided into groups of experienced wearers and inexperienced wearers. A three-dimensional motion analysis system with a configured force platform captured lower-limb joint movements and GRF.

ハイヒール ジョギングや実行している穏健派の間に下肢力学エクスペリエンスへの影響を評価するゴールド スタンダード歩行解析手法を使用してください。

A limited number of studies have explored lower-limb biomechanics during high-heeled jogging and running, and most studies have failed to clarify the ...

Oscillation and Reaction Board Techniques for Estimating Inertial Properties of a Below-knee Prosthesis

The purpose of this study was two-fold: 1) demonstrate a technique that can be used to directly estimate the inertial properties of a below-knee prosthesis, and 2) contrast the effects of the proposed technique and that of using intact limb inertial properties on joint kinetic estimates during walking in unilateral, transtibial amputees. An oscillation and reaction board system was validated and shown to be reliable when measuring inertial properties of known geometrical solids. When direct measurements of inertial properties of the prosthesis were used in inverse dynamics modeling of the lower extremity compared with inertial estimates based on an intact shank and foot, joint kinetics at the hip and knee were significantly lower during the swing phase of walking. Differences in joint kinetics during stance, however, were smaller than those observed during swing. Therefore, researchers focusing on the swing phase of walking should consider the impact of prosthesis inertia property estimates on study outcomes. For stance, either one of the two inertial models investigated in our study would likely lead to similar outcomes with an inverse dynamics assessment.

Body segmental inertial properties are required for inverse dynamics modeling. Using an oscillation and reaction board technique, inertial properties of below-knee prostheses were measured. Using direct measures of prosthesis inertia in the inverse dynamics model of the prosthetic leg resulted in lower magnitudes of resultant joint forces and moments.

膝下プロテーゼの推定慣性特性に関する振動及び反応ボードテクニック

The purpose of this study was two-fold: 1) demonstrate a technique that can be used to directly estimate the inertial properties of a below-knee ...

生物工学

Clinical-oriented Three-dimensional Gait Analysis Method for Evaluating Gait Disorder

Three-dimensional gait analysis (3DGA) is shown to be a useful clinical tool for the evaluation of gait abnormality due to movement disorders. However, the use of 3DGA in actual clinics remains uncommon. Possible reasons could include the time-consuming measurement process and difficulties in understanding measurement results, which are often presented using a large number of graphs. Here we present a clinician-friendly 3DGA method developed to facilitate the clinical use of 3DGA. This method consists of simplified preparation and measurement processes that can be performed in a short time period in clinical settings and intuitive results presentation to facilitate clinicians&#39; understanding of results. The quick, simplified measurement procedure is achieved by the use of minimum markers and measurement of patients on a treadmill. To facilitate clinician understanding, results are presented in figures based on the clinicians&#39; perspective. A Lissajous overview picture (LOP), which shows the trajectories of all markers from a holistic viewpoint, is used to facilitate intuitive understanding of gait patterns. Abnormal gait pattern indices, which are based on clinicians&#39; perspectives in gait evaluation and standardized using the data of healthy subjects, are used to evaluate the extent of typical abnormal gait patterns in stroke patients. A graph depicting the analysis of the toe clearance strategy, which depicts how patients rely on normal and compensatory strategies to achieve toe clearance, is also presented. These methods could facilitate implementation of 3DGA in clinical settings and further encourage development of measurement strategies from the clinician&#39;s point of view.

In this study, a clinician-friendly three-dimensional gait analysis method, which was designed to be performed in the rehabilitation clinic, is presented. The method consists of a simplified measurement method and intuitive figures to facilitate clinicians&#39; understanding of the results.

歩行障害を評価するための臨床指向の三次元歩行解析

Three-dimensional gait analysis (3DGA) is shown to be a useful clinical tool for the evaluation of gait abnormality due to movement disorders. However, ...

Comparative Analysis of Lower Limb Kinematics between the Initial and Terminal  Phase  of 5km Treadmill Running

Running is beneficial for physical health, but it is also accompanied by many injuries. However, the main factors leading to running injury remain unexplained. This study investigated the effects of long running distance on lower-limb kinematic variables and the lower limb kinematic difference of between the initial (IR) and terminal phase (TR) of 5 km running was compared. Ten amateur runners ran on a treadmill at the speed of 10 km/h. Dynamic kinematic data was collected at the phase of IR (0.5 km) and TR (5 km), respectively. The peak angle, peak angular velocities, and range of motion were recorded in this experiment. The main results demonstrated the following: ankle eversion and knee abduction were increased at TR; ROMs of ankle and knee were increased in the frontal plane at TR than IR; a larger peak angular velocity of ankle dorsiflexion and hip interrotation were found in TR compared to IR. These changes during the long distance running may provide some specific details for exploring potential reasons of running injuries.

This study investigated the biomechanical characteristics of the lower extremity kinematic variables between the initial and terminal phase of 5 km treadmill running. The lower-limb kinematic data of 10 runners were collected using a three-dimensional motion capture system on a treadmill at the initial phase (0.5 km) and the terminal phase (5 km), respectively.

5kmトレッドミル走行初期期と末期相の下肢運動学の比較解析

Running is beneficial for physical health, but it is also accompanied by many injuries. However, the main factors leading to running injury remain ...

Lower Limb Biomechanical Analysis of Healthy Participants

Biomechanical analysis techniques are useful in the study of human movement. The aim of this study was to introduce a technique for the lower limb biomechanical assessment in healthy participants using commercially available systems. Separate protocols were introduced for the gait analysis and muscle strength testing systems. To ensure maximum accuracy for gait assessment, attention should be given to the marker placements and self-paced treadmill acclimatization time. Similarly, participant positioning, a practice trial, and verbal encouragement are three critical stages in muscle strength testing. The current evidence suggests that the methodology outlined in this article may be effective for the assessment of lower limb biomechanics.

This article introduces a comprehensive experimental methodology on two of the latest technologies available to measure the lower limb biomechanics of individuals.

健常参加者の下肢バイオメカニカル解析

Biomechanical analysis techniques are useful in the study of human movement. The aim of this study was to introduce a technique for the lower limb ...

医学

Influence of Step-Width Manipulation on Running Biomechanics

Step width is a critical factor influencing lower limb biomechanics during running, significantly affecting stability, performance, and injury risk. Understanding these effects is essential for optimizing running performance and minimizing injury risk. This study evaluated the effects of varying step widths on lower limb biomechanics at different running speeds. Thirteen healthy Chinese males (aged 20-24) participated in the study, running at speeds of 3.0 m/s and 3.7 m/s using six distinct step widths: the preferred step width and five variations (reductions of 13% and 6.5%, and increases of 6.5%, 13%, and 25%, based on leg length). Data were collected using a motion capture system and force plates and analyzed through repeated measures ANOVA and correlation tests. The results indicated that wider step widths significantly reduced peak knee abduction moments and hip adduction angles, whereas narrower step widths increased knee joint loading. These findings have important implications for clinicians and runners, suggesting that careful step width selection can help reduce injury risk and enhance running efficiency. This study contributes a new dataset that lays the foundation for future research into the relationship between step width and running biomechanics and serves as a reference for training and rehabilitation practices.

The present protocol outlines an experimental setup designed to investigate the influence of step width manipulation on running biomechanics using a motion capture system. The objective is to expand relevant datasets and examine the effects of varying step widths on the kinematic chain of the human lower limb.

ステップ幅マニピュレーションがランニングバイオメカニクスに及ぼす影響

Step width is a critical factor influencing lower limb biomechanics during running, significantly affecting stability, performance, and injury risk. ...

Comprehensive Understanding of Inactivity-Induced Gait Alteration in Rodents

It is well known that disuse affects neural systems and that joint motions become altered; however, which outcomes properly exhibit these characteristics is still unclear. The present study describes a motion analysis approach that utilizes three-dimensional (3D) reconstruction from video captures. Using this technology, disuse-evoked alterations of walking performances were observed in rodents exposed to a simulated microgravity environment by unloading their hindlimb by their tail. After 2 weeks of unloading, the rats walked on a treadmill, and their gait motions were captured with four charge-coupled device (CCD) cameras. 3D motion profiles were reconstructed and compared to those of control subjects using the image processing software. The reconstructed outcome measures successfully portrayed distinct aspects of distorted gait motion: hyperextension of the knee and ankle joints and higher position of the hip joints during the stance phase. Motion analysis is useful for several reasons. First, it enables quantitative behavioral evaluations instead of subjective observations (e.g., pass/fail in certain tasks). Second, multiple parameters can be extracted to fit specific needs once the fundamental datasets are obtained. Despite hurdles for broader application, the disadvantages of this method, including labor intensity and cost, may be alleviated by determining comprehensive measurements and experimental procedures.

The present protocol describes three-dimensional motion tracking/evaluation to depict gait motion alteration of rats after exposure to a simulated disuse environment.

げっ歯類における不活動誘発歩行変化の包括的理解

It is well known that disuse affects neural systems and that joint motions become altered; however, which outcomes properly exhibit these characteristics ...

神経科学

Postural Organization of Gait Initiation for Biomechanical Analysis Using Force Platform Recordings

Gait initiation (GI), the transient phase between orthograde posture and steady-state locomotion, is a functional task and an experimental paradigm that is classically used in the literature to obtain insight into the basic postural mechanisms underlying body motion and balance control. Investigating GI has also contributed to a better understanding of the physiopathology of postural disorders in elderly and neurological participants (e.g., patients with Parkinson&#39;s disease). As such, it is recognized to have important clinical implications, especially in terms of fall prevention.
This paper aims to provide scholars, clinicians, and higher education students information on the material and method developed to investigate GI postural organization via a biomechanical approach. The method is based on force platform recordings and the direct principle of mechanics to compute the kinematics of the center of gravity and center of pressure. The interaction between these two virtual points is a key element in this method since it determines the conditions of stability and whole-body progression. The protocol involves the participant initially standing immobile in an upright posture and starting to walk until the end of an at least 5 m track.
It is recommended to vary the GI velocity (slow, spontaneous, fast) and the level of temporal pressure - gait may be initiated as soon as possible after the deliverance of a departure signal (high level of temporal pressure) or when the participant feels ready (low level of temporal pressure). Biomechanical parameters obtained with this method (e.g., duration and amplitude of anticipatory postural adjustments, step length/width, performance, and stability) are defined, and their computation method is detailed. In addition, typical values obtained in healthy young adults are provided. Finally, critical steps, limitations, and significance of the method with respect to the alternative method (motion capture system) are discussed.

This paper describes the material and method developed to investigate the postural organization of gait initiation. The method is based on force platform recordings and on the direct principle of mechanics to compute center of gravity and center of pressure kinematics.

フォースプラットフォーム記録を用いた生体力学的解析のための歩行開始の姿勢構成

Gait initiation (GI), the transient phase between orthograde posture and steady-state locomotion, is a functional task and an experimental paradigm that ...

MouseWalkerを用いた脊髄損傷マウスの自発運動機能障害の定量化

Using the MouseWalker to Quantify Locomotor Dysfunction in a Mouse Model of Spinal Cord Injury

The execution of complex and highly coordinated motor programs, such as walking and running, is dependent on the rhythmic activation of spinal and supra-spinal circuits. After a thoracic spinal cord injury, communication with upstream circuits is impaired. This, in turn, leads to a loss of coordination, with limited recovery potential. Hence, to better evaluate the degree of recovery after the administration of drugs or therapies, there is a necessity for new, more detailed, and accurate tools to quantify gait, limb coordination, and other fine aspects of locomotor behavior in animal models of spinal cord injury. Several assays have been developed over the years to quantitatively assess free-walking behavior in rodents; however, they usually lack direct measurements related to stepping gait strategies, footprint patterns, and coordination. To address these shortcomings, an updated version of the MouseWalker, which combines a frustrated total internal reflection (fTIR) walkway with tracking and quantification software, is provided. This open-source system has been adapted to extract several graphical outputs and kinematic parameters, and a set of post-quantification tools can be to analyze the output data provided. This manuscript also demonstrates how this method, allied with already established behavioral tests, quantitatively describes locomotor deficits following spinal cord injury.

著者スポットライト:MouseWalkerを使用して脊髄損傷のマウスモデルにおける自発運動機能障害の定量化  

An experimental pipeline to quantitatively describe the locomotor pattern of freely walking mice using the MouseWalker (MW) toolbox is provided, ranging from initial video recordings and tracking to post-quantification analysis. A spinal cord contusion injury model in mice is employed to demonstrate the usefulness of the MW system.

異なる歩行速度の下で計画外の歩行終端に関連する下肢バイオメカニカル特性

要約

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シットにスタンド・アンド・ウォーク120％の膝の高さから：鉛四肢の動的姿勢制御の独立性を評価するための新しいアプローチ

ハイヒールジョギングや実行している穏健派の間に下肢力学エクスペリエンスへの影響を評価するゴールドスタンダード歩行解析手法を使用してください。

膝下プロテーゼの推定慣性特性に関する振動及び反応ボードテクニック

歩行障害を評価するための臨床指向の三次元歩行解析

5kmトレッドミル走行初期期と末期相の下肢運動学の比較解析

健常参加者の下肢バイオメカニカル解析

ステップ幅マニピュレーションがランニングバイオメカニクスに及ぼす影響

げっ歯類における不活動誘発歩行変化の包括的理解

フォースプラットフォーム記録を用いた生体力学的解析のための歩行開始の姿勢構成

MouseWalkerを用いた脊髄損傷マウスモデルにおける自発運動機能障害の定量化

異なる歩行速度の下で計画外の歩行終端に関連する下肢バイオメカニカル特性

要約

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シットにスタンド・アンド・ウォーク120％の膝の高さから：鉛四肢の動的姿勢制御の独立性を評価するための新しいアプローチ

ハイヒール ジョギングや実行している穏健派の間に下肢力学エクスペリエンスへの影響を評価するゴールド スタンダード歩行解析手法を使用してください。

膝下プロテーゼの推定慣性特性に関する振動及び反応ボードテクニック

歩行障害を評価するための臨床指向の三次元歩行解析

5kmトレッドミル走行初期期と末期相の下肢運動学の比較解析

健常参加者の下肢バイオメカニカル解析

ステップ幅マニピュレーションがランニングバイオメカニクスに及ぼす影響

げっ歯類における不活動誘発歩行変化の包括的理解

フォースプラットフォーム記録を用いた生体力学的解析のための歩行開始の姿勢構成

MouseWalkerを用いた脊髄損傷マウスモデルにおける自発運動機能障害の定量化

ハイヒールジョギングや実行している穏健派の間に下肢力学エクスペリエンスへの影響を評価するゴールドスタンダード歩行解析手法を使用してください。