Phản ứng của các khớp chi dưới đối với sự xáo trộn vùng chậu trong khi đi bộ của con người

Scientific Reports - Tập 8 Số 1
Mark Vlutters1, Edwin H. F. van Asseldonk1, Herman van der Kooij1
1Department of Biomechanical Engineering, University of Twente, Enschede, The Netherlands

Tóm tắt

Tóm tắtCác khớp chân của con người đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát sự cân bằng trong quá trình đi bộ. Chúng hỗ trợ sự chuyển động của chân và điều chỉnh các lực phản ứng từ mặt đất để ngăn ngừa té ngã. Mục tiêu của nghiên cứu này là cung cấp và khám phá dữ liệu về việc đi bộ của con người bị perturbation nhằm hiểu rõ hơn về khả năng phục hồi cân bằng trong quá trình đi bộ thông qua điều khiển ở mức độ khớp. Các đối tượng đi bộ khỏe mạnh ngẫu nhiên nhận được sự xáo trộn vùng chậu theo chiều trước-sau và bên-cuối ngay khoảnh khắc rời chân khỏi mặt đất. Công cụ mô hình hóa mã nguồn mở OpenSim đã được sử dụng để thực hiện phân tích động lực học ngược và động học ngược. Chúng tôi nhận thấy sự tham gia của khớp háng trong việc tăng tốc và sau đó dừng chuyển động của chân, gợi ý việc chuẩn bị chủ động cho việc đặt chân. Ngoài ra, các phản ứng ở khớp mắt cá chân và khớp háng của chân đứng cũng đóng góp vào khả năng phục hồi cân bằng bằng cách giảm tốc độ của cơ thể theo hướng bị perturbation. Sự điều chỉnh cũng xảy ra trong mặt phẳng vuông góc với hướng bị perturbation, nhằm bảo vệ sự cân bằng ở cả hai mặt phẳng. Cuối cùng, hoạt động cơ bắp được ghi lại gợi ý rằng cả hai yếu tố do tủy sống và trên tủy sống trung gian đều đóng góp vào khả năng phục hồi cân bằng, phụ thuộc vào độ lớn và hướng của sự xáo trộn. Dữ liệu được trình bày cung cấp cái nhìn độc đáo và đa khớp về sự phức tạp của việc kiểm soát cân bằng trong mặt phẳng trục trước và mặt phẳng trục đứng trong quá trình đi bộ của con người từ góc độ góc khớp, mô-men và công suất, cũng như các phản ứng EMG của cơ bắp.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Hof, A. L., Vermerris, S. M. & Gjaltema, W. A. Balance responses to lateral perturbations in human treadmill walking. Journal of Experimental Biology 213, 2655–2664 (2010).

Vlutters, M., van Asseldonk, E. H. F. & van der Kooij, H. Center of mass velocity-based predictions in balance recovery following pelvis perturbations during human walking. Journal of Experimental Biology 219, 1514–1523, https://doi.org/10.1242/jeb.129338 (2016).

Engelhart, D., Schouten, A. C., Aarts, R. G. K. M. & Kooij, Hvd Assessment of Multi-Joint Coordination and Adaptation in Standing Balance: A Novel Device and System Identification Technique. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering 23, 973–982, https://doi.org/10.1109/TNSRE.2014.2372172 (2015).

Cordero, A. F., Koopman, H. & Van der Helm, F. Multiple-step strategies to recover from stumbling perturbations. Gait & posture 18, 47–59 (2003).

Eng, J. J., Winter, D. A. & Patla, A. E. Strategies for recovery from a trip in early and late swing during human walking. Experimental Brain Research 102, 339–349 (1994).

Vlutters, M., Van Asseldonk, E. H. F. & van der Kooij, H. Foot Placement Modulation Diminishes for Perturbations Near Foot Contact. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology 6, https://doi.org/10.3389/fbioe.2018.00048 (2018).

Potocanac, Z. et al. Fast online corrections of tripping responses. Experimental brain research 232, 3579–3590 (2014).

Todorov, E. & Jordan, M. I. Optimal feedback control as a theory of motor coordination. Nature neuroscience 5, 1226–1235 (2002).

MacKinnon, C. D. & Winter, D. A. Control of whole body balance in the frontal plane during human walking. Journal of Biomechanics 26, 633–644 (1993).

Patla, A. E. Strategies for dynamic stability during adaptive human locomotion. Engineering in Medicine and Biology Magazine, IEEE 22, 48–52 (2003).

Robinovitch, S. N. et al. Video capture of the circumstances of falls in elderly people residing in long-term care: an observational study. The Lancet 381, 47–54 (2013).

Mombaur, K., Truong, A. & Laumond, J. P. From human to humanoid locomotion-an inverse optimal control approach. Autonomous Robots 28, 369–383, https://doi.org/10.1007/s10514-009-9170-7 (2010).

Park, T. & Levine, S. In Robotics Science and Systems Workshop on Inverse Optimal Control and Robotic Learning from Demonstration.

Geyer, H. & Herr, H. A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics produces human walking dynamics and muscle activities. Neural Systems and Rehabilitation Engineering, IEEE Transactions on 18, 263–273 (2010).

Song, S. & Geyer, H. A neural circuitry that emphasizes spinal feedback generates diverse behaviours of human locomotion. The Journal of physiology 593, 3493–3511 (2015).

Rankin, B. L., Buffo, S. K. & Dean, J. C. A neuromechanical strategy for mediolateral foot placement in walking humans. Journal of Neurophysiology 112, 374–383 (2014).

Hoogkamer, W., Potocanac, Z. & Duysens, J. Quick foot placement adjustments during gait: direction matters. Experimental brain research 233, 3349–3357 (2015).

Maeda, R. S., O’Connor, S. M. & Donelan, J. M. & Marigold, D. S. Foot placement relies on state estimation during visually guided walking. Journal of Neurophysiology 117, 480–491, https://doi.org/10.1152/jn.00015.2016 (2017).

Winter, D. A. Human balance and posture control during standing and walking. Gait & Posture 3, 193–214 (1995).

Pijnappels, M., Bobbert, M. F. & van Dieën, J. H. How early reactions in the support limb contribute to balance recovery after tripping. Journal of biomechanics 38, 627–634 (2005).

Vlutters, M., van Asseldonk, E. H. F. & van der Kooij, H. Reduced center of pressure modulation elicits foot placement adjustments, but no additional trunk motion during anteroposterior-perturbed walking. Journal of Biomechanics, https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2017.12.021 (2018).

Hof, A. L. Scaling gait data to body size. Gait and Posture 4, 222–223 (1996).

Pinzone, O., Schwartz, M. H. & Baker, R. Comprehensive non-dimensional normalization of gait data. Gait & posture 44, 68–73 (2016).

Petersen, N., Christensen, L. O. D., Morita, H., Sinkjær, T. & Nielsen, J. Evidence that a transcortical pathway contributes to stretch reflexes in the tibialis anterior muscle in man. Journal of Physiology 512, 267–276, https://doi.org/10.1111/j.1469-7793.1998.267bf.x (1998).

Donelan, J. M., Kram, R. & Kuo, A. D. Mechanical and metabolic determinants of the preferred step width in human walking. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 268, 1985–1992 (2001).

Horak, F. B., Nashner, L. M. & Diener, H. C. Postural strategies associated with somatosensory and vestibular loss. Experimental Brain Research 82, 167–177, https://doi.org/10.1007/BF00230848 (1990).

Safavynia, S. A. & Ting, L. H. Long-latency muscle activity reflects continuous, delayed sensorimotor feedback of task-level and not joint-level error. Journal of neurophysiology 110, 1278–1290 (2013).

Adolph, K. E. et al. How do you learn to walk? Thousands of steps and dozens of falls per day. Psychological science 23, 1387–1394 (2012).

Allen, J. L. & Neptune, R. R. Three-dimensional modular control of human walking. Journal of Biomechanics 45, 2157–2163, https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2012.05.037 (2012).

Wisse, M. In Humanoid Robots, 2004 4th IEEE/RAS International Conference on. 113–132 (IEEE).

Wisse, M. & Schwab, A. L. Skateboards, bicycles, and three-dimensional biped walking machines: Velocity-dependent stability by means of lean-to-yaw coupling. International Journal of Robotics Research 24, 417–429, https://doi.org/10.1177/0278364905053803 (2005).

Hof, A. L. & Duysens, J. Responses of human hip abductor muscles to lateral balance perturbations during walking. Experimental Brain Research 230, 301–310 (2013).

Hof, A. L. The ‘extrapolated center of mass’ concept suggests a simple control of balance in walking. Human Movement Science 27, 112–125 (2008).

Grey, M. J., Nielsen, J. B., Mazzaro, N. & Sinkjær, T. Positive force feedback in human walking. The Journal of physiology 581, 99–105 (2007).

Af Klint, R., Nielsen, J. B., Sinkjaer, T. & Grey, M. J. Sudden drop in ground support produces force-related unload response in human overground walking. Journal of Neurophysiology 101, 1705–1712 (2009).

Song, S. & Geyer, H. Evaluation of a neuromechanical walking control model using disturbance experiments. Frontiers in computational neuroscience 11, 15 (2017).

Neuhaus, P. D. et al. In IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics.

Pratt, J. E., Krupp, B. T., Morse, C. J. & Collins, S. H. In Proceedings - IEEE International Conference on Robotics and Automation.3 edn 2430–2435.

Wang, S. et al. Design and Control of the MINDWALKER Exoskeleton. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering 23, 277–286, https://doi.org/10.1109/TNSRE.2014.2365697 (2015).

Lemus, D., van Frankenhuyzen, J. & Vallery, H. Design and evaluation of a balance assistance control moment gyroscope. Journal of Mechanisms and Robotics 9, https://doi.org/10.1115/1.4037255 (2017).

Kim, M. & Collins, S. H. Once-per-step control of ankle-foot prosthesis push-off work reduces effort associated with balance during walking. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation 12, https://doi.org/10.1186/s12984-015-0027-3 (2015).

van den Brand, R. et al. Restoring voluntary control of locomotion after paralyzing spinal cord injury. science 336, 1182–1185 (2012).

Dumas, R., Cheze, L. & Verriest, J.-P. Adjustments to McConville et al. and Young et al. body segment inertial parameters. Journal of biomechanics 40, 543–553 (2007).

Delp, S. L. et al. OpenSim: open-source software to create and analyze dynamic simulations of movement. Biomedical Engineering, IEEE Transactions on 54, 1940–1950 (2007).

Söderkvist, I. & Wedin, P.-Å. Determining the movements of the skeleton using well-configured markers. Journal of biomechanics 26, 1473–1477 (1993).

Zeni, J. Jr., Richards, J. & Higginson, J. Two simple methods for determining gait events during treadmill and overground walking using kinematic data. Gait & posture 27, 710–714 (2008).

Thông tin
Thông tin xuất bản

Scientific Reports

Tập 8 Số 1

Thông tin tác giả