نشریه‌ی علمی مهندسی پزشکی زیستی

شماره جاری

بر اساس شماره‌های نشریه

بر اساس نویسندگان

بر اساس موضوعات

نمایه نویسندگان

نمایه کلیدواژه ها

درباره نشریه

اهداف و چشم انداز

اعضای هیات تحریریه

اصول اخلاقی انتشار مقاله

بانک ها و نمایه نامه ها

پیوندهای مفید

پرسش‌های متداول

فرایند پذیرش مقالات

اخبار و اعلانات

تأثیر سرعت راه رفتن بر ویژگی‌های حرکت در طول یک گام

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی پزشکی، گروه مهندسی پزشکی، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه اصفهان، اصفهان

2 استادیار، گروه مهندسی پزشکی، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه اصفهان، اصفهان

3 دانشیار، آزمایشگاه کنترل حرکت و علوم اعصاب محاسباتی، قطب علمی پردازش هوشمند و کنترل، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، پردیس دانشکده‌های فنی، دانشگاه تهران، تهران

چکیده

راه رفتن از پرکاربردترین حرکات انسانی است؛ از این­رو مطالعة عوامل اثرگذار بر این حرکت، همواره مورد توجه بوده است. از آن جا که سرعت به‌عنوان یک اختلال فیزیکی بر ابعاد مختلف راه رفتن تاثیر می‌گذارد، هدف این مطالعه نیز بررسی و تحلیل اثر سرعت بر ویژگی‌های فیزیکی و فیزیولوژیکی است. این تحلیل بر مبنای پردازش اطلاعات به‌دست‌آمده از یک گام، قرار گرفته است. مطالعه روی 32 آزمودنی سالم با میانگین سنی 40/20 ± 56/27 سال، میانگین وزنی 59/20 ± 89/54 کیلوگرم و میانگین قدی 83/20 ± 19/158 سانتی­متر انجام شد، که %59 از آن‌ها زن بودند. اطلاعات سینتیکی، سینماتیکی و الکترومایوگرافی هر یک از آزمودنی­ها در پنج سرعت مختلف ثبت شده است. هدف اصلی، بررسی تأثیر سرعت بر جنبه­های مختلفی از سیستم کنترل حرکت، تعریف شده است. برای این منظور، اثر سرعت بر 46 ویژگی‌از اطلاعات زمانی- مکانی، سینرژی عضلانی، نرمی حرکت، شکل حرکات مفاصل و همبستگی بین جابه­جایی اندام­های تحتانی و هم­چنین همبستگی بین الگوی فعالیت الکتریکی عضلات بررسی شده است.در بین ویژگی­های معرفی‌شده در این مطالعه و نیز از مطالعات حوزة حرکت از ویژگی­های جدیدی نظیر سینرژی عضلانی، نرمی حرکت، همبستگی در اندام­های تحتانی و شکل حرکات تولیدی توسط مفاصل استفاده شد، که تا‌کنون در توصیف اثرگذاری سرعت بر راه رفتن افراد سالم استفاده نشده است؛ برای مثال، استفاده از مفهوم سینرژی نشان داد که سرعت­های بیشتر موجب افزایش انداذة فضای سینرژی می­شود. همین امر می­تواند به‌عنوان نشانه­ای از راهکار پیچیده­تری باشد که توسط سیستم اعصاب مرکزی، گرفته شده است تا در شرایط ناپایدار، که در سرعت­های بالا رخ می­دهد، در وضعیت مطلوبی باقی بماند. نتایج به‌دست‌آمده نشان می­دهد که سرعت، نقش مهمی در راه رفتن دارد. روش­های مورد بررسی در این مقاله را می­توان روی آزمودنی­های بیشتر و بیماران درگیر با نقص حرکتی نیز بررسی کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

The Effect of Speed on Motion Features During a Gait Cycle

نویسندگان [English]

  • Ghazaleh Soleimani 1
  • Mehran Emadi Andani 2
  • Hamid Reza Marateb 2
  • Fariba Bahrami 3

1 MS.c Student, Department of Biomedical Engineering, University of Isfahan, Isfahan, Iran

2 Assistant Professor, Department of Biomedical Engineering, University of Isfahan, Isfahan, Iran

3 Associate Professor, University of Tehran, College of Engineering, School of ECE, CIPCE, Human Motor Control and Computational Neuroscience laboratory, Tehran, Iran

چکیده [English]

Walking is one of the most widely used movements affecting life quality. Therefore, the study of factors affecting human gait has always been an important issue. Walking speed, as a physical perturbation, affects the quality of human walking. The purpose of this study is to estimate the effects of walking speed on the short-time gait parameters. Thirty-two healthy subjects(mean SD, age: 27.56 ± 20.4 years; body height: 158.19 ± 20.83 cm; body weight: 54.89 ± 20.59 kg;gender: 59% female)participated in this study.Kinetic, kinematic and electromyographic data were recorded at the following five walking speed categories: very slow, slow, medium, fast and very fast. The effect of speed on spatio-temporal parameters, muscle synergy space, walking smoothness, representation of joints displacement and the correlation between lower limb displacement and also correlation between muscles activation patterns were studied. Having being used physical perturbation, 46 predictors were extracted from one gait cycle information, some of which were proposed for the first time inthe literature for example size of muscle synergy, minimum angular jerk, lower limb contributions and skewness, kurtosis and curvature of joints movements . Using muscle synergies showed that increasing walking speed leads to increase the size of synergy space. It could be concluded that central nervous system tries to adopt more organaized strategy for recruiting muscles and remaining stable at fast speeds. Our results showed that, speed plays a crucial role in human gait characteristic. We can investigate our methods among more subjects and also patients with gait disorders. We can evaluate other indices like gait stability based on short-term data recording.

کلیدواژه‌ها [English]

  • gait
  • Speed
  • kinetic
  • Kinematic
  • Electromyographic
مراجع
[1]        T. M. Owings, and M. D. Grabiner, “Variability of step kinematics in young and older adults,” Gait & posture, vol. 20, no. 1, pp. 26-29, 2004.
[2]        G. Stoquart, C. Detrembleur, and T. Lejeune, “Effect of speed on kinematic, kinetic, electromyographic and energetic reference values during treadmill walking,” Neurophysiologie Clinique/Clinical Neurophysiology, vol. 38, no. 2, pp. 105-116, 2008.
[3]        J. B. Dingwell, J. P. Cusumano, D. Sternad, and P. Cavanagh, “Slower speeds in patients with diabetic neuropathy lead to improved local dynamic stability of continuous overground walking,” Journal of biomechanics, vol. 33, no. 10, pp. 1269-1277, 2000.
[4]        J. B. Dingwell, and L. C. Marin, “Kinematic variability and local dynamic stability of upper body motionswhen walking at different speeds,” Journal of biomechanics, vol. 39, no. 3, pp. 444-452, 2006.
[5]        S. A. England, and K. P. Granata, “The influence of gait speed on local dynamic stability of walking,” Gait & posture, vol. 25, no. 2, pp. 172-178, 2007.
[6]        J. L. Lelas, G. J. Merriman, P. O. Riley, and D. C. Kerrigan, “Predicting peak kinematic and kinetic parameters from gait speed,” Gait & posture, vol. 17, no. 2, pp. 106-112, 2003.
[7]        M. H. Schwartz, A. Rozumalski, and J. P. Trost, “The effect of walking speed on the gait of typically developing children,” Journal of biomechanics, vol. 41, no. 8, pp. 1639-1650, 2008.
[8]        G. S. Murley, H. B. Menz, and K. B. Landorf, “Electromyographic patterns of tibialis posterior and related muscles when walking at different speeds,” Gait & posture, vol. 39, no. 4, pp. 1080-1085, 2014.
[9]        A. Schmitz, A. Silder, B. Heiderscheit, J. Mahoney, and D. G. Thelen, “Differences in lower-extremity muscular activation during walking between healthy older and young adults,” Journal of Electromyography and Kinesiology, vol. 19, no. 6, pp. 1085-1091, 2009.
[10]       N. Stergiou, C. Moraiti, G. Giakas, S. Ristanis, and A. D. Georgoulis, “The effect of the walking speed on the stability of the anterior cruciate ligament deficient knee,” Clinical Biomechanics, vol. 19, no. 9, pp. 957-963, 2004.
[11]       H. G. Kang, and J. B. Dingwell, “Effects of walking speed, strength and range of motion on gait stability in healthy older adults,” Journal of biomechanics, vol. 41, no. 14, pp. 2899-2905, 2008.
[12]       L. Tang, F. Li, S. Cao, X. Zhang, D. Wu, and X. Chen, “Muscle synergy analysis in children with cerebral palsy,” Journal of neural engineering, vol. 12, no. 4, pp. 046017, 2015.
[13]       M. C. Tresch, and A. Jarc, “The case for and against muscle synergies,” Current opinion in neurobiology, vol. 19, no. 6, pp. 601-607, 2009.
[14]       F. Shibata Alnajjar, T. Wojtara, and S. Shimoda, “Muscle synergy space: learning model to create an optimal muscle synergy,” Frontiers in computational neuroscience, vol. 7, pp. 136, 2013.
[15]       S. A. Chvatal, and L. H. Ting, “Common muscle synergies for balance and walking,” Frontiers in computational neuroscience, vol. 7, pp. 48, 2013.
[16]       M. E. Andani, and F. Bahrami, “COMAP: A new computational interpretation of human movement planning level based on coordinated minimum angle jerk policies and six universal movement elements,” Human movement science, vol. 31, no. 5, pp. 1037-1055, 2012.
[17]       T. Flash, and N. Hogan, “The coordination of arm movements: an experimentally confirmed mathematical model,” The journal of Neuroscience, vol. 5, no. 7, pp. 1688-1703, 1985.
[18]       E. Nakano, H. Imamizu, R. Osu, Y. Uno, H. Gomi, T. Yoshioka, and M. Kawato, “Quantitative examinations of internal representations for arm trajectory planning: minimum commanded torque change model,” Journal of Neurophysiology, vol. 81, no. 5, pp. 2140-2155, 1999.
[19]       V. B. Brooks, The neural basis of motor control: Oxford University Press, 1986.
[20]       A. Hreljac, “Stride smoothness evaluation of runners andother athletes,” Gait & posture, vol. 11, no. 3, pp. 199-206, 2000.
[21]       D. A. Winter, Biomechanics and motor control of human gait: normal, elderly and pathological, 1991.
[22]       R. Grasso, L. Bianchi, and F. Lacquaniti, “Motor patterns for human gait: backward versus forward locomotion,” Journal of Neurophysiology, vol. 80, no. 4, pp. 1868-1885, 1998.
[23]       T. A. Wren, K. P. Do, S. A. Rethlefsen, and B. Healy, “Cross-correlation as a method for comparing dynamic electromyography signals during gait,” Journal of biomechanics, vol. 39, no. 14, pp. 2714-2718, 2006.
[24]       G. Bovi, M. Rabuffetti, P. Mazzoleni, and M. Ferrarin, “A multiple-task gait analysis approach: kinematic, kinetic and EMG reference data for healthy young and adult subjects,” Gait & posture,vol. 33, no. 1, pp. 6-13, 2011.
[25]       D. D. Lee, and H. S. Seung, “Learning the parts of objects by non-negative matrix factorization,” Nature, vol. 401, no. 6755, pp. 788-791, 1999.
[26]       E. Nelson-Wong, S. Howarth, D. A. Winter, and J. P. Callaghan, “Application of autocorrelation and cross-correlation analyses in human movement and rehabilitation research,” journal of orthopaedic & sports physical therapy, vol. 39, no. 4, pp. 287-295, 2009.
[27]       K. G. Holt, R. C. Wagenaar, M. E. LaFiandra, M. Kubo, andJ. P. Obusek, “Increased musculoskeletal stiffness during load carriage at increasing walking speeds maintains constant vertical excursion of the body center of mass,” Journal of biomechanics, vol. 36, no. 4, pp. 465-471, 2003.
[28]       S. M. Hsiang, and C. Chang, “The effect of gait speed and load carrying on the reliability of ground reaction forces,” Safety Science, vol. 40, no. 7, pp. 639-657, 2002.
[29]       K. Jordan, J. H. Challis, and K. M. Newell, “Walking speed influences on gait cycle variability,” Gait & posture, vol. 26, no. 1, pp. 128-134, 2007.
[30]       K. Jordan, J. H. Challis, and K. M. Newell, “Speed influences on the scaling behavior of gait cycle fluctuations during treadmill running,” Human movement science, vol. 26, no. 1, pp. 87-102, 2007.
[31]       H. G. Kang, and J. B. Dingwell, “Separating the effects of age and walking speed on gait variability,” Gait & posture, vol. 27, no. 4, pp. 572-577, 2008.
[32]       P. O. Riley, J. Franz, J. Dicharry, and D. C. Kerrigan, “Changes in hip joint muscle–tendon lengths with mode of locomotion,” Gait & posture, vol. 31, no. 2, pp. 279-283, 2010.
[33]       X. Xu, S. M. Hsiang, and G. A. Mirka, “The effects of a suspended-load backpack on gait,” Gait & posture, vol. 29, no. 1, pp. 151-153, 2009.
نشریه‌ی علمی مهندسی پزشکی زیستی
دوره 9، شماره 4
بهمن 1394
صفحه 361-374
فایل ها
سابقه مقاله
  • تاریخ دریافت: 21 شهریور 1395
  • تاریخ پذیرش: 28 اردیبهشت 1396
هم رسانی
ارجاع به این مقاله
آمار