Gangmerkmale von Kindern mit spastischer Zerebralparese während des Gehens auf einem geneigten Laufband in einer Virtual-Reality-Umgebung

Zusammenfassung

Ziel. Untersuchung der Gangeigenschaften bei Kindern mit spastischer Zerebralparese während des Gehens auf einem geneigten Laufband unter einer Virtual-Reality-Umgebung. Methoden. Zehn Kinder mit spastischer Zerebralparese (CP) und zehn Kinder mit typischer Entwicklung (TD) wurden gebeten, mit ihrer angenehmen Geschwindigkeit auf einem Laufband in Bodennähe und 10 ° geneigt zu gehen. Dreidimensionale kinematische Daten und Bodenreaktionskraftdaten wurden in einem computergestützten Rehabilitationsumgebungssystem erfasst. Kinetische Parameter und dynamische Gleichgewichtsparameter wurden unter Verwendung eines biomechanischen Standardansatzes berechnet. Suchergebnisse. Während des Bergaufgehens verringerten beide Gruppen die Gehgeschwindigkeit und die Schrittlänge und erhöhten die Neigung des Beckens, die Dorsalflexion des Knöchels und die Hüftflexion. Im Vergleich zu TD-Kindern hatten CP-Kinder eine verringerte Gehgeschwindigkeit und Schrittlänge, ein verringertes maximales Hüftabduktionsmoment, einen erhöhten Prozentsatz der Standphase, eine erhöhte maximale Knöchel-Dorsalflexion und Knieflexion sowie ein erhöhtes maximales Hüftstreckungsmoment. Der maximale Rumpfrotationswinkel, der Knöchelwinkel beim ersten Kontakt und die Schrittlänge zeigten einen signifikanten Interaktionseffekt. Rückschlüsse. CP-Kinder zeigten ähnliche Anpassungen für die meisten Gangparameter beim Bergaufgehen wie TD-Kinder. Mit einer niedrigeren Gehgeschwindigkeit könnten CP-Kinder ein ähnliches dynamisches Gleichgewicht aufrechterhalten wie TD-Kinder. Bergauf Gehen vergrößert die bestehenden abnormalen Gangmuster der Zerebralparese Kinder. Wir schlagen vor, dass während eines Laufbandtrainings mit einer Neigung die Gehgeschwindigkeit sorgfältig kontrolliert werden sollte, wenn die maximale Gelenkbelastung zu stark verbessert wird.

1. Einleitung

Zerebralparese (CP) ist eine neurologische Erkrankung, die auf Defekte oder Schäden des unreifen Gehirns zurückzuführen ist . Probleme, die durch CP verursacht werden, wie Muskelverspannungen, Schwäche oder Spastik, können die Entwicklung des Bewegungsapparates behindern und somit zu abnormalen Gangmustern führen .

Die Verbesserung der Gehfähigkeit ist eines der Hauptanliegen bei therapeutischen Interventionen für Kinder mit CP. Laufband walking wurde weit verbreitet in der rehabilitation von CP kinder zu bieten repetitive ausbildung der ganze gang zyklus. Eine systematische Literaturübersicht bewertete die Wirksamkeit des Laufbandtrainings für CP-Kinder . Die Überprüfung ergab, dass das Laufbandtraining eine sichere und praktikable Methode für ältere Kinder ist und die Gehgeschwindigkeit und die allgemeinen grobmotorischen Fähigkeiten verbessern kann. Willerslev-Olsen et al. untersuchte die Wirkung des geneigten Laufbandtrainings auf CP-Kinder. Ihre Studie legt nahe, dass ein intensives Gangtraining den beta- und Gamma-oszillatorischen Antrieb der Dorsalflexor-Motoneuronen des Knöchels erhöht und daher den Zehenlift und den Fersenschlag bei CP-Kindern verbessert.

Die biomechanischen Studien einschließlich Kinematik, Kinetik und dynamischer Gleichgewichtsanalyse sind hilfreich, um Einblicke in die neuronalen Kontrollstrategien zu erhalten, die abnormalen Gangmuster gründlich zu verstehen und wirksame therapeutische Interventionen für CP-Patienten zu entwerfen. Kinematik wird verwendet, um die Anomalien von Gangmustern zu quantifizieren . Die Kinetik liefert einen Hinweis auf die Ursachen der Ganganomalien und die zugrunde liegende Muskelfunktionspathologie . Gesunde Menschen können sich an das Bergaufgehen anpassen, indem sie die Dorsalflexion von Hüfte, Knie und Knöchel erhöhen und so eine aufrechte Haltung beibehalten . Diese Anpassung kann als gezieltes Training einer Muskelgruppe (Knöchel-Dorsalflexor, Kniestrecker und Hüftstrecker) verwendet werden. CP-Kinder können jedoch aufgrund einer gestörten Haltungskontrolle oder eines dynamischen Gleichgewichts Schwierigkeiten haben, sich an das geneigte Gehen anzupassen.

Biomechanische Studien sind für das geneigte Laufbandgangtraining an CP-Kindern begrenzt. Mehrere Studien untersuchten die biomechanischen Eigenschaften und Ganganpassungsstrategien von CP-Kindern für das Gehen auf einer geneigten Rampe oder einem Laufband . Diese Studien berichten, dass CP-Kinder sich an geneigtes Gehen mit ähnlichen Ganganpassungsstrategien wie die sich typischerweise entwickelnden (TD) Kinder anpassen, aber größere Haltungsanpassungen verwenden.

Nach unserem besten Wissen fehlt es an einem gründlichen Verständnis abnormaler Gangmuster für Kinder mit spastischer CP während des Gehens auf einem geneigten Laufband mit dreidimensionaler (3D) Ganganalyse einschließlich Kinematik, Kinetik und dynamischer Gleichgewichtsanalyse. In den meisten der oben genannten Studien werden nur kinematische Daten gemeldet . Durch den Einsatz von zweidimensionalen (2D) Bewegungskameras geht auch bei diesen Daten eine erhebliche Messgenauigkeit verloren.

Diese Studie zielt darauf ab, Ganganpassungsstrategien von CP-Kindern umfassend zu untersuchen Laufband und bergauf Laufband Gehen unter einer Virtual-Reality-Umgebung (eine Standardeinstellung für ein computergestütztes Rehabilitationsumgebungssystem (CAREN); Motekforce Link, Niederlande). Die Studie quantifizierte räumlich-zeitliche Parameter, 3D-Kinematik, 3D-Kinetik und dynamisches Gleichgewicht der CP-Kinder unter Verwendung modernster Motion-Capture-Techniken. Wir stellten die Hypothese auf, dass (1) CP-Kinder beim geneigten Gehen ähnliche Ganganpassungsstrategien wie ihre TD-Kollegen verwendeten und (2) die CP-Gruppe aufgrund einer beeinträchtigten Haltungskontrolle eine signifikant geringere Haltungsstabilität aufweisen würde.

2. Methoden

2.1. Studiendesign und Probanden

Zehn spastische CP-Kinder (Alter: Jahre alt; Größe : ; Gewicht: ) und zehn TD-Kinder (Alter: Jahre alt; Größe : ; Gewicht : ) wurden eingeschlossen. Die Merkmale der CP-Teilnehmer sind in Tabelle 1 dargestellt. Es gibt keine signifikanten Unterschiede in Alter (), Größe () oder Gewicht () zwischen den beiden Gruppen.

Die Einschlusskriterien für CP-Kinder lauten wie folgt: (1) mit diplegischer CP diagnostiziert, (2) 6-12 Jahre alt, (3) Rang I-II im Klassifizierungssystem für grobmotorische Funktionen (GFMCS), (4) in der Lage, Anweisungen zu verstehen und auszuführen, (5) unabhängige Wanderer ohne Hilfe für mehr als sechs Minuten und (6) ohne Botulinumtoxin in den unteren Extremitäten oder Operation in den vorangegangenen sechs Monaten. Die Ausschlusskriterien für CP- und TD-Kinder sind das Fehlen von (1) schweren Herz- und Lungenerkrankungen und (2) Störungen des Seh- oder Hörsystems. Die ethische Genehmigung wurde von der Ethikkommission des Sichuan Bayi Rehabilitationszentrums (Sichuan, China) eingeholt. Die Eltern der Kinder unterzeichneten die Einverständniserklärungen für die Teilnahme.

2.2. Instrumentierung

Dreidimensionale (3D) Gelenkkinematik und Bodenreaktionskraft (GRF) wurden unter Verwendung eines computergestützten Rehabilitationsumfelds (CAREN) gesammelt. Das CAREN-System ist ein immersives virtuelles Umgebungssystem, das aus einem 3D-Motion-Capture-System mit zwölf Hochgeschwindigkeits-Infrarotkameras (Vicon, Oxford Metrics, UK), einem Split-Belt-Force-Plate-Laufband (ADAL3DM-F-COP-Mz, Tecmachine, Frankreich) auf einer Bewegungsbasisplattform mit sechs Freiheitsgraden und einem zylindrischen Projektionssystem besteht. Ein Sicherheitsgurt und Seitenschienen sind angebracht, um die Sicherheit und den Komfort des Benutzers zu gewährleisten (siehe Abbildung 1). Das Vicon Motion Capture System zeichnete kinematische Daten mit einer Abtastfrequenz von 100 Hz auf. Die Kraftmessplattendaten wurden mit einer Abtastfrequenz von 1000 Hz aufgezeichnet. Die visuelle Szene ist normalerweise mit der Bewegung der Plattform oder der Bewegung des Patienten synchronisiert.

Abbildung 1

Das für diese Studie verwendete CAREN-System.

Das CAREN-System wird in dieser Studie aus folgenden Gründen eingesetzt: (1) Das CAREN-System kann in Echtzeit 3D-Bewegungen für einen ganzen Körper ausführen, die sowohl dem Therapeuten als auch dem Patienten ein sofortiges Feedback geben ; (2) das CAREN-System kann ein Gehexperiment durchführen und kinematische und kinetische Informationen gleichzeitig sammeln; (3) Die virtuelle Umgebung ist reproduzierbar und so nah wie möglich an einer natürlichen Umgebung; (4) Das CAREN-System hat sich als wirksames Instrument für die Rehabilitation (wie Gangtraining, prothetische Anpassung, Gleichgewichtstraining und kognitive Rehabilitation) und die Biomechanikforschung erwiesen.

2.3. Experimentelles Protokoll

Die motorischen Funktionsinformationen (beschrieben durch das GMFCS-Ranking) für CP und die Klassifizierung der CP-Subtypen wurden aus der Krankenakte jedes CP-Kindes erhalten. Die Teilnehmer wurden vor den Messungen umfassend instruiert. Jeder Teilnehmer begann mit einer Einarbeitung von drei Minuten auf dem Laufband bei Null bzw. einer zehn Grad geneigten Neigung (bergauf). Die Einarbeitung endete, bis sich der Teilnehmer mit einer für jede Bedingung angenehmen Gehgeschwindigkeit an die Gehbedingungen anpasste.

Nach dem Wechseln von Kleidung und Schuhen wurden 25 retroreflektierende Marker auf die anatomischen Landmarken des Teilnehmers gemäß der Definition des Ganzkörpermodells des menschlichen Körpers (HBM) platziert . Die Marker befinden sich am 10. Brustwirbel, Nabel, Brustbein, anteriorer oberer Iliakalwirbelsäule, posteriorer oberer Iliakalwirbelsäule, Trochanter major, lateraler Epicondylus des Knies, lateraler Malleolus, posteriorer Calcanei, die Spitze des großen Zehs, laterale fünfte Mittelfußköpfe, Akromion, lateraler Epicondylus und medialer Epicondylus des Ellenbogens, laterales Handgelenk, mediales Handgelenk, Xiphoid-Prozess, der 7. Halswirbel, Oberseite des Kopfes, rechte Seite des Kopfes und linke Seite des Kopfes.

Lokale Segmentkoordinatensysteme wurden für die Segmente Rumpf, Becken, Oberschenkel, Schaft und Fuß basierend auf den aufgezeichneten Markerpositionen eingerichtet, die in Tabelle 2 aufgeführt sind (siehe weitere Details unter ).

Für jeden Abtastzeitrahmen wurden die Koordinaten jedes Segments in Bezug auf sein proximales Segment durch eine Folge von drei Rotationen transformiert, die durch drei Euler-Winkel nach der Flexion / Extension, Adduktion / Abduktion und internen / externen Ordnung abgegrenzt wurden.

Aus Sicherheitsgründen trugen die Teilnehmer ein Gurtzeug, das während des gesamten Experiments mit einer Sicherheitsleine an einem Metallrahmen befestigt war. Jeder Teilnehmer wurde gebeten, eine statische Studie durchzuführen, um die Positionen der anatomischen Landmarken und die Positionen der Gelenkzentren zu lokalisieren. Anschließend ging jeder Teilnehmer mit seiner angenehmen Geschwindigkeit ohne Handlaufunterstützung in der virtuellen Umgebung (einem virtuellen Gehweg), die auf einen zylindrischen Bildschirm projiziert wurde. Die Daten wurden eine Minute lang während des Laufbandgehens aufgezeichnet. Anschließend wurde die Plattform um zehn Grad bergauf geneigt. Bergauf gehende Daten wurden ebenfalls für eine Minute aufgezeichnet.

2.4. Datenverarbeitung

Die Studie verwendete ein kommerzielles Softwaresystem namens Human Body Model (HBM) , das in den D-Flow des CAREN-Systems eingebettet war , um Kinematik und Kinetik zu berechnen. Für die kinematischen Daten und die GRF wurde die Grenzfrequenz des Tiefpasses auf 6 Hz eingestellt.

Das HBM löst das Problem der inversen Kinematik mit einem nichtlinearen Problem der kleinsten Quadrate (1). Die inverse dynamische Lösung besteht darin, eine optimale Pose zu finden, die am besten zu den Maker-Daten passt. In Gleichung (1) ist die 3D-Position eines Markers und die vom Bewegungserfassungssystem gemessenen Markerkoordinaten.

Das HBM löst das inverse dynamische Problem mit der typischen Mehrkörper-Bewegungsgleichung (2).wo sind die unbekannten Gelenkmomente und -kräfte, ist die Matrix der menschlichen Körpermasse, ist die Zentrifugal- und Coriolis-Belastung, ist die Schwerkraft und stellt die äußere Kraft dar.

Die Druckmittelpunktposition (COP) wurde mit dem instrumentierten Laufband gemessen. Die Position des Massenschwerpunkts (COM) wurde basierend auf gemessenen kinematischen Daten unter Verwendung eines Standardverfahrens, wie von Winter beschrieben, berechnet, das den gesamten Körper COM basierend auf dem COM aus einzelnen Körpersegmenten bestimmte. Die COP-COM-Trennung sowohl in anterior-posteriorer (AP) als auch in medial-lateraler (ML) Richtung, der Abstand zwischen COM und COP in AP- und ML-Richtung, wurde berechnet, um das dynamische Gleichgewicht während des Gangs darzustellen . Um sowohl die Links- als auch die Rechtsfußversuche zu bewältigen, wird die COP-COM-Trennung in ML-Richtung für alle Trails positiv gemacht. Diese positiven Werte spiegeln den Abstand der Füße wider, die auf beiden Seiten des COM in ML-Richtung platziert wurden. Die durchschnittliche COP-COM-Trennung in AP- und ML-Richtung ist auf die Beinlänge jedes Teilnehmers normalisiert, um einen Vergleich zwischen den Probanden zu ermöglichen. Unter der Annahme, dass beide Beine gleich lang sind, wurde die Beinlänge während des statischen Versuchs als Abstand zwischen dem linken Hüftgelenkzentrum und dem linken Sprunggelenkzentrum berechnet.

2.5. Statistische Analyse

Räumlich-zeitliche, kinematische, kinetische Daten und dynamische Gleichgewichtsparameter wurden analysiert. Geringe Zuverlässigkeit und große Fehler wurden für die von 3D-Bewegungserfassungssystemen aufgezeichneten Hüft- und Knie-Querebenenwinkel und Knie-Frontalebenenwinkel gemeldet. Diese Parameter wurden in dieser Studie nicht berücksichtigt.

Acht Gangzyklen von jedem Teilnehmer unter jeder Gehbedingung wurden für die Analyse ausgewählt. Der Shapiro-Wilk-Test wurde durchgeführt, um die Normalität der Daten zu testen. Eine Zwei-Wege-Mixed-Design-Varianzanalyse (ANOVA) () wurde verwendet, um die räumlich-zeitlichen, kinematischen und dynamischen Gleichgewichtsparameter unter Verwendung von SPSS 22.0 zu analysieren. Für kinetische Parameter (Gelenkmomente) wurde eine Zwei-Wege-ANCOVA () mit Geschwindigkeit als Kovariate verwendet. Ein statistisch signifikanter Unterschied wurde als akzeptiert . Das eta-Quadrat () wird als Maß für die Effektgröße verwendet. Die von 0,01, 0,06, und 0,14 bedeutet die kleine wirkung, moderate wirkung, und große wirkung, beziehungsweise.

3. Ergebnisse

3.1. Räumliche zeitliche Parameter

Wie in Tabelle 3 gezeigt, wird ein signifikanter Unterschied in der Gehgeschwindigkeit zwischen CP- und TD-Kindern festgestellt (, ). Beide Gruppen verringerten die Gehgeschwindigkeit beim Bergaufgehen (, ). Der Interaktionseffekt der Gehgeschwindigkeit () erreicht keine statistische Signifikanz. Die Schrittlängen der CP-Kinder sind kürzer als die der TD-Kinder (, ). Beide Gruppen verringerten die Schrittlänge beim Bergaufgehen signifikant (, ). Es gibt einen signifikanten Unterschied im Interaktionseffekt (, ) der Schrittlänge.

Die CP-Kinder zeigen eine deutlich längere Standphase im Vergleich zu den TD-Kindern (, ). Beide Gruppen erhöhen den Haltungsprozentsatz beim Bergaufgehen im Vergleich zum Laufen auf dem Laufband (, ) mit einem signifikanten Interaktionseffekt (, ).

3.2. Gelenkkinematik und dynamisches Gleichgewicht

Wie in Tabelle 3 gezeigt, erhöhen CP- und TD-Kinder die maximale Beckenvorderneigung beim Bergaufgehen (, ). CP- und TD-Kinder haben weniger Peak-Becken-Posterior-Neigung (, ), Peak-Becken schräg (, ) und weniger Peak-Rumpfverlängerung (, ) beim Bergaufgehen (, ). Kinematische Daten zeigen signifikante Unterschiede für die maximale Hüftabduktion während der Schwungphase (, ), die maximale Hüftflexion (, ) während der Schwungphase und die verringerte maximale Hüftstreckung während der Standphase (, ) während des Bergaufgehens in beiden Gruppen. Im Vergleich zum Laufen auf einem Laufband hat das Bergaufgehen einen deutlich geringeren Abstand zwischen COM und COP in anterior-posteriorer (AP) Richtung (,).

CP-Kinder gehen während der Schwungphase mit einem niedrigeren maximalen Kniebeugungswinkel als TD-Kinder (, ). Beide Gruppen beugen das Knie mehr, wenn sie bergauf gehen (, ). Es gibt einen signifikanten Interaktionseffekt (, ). Beim ersten Kontakt hat CP mehr Kniebeugung als TD (, ). Beide Gruppen erhöhen die maximale Kniebeugung während der Belastungsphase beim Bergaufgehen (, ).

Es gibt keinen signifikanten Interaktionseffekt bei der maximalen Dorsalflexion des Sprunggelenks. Beide Gruppen erhöhten die maximale Dorsalflexion des Knöchels während der Standphase beim Bergaufgehen (, ). CP-Kinder zeigen während der Schwungphase eine verminderte Plantarflexionsspitze im Vergleich zu TD-Kindern (, ). Sowohl CP als auch TD verringern ihre maximale Plantarflexion während der Standphase und der Schwungphase beim Bergaufgehen (, ). CP hat beim ersten Kontakt eine höhere Knöcheldorsalflexion als TD. Signifikante Unterschiede der Knöcheldorsalflexion beim ersten Kontakt werden im Haupteffekt für die Gruppe (, ), im Gehzustand (, ) und im Interaktionseffekt () (, ) identifiziert. Der Peak-Trunk-Rotationswinkel zeigt einen signifikanten Interaktionseffekt (, ).

3.3. Gelenkkinetik

Wie in Tabelle 3 gezeigt, verringern sowohl CP- als auch TD-Kinder das Hüftpeakflexionsmoment während der Standphase beim Gehen bergauf (, ). CP-Kinder haben während der Haltephase ein größeres maximales Hüftstreckungsmoment als TD-Kinder (, ). Der Haupteffekt für den Gehzustand zeigt auch, dass die maximalen Hüftstreckungsmomente während der Standphase beim Bergaufgehen zunahmen (, ). Das maximale Kniebeugungsmoment und das Streckungsmoment während der Standphase zeigen keine signifikanten Haupteffekte in der Gruppe und im Gehzustand. CP-Kinder haben in der Standphase ein geringeres maximales Dorsalflexionsmoment des Knöchels als TD-Kinder (, ). Dorsalflexionsmomente des unteren Sprunggelenks in der Standphase finden sich sowohl bei CP- als auch bei TD-Kindern beim Bergaufgehen im Vergleich zum Gehen auf ebenem Boden (, ). CP-Kinder haben im Vergleich zu TD-Kindern (, ) reduzierte maximale Plantarflexionsmomente des Sprunggelenks in der Standphase. Signifikante Unterschiede zwischen den Gruppen werden für das maximale Hüftabduktionsmoment in der Haltungsphase beobachtet (, ).

4. Diskussion

Die Studie zielt darauf ab, die Gangeigenschaften während des Gehens auf einem geneigten Laufband zu untersuchen unter einem computergestützten Rehabilitationsumgebungssystem (CAREN) bei Kindern mit CP. Das CAREN-System, das in unserer Studie verwendet wird, eignet sich für kognitives und körperliches Rehabilitationstraining oder -bewertung aufgrund seiner Fähigkeit, realistische Umgebungen zu schaffen und multisensorische Forschungsdaten zu sammeln. Studien zum Haltungskontrolltraining im CAREN-System zeigen, dass eine einzige Trainingseinheit ausreicht, um einen Anpassungsprozess des Gleichgewichts auszulösen, und es gibt keine signifikant unterschiedliche COPD zwischen den Probanden, die an der virtuellen Umgebung teilnehmen, und denen, die dies nicht tun . Gehcharaktere einschließlich zeitlich-räumlicher Parameter und Kinematik beim Laufbandgehen mit dem CAREN-System und beim Gehen über den Boden haben keinen signifikanten Unterschied. Visuelle Störungen sind in unserem Experimentdesign nicht beteiligt. Somit sind die Gangeigenschaften vergleichbar mit anderen Studien, die keine virtuelle Umgebung verwenden.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass CP-Kinder beim Bergaufgehen signifikante Gangänderungen in mehreren räumlich-zeitlichen, kinematischen und kinetischen Parametern aufwiesen. Die veränderten Gangeigenschaften umfassen eine verringerte Gehgeschwindigkeit und Schrittlänge sowie eine erhöhte maximale Beckenneigung, maximale Knöcheldorsalflexion (während der Standphase), Hüftflexion und Knieflexion (während der Standphase). Eine verminderte Peak-Hüftabduktion in der Schwungphase und erhöhte Peak-Becken-Schrägwinkel werden ebenfalls beobachtet. Im Allgemeinen zeigen CP-Kinder ähnliche Ganganpassungen wie TD-Kinder beim Bergaufgehen.

Diese Ganganpassungsstrategie stimmt mit den Ergebnissen früherer Studien mit gesunden Teilnehmern überein, die zeigen, dass gesunde Erwachsene, die am Hang gehen, die Hüftflexion, die Knieflexion und die Knöcheldorsalflexion erhöhen, um die Zehenfreiheit zu erhöhen. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass Kinder mit CP während des Laufbandgehens ein pathologisches Gangmuster mit größerer Knieflexion und Knöcheldorsalflexion während der Standphase aufwiesen im Vergleich zu TD-Kindern (siehe Abbildung 2). Das Bergaufgehen erfordert während der Standphase mehr Kniebeugung und Knöcheldorsalflexion und erhöht die Schwere des pathologischen Gangs.

Abbildung 2

Mittlere Gelenkwinkel und Gelenkmomente für CP und TD beim Gehen auf ebenem Boden und beim Gehen bergauf (durchgezogene schwarze Linie: Gehen auf TD-Ebene; gestrichelte schwarze Linie: Gehen auf TD-Ebene; durchgezogene rote Linie: Gehen auf CP-Ebene; gestrichelte rote Linie: Gehen auf CP-Ebene).

Der Knöchelwinkel beim ersten Kontakt (IC) zeigte einen signifikanten Interaktionseffekt. Der Interaktionseffekt bedeutet, dass das Hanggehen die Knöcheldorsalflexion an der IC bei CP stärker beeinflusste als bei TD-Kindern und die Kniestreckung bei CP weniger beeinflusste als bei TD-Kindern. Der Unterschied kann auf die Spastik der Muskeln zurückzuführen sein, die den Bewegungsumfang in der CP-Gruppe und die Anpassungsfähigkeit von CP- und TD-Kindern an die unterschiedlichen Gehbedingungen einschränkt. Außerdem erfordert das Bergaufgehen eine erhebliche Anstrengung, um den Körper nach oben zu treiben. Frühere Untersuchungen zeigen, dass im Vergleich zum Laufband-Gehzustand das maximale Hüftstreckungsmoment, das maximale Kniestreckungsmoment und das maximale Plantarflexionsmoment des Knöchels signifikant höher sind, wenn sie mit derselben Geschwindigkeit bergauf gehen . Unsere Ergebnisse zeigen, dass es für die beiden Gehbedingungen keine signifikanten Unterschiede im maximalen Kniestreckungsmoment und im maximalen Plantarflexionsmoment des Knöchels gibt. Dieser Befund kann durch die langsamere Gehgeschwindigkeit beim Bergaufgehen verursacht werden, was als Strategie zur Verringerung der Gelenkbelastung erklärt werden kann .

In der Frontalebene wird ein signifikanter Unterschied zwischen den Gruppen für das Hüftabduktionsmoment beobachtet. Dies wird erwartet, da die Kinder breitere Stufen haben, was zu einem größeren Momentarm der Bodenreaktionskräfte führt. Wir finden, dass das Bergaufgehen auch zu größeren Beckenschrägen Winkeln führt und verringerte Hüftabduktionswinkel im Vergleich zum Laufen auf dem Laufband, was eine Strategie sein kann, um das Gleichgewicht in der medial-lateralen (ML) Richtung aufrechtzuerhalten, da diese Änderungen die COM näher an die COP in ML-Richtung. Darüber hinaus zeigt der Rumpfrotationswinkel einen signifikanten Interaktionseffekt. Dies bedeutet, dass das Bergaufgehen die Rumpfrotation bei TD stärker beeinflusste als bei CP. Weitere Forschung wird erwartet, um die beitragenden Faktoren für Rumpfbewegungsstrategien während des Hanggehens zu untersuchen.

Im Vergleich zum Laufbandlaufen hat das Bergaufgehen in anteriorer Richtung eine deutlich geringere Distanz. Der signifikante Unterschied kann durch den kleineren Neigungswinkel bei bergauf gehenden Bedingungen verursacht werden . Für den COP-COM-Abstand in lateraler Richtung wird keine Differenz zwischen den Gruppen festgestellt. Diese Ergebnisse sind etwas überraschend, da Kinder mit CP Berichten zufolge größere Verschiebungen des COP und COM in medial-lateraler Richtung aufweisen . Dies kann auch durch die COM-Geschwindigkeit in ML-Richtung beeinflusst werden.

Nach bestem Wissen der Autoren ist dies das erste Mal, dass eine umfassende 3D-Kinematik und Kinetik sowie die dynamische Stabilitätsanalyse (mit Ausnahme einiger Winkel in den Querebenen) für CP-Kinder während des Gehens unter einer Virtual-Reality-Umgebung durchgeführt wird.

Unsere Ergebnisse haben einige klinische Implikationen. Wie aus Abbildung 2 hervorgeht, müssen CP-Kinder während der frühen Haltungsphase mit einer geduckten Haltung ein zusätzliches Knöchelplantarflexionsmoment erzeugen (übermäßige Knöcheldorsalflexion und Knieflexion). Dieser Befund stimmt mit Hösl et al. , der die erhöhte Aktivierung der Wadenmuskulatur bei CP-Kindern während der frühen Haltungsphase beobachtet. Eine biomechanische Studie zeigt, dass die maximale Kniegelenkskraft bei schwerem Hockgang mehr als das Sechsfache des Körpergewichts betragen kann . Geduckter Gang kann auch Gelenkschmerzen verursachen und die Gehfähigkeit beeinträchtigen . In einer Studie mit adipösen Patienten wurde gezeigt, dass das Bergaufgehen mit einer langsameren Geschwindigkeit die Gelenkbelastung (maximale Kniestreckung und Adduktionsmomente) reduzieren kann . Wir schlagen vor, dass während eines Laufbandtrainings mit einer Neigung die Gehgeschwindigkeit sorgfältig kontrolliert werden sollte, damit die maximale Gelenkbelastung nicht zu stark ansteigt. Die Verwendung eines partiellen Gewichtsunterstützungssystems während des Laufbandtrainings kann die Gelenkbelastung für Patienten verringern.

Studien zu Einzelmessungen der gesamten Gangpathologie wie dem Gangabweichungsindex (GDI) , dem Gangprofil-Score (GPS) und dem Bewegungsanalyseprofil (MAP) haben ihre Wirksamkeit in klinischen Szenarien gezeigt. Solche Ergebnismaße könnten den Gesamtschweregrad des Gehens beurteilen oder die Gesamtleistung einer Intervention bewerten, die der Patient erhielt, um die Gangfähigkeit zu verbessern. Eine weitere Studie ist erforderlich, um die allgemeine Gangpathologie für die CP-Kinder während des geneigten Gehens unter einer Virtual-Reality-Umgebung mithilfe eines Index wie GPS oder KARTE zu untersuchen.

Die Studie hat eine kleine Stichprobengröße mit zehn Teilnehmern in jeder Gruppe. Die CP-Gruppe unterscheidet auch nicht zwischen Hockgangarten mit scheinbaren Pferden. Diese Fragen beeinflussen die statistische Aussagekraft in gewissem Maße. Studien mit einer größeren Stichprobengröße sind erforderlich, um diese Ergebnisse zu bezeugen und die Beziehung zwischen pathologischen Gangmustern zu untersuchen, Gangfunktionen, GFMCS, Spastik, Muskelkraft, und dynamisches Gleichgewicht beim geneigten Gehen oder in anderen verschiedenen Umgebungen im täglichen Leben.

5. Schlussfolgerung

CP-Kinder zeigten ähnliche Ganganpassungen beim Laufen auf dem Laufband unter einer Virtual-Reality-Umgebung wie TD-Kinder. CP-Kinder konnten beim Bergaufgehen ein ähnliches dynamisches Gleichgewicht mit einer geringeren Gehgeschwindigkeit aufrechterhalten. Das Bergaufgehen vergrößert die vorhandenen abnormalen Gangmuster der CP-Kinder. Während eines Laufbandtrainings mit einer Neigung sollte die Gehgeschwindigkeit sorgfältig kontrolliert werden, wenn die maximale Gelenkbelastung zu stark verbessert wird.

Datenverfügbarkeit

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie unterstützen, sind auf Anfrage beim entsprechenden Autor Ye Ma erhältlich. Die Daten sind aufgrund der Unterentwicklung des Systems und der Ethik des Projekts noch nicht öffentlich verfügbar.

Interessenkonflikte

Die Autoren erklären, dass sie keine Interessenkonflikte haben.

Beiträge der Autoren

Ye Ma und Yanxin Zhang trugen zur Konzeption und Gestaltung sowie zur Ausarbeitung des Artikels bei. Verantwortlich für die Datenverarbeitung und -gestaltung sind Yali Liang, Xiaodong Kang und Lilja Siemelink. Yanxin Zhang und Ming Shao sind für den Gesamtinhalt verantwortlich und sind die Garanten.

Danksagung

Diese Studie wurde von der Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China (Grand Number LQ19A020001), der Ningbo Natural Science Foundation (Grand Number 2018A610193), dem Sichuan Bayi Rehabilitation Centre und Motekforce Link unterstützt. Diese Studie wurde auch vom K.C. Wong Magna Fund der Universität Ningbo unterstützt. Die Autoren danken Jing Zhang und Ruisong Liao für ihre Unterstützung bei der Datenerhebung.