要約
目的。 仮想現実環境下で傾斜トレッドミル歩行中の痙性脳性麻痺児の歩行特性を調査する。 メソッド。 十痙性脳性麻痺（CP）の子供と十典型的に開発（TD）の子供たちは、地上レベルと傾斜10°でトレッドミル上で彼らの快適な速度で歩くように求められました。 コンピュータ支援リハビリテーション環境システムにおいて，三次元運動学的データと地盤反力データを捕獲した。 動力学的パラメータと動的バランスパラメータは、標準的な生体力学的アプローチを用いて計算された。 結果。 上り坂歩行中，両群は歩行速度とストライド長を減少させ，ピーク骨盤傾斜，足首背屈および股関節屈曲を増加させた。 ＴＤ児と比較して，ＣＰ児は歩行速度とストライド長の減少，ピーク股関節外転モーメントの減少，スタンスフェーズの割合の増加，ピーク足首背屈と膝屈曲の増加，ピーク股関節伸展モーメントの増加を示した。 ピーク体幹回転角，初期接触時の足首角，ストライド長は有意な相互作用効果を示した。 結論。 ＣＰの子供は，ＴＤの子供と同様に上り坂歩行中のほとんどの歩行パラメータに対して同様の調整を示した。 より低い歩く速度を使うと、CPの子供はTDの子供と同じような動的バランスを維持できます。 上り坂の歩くことは脳性麻痺の子供の既存の異常な歩行パターンを拡大する。 傾斜を伴うトレッドミル訓練中に，ピーク関節荷重をあまり改善しない場合には，歩行速度を慎重に制御する必要があることを示唆した。
1. はじめに
脳性麻痺（CP）は、未熟な脳の欠陥または損傷に起因する神経学的障害です。 筋肉の圧迫感、脱力感、痙性などのCPによって引き起こされる問題は、筋骨格系の発達を妨げ、したがって異常な歩行パターンをもたらす可能性がある。
歩行能力の向上は、CPを有する小児の治療介入における主要な懸念事項の1つである。 トレッドミル歩行はCPの子供のリハビリテーションで広く利用されています全歩行周期の反復的な訓練を提供するために。 体系的な文献レビューは、CPの子供のためのトレッドミル訓練の有効性を評価しました。 このレビューでは、トレッドミル訓練はCP子供にとって安全で実行可能な方法であり、歩行速度と一般的な総運動能力を改善できることが示唆された。 Willerslev-Olsen et al. ＣＰ小児に対する傾斜トレッドミル訓練の影響を調べた。 彼らの研究は、傾斜した集中的な歩行訓練が足首背屈筋運動ニューロンへのβおよびγ振動駆動を増加させ、したがってCP小児のつま先の持ち上げとかかと
運動学、運動学、動的バランス解析を含む生体力学的研究は、神経制御戦略の洞察を得たり、異常な歩行パターンを完全に理解したり、CP患者の効果的な治療介入を設計したりするのに役立ちます。 運動学は、歩行パターンの異常を定量化するために使用されます。 動力学は歩行異常および根本的な筋肉機能病理学の原因の徴候を提供します。 健康な人は、股関節、膝、および足首の背屈を増加させ、したがって直立姿勢を維持することによって、上り坂の歩行に適応することができる。 この適応は、筋肉群（足首背屈筋、膝伸筋、および股関節伸筋）の標的訓練として使用することができる。 しかし、CPの子供たちは、姿勢制御や動的バランスの障害のために傾斜歩行に調整することが困難である可能性があります。
生体力学的研究は、CPの子供の傾斜トレッドミル歩行訓練のために制限されています。 いくつかの研究は、傾斜ランプまたはトレッドミル上を歩くためのCPの子供の生体力学的特性と歩行適応戦略を検討した。 これらの研究では、CPの子供は、典型的に発達している（TD）子供と同様の歩行調整戦略で傾斜歩行に適応するが、より大きな姿勢適応を使用することが報告されている。
私たちの知る限りでは、運動学、運動学、動的バランス解析を含む三次元（3D）歩行解析を用いた傾斜トレッドミル歩行中の痙性CPを有する子供の異常な歩行パターンの完全な理解が不足している。 前述の研究のほとんどでは運動学的データのみが報告されている。 二次元（2D）モーションカメラの使用はまた、このデータのためのかなりの測定精度を失います。
本研究は、仮想現実環境（コンピュータ支援リハビリ環境（CAREN）システムのデフォルト設定、Motekforce Link、オランダ）下でのレベルトレッドミルおよび上り坂トレッドミル歩行におけるCP子供の歩行調整戦略を包括的に調査することを目的としている。 この研究では、最先端のモーションキャプチャ技術を使用して、CP子供の空間-時間パラメータ、3D運動学、3D運動学、および動的バランスを定量化しました。 我々は、（1）CPの子供たちが傾斜歩行中に彼らのTDピアとして同様の歩行調整戦略を使用し、（2）CP群が障害姿勢制御のために有意に低い姿勢安定性を持
2. メソッド
2.1. 研究デザインと被験者
十痙性CP子供（年齢：歳;身長：;体重：）と十TD子供（年齢：歳;身長：;体重：）が含まれていました。 CP参加者の特徴を表1に示す。 年齢（）、身長（）、または体重（）には、2つのグループ間に有意差はありません。
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略語：GMFCS=総運動機能分類システム;L=左;R=右。
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CPの子供のための包含の規準は次の通りあります: (1)diplegic CPと診断された、(2)6-12歳、(3)総運動機能分類システム（GFMCS）でI-IIランク、(4)理解し、指示を実行することができる、(5)六分以上の支援なしの独立した歩行者、(6) CPおよびTDの両方の子供のための除外基準は、（1）重度の心臓および肺疾患および（2）視覚または聴覚系障害がないことである。 倫理的な承認は四川Bayiのリハビリテーションの中心の倫理委員会（四川、中国）から得られました。 子供の両親は参加のための同意書に署名しました。
2.2. 計装
コンピュータ支援リハビリテーション環境（CAREN）システムを使用して、三次元（3D）関節運動学と地面反力（GRF）を収集しました。 ＣＡＲＥＮシステムは、１ ２台の高速赤外線カメラ（Ｖｉｃｏｎ，Ｏｘｆｏｒｄ Ｍｅｔｒｉｃｓ，ＵＫ）を備えた３Ｄモーションキャプチャシステム、６自由度モーションベースプラットフォームの上にスプリットベルトフォースプレート計装トレッドミル（ＡＤＡＬ３ＤＭ−Ｆ−ＣＯＰ−Ｍｚ，Ｔｅｃｍａｃｈｉｎｅ，Ｆｒａｎｃｅ）、および円筒投影システムからなる没入型仮想環境システムである。 安全ハーネスとサイドレールは、ユーザーの安全性と快適性を確保するために配置されています（図1を参照）。 Viconモーションキャプチャシステムは、100Hzのサンプリング周波数で運動学的データを記録しました。 力の版データは1000のHzの見本抽出の頻度と記録された。 視覚場面は通常プラットホームの動きか患者の動きと合わせられます。
CARENシステムは次の心配によるこの調査で用いられる:(1)CARENシステムはtherapistおよび患者両方に即時のフィードバックを提供するリアルタイムの完全なボディのための3D動きを行うことができる ; (2)CARENシステムは、傾斜歩行実験を行い、運動学的および運動学的情報を同時に収集することができ、(3)仮想環境は再現性があり、できるだけ自然環境に近い。(4)CARENシステムは、リハビリテーション（歩行訓練、補綴調整、バランス訓練、認知リハビリテーションなど）およびバイオメカニクス研究に有効なツールであることが証明されている。
2.3. 実験プロトコル
CPの運動機能情報（GMFCSランキングによって記載されている）とCPサブタイプの分類は、各CP子供の医療記録から得られました。 参加者は測定前に完全に指示されました。 各参加者は、それぞれ、ゼロと十度の傾斜斜面（上り坂）でトレッドミル上で三分の習熟から始まりました。 参加者が各条件の快適な歩行速度で歩行条件に適応するまで、習熟は終了した。
服と靴を交換した後、全身人体モデル（HBM）の定義に従って、参加者の解剖学的ランドマークに25個の再帰反射マーカーが配置されました。 マーカーは、第10胸椎、へそ、胸骨、前上腸骨脊椎、後上腸骨脊椎、大転子、膝の外側上顆、外側malleolus、後踵骨、親指の先端、外側第五中足骨頭、肩峰、外側上顆および肘の内側上顆、外側手首、内側手首、剣状突起、第7頸椎、頭の上部、頭の右側、および頭の左側に配置されています。
記録されたマーカーの位置に基づいて、胴体、骨盤、大腿部、シャンク、および足のセグメントにローカルセグメント座標系が設定されました（詳細は表2を参照）。
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各サンプリング時間枠について，その近位セグメントに対する各セグメントの座標は，屈曲／伸展，内転／外転および内部／外部順序に続く三つのオイラー角によって描かれた三つの回転のシーケンスによって変換された。
安全上の配慮から、参加者は実験を通して安全ラインを使用して金属フレームに固定されたハーネスを身に着けていました。 すべての参加者は、解剖学的ランドマークの位置と関節センターの位置を見つけるために静的試験を実行するように求められました。 その後、各参加者は、円筒形のスクリーンに投影された仮想環境（仮想歩道）で、手すりのサポートなしで快適な速度で歩いた。 データは、レベルトレッドミル歩行中に一分間記録された。 その後、ホームは10度の上り坂で傾斜していた。 上り坂の歩行データも1分間記録されました。
2.4. データ処理
この研究では、CARENシステムのD-flowに組み込まれたhuman body model(HBM)という商用ソフトウェアシステムを使用して、運動学と運動学を計算しました。 運動学的データとGRFの場合、ローパスフィルタのカットオフ周波数は6Hzに設定されていました。
HBMは、非線形最小二乗問題(1)を使用して逆運動学問題を解きます。 逆の動的解は、メーカーデータに最も適した最適な姿勢を見つけることです。 式(1)において、マーカの3D位置であり、モーションキャプチャシステムによって測定されたマーカ座標である。
HBMは、典型的な多体運動方程式(2)を使用して逆動的問題を解決します。ここで、は未知の関節モーメントと力、は人体質量マトリックス、は遠心力とコリオリ荷重、は重力、は外力を表します。
圧力の中心（COP）位置は、計装トレッドミルによって測定された。 質量中心（ＣＯＭ）位置は、個々の身体区分からのＣＯＭに基づいて全身ＣＯＭを決定するＷｉｎｔｅｒによって記載された標準的な手順を用いて測定された運動学的データに基づ 前-後（Ａ ｐ）および内側-側方（Ｍ Ｌ）方向の両方におけるＣＯＰ-ＣＯＭ分離、Ａ ｐおよびＭ Ｌ方向におけるＣＯＰとＣＯＰとの間の距離を計算し、歩行中の動的バランスを表した。 左足および右足の試験に食料調達するためには、MLの方向のCOP-COMの分離はすべての道のために肯定的になされる。 これらの正の値は、COMのいずれかの側にML方向に配置されていた足の距離を反映しています。 ＡＰ方向およびＭＬ方向における平均ＣＯＰ−ＣＯＭ分離は、被験者間の比較を可能にするために、各参加者の脚の長さに対して正規化される。 両脚が等しい長さを有すると仮定して、脚の長さは、静的試行中の左股関節中心と左足首関節中心との間の距離として計算された。
2.5. 統計解析
空間-時間、運動学的、運動学的データ、および動的バランスパラメータを分析しました。 低い信頼性および大きい間違いは3Dモーションキャプチャシステムによって記録されるヒップおよび膝の横断平面の角度および膝の前頭平面の角のために報告されました。 これらのパラメータは本研究には含まれなかった。
各歩行条件の下で各参加者から八歩行サイクルが分析のために選択されました。 データの正常性をテストするために、Ｓｈａｐｉｒｏ−Ｗｉｌｋ検定を行った。 分散の双方向混合設計分析（ANOVA）（）は、SPSS22.0を使用して、空間-時間、運動学的、および動的バランスパラメータを分析するために使用されました。 速度論的パラメータ（関節モーメント）に対して，速度を共変量として持つ双方向ＡＮＣＯＶＡ（）を用いた。 統計的に有意な差が認められた。 効果の大きさの尺度として、etaの二乗()が使用されます。 0.01、0.06、および0.14のは、それぞれ小さな効果、中程度の効果、および大きな効果を意味します。
3. 結果
3.1. 空間時間パラメータ
表3に示すように、CPとTDの子供（、）の歩行速度に有意な差が同定される。 両群とも上り坂歩行中に歩行速度が低下した（，）。 歩行速度（）の相互作用効果は統計的有意性に達しない。 CP子のストライド長は、TD子のストライド長(,)よりも短くなります。 両群とも上り坂歩行中にストライド長を有意に減少させた（，）。 ストライド長の相互作用効果（，）には有意差がある。
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略語：LR=負荷応答;IC=初期接触;CP=脳性麻痺;TD=典型的には発症する。
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CPの子供はTDの子供（、）と比較されるかなり長いスタンス段階を示します。 両方のグループは、レベルトレッドミル歩行（、）と比較して、上り坂歩行中のスタンス率を増加させ、有意な相互作用効果（、）を有する。
3.2. 関節運動学と動的バランス
表3に示すように、CPとTDの子供は上り坂を歩くときにピーク骨盤前傾を増加させる（、）。 CPおよびTDの子供は、上り坂を歩くときにピーク骨盤後傾（、）、ピーク骨盤斜め（、）、およびピーク幹拡張（、）が少ない（、）を有する。 運動学的データは、スイングフェーズ中のピーク股関節外転（、）、スイングフェーズ中のピーク股関節屈曲（、）、およびスタンスフェーズ中のピーク股関節伸展の減少（、）の両群 レベルトレッドミル歩行と比較して、上り坂歩行は、前方-後方（AP）方向（、）のCOMとCOPの間の距離が有意に小さい。
CPの子供はTDの子供（、）より振動段階の間に低いピーク膝の屈曲角度と歩きます。 両方のグループは、上り坂を歩くときに膝をより曲げる（、）。 有意な相互作用効果（、）がある。 最初の接触では、CPはTD（、）よりも膝の屈曲が多い。 両方のグループは、上り坂を歩くときに負荷応答段階の間にピーク膝屈曲を増加させる（、）。
ピーク足首背屈に有意な相互作用効果はない。 両群は上り坂を歩くときにスタンスフェーズ中にピーク足首背屈を増加させた（，）。 CPの子供は振動段階の間にTDの子供と比較される減らされたピークplantarflexionを示します（、）。 CPとTDの両方が上り坂を歩くときにスタンスフェーズとスイングフェーズの間に彼らのピーク足底屈曲を減少させます（、）。 ＣＰは最初の接触時にｔｄよりも足首背屈が高い。 初期接触時の足首背屈の有意差は、グループ（、）、歩行状態（、）、および相互作用効果（）（、）の主な効果において同定される。 ピークトランク回転角は有意な相互作用効果（，）を示した。
3.3. 関節動態
表3に示すように、CPとTDの両方の子供は、上り坂を歩くときのスタンスフェーズ中に股関節ピーク屈曲モーメントを減少させる（、）。 CPの子供は、スタンスフェーズ中にTDの子供（、）よりも大きなピーク股関節伸展モーメントを持っています。 歩行状態に対する主な効果はまた、上り坂を歩くときにスタンスフェーズ中のピーク股関節伸展モーメントが増加することを示している（、）。 スタンスフェーズ中のピーク膝屈曲モーメントと伸展モーメントは，群および歩行状態において有意な主な効果を示さなかった。 CPの子供はTDの子供よりスタンス段階の低いピーク足首の背屈の時を持っています（、）。 スタンスフェーズにおける下部ピーク足首背屈モーメントは、平地歩行（、）と比較して上り坂歩行中のCPおよびTD子供の両方で見出される。 CPの子供はTDの子供と比較されるスタンス段階のピーク足首のplantarflexionの時を減らしました（、）。 スタンスフェーズ（，）におけるピーク股関節外転モーメントについて，グループ間の有意な差が観察された。
4. Discussion
この研究は、CPを有する小児におけるコンピュータ支援リハビリテーション環境（CAREN）システム下での傾斜トレッドミル歩行中の歩行特性を調査することを目的としている。 本研究で採用されているＣＡＲＥＮシステムは，現実的な環境を作り，多感覚研究データを収集する能力のために，認知および身体リハビリテーション訓練または評価に適している。 ＣＡＲＥＮシステムにおける姿勢制御訓練に関する研究は，単一の訓練セッションがバランスの適応プロセスを引き起こすのに十分であり，仮想環境に参加する被験者とそうでない被験者との間に有意に異なるＣＯＰ変位はないことを示した。 ＣＡＲＥＮシステムを用いたトレッドミル歩行と地上歩行における時間空間パラメータと運動学を含む歩行特性には有意差はなかった。 視覚的摂動は実験設計に関与していない。 したがって、歩行特性は、仮想環境を使用しない他の研究と同等である。
我々の結果は、CPの子供が上り坂を歩くときにいくつかの空間的、時間的、運動学的、および運動学的パラメータにおいて有意な歩行変化を示したことを明 変更された歩行特性には、歩行速度とストライドの長さの減少、ピーク骨盤の傾きの増加、ピーク足首背屈（スタンスフェーズ中）、股関節屈曲、および膝屈曲（スタンス スイング期におけるピーク股関節外転の減少とピーク骨盤斜め角の増加も観察された。 一般に、CPの子供は上り坂の歩くことの間にTDの子供と同じような足取りの調節を示します。
この歩行調整戦略は、健康な参加者を用いた以前の研究の結果と一致し、斜面を歩く健康な成人が股関節屈曲、膝屈曲、足首背屈を増加させてつま先のクリアランスを増加させたことを示している。 しかし、レベルトレッドミル歩行中に、CPを有する子供は、TDの子供と比較して、スタンスフェーズ中に大きな膝の屈曲と足首の背屈を伴う病理学的歩行パター 上り坂の歩行はスタンス段階の間により多くの膝の屈曲および足首の背屈を必要とし、病理学的歩行の重大度を高めた。
初期接触時の足首角（Ｉ ｃ）は有意な相互作用効果を示した。 相互作用効果は，スロープ歩行がＴ ｄ小児よりもＣＰでｉｃにおける足首背屈に影響を及ぼし，ｔｄ小児よりもｃｐで膝伸展に影響を与えなかったことを意味した。 この差は、筋肉の痙縮、CP群の動きの範囲の制限、および異なる歩行条件に対するCPおよびTD子供の適応能力によるものである可能性がある。 その上、上り坂の歩行はボディを上向きに推進するための重要な努力を要求する。 これまでの研究では、レベルトレッドミル歩行状態と比較して、同じ速度で上り坂を歩くと、ピーク股関節伸展モーメント、ピーク膝伸展モーメント、ピーク足首足底屈モーメントが有意に高いことが示されています。 その結果，両歩行条件において，ピーク膝伸展モーメントとピーク足首足底屈曲関節モーメントに有意差はなかった。 この発見は、関節負荷を低減するための戦略として説明することができる上り坂歩行のための遅い歩行速度によって引き起こされる可能性があ
前頭面では、股関節外転モーメントに対して有意な群間差が観察される。 これはTDの子供が地面の反力のより大きい時の腕で起因するより広いステップを有するので期待の下にある。 我々は、上り坂の歩行はまた、これらの変更は、ML方向にCOPに近いCOMを移動するように内側-外側（ML）方向のバランスを維持するための戦略である可能性が さらに，体幹回転角は有意な相互作用効果を示した。 これは，上り坂歩行がＣＰよりもＴＤの方が体幹回転に影響を及ぼすことを意味する。 さらなる研究は、斜面歩行中の体幹運動戦略の寄与因子を調査することが期待されている。
レベルトレッドミル歩行と比較して、上り坂歩行は前方方向のCOM-COP距離が有意に少ない。 この有意差は，上り坂歩行条件中の傾斜角が小さいことによって引き起こされる可能性がある。 横方向のCOP-COM距離については、グループ間の差は識別されません。 これらの結果は、CPを持つ子供が内側-外側方向にCOPとCOMのより大きな変位を有することが報告されていることを考えると、少し驚くべきことです。 これは、ML方向のCOM速度によっても影響される可能性があります。
著者の知る限りでは、仮想現実環境下での斜面歩行中にCP子供のために行われた包括的な3D運動学および運動学ならびに動的安定性解析（横面の一部の角度を除く）が初めてである。
我々の知見はいくつかの臨床的意味を持っている。 図2から明らかなように、CPの子供は、うずくまった姿勢（過度の足首背屈および膝屈曲）を伴う初期の姿勢段階の間に余分な足首足底屈曲モーメントを生 この発見はHösl et al. 、whoは初期のスタンスフェーズの間にCPの子供のためのふくらはぎの筋肉の高められた活発化を観察します。 生体力学的研究によると、膝関節のピーク力は、重度のしゃがむ歩行の体重の6倍以上になる可能性があることが示されています。 しゃがんだ歩行はまた、関節痛を引き起こし、歩行能力を低下させる可能性がある。 肥満患者を対象とした研究では、より遅い速度で上り坂を歩くと、関節負荷（ピーク膝伸展および内転モーメント）が低下する可能性があることが示されて 傾斜を伴うトレッドミル訓練中には，ピーク関節荷重があまり増加しないように歩行速度を慎重に制御する必要があることを示唆した。 トレッドミルの訓練の間の部分的な重量の支援システムを使用して患者のための共同負荷を減らすかもしれない。
歩行偏差指数（GDI）、歩行プロファイルスコア（GPS）、運動分析プロファイル（MAP）などの全体的な歩行病理の単一尺度に関する研究は、臨床シナリオでの有効性 このような転帰測定は、歩行の全体的な重症度を評価するか、または歩行能力を改善するために患者が受けた介入の全体的なパフォーマンスを評価 ＧＰＳやＭＡＰのような指標を用いて，仮想現実環境下での傾斜歩行中のＣＰ子供の全体的な歩行病理を調査するためには，さらなる研究が必要である。
この研究はサンプルサイズが小さく、各グループに10人の参加者がいます。 CP群はまた、見かけの馬とのしゃがむ歩行を区別しない。 これらの問題は、ある程度の統計力に影響を与えます。 より大きなサンプルサイズの研究は、これらの結果を証言し、病理学的歩行パターン、歩行機能、GFMCS、痙性、筋力、および傾斜歩行または日常生活の中で他の異な
5. 結論
CPの子供たちは、仮想現実環境下での上り坂トレッドミル歩行中にTDの子供たちと同様の歩行調整を示しました。 CPの子供は上り坂を歩くときより低い歩く速度の同じような動的バランスを維持できます。 上り坂の歩行はCPの子供の既存の異常な歩行パターンを拡大する。 傾斜のトレッドミルの訓練の間に、歩く速度は注意深くピーク接合箇所のローディングをあまり改善する場合には制御されるべきである。
データの入手可能性
この研究の結果を支持するデータは、対応する著者、Ye Maからの要求に応じて入手可能です。 システムの開発不足とプロジェクトの倫理のために、データはまだ公開されていません。
利益相反
著者は利益相反を持たないと宣言している。
著者の貢献
Ye MaとYanxin Zhangは、記事の構想とデザイン、および記事の起草に貢献しました。 Yali Liang、Xiaodong Kang、およびLilja Siemelinkがデータ処理と起草を担当しています。 Yanxin ZhangとMing Shaoは全体的な内容を担当し、保証人です。
謝辞
この研究は、中国の浙江省自然科学財団（壮大な番号LQ19A020001）、寧波自然科学財団（壮大な番号2018A610193）、四川八一リハビリテーションセンター、およびMotekforceリンク この研究は、寧波大学のK.C.Wong Magna Fundによっても支援されました。 著者らは、データ収集における彼らの支援のためにJing ZhangとRuisong Liaoに感謝したいと思います。