[論文レビュー] Patterns of Selection of Human Movements II: Movement Limits, Mechanical Energy, and Very Slow Walking Gaits

Stuart Hagler|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2016

Balance, Gait, and Falls Prevention参考文献 17被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、力学的エネルギー保存則と力の制約を用いて、人間の歩行歩様の上限および下限を定義するための生物学的力学的モデルを開発する。平均歩行速度の下限（約0.45 m/s）とステップ長の上限（約1.5 m）を特定し、非常にゆっくりとした歩行（0.45–0.6 m/s）が、別個の歩行タイプであることを示している。神経変性疾患における臨床的歩行速度は、この範囲に位置する。

ABSTRACT

The biomechanics of the human body allow humans a range of possible ways of executing movements to attain specific goals. This range of movement is limited by a number of mechanical, biomechanical, or cognitive constraints. Shifts in these limits result in changes available possible movements from which a subject can select and can affect which movements a subject selects. Therefore by understanding the limits on the range of movement we can come to a better understanding of declines in movement performance due to disease or aging. In this project, we look at how models for the limits on the range of movement can be derived in a principled manner from a model of the movement. Using the example of normal walking gaits, we develop a lower limit on the avg. walking speed by examining the process by which the body restores mechanical energy lost during walking, and we develop an upper limit on the avg. step length by examining the forces the body can exert doing external mechanical work, in this case, pulling a cart. Making slight changes to the model for normal walking gaits, we develop a model of very slow walking gaits with avg. walking speeds below the lower limit on normal walking gaits but that also has a lower limit on the avg. walking speed. We note that the lowest avg. walking speeds observed clinically fall into the range of very slow walking gaits so defined, and argue that forms of bipedal locomotion with still lower speeds should be considered distinct from walking gaits.

研究の動機と目的

• 人間の歩行歩様の範囲を制限する機械的および生物学的力学的制約をモデル化すること。
• エネルギーおよび力の制約を用いて、平均歩行速度およびステップ長の下限および上限を導出すること。
• 生物学的力学的制約に基づき、非常にゆっくりとした歩行歩様と通常の歩行歩様を区別すること。
• これらの制約を高齢化および神経変性疾患（パーキンソン病およびアルツハイマー病を含む）における臨床的観察と結びつけること。

提案手法

• N個の部品と関節を有する人体のセグメントベースのモデルを構築し、運動ダイナミクスをシミュレートする。
• 筋肉の力と速度の項を組み合わせた代謝エネルギー消費モデルを用いて、エネルギー消費を推定する。
• 力学的エネルギー保存則を適用し、歩行中のエネルギー損失および外部仕事のモデル化を行う。
• 歩行サイクルにおける力学的エネルギーの回復を分析することで、歩行速度の下限を導出する。
• 支持脚が体幹に及える最大力に制約を課すことにより、ステップ長の上限を確立する。
• 外部負荷を伴う歩行に関するAtzler & Herbst (2005) の実証データとモデルを照合して検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通常の歩行において、平均歩行速度の下限を定義する生物学的力学的制約は何か？
• RQ2 支持脚における最大力発生能から、ステップ長の上限としてどのような値が得られるか？
• RQ3 力学的エネルギー損失および外部仕事のモデルが、非常にゆっくりとした歩行歩様の別個のカテゴリーをどのように定義するか？
• RQ4 なぜパーキンソン病患者および高齢者の臨床的歩行速度が、通常の歩行の特定の範囲以下に位置するのか？
• RQ5 力発生能力の変化（高齢化や疾患に起因）が、歩行速度およびステップ長の上限にどのように影響するか？

主な発見

• 通常の歩行において、平均歩行速度の下限は、力学的エネルギー損失および回復の制約から約0.45 m/sと導出される。
• 平均ステップ長の上限は1.5 mであり、支持脚の最大力容量370 Nから導出される。
• Atzler & Herbstの被験者は、ステップ長が0.90 mを超えるとF_ext = 160 Nの条件下で歩行に失敗したが、これはモデルの力制限と整合的である。
• モデルは、外部負荷の増加が有効なステップ長上限を下方にシフトさせることを予測しており、負荷下での歩行困難を説明できる。
• 非常にゆっくりとした歩行歩様（0.45–0.6 m/s）は、通常の歩行とは生物学的力学的に別個のものであり、高齢化および神経変性疾患における臨床的観察速度を含む。
• 高齢化や疾患に起因する歩行速度およびステップ長の低下は、最大力発生能力（F_max）の低下と整合的であり、短いステップと遅い歩行をもたらす。