Gait Real-time Analysis Interactive Lab (GRAIL) は、歩行中の人間の体がどのように安定性を維持するかを評価するために設計された高度な生体力学的研究環境です。下肢関節の代償効果を評価する上での主な機能は、安全に制御された歩行摂動（滑りやつまずきなど）を誘発し、同時に高精度の運動学的および運動力学的データを取得することです。GRAILは、仮想現実と身体運動を統合することにより、バランスが崩れたときに転倒を防ぐために関節が使用する正確な「戦略」を研究者が観察できるようにします。
コアの要点： GRAILシステムは、歩行の受動的な観察から、体の安定性に対する能動的なストレステストへと歩行分析を変革します。これにより、股関節、膝関節、足関節などの関節が、制御された安全な環境で突然の不安定性をどのように代償するかを見るために必要な高解像度データが得られます。
GRAILシステムの統合アーキテクチャ
高精度合成環境
GRAILは、分割ベルトトレッドミル、180度仮想現実（VR）ディスプレイ、およびモーションキャプチャシステムを統合して機能します。この統合により、「生態学的妥当性」のある環境が作成されます。これは、厳密な実験室管理を維持しながら、現実世界の複雑さをシミュレートすることを意味します。
同期データ収集
システムの強みは、運動学的（動き）および運動力学的（力）データをリアルタイムで収集できる能力にあります。この同期により、視覚的または物理的な刺激に応答して関節が行うすべての微調整がミリ秒単位の精度で記録されることが保証されます。
被験者の安全確保
GRAILの重要な機能は、不安定性に対する安全な空間を提供することです。安全ハーネスと制御されたトレッドミル機構を使用することにより、研究者は実際の転倒や怪我のリスクなしに、被験者を身体的限界まで追い込むことができます。
代償生体力学の定量化
特定の摂動の誘発
代償効果を理解するために、GRAILはデュアルベルトトレッドミルを使用して滑りや転倒を正確に誘発します。一方のベルトまたは他方のベルトの速度を突然変更することにより、システムは下肢関節に即座に反応して平衡を取り戻すことを強制します。
反応戦略の分析
摂動が誘発されると、GRAILは被験者によって採用された生体力学的戦略を測定します。これには、足関節がどのように安定するか、膝関節が衝撃を吸収する方法、および股関節が重心を調整して突然のバランス喪失を代償する方法の定量化が含まれます。
リアルタイムバイオフィードバック
ラボのインタラクティブな性質により、即時のデータ視覚化が可能になります。これは、臨床医が代償効果が発生したときにそれを確認し、不安定な条件下でどの特定の関節が十分なサポートを提供できていないかを特定できることを意味します。
トレードオフの理解
生態学的妥当性とトレッドミル機構
GRAILはVRを通じて現実世界の環境をシミュレートしますが、トレッドミル歩行は機械的に異なります。これは、地面が足の下を移動するのではなく、人が地面の上を移動するため、自然な代償パターンをわずかに変化させる可能性があります。
データの複雑さと解釈
GRAILによって生成される大量のデータには、専門家による統合が必要です。主要な代償運動と二次的な「ノイズ」反応を区別するには、高度なモデリングと人間の解剖学に関する深い理解が必要です。
適切な評価戦略の選択
下肢の代償を評価するには、システムの機能を特定の臨床的または研究目標に合わせる必要があります。
- 反応性バランストレーニングが主な焦点の場合： システムを使用して、繰り返しランダム化された摂動を誘発し、関節の代償を担当する神経筋経路を強化します。
- 診断生体力学が主な焦点の場合： リアルタイムの運動力学データを利用して、被験者がバランスを崩したときにのみ現れる「サイレント」関節の欠陥を特定します。
- 義肢または装具のテストが主な焦点の場合： GRAILを活用して、特定のデバイスが残りの健康な関節の自然な代償戦略をどのように支援または妨げるかを確認します。
GRAILの不安定性を安全にシミュレートする能力を活用することで、体の複雑なバランス維持メカニズムをより深く理解することができます。
概要表：
| 特徴 | GRAILシステムにおける機能 | 代償評価への影響 |
|---|---|---|
| 分割ベルトトレッドミル | 制御された滑りや転倒を誘発する | 安定性テストのための反応性関節調整を強制する |
| 180° VRディスプレイ | 現実世界の環境をシミュレートする | 感覚運動統合をテストするための視覚的刺激を提供する |
| モーションキャプチャ | 運動学的および運動力学的データを記録する | 正確な関節角度と力の分布をキャプチャする |
| 安全ハーネス | 転倒防止システム | 怪我のリスクなしに身体的限界でのテストを可能にする |
| リアルタイムフィードバック | 即時のデータ視覚化 | 関節の欠陥の即時特定を可能にする |
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参考文献
- Xiping Ren, Thomas Tischer. Lower extremity joint compensatory effects during the first recovery step following slipping and stumbling perturbations in young and older subjects. DOI: 10.1186/s12877-022-03354-3
この記事は、以下の技術情報にも基づいています 3515 ナレッジベース .
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