Analysis of ground reaction force and electromyographic activity of the gastrocnemius muscle during double support

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Comparative analysis of the ground reaction forces, during the support phase, in a group of pregnant women on their 3rd trimester of pregnancy and in a group of not pregnant women

PURPOSE: To analyze and compare the Ground Reaction Forces (GRF), during the stance phase of walking in pregnant women in the 3rd trimester of pregnancy, and non pregnant women. METHODS: 20 women, 10 pregnant and 10 non pregnant, voluntarily took part in this study. GRF were measured (1000 Hz) using a force platform (BERTEC 4060-15), an amplifier (BERTEC AM 6300) and an analogical-digital converter of 16 Bits (Biopac). RESULTS: The study showed that there were significant differences among the two groups concerning absolute values of time of the stance phase. In what concerns to the normalized values the most significant differences were verified in the maximums values of vertical force (Fz3, Fz1) and in the impulse of the antero-posterior force (Fy2), taxes of growth of the vertical force, and in the period of time for the antero-posterior force (Fy) be null. CONCLUSIONS: It is easier for the pregnant to continue forward movement (push-off phase). O smaller growth rates in what concerns to the maximum of the vertical force (Fz1) for the pregnant, can be associated with a slower speed of gait, as an adaptation strategy to maintain the balance, to compensate the alterations in the position of her center of gravity due to the load increase. The data related to the antero-posterior component of the force (Fy), shows that there is a significant difference between the pregnant woman’s left foot and right foot, which accuses a different functional behavior in each one of the feet, during the propulsion phase (TS).

Ground reaction forces and plantar pressure distribution during occasional loaded gait

This study compared the ground reaction forces (GRF) and plantar pressures between unloaded and occasional loaded gait. The GRF and plantar pressures of 60 participants were recorded during unloaded gait and occasional loaded gait (wearing a backpack that raised their body mass index to 30); this load criterion was adopted because is considered potentially harmful in permanent loaded gait (obese people). The results indicate an overall increase (absolute values) of GRF and plantar pressures during occasional loaded gait (p < 0.05); also, higher normalized (by total weight) values in the medial midfoot and toes, and lower values in the lateral rearfoot region were observed. During loaded gait the magnitude of the vertical GRF (impact and thrust maximum) decreased and the shear forces increased more than did the proportion of the load (normalized values). These data suggest a different pattern of GRF and plantar pressure distribution during occasional loaded compared to unloaded gait.

In-shoe plantar pressures and ground reaction forces during overweight adults' overground walking

Purpose: Because walking is highly recommended for prevention and treatment of obesity and some of its biomechanical aspects are not clearly understood for overweight people, we compared the absolute and normalized ground reaction forces (GRF), plantar pressures, and temporal parameters of normal-weight and overweight participants during overground walking. Method: A force plate and an in-shoe pressure system were used to record GRF, plantar pressures (foot divided in 10 regions), and temporal parameters of 17 overweight adults and 17 gender-matched normal-weight adults while walking. Results: With high effect sizes, the overweight participants showed higher absolute medial-lateral and vertical GRF and pressure peaks in the central rearfoot, lateral midfoot, and lateral and central forefoot. However, analyzing normalized (scaled to body weight) data, the overweight participants showed lower vertical and anterior-posterior GRF and lower pressure peaks in the medial rearfoot and hallux, but the lateral forefoot peaks continued to be greater compared with normal-weight participants. Time of occurrence of medial-lateral GRF and pressure peaks in the midfoot occurred later in overweight individuals. Conclusions: The overweight participants adapted their gait pattern to minimize the consequences of the higher vertical and propulsive GRF in their musculoskeletal system. However, they were not able to improve their balance as indicated by medial-lateral GRF. The overweight participants showed higher absolute pressure peaks in 4 out of 10 foot regions. Furthermore, the normalized data suggest that the lateral forefoot in overweight adults was loaded more than the proportion of their extra weight, while the hallux and medial rearfoot were seemingly protected.

The influence of gait cadence on the ground reaction forces and plantar pressures during load carriage of young adults

Biomechanical gait parameters—ground reaction forces (GRFs) and plantar pressures—during load carriage of young adults were compared at a low gait cadence and a high gait cadence. Differences between load carriage and normal walking during both gait cadences were also assessed. A force plate and an in-shoe plantar pressure system were used to assess 60 adults while they were walking either normally (unloaded condition) or wearing a backpack (loaded condition) at low (70 steps per minute) and high gait cadences (120 steps per minute). GRF and plantar pressure peaks were scaled to body weight (or body weight plus backpack weight). With medium to high effect sizes we found greater anterior-posterior and vertical GRFs and greater plantar pressure peaks in the rearfoot, forefoot and hallux when the participants walked carrying a backpack at high gait cadences compared to walking at low gait cadences. Differences between loaded and unloaded conditions in both gait cadences were also observed.

Reorganização dos componentes neuro-motores com influência na marcha em indivíduos com lesão do sistema nervoso central - impacto funcional

Objectivo: Avaliar o impacto qualitativo de um programa de intervenção em fisioterapia, segundo o Conceito de Bobath, nas actividades e participação de dois indivíduos com lesão do Sistema Nervoso Central. Avaliar as modificações no comportamento da actividade muscular ao longo da fase de apoio do ciclo da marcha, na força de reacção ao solo e respectiva contribuição muscular. Metodologia: A avaliação realizou-se antes e após um programa de intervenção, segundo a abordagem do Conceito de Bobath, através da Classificação Internacional de Funcionalidade, Incapacidade e Saúde, electromiografia, plataforma de forças e máquina fotográfica. Resultados: Obteve-se melhorias na restrição da participação e na limitação da actividade. Verifica-se uma tendência de modificação do comportamento muscular ao longo da fase de apoio e na componente antero-posterior (Fy), mais evidente no mecanismo de aceleração. A mudança na contribuição muscular para a este mecanismo é mais evidente. Conclusão: O programa de intervenção, segundo o Conceito de Bobath, induziu mudanças positivas quanto à funcionalidade dos indivíduos, reflectindo-se na possibilidade de reorganização dos componentes neuro-motores em indivíduos com lesão do Sistema Nervoso Central.

Force and pressure analysis during occasional loaded gait

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Ankle dynamic in stroke patients: agonist vs. antagonist muscle relations

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Comfort and functionality of pregnant women's feet study of kinetic parameters with silicon insoles

As gestantes, fruto das suas alterações fisiológicas e biomecânicas, constituem uma população de risco relativamente a dores ou lesões do sistema músculo-esquelético, nomeadamente, nos membros inferiores e coluna. Os objectivos deste estudo consistiram em avaliar: (i) a dor e o conforto dos pés durante a marcha: sem o uso de qualquer palmilha nas gestantes e no grupo de controlo; com a aplicação de uma palmilha de retropé e com a aplicação de uma palmilha completa (nas gestantes); (ii) a distribuição das pressões plantares e, (iii) as forças de reacção do solo nas mesmas condições experimentais. Avaliámos ainda a duração das diferentes fases do ciclo de marcha nas gestantes, com e sem palmilhas, e no grupo de controlo, sem o uso de palmilha. Os nossos resultados mostraram que: (i) as gestantes demoram mais tempo a completar a fase de apoio da marcha, (ii) têm um aumento significativo de dores nos pés, face ao grupo de controlo, (iii) as gestantes sentem menos dor e mais conforto quando realizam marcha, com palmilhas, especialmente com a palmilha completa, (iv) a palmilha completa redistribui as forças, diminui os valores de pressão e aumenta a área de contacto do pé com o solo. Os nossos resultados sugerem que, o uso da palmilha completa de silicone, durante a marcha, pode ser eficaz na melhoria da sintomatologia dolorosa e no aumento do conforto da grávida.

The influence of differente speeds on backpacker's gait kinectics

This study analyzed the influence of different speeds on ground reaction force’s (GRF), impulses and mean vertical force during gait of people submitted to occasional overload (backpack). A force plate was used to record the GRF data of 60 young adult subjects walking in two different cadences: 69 steps/min (slow gait) and 120 steps/min (fast gait). During the slow gait, the impact and propulsive impulses of vertical GRF, propulsive impulse of anterior-posterior GRF, impulse of medial-lateral GRF and duration of stance phase were larger than during the fast gait; the mean vertical force was the only variable that showed larger values during fast gait. Therefore, slow gait may present a larger possibility of blister development and gait unbalance, while the fast gait, even presenting a small impulse, seems to be more harmful to the musculoskeletal system.

Caracterização cinética e cinemática da marcha de indivíduos adultos obesos

O presente estudo apresenta a caracterização cinemática e cinética da marcha de indivíduos obesos. Envolveu instrumentos como Pedar-Novel, para recolha de dados da pressão plantar; Plataforma Bertec 4060-10, para dados de Força de Reacção ao Solo (FRS), Câmaras digitais Sony, 50Hz para ângulos do pé; IPAQ para dados de actividade física. Foram seleccionados individuos com IMC≥30Kg/m2, para o grupo experimental e com IMC≤ 30Kg/m2 para o grupo controlo. Os resultados mostraram pelos valores de FRS e respectivos tempos de ocorrência que indivíduos obesos, quando comparados com indivíduos eutróficos, exercem forças superiores ocasionando uma sobrecarga mecânica ao nível do sistema músculo-esquelético.

Influência do tipo de chuteira em variáveis preditoras do risco de entorse lateral do tornozelo

Introdução: No futebol, a entorse lateral do tornozelo (ELT) destaca-se como sendo a lesão mais prevalente. Potenciada pela variedade de chuteiras disponíveis no mercado e pela crescente utilização de relvados sintéticos, a interação entre o terreno e o calçado tem assumido elevada relevância como fator de risco para a ELT. A maior incidência de lesões na 2ª parte do jogo traduz a necessidade do estudo dessa interação durante tarefas que envolvam fadiga. Objetivo: Estudar a influência das chuteiras em variáveis preditoras do risco de ELT em relvado sintético sob duas condições: sem e com fadiga dos músculos eversores do tornozelo Métodos: Foi utilizada uma amostra de atletas saudáveis. Todos os indivíduos realizaram 3 séries de 5 saltos médio-laterais uni-podálicos, cada uma com 1 de 3 modelos de chuteiras (Turf, Hard e Firm ground) em duas condições: sem e com fadiga induzida pelo dinamómetro isocinético. Durante a tarefa, a atividade eletromiográfica do longo e curto peroniais, o valor das forças de reação do solo e o movimento do retro-pé (plano frontal), foram recolhidos e usados para calcular variáveis cinemáticas (eversão/inversão do tornozelo, o deslocamento e velocidade do centro de pressão), cinéticas (taxa de crescimento das forças de reação do solo) e neuromusculares (tempo de ativação muscular dos peroniais). Resultados: À exceção do tempo de ativação do curto peronial com o modelo Hard ground (sem fadiga vs com fadiga (p=0,050), não foram identificadas diferenças estatisticamente significativas nas variáveis preditoras de lesão, entre chuteiras, nem entre as duas condições avaliadas. Conclusão: Para o teste funcional escolhido e executado por atletas saudáveis em sintético de 3ª geração, nenhuma das chuteiras apresenta maior risco de lesão (com e sem fadiga), tendo em conta as variáveis em estudo.

Estudo comparativo entre criança com e sem joelhos valgos praticantes de hóquei em patins utilizando diferentes sistemas de análise

O presente estudo tem como objetivo comparar experimentalmente duas crianças praticantes de Hóquei em Patins, uma normal e uma com a patologia dos joelhos valgos, avaliando qualitativamente as diferenças posturais, estáticas e dinâmicas, decorrentes da utilização dos patins específicos desta modalidade, através do sistema de análise da Força de Reação do Solo (FRS), de Eletromiografia (EMG), de captura de movimento, e de modelação e simulação. Para atingir o objetivo definiu-se um protocolo de ensaios com as seguintes tarefas: repouso com e sem patins, marcha, corrida, deslizar com os dois pés apoiados e deslizar com o pé esquerdo levantado. No repouso avaliou-se a variação do ponto de aplicação da FRS da criança normal e patológica, com e sem patins. Ainda na tarefa de repouso avaliou-se também as componentes médio-lateral, antero-posterior individualmente e a componente vertical da FRS, juntamente com a atividade muscular dos músculos Gastrocnémio Medial (GM), Recto Femoral (RF), Vasto Medial (VM), Vasto Lateral (VL), Bicípete Femoral (BF), Semitendinoso (ST), Tensor da Fascia Lata (TFL), Gastrocnémio Lateral (GL), de forma a comparar os valores de intensidade de FRS e da atividade muscular dos diferentes instantes de tempo desta tarefa. Para as restantes tarefas apenas se avaliou individualmente as componentes médio-lateral e antero-posterior da FRS e a componente vertical da FRS juntamente com a atividade muscular dos referidos músculos, salientando as diferenças evidentes entre as curvas da criança normal e as curvas da criança patológica durante os diferentes instantes do movimento. Todas as tarefas referidas, exceto a tarefa de repouso com patins, foram ainda simuladas recorrendo a modelos músculo-esqueléticos. A partir destas simulações do movimento obtiveram-se os ângulos articulares e efetuou-se a respetiva análise. No final dos resultados obtidos apresentou-se uma tabela de resumo com o cálculo dos coeficientes de variação de cada grandeza, exceto nos gráficos da posição no espaço da FRS, onde se constatou que existe uma grande variabilidade inter-individuo em cada tarefa. A análise dos resultados de cada tarefa permite concluir que a utilização de patins pode trazer uma maior ativação muscular para a criança patológica, embora se verifique instabilidade articular. Apesar dessa instabilidade pode-se inferir que, uma maior ativação muscular decorrente da utilização de patins, tal como acontece na prática do hóquei em patins, pode trazer uma melhoria, a longo prazo, na estabilidade da articulação do joelho e na sustentação corporal, proporcionada pelo fortalecimento muscular.

Influence of long-term wearing of unstable shoes on compensatory control of posture: An electromyography-based analysis

Purpose: This study investigated the influence of long-term wearing of unstable shoes (WUS) on compensatory postural adjustments (CPA) to an external perturbation. Methods: Participants were divided into two groups: one wore unstable shoes while the other wore conventional shoes for 8 weeks. The ground reaction force signal was used to calculate the anterior– posterior (AP) displacement of the centre of pressure (CoP) and the electromyographic signal of gastrocnemius medialis (GM), tibialis anterior (TA), rectus femoris (RF) and biceps femoris (BF) muscles was used to assess individual muscle activity, antagonist co-activation and reciprocal activation at the joint (TA/GM and RF/(BF + GM) pairs) and muscle group levels (ventral (TA + RF)/dorsal (GM + BF) pair) within time intervals typical for CPA. The electromyographic signal was also used to assess muscle latency. The variables described were evaluated before and after the 8-week period while wearing the unstable shoes and barefoot. Results: Long-term WUS led to: an increase of BF activity in both conditions (barefoot and wearing the unstable shoes); a decrease of GM activity; an increase of antagonist co-activation and a decrease of reciprocal activation level at the TA/GM and ventral/dorsal pairs in the unstable shoe condition. Additionally, WUS led to a decrease in CoP displacement. However, no differences were observed in muscle onset and offset. Conclusion: Results suggest that the prolonged use of unstable shoes leads to increased ankle and muscle groups’ antagonist co-activation levels and higher performance by the postural control system.

Interlimb relation during the double support phase of gait: an electromyographic, mechanical and energy based analysis

The purpose of this study is to analyse the interlimb relation and the influence of mechanical energy on metabolic energy expenditure during gait. In total, 22 subjects were monitored as to electromyographic activity, ground reaction forces and VO2 consumption (metabolic power) during gait. The results demonstrate a moderate negative correlation between the activity of tibialis anterior, biceps femoris and vastus medialis of the trailing limb during the transition between midstance and double support and that of the leading limb during double support for the same muscles, and between these and gastrocnemius medialis and soleus of the trailing limb during double support. Trailing limb soleus during the transition between mid-stance and double support was positively correlated to leading limb tibialis anterior, vastus medialis and biceps femoris during double support. Also, the trailing limb centre of mass mechanical work was strongly influenced by the leading limbs, although only the mechanical power related to forward progression of both limbs was correlated to metabolic power. These findings demonstrate a consistent interlimb relation in terms of electromyographic activity and centre of mass mechanical work, being the relations occurred in the plane of forward progression the more important to gait energy expenditure.