Effects of Three Types of Exercise Interventions on Healthy Old Adults' Gait Speed : A Systematic Review and Meta-Analysis.

BACKGROUND: Habitual walking speed predicts many clinical conditions later in life, but it declines with age. However, which particular exercise intervention can minimize the age-related gait speed loss is unclear. PURPOSE: Our objective was to determine the effects of strength, power, coordination, and multimodal exercise training on healthy old adults' habitual and fast gait speed. METHODS: We performed a computerized systematic literature search in PubMed and Web of Knowledge from January 1984 up to December 2014. Search terms included 'Resistance training', 'power training', 'coordination training', 'multimodal training', and 'gait speed (outcome term). Inclusion criteria were articles available in full text, publication period over past 30 years, human species, journal articles, clinical trials, randomized controlled trials, English as publication language, and subject age ≥65 years. The methodological quality of all eligible intervention studies was assessed using the Physiotherapy Evidence Database (PEDro) scale. We computed weighted average standardized mean differences of the intervention-induced adaptations in gait speed using a random-effects model and tested for overall and individual intervention effects relative to no-exercise controls. RESULTS: A total of 42 studies (mean PEDro score of 5.0 ± 1.2) were included in the analyses (2495 healthy old adults; age 74.2 years [64.4-82.7]; body mass 69.9 ± 4.9 kg, height 1.64 ± 0.05 m, body mass index 26.4 ± 1.9 kg/m(2), and gait speed 1.22 ± 0.18 m/s). The search identified only one power training study, therefore the subsequent analyses focused only on the effects of resistance, coordination, and multimodal training on gait speed. The three types of intervention improved gait speed in the three experimental groups combined (n = 1297) by 0.10 m/s (±0.12) or 8.4 % (±9.7), with a large effect size (ES) of 0.84. Resistance (24 studies; n = 613; 0.11 m/s; 9.3 %; ES: 0.84), coordination (eight studies, n = 198; 0.09 m/s; 7.6 %; ES: 0.76), and multimodal training (19 studies; n = 486; 0.09 m/s; 8.4 %, ES: 0.86) increased gait speed statistically and similarly. CONCLUSIONS: Commonly used exercise interventions can functionally and clinically increase habitual and fast gait speed and help slow the loss of gait speed or delay its onset.

Response of the arterial blood pressure of quadriplegic patients to treadmill gait training

Blood pressure pattern was analyzed in 12 complete quadriplegics with chronic lesions after three months of treadmill gait training. Before training, blood pressure values were obtained at rest, during treadmill walking and during the recovery phase. Gait training was performed for 20 min twice a week for three months. Treadmill gait was achieved using neuromuscular electrical stimulation, assisted by partial body weight relief (30-50%). After training, blood pressure was evaluated at rest, during gait and during recovery phase. Before and after training, mean systolic blood pressures and heart rates increased significantly during gait compared to rest (94.16 ± 5.15 to 105 ± 5.22 mmHg and 74.27 ± 10.09 to 106.23 ± 17.31 bpm, respectively), and blood pressure decreased significantly in the recovery phase (86.66 ± 9.84 and 57.5 ± 8.66 mmHg, respectively). After three months of training, systolic blood pressure became higher at rest (94.16 ± 5.15 mmHg before training and 100 ± 8.52 mmHg after training; P < 0.05) and during gait exercise (105 ± 5.22 mmHg before and 110 ± 7.38 mmHg after training; P < 0.05) when compared to the initial values, with no changes in heart rate. No changes occurred in blood pressure during the recovery phase, with the lower values being maintained. A drop in systolic pressure from 105 ± 5.22 to 86.66 ± 9.84 mmHg before training and from 110 ± 7.38 to 90 ± 7.38 mmHg after training was noticed immediately after exercise, thus resulting in hypotensive symptoms when chronic quadriplegics reach the sitting position from the upright position.

Effect of treadmill gait on bone markers and bone mineral density of quadriplegic subjects

Quadriplegic subjects present extensive muscle mass paralysis which is responsible for the dramatic decrease in bone mass, increasing the risk of bone fractures. There has been much effort to find an efficient treatment to prevent or reverse this significant bone loss. We used 21 male subjects, mean age 31.95 ± 8.01 years, with chronic quadriplegia, between C4 and C8, to evaluate the effect of treadmill gait training using neuromuscular electrical stimulation, with 30-50% weight relief, on bone mass, comparing individual dual-energy X-ray absorptiometry responses and biochemical markers of bone metabolism. Subjects were divided into gait (N = 11) and control (N = 10) groups. The gait group underwent gait training for 6 months, twice a week, for 20 min, while the control group did not perform gait. Bone mineral density (BMD) of lumbar spine, femoral neck, trochanteric area, and total femur, and biochemical markers (osteocalcin, bone alkaline phosphatase, pyridinoline, and deoxypyridinoline) were measured at the beginning of the study and 6 months later. In the gait group, 81.8% of the subjects presented a significant increase in bone formation and 66.7% also presented a significant decrease of bone resorption markers, whereas 30% of the controls did not present any change in markers and 20% presented an increase in bone formation. Marker results did not always agree with BMD data. Indeed, many individuals with increased bone formation presented a decrease in BMD. Most individuals in the gait group presented an increase in bone formation markers and a decrease in bone resorption markers, suggesting that gait training, even with 30-50% body weight support, was efficient in improving the bone mass of chronic quadriplegics.

Biomechanics and structural adaptations of the rat femur after hindlimb suspension and treadmill running

We microscopically and mechanically evaluated the femurs of rats subjected to hindlimb unloading (tail suspension) followed by treadmill training. Female Wistar rats were randomly divided into five groups containing 12-14 rats: control I (118 days old), control II (139 days old), suspended (tail suspension for 28 days), suspended-released (released for 21 days after 28 days of suspension), and suspended-trained (trained for 21 days after 28 days of suspension). We measured bone resistance by bending-compression mechanical tests of the entire proximal half of the femur and three-point bending tests of diaphyseal cortical bone. We determined bone microstructure by tetracycline labeling of trabecular and cortical bone. We found that tail suspension weakened bone (ultimate load = 86.3 ± 13.5 N, tenacity modulus = 0.027 ± 0.011 MPa·m vs ultimate load = 101.5 ± 10.5 N, tenacity modulus = 0.019 ± 0.006 MPa·m in control I animals). The tenacity modulus for suspended and released animals was 0.023 ± 0.010 MPa·m vs 0.046 ± 0.018 MPa·m for trained animals and 0.035 ± 0.010 MPa·m for control animals. These data indicate that normal activity and training resulted in recovered bone resistance, but suspended-released rats presented femoral head flattening and earlier closure of the growth plate. Microscopically, we found that suspension inhibited new bone subperiosteal and endosteal formation. The bone disuse atrophy secondary to hypoactivity in rats can be reversed by an early regime of exercising, which is more advantageous than ordinary cage activities alone.

A simple method to assess freezing of gait in Parkinson's disease patients

Freezing of gait (FOG) can be assessed by clinical and instrumental methods. Clinical examination has the advantage of being available to most clinicians; however, it requires experience and may not reveal FOG even for cases confirmed by the medical history. Instrumental methods have an advantage in that they may be used for ambulatory monitoring. The aim of the present study was to describe and evaluate a new instrumental method based on a force sensitive resistor and Pearson's correlation coefficient (Pcc) for the assessment of FOG. Nine patients with Parkinson's disease in the "on" state walked through a corridor, passed through a doorway and made a U-turn. We analyzed 24 FOG episodes by computing the Pcc between one "regular/normal" step and the rest of the steps. The Pcc reached ±1 for "normal" locomotion, while correlation diminished due to the lack of periodicity during FOG episodes. Gait was assessed in parallel with video. FOG episodes determined from the video were all detected with the proposed method. The computed duration of the FOG episodes was compared with those estimated from the video. The method was sensitive to various types of freezing; although no differences due to different types of freezing were detected. The study showed that Pcc analysis permitted the computerized detection of FOG in a simple manner analogous to human visual judgment, and its automation may be useful in clinical practice to provide a record of the history of FOG.

Three-dimensional kinematic analysis of upper and lower limb motion during gait of post-stroke patients

The aim of this study was to analyze the alterations of arm and leg movements of patients during stroke gait. Joint angles of upper and lower limbs and spatiotemporal variables were evaluated in two groups: hemiparetic group (HG, 14 hemiparetic men, 53 ± 10 years) and control group (CG, 7 able-bodied men, 50 ± 4 years). The statistical analysis was based on the following comparisons (P ≤ 0.05): 1) right versus left sides of CG; 2) affected (AF) versus unaffected (UF) sides of HG; 3) CG versus both the affected and unaffected sides of HG, and 4) an intracycle comparison of the kinematic continuous angular variables between HG and CG. This study showed that the affected upper limb motion in stroke gait was characterized by a decreased range of motion of the glenohumeral (HG: 6.3 ± 4.5, CG: 20.1 ± 8.2) and elbow joints (AF: 8.4 ± 4.4, UF: 15.6 ± 7.6) on the sagittal plane and elbow joint flexion throughout the cycle (AF: 68.2 ± 0.4, CG: 46.8 ± 2.7). The glenohumeral joint presented a higher abduction angle (AF: 14.2 ± 1.6, CG: 11.5 ± 4.0) and a lower external rotation throughout the cycle (AF: 4.6 ± 1.2, CG: 22.0 ± 3.0). The lower limbs showed typical alterations of the stroke gait patterns. Thus, the changes in upper and lower limb motion of stroke gait were identified. The description of upper limb motion in stroke gait is new and complements gait analysis.

Effets de l'application de charges aux membres inférieurs sur le patron de marche des personnes hémiparétiques chroniques

Placer une charge au niveau du membre inférieur est une approche sans fondement scientifique, utilisée par les cliniciens, pour renforcer certains muscles clés de la marche. Cette étude a déterminé les modifications du patron de marche lors de l’ajout d’une charge à la cheville parétique ou non parétique chez des personnes ayant une hémiparésie suite à un accident vasculaire cérébral et a comparé les résultats à ceux d’un groupe témoin. Il est supposé qu’une charge placée à la jambe parétique/non dominante (charge ipsilatérale) augmenterait les efforts (moments et puissance) à la hanche parétique/non dominante lors de l’oscillation et qu’une charge placée controlatéralement augmenterait les efforts lors de la phase d’appui principalement pour les abducteurs de hanche stabilisant le bassin dans le plan frontal. La marche avec et sans charge de cinq individus hémiparétiques chroniques et 5 personnes en santé a été analysée en laboratoire par l’enregistrement des forces de réaction du sol et des mouvements des membres inférieurs. Ces informations ont permis de calculer les paramètres temps-distance, les angles à la hanche parétique/non dominante et au tronc, les moments nets, les puissances et le travail mécanique à la hanche parétique/non dominante. Des tests statistiques non-paramétriques ont servi à déterminer l’effet de la condition, avec charge (ipsi- et controlatérale) ou sans charge et à comparer les résultats entre les deux groupes. L’ajout d’une charge n’a pas modifié la vitesse de marche des sujets. Les phases d’appui et d’oscillation étaient rendus plus symétriques par la charge, même si peu de différences apparaissaient dans le plan sagittal avec ou sans la charge. Dans le plan frontal, le moment abducteur de hanche des sujets hémiparétiques a diminué avec la charge controlatérale, tandis qu'il a augmenté chez les sujets en santé. L’utilisation d’une stratégie posturale ou dynamique au tronc pourrait expliquer la différence de l’effet de la charge sur le moment abducteur à la hanche. Au vu de ces résultats, il est nécessaire de poursuivre l’évaluation de cette approche de renforcement musculaire spécifique à la tâche avant d’en recommander son utilisation.

Apport d’une évaluation biomécanique 3D du genou dans la prise en charge orthopédique de patients ayant une rupture du ligament croisé antérieur

Parmi les blessures sportives reliées au genou, 20 % impliquent le ligament croisé antérieur (LCA). Le LCA étant le principal stabilisateur du genou, une lésion à cette structure engendre une importante instabilité articulaire influençant considérablement la fonction du genou. L’évaluation clinique actuelle des patients ayant une atteinte au LCA présente malheureusement des limitations importantes à la fois dans l’investigation de l’impact de la blessure et dans le processus diagnostic. Une évaluation biomécanique tridimensionnelle (3D) du genou pourrait s’avérer une avenue innovante afin de pallier à ces limitations. L’objectif général de la thèse est de démontrer la valeur ajoutée du domaine biomécanique dans (1) l’investigation de l’impact de la blessure sur la fonction articulaire du genou et dans (2) l’aide au diagnostic. Pour répondre aux objectifs de recherche un groupe de 29 patients ayant une rupture du LCA (ACLD) et un groupe contrôle de 15 participants sains ont pris part à une évaluation biomécanique 3D du genou lors de tâches de marche sur tapis roulant. L’évaluation des patrons biomécaniques 3D du genou a permis de démontrer que les patients ACLD adoptent un mécanisme compensatoire que nous avons intitulé pivot-shift avoidance gait. Cette adaptation biomécanique a pour objectif d’éviter de positionner le genou dans une condition susceptible de provoquer une instabilité antérolatérale du genou lors de la marche. Par la suite, une méthode de classification a été développée afin d’associer de manière automatique et objective des patrons biomécaniques 3D du genou soit au groupe ACLD ou au groupe contrôle. Pour cela, des paramètres ont été extraits des patrons biomécaniques en utilisant une décomposition en ondelettes et ont ensuite été classifiés par la méthode du plus proche voisin. Notre méthode de classification a obtenu un excellent niveau précision, de sensibilité et de spécificité atteignant respectivement 88%, 90% et 87%. Cette méthode a donc le potentiel de servir d’outil d’aide à la décision clinique. La présente thèse a démontré l’apport considérable d’une évaluation biomécanique 3D du genou dans la prise en charge orthopédique de patients présentant une rupture du LCA; plus spécifiquement dans l’investigation de l’impact de la blessure et dans l’aide au diagnostic.

Évaluation biomécanique de la locomotion à la suite d'une arthroplastie de la hanche

Depuis les dernières années, la prévalence de personnes souffrant de dégénérescence des cartilages articulaires, communément appelée ostéoarthrite (OA), ne cesse d’augmenter. Les douleurs articulaires et les raideurs musculaires associées à cette pathologie mènent à des limitations des capacités fonctionnelles, à une perte de mobilité et d’autonomie affectant grandement la qualité de vie de ces personnes. Afin de soulager les personnes souffrant de cette pathologie, l’arthroplastie de la hanche est une procédure chirurgicale fréquemment utilisée. À la suite de cette chirurgie, une amélioration de la qualité de vie et une reprise des capacités fonctionnelles sont souvent observées. Cependant, comparativement à des sujets sains, la vitesse de marche est diminuée, une faiblesse des muscles abducteurs de la hanche est constatée et des mouvements compensatoires au niveau du tronc sont persistants. L’objectif de cette thèse est d’évaluer le patron locomoteur chez des patients qui subiront une arthroplastie de la hanche. Plus spécifiquement, les adaptations locomotrices pré et post-opératoires seront quantifiées dans le but d’apporter des modifications aux programmes de réhabilitation pour ainsi favoriser un patron locomoteur sans déficit. Afin de répondre à cet objectif, trois études distinctes ont été effectuées. Dans le cadre de la première étude, l’impact de l’implantation d’une prothèse totale de la hanche avec une tête fémorale de large diamètre et une prothèse de resurfaçage a été évalué par rapport aux sujets sains lors de la locomotion. Au cours de cette étude, le contrôle du tronc a été analysé en utilisant la distance entre le centre de masse corporel et le centre articulaire de la hanche opérée. Suite aux résultats obtenus, aucune différence majeure n’existe entre les deux types de prothèses en ce qui a trait au contrôle du tronc et ce, à un an post-opératoire. Lors de la deuxième étude, la symétrie des paramètres biomécaniques des membres inférieurs lors de la locomotion chez des patients ayant bénéficié de l’implantation d’une prothèse de la hanche a été caractérisée suite à un programme d’exercices péri-opératoires (pré et post-opératoire). Lors de cette étude, le programme d’exercices péri-opératoires était complémentaire au protocole de réadaptation du centre hospitalier. D’après les résultats obtenus lors de cette étude exploratoire, ce programme d’exercices péri-opératoires semble permettre d’améliorer la symétrie de la puissance et du travail musculaire au niveau de la hanche, du genou et de la cheville favorisant ainsi un patron de marche avec de minimes compensations. Finalement, dans le cadre de la troisième étude, l’approche prédictive et l’approche fonctionnelle, utilisées pour localiser le centre articulaire de la hanche, ont été comparées aux mesures radiographiques, chez des patients à la suite d’un remplacement articulaire de la hanche. À la suite de cette étude, les résultats démontrent que l’utilisation de l’approche fonctionnelle est plus appropriée chez des patients ayant bénéficié d’une arthroplastie de la hanche. En effet, cette approche individualisée est plus précise ce qui, par conséquent, permettra d’obtenir des résultats de plus grande qualité lors d’analyses biomécaniques de la locomotion.

Rôle des informations proprioceptives dans l’équilibre à la marche chez les personnes en santé et hémiparétiques

L'utilisation des informations proprioceptives pour le contrôle de l’équilibre à la marche est encore mal comprise chez les sujets en santé ou hémiparétiques suite à un accident vasculaire cérébral. Le but de cette étude était d’évaluer le rôle des informations proprioceptives dans le maintien de l'équilibre à la marche chez les patients en santé et hémiparétiques. Une analyse de mouvement en trois dimensions a été faite chez treize participants en santé et six hémiparétiques qui marchaient sur un tapis roulant instrumenté pour déterminer leur difficulté à maintenir l’équilibre postural et dynamique, évaluée respectivement par les forces stabilisante et déstabilisante. Des vibrations étaient appliquées en continu ou pendant la phase d’appui sur les muscles postérieurs du cou et sur le triceps sural du côté non-dominant/parétique. La vibration continue ou à l’appui du triceps sural a diminué, chez les sujets en santé, la difficulté à maintenir l’équilibre dynamique et postural (p< 0,01), avec une position du corps plus en arrière, sans changement des paramètres temporels de marche. L'équilibre et les paramètres temporels de la marche n'étaient pas modifiés significativement par la vibration à la nuque (p>.17). Aucun effet des vibrations n'a été mesuré chez les patients hémiparétiques (p> 0,45). Les informations proprioceptives sont donc bien utilisées lors de la marche, mais leur rôle dépendrait des conditions de marche et des afférences visuelles disponibles. Un changement dans les capacités d’intégration expliquerait l'absence d'effet des vibrations chez les patients hémiparétiques. D’autres études sont nécessaires pour comprendre l’intégration des informations proprioceptives et visuelles dans le contrôle de l’équilibre à la marche.