Biomechanics of the transition from symmetrical to asymmetrical gaits in humans

Datum: 20 juni 2014

Locatie: UAntwerpen - Campus Drie Eiken - R4 - Universiteitsplein 1 - 2610 Wilrijk

Tijdstip: 16 uur

Organisatie / co-organisatie: Faculteit Wetenschappen

Promovendus: Pieter Fiers

Promotor: Prof. dr. Peter Aerts (UAnt§werpen); prof. dr. Dirk De Clercq (UGent)

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Pieter Fiers - Faculteit Wetenschappen



Abstract

De voortbeweging (locomotie) van mensen en dieren wordt gekenmerkt door verschillende gangtypes. De selectie van het gangtype is afhankelijk van meerdere factoren zoals de stabiliteit en wendbaarheid dat het gangtype biedt en de energetische en musculoskeletale belasting dat het met zich meebrengt. Hoewel mensen verschillende gangtypes kunnen uitvoeren, wordt er meestal gelopen wanneer men zich aan hogere snelheden wil voortbewegen. 

Lopen is een symmetrisch gangtype wat inhoudt dat zowel de tijd als de afstand die wordt afgelegd tussen opeenvolgende voetcontacten gelijk is en dat elk been dezelfde beweging uitvoert. In tegenstelling tot mensen, opteren de meeste vierpotigen voor galop om zich snel voort te bewegen. Galop is een asymmetrisch gangtype waarbij de poten in paren, weliswaar met een klein faseverschil, de grond raken. Binnen de voorpoten maar ook de achterpoten wordt er steeds één poot voor de andere gehouden. Zo wordt er binnen elk paar een leidende en een volgende poot onderscheiden, elk met eigen specifieke functies. De volgende poot raakt als eerste de grond waarna vrij snel de leidende poot wordt neergeplaatst. Nadien volgt een zweeffase waarbij beide poten gelijktijdig los zijn van de grond. Ook sommige dieren die zich op de achterpoten voortbewegen (bipedale locomotie) zoals bijvoorbeeld de sifaka en de ekster gebruiken een tweepotige galop bij snelle voortbeweging. Hoewel mensen dit bipedale patroon zonder moeite kunnen uitvoeren, doen ze dit niet, tenzij in heel specifieke situaties zoals bij het afdalen van een steile helling of trap.

In dit doctoraat wordt nagegaan waarom mensen niet spontaan galopperen voor snelle voortbeweging op het vlakke en waarom ze dit wel doen tijdens het afdalen van steile hellingen. Om deze vragen te beantwoorden, werden vier studies uitgevoerd.  Van elke studie worden de gebruikte methoden en resultaten besproken, waarna een discussie over deze resultaten volgt.  Nadien volgt een geïntegreerde discussie waarin de bovenvermelde vragen beantwoord worden en er uitgebreider wordt ingegaan op bepaalde aspecten van het onderzoek.

Om de eerste vraag te beantwoorden, lieten we proefpersonen aan een zelfgekozen snelheid lopen en galopperen terwijl hun bewegingen samen met de grondreactiekrachten werden geregistreerd.  Dit liet een gedetailleerde vergelijking van de mechanica van beide gangtypes toe. Daarenboven werd in een losstaand loopbandexperiment de energetische belasting van beide gangtypes bepaald. De biomechanische analyse toonde aan dat de specifieke voor-achter configuratie van de benen tijdens het galopperen een specifieke voetplaatsing en specifieke heupacties met zich meebrengt. Dit resulteert in een grotere energieabsorptie en -generatie in vergelijking met lopen waardoor zowel de energetische als de musculoskeletale belasting hoger is tijdens het galopperen dan tijdens het lopen. De heupbuigers van het volgende been en de heupstrekkers van het leidende been worden aanzienlijk meer belast wanneer men galoppeert dan wanneer men loopt. Deze bevindingen verklaren vermoedelijk waarom galopperen bij de mens ondergeschikt is aan lopen voor voortbeweging op het vlakke.

Om een antwoord op de tweede vraag te vinden, werden twee verschillende experimenten uitgevoerd: een eerste experiment waar gefocust werd op het bergafwaarts looppatroon en het galoppatroon zelf en een tweede experiment waarin de transities van wandelen naar galop onderzocht werden. 

In het eerste experiment liepen en galoppeerden proefpersonen van een steile helling naar beneden. Ook in dit experiment werden grondreactiekrachten samen met de lichaamsbewegingen geregistreerd waardoor de mechanica van beide gangtypes vergeleken kon worden. Tijdens het afdalen, versnelt een deel van de zwaartekracht het lichaam steeds bergafwaarts. Om aan een gecontroleerde snelheid af te dalen, moeten de benen deze versnellende impuls compenseren door energie te absorberen wat gebeurt door excentrische spierwerking. Hoe steiler de helling, hoe meer energie geabsorbeerd moet worden.  Tijdens het bergafwaarts lopen, absorberen de kniestrekkers de meeste energie wat zich dan ook laat voelen: spierstijfheid in de m. quadriceps. Analyses toonden aan dat wanneer mensen bergafwaarts galopperen in plaats van lopen, ze kortere passen nemen en er meer tijd wordt doorgebracht tijdens de steunfases. 

Bovendien maakt de specifieke configuratie van galop een functionele opdeling tussen beide benen mogelijk wat resulteert in een andere verdeling van de energieabsorptie over de gewrichten en dus spieren in vergelijking met lopen. Deze veranderingen ten opzichte van bergafwaarts lopen resulteren in lagere piekabsorptievermogens ter hoogte van de knie en kleinere hoeveelheden geabsorbeerde energie door de kniestrekkers van het leidende been, parameters die geassocieerd worden met spierstijfheid bij het afdalen. Verder vergemakkelijkt de meer verticale positie van het volgende been bij het neerkomen tijdens het galopperen een initieel voorvoetcontact waardoor de enkel meer energie absorbeert en de knie dus ontlast wordt. De helft van de proefpersonen vertoonde dergelijk initieel voorvoetcontact tijdens het galopperen terwijl tijdens het lopen haast alle proefpersonen de grond initieel met de achtervoet raakten. Er zijn dus duidelijke indicaties die aantonen dat de kniestrekkers minder belast worden tijdens bergafwaarts galopperen in vergelijking met het bergafwaarts lopen.

In het tweede experiment werden transities van wandelen naar lopen en van wandelen naar galop op het vlakke onderzocht. In tegenstelling tot de transitie van wandelen naar lopen, gebeurt de transitie van wandelen naar galop in twee stappen. Eerst laat het volgende been het lichaam in hoogte zakken maar versnelt het in de richting van voortbewegen. Vervolgens wordt door een blokkerende actie van het leidende been het lichaam in de richting van voortbeweging vertraagd maar wordt het in opwaartse richting versneld wat resulteert in een eerste, hoge vlucht. Door het analyseren van de verschillen tussen deze transities op het vlakke werden inzichten verkregen die het ontstaan van spontane transities naar galop tijdens het afdalen mogelijks verklaren.  Zo is het waarschijnlijk dat de transitie van wandelen naar galop makkelijker uit te voeren is tijdens het afdalen dan op het vlakke. Bovendien zou het zelfs kunnen dat de transitie naar galop tijdens het afdalen bepaalde voordelen heeft ten opzichte van deze naar lopen.  Dit enkel op voorwaarde dat de transities op eenzelfde manier gebeuren bij het afdalen als op het vlakke.

De tijdens dit doctoraat uitgevoerde experimenten duiden verschillende mogelijke redenen aan waarom galop bergafwaarts spontaan voorkomt. Deze reden zijn in het galoppatroon zelf gesitueerd alsook in de transitie naar dit patroon.

Hoewel dit doctoraat mogelijke redenen aanbrengt waarom mensen enkel in bepaalde situaties spontaan galopperen, zijn er nog andere mogelijkheden die niet werden onderzocht. Verder viel vooral het belang van de heup in het sturen van deze bewegingen op. Onderzoek naar menselijke locomotie in het algemeen dient steeds zowel de enkel als knie en heup in de analyses te betrekken, iets wat momenteel niet altijd gebeurt omwille van de praktische moeilijkheden die registratie van het heupgewricht met zich meebrengt.