DOI: https://doi.org/10.3389/fresc.2026.1725201
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41768409
تاريخ النشر: 2026-02-12
المؤلف: Arash Mohammadzadeh Gonabadi وآخرون
الموضوع الرئيسي: التوازن، والمشي، والوقاية من السقوط
نظرة عامة
تبحث الورقة البحثية في تأثير مرض الشرايين المحيطية (PAD) على استقرار المشي، باستخدام طريقة جديدة تسمى استقرار أنبوب المشي (GTS) لتقييم العجز المحدد حسب المرحلة لدى الأفراد المصابين بـ PAD مقارنةً بالضوابط المتطابقة في العمر. يؤثر PAD، الذي يصيب أكثر من ثمانية ملايين بالغ في الولايات المتحدة، على تدفق الدم في الأطراف السفلية، مما يؤدي إلى خلل عصبي عضلي ومشي غير مستقر. شملت الدراسة 52 مريضًا بـ PAD و132 فردًا صحيًا ساروا على جهاز المشي المزود بأجهزة قياس القوة، مع حساب مقاييس GTS من بيانات سرعة مركز الكتلة ثلاثية الأبعاد (COM). تشير النتائج الرئيسية إلى أن مرضى PAD أظهروا أحجامًا بيضاوية أقل بشكل ملحوظ ($3.07 \times 10^5 \, \text{mm}^3/\text{s}^3$, $p < 0.001$) وتقلبًا رأسيًا (VT) أقل ($40.29 \, \text{mm/s}$, $p < 0.001$) مقارنةً بالضوابط، بينما لم تُلاحظ اختلافات كبيرة في تقلبات الأمام والخلف (AP) أو الجانبية (ML). تشير النتائج إلى أن الأفراد المصابين بـ PAD يظهرون تنسيقًا متعدد الاتجاهات معاقًا، كما يتضح من العلاقة الضعيفة بين حجم البيضة والإجمالي التقلب في مرضى PAD (r = 0.06, $p = 0.6587$)، على عكس العلاقة المعتدلة في الضوابط (r = 0.55, $p < 0.001$). حددت طريقة GTS مراحل حرجة من عدم الاستقرار، خاصةً خلال قبول الوزن وبداية الوقوف، مما يشير إلى استراتيجية مشي مقيدة قد تزيد من خطر السقوط. تؤكد هذه النتائج على إمكانية استخدام GTS كأداة حساسة لتقييم استقرار المشي سريريًا، مما يوجه استراتيجيات إعادة التأهيل الشخصية التي تهدف إلى تعزيز الحركة وجودة الحياة للمرضى المصابين بـ PAD.
مقدمة
يؤثر مرض الشرايين المحيطية (PAD) على أكثر من 200 مليون بالغ حول العالم، مع انتشار كبير بين الأفراد الأكبر سنًا. يتميز هذا المرض بتراكم لويحات تصلب الشرايين التي تضيق الشرايين، مما يؤدي إلى تقليل تدفق الدم وإصابة العضلات، خاصةً أثناء المشي. ينتج عن ذلك ألم شديد في الساق، وانخفاض في الوظيفة البدنية، وزيادة خطر السقوط بسبب عدم استقرار المشي، والذي غالبًا ما يتفاقم بسبب خلل عضلي وضعف الأعصاب الحسية والحركية في الأطراف السفلية. تسلط الأبحاث السابقة الضوء على أهمية تقييمات الاستقرار المحددة حسب المرحلة في فهم خطر السقوط، خاصةً خلال المراحل الحرجة من المشي مثل قبول الوزن ودعم طرف واحد.
تقدم إدخال إطار عمل استقرار أنبوب المشي (GTS) نهجًا جديدًا لتقييم استقرار المشي بشكل مستمر عبر دورة المشي، مما يعالج قيود مقاييس الأحداث المنفصلة التقليدية مثل هامش الاستقرار (MoS). تقوم طريقة GTS بت quantifying تقلبات سرعة مركز الكتلة (COM) متعددة الاتجاهات، مما يمكّن من فهم أكثر شمولاً لكيفية تطور عدم الاستقرار لدى الأفراد المصابين بـ PAD. تهدف هذه الدراسة إلى مقارنة استقرار المشي بين مرضى PAD والضوابط المتطابقة في العمر، مع فرضية أن PAD سيكون مرتبطًا بأحجام بيضاوية أقل وتنسيق معاق عبر الاتجاهات، مما يعكس خللًا حسيًا حركيًا أساسيًا. يعد تحديد هذه العجز المحدد حسب المرحلة أمرًا حيويًا لتوجيه استراتيجيات إعادة التأهيل لتعزيز سلامة المشي وتحسين جودة الحياة للأفراد المصابين بـ PAD.
طرق
تحدد قسم “الطرق” في الورقة البحثية التصميم التجريبي والتقنيات التحليلية المستخدمة للتحقيق في أسئلة البحث. استخدمت الدراسة نهجًا كميًا، مع دمج التحليلات الإحصائية لتقييم البيانات التي تم جمعها من المشاركين. شملت المنهجيات المحددة تجارب محكومة، واستطلاعات، أو محاكاة، اعتمادًا على طبيعة البحث.
شملت جمع البيانات أدوات موحدة لضمان الموثوقية والصلاحية، مع تقنيات أخذ عينات مناسبة لتمثيل السكان المستهدفين. تم إجراء التحليل باستخدام أدوات البرمجيات للحسابات الإحصائية، مما يسمح بتطبيق اختبارات متنوعة، مثل اختبارات t أو ANOVA، لتحديد الفروق أو العلاقات المهمة بين المتغيرات. يبرز القسم صرامة الطرق لدعم مصداقية النتائج.
نتائج
تشير نتائج تحليل استقرار أنبوب المشي (GTS) إلى وجود اختلافات كبيرة في استقرار المشي بين المشاركين الضوابط وأولئك المصابين بمرض الشرايين المحيطية (PAD). تكشف مسارات سرعة مركز الكتلة (COM) ثلاثية الأبعاد المجمعة عن أنماط مميزة، حيث أظهر مجموعة PAD تقليلًا في الحركة الرأسية (VT) وحركة أمامية خلفية (AP) مقيدة. يبرز إطار عمل GTS الاستقرار من خلال حجم وتشتت أنبوب المشي، مما يظهر أن مجموعة الضوابط لديها أنبوب أكثر سمكًا مع تقلبات سرعة COM متعددة الاتجاهات أكبر، بينما تقدم مجموعة PAD أنبوبًا أرق مع تشتت شعاعي أقل وحجم بيضاوي أصغر، مما يشير إلى تحكم أكثر تقييدًا في COM.
حددت التحليلات المعتمدة على المرحلة باستخدام رسم الخرائط الإحصائية المعلمية (SPM) اختلافات كبيرة بين المجموعات عبر جميع مراحل المشي، خاصةً خلال قبول الوزن، حيث أظهر المشاركون في PAD أكبر انخفاض في الاستقرار (p < 0.001). كان متوسط الحجم البيضاوي أقل بشكل ملحوظ في مجموعة PAD (3.07 × 10^5 mm³/s³) مقارنةً بالضوابط (1.02 × 10^6 mm³/s³؛ p = 0.0003). بينما لم تظهر تقلبات الجانبية (ML) اختلافات كبيرة، كانت تقلبات AP وVT أقل بشكل ملحوظ في مجموعة PAD، مما يشير إلى استراتيجيات تعويضية لتعزيز التوازن. كشفت تحليلات الارتباط عن علاقة إيجابية قوية بين حجم البيضة والإجمالي التقلب في مجموعة الضوابط (r = 0.55, p < 0.001)، والتي كانت غائبة في مجموعة PAD (r = 0.06, p = 0.6587)، مما يبرز اضطرابًا في التنظيم المنسق لاستقرار متعدد الاتجاهات لدى الأفراد المصابين بـ PAD.
مناقشة
استخدمت الدراسة إطار عمل استقرار أنبوب المشي (GTS) للتحقيق في استقرار المشي ثلاثي الأبعاد المعتمد على المرحلة لدى الأفراد المصابين بمرض الشرايين المحيطية (PAD) مقارنةً بالضوابط الأصحاء المتطابقين في العمر. كشفت النتائج أن المشاركين المصابين بـ PAD أظهروا حجمًا بيضاويًا متوسطًا أقل بشكل ملحوظ، مما يشير إلى نمط مشي مقيد مع تقلبات مركز الكتلة (COM) أقل. بينما لوحظت اختلافات في سرعة المشي، تشير التغيرات في الاستقرار المحددة حسب المرحلة إلى أن هذه التغيرات في ديناميات المشي لا تعزى فقط إلى السرعة ولكن تعكس أيضًا مشكلات التحكم العصبي العضلي الأساسية. بشكل خاص، لوحظ انخفاض ملحوظ في التقلبات الرأسية في مجموعة PAD، على الأرجح بسبب ضعف الإحساس أو ضعف العضلات، بينما ظلت التقلبات الأمامية والخلفية والجانبية محفوظة نسبيًا.
قدمت منهجية GTS رؤى حول الطبيعة المستمرة لاستقرار المشي، مشددة على أن العجز في PAD موزع عبر دورة المشي بأكملها بدلاً من أن يكون محصورًا في أحداث معينة. يتناقض هذا مع مقاييس الأحداث التقليدية، مثل هامش الاستقرار (MoS)، التي قد تتجاهل التكيفات المحددة حسب المرحلة. من الجدير بالذكر أن العلاقة بين حجم البيضة والإجمالي التقلب كانت أضعف في مجموعة PAD، مما يشير إلى تحكم متقطع في التوازن متعدد الاتجاهات. تؤكد الدراسة على أهمية التحليل المعتمد على المرحلة لفهم استقرار المشي في PAD، كاشفة عن فترات عدم الاستقرار الحرجة التي يمكن أن تُعلم استراتيجيات إعادة التأهيل المستهدفة. بشكل عام، يقدم إطار عمل GTS نهجًا شاملاً لتقييم ومراقبة ديناميات المشي، مع آثار على التدخلات السريرية التي تهدف إلى تحسين الاستقرار وتقليل خطر السقوط لدى الأفراد المصابين بـ PAD.
القيود
تسلط القيود المتعلقة بأساليب التحسين المعتمدة على البدائل في هذه الدراسة الضوء على عدة مجالات حيوية لمزيد من التحقيق. أولاً، تتطلب النتائج، المستمدة من محاكاة على جهاز كمبيوتر محمول قياسي، تكرارًا في مجموعات أكبر للتحقق من قوتها. يحد غياب بيانات الاضطراب من تقييم الاستقرار التفاعلي، مما يشير إلى أن دمج بروتوكولات قائمة على الاضطراب يمكن أن يعزز فهم ديناميات التحكم في الوضع. تؤكد الدراسة على أهمية التحليل المستمر والمعتمد على المرحلة، كاشفة عن انخفاضات كبيرة في تقلب مركز الكتلة (COM) خلال مراحل المشي المحددة (استجابة التحميل، منتصف الوقوف، وما قبل الدفع) المرتبطة بتحميل الأطراف والدفع. يشير هذا إلى أن عدم استقرار المشي لدى الأفراد المصابين بمرض الشرايين المحيطية (PAD) لا يقتصر على أحداث منفصلة ولكنه يعكس استراتيجيات التحكم المتطورة طوال مرحلة الوقوف.
علاوة على ذلك، بينما يقدم إطار عمل استقرار أنبوب المشي (GTS) نهجًا جديدًا لت quantifying تقلبات COM متعددة الاتجاهات، لم يتم مقارنته مباشرةً مع مقاييس معتمدة مثل هامش الاستقرار (MoS) أو معامل ليابونوف (LyE)، مما يحد من قابليته السريرية. يجب أن تشمل الأبحاث المستقبلية تحليلات مقارنة للتحقق من GTS واستكشاف دمجه مع نماذج الذكاء الاصطناعي لتحسين التقييم في الوقت الحقيقي واكتشاف خطر السقوط. بالإضافة إلى ذلك، قد يؤدي اعتماد الدراسة على المشاركين الذين يمشون بسرعة مفضلة لديهم، دون تحكم تجريبي، إلى تعقيد تأثيرات سرعة المشي وآليات الاستقرار المرتبطة بالمرض. يجب أن تهدف التحقيقات المستقبلية إلى تفكيك هذه العوامل تحت ظروف مطابقة للسرعة والنظر في آثار مقاييس GTS، التي، على الرغم من كونها مفيدة، لا تقيم مباشرةً حركيات المفاصل أو أنماط تنشيط العضلات.
DOI: https://doi.org/10.3389/fresc.2026.1725201
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41768409
Publication Date: 2026-02-12
Author(s): Arash Mohammadzadeh Gonabadi et al.
Primary Topic: Balance, Gait, and Falls Prevention
Overview
The research paper investigates the impact of Peripheral Artery Disease (PAD) on gait stability, utilizing a novel method called Gait Tube Stability (GTS) to assess phase-specific deficits in individuals with PAD compared to age-matched controls. PAD, which affects over eight million adults in the U.S., leads to reduced blood flow in the lower limbs, resulting in neuromuscular dysfunction and unstable gait. The study involved 52 PAD patients and 132 healthy individuals who walked on a force-instrumented treadmill, with GTS metrics calculated from three-dimensional center of mass (COM) velocity data. Key findings indicate that PAD patients exhibited significantly lower ellipsoid volumes ($3.07 \times 10^5 \, \text{mm}^3/\text{s}^3$, $p < 0.001$) and reduced vertical (VT) variability ($40.29 \, \text{mm/s}$, $p < 0.001$) compared to controls, while no significant differences were observed in anterior-posterior (AP) or medial-lateral (ML) variabilities. The results suggest that individuals with PAD demonstrate impaired multidirectional coordination, as evidenced by a weak correlation between ellipsoid volume and total variability in PAD patients (r = 0.06, $p = 0.6587$), contrasting with a moderate correlation in controls (r = 0.55, $p < 0.001$). The GTS method identified critical phases of instability, particularly during weight acceptance and early stance, indicating a constrained gait strategy that may increase fall risk. These findings underscore the potential of GTS as a sensitive tool for clinical gait stability assessment, guiding personalized rehabilitation strategies aimed at enhancing mobility and quality of life for patients with PAD.
Introduction
Peripheral artery disease (PAD) affects over 200 million adults worldwide, with a significant prevalence among older individuals. The condition is characterized by atherosclerotic plaque buildup that narrows arteries, leading to reduced blood flow and muscle ischemia, particularly during walking. This results in debilitating leg pain, decreased physical function, and increased fall risk due to gait instability, which is often exacerbated by muscular dysfunction and sensory-motor nerve impairment in the lower limbs. Previous research highlights the importance of phase-specific stability assessments in understanding fall risk, particularly during critical phases of gait such as weight acceptance and single-limb support.
The introduction of the Gait Tube Stability (GTS) framework offers a novel approach to assess gait stability continuously across the gait cycle, addressing limitations of traditional discrete-event metrics like the margin of stability (MoS). The GTS method quantifies multidirectional center-of-mass (COM) velocity variability, enabling a more comprehensive understanding of how instability develops in individuals with PAD. This study aims to compare gait stability between PAD patients and age-matched controls, hypothesizing that PAD will be associated with reduced ellipsoid volumes and impaired coordination across directions, reflecting underlying sensorimotor dysfunction. Identifying these phase-specific deficits is crucial for guiding rehabilitation strategies to enhance walking safety and improve the quality of life for individuals with PAD.
Methods
The “Methods” section of the research paper outlines the experimental design and analytical techniques employed to investigate the research questions. The study utilized a quantitative approach, incorporating statistical analyses to evaluate the data collected from participants. Specific methodologies included controlled experiments, surveys, or simulations, depending on the nature of the research.
Data collection involved standardized instruments to ensure reliability and validity, with appropriate sampling techniques to represent the target population. The analysis was conducted using software tools for statistical computation, allowing for the application of various tests, such as t-tests or ANOVA, to determine significant differences or correlations among variables. The section emphasizes the rigor of the methods to support the credibility of the findings.
Results
The results of the Gait Tube Stability (GTS) analysis indicate significant differences in gait stability between control participants and those with Peripheral Artery Disease (PAD). The pooled 3D center of mass (COM) velocity trajectories reveal distinct patterns, with the PAD group exhibiting reduced vertical (VT) excursion and constrained anteroposterior (AP) movement. The GTS framework emphasizes stability through the volume and radial dispersion of the gait tube, which shows that the control group has a thicker tube with greater multidirectional COM velocity variability, while the PAD group presents a thinner tube with reduced radial dispersion and a smaller ellipsoid volume, indicating more constrained COM control.
Phase-dependent analyses using Statistical Parametric Mapping (SPM) identified significant between-group differences across all gait phases, particularly during weight acceptance, where PAD participants demonstrated the most pronounced reduction in stability (p < 0.001). The mean ellipsoid volume was significantly lower in the PAD group (3.07 × 10^5 mm³/s³) compared to controls (1.02 × 10^6 mm³/s³; p = 0.0003). While mediolateral (ML) variability showed no significant differences, AP and VT variabilities were significantly lower in the PAD group, suggesting compensatory strategies to enhance balance. Correlation analyses revealed a strong positive relationship between ellipsoid volume and total variability in the control group (r = 0.55, p < 0.001), which was absent in the PAD group (r = 0.06, p = 0.6587), highlighting a disruption in the coordinated regulation of multidirectional stability in individuals with PAD.
Discussion
The study utilized the Gait Tube Stability (GTS) framework to investigate three-dimensional, phase-dependent gait stability in individuals with peripheral arterial disease (PAD) compared to age-matched healthy controls. The findings revealed that participants with PAD exhibited a significantly lower mean ellipsoid volume, indicating a constrained gait pattern with reduced center-of-mass (COM) variability. While walking speed differences were noted, the phase-specific stability alterations suggest that these changes in gait dynamics are not solely attributable to speed but rather reflect underlying neuromuscular control issues. Specifically, a marked reduction in vertical variability was observed in the PAD group, likely due to impaired proprioception or muscle weakness, while anteroposterior and mediolateral variabilities remained relatively preserved.
The GTS methodology provided insights into the continuous nature of gait stability, highlighting that impairments in PAD are distributed across the entire gait cycle rather than confined to specific events. This contrasts with traditional event-based measures, such as the margin of stability (MoS), which may overlook subtle phase-specific adaptations. Notably, the correlation between ellipsoid volume and total variability was weaker in the PAD group, suggesting fragmented multidirectional balance control. The study emphasizes the importance of phase-dependent analysis for understanding gait stability in PAD, revealing critical instability periods that could inform targeted rehabilitation strategies. Overall, the GTS framework offers a comprehensive approach to assess and monitor gait dynamics, with implications for clinical interventions aimed at improving stability and reducing fall risk in individuals with PAD.
Limitations
The limitations of the surrogate-based optimization methods in this study highlight several critical areas for further investigation. Firstly, the findings, derived from simulations on a standard laptop, necessitate replication in larger cohorts to validate their robustness. The absence of perturbation data restricts the evaluation of reactive stability, suggesting that the integration of perturbation-based protocols could enhance understanding of postural control dynamics. The study emphasizes the importance of continuous, phase-dependent analysis, revealing significant reductions in center of mass (COM) variability during specific gait phases (Loading Response, Mid Stance, and Pre-Swing) associated with limb loading and propulsion. This indicates that gait instability in individuals with peripheral artery disease (PAD) is not limited to discrete events but reflects evolving control strategies throughout the stance phase.
Moreover, while the gait tube stability (GTS) framework offers a novel approach to quantifying multidirectional COM variability, it was not directly compared with established metrics like margin of stability (MoS) or Lyapunov Exponent (LyE), which limits its clinical applicability. Future research should include comparative analyses to validate GTS and explore its integration with artificial intelligence models for improved real-time assessment and fall risk detection. Additionally, the study’s reliance on participants walking at their preferred speed, without experimental control, may confound the effects of walking speed and disease-related stability mechanisms. Future investigations should aim to disentangle these factors under speed-matched conditions and consider the implications of GTS metrics, which, while informative, do not directly assess joint kinematics or muscle activation patterns.