DOI: https://doi.org/10.3389/fneur.2025.1685247
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41573397
تاريخ النشر: 2026-01-07
المؤلف: Sven Hunziker وآخرون
الموضوع الرئيسي: التوازن، والمشي، والوقاية من السقوط
نظرة عامة
في هذه الدراسة، قمنا بتحديد قيم مرجعية لمجموعة متنوعة من المعلمات الحركية المتعلقة بنقر الأصابع (TT) وتسارع الساق (LA) لدى المشاركين الشباب الأصحاء (HPs). ومن الجدير بالذكر أننا لاحظنا انخفاضًا خطيًا في معلمة الزاوية ومعلمة تردد مستقرة خلال مهمة نقر الأصابع التي استمرت 20 ثانية. تدعم هذه الاتجاهات، إلى جانب توفر بيانات كافية، التوصية بتقليل القياسات المستقبلية لهذه العنصر من مقياس تقييم مرض باركنسون الموحد (MDS-UPDRS-III) إلى 10 ثوانٍ. لتعزيز اتساق البيانات، نقترح استخدام مقياس زمني مضبوط على 2-3 هرتز خلال التقييمات. علاوة على ذلك، تدعو الدراسة إلى استخدام أحذية موحدة، حيث يمكن أن تؤثر اختلافات تصميم الأحذية على خصائص التخميد، وبالتالي، المعلمات المقاسة لتسارع العمودي والمتجه التسارعي المتكامل لـ LA.
بالإضافة إلى ذلك، قدمنا معلمات جديدة، بما في ذلك الارتعاش غير البعدي لـ TT، الذي يقيس سلاسة الحركة، وتسارع العمودي لـ LA. أظهرت هذه المعلمات حساسية محسنة للتغيرات الحركية الدقيقة، لا سيما فيما يتعلق بالاختلافات الحركية المرتبطة بمرض باركنسون (PD) وضعف رفع الساق. كشفت نتائجنا عن تباين أقل بكثير في قيم المعلمات مقارنة بالأدبيات الموجودة، على الأرجح بسبب تقنيات القياس المحسنة وعينة أكثر تجانسًا. نوصي بأن تميز التحليلات المستقبلية بين حركات الساق المهيمنة وغير المهيمنة لتقييم مستويات اللياقة البدنية والاختلافات العضلية بشكل أفضل، مما يمكّن من اكتشاف التغيرات الدقيقة في أداء الساق والتي تعتبر حاسمة لتقييم استجابة العلاج وتقدم المرض.
مقدمة
مرض باركنسون (PD) هو اضطراب عصبي تنكسي شائع يتميز بتدهور الخلايا العصبية الدوبامينية في العقد القاعدية، مما يؤدي إلى أعراض حركية وغير حركية كبيرة تؤثر سلبًا على جودة حياة المرضى. التقييم السريري لوظيفة الحركة في PD أمر بالغ الأهمية وعادة ما يتم إجراؤه باستخدام مقياس تقييم مرض باركنسون الموحد (MDS-UPDRS)، الذي يقيم خصائص حركية متنوعة. ومع ذلك، قد تختلف موثوقية المقاييس بين المقيمين في التطبيقات الواقعية، مما يبرز الحاجة إلى تقييمات كمية أكثر دقة ومعيارية لوظيفة الحركة.
تتناول هذه الدراسة قيود الأبحاث الحالية حول تحليل حركة الأطراف السفلية في PD من خلال استخدام إعداد مزدوج من المستشعرات (القدم والكاحل) لتعزيز توصيف تمارين نقر الأصابع (TT) ورشاقة الساق (LA). ركزت الدراسات السابقة بشكل أساسي على حركات الأطراف العلوية أو استخدمت مستشعرات فردية، مما قيد نطاق المعلمات القابلة للقياس. من خلال دمج وحدة قياس القصور الذاتي المثبتة على الكاحل (IMU)، تهدف هذه الأبحاث إلى التقاط خصائص الحركة العمودية الإضافية، مثل أنماط التسارع وسلاسة الحركة. تشمل الأهداف الرئيسية تقييم اتساق القياسات المستمدة من المستشعرات عبر المشاركين الأصحاء (HPs) وتقييم تأثير هيمنة الساق على هذه المعلمات. تفترض الدراسة أن انخفاض التباين في القياسات سيوفر قيم مرجعية معيارية، مما يساهم في إنشاء إطار قوي للمقارنات المستقبلية مع بيانات مرضى PD وتعزيز القدرات التشخيصية في البيئات السريرية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم إجراء النموذج التجريبي في مختبر FHNW في موتينز، سويسرا، حيث تم جلوس المشاركين في وضع محايد موحد لضمان الاتساق عبر التجارب. شارك كل مشارك في خمس تجارب مدتها 20 ثانية لعنصرين محددين من مقياس MDS-UPDRS-III: نقر الأصابع (TT العنصر 3.7) ورفع الساق (LA العنصر 3.8). للحفاظ على التوحيد، تم استخدام سجادة غير قابلة للانزلاق، وتم السماح للمشاركين بجلسة تدريب أولية للتكيف مع الحركات وتركيبات المستشعرات. خلال هذه الجلسة، أكد الفاحص على وظيفة المستشعر، وضبط سرعة الحركة، وتأكد من زوايا الدفلكسيا المناسبة.
تم عشوائية التجارب لجميع العناصر الأربعة، وتم تحقيق وضع دقيق للقدم من خلال وضع علامات على الأرض بشريط خلف كل حذاء. بالنسبة لمهمة TT، تم توجيه المشاركين لنقر أصابعهم على الأرض بأسرع ما يمكن وبأقصى قدر ممكن لمدة 20 ثانية. في مهمة LA، كان مطلوبًا من المشاركين رفع قدمهم وخبطها على الأرض بارتفاع لا يقل عن 20 إلى 30 سم، أيضًا لمدة 20 ثانية. تم تسجيل مدة الاختبار بدقة باستخدام مؤقت، مما يضمن قياسًا دقيقًا للأداء عبر التجارب.
النتائج
في هذه الدراسة، شارك ما مجموعه 23 مشاركًا في اختبار استمر حوالي ساعة لكل منهم، حيث أكملوا خمس تكرارات، مما أسفر عن إجمالي تراكمي قدره 230 تجربة لكل من الساق اليمنى واليسرى. تم تنفيذ عملية جمع البيانات باستخدام مستشعرات Xsens MTw Awinda بنجاح لجميع المشاركين عبر جميع التجارب، مما يضمن موثوقية البيانات المجمعة للتحليل اللاحق.
المناقشة
شملت الدراسة 23 مشاركًا بالغًا صحيًا (13 امرأة، 10 رجال) لتقييم مقاييس حركة الساق السفلية ذات الصلة بتقييم وظيفة الحركة لدى مرضى باركنسون (PD). كان المشاركون في الغالب من اليد اليمنى، بمتوسط عمر 24.2 عامًا. التزمت الدراسة بالإرشادات الأخلاقية واستخدمت وحدات قياس القصور الذاتي (IMUs) لالتقاط حركات الساق والقدم خلال مهام نقر الأصابع (TT) ورشاقة الساق (LA). استخدمت تحليل البيانات بايثون وR للتقييمات الإحصائية، كاشفة عن علاقة كبيرة بين تردد النقر والزاوية، مع انخفاض خطي في الزاوية بمرور الوقت وتردد ثابت نسبيًا خلال تمرين TT الذي استمر 20 ثانية.
أشارت النتائج الرئيسية إلى عدم وجود اختلافات كبيرة في أداء TT وLA بناءً على هيمنة الساق، مما يشير إلى أن كلا الساقين تظهران خصائص حركة مماثلة لدى المشاركين الأصحاء. قدمت المعلمات الجديدة، مثل الارتعاش غير البعدي (DLJ) والتسارع العمودي، رؤى حول سلاسة الحركة والديناميات، والتي قد تكون مفيدة في اكتشاف العجز الحركي لدى مرضى PD. توصي الدراسة بتقليل مدة TT إلى 10 ثوانٍ لتعزيز اتساق الأداء وامتثال المشاركين، بالإضافة إلى استخدام مقياس زمني لتوحيد سرعة النقر. سلطت المقارنات مع الأدبيات السابقة الضوء على الاختلافات في تنفيذ الحركة وخصائص المشاركين، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من التحقق من صحة هذه النتائج في السكان السريريين.
القيود
تقدم الدراسة عدة قيود منهجية تؤثر على تفسير نتائجها. أولاً، يقتصر تضمين المشاركين الشباب الأصحاء (HPs) فقط على قابلية تطبيق النتائج على السكان السريريين من مرضى باركنسون (PD)، الذين عادة ما يكونون أكبر سناً ويظهرون عجزًا حركيًا. بينما تؤسس الدراسة قيم مرجعية أولية، يجب أن تهدف الأبحاث المستقبلية إلى تطوير معايير مماثلة لكبار السن من HPs ومرضى PD. ثانيًا، لم يتم اختبار مدة التجربة البالغة 20 ثانية، مع اقتراح تقليلها إلى 10 ثوانٍ، لتأثيراتها على اتساق القياس وإرهاق المشاركين في مرضى PD، الذين من المحتمل أن يواجهوا تحديات وإرهاق أكبر مقارنةً بـ HPs الأصغر سنًا.
بالإضافة إلى ذلك، فإن غياب مقارنة مع معيار ذهبي، مثل أنظمة التقاط الحركة، يحد من التحقق الرسمي من دقة القياسات. على الرغم من أن الأبحاث السابقة التي أجراها Nijmeijer وآخرون تشير إلى وجود علاقة قوية بين قياسات زوايا مفاصل الأطراف السفلية المعتمدة على IMU وبيانات التقاط الحركة، إلا أن عدم وجود مقارنة مباشرة في هذه الدراسة يبقى فجوة ملحوظة. علاوة على ذلك، كشفت تحليلات الانحدار عن قيم $R^2$ منخفضة نسبيًا، مما يشير إلى أن نسبة ضئيلة فقط من التباين في الزاوية والتردد يمكن تفسيرها بواسطة النماذج. وهذا يشير إلى تباين كبير في البيانات، على الأرجح بسبب الاختلافات الفردية في السلوك الحركي، حتى بين المشاركين الأصحاء. بشكل جماعي، تؤكد هذه القيود على الحاجة إلى مزيد من الدراسات للتحقق من إعداد القياس في السكان السريريين، مما قد يتطلب تعديلات على عتبات تقسيم الحركة لمرضى PD واستكشاف آثار التعلم أو الإرهاق التي لم يتم تناولها في الدراسة الحالية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fneur.2025.1685247
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41573397
Publication Date: 2026-01-07
Author(s): Sven Hunziker et al.
Primary Topic: Balance, Gait, and Falls Prevention
Overview
In this study, we established reference values for various kinematic parameters related to toe tapping (TT) and leg acceleration (LA) in young healthy participants (HPs). Notably, we observed a linear decrease in the angle parameter and a stable frequency parameter during a 20-second TT task. This trend, along with the availability of sufficient data, supports the recommendation to reduce future measurements of this item from the MDS-UPDRS-III to 10 seconds. To enhance data consistency, we suggest employing a metronome set at 2-3 Hz during assessments. Furthermore, the study advocates for the use of standardized footwear, as variations in shoe design can affect the damping properties and, consequently, the measured parameters of vertical acceleration and the integral acceleration vector for LA.
Additionally, we introduced new parameters, including the dimensionless jerk for TT, which quantifies movement smoothness, and vertical acceleration for LA. These parameters demonstrated improved sensitivity to subtle motor changes, particularly regarding Parkinson’s disease (PD)-related motor asymmetries and leg lifting impairments. Our findings revealed significantly lower variability in parameter values compared to existing literature, likely due to refined measurement techniques and a more homogeneous sample. We recommend future analyses differentiate between movements of the dominant and non-dominant legs to better assess fitness levels and muscular differences, thereby enabling the detection of subtle changes in leg performance critical for evaluating treatment responses and disease progression.
Introduction
Parkinson’s disease (PD) is a prevalent neurodegenerative disorder characterized by the degeneration of dopaminergic neurons in the basal ganglia, leading to significant motor and non-motor symptoms that adversely affect patients’ quality of life. The clinical assessment of motor function in PD is crucial and is typically conducted using the Movement Disorder Society Unified Parkinson’s Disease Rating Scale (MDS-UPDRS), which evaluates various motor properties. However, the inter-rater reliability of this scale may vary in real-world applications, highlighting the need for more precise and standardized quantitative assessments of motor function.
This study addresses the limitations of existing research on lower limb movement analysis in PD by employing a dual-sensor setup (foot and ankle) to enhance the characterization of toe tapping (TT) and leg agility (LA) exercises. Previous studies have primarily focused on upper limb movements or used single sensors, which restricted the range of measurable parameters. By incorporating an ankle-mounted inertial measurement unit (IMU), this research aims to capture additional vertical movement characteristics, such as acceleration patterns and movement smoothness. The primary objectives include evaluating the consistency of sensor-derived measurements across healthy participants (HPs) and assessing the impact of leg dominance on these parameters. The study hypothesizes that low variability in measurements will provide normative reference values, thereby establishing a robust framework for future comparisons with PD patient data and enhancing diagnostic capabilities in clinical settings.
Methods
In this study, the experimental paradigm was conducted at the FHNW laboratory in Muttenz, Switzerland, where participants were seated in a standardized neutral position to ensure consistency across trials. Each participant engaged in five 20-second trials for two specific items from the MDS-UPDRS-III scale: toe tapping (TT item 3.7) and leg lifting (LA item 3.8). To maintain uniformity, a non-slip mat was used, and participants were allowed a preliminary training session to acclimate to the movements and sensor attachments. During this session, the examiner confirmed sensor functionality, adjusted movement speed, and ensured proper dorsiflexion angles.
The trials were randomized for all four items, and precise foot positioning was achieved by marking the floor with tape behind each shoe. For the TT task, participants were instructed to tap their toes on the floor as quickly and maximally as possible for 20 seconds. In the LA task, participants were required to lift their foot and stamp it on the floor at least 20 to 30 cm high, also for a duration of 20 seconds. The test duration was meticulously recorded using a timer, ensuring accurate measurement of performance across trials.
Results
In this study, a total of 23 participants engaged in a test lasting approximately one hour each, during which they completed five repetitions, yielding a cumulative total of 230 trials for both the right and left legs. The data acquisition process utilizing the Xsens MTw Awinda sensors was successfully executed for all participants across all trials, ensuring the reliability of the collected data for subsequent analysis.
Discussion
The study involved 23 healthy adult participants (13 women, 10 men) to evaluate lower leg movement metrics relevant for assessing motor function in Parkinson’s disease (PD) patients. Participants were predominantly right-handed, with a mean age of 24.2 years. The study adhered to ethical guidelines and utilized inertial measurement units (IMUs) to capture leg and foot movements during toe tapping (TT) and leg agility (LA) tasks. The data analysis employed Python and R for statistical evaluations, revealing a significant relationship between tapping frequency and angle, with a linear decrease in angle over time and a relatively constant frequency during the 20-second TT exercise.
Key findings indicated no significant differences in TT and LA performance based on leg dominance, suggesting that both legs exhibit similar movement characteristics in healthy participants. The introduction of new parameters, such as dimensionless jerk (DLJ) and vertical acceleration, provided insights into movement smoothness and dynamics, potentially useful for detecting motor impairments in PD patients. The study recommends a reduction in the TT duration to 10 seconds to enhance performance consistency and participant compliance, along with the use of a metronome to standardize tapping speed. Comparisons with previous literature highlighted differences in movement execution and participant demographics, underscoring the need for further validation of these findings in clinical populations.
Limitations
The study presents several methodological limitations that impact the interpretation of its findings. Firstly, the inclusion of only young healthy participants (HPs) restricts the applicability of the results to the clinical population of Parkinson’s disease (PD) patients, who are typically older and exhibit motor impairments. While the study establishes initial reference values, future research should aim to develop similar benchmarks for elderly HPs and PD patients. Secondly, the trial duration of 20 seconds, with a proposed reduction to 10 seconds, has not been tested for its effects on measurement consistency and participant fatigue in PD patients, who are likely to experience greater challenges and fatigue compared to younger HPs.
Additionally, the absence of a comparison to a gold standard, such as motion capture systems, limits the formal validation of the accuracy of the measurements. Although previous research by Nijmeijer et al. indicates a strong correlation between IMU-based lower limb joint angle measurements and motion capture data, the lack of direct comparison in this study remains a notable gap. Furthermore, the regression analyses revealed relatively low $R^2$ values, indicating that only a modest proportion of the variance in angle and frequency could be accounted for by the models. This suggests significant variability in the data, likely due to individual differences in motor behavior, even among healthy participants. Collectively, these limitations underscore the need for further studies to validate the measurement setup in clinical populations, potentially requiring adjustments to the movement segmentation thresholds for PD patients and an exploration of learning effects or fatigue not addressed in the current study.