The efficacy of plantar stimulation on human balance control
August 2015 Somatosensory & Motor Research
Pages 200-205
DOI: 10.3109/08990220.2015.1054025
Giuseppe Annino
Abstract
Aim: The aim of this study was to evaluate the body sway using firm, foam, and firm textured surfaces on 17 young adults. Method: Displacement of center of pressure (CoP), anteroposterior velocity (VA/P), and mediolateral velocity (VM/L) were measured. Data: The data showed a significant decrease of CoP, VA/P, and VM/L between support surfaces and vision. Results: The results showed that, differently from the firm and foam, the textured surface is able to increase the plantar feedback to maintaining postural control. 目的：この研究の目的は、17人の若年成人の硬い、泡、硬いテクスチャ表面を使用して身体の揺れを評価することでした。方法：圧力中心の変位（CoP）、前後速度（VA / P）、および中外側速度（VM / L）を測定しました。データ：データは、CoP、VA / P、およびVM / Lのサポート面と視覚の間の大幅な減少を示しました。結果：結果は、しっかりしたフォームやフォームとは異なり、テクスチャー表面が姿勢制御を維持するための足底のフィードバックを増加させることができることを示しました。
Keywords:
Introduction
人間の直立姿勢は、視覚、前庭感覚、および固有感覚の感覚システム間の複雑な相互作用の結果であり、フィードフォワードおよびフィードバックメカニズムを介して作用し、最終的に予測的および補償的姿勢調整をもたらします。直立姿勢を維持するために、重力による不安定化トルクは、抵抗に反して足によって加えられるフィードバック制御システム（Johansson and Magnusson 1991; Horak and MacPherson 1996）の作用によって生成される修正トルクによって相殺される必要があります。地面によって提供されます。足は、足関節受容体とその多くの神経筋紡錘体、および皮膚の外受容要素から情報を受け取ります。したがって、足は直立姿勢を制御するために使用される重要な情報源を表します（Kavounoudias et al 2001; Meyer et al 2004）。 いくつかの研究は、姿勢の調節において受容体の一種として、求心性のある足が発揮する重要な役割を示しています（Fitzpatrick et al。1994; Allum et al 1998; Maurer et al 2001）。
人間の足の皮膚では、104個の皮膚の機械的受容器が特定されており、それらはすべて、圧力、振動または伸張刺激として加えられると活性化されます（Kennedy and Inglis 2002）。 皮膚からの感覚入力は、他の部位が動いているときに身体を安定させるために、サポート領域内の重心の投影を維持するために必要な調整に貢献します（Massion 1992、1994; Melvill Jones 2000）。
さらに、足底アーチの刺激は、個人が自分の重心を足に向かって移動していると知覚するように誘導し、したがって圧力の中心を反対方向に移動することによって補償するように誘導します（Janin and Dupui 2009）。 このすべての足駆動情報は、静的および動的バランスの維持に不可欠です。実際、直立姿勢では、人体は足首を中心に振る倒立振り子にたとえることができ、その質量は重心にあります（Massion and Viallet 1990）。これに関連して、直立姿勢を維持するには、地面の圧力受容体、角度の変化、眼球および前庭系からの情報を組み合わせて使用する必要があります。実際、これらのシステムのいずれか1つが故障すると、全身のバランスが著しく乱れます。 足底冷却、足底麻酔、足底筋疲労などの結果としての足の皮膚からの情報の減少は、外乱姿勢反射によって引き起こされる姿勢振動の増加に関連しています（André-Deshaysand Revel 1988 ; Do et al。1990; Asai et al。1992; Edin 2001）。
これに関連して、地面と足の植物の間のインターフェースとなる表面のタイプは、姿勢の制御において基本的な役割を果たす可能性があります。パテルらによって示されるように、靴素材の足底コーティングの通常の構成要素であるフォーム表面の存在は、直立姿勢を維持する際に多方向の障害を引き起こす可能性があります。
いくつかの研究では、スタンス期と同期した振動刺激で足底刺激を増加させると、特に糖尿病患者や脳卒中またはパーキンソン病の患者のバランスと歩行の制御が改善されることが示されています（Novak and Novak 2006 ; Priplata et al。2006）。 全体として、入手可能な情報は、足底からの感覚刺激が支持面の特性の変化によって大きく影響を受けることを示唆している（Wu and Chiang 1997; Maki et al。1999）。神経筋の観点から、足裏からの入力の増加は、静的タスク（Aniss et al。1992）および動的タスク（Yang et al。1990）の間にヒラメ筋抑制（Abbruzzese et al。1996）を引き起こすでしょう。したがって、刺激表面は、直立姿勢バランスに関与するアゴニストとアンタゴニストの筋肉の共収縮活動の減少を意味します（Nurse et al。2005）。いくつかの研究では、静的なバランスに対するテクスチャードインソールの効果を調査しました。若者では、テクスチャードインソールは有意な効果を示しませんでしたが（Hatton et al。2009）、健康な高齢者では、刺激的なインソールは内側外側の揺れに対してのみ有益な効果を誘発しました（Hatton et al。2011）。
高齢者では足底の感度が低下し（Prieto et al。1996; Kitabayashi et al。2011）、しっかりした質感のディスク（FTD）がこの欠損を減少させた（Palazzo et al。2014）ことを考慮し、この研究の目的健康な若い成人において、足底刺激表面が足の受容体から生じる体性感覚重力系に影響を及ぼすかどうかを調査することでした（Maurer et al。2001）。したがって、すべての視覚条件における3種類の表面の圧力中心（CoP）と動揺速度の変動を分析しました。 Method
参加者
17人の健康で活動的なボランティア（9人の男性と8人の女性）がこの研究に参加しました。人体計測データは次のとおりです。平均年齢25.4±3.4歳。平均体重62.7±8.2kg;平均身長167.7±9.4 cm活動的な被験者は、少なくとも週に3回、30分間の身体活動を行う個人として定義されました。バランス障害、神経障害、または筋骨格損傷の既往歴のある被験者は研究から除外されました。すべての被験者も正常な視力を持っていました。ヘルシンキ宣言によって設定された人間実験の倫理的ガイドラインに従って、実験に含まれる目的、利益、およびリスクについての詳細な説明の後に、すべての参加者から書面によるインフォームドコンセントを得ました。
装置
CoPの変位は、カスタムビルドのプラットフォーム（幅80 cm、長さ100 cm、地上3 cm）を2つのハーフプレートに分割し、左右に3つの単軸ロードセルを使用して測定しました（図1 ）。フォースプラットフォームからの信号を100Hzでサンプリングし、増幅してアナログ形式からデジタル形式に変換しました。
フォームマットの寸法は厚さ7mmで、フォースプラットフォームよりわずかに大きかった。この厚さが選ばれたのは、現在市販のスポーツシューズに採用されているからです。測定のセットアップでは、周囲または地面に接触することなく、フォームをフォースプラットフォームの上部に配置しました。 FTD（Footon-Servetto、ミラノ、イタリア）の直径は33 cmで、高さ3.5mm、幅2mmの半円形ショットペレットが17mm間隔で配置されています（Palazzo et al。2014）。測定セットアップ中、ディスクはフォースプラットフォームの上部に配置されました。
CoPnetと前後（A / P）および中外側（M / L）方向（VA / PおよびVM / L）のCoPの動揺速度を市販のソフトウェアで計算しました。
試験手順
各被験者は、2つの異なる条件（目を開いた状態と閉じた状態）で異なる表面ごとに1回ずつ、3回の試行で構成される二足歩行スタンステストバッテリーを実行しました。全体として、各参加者は疲労を避けるために、異なる表面テストの間に120秒間の休憩を設けて18回のテストを行いました。表面と視覚条件の順序は、乱数表を使用してランダム化されました。各参加者は、1日ですべてのテストバッテリーを実行しました。この試験所には、視覚的および音響的な注意散漫がありませんでした。
被験者はフォースプラットフォーム、フォーム、FTDに裸足で立ち、すべてフォースプラットフォームの上部に置き、不適当な腕や頭の動きを避けるために腕を緩め、できるだけ揺らさないように頼みました。姿勢テストの最適な期間として30秒の期間を特定した研究によれば、足は30cmで外転し、かかとが6cm離れており、各試行の期間は少なくとも20秒でした（Le Clair and Riach 1996 ; Hatton et al。2009、2011; Palluel et al。2009; Palazzo et al。2014）、被験者が実行しなければならない多数のテストも考慮に入れました。
目を開けた状態で、被験者は約1.5mの距離で壁に配置された対象物（寸法8×6cm2）を見ました。目を閉じた状態では、被験者は目を閉じて、視線をまっすぐ前方に向けるように求められました。
足圧中心（CoP）の変位は、その座標（A / P計画の揺れを表すXnetおよびM / L計画の揺れを表すYnet）とともに分析されました（図1）。
統計分析
統計分析のために、各体性感覚条件での3回の試行の平均（すなわち、硬い、泡、および刺激する支持表面条件、および2つの視覚的および非視覚的条件）を使用しました。 Kolmogorov–Smirnov検定を使用して正規分布を検証し、Levene検定を使用して均一性を検証しました。条件が満たされたとき、IBM SPSS for Windowsバージョン20を使用して、両方の要因の反復測定による2（開いた目と閉じた目）×3（硬い、泡、および刺激表面）の分散分析（ANOVA）を適用しました。 （Tukey HSDテスト）適切な場合はいつでも実行されました。 αレベルはp<0.05に設定されました。差の大きさは効果の大きさ（ES）によって評価され、差は小さい（0.25<ES<0.5）、中程度（0.55<ES<0.8）、または大きい（ES>0.8）（Cohen 1988）と見なされました。データは平均値±標準偏差として報告されます。 Result
CoPの分析では、絶対条件（F 1⁄4 17.5、p50.0007）の両方の視覚条件で、しっかりと泡の表面（F 1⁄4 16.5、p50.0001）と比較して、絶対値（図2）またはパーセンテージ値として（表I）。すべての視覚条件で、硬い表面と泡の表面の間に有意な差は観察されませんでした（図2）。
VA / Pの結果は、両方の視覚条件（F1⁄48.8、p1⁄40.0009）で、他の表面（F 1⁄4 19.0、p 1⁄4 0.0005）と比較してFTDの有意な減少を示しました。同じ減少は、開いた目と閉じた目の状態（F1⁄417.0、p1⁄40.0001）でVM / L（F 1⁄4 7.6、p 1⁄4 0.01）で観察されました。事後分析は、表3の絶対値とパーセント変化で図3に示されています。
開いた目（OE）条件では、VA / PはFTDで泡と硬い表面と比較して減少しましたが、後者の比較は統計的有意性をわずかに下回りました。目を閉じた状態（CO）では、VA / Pはフォームと硬い表面の両方に比べて大幅に減少しました。 VM / LはOE条件とCO条件の両方で同様に機能し、泡と固い表面の両方と比較してFTDの結果が大幅に少なくなりました。
Discussion
現在の調査の主な発見は、刺激表面（FTD）が硬い表面と泡の表面に比べて姿勢バランスの不安定性が少なく、これが視覚的条件と非視覚的条件の両方で発生することです。
直立姿勢時の姿勢の揺れの調節における足の体性感覚入力の重要な役割を考慮して、この研究は、異なる刺激表面が姿勢制御における足からの感覚フィードバックに影響を与え、応答が肯定的であったかどうかの問題に焦点を当てました。さらに、我々の結果は、以前の研究と一致して、視覚条件と非視覚条件の両方での二足歩行姿勢中の身体の揺れの大幅な減少も示しています（Perry et al。2000; Nurse et al。2005; Fransson et al.2007） 。硬くて泡のある表面は足の受容体を刺激できず、その結果、足底センサーのフィードバックが減少することが十分に実証されています（Magnusson et al。1990; Wu and Chiang 1997; Kavounoudias et al。2001）。したがって、この研究で使用されているような足底圧を増加させる支持面は、感覚運動足受容体を刺激することができ、視覚条件がない場合でも、重力システムの統合に貢献し、姿勢の揺れを最小限に抑えます。 さらに、足底表面から生じる感覚情報は、他の体性感覚求心性神経（視覚、前庭感覚、固有受容感覚）と統合されており、動きの発生が発生する前に、予測的姿勢調整（APA）を迅速に調節することを目的としています（Peterka 2002; Ruget et al。2008）。このフィードバックプロセスは、中枢神経系（CNS）がさまざまな感覚入力（足首や股関節系など）の相対的な寄与を順番に動的に選択的に統合する、脳のより高いレベルだけでなく、脊髄レベルでも統合されます。直立姿勢を維持するために（Allum et al。1998; Maurer et al。2001; Timmann and Horak 2001）。 CoPとの差異で、しっかりした表面とFTD表面は、目を閉じたVA / Pを除き、視覚的または非視覚的条件のいずれかで、VA / PおよびVM / Lで示されるように、テストされた両方向の動揺速度を大幅に減少させ、その間、FTDは後者を減らすことができるだけでした。泡の表面の効果は、すべての視覚条件で不安定になるようであり、視覚、前庭、体性感覚系の相対的な寄与を識別するためにしばしば使用されます（Cordo and Nashner 1982; Horak and Nashner 1986; Enbom et al 。1991; Furman 1995）。本研究に参加している若年成人では、高齢者に典型的な足底の感度の低下は起きないと仮定しました（Lord et al。1991; Lord and Ward 1994）。機械受容器が静的な直立姿勢でのみ重要な役割を果たす視覚がない場合、FTD表面は足底表面を刺激し、足関節戦略（VA / P）（Winter 1995）を最適化しますが、股関節戦略はFTDからだけでなく、しっかりした表面からも影響を受けます。ただし、足首と股関節の戦略の評価は、研究の一部として直接評価されなかったことを認めます。
したがって、この研究から得られた知見は、若年成人ではFTDとしっかりした表面が同じ神経筋戦略を生成して、高齢者との対立で最適な姿勢バランスを達成できることを示唆しています（Palazzo et al.2014）現在の調査のすべての条件で最適な姿勢制御を維持するには不十分である。
したがって、足底は、姿勢を維持する生体力学的運動の機能的要素としてだけでなく、人間があらゆる年齢で環境、立位ポジション、重力を経験する最初の敏感な領域としても考慮されるべきであると思われます。
Limitations
この研究の限界は、サンプルサイズが比較的小さいことです。 ただし、観察された結果は一貫しており、効果サイズの統計的使用によって裏付けられました。 さらに、我々の結果の説明は、感覚効果が直接測定されていない限り、いくつかの仮定に基づいています。 しかし、これらの仮定は実験的証拠によって十分に裏付けられています（Winter et al。1996）。
上記の限界にもかかわらず、この研究の結果は実際的な意味を持つ可能性があります。 実際、現在、地面の衝撃を和らげるのに役立つ保護靴の利用が増えていますが、足底受容体の刺激を支持せず、感覚器官として足を使用する人間の能力を低下させる可能性があります（リーバーマン 2012）。 したがって、姿勢制御を改善するために、機械的受容器の尾部の刺激を可能にするために、姿勢に影響を与えるサポート面（靴、スポーツシューズなど）をカスタマイズする必要があります。