Biomechanical fundamentals of balance control across the lifespan

Abstract

If someone is standing or walking without falling, the state of this person can be defined as stable. Maintaining, achieving or restoring this state of stability requires balance control. Balance control can be defined as controlling the state of the body center of mass (CoM) relative to the base of support (BoS), i.e., the area within an outline of all points on the body which are directly in contact with the support surface. Balance control is regulated by the sensorimotor control system; this integrates sensory input from visual, vestibular and somatosensory systems to generate motor commands, resulting in muscular responses. Several balance control mechanisms can be used during standing and walking. One of these balance control mechanisms is to activate muscles around the ankle to generate moments around the ankle, called the ankle mechanism. These ankle moments are reflected in a shift of the center of pressure of the ground reaction force (CoP). Another mechanism that can be used is foot placement. Foot placement determines the BoS and therefore constrains the location of the CoP. Combined, foot placement and ankle moments determine the position of the CoP relative to the CoM, which in turn determines the acceleration of the CoM and thus affects the location of the CoM relative to the BoS. Shifts of the CoP through modulation of foot placement and ankle moments are coined the CoP-mechanism. A different mechanism that can be used to accelerate the CoM, is the counterrotation mechanism, i.e., changing angular momentum of segments around the CoM to change the direction of the ground reaction force. Rotation of the trunk and pelvis around the hip, which has been called the hip mechanism in literature, is an example of the counter-rotation mechanism. Research on the role of the counter-rotation mechanism is limited during walking and standing. If, and how, the counter-rotation mechanism is used and how it interacts with the CoPmechanism can be investigated by trying to provoke the use of the counterrotation mechanism by applying unexpected perturbations or by constraining the CoP-mechanism (e.g., standing on a balance board or constraining foot placement). Since children and older adults fall more often than younger adults, it would be worthwhile to assess the influence of age on the use of the balance control mechanisms. In children, the sensory systems and the integration of the sensory input are immature and in older adults the complete sensorimotor system deteriorates, limiting balance control. The first aim of this doctoral thesis was to obtain insight in the use of the balance control mechanisms in younger adults during walking (Chapter 1 and 2) and standing (Chapter 3 and 4). The second aim of this doctoral thesis was to obtain insight in the use of the balance control mechanisms in children, younger adults, and older adults during standing (Chapter 3 and 4). Chapter 1 reports the relative contribution of the CoP-mechanism and the counter-rotation mechanism to accelerate the CoM in the anteroposterior direction during a normal step and the first recovery step after a perturbation (i.e., belt acceleration). Chapter 2 reports the relative contribution of the CoP-mechanism and the counter-rotation mechanism to accelerate the CoM in mediolateral direction, when ankle moments are constrained (wearing a customized shoe) and foot placement is constrained in the mediolateral direction. Chapters 3 and 4 report a study to compare balance performance and the related use of the balance control mechanisms of children and older adults with younger adults, during standing on a rigid surface and on balance boards that could freely move in the frontal (Chapter 3) or sagittal (Chapter 4) plane. Main findings In all age groups, both directions and during standing and walking, the CoPmechanism was the main contributor to accelerations of the CoM (Chapters 1- 4). The use of the counter-rotation mechanism may be limited, because angular accelerations ultimately need to be reversed and because of interference with other task constraints, such as stabilizing the orientation of the head in space, and preventing interference with the gait pattern. However, the counter-rotation mechanism is used to stabilize gait when needed in mediolateral direction (Chapter 2). In real life, such situations may for example involve near balance loss or constrained foot placement, where a further shift of the CoP under the stance foot is impossible. Furthermore, standing on balance boards that can freely move in the sagittal plane is more challenging compared to standing on balance boards that can freely move in the frontal plane. This could be due to the fact that, in addition to applying ankle moments, which is made less effective when standing on a balance board, establishing CoP shifts by loading and unloading the legs by extensor and flexor muscle activity respectively, is possible in the frontal plane. Moreover, children used the counter-rotation mechanism relatively more to accelerate the CoM when standing on balance boards that could freely move in the sagittal plane, compared to younger adults. We suggest that children are still learning to limit the contribution of the counter-rotation mechanism to the same extent as younger and older adults. Implications In the future, it would be worthwhile to assess if different use of a balance control mechanisms could be related to falling. When understanding the link between the use of the balance control mechanisms and falling, evaluating the use of the balance control mechanisms could be used to determine training targets to potentially decrease fall incidence. Determining the use of the balance control mechanisms may also provide insight into normal motor development, which could be useful to detect abnormal development early.

Als iemand staat of wandelt zonder te vallen, kan de toestand van deze persoon als stabiel worden omschreven. Om stabiliteit te handhaven, bereiken of herstellen is balanscontrole vereist. Balanscontrole kan gedefinieerd worden als het controleren van het lichaamszwaartepunt ten opzichte van het steunvlak. Dit vereist een samenspel van de sensorische systemen (vestibulaire, visuele en somatosensorische systeem), het brein, het spier-skelet-systeem en de bijbehorende afferente en efferente zenuwen, wat samen het sensomotorisch systeem wordt genoemd. Er zijn verschillende balanscontrole mechanismen tijdens staan en wandelen. Een van deze balanscontrole mechanismen is het enkelmechanisme waarbij spieren rondom de enkels worden geactiveerd zodat er een enkelmoment gegenereerd wordt. Deze enkelmomenten zorgen voor een verplaatsing van het aangrijpingspunt van de grondreactiekracht, in het engels ‘Center of Pressure’ (‘CoP’). Een ander balanscontrole mechanisme dat gebruikt kan worden, is voetplaatsing. Voetplaatsing bepaalt de grootte van het steunvlak en begrenst hiermee de locatie van het aangrijpingspunt van de grondreactiekracht. Voetplaatsing en het enkelmechanisme bepalen de locatie van het aangrijpingspunt van de grondreactiekracht ten opzichte van het lichaamszwaartepunt en hiermee de versnelling van het lichaamszwaartepunt, wat dan weer de locatie van het lichaamszwaartepunt ten opzichte van het steunvlak beïnvloed. De verplaatsingen van het aangrijpingspunt van de grondreactiekracht door voetplaatsing en het enkelmechanisme worden het CoPmechanisme genoemd. Een ander mechanisme dat gebruikt kan worden om het lichaamszwaartepunt te versnellen, is het contrarotatie mechanisme, in het engels ‘counter-rotation mechanism’. Dit mechanisme berust op het aanpassen van het impulsmoment van segmenten rondom het lichaamszwaartepunt, zodat de richting van de grondreactiekracht verandert. Rotatie van de romp en het bekken rondom de heup, maar ook versnellingen van de armen en het hoofd zijn voorbeelden van het contrarotatie mechanisme. Onderzoek naar het gebruik van het contrarotatie mechanisme is beperkt tijdens zowel wandelen als staan. Of en hoe men het contrarotatie mechanisme gebruikt en hoe het interacteert met het CoP-mechanisme kan onderzocht worden door te proberen het contrarotatie mechanisme uit te lokken. Dit kan bijvoorbeeld door het aanbrengen van onverwachtse verstoringen of door het opleggen van beperkingen aan het CoPmechanisme, bijvoorbeeld door te staan op een balansbord of voetplaatsing te beperken tijdens het wandelen. Aangezien kinderen en ouderen vaker vallen dan jong volwassenen, zou het interessant zijn om de invloed van leeftijd op het gebruik van de balanscontrole mechanismen te onderzoeken. Bij kinderen zijn namelijk de sensorische systemen en de integratie van sensorische input nog niet volledig ontwikkeld en bij ouderen gaan alle onderdelen van het sensomotorisch systeem door veroudering achteruit, wat het vermogen om balans te controleren beperkt. Het eerste doel van dit proefschrift was het verkrijgen van inzicht in het gebruik van de balanscontrole mechanismen bij jong volwassenen tijdens wandelen (Hoofdstuk 1 en 2) en tijdens staan (Hoofdstuk 3 en 4). Het tweede doel van dit proefschrift was het verkrijgen van inzicht in het gebruik van de balanscontrole mechanismen bij kinderen, jong volwassenen en ouderen tijdens staan (Hoofdstuk 3 en 4). In hoofdstuk 1 wordt een onderzoek beschreven naar de relatieve bijdrage van het CoP-mechanisme en het contrarotatie mechanisme aan het versnellen van het lichaamszwaartepunt in anteroposteriore richting bij jong volwassenen tijdens een normale stap en de eerste stap na een verstoring (versnelling van een band van de loopband). Hoofdstuk 2 beschrijft een studie naar de relatieve bijdrage van het CoP-mechanisme en het contrarotatie mechanisme aan het versnellen van het lichaamszwaartepunt in mediolaterale richting tijdens het wandelen met en zonder beperkingen van het CoPmechanisme bij jong volwassenen. De hoofdstukken 3 en 4 beschrijven een studie waarin de balansprestatie en het gebruik van de balanscontrole mechanismen bij kinderen en ouderen wordt vergeleken met jong volwassenen tijdens staan op een vaste ondergrond en op balansborden die vrij konden bewegen in het frontale (Hoofdstuk 3) of sagittale (Hoofdstuk 4) vlak. Bevindingen In alle leeftijdsgroepen, beide richtingen en zowel tijdens wandelen als staan, leverde het CoP-mechanisme de grootste bijdrage aan het versnellen van het lichaamszwaartepunt (Hoofdstukken 1-4). De bijdrage van het contrarotatie mechanisme was mogelijk beperkt, omdat segmentale hoekversnellingen uiteindelijk moeten worden omgekeerd en vanwege interferentie met andere taken, zoals het stabiliseren van het hoofd in de ruimte en het voorkomen van interferentie met het looppatroon. Het contrarotatie mechanisme wordt echter wel gebruikt om het wandelpatroon te stabiliseren wanneer dit in mediolaterale richting nodig is (Hoofdstuk 2). In het dagelijkse leven kan dit voorkomen wanneer men dreigt te vallen of wanneer voetplaatsing beperkt is, waarbij een verdere verplaatsing van het aangrijpingspunt van de grondreactiekracht (= ‘CoP’) onder de standvoet onmogelijk is. Verder was het staan op balansborden die konden bewegen in het sagittale vlak een grotere uitdaging dan het staan op balansborden die konden bewegen in het frontale vlak. Dit zou kunnen komen doordat naast het genereren van enkelmomenten, wat minder effectief is op een balansbord, verplaatsingen van het aangrijpingspunt van de grondreactie kracht (= ‘CoP’) ook door zijwaartse gewichtsverplaatsing van het ene benen naar het andere been tot stand kunnen komen in het frontale vlak. Daarnaast vonden we dat kinderen het contrarotatie mechanisme relatief meer gebruikten tijdens het staan op de balansborden die konden bewegingen in het sagittale vlak, in vergelijking met jong volwassenen, waarschijnlijk omdat kinderen nog aan het leren zijn om de bijdrage van het contrarotatie mechanisme te beperken net als jong volwassenen en ouderen. Implicaties Het zou de moeite waard zijn om in de toekomst na te gaan of verschillend gebruik van de balanscontrole mechanismen in verband kan worden gebracht met valincidentie. Wanneer inzicht wordt verkregen in het verband tussen het gebruik van de balanscontrole mechanismen en vallen, zou het evalueren van het gebruik van de balanscontrole mechanismen kunnen worden toegepast om trainingsadvies te geven, om vallen in de toekomst te voorkomen. Het evalueren van het gebruik van de balanscontrole mechanismen kan daarnaast wellicht nuttig zijn om een abnormale motorische ontwikkeling vroegtijdig op te merken.