Perturbation-based balance training: Principles, mechanisms and implementation in clinical practice

Since the mid-2000s, perturbation-based balance training has been gaining interest as an efficient and effective way to prevent falls in older adults. It has been suggested that this task-specific training approach may present a paradigm shift in fall prevention. In this review, we discuss key concepts and common issues and questions regarding perturbation-based balance training. In doing so, we aim to provide a comprehensive synthesis of the current evidence on the mechanisms, feasibility and efficacy of perturbation-based balance training for researchers and practitioners. We address this in two sections: “Principles and Mechanisms” and “Implementation in Practice.” In the first section, definitions, task-specificity, adaptation and retention mechanisms and the dose-response relationship are discussed. In the second section, issues related to safety, anxiety, evidence in clinical populations (e.g., Parkinson's disease, stroke), technology and training devices are discussed. Perturbation-based balance training is a promising approach to fall prevention. However, several fundamental and applied aspects of the approach need to be further investigated before it can be widely implemented in clinical practice

Perturbation-based balance training: Principles, mechanisms and implementation in clinical practice

Since the mid-2000s, perturbation-based balance training has been gaining interest as an efficient and effective way to prevent falls in older adults. It has been suggested that this task-specific training approach may present a paradigm shift in fall prevention. In this review, we discuss key concepts and common issues and questions regarding perturbation-based balance training. In doing so, we aim to provide a comprehensive synthesis of the current evidence on the mechanisms, feasibility and efficacy of perturbation-based balance training for researchers and practitioners. We address this in two sections: “Principles and Mechanisms” and “Implementation in Practice.” In the first section, definitions, task-specificity, adaptation and retention mechanisms and the dose-response relationship are discussed. In the second section, issues related to safety, anxiety, evidence in clinical populations (e.g., Parkinson's disease, stroke), technology and training devices are discussed. Perturbation-based balance training is a promising approach to fall prevention. However, several fundamental and applied aspects of the approach need to be further investigated before it can be widely implemented in clinical practice

Determining if a balance recovery is possible or if a fall is unavoidable for two postural perturbations : lean release and surface translation

La grande variété de perturbations posturales utilisées dans les études expérimentales rend les comparaisons entre les études et les généralisations sur les capacités à rétablir l'équilibre difficile. En effet, seulement trois études ont tenté de comparer expérimentalement les résultats de différentes perturbations posturales et semblent démontrer que les relâchements d’inclinaison, tirages à la taille et translations de surface sont suffisamment similaires qu’elles peuvent être comparées. De plus, les expériences sur le rétablissement de l’équilibre prennent du temps, sont coûteuses et potentiellement dangereuses, et peuvent être très exigeantes et fatigantes pour les personnes âgées frêles. Il serait donc utile d’utiliser un modèle plutôt qu’une expérience pour prédire théoriquement si une perturbation posturale donnée entraînera une chute inévitable ou si un rétablissement de l'équilibre sera possible pour un participant donné. Ceci semblait possible considérant que des modèles de pendules inversés ont été utilisés avec succès pour modéliser des inclinaisons, tirages, translations et trébuchements. Pour poursuivre les travaux sur la méthode adimensionnelle de ligne de perturbation limite, nous avons déterminé l'angle maximum d’inclinaison initiale vers l’avant et la vitesse maximum de translation de surface vers l’arrière desquels 12 jeunes adultes pouvaient être soudainement relâchés ou tirés, respectivement, et tout de même rétablir leur équilibre en utilisant un seul pas. Aux angles d’inclinaison ou vitesses de translations maximum, les deux perturbations posturales n’avaient pas d’effet significatif sur l'initiation de la réponse, mais affectaient la plupart des variables d’exécution et de géométrie de la réponse. Néanmoins, les positions et vitesses angulaires à la fin du temps de réaction pour ces essais à la limite du rétablissement de l'équilibre formaient une ligne de perturbation limite qui était très similaire à celle obtenue précédemment. De plus, la ligne de perturbation limite était très efficace pour séparer les chutes (97%) des rétablissements (96%), quelle que soit la perturbation posturale. Nous avons ensuite utilisé un modèle en deux dimensions de pendule inversé à barre mince monté sur une palette glissante bougeant horizontalement pour simuler la position et la vitesse angulaire de jeunes adultes durant le temps de réaction pour les inclinaisons et translations de l’étude expérimentale ci-dessus. La majorité des erreurs moyennes quadratiques et erreurs au temps de réaction entre les positions et vitesses angulaires expérimentales et théoriques étaient respectivement de moins de 2% et 4%. Plus important encore, les positions et vitesses angulaires théoriques à la fin du temps de réaction pour les essais aux angles d’inclinaison et vitesses de translation maximum formaient une ligne de perturbation limite séparant les chutes des rétablissements qui était très similaire à celle obtenue dans l’étude expérimentale. La méthode adimensionnelle de ligne de perturbation limite a donc maintenant été établie expérimentalement pour les relâchements d’inclinaison, relâchements d’inclinaison avec tirages à la taille, tirages à la taille en marchant et translations de surface, fournissant ainsi des preuves additionnelles que le choix de la perturbation posturale n’affecte pas la limite du rétablissement de l'équilibre. Ceci devrait donc aider les chercheurs à faire des conclusions plus rapides et plus générales sur les capacités à rétablir l’équilibre

Influence de l'âge sur le seuil de perturbation vers l'avant pour le relâchement d'une inclinaison, le relâchement d'une inclinaison avec translation de surface et la translation de surface

Les chutes sont aujourd’hui considérées comme un problème majeur de santé public de par leur nombre, coûts et conséquences importantes, qui ne cesse de croître dû au vieillissement de la population. Prévenir les chutes est donc devenu indispensable. Deux études expérimentales précédentes ont démontré que la méthode du seuil de perturbation permet de comparer les résultats de différentes perturbations posturales ou de leurs combinaisons. Pour poursuivre ce travail, nous avons déterminé l’angle d’inclinaison initial maximal vers l’avant pour trois vitesses de translation de surface (nulle, lente, rapide) et la vitesse de translation de surface maximale vers l’arrière desquels 10 jeunes adultes, 8 adultes mi-âgés et 8 adultes âgés en santé pouvaient être relâchés et/ou tirés et tout de même rétablir leur équilibre en un seul pas. Les résultats ont montré que l’angle d’inclinaison et la vitesse de translation maximum diminuaient avec l’âge. L’angle d’inclinaison maximal diminuait aussi avec la vitesse de translation de surface. Aux angles d’inclinaison ou vitesses de translation maximum, alors que les variables d’initiation, d’exécution et de géométrie de la réponse étaient presque toutes affectées par l’âge, seules les variables de géométrie de la réponse étaient affectées par la perturbation posturale. Malgré tout, les seuils de perturbations formé par ces quatre perturbations posturales diminuaient avec l’âge; séparaient efficacement les chutes (70-80%) des rétablissements (67-74%); et étaient similaires à ceux obtenus précédemment en utilisant des relâchement d’une inclinaison (avec et sans tirages à la taille), tirages à la taille (en marchant) et translations de surface chez des adultes jeunes et âgées. Une étude théorique récente a montré qu’un modèle de pendule inverse à barre mince sur surface glissante peut prédire avec précision l’issue (chute ou rétablissement) de relâchements d’une inclinaison et translations de surface chez de jeunes adultes. Nous l’avons donc utilisé pour simuler la position et la vitesse angulaire de l’initiation de la perturbation jusqu’à l’initiation de la réponse pour les essais maximum des trois études expérimentales précédentes de : 1) relâchements d’une inclinaison (avec ou sans tirages à la taille) et tirages à la taille en marchant chez des adultes jeunes et âgés, et 2) relâchements d’une inclinaison (avec ou sans translations de surface) et translations de surface chez des adultes jeunes, mi-âgés et âgés. Les résultats ont montré que la majorité des erreurs moyennes quadratiques et des erreurs au temps de réaction entre les positions et vitesses angulaires expérimentales et théoriques étaient inférieures à 4% et 5% respectivement. Seules les erreurs de vitesses angulaires pour les relâchements d’une inclinaison avec tirages à la taille (<13%) et translations de surface (<8%), étaient plus grandes. Mieux encore, les positions et vitesses angulaires théoriques à la fin du temps de réaction pour ces essais maximum ont formé des seuils de perturbation très similaires à ceux obtenus dans les trois études expérimentales précédentes. La méthode du seuil de perturbation a maintenant été établie expérimentalement et théoriquement pour trois des cinq différents types de perturbations posturales, ainsi que pour deux combinaisons, fournissant donc des preuves additionnelles que le choix de la perturbation posturale n’affecte pas la limite du rétablissement de l’équilibre

Human resilience to forward falls: adaptation and transfer of stability control

Scoping fall resilience requires knowledge of factors enabling the neuromotor system to transfer stability control between different postural perturbations. This thesis addressed this objective in comprising three different studies on adults across the lifespan. The first study examined the intra- and inter-session reliability of recovery performance across 97 participants at several research centres using two different protocols of a clinical assessment method (lean-and-release task) simulating sudden anterior stability loss, i.e. gradual increase to maximal forward-lean angle vs. predefined lean angle. Independent of the protocol used and participants’ age, reliable assessment of common stability recovery performance parameters using the lean-and-release task could be confirmed. The second study used single exposures to both lean-and-release and a treadmill-based gait trip to investigate the association of recovery performance between unpractised perturbations. We revealed that recovery performance in one task could not significantly explain performance in the other task, indicating limited transfer of fall-resisting skills for anterior perturbations. The third study examined factors (particularly practising stability recovery responses with different perturbation magnitudes) that could elicit or limit transfer to unpractised perturbations. Participants walking on a treadmill were exposed to eight trip perturbations of either low or high magnitude or walked unperturbed (control group). To investigate transfer to unpractised anterior perturbations following walking tasks, all participants underwent a lean-and-release task and an overground trip. Adaptation in stability to repeated gait-perturbations did not lead to enhanced stability recovery in the lean-and-release task but did improve overground trip performance, independent of the practised perturbation magnitude. Lower limb joint angle differences between treadmill- and lean-and-release perturbations for the swing phase of recovery steps were more prolonged and greater as opposed to the comparison of the two gait perturbation tasks. In conclusion, the current work indicates that practising stability control enhances human resilience to unpractised perturbations which is not necessarily dependent on the perturbation magnitude but may partly be subject to similarity in motor response patterns between tasks

Development of a Computational Model for Shoe-Floor-Contaminant Friction

Slip and fall accidents are a serious occupational and public health problem. While shoe-floor-contaminant friction is known to be critical to slip risk, no method of measuring shoe-floor-contaminant friction is widely accepted as being relevant to human slips. In addition, the tribological mechanisms of the shoe-floor-contaminant interface are poorly understood. This dissertation studies slips and falls from a biomechanical and tribological perspective. Heel contact control was investigated during human slipping experiments. Knee joint torques were found to be the primary contributor to heel acceleration during contact with the floor. For the tribology portion of this research, experimental testing was performed using a novel whole shoe slip testing method and a pin-on-disk tribometer. The experiments revealed that shoe-floor-contaminant friction could be described with the theoretical Stribeck curve. The lubrication regime that was determined to be most relevant to shoe-floor-contaminant friction was the mixed-lubrication regime. A computational model was developed to describe this mixed-lubrication regime, simulating the hydrodynamic and contacting pressures at the shoe-floor-contaminant interface applied to pin-on-disk experiments. The model-predicted friction values showed good agreement with experimental data. Because the custom code was limited to simple geometries, FEA was examined for its ability to simulate mixed-lubrication of an entire shoe heel against a floor surface. Limitations were discovered in current FEA software packages that prevented their use in shoe-floor-contaminant friction modeling. Therefore, a hybrid model that used FEA software to simulate the contact and custom modeling to simulate the lubrication effect was proposed. The research presented in this dissertation may be the first step towards developing a comprehensive shoe-floor-contaminant friction model, which will be useful for evaluating slip potential of shoes and flooring, designing safer shoes and floor surfaces, and understanding the biomechanics of slipping

A Data-Driven Appearance Model for Human Fatigue

Humans become visibly tired during physical activity. After a set of squats, jumping jacks or walking up a flight of stairs, individuals start to pant, sweat, loose their balance, and flush. Simulating these physiological changes due to exertion and exhaustion on an animated character greatly enhances a motion’s realism. These fatigue factors depend on the mechanical, physical, and biochemical function states of the human body. The difficulty of simulating fatigue for character animation is due in part to the complex anatomy of the human body. We present a multi-modal capturing technique for acquiring synchronized biosignal data and motion capture data to enhance character animation. The fatigue model utilizes an anatomically derived model of the human body that includes a torso, organs, face, and rigged body. This model is then driven by biosignal output. Our animations show the wide range of exhaustion behaviors synthesized from real biological data output. We demonstrate the fatigue model by augmenting standard motion capture with exhaustion effects to produce more realistic appearance changes during three exercise examples. We compare the fatigue model with both simple procedural methods and a dense marker set data capture of exercise motions

Doctor of Philosophy

dissertationThough many who walk along roadside cambers and hill edges may have an interest in making their travels sure and effective, those most concerned may be soldiers in the infantry. They need to be injury free and have as much energy as possible when they march into battle. Walking on uneven ground without being injured by falling down (particularly with a heavy backpack) is generally accomplished by maintaining stability. This present study was conducted to determine an individual’s most stable position (using a stability formula which compares dynamic center of mass with center of pressure) when wearing a backpack under differing load positions - low back, middle back or high back â€" and differing walking angles: level, as well as along a cross-sloped surface. Furthermore, this study investigated the stability of persons walking along a cross-slope without a load. Finally, this study attempted to determine which combination of backpack load location and slope tilt best conserved metabolic energy. To carry out this backpack stability research, a group of 15 participants were asked to walk along an indoor track under the varying conditions mentioned (i.e., low to high backpack load positions and level to 10 degree tilted cross-slopes). The trials of their walks were performed randomly. The participants were recorded in a motion capture system and force plates documented their stepping times and locations. Again, the same 15 participants walked along the track under the same conditions, but without the loads to determine the effect of different cross-slope angles on their stability. Lastly, the same participants walked the track under the various conditions wearing portable oxygen sensors to analyze their energy expenditure. The results of these limited tests indicate no significant stability differences between 0, 5 or 10 degree angles in cross-slope walking loaded or unloaded. Nor was any significant stability differences noted between the various load locations of the backpacks. Nor was there a significant energy difference between the conditions