The validity of physique-based inverted pendulum models of postural sway behaviour

Summary

On the grounds that the inverted pendulum model of sway behaviour necessarily implies that sway behaviour will be a linear function of physique, an attempt was made to predict sway behaviour from appropriate individual and composite physique variables. Antero-posterior (F_y) and lateral (F_x) horizontal force components of sway behaviour were recorded for 58 young adults, 29 male and 29 female, using a multicomponent biomechanical measuring platform (Kistler, 9261A). From these records, digitized using an Hewlett Packard Fourier Analyser (HP5451A), a rectified sway impulse was calculated. Height, weight, lean body mass (method of Siri 1956), ponderal index (Hirata 1972) and body surface area (Dubois and Dubois 1916) were also determined for each subject. Correlations between sway magnitude and these physique variables were calculated and appropriate multiple regression equations computed. All correlations were low, with those for the men being consistently lower than those for the women, and all regression equations were of little predictive value.

It is concluded that sway behaviour, as estimated by the rectified minute impulse, is essentially independent of physique. Consequently, inverted pendulum models of postural sway are unacceptable, It is postulated that the body behaves as a dynamic counterpoise system in which continuous compensatory movements occur simultaneously and internally between adjacent body segments in such a way that ground reaction forces are not predictably invoked. Being thus balanced, the absolute magnitudes of the segmental masses and the positions of these masses above their supporting base are not important.

Zusammenfassung

Auf der Grundlage, daß das Modell des umgekehrten Pendels für das Schwingungsverhalten notwendigerweise impliziert, daß das Schwingungsverhalten eine lineare Funktion der Konstitution ist, wurde ein Versuch gemacht, das Schwingungsverhalten aus geeigneten einzelnen und zusammengesezten Variablen der Konstitution vorauszusagen. Anterior-posteriore (F_y) und laterale (F_x) horizontale Kraftbestandteile des Schwingverhaltens wurden für 58 junge Erwachsene erfaßt, 29 Männer und 29 Frauen, unter Benutzung einer biomechanischen Meßplattform mit mehreren Bestandteilen (Kistler, 9261A). Aufgrund dieser Aufzeichnungen, digitalisiert mit dem Fourier-Analysator von Hewlett Packard (HP5451A), wurde ein berichtigter Schwingungsimpuls berechnet. Körperhöhe, Gewicht, fettfreie Körpermasse (Methode nach Siri 1956), Index ponderis (Hirata 1972) und die Körperoberfläche (Dubois und Dubois 1916) wurden ebenfalls für jeden Probanden bestimmt. Die Korrelationen zwischen der Schwingungsgröße und den Konstitutionsvariablen sowie geeignete multiple Regressionen wurden berechnet. Alle Korrelationen waren niedrig, dabei waren diejenigen für die Männer erheblich niedriger als für die Frauen, und alle Regressionsgleichungen waren von geringem Wert für Voraussagen.

Es wird geschlossen, daß das Schwingungsverhalten, geschätzt durch den berichtigten Kleinimpuls, im wesentlichen von der Konstitution unabhängig ist. Folglich sind Modelle des umgekehrten Pendels für das Haltungsschwingen nicht akzeptabel. Es wird vielmehr geschlossen, daß der Körper als ein dynamisches Gegengewichtssystem agiert, bei dem kontinuierlich Kompensationsbewegungen gleichzeitig und innerlich zwischen benachbarten Körpersegmenten dergestalt stattfinden, daß Bodenreaktionskräfte nicht in voraussagbarer Weise beteiligt sind. Auf diese Weise ausgeglichen, sind die absoluten Größen der Segmentmassen und die Lage dieser Massen über ihrer Grundfläche nicht wichtig.

Résumé

Sur la base du fait que le modèle du pendule inversé du vascillement implique nécessairement que le vascillement est une fonction linéaire du physique, il a été tenté de prédire le vascillement à partir de variables simples et composées du physique. Les composantes de force horizontale antéro-postérieure (F_y) et latérale (F_x) du vascillement ont été enregistrées chez 58 jeunes adultes, 29 hommes et 29 femmes, à l'aide d'une plateforme de mesure biomécanique à composants multiples (Kistler, 9261 A). A partir de ces enregistrements transférés sur un Analyseur de Fourier Hewlett Packard (HP 5451 A), une impulsion rectifiée de vascillement a été calculée. La taille, le poids, la masse maigre (méthode de Siri, 1956), l'indice pondéral (Hirata 1972) et la surface corporelle (Dubois et Dubois 1916) ont aussi été déterminés chez chaque sujet. Les corrélations entre l'ampleur du vascillement et ces variables du physique ont été calculées et les équations appropriées de régression multiple établies. Toutes les corrélations étaient basses, celles du sexe masculin systématiquement plus basses que celles du sexe féminin, et les équations de régression avaient toutes une faible valeur prédictive.

Il est conclu que le vascillement, tel qu'estimé par l'impulsion rectifiée, est essentiellement indépendant du physique. En conséquence, les modèles de pendule inversé du vascillement postural sont inacceptables. Il est postulé que le corps se comporte comme un système à contrepoids dynamique dans lequel des mouvements compensatoires continus se produisent simultanément et séparément entre les segments corporels adjacents de telle façon que les forces fondamentales des réactions ne peuvent être prédites. Etant ainsi équilibrées, les valeurs absolues des masses des segments et les positions de ces masses au-dessus de leur base de support sont sans importance.