Influence of foot-transmitted vibration on gait dynamics: muscle activity, symmetry, and synergies

Human gait is a daily life activity that is influenced by several factors, including external perturbations. The vibration of the floor may cause foot-transmitted vibration (FTV) and consequently affect gait stability, muscle activation, and neuromuscular coordination. In the case of transportation workers, FTV exposure while walking may determine higher risks of injuries and accidents. Previous studies have analysed separately the effects of FTV on spatiotemporal and kinematic parameters during walking and the effects on muscle activation during static conditions. Research on neuromuscular alterations caused by FTV exposure during locomotion remains unexplored and becomes fundamental to understand it to identify the most detrimental vibration condition for walking workers. This study investigates the impact of FTV on muscle activity and muscle synergies and symmetries during locomotion. Twenty young and healthy subjects walked on a treadmill mounted on a vibrating platform able to generate different perturbation conditions. Medio-lateral, antero-posterior, roll, and pitch directions at frequencies ranging from 0.5 to 1.5 Hz were applied. Kinematic data were collected via an optoelectronic motion capture system, while surface electromyography was used to record lower limb muscle activation. 8 to 16 muscles were recorded in each subject, either from the right leg or from both legs. Analysed muscles included quadriceps, hamstrings, calf and shank muscles. Muscle synergies were extracted using non-negative matrix factorization (NNMF) and symmetry indices were computed for bilateral muscle activity comparison. Statistical Parametric Mapping (SPM) implemented in Matlab was used to perform statistical tests on time-series data to assess the significance of the observed changes in kinematic and electromyographic data caused by FTV exposure. Results indicated significant alteration particularly in medio-lateral vibrations at 1.5 Hz. However, no significant differences emerged between the synergies extracted from different perturbation types. Finally, the symmetry analysis suggested a generally balanced muscle activation between the right and left limbs, with no significant asymmetry caused by FTV. It is worth noting that the perturbation amplitudes and frequencies applied were relatively low and did not elicit pronounced neuromuscular responses. This study also sets out to explore which implications may be considered to update ISO Standard 2631 for whole-body vibrations. Various synthetic indices for the evaluation of muscle activity were taken into consideration to identify those most suitable for the evaluation of alterations in the presence of FTV to validate in future studies. While further research is needed to deepen the understanding of these mechanisms and refine analysis methodologies, this work offers valuable insight into neuromuscular adaptations to external perturbations and their consequences in postural strategies. In particular, these results may contribute to understanding gait adaptation when walking on unstable surfaces and vehicles, with potential applications in ergonomics and biomechanics research.

La deambulazione umana è un'attività quotidiana influenzata da diversi fattori, tra cui le perturbazioni esterne. La vibrazione del pavimento può provocare vibrazioni a trasmissione podalica (Foot-transmitted vibration, FTV) e, di conseguenza, influenzare la stabilità del cammino, l'attivazione e la coordinazione neuromuscolare. Nel caso dei lavoratori del settore dei trasporti, l’esposizione a FTV durante il cammino può determinare un maggior rischio di lesioni e incidenti. Studi precedenti hanno analizzato separatamente gli effetti della FTV sui parametri spazio-temporali e cinematici durante la deambulazione e sull'attivazione muscolare in condizioni statiche. Tuttavia, il campo delle alterazioni neuromuscolari indotte dall'esposizione a FTV durante la locomozione rimane ancora inesplorato. Comprenderle è essenziale per individuare la condizione di vibrazione più dannosa per i lavoratori che camminano. Questo studio analizza l'impatto della FTV sull'attività muscolare, nonché sulle sinergie e simmetrie muscolari durante la deambulazione. Venti soggetti giovani e in buona salute hanno camminato su un tapis roulant montato su una piattaforma vibrante in grado di generare diverse condizioni di perturbazione. Sono state applicate vibrazioni nelle direzioni medio-laterale, antero-posteriore, rollio e beccheggio, con frequenze comprese tra 0,5 e 1,5 Hz. I dati cinematici sono stati raccolti tramite un sistema optoelettronico di acquisizione del movimento, mentre l'elettromiografia di superficie (surface electromyography, sEMG) è stata utilizzata per registrare l'attivazione muscolare degli arti inferiori. In ogni soggetto sono stati registrati da 8 a 16 muscoli, dalla gamba destra o da entrambe le gambe. I muscoli analizzati comprendevano quadricipiti, ischiocrurali, muscoli del polpaccio e della gamba anteriore. Le sinergie muscolari sono state estratte mediante la non-negative matrix factorization (NNMF), mentre gli indici di simmetria sono stati calcolati per il confronto bilaterale dell'attività muscolare. Per valutare la significatività delle variazioni cinematiche e elettromiografiche indotte dall’esposizione alla FTV, sono stati condotti test statistici sui dati in serie temporale tramite Statistical Parametric Mapping (SPM) implementato in Matlab. I risultati hanno evidenziato alterazioni significative in particolare per vibrazioni medio-laterali a 1.5 Hz. Tuttavia, non sono emerse differenze significative tra le sinergie estratte in differenti condizioni di perturbazione. L’analisi delle simmetrie ha inoltre suggerito un’attivazione muscolare generalmente bilanciata tra arto destro e sinistro, senza evidenti asimmetrie indotte dalla WBV. È importante sottolineare che le ampiezze e le frequenze delle vibrazioni applicate erano relativamente basse e non hanno suscitato risposte neuromuscolari marcate. Inoltre, questo studio si propone di esplorare quali implicazioni possono essere considerate per aggiornare la norma ISO 2631 per le vibrazioni a corpo intero. Sono stati presi in considerazione diversi indici sintetici per la valutazione dell’attività muscolare, al fine di individuare quelli più adatti alla valutazione delle alterazioni in presenza di FTV, che saranno da validare in studi futuri. Sebbene siano necessarie ulteriori ricerche per approfondire la conoscenza di questi meccanismi e affinare i metodi di analisi, questo studio fornisce indicazioni preziose sugli adattamenti neuromuscolari alle perturbazioni esterne e sulle loro conseguenze sulle strategie posturali. In particolare, tali evidenze possono contribuire alla comprensione dei processi di adattamento del cammino su superfici instabili e su veicoli, con potenziali applicazioni nei settori dell’ergonomia e della biomeccanica.