Changes in gait patterns due to transient Foot-Transmitted Vibration

Human exposure to foot-transmitted vibration (FTV) is common in workplaces involving heavy machinery, vehicles and vibrating surfaces, posing a risk of musculoskeletal injuries and postural instability. Understanding these effects is essential for risk assessment and protection of workers walking on a vibrating floor. The current ISO 2631 standard for workers exposed to whole-body vibration does not take walking posture into account, and research on this topic remains limited, often focusing on a narrow range of perturbations and parameters. This study investigates the impact of FTV on gait patterns and recovery strategies. The analysis is divided into two parts: gait alteration, assessing how vibrations affect gait parameters, and gait recovery, exploring strategies for stabilization and adaptation. The experimental sessions involved 21 healthy young adults (26.3 ± 2.1 years old) walking on a treadmill mounted on a six-degrees-of-freedom vibrating platform. Participants completed 18 trials, including two unperturbed (at the beginning and the end of the session) and 16 perturbed trials, combining four perturbation directions (medio-lateral, antero-posterior, roll, pitch) with four frequencies (0.5, 0.75, 1, 1.5 Hz) at constant peak-to-peak amplitude (2 cm for translational and 1° for rotational vibrations). Kinematic data were collected via optoelectronic stereophotogrammetry (six infrared cameras, 50 passive markers), and centre of pressure data were recorded for six participants using sensorized insoles. Joints’ angles (pelvis, hip, knee, ankle, trunk, shoulder, head) and gait events were extracted, and spatiotemporal parameters (e.g., step time, cycle time, cadence, stance, swing, double-leg support time, step length, and step width) were computed. The gait alteration study focused on the mean of the twenty central steps, while the recovery study assessed six steps around vibration onset and offset. Statistical analyses compared pre- and post-perturbation walking, unperturbed vs. perturbed trials, and variations across perturbed conditions. Results showed significant gait changes primarily under medio-lateral perturbation and at the highest frequency (1.5 Hz). Cadence and step width increased, while cycle time and step length decreased, indicating a stability-enhancing strategy with shorter, faster, and wider steps. In particular, the parameters most altered with respect to the normal walking were found to be step width (22%), cadence (8%), step length (11%), cycle time (9%), and with a frequency-dependent increasing (for the first two) decreasing (for the last two) trend in the ML direction. Centre of pressure analysis revealed load asymmetries, though limited by sample size and insole reliability. Increased hip flexion and abduction, knee flexion, ankle dorsi-flexion and inversion, trunk flexion, and shoulder abduction reflected compensatory balance responses. Similar effects occurred immediately after vibration onset, with shorter steps and greater shoulder abduction, while upon vibration cessation, gait parameters and joint angles returned toward a natural pattern, suggesting a temporary adaptation to perturbation. These findings indicate that FTV can significantly impact gait and stability, representing a potential occupational risk. Further studies with other types of vibrations and the application of specific gait deviation indexes may be conducted to identify also relevant kinematics indicators for assessing gait alterations, supporting potential updates to ISO 2631 on whole-body vibrations.

L’esposizione a vibrazioni trasmesse ai piedi (foot-transmitted vibration, FTV), comune in ambienti lavorativi con macchinari pesanti, veicoli e superfici vibranti, comporta rischi di lesioni muscoloscheletriche e instabilità posturale. Comprendere questi effetti è importante per la valutazione del rischio e la protezione dei lavoratori che camminano su un pavimento vibrante. L’attuale standard ISO 2631 per i lavoratori esposti alle vibrazioni trasmesse al corpo intero non tiene conto della postura durante la camminata, e la ricerca su questo argomento è ancora limitata, spesso concentrandosi su un numero ristretto di perturbazioni e parametri. Questo studio analizza l’impatto delle FTV sul cammino e sulle strategie di recupero, suddividendo l’analisi in due parti: alterazione della camminata, che esamina l’effetto delle vibrazioni sui parametri del cammino, e recupero della camminata, che esplora le strategie di stabilizzazione e adattamento. Le sessioni sperimentali hanno coinvolto 21 giovani adulti sani (26.3 ± 2.1 anni) che hanno camminato su un tapis roulant montato su una piattaforma vibrante a sei gradi di libertà. I partecipanti hanno eseguito 18 prove, di cui due non perturbate (a inizio e fine della sessione) e 16 perturbate, combinando quattro direzioni di perturbazione (medio-laterale, antero-posteriore, roll, pitch) con quattro frequenze (0,5, 0,75, 1, 1,5 Hz) a un'ampiezza picco-picco costante (2 cm per vibrazioni traslazionali e 1° per vibrazioni rotazionali). I dati cinematici sono stati raccolti tramite sistema optoelettronico (sei telecamere a infrarossi, 50 marker passivi), e i dati del centro di pressione sono stati registrati per sei partecipanti utilizzando solette sensorizzate. Gli angoli articolari (pelvi, anca, ginocchio, caviglia, tronco, spalla, testa) e gli eventi di camminata sono stati estratti, e i parametri spaziotemporali (step time, cycle time, cadence, stance, swing, double-leg support time, step length, step width) sono stati calcolati. Lo studio sull'alterazione della camminata si è concentrato sulla media dei venti passi centrali, mentre lo studio sul recupero ha analizzato sei passi attorno all'inizio e alla fine delle vibrazioni. Analisi statistiche hanno confrontato il cammino pre- e post-perturbazione, prove non perturbate vs. perturbate, e variazioni tra le condizioni perturbate. I risultati hanno mostrato cambiamenti significativi nel cammino principalmente in presenza della perturbazione medio-laterale e alla frequenza più alta (1,5 Hz). La cadence e la step width sono aumentate, mentre il cycle time e la step length sono diminuiti, indicando una strategia che favorisce la stabilità con passi più brevi, veloci e larghi. In particolare, i parametri maggiormente alterati rispetto al cammino normale sono risultati essere la step width (22%), la cadence (8%), la step length (11%), e il cycle time (9%), con una tendenza crescente (per le prime due) decrescente (per gli ultimi due) dipendente dalla frequenza nella direzione medio-laterale. L'analisi del centro di pressione ha rivelato asimmetrie di carico, sebbene limitata dalla dimensione del campione e dall'affidabilità delle solette. L'aumento della flessione e abduzione dell'anca, della flessione del ginocchio, della dorsi-flessione e inversione della caviglia, della flessione del tronco e dell'abduzione della spalla ha riflesso risposte compensatorie per l’equilibrio. Effetti simili sono stati osservati immediatamente dopo l'inizio delle vibrazioni, con passi più brevi e maggiore abduzione della spalla, mentre alla rimozione delle vibrazioni, i parametri di camminata e gli angoli articolari sono tornati verso un modello naturale, suggerendo un adattamento temporaneo alla perturbazione. Questi risultati indicano che le FTV possono influire significativamente sulla camminata e sulla stabilità, rappresentando un potenziale rischio occupazionale. Ulteriori studi con altri tipi di vibrazioni e l’applicazione di specifici indici di deviazione del cammino potrebbero essere condotti per identificare anche indicatori cinematici rilevanti per la valutazione delle alterazioni della camminata, supportando possibili aggiornamenti della norma ISO 2631 sulle vibrazioni a corpo intero.