Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic...

102
Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic arthritis Inge Van den Herrewegen Promotoren: prof. Malcolm Forward, assoc. prof. Lanie Gutierrez-Farewik Begeleider: ph.d. Eva Broström Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: biomedische ingenieurstechnieken Vakgroep Civiele techniek Voorzitter: prof. dr. ir. Julien De Rouck Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar 2009-2010

Transcript of Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic...

Page 1: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic arthritis

Inge Van den Herrewegen

Promotoren: prof. Malcolm Forward, assoc. prof. Lanie Gutierrez-Farewik Begeleider: ph.d. Eva Broström

Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: biomedische ingenieurstechnieken

Vakgroep Civiele techniek Voorzitter: prof. dr. ir. Julien De Rouck Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar 2009-2010

Page 2: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

Prologue & Acknowledgements

This thesis is the final piece of two years in which I discovered biomedical engineering. It came

to me as a very interesting field, not to say it was in fact a relief to see engineering being used

“for good purposes”.

Writing the thesis in Stockholm (instead of Gent) was a big surplus for me. The experience of

studying abroad is a great experience, and it is a challenge to find, write and finish a thesis on my

own. Ofcourse, this thesis wouldn´t have been possible without the help of my two Swedish

supervisors Lanie Guterriez-Farewik and Eva Broström, leading me the way and always prepared to

answer my questions. The assistance of Anna-Clara Esbjörnsson is also much appreciated. My

supervisor at the UGent Malcolm Forward, although far away, deserves my genuine thanks for his

willingness.

I give permission to make this master dissertation available for consultation and to copy parts of this

master dissertation for personal use. In the case of any other use, the limitations of the copyright

have to be respected, in particular with regard to the obligation to state expressly the source when

quoting results from this master dissertation.

Inge Van den Herrewegen 23/06/2010

Page 3: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

Overview

This thesis is made by Inge Van den Herrewegen as final piece of the master biomedical engineering

at Universiteit Gent (UG), Belgium. It is written in the context of an Erasmus program with kungliga

tekniska högskolan (KTH), and in cooperation with Karolinska Hospital in Stockholm, Sweden.

Supervisors are Malcolm Forward for UG, Lanie Gutierrez-Farewik for KTH, and Eva Broström for

Karolinska.

This thesis describes chair rising and descending in patients with rheumatoid arthritis (RA) and in a

control group. Subjects (11 RAs and 9 controls) performed 10 sit-stand-sit (SSS) cycles as fast as

possible, and kinematics and kinetics of the first and last cycle were acquired. The aim is to identify

SSS strategy used by RAs. A trunk-first strategy is hypothesized, with characteristics extensive trunk

flexion, higher hip and lower knee moment, longer rising time, and distinct forward/upward center

of mass (CoM) motion. The momentum-transfer strategy (MomTra) is defined as the normative SSS,

mixing forward and upward CoM motion, and distinction between touch&rise and sit&rise was

made. Subjects with RA showed generally more sit&rise behavior and a higher trunk flexion. Two

strategies other than the normal MomTra were distinguished. 6 Patients performed the closely

related “momentum-transfer with higher trunk flexion” (MomTra-TFl), moving also simultaneously

forward and upward after lift-off, but using higher trunk flexion to achieve this momentum-transfer.

The hypothesized trunk-first strategy was found in the remaining 4 patients. They flexed the trunk

extensively then rose nearly vertically. This is defined “distinct-momentum strategy” (DistMom). The

key biomechanical components to identify and distinguish MomTra, MomTra-TFl and DistMom

strategies were CoM motion, trunk flexion and SSS cycle time.

Key words: motion analysis, sit-stand-sit, rheumatoid arthritis, movement strategies, trunk flexion,

center of mass

Page 4: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic arthritis

Inge Van den Herrewegen

Supervisors: Lanie Gutierrez-Farewik, Eva Broström, Malcolm Forward

Abstract -This thesis describes chair rising and descending in patients with rheumatic arthritis (RAs) and in a control group. The aim is to identify sit-stand-sit (SSS) strategy used by RAs. A trunk-first strategy is hypothesized. The normal SSS is defined as the momentum-transfer strategy (MomTra), with distinction between touch&rise and sit&rise. Two strategies were found in the RAs: “MomTra with higher trunk flexion” (MomTra -TFl), and “distinct-momentum” (DistMom). The last corresponded to the hypothesis. Strategies were mainly distinguished by CoM motion, trunk flexion and SSS cycle time.

I. INTRODUCTION

This thesis investigates daily activities chair rising and descending in a Time-Stand test (TST). Research about rising on its own defined the normal rising strategy as momentum-transfer (MT). Forward momentum is generated from the start of forward trunk motion (Ts) till the buttocks leave the chair at lift-off (T L). Lifting from the chair transfers this forward momentum of the upper body to forward and upward momentum of the total body. Finally all joints extend vertically from Te. The elderly is found to prefer a trunk-first strategy. Elevation only starts after higher trunk flexion, bringing the center of mass (CoM) over the base of support, taking more time. Less momentum transfer takes places: horizontal and vertical component of the CoM motion are more distinct. Kinetics show a lower knee but higher hip moment.

Descending begins with stooping (the subject buckling into stooped position (Tst)), then the actual descending phase starts when the center of mass (CoM) accelerates downwards. All joints flex till seat contact (Tc), after which weight is transferred to the seat during seat loading, ending at Tsit. No descending strategy has been defined.

RA is an inflammatory d isease associated with joint destruction, disability and pain. It is hypothesized that subjects suffering from RA will perform SSS using a trunk-first strategy, with characteristics as found in the elderly (figure 1).

Figure 1: The trunk-first hypothesis.

II. METHODS

The testing involved 11 adults with RA and a control group (9 subjects). The subject were instructed to perform 10 SSS cycles as quick as possible, rising again as soon as the weight is fully on the chair. Only first and last SSS cycle of the TST were used for further analysis. The events Ts,Tl,Te,Tup,Tst,Tc and Ts it were used to describe the SSS cycle (figure 3). The instruction gives freedom of choice between rising after totally sitting with extension of the trunk (“sit&rise”), or directly as soon as the chair is touched (“touch&rise”) (figure 2).

A conventional biomechanical model, common in gait analysis, was used (Plug-in-Gait, Vicon). Subjects wore reflective markers defining 13 body segments. The analysis yielded mainly normalized thorax, hip, knee and CoM graphs & parameters. The Mann-Whitney U test was used with p<0.05. Trunk-first hypothesis, skipping the momentum-transfer, is translated in short CoM curves and a big parameter value.

Figure 2: Two different ways of performing TST.

Figure 3: The 7 events in the SSS cycle.

III. RESULTS

Normal SSS cycle— the normative SSS cycle as observed in the first cycle of the control group was established, and referred to as momentum-transfer SSS (MomTra). Average time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising and descending. Last cycle showed little fluctuations (“hopping”) in knee flexion during sitting: tired subjects let themselves “fall” on the chair. Sitting phase shortened, resulting in smaller SSS time (1.63s). Kinematic characteristics of sit&rise were higher trunk flexion and hopping during sitting phases.

Page 5: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

Characteristics of RA patients— patients showed higher trunk flexion, more knee valgus, higher hip and lower knee moment, but these were not significant. RA characteristics protruded significantly more in last than in first cycle, implying tiredness. Patients hopped less, and preferred sit&rise above touch&rise: they performed SSS more careful.

Strategies of RA patients— On basis of the CoM curves, two RA groups were distinguished (figure 4). “Distinct-Momentum strategy” (DistMom) has shorter and thicker CoM curves than normal, reflecting the expected trunk-first behavior. The total opposite behavior, with CoM curves longer and thinner than control curves, is defined as the new strategy “Momentum-Transfer with higher trunk flexion” (MomTra-TFl). CoM parameter value was 22 resp 12 with p=0.02. Kinematics confirmed this distinction (figure 5). DistMom showed a higher trunk flexion (p=0.04) and a 80 ms longer rising phase (p=0.1). DistMom characteristics appeared already in sitting stages, while MomTra-TFl distinguished only at TL and Tc.

MomTra-TFl is close to the normal MomTra (figure 5), but distinguished in CoM motion (p=0.1) and SSS cycle time (1.95s compared to 1.65s; p=0.28). Trunk flexion and knee valgus were non-significantly higher around Tl and Tc.

Figure 1: CoM curves (last cycle) reflecting for x>0 the forward during upward motion of controls (gray) and patients (dots). RA curves are split in two groups RA DistMom (small dots) and RA MomTra-TFl (big dots). Their averages are shown.

Figure 2: Kinematic characteristics of RA DistMom and RA MomTra-TFl: comparison of controls, DistMom. and MomTra-TFl strategies on thoraxangles, hipangles and knee var/val angles.

I. DISCUSSION

Three strategies to perform sit-stand-sit were distinguished. The key biomechanical components found to identify the three strategies were CoM motion, trunk flexion and rising time (figure 6). The normative SSS cycle MomTra as executed by the control group, showed the mixed forward-upward rising phase of MT. DistMom flexed the trunk extensively then rose nearly vertically. Characteristics corresponded to the trunk-first hypothesis: higher trunk flexion and distinct forward/upward CoM were significant; longer rising time was nearly significant. Due to partial moment acquisition failure and small group sizes, no results exist for the moments, but they are expected to follow also trunk-first strategy, being higher in the hip and lower in the knee. RA MomTra-TFl didn´t agree with our trunk-first hypothesis and was closer to the normative SSS, but used higher trunk flexion to achieve the momentum-transfer. Characteristics showed in a non-significant way in higher trunk flexion and longer SSS time, and CoM forward-upward motion overlapped nearly significantly more (p=0.1).

Subject typifications nor the difference touch&rise /sit&rise could explain the variations in strategies: explanation remains for continued investigation.

Figure 3: Distinguishment of RA strategies between each other and with the normal: MomTra (gray), DistMom (orange), MomTra-TFl (yellow). Differences occur on three pillars: max trunk flexion, CoM forward-upward overlap and SSS cycle time. Arrows represent worth mention differences.

II. CONCLUSIONS

Normative kinematics and kinetics for the standard SSS cycle were established, and called MomTra after its similarity with the RIS strategy MT. Patients with RA deviated from this using the closely related MomTra-TFl strategy, or the trunk-first strategy DistMom. Main distinguishing parameters were CoM motion, trunk flexion and rising time, being possibly clinically observable biomechanical measures that could be used to identify SSS strategies.

Page 6: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

Table of contents

1. Introduction ...................................................................................................................................... 1

1.1. Introduction to motion analysis ................................................................................................ 2

1.1.1. Motion of the human body................................................................................................ 2

1.1.2. Motion analysis .................................................................................................................. 3

1.1.3. Motion analysis equipment ............................................................................................... 6

1.2. Introduction to chair rising and descending, &relation to rheumatoid arthritis ...................... 9

1.2.1. Rising/descending movement ........................................................................................... 9

1.2.2. Rising/descending strategies ........................................................................................... 14

1.2.3. Rheumatoid arthritis and its influence on SSS ................................................................. 18

1.2.4. Study aims and specific hypothesis ................................................................................. 19

2. Materials & Methods ...................................................................................................................... 21

2.1. Subjects & test procedure ....................................................................................................... 21

2.2. Data processing ....................................................................................................................... 22

2.3. Identification of SSS cycles and events .................................................................................... 23

2.4. Analyzing .................................................................................................................................. 26

2.4.1. CoM analysis .................................................................................................................... 27

2.4.2. Statistical analysis ............................................................................................................ 28

2.4.3. Performing comparative analyses ................................................................................... 28

3. Results ............................................................................................................................................. 30

3.1. General results ......................................................................................................................... 30

3.1.1. Events & phases ............................................................................................................... 30

3.1.2. Features in general graphs .............................................................................................. 34

3.1.3. Comparison with last cycle for controls .......................................................................... 35

3.2. RAs versus Controls ................................................................................................................. 37

3.2.1. Characteristics of RAs ...................................................................................................... 37

3.2.2. Sit&rise as RA strategy ..................................................................................................... 39

3.2.3. More subtle RA strategies .............................................................................................. 42

3.2.4. Conclusion regarding RAs <-> Controls ............................................................................ 43

3.2.5. Testing the trunk-first hypothesis: CoM motion ............................................................. 44

3.2.6. Conclusion: final distinction between controls, RA DistMom and RA MomTra-TFl ........ 47

Page 7: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

4. Discussion ........................................................................................................................................ 48

4.1. The normative SSS cycle ......................................................................................................... 48

4.2. Characteristics of RAs .............................................................................................................. 50

4.3. Strategies of RAs ...................................................................................................................... 51

4.4. Trustworthiness of the data .................................................................................................... 53

4.4.1. Moments .......................................................................................................................... 53

4.4.2. Small groups and significance .......................................................................................... 54

4.4.3. Graph analysis .................................................................................................................. 54

4.4.4. First or last cycle? ............................................................................................................ 54

4.4.5. RIS <-> SSS Cycle times .................................................................................................... 55

4.4.6. Accuracy of tym-txm ........................................................................................................ 55

4.4.7. Knee valgus ..................................................................................................................... 55

4.5. Future perspectives ................................................................................................................. 56

APPENDIX .............................................................................................................................................. 57

ATTACHMENTS ...................................................................................................................................... 83

REFERENCES ........................................................................................................................................... 85

Page 8: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

Table of abbreviations

Abbreviation Explanation

SSS Sit-Stand-Sit

TST Time-Stand Test

STS Sit-to-Stand

RIS Rising

DESC Descending

GRF Ground reaction force

CoM Center of Mass

RA Rheumatoid Arthritis

MomTra Momentum-transfer

DistMom Distinct-momentum

MomTra-TFl Momentum-transfer with

higher trunk flexion

Page 9: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

1  

1. Introduction  

A  very practical  indication of  joint problems  such  as  in  rheumatoid  arthritis  is difficulties  in moving,  and more  specifically  in  the  important  daily  activities  (for  example, walking,  stair climbing, chair rising...). These are important because even small dysfunctions may cause a big decrease of quality in daily life. Examining a patient’s’ way of performing a daily activity is thus useful for purposes of diagnosis of the severity and impact of the disease.  Walking is by far the most investigated (using the techniques of gait analysis). This thesis though, will focus on chair rising and descending. Performed on average 4 times an hour, this is a main daily activity [46]. But it is also a very aggravating movement for knee and hip, which makes it a good indicator of problems  in  these  joints.  According  to  pain  and  limitations,  the  patient  will  adapt  their rising/descending strategy. In clinical practice, rising from a chair is already a common test, but unlike  in gait analysis,  the  tests are still performed “on sight”  i.e. using skills of observation: whereby  the  examiner  judges  the  compensatory maneuvers  just by watching  the  test.  This thesis aims to assess the adapted motion more qualitatively, by means of motion analysis. This approach will  include measurement of  the movement of  the body  in space  (kinematics) and the forces producing these movements (kinetics).  One special aspect of the kinematics is the movement of the center of mass (CoM) of the body, because those data create more  insight concerning stability. 

As a conclusion, this thesis will use motion analysis to examine chair rising and descending  in two  subject  groups:  a  reference  group  to  establish  a  normative  data  set,  and  a  group  of patients with rheumatoid arthritis to search for a compensatory strategy. 

   

Page 10: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

2  

1.1. Introduction to motion analysis 1.1.1. Motion of the human body 

The human body moves thanks to flexible bone connections: a general synovial joint connects two  bones  in  a moveable way  (figure  1).  The  joint  surface  is  covered with  cartilage  (more specifically hyaline cartilage), which  is very  important  in the joint:  it  is a much softer material than bone, and can move with little‐to‐no friction when in contact with the opposing surface. Secondly, cartilage has a certain shock‐absorbing nature, because of  its ability  to hold water molecules well.  Furthermore,  the  synovial membrane  together with  the  cartilage,  forms  a cavity for the synovial fluid, which serves as the joint cushion. The joint stability is established by its shape, and by surrounding ligaments and muscles [29].  

The  joints  of  interest  in  this  thesis,  hip  and  knee,  are  such  synovial  joints.  The  hip  joint connects the femoral head (the ball‐formed end of the thigh bone) with the acetabulum (the socket of the pelvis) (figure 2). It is a simple ball‐and‐socket joint, allowing for a wild range of rotation and movement, somewhat  limited by five  ligaments. The main hip motion  is flexion‐extension  from  15°  retroflexion  till  125°  anteflexion  [41].  The  knee  joint  is  a  slightly more complex joint, made up of three bones: the femur, tibia, and the patella (kneecap) (figure 3). The knee is a very important weight‐bearing joint in the body, and is stabilized by 4 ligaments. Furthermore, there are 2 menisci between the cartilage surfaces of the femur and tibia: they are  shock  absorbers  that  help  to  center  the  knee  joint  during  activity  and  to minimize  the amount of  stress on  the articular  cartilage. The  combination of  the menisci and  the  surface cartilage  in  the knee produces a nearly  frictionless gliding  surface. The knee  is an  incredible joint: strong, flexible, and very tough. Its main motion is flexion till 130° [32,35]. 

The muscles surrounding a joint produce together the joint moment, causing the movements of the segments. Muscle actions can thus be seen as a set of moments acting about a joint. Hip and knee  joint moments are positive  in extension. According to Doorenbosch and coworkers, the main muscles creating the moment for  joint flexion during rising from a chair are gluteus maximum, biceps  femoris  caput  longum, Rectus  femoris, Gastrocnemius,  soleus, and  tibialis anterior [15]. 

 

 

Figure 1: a general synovial joint [33] 

 

Page 11: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

3  

     

Figure 2: the hip joint [34]    Figure 3: the knee joint [35] 

 

1.1.2. Motion analysis 1.1.2.1. What and how of motion analysis 

“Analyzing  a  motion”  provides  kinematics  (positions,  velocities  and  accelerations  of  body parts),  and  kinetics  (joint moments).  These data  are  gathered  by what  is  called  full motion analysis, which  can  be done  in different ways, but  in  its  ‘completeness’  it  should  include  a motion tracking system (MTS) for the kinematics, combined with a ground reaction force plate (GRFplate) to compute the kinetics (figure 4). This is the most common way and was, used by some 70% of the studies concerning chair rising [23]. Other ways exist also (e.g. Music and co‐workers  researched  body  mounted  accelerometers  and  gyroscopes.  These  are  cheaper, portable  and  less  time‐consuming), but  are  less  accurate  [46].  To  link  the  gathered data  to reality, a body model is applied.  

The MTS (motion tracking system) can be either a pure video analysis that uses mathematical image processing, or the more accurate optical tracking system using retro‐reflective markers, which  is widely used  in clinical practice and commercially available  in  shape of  the Vicon or ExpertVision systems [28]. The retro‐reflective markers are placed on palpable bony points on the  body,  (landmarks)  which  serve  to  calculate  the  segment  and  joint  center  positions. Conventional marker  placements were  earlier  developed  for  analysis  of  gait,  and Galli  and coworkers showed that these are appropriate for chair rising analysis too [12]. 

A multi‐segment human body model approximates the human kinematics & kinetics from the gathered MTS and GRF plate data. Different body models exist: the 7‐segment linked model is used quite often  (reducing  the whole upper body as  the HAT=hat‐arms‐trunk segment  [46]), but the whole‐body model  is more accurate. Created by Davis, this model was developed for gait  analysis  but  is  perfectly  usable  in  chair  rise  analysis  too  [45].  It  represents  the  body consisting of 15 rigid bodies (‘segments’) connected by joints: two feet, shanks, thighs, hands, lower  and  upper  arms,  and  one  pelvis,  thorax  and  head  (figure  5).  The movements  of  the segments are generally described in Euler angles and are dictated by the 3 rotational degrees 

Page 12: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

4  

of  freedom  of  the  joints.  Joints  can  transfer  inter‐segmental  forces,  and  the  actions  of  the muscles and ligaments around the joint are modeled as inter‐segmental moments.  

   Figure 5: complete motion analysis includes a motion tracking  system and a GRF plate. They are translated into joint kinematics  and kinetics using a body model.  

The output of the MTS is the marker positions, basically points in space. Davis’ multi‐segment body model comprises  these markers  into segments  (3 markers define  together 1 segment), defining the orientation of segmentally‐embedded coordinate systems and instantaneous joint center  locations  (figure 6). Finally, angles between  segments are calculated  from  these  [45]. The most  important of  these  final  angles  are  thorax, hip,  knee  and  ankle  angles  (figure  7). These  can  be  single  and  double  differentiated  by  weighted  least  squares  numerical differentiation  to obtain velocities and accelerations. The center of mass  (CoM)  is computed from the kinematic data, summing all contributions of each of the separate body segments [6]. The  kinetics,  net  3D  joint  moments  Mx,My,Mz,  are  computed  from  the  combination  of kinematic and force plate data by application of Newtons second law and Euler’s equations of motion with the inverse dynamic method [12,2,18,19]. The equations are solved starting at the foot  (on  which  the  known  GRF  acts)  and  proceeding  from  segment  to  segment.  On  each segment  i  connected  by  joint  kl  with  segments  k  and  l,  intersegmental  forces  Fki  and  Fli, intersegmental moments Mki and Mli, and gravitational  force  representing  the weight of  the segment  mi,  have  to  be  considered  for  calculation  of  the  joint  moments  (box  1).  A  first impression of a  joint moment can be obtained by multiplying  the  reaction  force vector with the distance  from  the  joint  to  that  vector  (figure 8).  This  includes  errors,  since  inertial  and gravitational effects are neglected. 

 Figure 4: visualisation of the 15‐ segment whole body model 

Page 13: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

5  

     

Figure 7: segment coordinate systems and  joint center locations determined from the marker position data (only lower body shown) [45] 

 

 

      

 

 Figure 8: approximation of the hip joint moment by multiplying the GRF (red 

arrow) with the distance to the joint (gray arrow) 

 (1)  Fki + Fli + Fei + mi.g = mi.ai (2)   rki x Fki + rli x Fli + rei x Fei + ri x mi.g + Mki + Mli = ri x mi.ai + d/dt(Ii.ωi) (3) = (2) ‐ ri x (1) :  Rki x Fki + Rli x Fli + Rei x Fei + Mki + Mli = d/dt(Ii.ωi)  

Box 1:  (1) and (2) are the equations of motion to be applied on each segment. In these, the positions are relative to some stationary reference point O. In solving the inverse dynamics , the previous equations 

applied to a seperate segment are taken relative to the CoM of that segment (ri), which is moving. This gives a third equation (3). Writing out (1) and (3) for all segments will give sequentially all joint forces and 

moments.

  

 Figure 6: main angles calculated from 

segment positions 

Page 14: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

6  

1.1.2.2. Errors & assumptions 

Leardini and co and Music and co  investigated  the  impact of errors on  the complete motion analysis (figure 9). Errors are introduced due to the marker‐based definition of the segments: the markers on the body surface are assumed to reflect the motion of the underlying bones, neglecting soft tissue deformation. Especially at the thigh this deformation can be significant, inducing an error of around 30 mm  in  the allocation of  the hip  joint center. Variables  in  the sagittal plane are less affected by this, with the error in the motion of the shank of 10 mm  in translation and 8°  in rotation  [24].   Especially during rising motion, a  false valgus position of the knee might be observed due  to a small misplacement of knee markers. More errors are introduced by  the  simplicities of  the body model:  segments are assumed  to be  rigid bodies with their masses concentrated in their CoM, and are connected by only one joint (which isn’t the case e.g. for the ankle joint being a combination of many articulations); joints are modeled as  ideal pin  joints with no added  friction during  rotation. The errors  introduced by all  these assumptions are acceptable [46]. Furthermore, the model doesn´t count the chair as point of interaction with the environment. 

 

 Figure 9: errors are introduced in the complete motion analysis due to marker placement and body model 

approximation 

 

1.1.3. Motion analysis equipment 

Equipment  includes  infra‐red  cameras  to  assess  the  kinematics,  and  force  plates  to  assess kinetics.  

The  cameras are distributed over  the edges of  the  calibration volume, not  facing one other directly. They send out pulses of  infra‐red  light, which  is reflected by retro‐reflective markers donned  on  the  subjects.  This  reflected  light  is  captured  again  by  sensors mounted  on  the cameras  (figure 10).  The  cameras  are  calibrated  statically  (putting  a marked  L‐frame  at  the force plate  corner  to establish origin and axes orientation) and dynamically  (waving a  small marked  rod  in  the  calibration  volume).  Each  camera,  recording  a  certain  2D  view  in which some marker are moving, distinguishes the markers from the noise by a process called spot‐searching:  for every  reflection,  the camera generates a grayscale blob, with certain  intensity depending  on  the  strength  of  the  reflection.  If  the  grayscale  blob  is  circular  and  the  pixel intensity  is brightest at the center, the camera subjects  it to a circularity threshold to decide whether  it  is  a marker  or  not.  The  distinction  is  possible  due  to  the much  stronger  and particularly  shaped  reflection  of  a marker,  compared  to  everything  else  the  infrared  signal encounters [26]. Each of the optoelectronic cameras records a 2D view, simultaneously at 100 Hz;  information  from  all  the  cameras  is  required  to  reconstruct  the  3D markers  positions. 

Page 15: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

7  

Ehara and co tested a 6‐camera reconstruction system and showed an error of around 0.9 mm, depending on  the  field of camera view and  the  resolution of  the cameras  (a marker can be ignored due to partial occlusion or merging with other markers). 

The ground  reaction  force  (GRF) plates  serve  to measure  the external  forces and moments. The vertical Fz  is the most  important showing vertical acceleration/deceleration, but also the antero‐posterior Fy  is very useful  (since  it  reflects  forward momentum generation), as  is  the left‐right Fx  (showing asymmetry  in  the motion). Kralj and coworkers state  that  the acquired moments can be  ignored by assuming that the foot doesn’t exert a torque on the force plate [10].  The GRF plate  in  the Vicon  system    is basically  a  load  transducer, working with  strain gauge  load  cells,  converting  the  load  to  a  change  in  resistance  (figure  11).    This  change  is measured by a Wheatstone bridge (figure 12), which gives a small voltage output (millivolts). 6 Such Wheatstone bridges are combined in one force plate, giving 6 output voltages. These are sent to a high‐gain amplifier and finally to an A/D converter. The digitized signals are linked to respectively  Fx,  Fy  and  Fz  (components  of  the  reaction  force),  and Mx,My  and Mz  (moment components) by  the calibration matrix C  (figure   13). The  force plate with  strain gauge  load cells  can be  a  very accurate measurement device, but  there  is one drawback: when abrupt load changes occur, every  load cell  is subjected to "ringing" and an oscillating data pattern  is observed.  This  originates  from  the  spring‐like  deforming  behavior  of  load  cells,  exhibiting vibrations at  its natural  frequency. All data should afterwards be passed  through a  low‐pass filter  (e.g.  2nd  order  Butterworth  filter)  to  get  rid  of  the  noise  (it  removes  high  frequency components and thus produces smoother data). 

   

 

Figure 11: strain gauge [42]: their deformation due to force corresponds with a change in resistance 

 

Figure 10: position tracking of a reflective marker 

Page 16: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

8  

 

 Figure 13: The calibration matrix C, calculating the force and moment inputs to the platform (Fj) based on the 

platform outputs voltages (Vi). The matrix can be simplified by using only the diagonal terms, since they actually represent the conversion load‐voltage, and the others represent only the cross talk between the transducers [44]. 

   

 

Figure 12: full wheatstone bridge, connecting four active strain gauges, measuring the change in resistance. This is the most sensitive and most accurate kind of bridge. Applying the stable excitation 

voltage, the alternate two terminals of the bridge are balanced according to the principle of a Wheatstone bridge (V = 0). When then a load appears, small mechanical strains will subtly change the resistance of the bridge arms, and the bridge will become unbalanced. This results in a signal output, 

related to the stress value. 

Page 17: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

9  

1.2. Introduction to chair rising and descending & relation to rheumatoid arthritis  

1.2.1. Rising/descending movement 

This  thesis  focuses on  the  Time‐Stands‐Test  (TST),  consisting of  10  Sit‐Stand‐Sit  (SSS)  cycles performed as quickly as possible. As far as is known, no research from a biomechanical point of view has been performed on the TST specifically. Though, rising as a test on its own (STS = Sit‐To‐Stand) has been  analyzed  thoroughly  since  the  1990’s  [15,16,12,10,7].  Furthermore,  STS doesn’t  differ  significantly  from  the  rising  part  of  the  SSS movement  [7], which makes  its findings and definitions valuable also this study on the TST. Descending to a chair is generally considered  as  clinically  less  important  and  thus  noticeably  less  analyzed:  only  two  studies include a descending analysis [10,7]. 

Their most important findings are summarized in the following paragraph. 

 1.2.1.1. Main features 

STS  activity  is,  in  mechanical  terms,  one  of  the  most  demanding  daily  activities.  An  STS movement requires a bigger peak  joint moment, yields a higher peak hip  joint pressure, and requires greater muscle strength than most other daily activities like walking, jogging and stair climbing [2]. The exact values of maximum joint moments depend on the applied strategy (and thus on the patient), but the sum of the peak hip and knee moments is found to be the same regardless of strategy. According  to Yoshioka and coworkers,  in order to perform a STS  task, max  knee  +  hip  joint  moment  must  be  1.53  Nm/kg  [18].  Furthermore,  STS  requires coordination of several muscle groups, with special requirements on balance [46]. According to Hirschfeld and coworkers, weight transfer during STS is induced already during sitting by forces exerted by buttocks and  feet. The buttocks  create here  the  isometric  rising  forces  (forward acceleration), while the feet perform mainly damping control before seat‐off. The CoM moves forward then upward: its horizontal component arises from forward rotation of trunk while its vertical component is due to extension of the hips and legs [54]. Kerr and coworkers as well as Kralj and coworkers  found  that descending  is performed more slowly  than  rising  [7,10]. This longer descending time  is mostly due to more caution, demanded by the deceleration of the body  mass  working  against  gravity.  Also  subjects  might  employ  a  slower  movement  in descending because of  lack of visual  information, making  them unsure about  the  location of the endpoint. 

The rising/descending motion described above,  is  the one  found  in most healthy  individuals. Scarborough  and  coworkers  called  it  MT  (“momentum‐transfer”  strategy).  According  to Vannozzi and coworkers and Yoshioka and coworkers,  it  is considered as  the  strategy which holds  an  optimally  coordinated  use  [8,18].  In  other  words,  the  most  common  way  of rising/descending is also the most efficient one.  

Page 18: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

10  

 

 

1.2.1.2. Division in phases 

In gait analysis, a division of  the common movement  into phases  is performed  (divided  into stance phase and swing phase, and each further divided  into sub‐phases), and this division  is widely  accepted.  For  chair  rising/descending  though,  there  is  no  standard  classification. Schenkman and co‐workers and Kralj and co‐workers have made some attempts to define the rising  [6,10]  and  descending  [10]  movement.  The  two  components  RIS  (rising)  and  DESC (descending) are visualized in figure 15. 

 

Figure 14: visualisation of chair rising (up) and descending  (down) [7]. The length between the figures represents roughly the timing, showing a slightly longer descending phase. 

 

‐ RIS    ‐ The main events distinguishable during  STS  can be defined using  two different  approaches: Schenkman and co‐workers bases the event definitions mainly on kinematic data [6], Kralj and co‐workers on  force platform data  [10].  In several studies a pressure‐sensitive seat switch  is also used to define the lift‐off event very accurately, then this event can be used as a point for the  synchronization  of  various  result  curves  [15,12].    No matter which  defining method  is applied, all studies agree on the definition of 5 main events during STS as follows: start of STS (Ts), Lift‐off (TL), start of extension (T45%), upright position (Tup) and Tquiet  standing (table 1). Ts, TL and Tup are the most distinguishable ones.  Based on those main events, the STS movement is divided  in phases. No standard division exists, but Schenkman and Kralj agreed on  the main division  into 3 mechanically distinct phases  [6,10]  (figure 15,  table 2). Starting  in  the  seated position at Ts, the momentum‐generation phase begins with the first trunk flexion. This phase generates  the  initial horizontal upper‐body momentum  for  rising by  flexion of  the  trunk and pelvis. At  TL,  the Momentum‐transfer phase  starts.  The  initial horizontal momentum of  the upper body (the trunk moving forward) is transferred to horizontal and vertical momentum of the  total  body  (lifting  from  the  chair).  In  this  phase, maximum  hip  and  thorax  flexion  and maximum hip and knee moments occur. Momentum‐transfer ends at T45%, and the extension phase  begins.  The  body  rises  only  in  a  vertical  direction  now,  extending  all  joints simultaneously. Quiet  standing  is  only  reached  after more  seconds  (often  assigned  as  a  4th phase,  the  ‘stabilization  phase’).The movement  can  be  divided  further  by  including  vertical 

Page 19: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

11  

acceleration‐deceleration of the body. Vertical acceleration starts at ‘start of seat unloading’, a moment distinguishable by a fast increase in Fz (due to redistribution of body mass and vertical acceleration).  Vertical  acceleration  goes  into  deceleration  at  T45%,  which  in  its  turn  lasts logically till upright position. 

 Table 1:  main events during STS Ts, Tl and Tup are very important and accurate. Quiet standing is a more arbitrary time. T45%, the start of extension, , takes place at around 45% of the STS movement cycle, at max ankle angle [6] or end of vertical acceleration [10]. Both studies define it independently, and it is only a coincidence that both occur at 45% of the STS cycle. More info about the comparison between both is given in attachments A definition of T45%, an attempt to show that the times are indeed comparable although from different studies. 

MAIN EVENTS  force platform data  Motion analysis data  Seat switch START OF STS (Ts) 

 Fast increase in Fy (due to generation of forward momentum) 

Noticeable start of trunk flexion 

 

LIFT‐OFF (Tl)  Fy is at its maximum  first instant when angular velocity of hip angle is 0 rad/s  

Seat switch off 

Start of extension (T45%)  

  max ankle dorsiflexion OR End of vertical acceleration 

 

UPRIGHT POSITION (Tup) 

 

  All joints fully extended OR No more hip angular velocity 

 

Quiet standing  

Fz converges to equal BM     

  

Figure 15: Phases in STS 

 Table 2: Phases in STS 

  

One more  feature  is  associated with  the  characterization  of motion:  states  of  equilibrium. These depend on 1) whether the body is moving or not and 2) the relative place of the body´s center  of mass  (CoM)  and  the  point  of  application  of  the  ground  reaction  force  (center  of 

momentum‐generation

Ts momentum‐transferTL extensionT45% Tup

PHASES  Start  End  Description  Stability 

 I  Momentum‐generation   Ts  Tl  Hip flexion while still seated  Inherent stability II  Momentum‐transfer  Tl  T45%  Rising from the chair  Dynamic stability III Extension  T45%  Tup  Extension of the body  Quasi‐static stability 

Page 20: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

12  

pressure  CoP).  Three  different  states  exist  [6]:  static,  quasi‐static  and  dynamic  equilibrium. When the body is not moving, it is said to be in static equilibrium. This implies directly that the CoP is the vertical projection of the CoM. A body that is moving but only through positions of static equilibrium  is called  inherent stable. Quasi‐static equilibrium occurs when the CoP and projected CoM are nearly coincident. A moving body is said to be in dynamic equilibrium, since the CoP is far from the projected CoM. A static body would fall in this situation, but a moving body can traverse these positions. All three of these states occur in the STS movement [6]. In the momentum‐generation phase, the CoM is over the base of support (the chair), so the body is  inherent  stable.  The presence of  kinetic  energy  in  the momentum‐transfer phase  implies that  the  CoM  is  not  directly  over  the  CoP:  the  body  relies  on  dynamic  stability.  This  is considered the most challenging phase: the joint moments reach their maximum just after the buttocks  lose contact with  the chair. Finally  the CoM projection quickly approaches  the CoP, satisfying (at the beginning of the extension phase) the criterion for quasi‐static stability (table 2). 

‐ DESC    ‐ The sitting down movement  is analogous to standing up, and therefore Kralj and co‐workers and Kerr and co‐workers defined the events and phases in a logical reversed order [10,7]. They both used  ‐as  in  rising‐ another definition, but  the defined phases match more or  less. The main events are  the start of descending  (Td), stooping posture  (Tst), sitting position  (Tsit) and Tquiet  sitting  (table  3). Using  these  events,  three phases  are  again defined  (figure  16,  table  4). Stooping phase begins at Td, and ends at Tst. The subject generates an impulse for moving the body weight backwards to the seat, more precisely the subject buckles into a stooped position (figure 17). This stooped position  is a posture essentially never observed during quiet stance: the  forces  and  positions  of  normal  quiet  stance  are  said  to  be  destabilized  [7].  At  Tst, descending  phase  begins.  The  body  segments  accelerate  into  flexion  (thus  GRFz  <  body weight), then slow down  (thus GRFz > body weight) but keep flexing till the chair  is touched. Seat loading, from Tc, till Tsit, transfers the body weight to the seat, and the hip angle decreases again.  Quiet  sitting  is  only  reached  after  several  more  seconds  (often  assigned  as  a  4th descending phase, the ‘stabilization phase’). The descending movement can be further divided by  including  vertical  acceleration‐deceleration.  Vertical  acceleration  begins  at  Tst  and deceleration begins in the middle of the descending phase. Vertical deceleration ends logically with  the  sitting  position.  The  three  states  of  stability  are  again  present:  quasi‐static  during stooping, dynamic during descending and inherent stable during seat loading (table 4). 

Table 3: main events in descending. 

MAIN EVENTS  force platform data (10)  Motion analysis data (7)  Seat switch START OF DESCENDING (Td) 

change in Fy (to go to stooped posture) 

Hip joint starts to flex  

 

Stooping posture (Tst = T15%) 

change in Fz (due to start downward acceleration) 

   

SEAT‐CONTACT (Tc) 

  Hip angle is maximum  

Seat switch off 

SITTING POSITION (Tsit) 

Fy is minimum  Trunk angular velocity is 0   

Quiet sitting  Fluctuations in Fy decrease      

Page 21: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

13  

 Figure 16: phases in descending 

 Table 4: phases in descending 

 

 Figure 17: sketch of stooped position 

 

1.2.1.3. Standardization of the testing procedure  

No  standardization  exists  for  the  restrictions,  parameters  and  instructions  during  chair rising/descending  tests. With  regard  to  the  initial  sitting  position, most  studies  use  a  chair height of 0.40m  (according  to  the British Standards  Institute)  [2,18], or an adjustable height depending  on  the  knee  (80%  knee  height  [6],  tibial  plateau  height  [8],  “to  achieve  a comfortable  position”  [10&12]).  The  feet  are  mostly  positioned  to  create  a  vertical  tibia orientation. During rising, the arms can be kept immobile (crossed over the chest) in order not to influence the CoM and prevent covering of the lower limb markers in instrumented motion analysis; on  the other hand,  letting  the arms move  freely gives a more correct  image of  the applied subject strategy. The same dilemma exists concerning timing: studies attempted to use forcing methods (e.g. following the beat of a metronome [6, 53]), or instructions (e.g. “as fast as you can” [36]) to control timing; mostly it is preferred to let subjects perform at a velocity of their own choice [10,7,49,15,16]. 

These  different  testing  procedures  affect  the  chosen  strategy,  especially  the  initial  sitting position [23,36,37] and timing [20,23,36].The consequences of testing procedure choice affect the  kinematics  as  well  the  kinetics  (figure  19).  Janssen  and  co‐workers  wrote  a  review investigating the  importance of chair height, concluding that  it  is critical to control the  initial position of the subject: a higher chair leads to lower moments at the knee and hip [23]. Linden and co‐workers and Brunt and co‐workers made  similar  remarks  for  foot position and ankle angle  [36, 37]: putting  the  feet more anterior  (knee more extended)  locates  the GRF  further from the hip joint and thus leads to higher hip moments. Furthermore, this position creates a 

stoopingTup descendingTst seat loadingTc Tsit

PHASES  Start  End  Description  Stability 

I   Stooping   Td  Tst  Upright to stooped posture  Quasi‐static  stability II  Descending   Tst  Tc  Descending  Dynamic stability III Seat loading  Tc  Tsit  Weight transfer to seat  Inherently  stable  

Page 22: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

14  

potential  for  instability. Advancing or elevating only one  leg partly excludes  this  leg and  the closest  leg  will  compensate  resulting  in  higher moments  in  that  leg.  In  the  free  position, subjects will automatically place their non‐affected foot furthest back [11]. Concerning timing, according to Janssen and co‐workers, letting subjects choose their own pace is the optimal way to capture the most natural pattern and task time, which is a useful indication of the subject’s’ performance.  In a slowly performed STS the subject puts the CoM closer to the CoP by putting the  legs  closer  to  the  seat,  and  leans  the  trunk  forward,  thus  requiring  nearly  no  forward momentum  generation.  Faster  standing  up  can  be  considered  more  as  a  DVR  (dominant vertical rise) movement, with  increasing the peak vertical momentum of the CoM and earlier activated extensor muscles [16,20,23,36]. 

 Figure 18: Differences in testing procedure have consequences on kinematics and kinetics. 

 

1.2.2. Rising/descending strategies 

The  normal  movement  just  described  (momentum‐transfer  strategy  or  MT  [16]),  is  not possible  for  every  individual.  Subjects  with  functional  limitations  are  found  to  use  a compensatory strategy, adapting their motion to reflect their abilities. Limited range of motion (ROM),  joint pain, muscle weakness and poor coordination alter  the kinematics and kinetics [4,12,15,16,17,25,38,48,49,50]. These studies cover examples of MT‐deviations due to e.g. age, obesity,  arthrosis  and  arthritis.  For  the  elderly,  Scarborough  and  coworkers  defined  the deviating  characteristics  in  a  strategy  called  ETF  (extensive  trunk  flexion)  [16].  The  same characteristics return  in several of the other studies. Doorenbosch and co‐workers examined the  kinetics  and  kinematics  of  this  strategy  and  called  it  FSTS  (sit‐to‐stand  with  full  trunk flexion) [15].  

1.2.2.1. An artificial trunk‐first strategy: definition of FSTS [15] 

Doorenbosch and co‐workers instructed healthy subjects to perform twice STS: once naturally, once whilst  “first bending  fully  the  trunk”. A  side  from  the normal  strategy MT  (here  called NSTS or normal sit‐to‐stand), a second strategy FSTS was defined: sit‐to‐stand with full trunk flexion. The main characteristics of FSTS yielded higher hip angles, and significantly higher hip but lower knee joint moments. No deviation of knee angle occured (figure 20). 

The instructed large trunk flexion in FSTS brings the CoM close to the CoP before lift‐off, which drastically reduces the need for forward momentum generation. The movement can thus be 

chair hight

higher lower hip and knee moments

foot position

more posterior lower moments

arms free influence CoM motion

timing faster less trunk flexion

Page 23: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

15  

executed much  slower  (>2s), and  totally  in quasi‐static equilibrium. The momentum‐transfer phase  is consequently skipped, whereas  the extension phase  is quite similar  to normal  (only more hip extension necessary). Elevation of  the body thus only starts after  the upper body “rolled” forward, bringing the CoM over the base of support (figure 19). These features result in a lower knee but higher hip moment (figure 20). Just after lift‐off (being the moment that max moments occur),  the hip  joint  is  further but  the knee  joint  is  closer  to  the GRF  line of action in FSTS. This implies thus bigger hip but smaller knee joint moments in full trunk flexion strategy. The decrease  in distance to the knee joint for  instance, was  in this example about 4 cm,  corresponding with  a  net moment  decrease  of  0.2  Nm/kg  for  each  leg.  Knee  and  hip moments  are  found  to  be  complementary.  The  ankle moment  stands  independently,  being more related to the CoP location. Investigating ankle moment is only useful when compared to the CoP location. 

 

 

 

 

Figure 19: altered kinematics (above: hip and knee angle) and kinetics (under: hip and knee moment) in FSTS (dotted line) compared to NSTS (full line). The vertical line represents lift‐off: maximum angles and momenta 

occur just after this moment.  

Page 24: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

16  

 

1.2.2.2. Strategy of the elderly: definition of ETF [16] 

FSTS is an artificial strategy, but its characteristics return naturally in subjects with limitations. Scarborough  and  coworkers  defined  different  strategies  for  elder  subjects  (figure  21). Compared  to MT,  ETF  strategy  includes  again  a more  extensive  trunk  flexion, no  change  in knee  angle,  and  the  kinetics  are  altered  with  a  bigger  hip  and  lower  knee moment.  The extensive  trunk  flexion while  seated  brings  the  CoM  closer  to  the  CoP  at  TL,  reducing  the momentum‐transfer phase severely. This implies that nearly the whole motion is performed in quasi‐static  stability  (table 5). Papa and  coworkers, who  focused also on elder persons with functional limitations, found the same characteristics (although they did not define it as being a  strategy)  [50].  Extra  findings  were  a  higher  horizontal  CoM  velocity  before  accelerating upwards  (thus  higher  horizontal  momentum),  and  lower  coordination  effort  necessary  to achieve balance. 

Scarborough and co‐workers also mention a third strategy, DVR (“dominant vertical rise”). One could see  it as an exaggeration of MT or the opposite of ETF,  in which the trunk  is nearly not flexed at all.  It  is mainly distinguishable by a knee  torque  larger  than normal  (table 5). Since this report will focus on patients with knee problems, this strategy is not relevant. 

 

Figure 20: visualisation of hip and knee moment in NSTS and FSTS. The lenght of the blue and purple line represent respectivily  hip  and knee moment, 

Page 25: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

17  

   

Figure 21: visualisation of the  strategies in the elderly [16]:  MT (a), ETF (b), DVR (c)   

1.2.2.3. Strategies due to other limitations  

Su FC and co‐workers, and Farquhar and co‐workers analyzed subjects with osteoarthritis after total knee arthroplasty  [25,49]. They  focus mainly on the differences between  left and right, but also  found more  trunk  flexion, a  larger hip but smaller knee moment and a higher CoM horizontal velocity. 

Epifanio  and  coworkers made  the  only  rising  analysis  including  subjects  with  rheumatoid arthritis  (RA)  [13]. The  study was more of an  illustration of  the use of waveforms  for graph analysis  (FPCA‐method)  than really dissecting RA strategies. Their small analysis showed that RA leads to a higher trunk flexion and a smaller knee moment during rising. 

1.2.2.4. The most efficient strategy 

Yoshioka and co‐workers investigated the most efficient rising strategy from a pure mechanical point of  view  [18]. Depending on which moment  to minimize,  different  ‘optimal  strategies’ exist  (figure 22). The  strategy minimizing  the  sum of all  joint moments  is  considered as  the normal  strategy MT. Minimizing  knee moment  leads  to  altered  kinetics with  a higher  trunk flexion at TL. 

 Figure 22: visualisation of rising strategies minimizing knee moment (up) and hip‐knee‐ankle moments (down) 

Table 5: summary of the characteristics of ETF and DVR [16] 

Characteristics of ETF (and DVR) compared to MT 

ETF  DVR 

Ankle and knee angle   =  = Trunk angle  12° more  10° less Ankle and hip moment  1%BW more  1%BW less Knee moment  0.5%BW less  1%BW more CoM: forward momentum  0.03/s more  0.01/s less CoM – CoP distance at TL  closer  further stability  Quasi‐ static   Dynamic  Total STS time  0.5s longer  = 

Page 26: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

18  

1.2.3. Rheumatoid arthritis and its influence on SSS  

1.2.3.1. What is rheumatoid arthritis? 

Rheumatoid  arthritis  (RA)  is  an  inflammatory  disease  associated  with  joint  destruction, disability  and  pain  [52].  This  leads  to  chronic  and  symmetrical  problems, with  activity  that comes and goes. Mainly the joints of the extremities (arms and legs), and especially wrist and fingers are affected. RA is particularly devastating in joints of the lower body, since they can be rendered  incapable of withstanding  the stresses of weight bearing. The exact cause of RA  is still unknown; genetic factors, environmental factors and life style are the most risk factors. 

1.2.3.2. Practical symptoms 

There is no single test for Rheumatoid Arthritis, and the diagnosis is based on several criteria. Usually, ACR  classification  criteria  for  RA  are  applied, where  4  out  of  7  criteria  have  to  be fulfilled. The symptoms vary, but most patients develop a progressive disease leading to pain, joint destruction and disability. The  joint gets  inflamed,  limiting  joint mobility  (smaller ROM, “stiffness of the  joints”) and causing pain. As a result of  less weight bearing due to the pain, muscles begin to show some atrophy and ligaments become more lax [51]. Table 6 illustrates how the main joints of the lower body are affected, which could have an influence on SSS test performance. 

Table 6: possible influence of RA to alter SSS motion: symptoms in the lower body joints. Forefoot and knee problems are observed in earlier stadia than ankle and hip problems. 

Practical symptoms of RA 

 

Forefoot (MTP)  limited ROM [40]  Ankle  limited ROM especially in plantar flexion Knee  pain at the utmost positions  

limited ROM in flexion and extension (more in flexion) bigger ROM varus/valgus [48] 

Hip  limited ROM in flexion 

 

1.2.3.3. Consequences of RA symptoms for SSS 

RA patients will probably develop their own compensatory rising mechanism, adapted to their limited  ROM  and  joint  pain.  Allin  and  co‐workers  predict  initial  foot  advancement  due  to limited knee  flexion and  smaller ankle dorsiflexion angle  [11]. According  to Epifanio and co‐workers,  subjects with  limited  knee extension  show  some  final persistent  knee  flexion  [13]. Pain  in a  joint will  result  in  lower moments  in  that  joint  [25], and Savelberg and co‐workers found  that muscle weakness  around  the  knee  induces  a  rising motion with  increased  trunk flexion [17].     

Page 27: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

19  

1.2.4. Study aims and specific hypothesis 

The  overall  aim  of  this  thesis  is  to  determine  functional  outcome  such  as  chair  rising  and descending  among  persons  with  Rheumatoid  Arthritis.  This  is  achieved  by  comparing  the biomechanical quality of movement during sit‐stand‐sit (SSS) between RA patients and healthy controls.  A  template  is  created  to  implement  the  sit‐stand‐sit  test  in  clinical  practice  at Karolinska hospital. 

This thesis tries to find specific SSS strategies used by patients with RA. No so‐called “typical RA‐strategy” has been defined as we know. Furthermore, previous studies mostly included just rising but not the combination with descending in a time‐stand test.  

Specific hypothesis 

Looking  at  all  previous mentioned  results,  the  same  features  seem  to  return.  The  features occurring  in FSTS  (as artificial  strategy) and ETF  (observed  in  the elderly),  together with  the results from the two studies concerning osteoarthritis and the few RA‐characteristics found in the FPCA‐study, fit all in the same pattern (box 2). This pattern is called “trunk‐first strategy”, and it exhibits mainly four characteristics (figure 23). As the name implies, more trunk flexion occurs. Concerning kinetics, there a larger hip moment but a lower knee moment is involved. The  CoM  moves  longer  horizontally  resulting  in  a  bigger  forward  momentum.  The  CoM position is closer to the CoP at TL, inducing a quasi‐static stability during nearly the whole rising motion.  CoM  motion  is  divided  into  two  more  distinguishable  stages:  first  forward,  then upward.  This  is  referred  to  as  momentum‐distinct  instead  of  momentum‐transfer.  Rising motion is performed slower.  

Our hypothesis is that subjects suffering from RA will exhibit a similar trunk‐first strategy.  

 

Figure 23: characteristics of the trunk‐first strategy 

 

 

 

 

 

AnglesHip & thorax: more flexion 

Knee: no change

MomentsHip: biggerKnee: lower

CoM closer to CoP at TL=> momentum‐distinct instead of 

momentum‐transfer

Rising timelonger

trunk‐first strategy

Page 28: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

20  

Box 2: Assembly of “the trunk‐first strategy”. Several studies show the same characteristics. 

 

 

 

 

   

(a) The features of ETF are exactly the same as found in the artificial FSTS (only less pronounced). They are the main characteristics of the trunk‐first movement. 

(b) Also the results of osteoarthritis studies show similarities (table 6). 

Table 7: trunk‐first characteristics in studies involving osteoarthritic subjects 

Reference  [25]  [49] More trunk flexion   Higher hip moment   Smaller knee moment     Higher CoM horizontal velocity   

 (c) A higher trunk flexion and a smaller knee moment during rising were observed in the small 

study involving subjects with RA.  (d) Minimizing the knee moment results in a strategy with higher trunk flexion and higher hip 

moment 

Page 29: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

21  

2. Materials & Methods 

 

2.1. Subjects & test procedure 

A  consecutive  series of patients with RA were  invited  to participate  in  the  study during  the period  of  2007‐2009.  Inclusion  criteria  were  independent  ambulation  of  12  m  and  joint activities  in  lower extremities.   Eleven adults with RA, 3 men and 9 women, mean age 59.3 years  (SD 14.1)  range 35‐74 participated  in  the  study. A  control group  in approximately  the same age span as the subjects was recruited from colleagues, friends and acquaintances. The control group consisted of 9 healthy adults, 2 men and 7 women, mean age 52 years (SD 14.6) range 37‐75, with no known history of orthopaedic surgery in the lower limbs or neurological signs. There was no significant difference between the entire groups or between gender with respect  to age, weight and height  (tables 8  resp 9). Participation was voluntarily and ethical approval was obtained from Karolinska University Hospitals Ethics Committee. 

The subject was seated on a chair (height 0.40m without back or arm supports). The chair was positioned  in front of the two ground reaction force plates (figure 24). The  instruction of the time‐stand test was to “rise and sit down on the chair, 10 times in a row as quick as possible”. Starting in seated position, 10 Sit‐Stand‐Sit cycles were thus sequentially performed.  

A conventional biomechanical model was used as common in gait analysis (Plug‐in‐Gait, Vicon) [45].  This  included  34  retro‐reflective  markers.  Subjects  donned  the  markers  based  on established anatomical landmarks, creating a model of 13 body segments: head, trunk, upper arms,  lower  arms,  pelvis,  thighs,  shanks,  and  feet  (see  Attachments  B: marker  positions). Antropometric data were measured for identification of joint center and joint axis (table 10).  

The data were collected with a 3D motion analysis system  (Vicon, Oxford UK) at  the motion laboratory  at  Karolinska  University  hospital.  Two  regular  video  cameras  recorded  the movement  (frontal  and  sagittal  view),  and  8  opto‐electronic  cameras  collected  the marker data. Each motion analysis camera collected 2D positions of the markers at 100 Hz.     Ground reaction  force data was  collected with 2  force platforms  (Kistler, Winterthur Switzerland) at 1000 Hz. 

 Figure 24: sketch of the test arrangement 

 

Page 30: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

22  

Table 8: comparison between patient and control group showing average +‐standard deviation 

Characteristics  patients / controls 

RA  Controls 

 Age (yrs)  59,3 +‐ 14.1  52 +‐14.6 

Gender  8 F, 3 M  7 F, 2 M 

Height (m)  1.64 +‐0.1  1,68 +‐0.1 

Weight (kg)  67,5 +‐11  70.1 +‐12 

disease duration (yrs)  8,4 +‐7   

 Table 9: comparison between genders showing average +‐ stdev 

Characteristics between genders 

female  male 

 Age (yrs)   55.7+‐ 14.4  57.3+‐16 

Height (m)  1.62 +‐0.07   1.79+‐0.08 

Weight (kg)   64.6 +‐9.7  81.2 +‐7.1 

 

Table 10: antropometric measurements General  measurements  Body Mass 

Height Upper body  Shoulder offset 

 Elbow width Wrist width Hand thickness 

Lower body  Leg length Knee width Ankle width 

 

 

2.2. Data processing  

 Figure 25: software and instrumentation used for motion analysis 

Figure  25  shows  the  data  flow. Workstation  served  as  the  control  interface  for  Vicon,  and processed  also  the  captured  data:  it  combines  the  image  data  from  the  cameras with  the calibration  data  to  reconstruct  the  3D  motion  data  (figure  26).  For  analysis,  data  were visualized  in  Polygon,  a  processing  software  that  Vicon  has  especially  developed  for biomechanical visualization and reporting [26].  

Page 31: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

23  

Data processing is done using a combination of Workstation and Bodybuilder to transform the raw 2D data  coming  from  the  cameras,  to usable 3D marker position data  linked  to a body model. The software  (Workstation) reconstructs 2D marker position from the 8 cameras  into 3D  marker  positions,  using  the  camera  calibration  files.  During  marker  and  segment identification,  extra  markers  were  occasionally  used  to  prevent  losing  data  from  missing marker  trajectories.    Longer marker gaps were  filled with  the help of  redundant  (i.e., more than 3) markers on the trunk, head, and occasionally pelvis.   The missing marker trajectories could be filled in using its relationship to the other markers on that segment. Finally, all marker data were filtered with a Woltring filter with an MSE value of 15 to reduce the noise.  

 Figure 26: visualization of the collected data 

Left: the 2D‐data collected from 8 cameras on different positions. Right: the 2D data are assembled to the 3D marker positions. Also GRFs (yellow) are simultaneously collected. 

 

2.3. Identification of SSS cycles and events 

 Figure 27: the 7 events in the SSS cycle. Ts, Tup and Tsit are defined on visual marker motion; TL,  

The most  important  events  in  one  sit‐stand‐sit  cycle  (start,  standing,  end) were  defined  by visual  inspection of  the 3D marker data. Since SSS cycles are  repeated after each other,  the instances of the start of standing up (Ts) and end of sitting down (Tsit) were identical, and were defined on the turning point of the trunk (i.e. RBAK marker). Upright position (Tup) was defined on the basis of the pelvis turning point, moreover when the pelvismarkers (SACR, LASI, RASI) start to rotate or translate backwards (table 11). Beside these visually distinguishable events, based on previous  research  four more events are defined: TL, Te, Tst and Tc. The SSS cycle  is thus divided as shown  in figure 27. Ts  initiates the momentum‐generation phase, which ends when the subject rises from the chair at  lift‐off TL, defined as the first maximum occurring  in the hip angle curve. This  induces also  the  start of  the momentum‐transfer phase, ending at ‘start of extension’ Te. Te  is defined as the moment maximum ankle dorsiflexion angle occurs. 

Page 32: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

24  

Tup holds the end of extension, and sequentially all  joints start to flex again. This flexing, still without downward acceleration of the body, is called stooping. Stooping posture is reached at Tst,  defined  on  the  GRF  curve  as  a  change  in  Fz.  This  is mentioned  here  for  purposes  of completeness, but since our GRF data were not reliable, no calculations were performed  for this  thesis  in  Tst..  After  stooping,  the  actual  descending  phase  starts,  and  ends when  the subject  makes  contact  with  the  seat  at  Tc.  This  occurs  simultaneously  with  the  second maximum  in  the  hip  flexion  curve.  The  final  phase  is  seat  loading,  ending  at  Tsit.  This  is summarized in tables 12 and 13, and figure 28.  

Table 11: definition of the considered time interval 

 Start of standing up = Ts  Upright position = Tup  End of sitting down = Tsit 

RBAK marker starts to move forward 

Pelvismarkers (SACR, LASI, RASI) start to rotate or translate backwards 

RBAK marker starts to move forward 

 

Table 12 : main events in the SSS cycle. The description explains the use, while the definition shows the practical implementation. 

MAIN EVENTS 

DESCRIPTION  DEFINITION   

Ts  START OF SSS  Trunk starts to move forward  Visual in workstation:  Marker RBAK moves 

TL  LIFT‐OFF  Subject rises from the chair  On hip curve: Max hip angle 

Te  START OF EXTENSION  End of upward acceleration  On ankle curve: max ankle dorsiflexion angle  

Tup  UPRIGHT POSITION  Turning point between rising and descending 

Visual in workstation: pelvismarkers change direction 

Tst  STOOPED POSTURE  Start downward acceleration  (On GRF curve: change in Fz) 

Tc  SEAT CONTACT  Subject touches the chair again  On hip curve: Max hip angle 

Tsit  SITTING POSITION  Basically same as Ts: Turning point of trunk 

Visual in workstation: RBAK changes direction 

 Table 13: phases in the SSS cycle.  

PHASE  START 

END  DESCRIPTION 

I    MOMENTUM‐GENERATION 

Ts  TL  Hip flexion while seated 

II   MOMENTUM‐TRANSFER  TL  Te  Rising from the chair III  EXTENSION  Te  Tup   Final extension of the body to upright position        IV  STOOPING  Tup  Tst  Initial flexion of the body into stooped posture V   DESCENDING  Tst  Tc  Descending & moving backward to the chair VI  SEAT LOADING  Tc  Tsit  Weight transfer to the seat  

 

Page 33: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

25  

 Figure 28: definition of main events: Ts and Tsit on thorax markers, Tup on pelvis markers; TL and TC on hip curve, 

Te on ankle curve, Tst on GRFz curve. 

 

 

 

Construction of the sit‐stand‐sit template in Polygon 

Since  TST  is  a new  test not  yet  implemented  in  clinical practise,  a new  template has  to be developed to assess quickly results for each patient. It creates angle and moment graphs of the chosen  subject,  superposed  on  the  average  standard  deviation  of  the  control  group.  The template to be used is shown in attachments C. 

Page 34: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

26  

2.4. Analyzing 

Only first and last SSS cycles of the TST (or one before last if the last was poorly collected) were included in further analysis. The data were analyzed and compared both on an individual basis and as a group. This was performed in two steps: visually by examining the graphs (table 14), and statistically by comparing certain parameters (table 15). All graphs and parameters were assessed through the polygon template, except for those concerning the center of mass (CoM). 

Table 14: 4 kinematic, 2 kinetic and 2 center of mass graphs were looked at.  

  PARAMETER

Kinematic graphs Trunk flexion angleHip flexion angle Knee flexion angle Knee var/val angle 

Kinetic graphs  Hip momentKnee moment 

CoM graphs  CoMy versus CoMxCoMx and CoMy versus time 

 

Table 15: 4 kinematic, 6 temporal, 6 kinetic, 3 cycle time and 2 center of mass parameters were identified and analyzed.  

   

Kinematic parameters (Degrees) 

Max trunk flexion RIS & DESCMax hip angle RIS & DESC 

Temporal parameters (% SSS cycle)  

Timing max tr fl RIS & DESCTiming max hip angle RIS & DESC Timing start knee ext RIS & DESC 

Kinetic parameters (Nm/kg) 

Max knee ext moment RIS & DESCMax knee var/val moment RIS & DESCMax hip fl moment RIS & DESC 

Cycle time parameters (s) 

SSS cycle time TOTSSS cycle time RIS SSS cycle time DESC 

CoM parameters(% SSS cycle) 

Tym‐Txm RIS & DESC

 

 

 

 

 

 

Page 35: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

27  

2.4.1. CoM analysis 

CoM x‐ and y‐components were normalized on heigt, and two kinds of graphs are constructed: “CoMy versus CoMx”, and “CoMx and CoMy versus time”. 

CoMy versus CoMx represents directly the CoM movement. By shifting this curve so that the starting  point  on  the  x‐axis  is  for  each  subject  its  lowest  y‐value,  x=0  corresponds  to  the moment that the upward motion starts. This shows the overlap of forward and upward CoM motion  better,  excluding  the  influence  of  the  x  offset  value.  The  trunk‐first  hypothesis  is translated  visually  in  these  curves:  using  a  trunk‐first  strategy means  not moving  forward anymore once upward motion has started, and will thus result in shorter curves (figure 29). 

 

Superimposing CoMx and CoMy versus  time  serves merely  to  construct  the parameter Tym‐Txm, representing a measure of the overlap of forward and upward CoM motion. Tym‐Txm is a temporal value,  characterizing  the  interval between  the  timing of CoMymax and CoMxmax.   A trunk‐first motion goes  first  forward  reaching xmax  (at  txm),  then only  later going upward  to reach ymax (at tym), leaving a big time interval between both maxima (figure 30). The interval is called  tym‐txm, and  is calculated  in both rising and descending. For both  last and  first  trials, two exceltemplates, one for rising and one for descending, compute the respective tym‐txm, by  searching  for  the  timing of  the maxima  in  the  forward and upward CoM movement. The graphs were examined very carefully to find a good definition for the new parameters that fits them all. For  interval RIS,  this was not  really a problem, but  in defining  interval DESC  some difficulties rose. Looking at all y‐graphs, it appears that the second ymax is not always that clear; sometimes the graph doesn’t even reach a second maximum (appendix extra B:  com x,y versus t). Many possibilities to define a good and representative  interval have been considered, and in  the  end  a  surprisingly  good  definition  has  been  found,  fitting  all  subjects  properly.  The starttime for the interval is chosen not as the time when ymax occurs, but as the time when the graph falls 4 % under its max value.  

Figure 29: Visual representation of the trunk‐first hypothesis in CoMy versus CoMx curves 

Momentum­transfer                 (blue curve) 

Trunk­first    (purple curve) 

Together x and y motion   Separately x and y motion  

On CoMy versus CoMx:   fluently   forward+upward 

On CoMy versus CoMx:  abrupt angle when forward ‐> upward 

Page 36: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

28  

 

  

2.4.2. Statistical analysis 

Descriptive statistics were used to calculate mean and standard deviations. To compare means in  age,  height  and weight  between  subjects  and  controls,  independent‐Samples  T  test was used.  The  differences  in  TST  between  subjects  and  controls  were  calculated  with  non‐parametric Mann‐Whitney  U  test.  Data were  analyzed  in  the  statistical  program,  Statistica version 9. Statistical significance was set at p≤0.05. 

2.4.3. Performing comparative analyses 

Box 3  shows all performed  comparisons with  the number of  subjects  involved. First  cycle  is compared with  last cycle, RAs are compared to controls. From these analyses, 5 new groups are constructed and compared again. On basis of trunk flexion during sitting according to the videos,  all  subjects  are  divided  into  two  groups:  touch&rise  (10  subjects)  and  sit&rise  (10 subjects). On  basis  of  the  CoMy  versus  CoMx  curves,  the  RA  subjects  are  divided  into  two groups: RA DistMom (4 subjects) and RA MomTra‐TFl (6 subjects).   

Finally, depending on which analysis is performed, several subjects had to be excluded due to poor data. From the 3D reconstructed videos, visually poor GRF data have been removed (the  center of pressure of the GRF vector appeared not under the subjects feet) which leaves only 4 out  of  9  controls  and  5  out  of  11  RAs  left  for moment  analysis.  CoM  analysis  cannot  be performed  for  subjects  with  segments  that  couldn’t  be  processed  in  workstation  due  to marker occlusions, occurring in two subjects (1 control and 1 RA). 

Figure 30: trunk‐ first hypothesis in the parameter tym‐txm. The graphs are examples from the last trial of a control (left) and of a RA (right). The black arrow shows the interval tym‐txm in rising. 

Momentum­transfer  Trunk­first 

Together x and y motion  Separately x and y motion 

Interval tym‐txm: SMALL  Interval tym‐txm: BIG 

 

Page 37: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

29  

 Box 3: all comparative analysis 

 

   

A  First <‐> last ‐ for the controls: 

o main analysis: 9 first <‐> 9 last    o moment analysis: 4 first <‐> 4 last   

‐ for the RAs o main analysis: 11 first <‐> 11 last o moment analysis: 5 first <‐> 5 last 

B  Controls <‐> RAs ‐ In first cycle  

o main analysis: 9 controls <‐> 11 RAs o moment analysis: 4 controls <‐> 5 RAs o CoM analysis: 8 controls <‐> 10 RAs 

‐ In last cycle o main analysis: 9 controls <‐> 11 RAs o moment analysis: 4 controls <‐> 5 RAs o CoM analysis: 8 controls <‐> 10 RAs 

C   touch&rise <‐> sit&rise ‐ In last cycle 

o angle graph analysis: 10 touch&rise’s <‐> 10 sit&rise’s D   touch&rise controls <‐> touch&rise RAs 

‐ In last cycle o angle graph analysis: 6 touch&rise controls <‐> 4 touch&rise RAs 

E   sit&rise controls <‐> sit&rise RAs ‐ In last cycle 

o angle graph analysis: 2 sit&rise controls <‐> 8 sit&rise RAs F   controls <‐> RA DistMom <‐> RA MomTra‐TFl 

‐ In first cycle o main and CoM parameter analysis: 9 controls <‐> 4 RA DistMom <‐> 7 RA 

MomTra‐TFl ‐ In last cycle 

o main and CoM analysis: 9 controls <‐> 4 RA DistMom <‐> 7 RA MomTra‐TFl  

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ main analysis = angle graphs; maxima, timing and cycle time parameter values moment analysis = moment graphs and parameter values CoM analysis = CoM graphs and parameter values  

Page 38: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

30  

3. Results 

 

3.1. Results of the control group 

The results reported in this section are the mean curves for the first cycle of the control group. On these, the main events are defined to get more insight in them. Later, distinction will be made with last cycle, and RA subjects.  

3.1.1. Events & phases 

The average  time a healthy subject needed to perform the  first SSS cycle of  its Time‐Stands‐Test, was 1.94 seconds. This is divided relatively equally between rising (0.94s) and descending (0.98s). These values were used  for normalization, and all  further values and curves use  the normalized  time  unit %SSScycle. Momentum‐generation  and  extension  phase  in  rising,  and descending and seat loading phase in descending made up the main time of the SSS cycle with phase  times  from  18  to  27.5%.  Momentum‐transfer  and  stooping  phase  were  two  short phases (around 5%). Extension phase took half the time of RIS, while descending phase made up half DESC (Figure 31 and 32). The events are marked on all general graphs (figure 33,34,35). 

 

SSS RIS = 48.5 %SSScycle  DESC =51.5 %SSScycle 

Momentum‐generation 

Momentum‐transfer 

Extension  Stooping  Descending  Seat loading 

18 %SSScycle 

5.5 %SSScycle 

25 %SSScycle 

4 %SSScycle 

27.5 %SSScycle 

20 %SSScycle 

37 %RIScycle 

11.5 %RIScycle 

51.5 %RIScycle 

7.5 %DESCcycle 

53.5 %DESCcycle 

39 % DESCcycle 

Figure 32: duration of phases in the first cycle of the control group, derived from the event times. The upper row shows which part a phase takes in the whole SSS, the lower row shows which part a phase takes in its 

movement (rising or descending). 

 0  18  23.5  48.5  (52.5) 80  100  %SSS cycle Figure 31: event times in the first cycle of control group, in % SSS cycle time 

 

Page 39: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

31  

 

 

   

Figure 33: general graphs of thorax (up) and hip (down) angle. Gray represents the standard deviation zone, the blue lines are the main events. 

Page 40: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

32  

   

Figure 34: General graphs of knee extension (up) and varus/valgus (down) angles. Gray represents the standard deviation zone, the blue lines are the main events. 

Page 41: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

33  

 

   

Figure 35: General graphs of knee (up) and hip (down) moments. Gray represents the standard deviation zone, the blue lines are the main events. 

Page 42: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

34  

All  curves  experience  similar  behavior:  very  symmetric  around  Tup,  with  on  both  sides  a maximum/minimum.  Furthermore,  although  previous  studies  defined  also  Te  or  Tst  as important parameters,  the biggest  kinematic  and  kinetic  events happen basically  around  TL and TC. For this, and to facilitate following discussion, a new division into phases is introduced here  (table 16). The only  events  are now Tsit, TR, Tup,  and TD.  Tsit  and Tup  remain  as defined before.  TR  and  TD  are  defined  as  the  times  at  which  the  maxima/minima  occur.  They correspond always more or  less  to TL  respectively Tc, but  they are different  for every curve. These  small variations  in TR and TD between curves  show  the order  in which different  joints reach their maximal motion (table 17). In rising, at the hip starts to extend and the knee starts to turn from valgus to neutral, followed by trunk and finally knee extension. In descending, the knee reaches valgus again first, then the trunk starts to straighten. Around 80ms  later, at Tc, hip and knee joints reach their maximum flexion. 

 

 

3.1.2. Features in graphs of the control group 

With the above TR‐TD ‐definitions, the curves of figures 33‐35 are summarized in an ordinarily way (table 18). The thorax and hip shows the same flexion‐extension‐flexion‐extension pattern during SSS. The  increase  in hip flexion  (Tsit‐TR)  is due to flexion of the trunk, since the thigh stays horizontal on the seat. The big decrease (TR‐Tup)  is a combination of the thigh moving from the horizontal to the vertical position, and trunk extension.  The knee starts generally in valgus  position,  turns  to  neutral  during  rising,  and  back  to  valgus  during  descending.  Knee extension  occurs  during  rising  and  flexion  during  descending.  During  sitting  phases  knee flexion  remains  constant on 87 degrees.  Little  fluctuations  can occur  though:  the  knee  first flexes a little more, then less.  Videos of subjects exhibiting these fluctuations show that they control their downward motion less. This results in a harder impact on the chair which makes the  subject perform  a  little hop.  This  “hopping” occurs more often  in  last  than  in  first  trial (people are  tired of doing 10 SSS cycles, and do  the motion  less precise), and more often  in 

Table 17: TR and TD are close to TL resp TC, though little different for each curve. As such, they show the sequence in which the maximum angles occur. The times are in %SSS cycle; since 1 SSS cycle takes on average 1.94 s, 2% corresponds to 40ms. 

Summary of the control curves: timing 

Thorax angle  Hip angle  Knee extension angle 

Knee var/val angle 

Hip‐ and knee moment 

TR  20% (TL+2%)  TL  Te  Tc  Tc+6% 

TD  74% (Tc‐6%)  Tc  Tc  70% (Tc‐10%)  Tc‐2% 

Table 16: Practical events TR and TD. For each curve, “sitting” means now the parts of the curve outside the maxima, “up and down” corresponds to the part in between the maxima. 

Sitting till TR  Tsit ‐ TR Going UP  TR ‐ Tup Going DOWN  Tup ‐ TD Sitting from TD  TD ‐ Tsit  

Page 43: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

35  

control than the RA group (patients are more careful and have less velocity). The knee, during sitting,  appears  on  average  to  be  in  a  slight  valgus  (4°),  but with  high  standard  deviation: between subjects the knee position ranges from large valgus (13°) to even slight varus (5°), and can change while still seated.  In the upright position the knees are always neutral. TD here  is defined by  the moment when  there  is  again  a high  standard deviation  around  the  average curve. Furthermore,  joint  flexions during SSS correspond with an  increase  in moment, while extension decreases  the  internal  joint moment. Knee and hip moment  correspond  in  value, with maxima around 0.7 Nm/kg. The standard deviation zone for the hip moment  is broader than that for knee moments. 

 

3.1.3. Comparison with last cycle 

The above curves represent all the first SSS cycle of the control group. Some differences occur for  the  last  cycle  (figure 36,  table 20). At  first,  there  is a  remarkable difference  in SSS  cycle time: 1.94s for first, 1.63s for last (p=0.23). The difference arises especially during rising, and is mostly due to the  long  initiation  in the  first cycle  (the  first cycle starts with a nearly straight trunk  (10°  flexion),  last often with a trunk  flexion till over 30°). All curves representing a  last cycle are from now on normalized to this 1.63s. Secondly, the interval TR‐TD is broader in last cycle. This means practically that the sitting stages shorten during the TST (table 19). 

The differences  in  these curves are not  really big  though:  the Mann‐Whitney U  test  for  first versus  last  SSS  in  the  control  group  gave  lowest p‐values only  around 0.1,  thus  there  is no statistical significance. 

 

 

Table 19: Parameters representing the main difference between first and last cycle. Both show the shortened sitting stage in last cycle. 

parameter  First SSS  Last SSS  p‐value Timing max tr fl RIS  20  16  0.1333 Timing max hip angle RIS  18  14  0.1119 

Table 18: summary of the general curves using TR and TD as moments when maxima occur 

Summary of the control curves: values and shape 

Thorax angle  Hip angle  Knee extension angle 

Knee var/val angle 

Hip‐ and knee moment 

Sitting till TR   Flexion to 32.8° 

Flexion to 92°  87 °  13° valgus to 4°varus 

Increase to 700 Nmm/kg 

Going UP  Extension  Extension  Extension  To neutral  Decrease to 0 Going DOWN  Flexion   Flexion   Flexion  Away from 

neutral Increase to 700 Nmm/kg 

Sitting from TD  Extension from 29.9° 

Extension from 92° 

87° + hopping 

13° valgus to 4°varus 

Decrease 

Page 44: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

36  

 

 

   

Table 20: Summary of figure 36 (curves for last cycle compared to first cycle)

Last cycle compared to 

first 

Thorax  Hip  Knee  Knee var/val  Moments (hip and knee) 

Sitting phases 

10 ° more flexion 

10 ° more flexion 

More fluctuations 

   

At Tup  4 ° more extension 

More extension 

5 ° more extension 

   

TR – TD  5%broader interval 

    10%broader interval 

10%broader interval 

At TR          100 Nmm/kg higher 

At TD          100 Nmm/kg lower 

 

Figure 36: last cycle (blue) compared with first cycle (cyan) for the controls.  From left to right: thorax and hip angles, knee extension and var/val angles, and hip and knee moments. 

Conclusions see table 20.

ThoraxAngles10

-55

deg

HipAngles110

-10

deg

KneeAngles110

-10

deg

KneeAngles var/val20

-20

deg

Page 45: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

37  

3.2. RAs versus Controls 3.2.1. Characteristics of RAs 

Characteristics of RAs are best observed by comparing the last SSS cycles of RAs with those of the  controls  (figure 37,table 21). The main differences are  seen on  thorax and knee var/val curves.  RAs  flex  their  trunk  about  6° more  at  TR  and  TD  (although  the  difference  is  not significant, with p=0.14). RAs’ knees are in 4° more valgus than normal.  

 

Table 21: Summary of figure 37 (curves for RAs compared to controls) 

 

RAs  compared to   controls 

Thorax  Hip  Knee Knee var/val 

Knee‐moment 

Hip‐moment 

Sitting stages 

   Less 

fluctuations More 

valgus (4d)    

At Tup Bit less 

extension (3d) 

 Bit more extension 

(3d)      

TR – TD TR‐Tup 

interval bit later (2%) 

 Tup‐TD 

interval bit earlier (2%) 

     

At TR, at TD More 

flexion (6d)    

More valgus (4d) 

Bit smaller (50Nmm/kg) 

Higher (200Nmm/kg) 

 

Figure 37: Comparison between RAs (darkred) and Controls (cyan, with gray standard deviation zone) for last cycle. From left to right: thorax and hip angles, knee extension and var/val angles, and hip and knee moments. 

Conclusions see table 21. 

ThoraxAngles10

-55

deg

HipAngles110

-10

deg

KneeAngles110

-10

deg

KneeAngles var/val20

-20

deg

KneeMoment1500

-1000

Nmm

HipMoment1500

-1000

Nmm

Page 46: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

38  

Beside extensive trunk flexion and knee valgus, some differences occur  in the SSS performed by RAs. The thorax and knee angle curves in figure 7 show small shifts, especially in the rising part.  This  phenomenon  is  confirmed  (figure  38  and  39):  RIS  takes  5% more  time  for  RAs. Furthermore,  during  rising,  less  time  is  spent  on  momentum‐generation,  and  more  on momentum‐transfer. During descending, the opposite happens: the sitting phase takes longer time for RAs (figure 39). Remarkable differences between left and right side are only visible in the  moment  curves:  all  RAs  have  a  big  L/R‐difference,  and  only  1  out  of  4  controls. Furthermore,  the  side having  the highest hip moment always has  the  lowest knee moment. Knee and hip   moments   are  in RAs on average 50 Nmm/kg  lower  respectivily 200 Nmm/kg higher. The maximum hip moment values are 0.3 Nm/kg higher than normal for RAs. On the contrary maximum knee moment is 0.2 Nm/kg lower (table 22). Furthermore, patients with RA suffer visually more from fatigue. This is clear from the p‐values resulting from the comparison first  <‐>  last  trial  (table  23):  for  the  RAs  the  difference  is  significant  (p<0.05) while  for  the controls the p‐values are >0.1. It means that “RAs get more quickly tired”, adapt their pattern accordingly, making it thus more pronounced in last trial. Finally, remarkable is that RAs don´t need more  time  to  perform  an  SSS  cycle:  p‐values  for  time  parameters  are  consequently higher than 0.4.  

 

 

 

SSS for RAs RIS = 48.5+5 %SSScycle  DESC =51.5‐5 %SSScycle 

Momentum‐generation 

Momentum‐transfer 

Extension  Stooping  Descending  Seat loading 

37‐4.5 %RIScycle 

11.5+5.5 %RIScycle 

51.5‐1 %RIScycle 

7.5‐2 %DESCcycle 

53.5‐2 %DESCcycle 

39+4 % DESCcycle 

Figure 39: duration of phases  in the first cycle of the RAs, compared to control group. The numbers in black are for the control group, the added red values represent the differences for RA group. 

Table 22: comparison of maximum hip and knee moments occurring during SSS of controls and RAs (Nm/kg). RAs have a higher hip but lower knee moment. 

  Controls  RAs  P value Max hip flexion moment RIS  1.08  1.39  0.06 Max hip flexion moment DESC  1.02  1.39  0.11 Max knee extension moment  0.95  0.75  0.17 

 0  18  23.5  48.5  (52.5) 80  100  %SSS cycle  Controls 0  18  26.5  53.5  56  80  100  %SSS cycle  RAs 

Figure 38: event times in the first cycle of the RAs, compared to the control group, in % SSS cycle time 

Page 47: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

39  

 

3.2.2. Sit&rise as RA strategy 

The  subjects  were,  on  the  basis  of  their  videos,  divided  into  two  groups:  “sit&rise”  and “touch&rise”. The test instruction was to perform 10 SSS’s as quick as possible, and this has its consequences: some subjects sit first totally on the chair before rising again (“sit&rise tactic”). They  mainly  let  the  chair  brake  their  descending  phase.  Others  break  the  descending themselves before  seat‐contact, and  rise again as  soon as  the  chair  is  touched  (“touch&rise tactic”). Obviously  the  second  strategy  demands  a  lot more muscle  force  and  coordination (figure 40).  The  features  characterising  sit&rise  and  touch&rise  can be  explained  in  a more mathematical way  (figure 41,  table 24).  The main  conclusion  is  that  trunk  extension during sitting stages is, a lot higher in sit&rise strategy. This translates itself also in the hip angle. The chair breaking the descending during sit&rise has a consequence on the sit&rise knee curves: they show the hopping effect that doesn’t occur  in touch&rise. Furthermore, especially at TR and TD the trunk flexes remarkabley more  in sit&rise. During sitting, the knee  in sit&rise  is  in more valgus. The difference touch&rise <‐> sit&rise is summarized in figure 42. 

 

 

Figure 40: subjects performed TST in two different ways: “touch&rise” rises again as soon as the chair is touched (orange), while “sit&rise” sits first totally on the chair before rising again. The difference is clearly distinguishable 

on the videos. 

Table 23: comparison between first and last cycle in RAs and controls. RAs as well as controls need in the first cycle a lot more time to prepare for rising (left), but in the RAs, it is a more pronounced difference: lower p‐value (right) 

RAs Last<‐>first 

Median first 

Median last 

Timing max tr fl RIS 22 18 Timing max hip angle RIS 18 16 

Controls Last<‐>first

Timing max tr fl RIS 20 16 Timing max hip angle RIS 18 14

  

Significance  last<‐>first 

P value controls 

P value RAs 

Timing max tr fl RIS 0.13 0.021 

Timing max hip angle RIS 0.11 0.046 

Page 48: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

40  

 Figure 41: Average graphs for touch&rise (orange) and sit&rise (yellow) in last SSS cycle.  The features 

differentiating both strategies are summarized in table 10. 

 

Table 24: Summary of figure 9 (curves for sit&rise compared to touch&rise)  

 

 

 

 

ThoraxAngles10

-55

deg

HipAngles110

-10

deg

KneeAngles110

-10

deg

KneeAngles var/val20

-20

deg

Sit&rise compared to   Touch&rise 

Thorax  Hip  Knee  Knee var/val 

Sitting stages  17°less flexion  Less flexion Hopping 

(fluctuations of 5°) 

4° more valgus 

Tup         

TR – TD 5% smaller interval 

5% smaller interval 

   

At TR  6°more flexion     5° more valgus 

At TD  6°More flexion     5° more valgus 

Page 49: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

41  

 

Figure 42: characteristics of touch&rise and sit&rise strategies 

The main  features  in RA  curves,  ,  i.e.  the higher  trunk  flexion at TR and TD and higher knee valgus  during  sitting,  are  also  features  characterising  sit&rise.  Figure  43  shows  this correspondance visually by superimposing average RA and sit&rise curves. Indeed, remarkably 7  out  of  11  RAs  do  site&rise.  Sit&rise  could  thus  be  considered  as  an  RA  strategy,  then touch&rise  is the normal way of perforing the TST. This makes sense: while healthy persons will  have  no  troubles  rising  directly  after  descending, RAs  having  less muscle  strenght  cant  counteract  their  own  descending momentum,  and  have  thus  to  take  the  short  rest  on  the chair.  

 Figure 43: Correspondence between RA (darkred) and sit&rise (orange) curves: both curves nearly coincidence. 

The dotted curve is the normal, shown to clarify the correspondance between the other two more. 

 

 

ThoraxAngles10

-55

deg

KneeAngles20

-20

deg

Page 50: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

42  

3.2.3. More subtle RA strategies 

Comparing RA sit&rise and normal sit&rise reveals subtle differences occuring  in RA patients. RAs  performing  touch&rise  do  this  with  constantly  more  trunk  flexion  than  controls performing touch&rise, during the whole SSS. RAs perform thus the touch&rise strategy more in a trunk‐first way than controls: during sitting stages, thoraxangle is higher from controls, to touch&rise  strategy  ,  to  touch&rise  RA  (figure  44,  left).  A  similar  remark  is made  for  RAs performing  sit&rise:  at  TR  and  TD,  they  flex  the  thorax more  than  controls  doing  sit&rise (figure 44, right). 

 

Figure 44: RA‐control comparison seperatelty for touch&rise (left,orange) and sit&rise (right, yellow) subjects. Table 25 summarizes this. Left: average of 6 controls touch&rise subjects (cyan) and average of 5 RA touch&rise subjects (darkred). For thoraxangles, the general curve is superimposed to mark the difference in trunk flexion while seated. Right: average of 2 controls sit&rise subjects (cyan) and average of 6 RA sit&rise subjects (darkred).   Table 25: summary of figure 12 (curves for RAs compared to controls, separately for sit&rise and touch&rise) 

ThoraxAngles10

-55

deg

HipAngles*110

-10

deg

KneeAngles**110

-10

deg

KneeAngles*20

-20

deg

ThoraxAngles10

-55

deg

HipAngles110

-10

deg

KneeAngles110

-10

deg

KneeAngles var/val20

-20

deg

RAs compared to   Controls 

‐ Touch&rise  ‐ Sit&rise 

Thorax  Hip  Knee  Knee var/val 

Sitting stages 10° more flexion 

 

10° more  flexion 

 

4° more flexion 

 

2° more valgus 

 

Tup 10° more  flexion 5° more extension 

5° more  flexion 

 

10° more extension 

  

TR – TD 10% broader interval 

10% Broader interval 

    

At TR  

10° more flexion      

At TD  

10° more flexion      

Page 51: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

43  

3.2.4. Conclusion regarding RAs <‐> Controls 

The main purpose was  to  identify  features  that arise  in RA  subjects,  compared  to a  control group.  From  the  graphs  and  tables made  and  presented  in  the  pages  above,  the  following conclusions are summarized below. 

RAS COMPARED TO CONTROL GROUP 

Proof  Proof in numbers and graphs 

RAs take more time for rising  (?) 

Time till Tup is bigger; trunk and knee curves are during RIS shifted to the right No significant differences were found for SSS cycle time RIS though 

RIS = 48.5+5 %SSScycle  p>0.4 

RAs experience more fatigue 

More difference between parameters for first and last SSS 

Parameter  P value controls 

P value RAs 

Timing max tr fl RIS 0.13 0.021 

Timing max hip angle RIS 0.11 0.046 

Sit&rise is a common strategy for RAs 

Some features: ‐ More trunk flexion at TR 

and TD ‐ More knee valgus during 

sitting 

RAs perform sit&rise with a trunk‐first strategy 

More trunk flexion at TR and TD than controls doing sit&rise 

 Cyan: the normal way of performing sit&rise strategy Darkred: RAs doing sit&rise 

RAs perform touch&rise in a more extreme way 

The features that make touch&rise differ from normal, are the same but more pronounced for RAs 

 Black dotted: general curve Cyan: the normal way of performing touch&rise strategy Darkred: RAs doing touch&rise 

   

ThoraxAngles10

-55

deg

KneeAngles20

-20

deg

ThoraxAngles10

-55

deg

Page 52: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

44  

3.2.5. Testing the trunk‐first hypothesis: CoM motion 

In the curves showing the CoM motion (figure 45), clear differences occur. The controls data are visibly more regular then the RAs. The RAs though, seem divided into two groups (orange and yellow), with the controls (gray) mainly in between them. Especially in DESC this is clear, with  6  out  of  8  controls  “in  the  gap”.  The  two  outliers  are  one  control with  an  on  video distinguishable  trunk‐first motion which makes  the position of his CoMcurve  logic,  and one control with extraordinary arm movements making  the CoM not  trustable. The RA group  is split  accordingly:  the  orange  curves  are  the  expected  trunk‐first  behavior,  which  will  be referred to as DistMom “distinct momentum” strategy (4 RAs). The yellow curves distinguish themselves with their more pronounced forward motion during going up: this behavior is seen in 6 RAs and is called MomTra‐TFl, “momentum‐transfer with higher trunk flexion” (table 26). Plotting their average CoMcurves, the difference shows very distinguishable: DistMom strategy CoM curve is short and thick, while MomTra‐TFl strategy has long and thin CoM curves (figure 46). 

 

 

Table 26: division of the RA subjects in two groups DistMom and MomTra‐TFl

Momentum‐distinct  DistMom  4 RA subjects 

Momentum‐transfer with higher trunk flexion 

MomTra‐TFl  6 RA subjects 

 

Figure 45: The graphs show CoMy versus CoMx (normalized and shifted curves) of all subjects: controls (gray) and RAs (yellow and orange), for last cycle. Up is the whole SSS cycle, under is separately RIS (left) en DESC 

Page 53: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

45  

 Figure 46: average CoM motion (CoMy versus CoMx) for controls (gray), RA DistMom (orange) and RA MomTra‐

TFl (yellow). 

The main characteristic of the new MomTra‐TFl strategy is its long CoM curve. Since the length of the CoM curve represents  infact how much the subject moves still forward during upward motion, this length implies a big overlap of both motions (table 27, up). Besides this mixture of forward and upward motion, MomTra‐TFl has a 5d higher trunk flexion and a 4d higher valgus than  normal  around  the  lift‐off  and  seat‐contact  moments  TR  and  TD  (figure  47,  yellow compared to gray graphs). This higher trunk flexion at TR creates more stability since the CoM is brought closer to the CoP. Thanks to this excess of stability, forward and upward motion can be combined more easy. Finally, MomTra‐TFl takes also more time to perform: SSS cycle time is 1.95s (compared to the normal of 1.65s; p=0.289823).

MomTra‐TFl is distinguished from the other RA strategy DistMom in the first place on ground of CoM motion: short curves and big tym‐txm for DistMom, long curves and small tym‐txm for MomTra‐TFl. The overlap  is significantly different  in  the descending part with p=0.028  (table 27, down). More differences between both RA strategies occur  though  (figure 47,  table 28). Both show bigger trunk flexion than normal, but this is more extreme in DistMom: max trunk flexion  rising  is 41.5 degrees  for DistMom  compared  to only 32  for MomTra‐TFl;  significant with a p‐value of 0.042. Max  trunk  flexion descending  (37.7 <‐> 32 degrees) has p = 0.068. Something  similar  is visible  in knee var/val angles: DistMom  strategy holds  the most valgus, while MomTra‐TFl  is  in the middle between these and the normal small valgus. Furthermore, While DistMom features appear  in already  in sitting stages, MomTra‐TFl distinguishes only at TR and TD. Finally,  the  interval TR‐TD  is delayed  in DistMom, but not  in MomTra‐TFl  strategy. This difference between the two RA strategies has p‐values of 0.1 for timing parameters, and show a delay around 4%SSScycle or 80ms on the hip curve.  

Page 54: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

46  

 

 Figure 47: Characteristics of RA DistMom and RA MomTra‐TFl, and differences between both: comparison of controls (gray), DistMom (orange) and MomTra‐TFl (yellow) strategies on thoraxangles, hipangles and knee 

var/val angles. 

Table 28: summary of figure 47 (comparison between characteristics of MomDist and MomTra‐TFl RA strategies) 

 

ThoraxAngles10

-50

deg

HipAngles110

-10

deg

KneeAngles var/val20

-20

deg

DistMom and  MomTra‐TFl compared to   Controls 

Thorax  Hip  Knee var/val 

Sitting stages 10° more flexion 

   

6° more valgus 2°  more valgus 

Tup 7° more flexion 

    

TR – TD 10% delayed 

 10% delayed 

  

At TR and TD  (compared to sitting stages) 

17° more flexion 4° more flexion 

 4° more flexion 

 4° more valgus 

Table 27: Parameter tym‐txm (in %SSS cycle, representing the overlap between forward and upward CoM motion). A low value means big overlap. Up: comparison MomTra‐TFl to controls . Down: comparison between the two RA strategies. 

Overlap of forw and upw motion  Controls  MomTra‐Tfl  p‐value 

tym‐txm RIS  17  13  0.14  

Overlap of forw and upw motion  DistMom  MomTra‐Tfl  p‐value 

tym‐txm RIS  26  13  0.24 tym‐txm DESC  22  12  0.028 

Page 55: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

47  

3.2.6. Conclusion: final distinction between controls, RA DistMom and RA MomTra‐TFl 

  Controls  RA DistMom  RA MomTra‐Tfl CoM   

     Forward <‐> upward 

motion more separate Longer forward motion 

Thorax    

   More trunk flexion 

always (p=0.075983 at TR) 

More trunk flexion at TR,TD   

Knee var/val   

     More valgus during 

sitting  More valgus at TR,TD 

Interval TR‐TD 

   Controls  DistMom  MomTra‐Tfl Timing max hip angle DESC  80  90  82 

    Delayed (p=0.189663)    CoM  overlap forw<‐>upw motion 

      Controls DistMom  MomTra‐Tfl 

tym‐txm RIS  17  26  13 tym‐txm DESC  14  22  12 

  

  Further (p=0.018904 in DESC)  

Closer (p=0.137639 in RIS)

SSS cycle time     

   Controls DistMom  MomTra‐Tfl 

SSS cycle time TOT 1.63  1.65  1.95       Longer (p=0.289823)  

KneeAngles var/val20

-20

deg

Page 56: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

48  

4. Discussion 

 An SSS cycle  in TST  takes generally  less  than 2 seconds, of which  rising and descending  take equal time. Depending on how far the sitting motion  is completed, two SSS executions exist: touch&rise  and  sit&rise.  The  last  is  seen  more  often  in  RA  subjects.  Furthermore,  the hypothesis  that  RA  subjects would  use  a  trunk‐first  strategy was  partly  confirmed:  two  RA strategies were distinguished, DistMom and MomTra‐TFl, of which the DistMom corresponded with the trunk‐first strategy. This  discussion  reports  salient  findings  and  compares  with  findings  of  earlier  research.  It concludes with some advice for future studies.   

4.1. The normative SSS cycle 

The standard SSS cycle, being the first cycle in TST, has been analyzed thoroughly in this thesis on basis of 4 angles and 2 moments. Graph shapes, maximum values and timings are hard to compare with  previous  studies  though,  for many  reasons.  Previous  research  only  included rising  and  descending  separately,  whereby  their  curves,  times  and  phases  include  quiet standing and sitting whereas this  is not the case  in  the current study. Timing values are also hard  to  compare  because  the  TST  is  performed  “as  quick  as  possible”, while  rising  studies always  preferred  subjects  to  use  their  own  velocity.  The  presentation  of  SSS  cycles  in  this thesis can thus be considered as a first set of normative data for SSS.  

The SSS cycle shows some typical features (figure 48). Generally, it takes less than 2s, of which rising and descending take equal time. This results in very symmetric curves. Big events are all situated around moments of seat interaction TL and Tc. In rising, at TL the hip starts to extend and  the  knee  starts  to  turn  from  valgus  to  neutral,  followed  by  trunk  and  finally  knee extension.  In  descending,  the  knee  reaches  valgus  again  first,  than  the  trunk  starts  to straighten.  Around  80ms  later,  at  Tc,  hip  and  knee  joints  reach  their  maximum  flexion. Furthermore,  two  normative  SSS  cycles  exist:  touch&rise  SSS.and  sit&rise  SSS  (figure  49). Touch&Rise is the most difficult, since descending momentum has to be slowed down severely before Tc in order to immediately start rising again. Sit&Rise on the contrary, lets the chair help in breaking, which  induces knee fluctuations during sitting phase (hopping). Rising starts only after fully being seated on the chair, reaching a more vertical trunk position. 

Page 57: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

49  

 

Figure 48: features of the SSS cycle in the TST 

 

 

Figure 49: the two normative SSS cycles: touch&rise and sit&rise 

 

 

 

very symmetric around Tup 

average time < 2s

Big events are all situated around TL and TC

“hopping” in last cycle

touch&rise SSS <‐> 

sit&rise SSS 

Page 58: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

50  

4.2. Characteristics of RAs 

Previous studies agreed that the STS motion for RAs tends towards a trunk‐first strategy, with characteristics of figure 50. Two of these characteristics,  i.e. higher thorax flexion and bigger hip moments, are also found  in the RAs SSS cycle, but without any significances: observed p‐values are between 0.1 and 0.2. RAs CoM and rising time showed no mentionable difference at all with  the normals  (figure 51). Besides  these  two  trunk‐first  features,  some additional RA‐behaviour comes  forward  in  the Time‐Stands‐Test. At  first, RAs’ knees are  in 4° more valgus than normal (no significance analysis is done for this). Secondly, RAs suffer visually more from fatigue: significances first <‐> last cycle exist (in contrast with the normal SSS which has no first <‐> last significance). RAs adapt their pattern thus more than normal in between first and last cycle. Furthermore, 7 out of 11 RAs chose  the  sit&rise SSS. Finally, RAs performing Sit&Rise and Touch&rise do this in a more extreme way (more trunk flexion). The difference comes out at Tsit for Touch&rise, while in Sit&rise it occurs at TL (figure 52). 

 

Figure 50: the trunk‐first hypothesis 

 

  RAs flex have about 6° more trunk flexion at TR and TD. No change in knee angle occurs  

 Max hip moment is 0.3 Nm/kg is higher for rising and descending; max knee moment is 0.2 Nm/kg lower  

 No differences in CoM‐behaviour or length of momentum‐transfer phase 

No differences in cycle times  

Figure 51: matching RA characteristics to the trunk‐first hypothesis.  = found, but with no significance (p‐values 0.1 to 0.2) 

= not found  

AnglesHip & thorax: more flexion 

Knee: no change

MomentsHip: biggerKnee: lower

CoM closer to CoP at TL=> less momentum‐transfer

Rising timelonger

trunk‐first strategy

Page 59: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

51  

 

Figure 52: touch&rise and sit&rise performed by RAs (the gray silhouette): RAs perform both with higher trunk flexion, but this occurs at Tsit in Touch&rise, while it occurs only at TL in Sit&rise. 

4.3. Strategies of RAs 

On ground of the CoM‐behaviour, this SSS study splits the RAs in two groups: RA DistMom and RA MomTra‐TFl. They are significantly different in max trunk flexion during rising (41.5 degrees for DistMom  compared  to only 32  for MomTra‐TFl), and  in overlap  forward‐upward motion (nearly  only  half  the  overlap  existing  in MomTra‐TFl  occurs  in DistMom).  SSS  rising  time  is remarkably  longer  in MomTra‐TFl  strategy,  but  not  significantly.  Figure  53  summarizes  the characteristics of the two RA strategies, compared to the normal momentum‐transfer strategy. 

 

     

          Figure 53: Distinguishment of the two RA strategies between each other and with the normal. Differences occur on three pillars: max trunk flexion, CoM forward‐upward overlap and SSS rising time. Black arrows represent worth mention differences (although only two of them are really significant), gray arrows mean that parameter shows no difference between those strategies. 

MomTra (controls)

32d

RA MomTra‐TFl

34dRA DistMom

41d

MomTra (controls)

14

RA MomTra‐TFl

12p = 0.02

RA DistMom

22

MomTra (controls)

0.81s

RA MomTra‐TFl

1.02sRA DistMom

0.92s

Max trunk flexion 

CoM forw‐upw 

rising time 

Page 60: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

52  

RA DistMom  shows  some  (nearly‐)significant differences with  the normal SSS:  their  trunk  is constantly 9 degrees more  flexed, and  forward and upward CoM motion overlaps much  less than normal (figure 54). Also the rising time in DistMom is longer, shown by the shift in TR‐TD interval, although the cycle time parameters show no difference at all. RA DIstMom shows a big correspondance with  the  trunk‐first strategy! No results exist of  the moments since  the groups became too small for this, but we expect the  joint moments to follow also trunk‐first strategy, being higher in the hip and lower in the knee. 

RA MomTra‐TFl  shows  two  trunk‐first    features  in  a non‐significant way  (little higher  trunk flexion and  longer rising time; figure 55). This strategy doesn´t agree thus with our trunk‐first hypothesis and  is closer  to  the normative SSS –hence also  the name “momentum‐transfer”. An  important  difference  occurs  though,  concerning  the  CoM  forward‐upward motion.  The CoM moves longer forward, overlapping a lot with upward motion (p=0.1).  

Strategies differ  in rising time as well as  in SSS cycle time. Rising times are 0.81s for controls, 0.92s  for DistMom, and 1s  for MomTra‐TFl. SSS cycle  times are 1.63s  for controls, 1.65s  for DistMom, and 1.95s for MomTra‐Tfl. DistMom prolongs thus only its rising phase, seen also by a delay  in  the normalized  curve. MomTra‐TFl prolongs both  rising and descending;  its  curve follows the normal without delay. Trunk‐first hypothesized a longer rising time, found in both RA strategies.  

 

  RA DistMom flexes the trunk constantly 9d more than normal (p=0.07)  

(no moment comparisons anymore due to too less subjects) 

   

 Big interval between forward and upward motion timing (p=0.02 in descending)  

 

 No difference in cycle times  (p=0.9), but the TR‐TD interval is shifted which shows longer rising phase. 

 Figure 54: matching RA DistMom characteristics to the trunk‐first hypothesis. 

= found, with (nearly‐)significance (p‐values < 0.1)  = found, but with no significance 

 

 

 

Page 61: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

53  

 

 

 

  RA MomTra‐TFl flexes the trunk 2d more than normal (p=0.4) at moments of seat contact  

(no moment comparisons anymore due to too less subjects) 

   

 THE CONTRARY: 

Smaller interval between forward             and upward motion timing  (p=0.1 in rising)        

 

 Rising takes 0.2s longer than for the normal MomTra (p=0.28), but also descending takes longer: total SSS cycle time is higher.   

 Figure 55: matching RA MomTra‐TFl characteristics to the trunk‐first hypothesis. 

= found, with (nearly‐)significance (p‐values < 0.1)  = found, but with no significance 

= not found  

4.4. Reliability of the data 4.4.1. Kinematics 

The kinematics were calculated by means of a whole‐body linked‐segment model which is shown to have a satisfactory internal validity [35]. 

4.4.2. Kinetics 

Not much kinetic analysis was included in this study. This was due to poor GRF data: the GRF vector  appeared  sometimes  at  locations  on  the  force  plate  that  do  not  relate  to  foot placement, and a constant gap existed between  left and right side  (figure 56). Moment data were  thus not always  reliable. Yoshioka and co‐workers  found  that  the  sum of  the peak hip and knee moments is 1.53 Nm/kg independent of strategy used [18]. Our results give 1.922 or 2.039 for first or last cycle in unimpaired subjects and 2.254 or 2.148 for the RA subjects. 

On the other hand, the video of the subjects was checked and shows no abnormalities, with both  feet  seeming  to  stay  on  the  platform.  Max  moment  values  gave  low  p‐values  in comparing  control  to  RA  group:  they  determine  the  difference  with  RAs.  From  the  main 

Page 62: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

54  

distinguishing parameters for controls <‐> RAs, 2 out of 3 are moment parameters (figure 57). Furthermore, Moment curves are the only ones showing a L/R difference compatible with RAs: all RAs have a big difference between left and right side, and only 1 out of 4 controls. 

 

    

4.4.3. Small groups and significance 

Subjects groups involved in this study were small (20 in total, divided into groups with size up to 5 subjects). It has to be kept in mind that with such small groups it is dangerous to draw firm conclusions that can be extrapolated to a larger population. 

 

4.4.4. Graph analysis 

Some very advanced mathematical methods exist for comparing the shape of curves (like PCA [13], principal component analysis, a very good way to distinguish between graphs, but these are  very  complicated which makes  the  interpretation  hard  and  has  no  direct meaning  for clinicians), but  in this thesis the graphs are  judged only by sight. The max values seen on the graphs might differ a bit from the calculated ones since the graphs represent the average but for the parameters the more robust medians were preferred (less sensitive to outliers).  

4.4.5. First or last cycle? 

Often in comparison results, only the last cycle of the TST is considered. This choice is justified: whenever an analysis was performed for both first and last cycle (e.g. plotting CoM RA/control curves first for first cycle, and secondly for last cycle), the last showed the most distinction. An example  is  figure  58:  in  last  cycle,  a  bigger  difference  is  seen.  P‐values  show  the  same preference  for  last  cycle:  e.g.  the most  significant  p‐value  proving  distinction  between  RA DistMom and RA MomTra‐TFl  is 0.06  in  first, but 0.04  (significant)  in  last cycle. Subjects get tired, pronouncing strategy characteristics more in last cycle.  

.

Figure 57: The 3 parameters showing significant difference for RAs. Two out of three are moment values. 

Max knee extension moment

Max trunk flexion RIS 

Max hip flexion moment

 

Figure 56: example of the hip moment curves left (red) and right (green) of one subject. In this case, the red curve seems to have an offset error. 

Hip fl/ext Moment1500

-1000

Nmm

Page 63: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

55  

 

Figure 58: CoM graph comparison between RAs (red) and controls (gray); left for first, right for last cycle. The right one, last cycle thus, shows more difference. 

4.4.6. Cycle times 

SSS cycle time parameters show often high p‐values (e.g. in RA‐control), while the graphs and parameters related to timing show a clear difference. Also remarkable  is a  low p for controls (0.2) but a high p for RAs (>0.5) in first‐last comparison. These strange results might be due to the big standard deviation of the cycle times in the RAs (1.1 to 9.12s) (table 29).  Table 29 : min and max values of the timing parameters for the RAs.  This shows a very big variation! 

MIN & MAX  First  Last 

SSS cycle time TOT  1.1 – 8.4 1‐ 9.12SSS cycle time RIS  0.67 – 3.61 0.51 ‐ 4.52SSS cycle time DESC  0.43 – 4.79 0.6 ‐  4.6

 

4.4.7. Accuracy of tym‐txm 

The  parameter  tym‐txm  is  derived  from  the  superimposed  graphs  CoMx  and  CoMy  versus time. The big drawback of using a parameter is that it only accounts for the maxima, and not for the shape of the curve –which can be quite important. Appendix extra B (CoM x,y versus t) shows the graphs  for all subjects. E.g. one subject starts the  forward movement a  lot earlier than the upward, but since it takes a while before the x‐curve reaches its absolute maximum, this large interval is badly reflected in the value tym‐txm (figure 59).  

 

Figure 59: CoMx and CoMy curves of one subject. The parameter txm‐tym RIS defined on the fist maxima, represents poorly the early forward motion; the gray arrow would be a better value. 

4.4.8. Knee valgus 

The knee valgus occurring during sitting stages could be a motion analysis artifact. Verification with knee moment values should be executed to verify the truth.  

‐0,050

0,050,1

0,150,2

‐0,05 0 0,05 0,1

y

x

Page 64: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

56  

4.5. Future perspectives 

This  thesis  shows  enough  evidence  to  conclude  that  the  time‐stands‐test  deserves  further investigation. The division  into  two RA  strategies  should be verified with  larger groups. The strategies showed no correlation with subject typifications as height, age or disease duration. An analysis including pain in hip and knee joint has not been done yet.  

The kinetics were not included in this thesis due to partial data acquisition failure (there were errors of a systematic nature that were also rather random and for which the source was not obvious). The moments could be very  interesting to  include since they show  low p‐values for the  RA  group.  Furthermore,  the  knee  valgus moment  would  show  whether  the  observed valgus  position  during  patients’  sitting  is  real.  Knowledge  of  the  center  of  pressure  of  the ground reaction force would create more insight in the stability states of the motion during the different  strategies.  This  can  especially  help  for  better  understanding  of  the  MomTra‐TFl strategy.  

 

   

Page 65: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

57  

APPENDIX All  results,  from  very  useful  to  nothing‐saying,  are  summarized  in  this  appendix.  The characteristics  for each  group  are  first  listed,  followed by  the  comparison  analysis between groups. Finally, some figures which are used to check the punctuality of the results are listed.  

Characteristics per group  

This includes the basic statistics for first and last cycle by controls, RAs, RADistMom and RAMomTra‐TFl. For the control group, the average graphs are also shown 

Control group 

First cycle  

Controls, first cycle median  min  max 

lower quartile 

upper quartile 

Max trunk flexion RIS  32.79196 21 44.8  28.33094  33.25171Max trunk flexion DESC  29.95354 21 47.9  25.76885  38.17259Max hip angle RIS  92.78296 80 96.4  86.57296  95.5607Max hip angle DESC  91.36628 84 101  90.06373  99.33533Timing max tr fl RIS  20 10 30  16  24Timing max tr fl DESC  74 68 88  72  86Timing max hip angle RIS  18 10 28  14  22Timing max hip angle DESC  80 70 82  76  82Timing start knee ext RIS  18 10 36  16  24Timing start knee ext DESC  46 36 54  42  50Max knee ext moment RIS  0.90886 0.7 1.22  0.77024  1.0977Max knee ext moment DESC  0.90663 0.7 0.98  0.79984  0.94562max knee var/val moment RIS  0.19927 0 0.36  0.06638  0.33153max knee var/val moment DESC  0.20584 0.1 0.47  0.09598  0.38284max hip fl moment RIS  1.01308 0.8 1.46  0.8917  1.26374max hip fl moment DESC  1.02676 0.8 1.28  0.893  1.16683SSS cycle time TOT  1.94 1.7 3.23  1.78  2.45SSS cycle time RIS  0.94 0.7 1.34  0.87  1.12SSS cycle time DESC  0.98 0.8 1.89  0.91  1.37

tym‐txm RIS  12 8 16  11  16tym‐txm DESC  10 6 16  9  10 

Page 66: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

58  

   

  

Page 67: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

59  

   

 

Page 68: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

60  

   

     

Page 69: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

61  

Last cycle   

Controls, last cycle median  min  max 

lower quartile 

upper quartile 

Max trunk flexion RIS  33.05693 23.57575 43.9367  25.53702  35.3657Max trunk flexion DESC  29.95354 21.37351 50.6843  26.32068  35.8289Max hip angle RIS  93.08424 82.61965 104.3639  85.59343  97.6379Max hip angle DESC  90.06373 81.26974 106.4457  84.18983  97.652Timing max tr fl RIS  16 12 20  14  18Timing max tr fl DESC  78 70 100  74  100Timing max hip angle RIS  14 10 18  14  16Timing max hip angle DESC  80 74 90  78  84Timing start knee ext RIS  18 12 24  14  20Timing start knee ext DESC  46 38 48  46  48Max knee ext moment RIS  0.95387 0.69961 1.2583  0.82043  1.1124Max knee ext moment DESC  0.78347 0.6997 0.9308  0.71597  0.8828max knee var/val moment RIS  0.26408 0.07407 0.4829  0.12327  0.4193max knee var/val moment DESC  0.21462 0.09177 0.4493  0.11043  0.3747max hip fl moment RIS  1.0855 0.89498 1.2337  0.98122  1.1686max hip fl moment DESC  1.01969 0.74588 1.2441  0.8727  1.142SSS cycle time TOT  1.63 1.27 3.32  1.44  2.46SSS cycle time RIS  0.81 0.61 1.53  0.69  1.11SSS cycle time DESC  0.86 0.66 1.79  0.75  1.3

tym‐txm RIS  17 8 24  14  19tym‐txm DESC  14 4 18  8  18

 

Page 70: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

62  

   

 

Page 71: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

63  

  

 

Page 72: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

64  

  

    

Page 73: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

65  

RAs, RA MomDist, RA MomTra­TFl groups 

First cycle 

RAs, first cycle median  min  max 

lower quartile 

upper quartile 

Max trunk flexion RIS  37.68479 21.58925 88.2679  25.22116  39.4935Max trunk flexion DESC  35.07985 20.29954 91.8683  27.47003  37.6325Max hip angle RIS  91.68416 82.47231 110.7473  86.5067  95.0129Max hip angle DESC  94.23006 76.06306 111.9139  88.76517  101.7701Timing max tr fl RIS  22 16 28  18  28Timing max tr fl DESC  76 66 100  72  94Timing max hip angle RIS  18 12 30  14  24Timing max hip angle DESC  80 74 98  78  86Timing start knee ext RIS  20 12 28  16  24Timing start knee ext DESC  46 40 60  42  52Max knee ext moment RIS  0.78587 0.67209 0.8736  0.75382  0.8675Max knee ext moment DESC  0.87353 0.6876 1.052  0.79865  1.0467max knee var/val moment RIS  0.21531 0.13389 0.7681  0.16541  0.612max knee var/val moment DESC  0.27772 0.04956 0.6131  0.20155  0.4343max hip fl moment RIS  1.4675 1.14011 1.9476  1.29869  1.6095max hip fl moment DESC  1.45213 0.79835 1.509  1.42389  1.4572SSS cycle time TOT  1.88 1.1 8.4  1.51  3.04SSS cycle time RIS  1.01 0.67 3.61  0.75  1.26SSS cycle time DESC  0.97 0.43 4.79  0.74  1.78

tym‐txm RIS  15 10 18  12  16tym‐txm DESC  14 8 34  10  16 

RA MomDist, first cycle median  min  max 

lower quartile 

upper quartile 

Timing max tr fl DESC  100 76 100  76  100Timing max hip angle DESC  86 86 98  86  98

tym‐txm RIS  16 14 18  14  18tym‐txm DESC  20 10 34  10  34 

RA MomTra‐TFl, first cycle median  min  max 

lower quartile 

upper quartile 

Max trunk flexion RIS  41.4678 40.02487 88.3971  40.02487  88.3971Max trunk flexion DESC  37.6983 37.33809 84.0042  37.33809  84.0042

Timing max tr fl DESC  100 76 100  76  100Timing max hip angle DESC  98 80 100  80  100

tym‐txm RIS  26 12 30  12  30tym‐txm DESC  22 20 32  20  32 

Page 74: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

66  

Last cycle  

RAs, last cycle median  min  max 

lower quartile 

upper quartile 

Max trunk flexion RIS  37.80329 27.96973 88.3971  29.24553  40.98013Max trunk flexion DESC  33.69862 22.96886 84.0042  28.57728  37.69834Max hip angle RIS  91.49522 80.95683 112.8415  88.16098  99.54083Max hip angle DESC  94.42751 77.31587 106.9941  85.22117  99.12082Timing max tr fl RIS  18 0 28  14  20Timing max tr fl DESC  76 70 100  74  92Timing max hip angle RIS  16 0 20  10  16Timing max hip angle DESC  82 76 100  78  86Timing start knee ext RIS  18 4 26  12  24Timing start knee ext DESC  46 40 52  44  52Max knee ext moment RIS  0.75341 0.67279 0.7978  0.7346  0.77991Max knee ext moment DESC  0.77746 0.65463 0.9248  0.75236  0.85002max knee var/val moment RIS  0.33949 0.15505 0.6429  0.16882  0.50296max knee var/val moment DESC  0.27775 0.06404 0.6727  0.13201  0.3364max hip fl moment RIS  1.39509 1.13494 1.7718  1.14302  1.56235max hip fl moment DESC  1.39344 0.89532 1.6461  1.38702  1.6103SSS cycle time TOT  1.92 1 9.12  1.5  2.59SSS cycle time RIS  1.02 0.51 4.52  0.78  1.26SSS cycle time DESC  0.95 0.6 4.6  0.84  1.18

tym‐txm RIS  15 10 30  12  18tym‐txm DESC  15 6 32  10  20  

RA DistMom, last cycle median  min  max 

lower quartile 

upper quartile 

Timing max tr fl DESC  75 66 94  70  80Timing max hip angle DESC  79 74 88  78  82

tym‐txm RIS  13 10 16  12  16tym‐txm DESC  12 8 16  10  16 

RA MomTra‐TFl, last cycle median  min  max 

lower quartile 

upper quartile 

Max trunk flexion RIS  32.37927 27.96973 40.98013  28.55127  38.77037Max trunk flexion DESC  32.34693 26.93689 43.16679  28.57728  34.10983Timing max tr fl DESC  76 70 92  72  84Timing max hip angle DESC  82 76 86  78  86

tym‐txm RIS  13 10 16  12  16tym‐txm DESC  12 6 16  8  16 

Page 75: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

67  

Comparative analysis per group  

Comparisons are performed for all the analysis in box. 

First <‐> last ‐ for the controls: 

o main analysis: 9 first <‐> 9 last    o moment analysis: 4 first <‐> 4 last   

‐ for the RAs o main analysis: 11 first <‐> 11 last o moment analysis: 5 first <‐> 5 last 

Controls <‐> RAs ‐ In first cycle  

o main analysis: 9 controls <‐> 11 RAs o moment analysis: 4 controls <‐> 5 RAs o CoM analysis: 8 controls <‐> 10 RAs 

‐ In last cycle o main analysis: 9 controls <‐> 11 RAs o moment analysis: 4 controls <‐> 5 RAs o CoM analysis: 8 controls <‐> 10 RAs 

C   touch&rise <‐> sit&rise ‐ In last cycle 

o angle graph analysis: 10 touch&rise’s <‐> 10 sit&rise’s  touch&rise controls <‐> touch&rise RAs 

‐ In last cycle o angle graph analysis: 6 touch&rise controls <‐> 4 touch&rise RAs 

sit&rise controls <‐> sit&rise RAs ‐ In last cycle 

o angle graph analysis: 2 sit&rise controls <‐> 8 sit&rise RAs controls <‐> RA DistMom <‐> RA MomTra‐TFl 

‐ In first cycle o main and CoM parameter analysis: 9 controls <‐> 4 RA DistMom <‐> 7 RA MomTra‐TFl 

‐ In last cycle o main and CoM analysis: 9 controls <‐> 4 RA DistMom <‐> 7 RA MomTra‐TFl 

 ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ main analysis = angle graphs; maxima, timing and cycle time parameter values moment analysis = moment graphs and parameter values CoM analysis = CoM graphs and parameter values  

Page 76: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

68  

First <­> last 

For the controls  

Last <‐> First (controls)  median first  median last  p‐value Max trunk flexion RIS  32.79196 33.05693  0.757278 Max trunk flexion DESC  29.95354 29.95354  0.964784 Max hip angle RIS  92.78296 93.08424  0.401543 Max hip angle DESC  91.36628 90.06373  0.565993 Timing max tr fl RIS  20 16  0.133321 Timing max tr fl DESC  74 78  0.353838 Timing max hip angle RIS  18 14  0.111962 Timing max hip angle DESC  80 80  0.216374 Timing start knee ext RIS  18 18  0.479929 Timing start knee ext DESC  46 46  0.894626 Max knee ext moment RIS  0.90886 0.95387  1.000000 Max knee ext moment DESC  0.90663 0.78347  0.563703 max knee var/val moment RIS  0.19927 0.26408  0.563703 max knee var/val moment DESC  0.20584 0.21462  1.000000 max hip fl moment RIS  1.01308 1.0855  0.772830 max hip fl moment DESC  1.02676 1.01969  0.772830 SSS cycle time TOT  1.94 1.63  0.233231 SSS cycle time RIS  0.94 0.81  0.269691 SSS cycle time DESC  0.98 0.86  0.269691  

   

 

last cycle (blue) compared with first cycle (cyan) for the controls 

ThoraxAngles10

-55

deg

HipAngles110

-10

deg

KneeAngles110

-10

deg

KneeAngles var/val20

-20

deg

Page 77: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

69  

For the RAs   

Last <‐> First (RAs)  median first  median last  p‐value Max trunk flexion RIS  37.68479 37.80329  0.645764Max trunk flexion DESC  35.07985 33.69862  0.843832Max hip angle RIS  91.68416 91.49522  0.742666Max hip angle DESC  94.23006 94.42751  0.742666Timing max tr fl RIS  22 18  0.020577Timing max tr fl DESC  76 76  0.643222Timing max hip angle RIS  18 16  0.046119Timing max hip angle DESC  80 82  0.444051Timing start knee ext RIS  20 18  0.370728Timing start knee ext DESC  46 46  0.946998Max knee ext moment RIS  0.78587 0.75341  0.403396Max knee ext moment DESC  0.87353 0.77746  0.296271max knee var/val moment RIS  0.21531 0.33949  1max knee var/val moment DESC  0.27772 0.27775  1max hip fl moment RIS  1.4675 1.39509  0.676104max hip fl moment DESC  1.45213 1.39344  1SSS cycle time TOT  1.88 1.92  1SSS cycle time RIS  1.01 1.02  0.599361SSS cycle time DESC  0.97 0.95  0.915851 

 

 

 

Thorax, hip, knee flexion and knee varus/valgus angles, knee and hip moment.  Comparison between first (darkred) and last (pink) cycle in RAs. 

ThoraxAngles10

-50

deg

HipAngles110

-10

deg

KneeAngles110

-10

deg

KneeAngles var/val 2

-26

deg

KneeMoment1500

-1000

Nmm

HipMoment1808

-673

Nmm

Page 78: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

70  

Controls <­> Ras 

In first cycle 

RAs <‐> Controls (first cycle)  median control  median RA  p‐value Max trunk flexion RIS  32.79196 37.68479  0.17146Max trunk flexion DESC  29.95354 35.07985  0.59485Max hip angle RIS  92.78296 91.68416  1Max hip angle DESC  91.36628 94.23006  0.81971Timing max tr fl RIS  20 22  0.42503Timing max tr fl DESC  74 76  0.76121Timing max hip angle RIS  18 18  0.73244Timing max hip angle DESC  80 80  0.30506Timing start knee ext RIS  18 20  0.87923Timing start knee ext DESC  46 46  0.73244Max knee ext moment RIS  0.90886 0.78587  0.39127Max knee ext moment DESC  0.90663 0.87353  0.90252max knee var/val moment RIS  0.19927 0.21531  0.39127max knee var/val moment DESC  0.20584 0.27772  0.90252max hip fl moment RIS  1.01308 1.4675  0.06619max hip fl moment DESC  1.02676 1.45213  0.11135SSS cycle time TOT  1.94 1.88  0.59485SSS cycle time RIS  0.94 1.01  0.76121SSS cycle time DESC  0.98 0.97  0.59485

tym‐txm RIS  12 15  0.28632tym‐txm DESC  10 14  0.06889 

 

 

Thorax, hip, knee flexion and knee varus/valgus angles, knee and hip moment.  Comparison between RAs (darkred) and Controls (cyan) for first cycle (conclusion see table) 

ThoraxAngles10

-55

deg

HipAngles110

-10

deg

KneeAngles110

-10

deg

KneeAngles var/val20

-20

deg

Page 79: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

71  

RAs  compared to   controls 

Thorax  Hip  Knee Knee var/val 

Sitting till TR       More valgus (4d) 

Sitting from TD 

Bit more flexion (2d) 

Bit more flexion (4d) 

 More valgus (5d) 

At Tup Less extension (5d) 

Bit less extension (3d) 

Bit more extension (3d) 

 

TR – TD Interval slightly shifted to the right (2%) 

Interval slightly shifted to the right (2%) 

   

At TR More flexion (10d) 

Bit more flexion (3d) 

 More valgus (5d) 

At TD More flexion (4d) 

Bit less flexion (2d) 

Bit less flexion (3d) 

More valgus (3d) 

 

 

 

In last cycle  

RAs <‐> Controls (last cycle)  median control  median RA  P value Max trunk flexion RIS  33.05693 37.80329  0.14888Max trunk flexion DESC  29.95354 33.69862  0.494125Max hip angle RIS  93.08424 91.49522  1Max hip angle DESC  90.06373 94.42751  1

 

The graphs show the normalized and shifted CoM motion: CoMy versus CoMx. Controls (gray) and RAs (yellow) for first cycle.  

Page 80: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

72  

Timing max tr fl RIS  16 18  0.470449Timing max tr fl DESC  78 76  0.849361Timing max hip angle RIS  14 16  0.93944Timing max hip angle DESC  80 82  0.470449Timing start knee ext RIS  18 18  0.93944Timing start knee ext DESC  46 46  0.704043Max knee ext moment RIS  0.95387 0.75341  0.177911Max knee ext moment DESC  0.78347 0.77746  0.902523max knee var/val moment RIS  0.26408 0.33949  0.713303max knee var/val moment DESC  0.21462 0.27775  0.902523max hip fl moment RIS  1.0855 1.39509  0.066193max hip fl moment DESC  1.01969 1.39344  0.111348SSS cycle time TOT  1.63 1.92  0.494125SSS cycle time RIS  0.81 1.02  0.403318SSS cycle time DESC  0.86 0.95  0.775052

tym‐txm RIS  17 15  0.656854tym‐txm RIS  14 15  0.593955 

  

   

Thorax, hip, knee flexion and knee varus/valgus angles, knee and hip moment.  Comparison between RAs (darkred) and Controls (cyan) for last cycle (conclusion see table) 

ThoraxAngles10

-55

deg

HipAngles110

-10

deg

KneeAngles110

-10

deg

KneeAngles var/val20

-20

deg

KneeMoment1500

-1000

Nmm

HipMoment1500

-1000

Nmm

Page 81: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

73  

 

 

Touch&Rise <­> Sit&rise 

 

  

 

ThoraxAngles10

-55

deg

HipAngles110

-10

deg

KneeAngles110

-10

deg

KneeAngles var/val20

-20

deg

 

The graphs show the normalized and shifted CoM motion: CoMy versus CoMx. Controls (gray) and RAs (yellow and orange) for last cycle.   

Page 82: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

74  

Touch&Rise controls <­> Touch&Rise RAs  

 

Sit&Rise controls <­> Sit&Rise RAs  

 

  

 

ThoraxAngles10

-55

deg

HipAngles*110

-10

deg

KneeAngles**110

-10

deg

KneeAngles*20

-20

deg

ThoraxAngles10

-55

deg

HipAngles110

-10

deg

KneeAngles110

-10

deg

KneeAngles var/val20

-20

deg

Page 83: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

75  

Controls <­> RA DistMom <­> RA MomTra­TFl 

In first cycle  

RA DistMom <‐> RA MomTra‐TFl  median RA DistMom  median RA MomTra‐TFl  Pvalue Timing max tr fl DESC  100 75 0.11061Timing max hip angle DESC  86 79 0.06825

tym‐txm RIS  16 13 0.19671tym‐txm DESC  20 12 0.24528 

In last cycle  

RA DistMom <‐> Controls  median control  median DistMom  P value Max trunk flexion RIS  33.05693 40.74635 0.075983Max trunk flexion DESC  29.95354 37.51822 0.396066Max hip angle RIS  93.08424 99.29102 0.699676Max hip angle DESC  90.06373 94.41512 0.816961Timing max tr fl RIS  16 19.00000 0.537094Timing max tr fl DESC  78 89.00000 0.487454Timing max hip angle RIS  14 14.00000 0.938503Timing max hip angle DESC  80 90.00000 0.189663Timing start knee ext RIS  18 17.00000 1.000000Timing start knee ext DESC  46 49.00000 0.487454SSS cycle time TOT  1.63 1.65000 0.938503SSS cycle time RIS  0.81 0.92500 0.938503SSS cycle time DESC  0.86 0.85000 1.000000

tym‐txm RIS  17 26  0.307435tym‐txm DESC  14 22  0.018904 

RA MomTra‐TFl <‐> Controls  median control  median MomTra‐Tfl  p value Max trunk flexion RIS  33.05693 32.37927 0.458719 Max trunk flexion DESC  29.95354 32.34693 0.750824 Max hip angle RIS  93.08424 91.49522 0.832339 Max hip angle DESC  90.06373 94.42751 0.915700 Timing max tr fl RIS  16 18.00000 0.596628 Timing max tr fl DESC  78 76.00000 0.427263 Timing max hip angle RIS  14 16.00000 0.915700 Timing max hip angle DESC  80 82.00000 0.957791 Timing start knee ext RIS  18 18.00000 0.873845 Timing start knee ext DESC  46 46.00000 1.000000

Page 84: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

76  

SSS cycle time TOT  1.63 1.95000 0.289823 SSS cycle time RIS  0.81 1.02000 0.289823 SSS cycle time DESC  0.86 0.97000 0.672000

tym‐txm RIS  17 13  0.137639 tym‐txm DESC  14 12  0.561276  

RA DistMom <‐> RA MomTra‐TFl  median RA DistMom  median RA MomTra‐TFl  Pvalue Max trunk flexion RIS  41.4678 32.37927 0.040239Max trunk flexion DESC  37.6983 32.34693 0.068248Timing max tr fl DESC  100 76 0.110613Timing max hip angle DESC  98 82 0.171461

tym‐txm RIS  26 13 0.245279tym‐txm DESC  22 12 0.028187 

Page 85: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

77  

  

 

Controls (gray) <‐> RA DistMom (orange) <‐> RA MomTra‐TFl in last cycle:  thorax, hip and knee var/val angles and xyCom motion. 

ThoraxAngles10

-50

deg

HipAngles110

-10

deg

KneeAngles var/val20

-20

deg

Page 86: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

78  

Extra  

Checking the parameterdata 

 

 

Check of the resulting values for controls (up) and RAs (down). This is a quick way to remark abnormal data and double check on them. 

Page 87: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

79  

CoM x,y versus t 

 

 

 

 

CoMx (blue) and CoMy (red) in time (%SSS). All subjects, devided into Controls (left), RA DistMom (middle) and RA MomTra‐TFl (right) for last cycle. Looking at these graphs, realize that only the maxima matter. For instance, the x‐curves (blue) seem to come in two shapes: flat and close to 0, or starting negatively with positive maxima, covering a big range. This difference is not at all important though: it arises from the different test interpretations sit&rise and touch&rise. Because the graphs are constructed from the normalized ánd shifted CoMdata, the far starting x‐position from the touch&go´s is translated into the x‐curve shifted vertically down. The considered time interval is not influenced by the shifting. 

Page 88: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

80  

Individual graphs: remarks  

Page 89: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

81  

 

 

 

 

 

 

Page 90: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

82  

 

 

 

 

   

Page 91: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

83  

ATTACHMENTS All figures and tables of less importance are listed below here 

ATTACHMENT A Definition of T45% 

 

 

ATTACHMENT B Marker positions 

Pelvis  SACR LASI,RASI  

Trunk  C7 T10 CLAV STRN RBAK 

Legs (thigh+shank+foot) 

LTHI,RTHI LKNE,RKNE LTIB,RTIB LANK,RANK LTOE,RTOE (LHEE,RHEE) 

Head  LFHD,RFHD LBHD,RBHD 

Arms (upper+lower+hand) 

LSHO,RSHO LELB,RELB LWRA,RWRALWRB,RWRB LFIN,RFIN 

 

 

(6) 

Data provided: time of event 

Recalculation to lift‐off = 0% Extension = 100% 

Lift‐off  0.93 s  0% 

Max ankle dorsiflexion 

1.27 s (1.27‐0.93)/(2.21‐0.93) = 27% 

extension  2.21 s  100%    

Comparison of (6), defining max ankle dorsiflexion as occurring on 1.27s, and (10), defining end of body acceleration as occurring on 45% of the rising cycle. Using the clearly defined interval between lift‐off and extension events in both experiments, they occur respectively at 27 and 28%

(10) 

Data provided: percentage in the total cycle 

Recalculation to lift‐off = 0% Extension = 100% 

Lift‐off  34%  0% End of acceleration (dFz/dt min)

45%  (45‐73)/(73‐34) = 28% 

Page 92: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

84  

 

ATTACHMENT C Polygon SSS template 

Left is the template in polygon constructed to retrieve easily results from the SSS tests; right explains the template. All what is green are links, which show the individual subject curves superposed on the normal average when clicked; such a screenshot for the ‘main angles’ is shown. Patient name: Personal number: Exam date: Performed by:

Video 10x Sit-Stand-Sit Frontal Sagittal

Report Text report

3D gait analysis Right = green and Left = red. Control value +/- one standard deviation = grey SSS cycle 1 ('first'): Video Kinematics:

Main angles All Angles Angle velocities CoM

Kinetics: !Control GRF Moments

SSS cycle at the end ('last'): Video Kinematics:

Main Angles All Angles Angle velocities CoM

Kinetics: !Control GRF Moments

Time and moment values

=> export to excel!

 General information 

  

 Regular videos  Empty file where therapists can enter their conclusions 

  

DATA PRESENTATION FOR FIRST AND LAST CYCLE OF THE TST 

 3D‐reconstructed video  Kinematics: 

‐ Main angles: thorax, knee, hip, ankle angles in sagittal plane 

                                   

 ‐ All angles: thorax, knee, hip, ankle angles in 

sagittal, frontal and transverse plane ‐ Angle velocities: thorax, knee, hip, ankle 

velocities  in sagittal plane ‐ CoM: CoM movement upwards,forwards 

Kinetics: ‐ Control GRF: control the GRF graphs to be 

sure that the GRF data are ok ‐ Moments: knee, hip moment in sagittal plane 

and knee moment in frontal plane  TIME AND MOMENT VALUES 

These are computed in our excel template 

 

Page 93: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

85  

 

REFERENCES [1] Elena M. Gutierrez, Gait strategy in myelomeningocele: movements, mechanics and 

methods, Thesis Stockholm (2003) [2]  Shinsuke Yoshioka, Akinori Nagano,Dean C Hay, Senshi Fukashiro,  Biomechanical analysis 

of the relation between movement time and joint moment development during a sit‐to‐stand task, Biomedical engineering online, 8:27 (2009) 

[3] Csuka M, McCartny DJ, Simple method for measurement of lower‐extrimity muscle strength,  American journal of medicine, 78 (1985), 77‐81  

[4] Jones CJ, Rikli RE, Beam WC, A 30s chair‐stand test as a measure of lower body strength in community‐residing older adults, Research quarterly for exercise and sport, 70 (1999), 113‐119 

[5] Goffredo M., Schmid M., Conforto S., Carli M., Neri A., D'Alessio T., Markerless human motion analysis in Gauss‐Laguerre transform domain: An application to sit‐to‐stand in young and elderly people, IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine 13 (2) (2009), 207‐216 

[6] Schenkman M, Berger RA, Riley PO, Mann RW, Hodge WA, Whole‐Body Movements During Rising To Standing From Sitting, Physical Therapy, 70 (1990) 638‐648 

[7] Kerr, K.M., White, J.A., Barr, D.A., Mollan, R.A.B., Analysis of the sit‐stand‐sit movement cycle in normal subjects , Clinical Biomechanics 12 (4), (1997), 236‐245 

[8] Vannozzi, G., Della Croce, U., Starita, A., Benvenuti, F., Cappozzo, A., Knowledge discovery in databases of biomechanical variables: Application to the sit to stand motor task, Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation 1 (2004) 

[9] Page, A., Ayala, G., León, M.T., Peydro, M.F., Prat, J.M., Normalizing temporal patterns to analyze sit‐to‐stand movements by using registration of functional data, Journal of Biomechanics 39 (13) (2006), 2526‐2534 

[10] Kralj A, Jaeger RJ, Munih M, Analysis of standing up and sitting down in humans: definitions and normative data presentation, Journal of Biomechanics 23 (1990), 1123‐1138 

[11] Allin, S., Mihailidis, A., Sit to stand detection and analysis, AAAI Fall Symposium ‐ Technical Report FS‐08‐02 (2008), 1‐3 

[12] Galli M, cimolin V, crivellini M, campanini I, Quantitative analysis of STS movement: experimental set‐up definition and application to healthy and hemiplegic adults, Gait  and posture 28 (2008),80‐85 

[13] Epifanio, I., Ávila, C., Page, A., Atienza, C., Analysis of multiple waveforms by means of functional principal component analysis: Normal versus pathological patterns in sit‐to‐stand movement, Medical and Biological Engineering and Computing 46 (6) (2008), 551‐561 

[14] Mughal, A.M., Iqbal, K., Synthesis of angular profiles for bipedal sit‐to‐stand movement, Proceedings of the Annual Southeastern Symposium on System Theory,  art. 4480240 (2008), 293‐297 

[15] Doorenbosch CA, Harlaar J, Roebroeck ME, Lankhorst GJ., Two strategies of transferring from sit‐to‐stand; the activation of monoarticular and biarticular muscles, J Biomech. 27(11) (1994), 299‐307 

[16] Scarborough, D.M., McGibbon, C.A., Krebs, D.E., Chair rise strategies in older adults with functional limitations, Journal of Rehabilitation Research and Development 44 (1)(2007), 33‐41 

Page 94: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

86  

[17] Savelberg, H.H.C.M., Fastenau, A., Willems, P.J.B., Meijer, K.m, The load/capacity ratio affects the sit‐to‐stand movement strategy,  Clinical Biomechanics 22 (7) (2007), 805‐812 

[18] Yoshioka s, nagano a, himeno r, fukashiro s, Computation of the kinematics and the minimum peak joint moments of STS movements, Biomedical engineering online 6: 26 (2007) 

[19] Hof AL, An explicit expression for the moment in multibody systems, Journal of Biomechanics 25 (1992), 1209‐1211 

[20] Piazza, S.J., Erdemir, A., Okita, N., Cavanagh, P.R., Assessment of the functional method of hip joint center location subject to reduced range of hip motion , Journal of Biomechanics 37 (3) (2004), 349‐356 

[21] Mazzà, C., Zok, M., Della Croce, U., Sequencing sit‐to‐stand and upright posture for mobility limitation assessment: Determination of the timing of the task phases from force platform data , Gait and Posture 21 (4) (2005), 425‐431 

[22] Shinkoda K., Tanaka M., Ikeuchi H., Katoh R., Yamashita T., Analysis by phase planes of the sit‐to‐stand movement from a chair, JSME International Journal, Series C: Mechanical Systems, Machine Elements and Manufacturing 43 (4) (2000), 934‐940 

[23] Janssen WG, Bussmann HB, Stam HJ., Determinants of the sit‐to‐stand movement: a review,  Phys Ther. 82(9) (2002), 866‐79 

[24] Leardini A, Chiari L, Della Croce U, Cappozzo A, Human movement analysis using stereophotogrammetry. Part 3. Soft tissue artifact assessment and compensation, Gait Posture 21(2) (2005), 212‐225 

[25] Su FC, Lai KA, Hong WH, Rising from a chair after total knee arthroplasty,  Clin biomech 13(3)(1998), 176‐181 

[26] ViconPeak system reference, revision 1.1, (2004‐2005) [27] David Winter, Biomechanics of Human Movement (1930) [28] Yoshihiro Ehara, Hiroshi Fujimoto, Shinji Miyazaki, Masaaki Mochimaru, Shigeru Tanaka 

and Sumiko Yamamoto, Comparison of the performance of 3D camera systems II, Gait & Posture 5(3) (1997), 251‐255 

[29] http://www.bone‐and‐joint‐pain.com/ [30] http://www.orthopaedicsandtrauma.com/ [31] http://sportsci.org/encyc/aclinj/aclinj.html [32] www.aclsolutions.com/anatomy.php [33] http://www.nucleusinc.com [34] www.theorthopediccenter.net/services/hips.html [35] Idsart Kingma, Michiel P. de Looze, Huub M. Toussaint, Hans G. Klijnsma, Tom B. M. 

Bruijnen, Validation of a full body 3‐D dynamic linked segment model, Human Movement Science 15 (6) (1996), 833‐860 

[36] Linden DWV, Brunt D, McCulloch MU, Variant and invariant characteristics of the STS task in healthy elderly adults, Archives of Physical Medicine and rehabilitation 75 (1994), 653‐660 

[37] Brunt D, Greenberg B, Wankadia S, Trimble MA, Shechtman O., The effect of foot placement on sit to stand in healthy young subjects and patients with hemiplegia, Arch Phys Med Rehabil 83(7) (2002), 924‐9 

[38] Sibella F, Galli M, Romei M, Montesano A, Crivellini M, Biomechanical analysis of STS movement in normal and obese subjects, Clinical biomechanics 18 (2003), 754‐750 

[39] Peter Tebbutt, John Wood ,Michael King, Vicon user’s manual (2002) [40] Ruoli Wang, Analysis of foot kinematics during gait in adults with rheumatoid arthritis, 

Thesis Stockholm (2007) [41]  Andry vleeming, Dos Winkel, Schematisch handboek voor onderzoek en behandeling van 

weke delen aandoeningen van het bewegingsapparaat, deel 1: anatomie in vivo, (1983) 

Page 95: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

87  

[42] www.sensorland.com/HowPage002.html [43] http://physiotherapy.curtin.edu.au/home/facilities/equipment/force‐plates.cfm [44] http://amti.biz/ [45] Roy B.Davis III, Sylvia Ounpuu, Dennis Tyburski, James R.Gage, A gait analysis data 

collection and reduction technique, human movement science 10 (1991), 575‐587 [46] Josip Music, Romqn Kqmnik, Marko Munih, Model based inertial sensing of human body 

motion kinematics in STS movement, simulation modeling practice and theory 16 (2008),933‐944 

[47] T.Lundin, M.Grabiner, D.Jahnigen, On the assumption of bilateral lower extremity joint moment symmetry during STS tasks Journal of biomechanics 28 (1995), 109‐112 

[48] M. Van der Esch, M. Steultiens, J.Harlaar, N.Wolterbeek, D.Knol, J.Dekker, Varus‐valgus motion and functional ability in patients with knee osteoarthritis, Ann Rheum Dis 64(4) (2008), 471‐477 

[49] Sara J Farquhar, Darcy S Reisman, Lynn Snyder‐Mackler, Persistence of altered movement patterns during a STS task 1 year following unilateral total knee arthroplasty, physical therapie 5(88) (2008), 567‐579 

[50] Elisabetta Papa, Aurelio Cappozzo, Sit‐to‐stand motor strategies investigated in able‐bodied young and elderly subjects, Journal of Biomechanics 33 (2000), 1113‐1122 

[51] Erwin Buts, Geert De Loof, Yvon Van Elslander, Rheumatoid arthritis, De Codex (2009) [52] Scott D,Smith C, Kingsley G., Joint damage and disability in rheumatoid arthritis: an 

updated systematic review Clin Exp Rheumatol 21(31) (2003), 20‐27 [53] H.Y. Chen, A.M. Wing., The synchronisation of lower limb responses with a variable 

metronome: The effect of biomechanical constraints on timing, Gait and posture 21(1) (2005), S128 

[54] Helga Hirschfeld, Maria Thorsteinsdottir, Elisabeth Olsson, Coordinated GRF exerted by buttocks and feet are adequately programmed for weight transfer during sts, the American physiological society (1999) 

 

 

 

 

Page 96: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

1

Analyse van de sit-stand-sit beweging in volwassenen met reumatische artritis

Inge Van den Herrewegen

Begeleiders: Malcolm Forward, Lanie Gutierrez-Farewik, Eva Broström

Abstract –Deze thesis beschrijft het opstaan van en gaan zitten

op een stoel in patienten met reumatische arthritis (RA) en een controle groep. Subjecten (11 patienten en 9 controlepersonen) voerden 10 sit-stand-sit (SSS) cycli zo snel mogelijk na elkaar uit, en kinematica en kinetic van de eerste en laatste cyclus werden verzameld. Het doel is SSS strategien te identificeren die worden aangewend door patienten met RA. Een trunk-first strategie wordt vooropgesteld als hypothese, met karakteristieken extensieve romp flexie, groter heup- en kleiner kniemoment, langere stijgtijd, en een meer distincte voorwaarts/opwaartse center of mass (CoM) beweging. De momentum-transfer strategie (MomTra) is gedefinieerd als de normatieve SSS, die voorwaarts en opwaartse CoM beweging mengt. Een onderscheid wordt gemaakt tussen touch&rise en sit&rise. Patienten met RA vertonen in het algemeen meer sit&rise gedrag en een grotere rompflexie. Naast de normale MomTra strategie worden twee RA strategieën onderscheden. Zes subjecten met RA voeren de gelijkaardige “momentum-transfer with higher trunk flexion” (MomTra-TFl) uit, waarin ook na lift-off simultaan voorwaarts en opwaarts wordt bewogen, maar meer romp flexie wordt gebruikt om deze momentum-transfer te verkrijgen. De gehypothiseerde trunk-first strategie werd geobserveerd in de overige vier patienten. Zij bogen extensief de romp waarna ze bijna verticaal opwaarts van de stoel rezen. Dit werd de “distinct-momentum” (DistMom) strategie genoemd. De biomechanische sleutelcomponenten om de MomTra, MomTra-TFl and DistMom strategieën te identificeren en onderscheiden, zijn CoM beweging, rompflexie en SSS cyclus tijd.

Sleutelwoorden: bewegingsanalyse, sit-stand-sit, reumatische

arthritis, bewegingsstrategie, sit&rise, distinct-momentum, momentum-transfer with higher trunk flexion

I. INTRODUCTIE Opstaan en gaan zitten (samengenomen in de sit-stand-sit

(SSS) beweging) zijn sleutelcomponenten van functionele mobiliteit met een gemiddelde frequentie van 4 keer per uur [1] en een grote belasting voor knie- en heupgewricht [2]. Patienten met reumatische artritis (RA) worden verwacht problemen te ondervinden in SSS en passen hun strategie aan, door pijnlijke gewrichten en limitaties in hun range of motion. Clinici zouden de behandeling voor SSS mobiliteit in patienten met RA kunnen verbeteren door, gebaseerd de geobserveerde bewegingsstrategie, te bepalen welke spieren en gewrichten vermoedelijk beschadigd zijn. Deze thesis identificeert de verschillen tussen SSS strategieën van patienten met RA.

De SSS cyclus werd geanalyseerd als deel van de Time-Stand test (TST), bestaande uit 10 SSS cycli zo snel mogelijk na elkaar uitgevoerd. Naar onze kennis is er nog geen

biomechanische analyse uitgevoerd hiervoor. Opstaan van een stoel als aparte beweging (RIS) is wel al uitvoerig onderzocht vanaf de jaren ’90 [3,4,5,6,7]; gaan zitten (DESC) werd maar in twee studies opgenomen [6,7]. Over het algemeen worden beide verdeeld in drie hooffases. Voorwaarts momentum wordt gegenereerd vanaf de start van voorwaarste rompbeweging (Ts) tot het zitvlak de stoel verlaat op lift-off (TL). Het verlaten van de stoel brengt het voorwaarts momentum van het bovenlichaam over naar voorwaarts en opwaarts momentum voor het hele lichaam. Start van extensie (Te) vindt plaats wanneer het lichaam puur vertikaal stijgt en alle gewrichten simultaan worden gestrekt. DESC begint met stooping (het subject buigt naar gestupeerde positie (Tst)), waarna de echte dalingsfase start door neerwaarste versnelling van de CoM. Alle gewrichten buigen totaan stoelcontact (Tc). Het gewicht wordt overgebracht naar de stoel tijdens seat loading, eindigend op Tsit.

De ideale strategie voor opstaan van een stoel werd de momentum-transfer strategy (MT) genaamd, en wordt gebruikt door valide personen van alle leeftijden [4,8,9]. Tijdens MT, in een lange momentum-transfer fase creëert het voorwaarts momentum tijdens het zitten een opwaarts en blijvend voorwaarts momentum tijden het opstaan. Dit verschijnt als een vlotte CoM beweging en vraagt om coördinatie van verschillende spiergroepen, met speciale aandacht voor de balans [1]. Testpersonen met functionele limitaties die niet in staat zijn om MT uit te voeren, zullen een compensatiestrategie ontwikkelen die hun bekwaamheden reflecteert [3,4,5,10,11,12,13,14,15,16]. Gelimiteerde range of motion, gewrichtspijn, spierzwakte en povere coördinatie beïnvloeden de kinematica en kinetica van hun beweging. Voor de oudere generatie definieerden Scarborough and co-workers de “extensive trunk flexion strategy” (ETF) [4], en Doorenbosch and coworkers onderzochten de biomechanische aspecten hiervan [3]. In ETF, ook distinct-momentum of trunk-first strategie genaamd [16], buigt het subject de romp meer extensief op het moment dat de stoel wordt verlaten (TL). Elevatie van het lichaam start alleen nadat het bovenlichaam als het ware naar voren rolt en zo de CoM over het steunpunt brengt. Dit creëert meer stabiliteit tijdens de beweging en verlaagt het nodige coördinatievermogen om balans te verkrijgen. Er grijpt minder momentum transfer plaats: de horizontale en vertical component van de CoM beweging zijn meer gescheiden. Dit induceert een tragere stijgfase (>2s). De kinetica tonen dat een kleiner moment in de knie plaatvindt, maar er wordt daarentegen een groter moment in de heup geobserveerd. ETF is de optimale strategie om intern kniegewrichtmoment te reduceren en om te compenseren voor spierzwakte rond de knie [9,11].

Page 97: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

2

RA is een inflammatoire ziekte geassocieerd met gewrichts–vernietiging, -invaliditeit en -pijn [20]. De impact van RA op de beweging van het opstaan van een stoel is nog niet grondig onderzocht; een kleine studie vond enkele kenmerken als een grotere rompflexie en een kleiner kniemoment [17]. Symptomen van RA als gewrichtspijn, gelimiteerde range of motion en spierzwakte zouden SSS strategie aanpassen [18]. Naar onze kennis is er nog geen zogenaamde “typische RA-strategie” gedefineerd geworden. Onze hypothese is dat subjecten lijdend aan RA een trunk-first strategie zullen vertonen, met karakteristieken zoals die geobserveerd in oudere personen (figure 1).

Figure 1: De trunk-first hypothese. Patienten worden verwacht tijdens opstaan deze 4 trunk-first karakteristieken te vertonen: meer rompflexie, groter heup- en lager kniemoment, langzamere stijgfase, en een meer disticte voorwaarts/opwaartse CoM beweging.

II. METHODE

A. De test 11 patienten met RA werden betrokken in de test, 3 mannen

en 9 vrouwen in de leeftijd van 35 tot 74 jaar. De criteria tot toelating waren een onafhankelijke ambulatie van 12 m en reumatische artritisactiviteit in de gewrichten van het onderlichaam. Een controlegroep van 9 personen in ongeveer dezelfde leeftijdgroep werd samengesteld, bestaande uit 2 mannen en 7 vrouwen (table 1). De testen werden uitgevoerd en data verzameld in het Karolinska Universiteitshospitaal in Stockholm. Deelname was vrijwillig en de ethische goedkeuring was verkregen via het Karolinska ethisch committee. De proefpersonen werden geïnstructeerd zo snel mogelijk 10 opeenvolgende SSS cycli uit te voeren, terug opstaand van zodra hun gewicht op de stoel rustte. De instructie liet elk persoon de vrijheid van keuze om op te staan, of terug na volledig te gaan zitten met rompextensie (“sit&rise”), of direct van zodra de stoel werd aangeraakt (“touch&rise”) (figure 2). De stoel was 0.40m hoog en zonder rug- of armleuning om afduwen van andere oppervlakken dan de grond en het zitvlak te vermijden.

Table 1: vergelijking tussen patient- en controlegroep: gemiddelde +- standaard afwijking.

Characteristic Patients with RA

Controls

Gender (F,M) 8 F, 3 M 7 F, 2 M Age (yrs) 59,3 +- 14.1 52 +- 14.6 Height (m) 1.64 +- 0.1 1,68 +- 0.1 Weight (kg) 67,5 +- 11 70.1 +- 12 Disease duration (yrs) 8,4 +- 7

Figure 2: Twee manieren om de TST uit te voeren: “touch&rise”, onmiddelijk opstaan van zodra de stoel is aangeraakt, en “sit&rise”, eerst volledig op de stoel gaan zitten voor terug op te staan. Het verschil is op zicht onderscheidbaar.

B. Analyze Een conventioneel biomechanisch model dat alledaags

wordt aangewend in gait analyse, werd aangewend (Plug-in-Gait, Vicon) [19]. Subjecten werden voorzien van reflectieve markers op anatomisch vaste plaatsen, waaruit een model van 15 segmenten werd gecreëered: hoofd, romp, bovenarmen, onderarmen, handen, bekken, bovenbenen, onderbenen, en voeten. Om dataverlies door verdwijnende marker trajektories te voorkomen, werden occasioneel extra markers gebruikt: lange markerhiaten werden gevuld met hulp van overbodige (i.e. meer dan 3) markers op romp, hoofd en bekken. De instrumentatie bestond uit twee gewone video cameras om de beweging op te nemen, 8 opto-electronische cameras (Vicon MX40) voor de kinematica, en twee krachtplaten (Kistler) voor de kinetica. Alleen de eerste en laatste cyclus van de TST (of de voorlaatste als de laatste pover was opgenomen) werden opgenomen in de analyze. Thorax, heup, knie en CoM grafieken werden visueel vergeleken (table 2), en een statistische analyze werd uitgevoerd op enkele parameters m.b.v. Statistica version 9 (table 3). Statistische significantie van de Mann-Whitney U test werd vastgelegd op p<0.05. CoM grafieken en parameters waren speciaal inbegrepen om de trunk-first hypothese te testen. De grafieken, y- versus x-component (CoMy versus CoMx), werden verschoven naar links zodat ze voor x>0 alleen het deel voorstellen waar opwaartse beweging plaatsvindt. De MT strategie voor opstaan van een stoel, zowel voorwaarts als opwaarts bewegend tijdens de momentum-transfer fase, resulteert dus in een langere grafiek. De trunk-first hypothese (die de momentum-transfer overslaat) wordt vertaald in kortere CoM grafieken. De CoM parameter Tym-Txm representeert het voorwaarts-opwaarts onderscheid in een waarde. Hij wordt berekend als het interval tussen de timing van CoMymax en CoMxmax. De trunk-first hypothese, waarin CoMymax laat in de bewegin voorkomt, wordt dan vertaald in een grote waarde voor Tym-Txm. In de RA groep worden dus een kortere grafiek en grotere Tym-Txm-waarde verwacht.

Analyzes werden uitgevoerd voor het vergelijken van de laatste met de eerste cyclus, RA groep met controlegroep, en sit&rise met touch&rise. Op basis van de CoM grafieken werden twee groepen gedestileerd uit de patientengroep (DistMom (4 subjecten) and MomTra-TFl (6 subjecten)), en deze werden elk apart geanalyseerd. Enkele testpersonen werden uitgesloten van de CoM respectievelijk moment analyzes door onherstelbaar verdwenen markers (1 control, 1

Page 98: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

3

RA) respectievelijk slechte opnames van reactiekrachten (5 controls and 6 RAs).

C. De SSS cyclus De gebeurtenissen Ts,Tl,Te,Tup,Tst,Tc en Tsit beschrijven de

SSS cyclus (figure 3). Ts en Tsit, in principe dezelfde gebeurtenissen, werden gedefinieerd op het zwenkpunt van een romp marker, terwijl Tup gedefinieerd is op het bekkens’ zwenkmoment. De ogenblikken van interactie met de stoel, TL voor RIS en TC voor DESC, werden gedefinieerd als de maxima op de heupgrafiek. Het eerste maximum op de enkelgrafiek bepaalt Te, en de eerste verandering na Tup in vertikale reactiekracht geeft Tst. De SSS cyclus tijd werd berekend van Ts tot Tsit, en alle tijdswaarden werden genormaliseerd op dit interval.

Figure 3: De 7 gebeurtenissen in de SSS cyclus. Ts, Tup en Tsit zijn gedefineerd op visuele marker beweging (zwenkpunten van romp en bekken). TL en Tc zijn momenten van max heupflexie. Te vindt plaats op max enkel dorsiflexie. De eerste verandering in Fz na Tup bepaalt Tst.

Table 2: Geanalyseerde grafieken: 4 hoeken, 2 momenten, en de CoM. Rechts: de belangrijkste hoekdefinities.

Kinematic graphs

Trunk flexion angle Hip flexion angle Knee flexion angle Knee var/val angle

Kinetic graphs

Hip moment Knee moment

CoM graphs CoMy versus CoMx CoMx and CoMy versus time

Table 3: Geanalyseerde parameters: 4 kinematische, 6 tijds-, 6 kinetische, 3 cyclus tijd and 2 CoM variablen.

Kinematic parameters (Degrees)

Max trunk flexion RIS & DESC Max hip angle RIS & DESC

Temporal parameters (% SSS cycle)

Timing max tr fl RIS & DESC Timing max hip angle RIS & DESC Timing start knee ext RIS & DESC

Kinetic parameters (Nm/kg)

Max knee ext moment RIS & DESC Max knee var/val moment RIS & DESC Max hip fl moment RIS & DESC

Cycle time parameters (s)

SSS cycle time TOT SSS cycle time RIS SSS cycle time DESC

CoM parameters (% SSS cycle)

Tym-Txm RIS & DESC

III. RESULTATEN

A. De normale SSS cyclus: MomTra De normale SSS cyclus zoals geobserveerd in de eerste

cyclus van de controlegroep wordt de momentum-transfer SSS (MomTra) genaamd. De gemiddelde cyclustijd was 1.94s, eerlijk verdeeld tussen RIS (0.94s) and DESC (0.98s). Alle grafieken ervaarden een gelijkaardig gedrag: heel symmetrisch rondom Tup, met aan beide zijden een maximum rond TL and Tc (figure 4). Er vonden geen grote veranderingen op Te of Tst plaats in thorax-, heup- en kniehoeken. Tijdens het zitten boog de romp, knie buiging bleef constant, en knie varus/valgus positie varieerde onder personen van grote valgus tot kleine varus. Op TL begon de heup zich te strekken en ging de knie van valgus naar neutral, gevolgd door extensie van de romp en als laatse de knie. In het gaan zitten bereikte de knie eerst terug valgus positie waarna dan de romp zich rechtte. Ongeveer 80ms later, op Tc, bereikten heup en kniegewrichten hun maximale flexie.

De laatste cyclus neemt minder tijd in beslag (1.63s), voornamelijk door verkortte zitfases. Knie flexie ondervond kleine fluctuaties tijdens het zitten, een fenomeen dat werd gedefinieerd als “hopping”: door moeheid controleerden de testpersonen hun neergaande fase minden in de laatste cyclus, waardoor de impact op de stoel bij het gaan zitten harder aankwam. Kinematica en kinetica in de laatste cyclus waren niet significant verschillend van de eerste.

B. Sit&rise versus touch&rise 10 Subjecten bleken touch&rise SSS cycli uit te voeren, 10

de minder belastende sit&rise. Kinematische karakteristieken van sit&rise waren meer flexie van de romp en hopping gedurende zitfases (figure 5).

Figure 4: kinematica van de eerste cyclus uitgevoerd door de controlegroep: thorax, heup, knie flexie en valgus hoeken (genormaliseerd op een SSS cyclus tijd van 1.94s).

Page 99: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

4

Figure 5: Gemiddelde grafieken –hoek(deg) versus tijd (%)- voor touch&rise en sit&rise in de laatste SSS cyclus. Sit&rise toont meer rompflexie en hopping gedurende zitfases.

C. Kenmerken van patienten met RA Karakteristieken van patienten met RA resulteerden uit de

vergelijking van de laatste cyclussen van patient- met controlegroep. RA groep voerde een 6° grotere rompflexie op Tl and Tc, en een 4° grotere knievalgus uit dan normaal. Maximaal heup moment was 0.3 Nm/kg groter, maximaal knie moment 0.2 Nm/kg kleiner. De verschillen waren niet significant. Wel significant was de verandering die plaatsvond tussen eerste en laatste cyclus: RA karakteristieken komen meer uit op het einde van de TST, een teken van moeheid (table 4). Patienten, trager en voorzichtiger, hopten minder. Zeven van de elf patienten deden sit&rise. Sit&rise kan dus worden beschouwd als een RA strategie, dan is touch&rise de normale manier om een TST uit te voeren. Het apart beschouwen van beide strategieën toonde dat patienten in touch&rise meer rompflexie dan normaal gedurende de hele SSS aanwenden, terwijl ze in sit&rise alleen op TL and Tc de romp meer buigen (figure 6).

Table 4: Vergelijking tussen eerste en laatste cyclus in patient- en controlegroep: tijdsparameters voor max romp en heup hoek tijdens RIS toonden dat de zitfase korter is in de laatste cyclus, zowel voor patienten als controlepersonen (linker kolom). Voor de patienten, dit verschil is meer geprononceerd met lagere p-waarden (rechterkolommen). Patienten passen dus hun strategie meer aan door moeheid in de laatste cycles.

Comparison first last in controls and

RAs

First last - Controls - RAs

p-value controls

p-value RAs

Timing max tr fl RIS (%SSScycle)

22 18 20 16

0.13 0.02

Timing max hip fl RIS (%SSScycle)

18 16 18 14

0.11 0.04

ThoraxAngles10

-55

deg

Figure 6: Vergelijking en visualisatie van thoraxhoeken, alleen subjecten die touch&rise (links) / sit&rise (rechts) deden inbegrepen. Links: patienten (donkerrood) buigen de romp constant meer dan de normale touch&rise beweging (cyaan). De algemene controlegrafiek (zwarte stippellijn) is supergeponeerd om de touch&rise grafieken beter te situeren. Rechts: patienten (donkerrood) buigen de romp meer op TL en TC dan normale sit&rise (cyaan). Visualisatie: het grijze silhouette is de patient, zwart de controlepersoon.

D. Strategieën van RA patienten Op basis van de CoM grafieken, werd de RA groep in twee

gesplitst (figure 7). De “Distinct-Momentum strategie” (DistMom) had kortere en dikkere CoM grafieken dan normaal, wat het verwachtte trunk-first gedrag reflecteert (4 patienten). De zes overige patienten toonden het totaal tegengestelde gedrag, met langere en dunnere CoM grafieken dan de controlepersonen: deze nieuwe strategie werd gedefinieerd als “Momentum-Transfer with higher trunk flexion” (MomTra-TFl). Tym-txm bevestigde deze opdeling met waarden van 26 voor DistMom, 17 voor controlegroep en 13 voor MomTra-TFl. Het verschil tussen DistMom and MomTra-TFl was significant met p=0.028. De kinematica toonden significant verschil in maximale rompflexie: 41.5° voor DistMom vergeleken met 32° voor MomTra-TFl (p=0.042). DistMom karakteristieken verschenen al in zitfases, terwijl MomTra-TFl zich alleen op TL and Tc onderscheed van de normale cyclus (figure 8). Tijdsparameters van de twee RA strategieën hadden p-waarden rond 0.1, duidend op een in DistMom 80 ms langer durende zitfase vooraleer de patient opwaarts beweegt.

MomTra-TFl was meer gerelateerd aan de normale MomTra strategie, maar met een SSS cyclus (zowel RIS als DESC) die remarkabel langer duurde (1.95s vergeleken met 1.63s; p=0.28). De CoM werd dichterbij het steunpunt gebracht waardoor meer stabiliteit werd gecreeerd; dankzij deze overvloed aan stabiliteit konden voorwaarts en opwaartse bewegingen makkelijker worden gecombineerd. Kinematisch gezien toonde MomTra-TFl 5° meer rompflexie en a 4° meer valgus dan normaal rond TL en Tc (figure 8).

Page 100: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

5

Figure 7: (a) individuele CoM grafieken (laatste cyclus) voor de controlegroep (grijs) en patienten met RA (onderbroken zwart). Voor x>0 reflecteren CoM grafieken de voorwaartse beweging gedurende opwaartse beweging. Op basis van hun uitgestrekheid in x-richting werden de RA grafieken in twee groepen RA DistMom (stippellijn) and RA MomTra-TFl (streepjeslijn). (b) De gemiddelde grafieken voor DistMom, controle- en MomTra-TFl groepen.

Figure 8: Gemiddelde grafieken -hoeken (deg) versus tijd (%)- voor controle-, RA MomTra-TFl en RA DistMom groep in laatste SSS cyclus. Karakteristieken van DistMom and MomTra-TFl strategieën tonen zich romp, heup, en knie valgus grafieken.

IV. DISCUSSIE Er warden drie strategieën onderscheden om sit-stand-sit uit

te voeren. De normatieve SSS cyclus MomTra zoals uitgevoerd door de controlegroep toonde dezelfde voorwaarts-opwaartse stijgfase als de ideale MT. DistMom

werd geobserveerd in 4 patienten, waarin de romp extensief wordt gebogen en dan een bijna verticale stijging plaatsvindt, wat correspondeert met de trunk.first hypothese. De overige patienten voerden MomTra-TFl uit, met een mix van voorwaartse en opwaartse CoM beweging, maar om deze momentum-transfer te verkrijgen wordt meer rompflexie dan normaal aangewend. De biomechanische sleutelcomponenten om de drie strategieën te identificeren waren CoM beweging, rompflexie, en SSS cyclus tijd (figure 9).

De standaard SSS cyclus MomTra (figure 10) nam minder dan 2s tijd in beslag, eerlijk verdeeld tussen RIS en DESC resulterend in symmetrische grafieken. Grote gebeurtenissen waren allemaal gesitueerd rond stoel-af en stoel-op. De laatste cyclus van de TST verschilde van de eerste in een kortere zitfase en meer aanwezigheid van hopping, en toonde beter RA kenmerken. Er bestaan twee normale SSS cycli: touch&rise SSS en sit&rise SSS. Touch&rise is de meest belastende waarin de persoon zelf zijn neerwaartse beweging moet afremmen om daarna onmiddelijk weer op te staan. RA patienten met minder spierkracht kunnen hun eigen neerwaarts momentum niet tegenwerken en voeren meer sit&rise uit, waarin de stoel de neerwaartse beweging remt. Men kan zich afvragen of de keuze tussen touch&rise en sit&rise strategie puur een kwestie van kunnen is: de TST instructie zou misverstaan kunnen zijn zodat sit&rise wordt gedaan ookal kunnen ze touch&rise aan, of sit&rise kan worden vermeden uit angst voor achterover vallen.

Patienten met RA toonden over het algemeen 4° meer valgus dan normaal. Dit zou een artifact door misplaatsing van markers kunnen zijn, en er zijn te weinig kinetische data aanwezig om de valgus observatie te checken. Patienten leden meer onder moeheid dan de controlegroep, hun strategie meer aanpassend in de laatste cyclus. Twee RA strategieën werden gedefinieerd, RA DistMom en RA MomTra-TFl, met significante verschillen in maximale romp flexie gedurende opstaan (41.5° voor DistMom, 32° voor MomTra-TFl), en in overlap voorwaarts-opwaartse beweging (maar half de overlap van MomTra-TFl was in DistMom). Een SSS cyclus duurde opmerkelijk langer in MomTra-TFl strategie, maar niet significant.

RA DistMom ondersteunde de trunk-first hypothese (figure 11). De romp was constant 9° meer gebogen, en voorwaarts en opwaartse CoM beweging was meer distinct dan normaal, beide bijna significant (p around 0.1). Er bestaan geen resultaten voor de kinetica door te kleine de groepen, maar we verwachten dat de hypothese gevolgd wordt, zijnde een groter moment in de heup en kleiner in de knie. RA MomTra-TFl volgde de trunk-first hypothese niet en geleek meer op de normale SSS. Verschillen met de normale toonden zich op niet-significante wijze in een grotere rompflexie en langere SSS cyclus tijd, en bijna significant (p=0.1) in de CoM beweging: het lichaam beweegt lang voorwaarts, ook tijdens de opwaartste fase.

Page 101: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

6

Figure 9: Onderscheid tussen RA strategieën onderling en met de normale: vlnr MomTra (grijs), DistMom (oranje), MomTra-TFl (geel). Verschillen verschijnen op drie pillaren: max romp flexie, voorwaarts-opwaartse CoM beweging, en SSS cyclus tijd. De pijlen tonen de noemenswaardige verschillen.

Figure 10: Kenmerken van de standaard SSS MomTra.

9° more (p=0.07)

(no moment comparisons due to too less subjects)

bigger Tym-Txm (p=0.02)

longer rising phase but no difference in cycle times

Figure 11: RS DistMom karakteristieken linken aan trunk-first hypothese. =correspondeert, bijna significant (met p < 0.1). = correspondeert maar zonder significantie

Enkele opmerkingen moeten worden gemaakt. Knie-en heup moment acquisitie mag niet worden betrouwd omdat de verworven kinetica niet overeenkwamen met de bevindingen van Yoshioka and coworkers (som van piek heup en knie momenten in opstaan was 2.039 Nm/kg in plaats van de verwachtte 1.53 Nm/kg). Groepen waren vaak klein, waardoor conclusies moeilijk veilig over te brengen zijn naar de hele populatie. Resultaten worden dus al als vermeldenswaardig beschouwd vanaf p<0.2, zeker als alle ander p-waarden boven 0.5 liggen (zoals voor tijdsparameters). De parameter tym-txm moet met voorzichtigheid worden behandeld omdat de waarde niet altijd de voorwaarts-opwaarts overlapping van de grafieken correct reflecteert.

Subject typificaties als leeftijd, hoogte, gewicht, sekse en duur van de ziekte kon de variaties in SSS strategieën tussen RA patienten niet uitleggen; noch het verschil touch&rise/sit&rise kon dit. Er is geen rekening gehouden met pijn of andere karakteristieken van de reumatische artritis. De vraag “waarom voeren sommige RA patienten de DistMom of MomTra-TFl SSS strategieën uit in plaats van MomTra” blijft open voor verder onderzoek. Toekomstige studies betreffende RA patienten die SSS uitvoeren, worden geadviseerd het gebruik van CoM beweging als classificatiemethode voor SSS strategie te valideren. Waard op te nemen is een goede kinetische analyse.

V. CONCLUSIES Normatieve kinematica en kinetic voor de standaard SSS

cyclus werden verworven, en MomTra genaamd naar de gelijkenis met de RIS strategie MT. Patienten met RA wijken hiervan af door de gerelateerde MomTra-TFl strategie of de trunk-first strategie DistMom. De hoofdkenmerken ter onderscheiding zijn CoM beweging, rompflexie en SSS cyclustijd. Dit zijn klinisch observeerbare biomechanische grootheden die kunnen worden gebruikt om SSS strategieën te identificeren.

VI. DANKWOORD Deze thesis was niet mogelijk geweest zonder de hulp van

mijn twee zweedse begeleiders Lanie Guterriez-Farewik en Eva Broström, die mij de weg hebben geleid en altijd bereid waren mijn vragen te beantwoorden. De hulp van Anna-Clara Esbjörnsson is ook ten zeerste geapprecieerd. Mijn begeleider aan de Ugent Malcolm Forward, hoewel verweg, verdient mijn welgemeende dank voor zijn bereidwilligheid en opoffering van zijn weekend voor deze thesis.

REFERENTIES [1] Josip Music, Romqn Kqmnik, Marko Munih, Model based inertial

sensing of human body motion kinematics in STS movement, simulation modeling practice and theory 16 (2008),933-944

[2] Shinsuke Yoshioka, Akinori Nagano,Dean C Hay, Senshi Fukashiro, Biomechanical analysis of the relation between movement time and joint moment development during a sit-to-stand task, Biomedical engineering online, 8:27 (2009)

[3] Doorenbosch CA, Harlaar J, Roebroeck ME, Lankhorst GJ., Two strategies of transferring from sit-to-stand; the activation of monoarticular and biarticular muscles, J Biomech. 27(11) (1994), 299-307

Page 102: Analysis of sit-stand-sit movements in adults with rheumatic ...lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/418/687/RUG01-001418687...time for first cycle was 1.94s, fairly divided between rising

7

[4] Scarborough, D.M., McGibbon, C.A., Krebs, D.E., Chair rise strategies in older adults with functional limitations, Journal of Rehabilitation Research and Development 44 (1)(2007), 33-41

[5] Galli M, cimolin V, crivellini M, campanini I, Quantitative analysis of STS movement: experimental set-up definition and application to healthy and hemiplegic adults, Gait and posture 28 (2008),80-85

[6] Kralj A, Jaeger RJ, Munih M, Analysis of standing up and sitting down in humans: definitions and normative data presentation, Journal of Biomechanics 23 (1990), 1123-1138

[7] Kerr, K.M., White, J.A., Barr, D.A., Mollan, R.A.B., Analysis of the sit-stand-sit movement cycle in normal subjects , Clinical Biomechanics 12 (4), (1997), 236-245

[8] Vannozzi, G., Della Croce, U., Starita, A., Benvenuti, F., Cappozzo, A., Knowledge discovery in databases of biomechanical variables: Application to the sit to stand motor task, Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation 1 (2004)

[9] Yoshioka s, nagano a, himeno r, fukashiro s, Computation of the kinematics and the minimum peak joint moments of STS movements, Biomedical engineering online 6: 26 (2007)

[10] Jones CJ, Rikli RE, Beam WC, A 30s chair-stand test as a measure of lower body strength in community-residing older adults, Research quarterly for exercise and sport, 70 (1999), 113-119

[11] Savelberg, H.H.C.M., Fastenau, A., Willems, P.J.B., Meijer, K.m, The load/capacity ratio affects the sit-to-stand movement strategy, Clinical Biomechanics 22 (7) (2007), 805-812

[12] Su FC, Lai KA, Hong WH, Rising from a chair after total knee arthroplasty, Clin biomech 13(3)(1998), 176-181

[13] Sibella F, Galli M, Romei M, Montesano A, Crivellini M, Biomechanical analysis of STS movement in normal and obese subjects, Clinical biomechanics 18 (2003), 754-750

[14] M. Van der Esch, M. Steultiens, J.Harlaar, N.Wolterbeek, D.Knol, J.Dekker, Varus-valgus motion and functional ability in patients with knee osteoarthritis, Ann Rheum Dis 64(4) (2008), 471-477

[15] Sara J Farquhar, Darcy S Reisman, Lynn Snyder-Mackler, Persistence of altered movement patterns during a STS task 1 year following unilateral total knee arthroplasty, physical therapie 5(88) (2008), 567-579

[16] Elisabetta Papa, Aurelio Cappozzo, Sit-to-stand motor strategies investigated in able-bodied young and elderly subjects, Journal of Biomechanics 33 (2000), 1113‐1122 

[17] Epifanio, I., Ávila, C., Page, A., Atienza, C., Analysis of multiple waveforms by means of functional principal component analysis: Normal versus pathological patterns in sit-to-stand movement, Medical and Biological Engineering and Computing 46 (6) (2008), 551-561

[18] Erwin Buts, Geert De Loof, Yvon Van Elslander, Rheumatoid arthritis, De Codex (2009)

[19] Roy B.Davis III, Sylvia Ounpuu, Dennis Tyburski, James R.Gage, A gait analysis data collection and reduction technique, human movement science 10 (1991), 575-587

[20] Scott D,Smith C, Kingsley G., Joint damage and disability in rheumatoid arthritis: an updated systematic review Clin Exp Rheumatol 21(31) (2003), 20-27