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摘要

本研究探讨下肢运动和地面反应力 (GRF) 在适度的高跟鞋慢跑和跑步。受试者分为有经验的佩戴者和无经验的佩戴人。一个三维运动分析系统与一个配置的力量平台捕获下肢关节运动和 GRF。

摘要

有限的研究已经探索了下肢慢跑和跑步时下肢生物力学, 大多数研究都没有明确的磨损经验的主题。该协议描述了在适度的高跟鞋慢跑和跑步中, 有经验的佩戴人 (电子战) 和无经验的穿戴 (观点) 之间下肢运动学和地面反应力 (GRF) 的差异。采用三维 (3D) 运动分析系统, 利用配置的力平台, 同步捕获下肢关节运动和 GRF。36年轻女性自愿参加这项研究, 并被问及高跟鞋穿的经验, 包括频率, 持续时间, 脚跟类型和脚跟高度。十一谁有经验3到 6 cm 脚跟为每周至少三天 (6 h 每天) 为最少二年和十一谁佩带了高跟鞋少于两次每个月参加了。受试者分别在舒适的低和高速度下进行慢跑和跑步, 右脚完全踏入一个力平台, 经过一个10米的走道。电子战和观点在慢跑和跑步时采用了不同的生物力学适应。观点表现出一个普遍较大的关节运动范围, 而电子战显示了一个显着更大的负荷率的 GRF 在运行期间。因此, 进一步研究高跟鞋的下肢生物力学应严格控制受试者的佩戴经验。

引言

高跟鞋设计一直是女性鞋类的流行特征之一。强迫脚踝进入被动的跖屈状态, 高跟鞋大大改变步行运动学和动力学。尽管报告了对肌肉骨骼系统的负面影响1, 社会和时尚习俗鼓励继续使用高跟鞋的鞋子2。

光学跟踪系统, 目前用于大多数步态分析实验室的临床和研究目的, 提供准确和可靠的测量3D 下肢关节运动3。这项技术为步态分析提供了一个 "黄金标准"4。基于该技术的一致结果显示, 与平底鞋相比, 较高的脚跟高度会导致较大的膝关节屈曲和踝关节反转5,6,7。GRF 是步态分析中的另一个常用参数。GRF 转向内侧前脚, 减少 GRF 在 mid-stance, 增加垂直 GRF 在脚跟打击, 增加峰值前后 GRF 也观察到在高跟鞋步行1,6,7,8。

以往的研究引用以上的使用方法主要基于水平步行。在现代社会, 跑公共汽车, 穿梭在繁忙的街道, 或疾驰赶上最后一班火车推动越来越多的妇女使用更高的速度, 每一个现在。在高跟鞋慢跑和跑步过程中, 关于下肢生物力学的研究还很有限。顾et al.注意到, 在慢跑9期间, 膝部诱拐-内收和髋关节屈伸关节运动范围明显增加, 脚跟高度增加。这项研究的局限性在于他们只招募习惯性的高跟鞋佩戴人。高跟鞋的频繁使用可能诱发下肢肌肉结构适应。Zöllner et al.创建了一个多尺度计算模型, 揭示了在系列10中, 由于在节的长期损耗后使用高跟鞋, 肌肉能够逐渐适应新的功能长度。证据还表明, 高跟鞋造成的步态的运动住宿在经验丰富和经验不足的穿戴11之间有所不同。从经验和经验丰富的主题收集的数据可能会掩盖统计结果12。重要的是要探讨生物力学变化是否同样明显, 在经验丰富的用户。

本研究的目的是探讨有经验的佩戴人 (电子战) 和无经验的穿戴 (观点) 在适度的高跟鞋慢跑和跑步时下肢运动学和垂直 GRF 的差异。这是假设, 电子战将显示更快的 self-preferred 慢跑和运行速度, 少关节运动, 更大的垂直 GRF 在慢跑和跑步。

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研究方案

本研究已获得宁波大学人类伦理委员会 (ARGH20150356) 的批准。所有受试者在研究中都给予了他们知情的同意, 他们被告知了研究的目标、要求和实验程序.

1. 步态实验室准备

  1. 关闭任何白炽灯, 并在实验室中保持合理的荧光灯亮度级别。删除所有标记和不需要的反射对象, 它们可能被误译为来自捕获卷的被动复古反射标记.
  2. 将适当的转换器插入计算机的并行端口。打开运动捕捉相机、专有跟踪软件、强制平台放大器和外部模数转换 (ADC).
    1. 允许8相机初始化的时间。单击 #34; 本地系统和 #34; #34 上的节点; 系统和 #34; 选项卡 #34; 资源和 #34; 窗格。在 #34;P roperties 和 #34; 窗格 #34; 本地系统和 #34; 节点、类型和 #34; 100 和 #34; #34; 请求帧速率和 #34; 在和 #34 中的属性; 系统和 #34; 部分以 100 Hz 设置采样率.
  3. 选择和 #34; 照相机和 #34; 从和 #34 的视图列表中; 查看和 #34; 窗格。将 T 形框放置在力平台上, 该帧由5标记组成, 它们位于固定的距离上.
    1. #34; 系统资源和 #34; 树, 展开 #34; 照相机和 #34; 节点并按住 CTRL 键, 同时单击节点中列出的每个摄像机。在 #34;P roperties 和 #34; 窗格 #34; 照相机和 #34; 节点, 移动和 #34; 闪光灯强度和 #34; 在和 #34 中的栏; 设置和 #34; 每个摄像头的左侧或右侧部分, 以确保每个摄像头的数据完全、清晰、稳定地显示在#34; 视图和 #34; 窗格.
  4. 单击 #34; 系统准备和 #34; #34 的按钮; 工具和 #34; 窗格。单击和 #34; 启动和 #34; #34 中的按钮; 校准照相机和 #34; 剖面和 thenphysically 在捕获卷中, 在垂直图八中挥动校准棒 (T 帧), 同时在用于捕获3D 数据的区域中移动。当摄像机前面的蓝色状态指示灯停止闪烁时, 停止挥动.
  5. 在和 #34 中; 照相机校准反馈和 #34; #34 中的部分; 工具和 #34; 窗格, 监视进度条, 直到摄像机校准过程完成。查看和 #34; 图像错误和 #34; 数据;每台相机可接受的图像错误应小于 0.3.
  6. 将 T 形框放在地板上, 并在力平台的左上角 (60 厘米和 #215; 90 厘米) 和框架的轴线沿力平台的边缘放置中心标记。确保框架的长轴指向行进方向 (前向).
  7. 选择和 #34; 3D 透视和 #34; 从和 #34 的视图列表中; 查看和 #34; 窗格。在和 #34; 设置卷原点和 #34; 部分, 单击 "开始" 按钮, 然后单击 "#34"; 设置源和 #34; 按钮设置捕获卷的来源.
  8. 请让主题进入强制平台。验证在视图窗格中显示的地面反应矢量的方向是向上的, 垂直力分量的大小等于体质量 x 9.81。让主体离开力场平台.
  9. 在 #34; 系统资源和 #34; 树, 右键单击 #34; 强制平台和 #34; 节点和 #34; 零级和 #34; 从 #34; 上下文和 #34; 菜单来校准力平台。单击和 #34; 连接和 #34; #34 上的节点; 系统和 #34; 在和 #34 中的选项卡; 资源和 #34; 窗格。在 #34;P roperties 和 #34; #34; 连接和 #34; 节点、类型和 #34; 1000 和 #34; #34; 请求帧速率和 #34; 在和 #34 中的属性; 设置和 #34; 部分以 1000 Hz 设置采样速率.
  10. 将16被动的复古反射标记 (直径:14 mm) 分别 pre-attaching 到双面胶带的一侧.

2。主题准备

  1. 组织有关高跟鞋鞋的体验的调查结果, 包括频率、持续时间、后跟类型和后跟高度, 这些都应授予每个志愿者.
    注: 调查中的问题: (一) 你多久穿一双高跟鞋？(二) 你每次穿高跟鞋的次数是多少？(iii) 你通常穿什么样的高跟鞋？楔形鞋跟还是高跟鞋鞋跟？(iv) 你通常穿的鞋子有多高？在这里, 36 年轻女性自愿参加这项试验, 但其中14人因各种原因被排除: 不舒服与实验鞋 (4), 拇外翻 (3), 只有楔形后跟经验 (3), 在实验中的步态异常环境 (2), 测试日缺勤 (2).
  2. 获得符合纳入标准的主题的书面知情同意.
    注: 纳入标准如下: 没有肌肉骨骼疾病, 可能会影响正常的慢跑和跑步步态;感觉舒适与实验鞋提供;右占主导地位;和大小 37 (EUR) 电子战 (年龄: 24.2、#177; 1.2 年; 身高: 160 和 #177; 2.2 厘米; 质量: 51.6 和 #177; 2.6 千克) 穿窄高跟鞋3-6 厘米高的鞋, 每星期至少三天 (6 h 每天), 而观点 (年龄: 23.7 #177; 1.3 年;身高: 162.3 及 #177; 2.3 厘米;质量: 52.6 #177; 4.5 公斤) 穿高跟鞋少于每月两次.
  3. 要求受试者换上紧身裤和 t-shirt.
  4. 测量主体和 #39; 站立高度 (mm) 和体质量 (千克)。测量腿部长度 ( 即, 髂上棘与踝内侧髁之间的距离, 以 mm 为单位), 膝关节宽度 ( 即, 内、外侧膝关节髁之间的距离, 在 mm) 和踝宽 (即, 内侧和外侧踝关节之间的距离, 在毫米) 使用测量卡尺.
  5. 准备用于标记放置的解剖骨地标的皮肤区域.
    1. 剃须适当的头发, 并使用酒精抹布去除多余的汗水和润肤霜.
      注: 标记位置包括: 髂前上棘 (拉斯/玛尔亚塔·拉西), 后上髂棘 (LPSI/RPSI), 侧大腿 (LTHI/RTHI), 侧膝髁 (LKNE/RKNE), 侧面 mid-shank (LTIB/RTIB), 外踝 (稀疏/秩),第二跖骨头 (LTOE/RTOE), 和跟骨 (LHEE/李家), 其中 L 和 R 前缀分别表示左和骑腿.
  6. 触以确定解剖标志。用记号笔将每个地标圈在皮肤上。用双面胶带将16被动反光标记贴在下肢两侧的地标上.
  7. 要求受试者更换为实验鞋 (后跟高度: 4.5 厘米), 然后步行、慢跑和沿跑道自由运行, 直到他们在生理上和心理上舒适地与他们的下肢的摄像头和标记 ( 即, 没有对参与者的影响), 他们觉得自己像在散步, 慢跑, 和自然运行.
  8. 要求受试者沿着跑道练习慢跑在一个舒适的低速, 直到他们能够稳步地慢跑。指导受试者进行一些渐进式训练 ( 例如, 努力在一个安全和舒适的范围内, 在跑步机上逐渐增加速度慢跑).
  9. 请他们练习在跑道上以舒适的高速运行, 直到他们能够以这种速度稳定地运行.
  10. 指示受试者尝试从起始区域内的不同起跑线开始慢跑/运行数次, 以找到合适的起始位置, 确保右脚自然撞击并完全接触力平台当路过.

figure-protocol-3455
图 1: 实验协议 8红外线摄影机捕捉下肢的运动, 而主题慢跑和沿跑道运行。右脚自然撞击, 并在经过时完全接触力平台。运动学和动力学数据收集共。 请单击此处查看此图的较大版本.

3. 静态校准

  1. 单击工具栏中的 "#34"; 新建数据库和 #34; "按钮以创建新数据库。单击工具栏中的 "#34;D ata 管理和 #34;" 按钮, 打开和 #34;D ata 管理和 #34; 窗格。在 #34;D ata 管理和 #34; 窗格中, 单击 #34; 新患者分类、#34; #34; 新的病人、#34; 和 #34; 新的会话和 #34; 按钮, 按顺序排列。回到 #34; 资源和 #34; 窗格中, 单击和 #34; 创建新的主题和 #34; 按钮以创建新主题, 并输入所有人体测量学测量值 ( 例如, 高度、重量、腿长、膝盖宽度和脚踝宽度) 在和 #34;新创建主题的属性和 #34; 窗格.
  2. 单击 "#34", 然后 #34. #34; 资源窗格中的按钮. #34; 单击 #34; 在和 #34 中拆分水平和 #34; 在 "查看和 #34; 窗格中选择和 #34; 图和 #34; 在新的和 #34 的视图列表中; 视图和 #34; 窗格。选择和 #34; 弹道计数和 #34; 在和 #34; 模型输出和 #34; 下拉列表.
    1. 确认 #34 中的标记计数; 图和 #34; 视图窗格为 16, 并且相同数量的标记在和 #34 中可见; 3D 全景和 #34; 视图窗格, 这意味着下肢上的标记没有被捕获.
  3. 单击 #34; 主题准备和 #34; #34 的按钮; 工具和 #34; 窗格.
  4. 要求主体在捕获卷中心的静止中性姿势中站立, 以捕获静态数据.
    1. 单击 "主题捕获" 部分中的 "开始" 和 "#34"; 按钮, 捕获大约150帧, 然后单击 #34; 停止和 #34; 按钮.
      注: #34; 启动和 #34; 按钮切换到和 #34; 停止和 #34; 单击后自动关闭.
  5. 单击工具栏中的 #34; 重构和 #34; 按钮显示捕获的标记。单击/#34; 标签和 #34; 按钮 #34; 工具和 #34; 窗格, 并手动分配在和 #34 中列出的标签 (总共 16); 手动标记和 #34; 部分到与 #34 的相应标记; 3D 透视图和 #34; 视图窗格。按 #34; Esc 和 #34; 键盘上的键退出.
  6. 选择和 #34; 静态和 #34; #34;P ipeline 和 #34; #34 下拉列表; 主题校准和 #34; 部分。检查 #34; 左脚和 #34; 和 #34; 右脚和 #34; 在和 #34 中的选项; 静态设置和 #34; 窗格。单击和 #34; 开始和 #34; #34 中的按钮; 主题校准和 #34; 部分.

4。动态测试

  1. 要求主题站在适当的起始位置.
  2. 单击 #34; #34; #34 的按钮; 资源和 #34; 窗格。单击和 #34; 捕获和 #34; #34 中的按钮; 工具和 #34; 窗格。编辑 #34; 试用名称和 #34; 在和 #34; 下一次试用设置和 #34; 部分.
  3. 单击和 #34; 开始和 #34; #34 中的按钮; 捕获和 #34; 部分开始捕获, 然后立即将该主题口述给和 #34; 去慢跑/跑跑步. #34; 确保右脚自然撞击, 完全通过时与强制平台联系 ( 图 1 ).
    1. 用于慢跑试验, 要求受试者在准备过程中熟悉的低速慢跑; 对于跑步试验, 要求受试者在准备过程中所熟悉的舒适的高速运行。允许在两个试验之间进行2分钟的休息.
    2. 捕获至少3完整的后续步骤, 包括强制平台上的步骤.
      注意: 慢跑和跑步试验是随机进行的。对于每一个速度, 要求受试者重复5次试验。在标记移动/下落或异常步态出现时取消捕获。在标记移动或下落的情况下, 重新到预定的皮肤标记.

figure-protocol-5752
图 2 : 用户界面动态数据收集. 请单击此处查看此图的较大版本.

  1. 单击 "#34"; 停止和 #34; #34 中的按钮; 捕获和 #34; 在主题后角拐/跑到跑道末端的部分。请参见 图 2 .
    注意: #34; 开始和 #34; #34 中的按钮; 捕获和 #34; 节切换到和 #34; 停止和 #34; 单击后自动关闭.

5。使用专有跟踪软件进行后处理

  1. 单击工具栏中的 "#34;D ata 管理和 #34;" 按钮。在 #34;D ata 管理和 #34; 窗格中, 双击试用名称。单击 #34; 重构和 #34; #34; 标签和 #34; 工具栏中的按钮, 用于重建3D 动态模型并获取拍摄的数据.
  2. 在时间栏上, 将时间轴上的左范围指示器 (蓝色三角形) 移动到右脚撞击力平台的框架上。根据视图窗格中的垂直强制向量出现的瞬间选择此帧.
    1. 将时间轴上的 right-range 指示器 (蓝色三角形) 移动到发生右脚的下一个后跟触击事件的帧.
      注: 这个框架的选择取决于精心的主观估计的研究人员根据瞬间时, 没有优越-劣势的位移右脚跟标记.
  3. 右键单击时间栏并选择和 #34; 缩放至区域和 #34; 从和 #34; 上下文和 #34; 菜单以定义所需的帧.
  4. 单击 #34; 标签和 #34; 对接在和 #34; 工具和 #34; 窗格。在和 #34; 间隙填充和 #34; 部分中, 单击标记, 其轨迹包含 #34 中列出的间隙; 轨迹和 #34; 列, 然后单击和 #34; 填充和 #34; 和 #34 的按钮; 样条填充和 #34; 工具.
    注: #34 中列出的间隙数; #Gaps 和 #34; 列。点击 #34; 填充和 #34; 按钮 #34; 样条填充和 #34; 工具填补一个空白。#34; 样条填充和 #34; 方法通常可用于小于或等于60帧的间隙实例.
  5. 单击和 #34;P ipeline 和 #34; #34 中的按钮; 工具和 #34; 窗格。选择和 #34;D: 和 #34; 从 #34; 当前管线和 #34; 列表。将指示器 (蓝色滑块) 沿时间轴移动到最后一个帧。单击 #34; 运行和 #34; 按钮以启动管道过程, 并在数据分析软件中为后处理而导出. csv 格式的动态试验.

6。数据分析

  1. 低通滤波器使用 4 th 顺序的、10赫兹和25赫兹的截止频率的北海过滤器的运动学和动能数据, 分别为 13 (请参见 材料表 ).
  2. 在相应的时间内将右前上棘上的标记的前上方位移除以计算慢跑速度.
    1. 定义在连续后跟触击事件的右脚跟上的标记的前后位移作为步幅长度。定义步态周期的持续时间作为步幅频率的倒数.
  3. 在姿态阶段定义峰值角和谷角之间的差异, 作为关节运动范围 (ROM).
  4. 通过将垂直 GRF-时间曲线的斜率从初始接触点的20-80% 的姿态时间定义为撞击力 14 来计算垂直平均加载速率.
    注: 将初始触点定义为垂直 GRF 持续测量大于 0 N 的瞬间.
  5. 将垂直 GRF 规范化为体重 (BW%).
  6. 首先平均每门学科的5项试验, 然后对所有科目的平均结果.
    注意: 这些参数包括慢跑和跑步速度, 步幅, 步幅, 关节 ( 即, 踝关节, 膝关节和臀部) 3D (ROM) 和峰值角在立场阶段, 角在脚跟触击在矢状面, 冲击力 (F i ), 峰值力 (F p ) 和垂直平均加载速率 (VALR).
  7. 将数据传输到统计软件进行统计分析.

7。统计分析

  1. 执行两个独立的样本 t 测试, 以评估磨损经验的效果。执行两个不同的配对样本 t 检验, 以评估运行速度对下肢运动学和 GRF 的影响。将统计结果视为重要的, 如果 p 和 #60; 0.05.

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结果

所有的结果都在这里作为平均±标准差提出。运行速度明显大于慢跑速度, 无论穿着经验 (电子战: 慢跑vs.运行: 2.50 ± 0.14 vs. 3.05 ± 0.14, p = 0.010;观点: 慢跑vs.运行: 2.24 ± 0.26 vs. 2.84 ± 0.29, p = 0.028;在 m/s 中) (表 1)。在电子战与观点的慢跑速度上没有显著差异。一般情况下, 电子战的步幅长度大于观点 (慢跑: 电子战vs.观...

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讨论

大多数研究的缺陷, 分析高跟鞋的步态生物力学是忽略了可能的重要性穿高跟鞋的经验12。本研究将受试者分为定期和偶尔佩戴者, 探讨高跟鞋穿的经验对下肢运动学和 GRF 在适度的高跟鞋慢跑和跑步中的作用。

电子战和观点显示了类似的慢跑/跑步速度。与电子战相比, 观点采用了更高的步幅频率和较短的步长, 这可能是保持身体平衡的策略15

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披露声明

作者没有什么可透露的。

致谢

本研究由中国国家自然科学基金 (81301600)、宁波大学16BTY085 基金会、中国国家社科基金会、浙江省社会科学项目 "智江青年工程" (16ZJQN021YB) 主办。), Loctek 人体工学技术公司和安踏体育用品有限公司。

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材料

NameCompanyCatalog NumberComments
Motion Tracking CamerasOxford Metrics Ltd., Oxford, UKMX camerasn= 8
Vicon Nexus Oxford Metrics Ltd., Oxford, UKVersion 1.4.116Proprietary tracking software (PlugInGait template)
DongleOxford Metrics Ltd., Oxford, UK--
MX Ultranet HDOxford Metrics Ltd., Oxford, UK--
Vicon Datastation ADC Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK-External ADC
Passive Retro-reflective MarkerOxford Metrics Ltd., Oxford, UK-n=16; Diametre=14 mm 
Force Platform AmplifierKistler, Switzerland5165An=1
Force PlatformKistler, Switzerland9287Cn=1
T-FrameOxford Metrics Ltd., Oxford, UK--
Double Adhesive TapeOxford Metrics Ltd., Oxford, UK-For fixing markers to skin
moderate high-heeled shoeDaphne, Hong Kong13085015Heel height: 4.5cm; Size:37EURO
Microsoft Excel Microsoft Corporation, United StatesVersion 2010For low pass filtering data and calculations; Add-in:Butterworth.xla
Origin OriginLab Corporation, United StatesVersion 9.0Plot GRF-time curve
Stata Stata Corp, College station, TXVersion 12.0Statistical analysis

参考文献

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