השפעת מניפולציה ברוחב צעד על ביומכניקה רצה

Summary

הפרוטוקול הנוכחי מתאר מערך ניסיוני שנועד לחקור את ההשפעה של מניפולציה ברוחב צעד על הפעלת ביומכניקה באמצעות מערכת לכידת תנועה. המטרה היא להרחיב את מערכי הנתונים הרלוונטיים ולבחון את ההשפעות של רוחבי צעדים משתנים על השרשרת הקינמטית של הגפה התחתונה האנושית.

Abstract

רוחב הצעד הוא גורם קריטי המשפיע על הביומכניקה של הגפיים התחתונות במהלך ריצה, ומשפיע באופן משמעותי על יציבות, ביצועים וסיכון לפציעות. הבנת ההשפעות הללו חיונית למיטוב ביצועי הריצה ולמזעור הסיכון לפציעות. מחקר זה העריך את ההשפעות של רוחבי צעדים משתנים על ביומכניקה של הגפיים התחתונות במהירויות ריצה שונות. במחקר השתתפו 13 גברים סינים בריאים (בגילאי 20-24), שרצו במהירויות של 3.0 מטר לשנייה ו-3.7 מטר לשנייה תוך שימוש בשישה רוחבי צעדים נפרדים: רוחב הצעד המועדף וחמש וריאציות (הפחתה של 13% ו-6.5%, ועליות של 6.5%, 13% ו-25%, בהתבסס על אורך הרגליים). הנתונים נאספו באמצעות מערכת לכידת תנועה ולוחות כוח ונותחו באמצעות מדידות חוזרות ונשנות ANOVA ומבחני מתאם. התוצאות הצביעו על כך שרוחבי צעדים רחבים יותר הפחיתו באופן משמעותי את רגעי השיא של חטיפת הברך ואת זוויות כווץ הירך, בעוד שרוחבי צעדים צרים יותר הגבירו את העומס על מפרקי הברך. לממצאים אלה יש השלכות חשובות על רופאים ורצים, המצביעים על כך שבחירה זהירה של רוחב צעד יכולה לעזור להפחית את הסיכון לפציעות ולשפר את יעילות הריצה. מחקר זה תורם מערך נתונים חדש המניח את היסודות למחקר עתידי על הקשר בין רוחב צעד לבין ביומכניקת ריצה ומשמש התייחסות לפרקטיקות אימון ושיקום.

Introduction

גורמים סביבתיים, כולל אלמנטים מרחביים וזמניים, משפיעים ישירות על התנועה היומיומית של האדם. אנשים עשויים לאמץ תנוחות ודפוסי תנועה שונים תוך כדי ריצה והליכה בתנאים סביבתיים שונים. ידוע כי שינוי טכניקות ריצה יכול להשפיע על הביומכניקה של הגוף, כאשר רוחב הצעד קשור קשר הדוק עם יציבות ואיזון במהלך ריצה אנושית ^1,2. רוחב צעד מוגדר כמרחק הבינוני בין כף הרגל האמצעית לבין מגע הקרקע הראשוני של כל כף רגל, המייצג משתנה במישור הקדמי³. במהלך הליכה וריצה, שינויים קצרי טווח ברוחב הצעדים יכולים להשפיע על ביומכניקה של הגפיים התחתונות על פני שלושה מישורים ^3,4,5.

מחקרים רבים הוכיחו כי רוחב הצעד משפיע באופן משמעותי על הביומכניקה של מפרקי הגפיים התחתונות, קינמטיקה וקינטיקה במהלך ריצה. רוחב צעד רחב יותר מפחית את זוויות החטיפה של הירך, את רגעי החטיפה של הברך ואת זוויות ההיפוך של כף הרגל האחורית, תורם לשיפור היציבות ועשוי להפחית את הסיכון לפציעה ^6,7. לעומת זאת, רוחב צעד צר יותר מגדיל את הסיבוב הפנימי של הברך ואת זוויות ההדבקה של הירך, מה שעלול להגביר את העומס על המפרקים. באופן ספציפי, רוחב צעד צר נקשר לשינויים מוגברים בסיבוב הפנימי של הברך ומומנט חטיפת הברך בהשוואה לרוחב צעד רגיל ^6,7. בנוסף, רוחבי צעדים רחבים יותר הוכחו כמפחיתים את העומס הטיביאלי, ובכך מפחיתים את הלחץ על השוקה במהלך ריצה⁸. ממצאים אלה מדגישים את התפקיד הקריטי של רוחב הצעדים בהשפעה על ביומכניקת הריצה, ומדגישים את חשיבותה במיטוב הביצועים ובמזעור הסיכון לפציעות.

מחקרים הוכיחו עוד כי מהירויות הליכה וריצה משפיעות על הפרמטרים הביומכניים של הגפיים התחתונות 9,10,11,12. עם זאת, ההשפעות של שינוי רוחב הצעד על ביומכניקה במהירויות אימון משתנות עדיין אינן ברורות, ונתונים מדעיים מוגבלים לגבי תנועת בני אדם בתנאי מהירות ורוחב צעדים שונים זמינים. לכן, מחקר זה נועד לחקור את ההשפעה של שינויים ברוחב הצעדים על ביומכניקה של הגפיים התחתונות במהירויות שונות, תוך התמקדות בפרמטרים מרכזיים כגון זווית חטיפת מפרק הירך ומומנט חטיפת הברך.

כדי לענות על כך, הוקם מערך נתונים הכולל 13 משתתפים גברים בריאים בגילאי 20-24 שנים, כולל קבצי C3D ונתונים קינמטיים מוכנים לשימוש. המשתתפים הונחו לרוץ במהירות של 3.0 מטר לשנייה ו-3.7 מטר לשנייה תוך שימוש בשישה רוחבי צעדים נפרדים. הבחירה ברוחבי ומהירויות צעדים אלה התבססה על ממצאי המחקר הקיים ועל המצב הנוכחי של מערכי נתונים בקוד פתוח על ביומכניקה של הליכה בספרות 13,14,15,16,17. מחקר זה נועד לבחון את ההשפעות החריפות של שינויים ברוחב הצעדים על השרשרת הקינטית של הגפיים התחתונות תוך הרחבת מערך הנתונים כדי לספק תובנות חשובות לגבי הקשר בין רוחב צעד לביומכניקה של הגפיים התחתונות.

Protocol

המחקר קיבל את אישור ועדת האתיקה של מכון המחקר באוניברסיטת נינגבו (מספר אישור: ty2022001). כל המשתתפים סיפקו הסכמה מדעת בכתב לאחר שתודרכו על המטרה, הדרישות והנהלים של הניסוי. פרטים על החומרים המתכלים, הציוד והתוכנות שבהם נעשה שימוש מפורטים בטבלת החומרים.

1. הכנה ניסיונית

1. הכנת ציוד
   1. מקם שמונה מצלמות אינפרא אדום במקומות מתאימים במהלך כיול הציוד ובדוק אם יש השתקפויות באזור הניסוי (למשל, סמנים רפלקטיביים על בגדי המשתתפים). הסירו או כסו את ההשתקפויות וודאו תאורה מספקת.
   2. הכנס את פלאג ההצפנה המשויך ליציאה המקבילית של המחשב. הפעל את מצלמות לכידת התנועה, תוכנת המעקב, מגבר פלטפורמת הכוח וה- ADC.
   3. פתח את תוכנת המעקב והמתן לאתחול שמונה המצלמות. ודא שהתהליך הושלם כאשר נוריות המצלמה הופכות מאדום לירוק.
   4. עבור למצב מצלמה והרחב את החלונית משאבי מערכת משמאל. בחר את כל שמונה המצלמות.
   5. התאם את ההגדרות בחלונית השמאלית תחת מאפיינים. הגדר את עוצמת המבזק ל- 0.95-1, את הרווח ל- 1x ואת מצב גווני אפור לאוטומטי. תחת Centroid Fitting, הגדר את הסף ל- 0.2-0.4, יחס מעגליות מינימלי ל- 0.5 וגובה כתם מרבי ל- 50.
   6. מקם את מסגרת T עם סמנים במרכז אזור לכידת התנועה. בחר מחדש את כל שמונה המצלמות מסרגל הכלים משמאל.
   7. בצע כיול בחלונית Tools מימין. בחר באובייקט הכיול 5 Wand &; T-Frame מהרשימה T-frame .
   8. לחצו על כפתור העצירה מתחת לאפשרות מצלמת המסכה בחלונית כלי הכנת המערכת . לאחר שהמסך הופך לכחול, לחץ שוב על הלחצן כדי להחזיר אותו למצב עצירה .
   9. לחץ על התחל כפתור תחת כיול מצלמות אופציה. הזיזו את מסגרת ה-T קדימה ואחורה בטווח הצילום, וודאו שגובה הנדנדה תואם לגובה המוקד של המצלמה. עצור כאשר האורות הכחולים במצלמות מפסיקים להבהב.
   10. העבר את התצוגה לפרספקטיבה תלת-ממדית, והחזיר את מסגרת T למרכז אזור לכידת התנועה. ודא התאמה לגבולות פלטפורמת הכוח.
   11. לחץ על התחל כפתור תחת הגדר מקור עוצמת קול אפשרות בחלונית הימנית.
2. הכנת פלטפורמת לחץ
   1. מקם שני לוחות כוח מוטבעים במרכז אזור לכידת התנועה וסנכרן אותם ב- 1000 הרץ.
   2. סמן שישה רוחבי צעדים על פלטפורמת הכוח באמצעות סרטים צבעוניים שונים כדי לייצג כל מצב, כולל רוחב המדרגה המועדף וחמש וריאציות (הפחתות של 13% ו- 6.5%, ועליות של 25%, 13% ו- 6.5% באורך הרגליים). חבר את הפלטפורמה למחשב לצורך איסוף נתונים.
      הערה: ודא שהמערכת מתעדת את הקואורדינטות הקדמיות-אחוריות (ציר Y) של כף הרגל בעת מגע, עם סרט צהוב המסמן את רוחב המדרגה המועדף וצבעים אחרים המציינים וריאציות.
3. הכנת מערכת תזמון
   1. הניחו שער תזמון אלקטרוני בעל אלומה אחת על חצובה כדי לתעד את מהירות הריצה של המשתתפים כשהם עוברים מעל לוחות הכוח.
      הערה: ודא שהמרחק בין שערי התזמון האלקטרוניים הוא 3 מ' (כפי שמוצג באיור 1).

2. הכנת המשתתפים

1. קבל הסכמה מדעת בכתב מהמשתתפים, הסבר בקצרה את מטרת המחקר ונהליו, ועודד שאלות. ודא שכל המשתתפים דומיננטיים ברגל ימין כדי למזער את השונות.
   הערה: המחקר הנוכחי כלל 13 גברים סינים בריאים, עם גיל ממוצע של 22.7 שנים, משקל של 70.9 ק"ג, וגובה של 1.75 מ '. ודא שאין פציעות בגפיים התחתונות או עיוותים בכף הרגל בששת החודשים האחרונים. בחירת מדגם זו מפחיתה את השפעת הגיל והמין על פרמטרים ביומכניים, ומבטיחה תוקף סטטיסטי ויכולת שחזור. גודל המדגם מספיק לניתוח ההשפעות של רוחב צעד על ביומכניקה.
2. הנחו את המשתתפים ללבוש מכנסי ספורט הדוקים ונעלי ניסוי סטנדרטיות כדי למזער את ההפרעה להליכה. הסירו בגדים עודפים.
3. אסוף ותעד נתונים אנתרופומטריים: גובה, משקל, אורך רגליים, רוחב כתפיים ורוחב ירך.
   הערה: יש למדוד את אורך הרגליים מעמוד השדרה האיליאק העליון הקדמי ועד למליאולוס הצידי. מדוד את רוחב הכתפיים ואת רוחב הירך כמרחקים הישירים בין ציוני דרך אנטומיים בהתאמה.
4. שמרו על עור המשתתפים יבש והצמידו סמנים מחזירי אור לנקודות ציון אנטומיות באמצעות סרט דו-צדדי.
   הערה: השתמש ב-38 סמנים רפלקטיביים עם מיקומים ספציפיים ושמות תוויות המפורטים בטבלה 1. ודא מיקום מדויק וחיבור מאובטח של הסמנים. עבור אזורים עם תנועה גבוהה או משטחים לא אחידים, חזקו את הסמנים עם סרט שריר או דבק ידידותי לעור. לאחר הצבת הטושים, צלמו מלפנים, מאחור ומהצדדים לצורך תיעוד.
5. הנחו את המשתתפים לרוץ במשך 5 דקות כחימום לפני תחילת ההקלטות הסטטיות והדינמיות.

3. כיול סטטי

1. הפעל את תוכנת המעקב וצור מסד נתונים חדש על-ידי בחירת מסד נתונים חדש מסרגל הכלים. בקטע ניהול נתונים , בחר סיווג מטופל חדש, לאחר מכן מטופל חדש, ולבסוף, לחץ על הפעלה חדשה כדי להגדיר מסד נתונים של מידע על משתתף.
2. לחץ על Go Live בסרגל הכלים השמאלי ולאחר מכן השתמש בלחצן פצל אופקי בממשק תצוגה . בחר גרפיקה כדי להציג ספירות מסלול.
3. לחץ על הכנת הנושא בסרגל הכלים. הנחו את המשתתף לעמוד עם רגליים ברוחב הכתפיים זו מזו, רגל אחת על פלטפורמת הכוח, זרועות מקבילות לכתפיים, ומבט ישר קדימה. לחץ על התחל כדי להתחיל באיסוף נתונים, והחזק את המיקום למשך 10 שניות. לחץ על עצור כדי להשלים את הלכידה הסטטית.
   הערה: עבור למצב "פרספקטיבה תלת-ממדית" כדי להבטיח שהמצלמה מצלמת לפחות פריים אחד המציג את 38 הסמנים מחזירי האור על גוף המשתתף.

4. ניסויים דינמיים

1. ליידע את המשתתפים להתכונן לניסוי ולהיכנס למצב הניסוי.
2. תפעול תוכנה
   1. לחץ על Go Live בחלונית Resources השמאלית ועל Capture בחלונית Tools הימנית. לאחר שהמשתתפים מוכנים, התחל את גירסת הניסיון על-ידי לחיצה על התחל וסיים אותה על-ידי לחיצה על עצור לאחר השלמתו.
      הערה: תייג גירסאות ניסיון שונות ברוחב שלבים משתנה בסעיף 'שם גירסת ניסיון'.
3. בצע את ניסוי רוחב הצעד המועדף, לכידת תנועה בשלוש מהירויות שונות.
   1. הנחו את המשתתפים ללכת באופן טבעי לאורך מסלול ישר עם שתי פלטפורמות כוח, תוך הנחת רגל שמאל על רציף A (קיסטלר) ורגל ימין על רציף B (AMTI).
   2. שקול את הניסוי מוצלח אם הזמן להשלים ריצה אחת (עובר מעל פלטפורמות הכוח) נופל בין 0.95-1.05 שניות ב 3.0 מטר לשנייה או בין 0.76-0.86 שניות ב 3.7 מטר לשנייה. חזור על הניסוי אם העיתוי אינו עומד בקריטריונים אלה כדי למזער את ההשפעה של תנודות מהירות על ביומכניקה פועלת. המטרה העיקרית היא לחקור את השפעת המהירות.
      הערה: טווחי זמן אלה חושבו בהתבסס על מהירויות ריצה מוגדרות מראש (3.0 מ' לשנייה ו- 3.7 מ' לשנייה) והמרחק הידוע בין שערי התזמון האלקטרוניים. זה מבטיח שהמשתתפים ישמרו על מהירות ריצה עקבית לאורך כל הניסוי וישקפו במדויק את תנאי הניסוי.
   3. הנחו את המשתתפים לרוץ במהירות של 3.7 מטר לשנייה במסלול ישר עם שתי פלטפורמות כוח.
      הערה: אם הזמן העובר מעל פלטפורמת הכוח הוא בין 0.76-0.86 שניות, שקול את הניסוי כמוצלח; אחרת, נסה שוב. ודא שהמשתתפים מניחים באופן עקבי את רגל שמאל על פלטפורמה A ואת רגל ימין על פלטפורמה B. מחקרים קודמים הראו הבדלים ביומכניים משמעותיים במהירויות שונות 9,10,11,12. הנחו את המשתתפים להתאמן מספר פעמים לפני ניסויים רשמיים כדי להבטיח הליכה טבעית. עקוב מקרוב אחר הניסויים, ודא ביצוע נכון ושהסמנים נשארים במקומם. כל מצב דורש לפחות חמישה ניסויים מוצלחים.
4. מדידת רוחב המדרגה המועדף והגדרת רוחבי צעדים שונים
   1. בהתבסס על ההגדרה של רוחב צעד ומחקרים קודמים, מדדו את רוחב הצעד המועדף על המשתתפים בשלושה מצבי תנועה 8,18,19,20. באמצעות מערכת לכידת התנועה, ודא שציר Y במערכת קואורדינטות המעבדה מייצג את הכיוון הבינוני (מצד לצד).
      1. רשום את קואורדינטות ציר Y של סמני עקב שמאל וימין במהלך מגע הקרקע הראשוני. חשב את רוחב המדרגה המועדף כהפרש בקואורדינטות ציר Y של שני העקבים, ומספק מדידה ישירה של המרחק הרוחבי בין כפות הרגליים.
   2. סמן את פלטפורמות הכוח בסרטים צבעוניים שונים המתאימים לתנאי רוחב חמישה שלבים (רוחב צעד מופחת או גדל ב -13%, 6.5% או 25% מאורך הרגל). הסרט הצהוב מציין את רוחב המדרגה המועדף.
      הערה: מחקרים קודמים הדגימו הבדלים ביומכניים משמעותיים כאשר רוחב הצעד משתנה ב -13% ביחס לאורך^{הרגליים} 5,8,18,19. בהתבסס על ממצא זה, הצג תנאי רוחב צעד נוספים.
   3. הנחו את המשתתפים ללכת ישר תוך התמקדות קדימה. ודא שרגל שמאל דורכת על הסרט הצהוב בפלטפורמה A ורגל ימין דורכת על סרט צבעוני אחר בפלטפורמה B. הקצה באופן אקראי צבעי סרט ספציפיים כדי לשנות את רוחב הצעד.
      הערה: אסוף לפחות חמש גירסאות ניסיון מוצלחות עבור כל תנאי רוחב שלב.
   4. הנחו את המשתתפים לרוץ במהירות של 3.0 מטר לשנייה ו-3.7 מטר לשנייה עם חמשת רוחבי השלבים השונים.
      הערה: ודא שהמשתתפים עוקבים אחר ההוראות כראוי ועקוב אחר ניתוק הסמן. אספו לפחות חמישה ניסויים מוצלחים עבור כל מצב, והבטיחו זמן מנוחה הולם לאחר כל בדיקה.

5. עיבוד נתונים

1. לאחר הניסוי, עבד ידנית את כל הנתונים שנאספו באמצעות תוכנה תואמת. חבר את הנתונים ברצף בהתאם לנקודות הסימון שנקבעו בטבלה 1.
2. בדוק כל מסלול סטטי או דינמי עבור סמנים חסרים או קטועים על המשתתפים. השתמש בכלי חיבור / מילוי נקודה בתוכנה כדי לחבר מחדש באופן ידני את הסמנים החסרים, תוך הפניה לסמנים סמוכים לדיוק.
3. ניתוח כוחות תגובת קרקע (GRFs) במהלך פעילויות דינמיות על ידי קביעת סף אנכי של 20 N כדי לזהות מגע ברגל ובהונות, הגדרת שלב העמידה של כל מחזור הליכה.
   הערה: נתוני GRF ממגע עקב ועד בוהן מגדירים מחזור הליכה אחד ונשמרים כקובצי C3D גולמיים.
4. יצא את הנתונים המעובדים בתבניות C3D , MOT , TRC ו- CSV. ודא שכל משתתף משלים כ- 55 ניסויים בתנאים סטטיים, הליכה וריצה עם שישה רוחבי צעדים שונים. השתמש בנתונים כדי להשוות רוחב צעדים ומאפייני גפיים.
   הערה: למרות הקפדה על פרוטוקולים, לחלק מהמשתתפים עשויים להיות נתונים חלקיים עקב היעלמות מסלול סמן במערכת הציוד.

6. ניתוח סטטיסטי

1. נתח את הנתונים באמצעות תוכנות סטטיסטיות (למשל, SPSS, Python), תוך התמקדות בהשפעות של רוחב צעד ומהירות ריצה על ביומכניקה של הגפיים התחתונות.
2. השתמש באמצעים חוזרים ונשנים ANOVA כדי לנתח פרמטרים ביומכניים, החלת תיקון Bonferroni עבור בדיקות פוסט-הוק במידת הצורך.
3. 6.3. שימוש בשיטות לא פרמטריות כמו מבחן פרידמן כאשר הנחות נורמליות וספריות אינן מתקיימות. הגדר את כל רמות המשמעות ב- p <- 0.05.

תוצאות

לאחר הניסוי ועיבוד הנתונים, מסלול הסמן המעובד ונתוני כוח תגובת הקרקע המדומה (GRF) נשמרו בקובצי C3D, כמתואר בטבלה 1. תיקיית C3D.zip מכילה את ערכת הנתונים הגולמית המתקבלת מניסוי לכידת התנועה. כל רשומות הנתונים מפורטות בטבלה 2. ערכת הנתונים מאורגנת בתיקיות, שכל אח...

Discussion

ההשפעה של רוחב הצעדים על הריצה האנושית היא סוגיה רבת פנים ומשמעותית. רוחב צעד מתייחס למרחק הרוחבי בין מרכז העקב לקרקע במגע הראשוני של כל רגל³. שינוי רוחב הצעד עשוי להשפיע על היציבות, שיווי המשקל, הביומכניקה והוצאת האנרגיה במהלך הריצה. מחקרים קודמים מצביעים ע?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
AMTI Force Plate	AMTI	OR6-7	Watertown, MA, USA
Colored Tape for Floor Marking	Generic	-	Used to mark different step widths on force plates, purchased online
Kistler Force Plate	Kistler	9260AA	Winterthur, Switzerland
MATLAB	MathWorks	Version R2021b	Data processing and modeling
Reflective Markers	Vicon Metrics Ltd.	-	Used for marking participant body points
Single-Beam Electronic Timing Gate	Brower Timing System	-	Draper, UT, USA, Used to record running speed
Standard Experimental Shoes	Designated Brand	-	Standardized shoes to minimize gait interference
Vicon Motion Capture System	Vicon Metrics Ltd.	Vicon T-Series	Oxford, UK, Used for motion capture
Vicon Nexus Software	Vicon Metrics Ltd.	Version 1.8.5A	Data collection and analysis