Analisi comparativa della Kinematica degli arti inferiori tra la fase iniziale e la fase terminale della corsa del tapis roulant di 5 km

Riepilogo

Questo studio ha studiato le caratteristiche biomeccaniche delle variabili cinematiche dell'estremità inferiore tra la fase iniziale e terminale della corsa del tapis roulant di 5 km. I dati cinematici degli arti inferiori di 10 corridori sono stati raccolti utilizzando un sistema di motion capture tridimensionale su un tapis roulant alla fase iniziale (0,5 km) e la fase terminale (5 km), rispettivamente.

Abstract

Correre è benefico per la salute fisica, ma è anche accompagnato da molte lesioni. Tuttavia, i principali fattori che portano a lesioni da corsa rimangono inspiegabili. Questo studio ha studiato gli effetti della lunga distanza di corsa sulle variabili cinematiche degli arti inferiori e la differenza cinematica dell'arto inferiore tra la fase iniziale (IR) e la fase terminale (TR) di 5 km di corsa è stata confrontata. Dieci corridori amatoriali correvano su un tapis roulant alla velocità di 10 km/h. I dati cinematici dinamici sono stati raccolti nella fase rispettivamente di IR (0,5 km) e TR (5 km). L'angolo di picco, le velocità angolari di picco e la gamma di movimento sono stati registrati in questo esperimento. I risultati principali hanno dimostrato quanto segue: l'eversione della caviglia e il rapimento del ginocchio sono stati aumentati alla TR; ROMm di caviglia e ginocchio sono stati aumentati nel piano frontale a TR di IR; una maggiore velocità angolare di dorsiflessione della caviglia e interrotazione dell'anca sono state trovate in TR rispetto a IR. Questi cambiamenti durante la corsa su lunghe distanze possono fornire alcuni dettagli specifici per esplorare potenziali motivi di lesioni da corsa.

Introduzione

La corsa è lo sport più popolare al mondo. Ci sono un gran numero di individui che corrono e questo numero aumenta sostanzialmente ogni anno¹. È stato suggerito che la partecipazione all'esercizio fisico regolare, compresa l'esecuzione, può promuovere la salute, ridurre il rischio di malattie cardiovascolari e quindi migliorare l'aspettativa di vita^2,3,4. Nonostante i significativi benefici per la salute della corsa, l'incidenza di infortuni su in esecuzione è aumentata dal 25% all'83% negli anni^5,6. Ci sono alcuni rischi associati alla corsa, soprattutto alle estremità inferiori, che si concentrano principalmente sulle lesioni muscolo-scheletriche⁷. La maggior parte delle lesioni comuni legate alla corsa sono legate al dolore patellofemorale, distorsione alla caviglia, fratture da stress tibiale e fascite plantare⁸. Le lesioni da corsa possono essere indotte da molti fattori, come modelli di colpire il piede errati, una selezione errata delle scarpe e altri fattori biomeccanici individuali⁹. Per esempio, correre con un modello di colpo del tallone può portare a una maggiore pronazione, ed è accompagnata da una maggiore pressione plantare sul lato mediale del piede, che può portare un rischio maggiore per la tendinopatia di Achille e il dolore patellofemorale¹⁰. Inoltre, la corsa con una maggiore rotazione interna del ginocchio è stata precedentemente segnalata come associata alla sindrome della banda iliotibiale per le corridori donne¹¹, soprattutto quando si corrono lunghe distanze.

I parametri di cinetica, cinetica e componenti spazio-temporali possono fornire un'analisi precisa della biomeccanica dell'andatura ed è attualmente considerato un parametro importante per l'analisi dell'andatura clinica¹². Le forze di reazione al suolo verticali inferiori e le accelerazioni di impatto maggiori vengono ricodificate dopo l'esecuzione a lunga distanza^13,14. Più alta escursione dell'anca e più piccoli flessioni del ginocchio sono stati trovati insieme a i muscoli affaticati¹⁵, e l'aumento della frequenza passo può provocare lunghezze di passo ridotte^13,16.

Tuttavia, i cambiamenti nelle caratteristiche biomeccaniche degli arti inferiori nella fase di esecuzione iniziale e terminale non sono stati analizzati completamente, poiché la maggior parte degli studi ha misurato la variazione biomeccanica dopo la corsa. Inoltre, solo pochi studi utilizzano tecniche di laboratorio standard per valutare gli effetti della corsa a lunga distanza sui cambiamenti biomeccanici dell'andatura nei corridori amatoriali. I principali fattori che portano a lesioni da corsa non sono ancora chiari. Pertanto, al fine di rivelare le ragioni alla base delle lesioni da estremità inferiori causate dalla corsa a lunga distanza, questo studio mira a confrontare i cambiamenti biomeccanici dell'estremità inferiore tra le fasi IR e TR nel tapis roulant 5 km in corsa in corridori amatoriali.

Protocollo

Il consenso informato scritto è stato ottenuto da soggetti e le procedure di test sono state approvate dal comitato etico dell'università. Tutti i partecipanti sono stati informati dei requisiti e del processo della sperimentazione.

1. Preparazione del laboratorio

1. Durante la calibrazione, spegnere le luci e rimuovere altri oggetti eventualmente riflettenti. Assicurarsi che otto telecamere siano posizionate in modo appropriato e abbiano una visione chiara senza riflessione.
2. Aprire il programma Vicon Nexus 1.8.5, quindi inizializzare le telecamere. Selezionare il sistema Sistema Locale Le telecamere MX nel riquadro Risorse e le telecamere si impegneranno.
   NOTA: nel riquadro Proprietà, i parametri devono essere regolati. L'intervallo dei valori dell'intensità stroboscopica viene regolato a 0,95-1 e l'intervallo di valori della soglia è impostato su 0,2-0,4. Impostare la modalità scala di grigi su Automatico. Il rapporto di circolarità minimo è impostato su 0,5 e guadagno su 1 (x1), l'altezza massima del BLOB su 50 e selezionare Abilita LED.
3. Posizionare il fotogramma t al centro dell'area di acquisizione, selezionare tutte le telecamere del sistema e utilizzare la modalità 2D. Verificare che il fotogramma a T sia nella vista della videocamera senza punti di interferenza. Selezionare il primo elemento Preparazione sistema nella barra degli strumenti. Nell'elenco a discesa Cornice a T, selezionare l'oggetto di calibrazione 5 Wand & T-Frame.
4. Nel riquadro Strumenti di preparazione sistema fare clic sul pulsante Start nella sezione Telecamere maschera. Quindi fai clic sul pulsante Start nella sezione Calibrate MX camera.
   NOTA: al termine del processo di calibrazione, la barra di avanzamento viene ripristinata allo 0%.
5. Posizionare il fotogramma a T al centro della fotocamera per stabilire l'origine delle coordinate.
6. Nel riquadro Strumenti, fare clic sul pulsante Start nella sezione Imposta origine volume.
7. Posizionare il tapis roulant al centro della zona di prova. Le otto telecamere vengono visualizzate intorno al tapis roulant (Figura 1).
8. Attaccare in anticipo un totale di 22 marcatori riflettenti (diametro: 14 mm) con nastro a doppio lato sui soggetti.

Figura 1: Test del layout del sito. Le telecamere catturano il movimento degli arti inferiori mentre i soggetti corrono sul tapis roulant. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Preparazione del soggetto

1. Prima del test, intervista i soggetti in laboratorio e fornisci una semplice spiegazione delle procedure sperimentali. Quindi, chiedi ai partecipanti di compilare un questionario. Riepilogare i risultati di questi questionari.
   1. Utilizzare le seguenti domande:
      1. Con quale frequenza corri tra una settimana?
      2. Per quanti anni stai correndo?
      3. Ha subito lesioni all'estremità inferiore o ha subito interventi chirurgici con estremità inferiore negli ultimi sei mesi?
      4. Quanti chilometri corri a settimana?
2. Utilizzare i seguenti criteri di inclusione: tutti i partecipanti erano per la gamba destra dominante e senza lesioni all'estremità inferiore nei sei mesi precedenti lo studio. Tutti i partecipanti correvano almeno 15 km a settimana.
   NOTA: sono stati selezionati dieci sana corridori di sesso ricreativo (età: 23,4,1,3 anni; altezza: 160,7,3 cm; massa: 50,3,3 kg; anni consecutivi: 3,2 1,2 anni).
   1. Ottenere il consenso informato scritto dai partecipanti che soddisfano i criteri di inclusione.
3. Richiedere che i partecipanti indossino collant e pantaloni uniformi.
4. Registrare l'altezza dei soggetti (mm), il peso (kg), la lunghezza degli arti inferiori (mm), la larghezza del ginocchio (mm) e la larghezza della caviglia (mm) per il modello di statistiche.
5. Posizionare 16 marcatori riflettenti sui soggetti nelle seguenti posizioni: colonna vertebrale iliaca superiore anteriore-superiore, colonna vertebrale iliaca superiore posteriore, coscia media laterale, ginocchio laterale, stinco laterale, malleolus laterale, seconda testa metatarsale e calcaneus. Posizionare i marcatori sulla seconda testa metatarsale e sul calccaneo sui corrispondenti punti anatomici delle calze e delle scarpe.
6. Istruire i partecipanti a indossare scarpe da corsa sportive uniformi. Chiedi ai partecipanti di riscaldarsi con la leggera corsa e allungarsi per 5 min.

3. Calibrazione statica

1. Fare clic sul pulsante Gestione dati sulla barra degli strumenti e selezionare Gestione dati. Fare clic sulla scheda Nuovo database sulla barra degli strumenti, selezionare il percorso, descrivere il nome della prova e il modello clinico, quindi fare clic sul pulsante Crea.
2. Nella finestra Apri database selezionare il nome del database creato. Nell'interfaccia aperta, fare clic sul pulsante verde Nuova classificazione paziente, sul pulsante giallo Nuovo paziente e sul pulsante grigio Nuova sessione per creare le informazioni sperimentali, tra cui il tipo di soggetto, il nome del soggetto e lo stato dell'azione diverso.
   1. Tornare al riquadro Nexus, nella barra degli strumenti a sinistra, fare clic su Oggetti per creare un nuovo set di dati Oggetto e scegliere il modello di prova. Nel riquadro Proprietà, compilare tutte le misure antropometriche: altezza (mm), peso (kg), lunghezza dell'arto inferiore (mm), larghezza del ginocchio (mm) e larghezza della caviglia (mm).
3. Fate clic sul pulsante Vai in diretta, selezionate Spilt orizzontalmente e scegliete il grafico per controllare il numero di traiettorie.
   NOTA: Assicurarsi che tutti i marcatori siano visibili nella vista Prospettiva 3D. Ciò indica che tutti i marcatori possono essere acquisiti per l'analisi.
4. Preparare l'acquisizione del modello statico. Nel riquadro Strumenti di acquisizione fare clic sul pulsante Start nella sezione Acquisizione oggetto.
   NOTA: durante l'intero processo di raccolta dei dati, i soggetti devono rimanere fermi nell'area di acquisizione per raccogliere 140-200 fotogrammi di immagini. Quindi fare clic sul pulsante Stop.
5. Nel riquadro prospettico, visualizzare i contrassegni di acquisizione. Fare clic sul pulsante Pipeline (Pipeline) nel riquadro Strumenti, selezionare Running The Reconstruct Pipeline (Esecuzione della pipeline di ricostruzione) per creare un'immagine 3D dei marcatori acquisiti. Quindi, etichettare manualmente il modello statico. Al termine dell'identificazione, salvare e premere ESC per uscire.
6. Nella barra degli strumenti, scegliere la preparazione del soggetto e la calibrazione del soggetto. Selezionare l'opzione Di ghetura statica plug-in dall'elenco a discesa. Nel riquadro Impostazioni statiche scegliere il piede sinistro e il piede destro,fare clic sul pulsante Start e salvare il modello statico.

4. Prove dinamiche

1. Al termine della raccolta dei dati statici, selezionare Acquisisci nella barra degli strumenti a destra. Scegli Tipo di prova e Sessione dall'alto verso il basso e inserisci la descrizione della versione di prova.
2. Chiedere ai partecipanti di eseguire sul tapis roulant nel modo seguente.
   1. Riscaldare camminando a 8 km /h per 1 min.
   2. Chiedere al partecipante di correre sul tapis roulant alla velocità di 10 km/h. Dopo un periodo di adattamento di 4 min a questa velocità, registrare i dati di corsa per 40 s. Raccogliere i dati cinematici ad una distanza di 0,5 km e 5 km, rispettivamente.
   3. Chiedere ai soggetti di indossare un cardiofrequenzimetro per registrare la frequenza cardiaca e monitorare lo stato di affaticamento dei soggetti durante l'esecuzione.
3. Nel riquadro Acquisizione strumento fare clic sul pulsante Start. Dopo aver raccolto le prove dinamiche, fare clic su Interrompi per terminare la raccolta.

5. Post-elaborazione

1. Aprire la finestra Gestione dati, fare doppio clic sul nome della versione di prova. Fare clic sul pulsante Esegui ricostruisci pipeline ed etichette nella barra degli strumenti per ricostruire la posizione del punto di contrassegno.
2. Nella finestra Prospettiva, spostate i triangoli blu sulla barra temporale per impostare l'intervallo di tempo richiesto.
3. Spostare la visualizzazione della sequenza temporale in modo da visualizzare solo l'intervallo selezionato, fare clic sulla barra temporale e fare clic su Ingrandisci area di interesse.
4. A questo punto, selezionare il pulsante Etichetta per identificare e controllare i punti etichetta, con gli stessi passaggi del processo di identificazione statica. Se necessario, integrare alcuni punti di identificazione incompleti. Eliminare i contrassegni senza etichetta.
5. Nel riquadro Calibrazione soggetto selezionare l'andatura plug-in dinamica. Fare clic sul pulsante Start per eseguire i dati. Esportare le prove motorie in formato c3d per la post-elaborazione.

6. Analisi dei dati

1. Elaborare i dati cinematici. Applicare un filtro Butterworth passa basso di quarto ordine con una frequenza di taglio di 10 Hz (cinematico) prima di esportare i dati dell'angolo articolare. Esportare i dati dell'angolo del giunto.
2. Calcolare la gamma di movimento (ROM), l'angolo di picco e la velocità angolare di picco delle articolazioni degli arti inferiori (anca, ginocchio e caviglia) in tre piani (sagittale, frontale e trasversale) durante una fase di posizione.

7. Analisi statistica

1. Utilizzare il test a T a campione accoppiato per confrontare la cinematica degli arti inferiori (angoli di picco, ROM, velocità angolare del picco) tra la fase iniziale (IR) e la fase terminale (TR) di 5 km di corsa.
2. Calcolare i valori medi e le deviazioni standard delle cinque prove valide di ogni soggetto per distanze di corsa diverse. Impostare il livello di significatività su p < 0,05.

Risultati

I risultati hanno mostrato che non sono state osservate differenze nell'angolo di picco della caviglia e dell'anca nel piano sagittale. Rispetto a IR, gli angoli di picco della caviglia e del ginocchio nel piano frontale sono stati significativamente aumentati a TR. Un angolo dell'anca interno più grande è stato trovato in TR in contrasto con IR. Tuttavia, TR presentava un angolo di picco più piccolo nel rapimento dell'anca, nell'interrotazione della caviglia e nell'interrotazione del ginocchio rispetto a IR (

Discussione

Questo studio ha confrontato l'effetto della corsa su lunghe distanze sulle caratteristiche biomeccaniche dell'estremità inferiore nei corridori amatoriali. Si è scoperto che l'angolo di picco dell'eversione della caviglia e del rapimento del ginocchio è aumentato dopo 5 km di corsa, il che è coerente con uno studio precedente¹⁷. Gli studi hanno dimostrato che l'eccessiva eversione della caviglia e la velocità dell'eversione sono fattori importanti che aumentano il rischio di lesioni alla cav...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
14 mm Diameter Passive Retro-reflective Marker	Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK		n=22
Double Adhesive Tape	Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK		For fixing markers to skin
Heart Rate	Garmin, HRM3-SS, China		Detection of fatigue state
Motion Tracking Cameras	Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK		n= 8
T-Frame	Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK		-
Treadmill	Smart Run,China		Subject run on the treadmill for all the process.
Valid Dongle	Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK		Vicon Nexus 1.4.116
Vicon Datastation ADC	Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK		-