Influenza della manipolazione della larghezza del passo sulla biomeccanica della corsa

Riepilogo

Il presente protocollo delinea un setup sperimentale progettato per studiare l'influenza della manipolazione della larghezza del passo sulla biomeccanica della corsa utilizzando un sistema di motion capture. L'obiettivo è quello di espandere i set di dati pertinenti ed esaminare gli effetti delle diverse larghezze dei gradini sulla catena cinematica dell'arto inferiore umano.

Abstract

L'ampiezza del passo è un fattore critico che influenza la biomeccanica degli arti inferiori durante la corsa, influenzando in modo significativo la stabilità, le prestazioni e il rischio di lesioni. Comprendere questi effetti è essenziale per ottimizzare le prestazioni di corsa e ridurre al minimo il rischio di infortuni. Questo studio ha valutato gli effetti della variazione dell'ampiezza del passo sulla biomeccanica degli arti inferiori a diverse velocità di corsa. Tredici maschi cinesi sani (di età compresa tra 20 e 24 anni) hanno partecipato allo studio, correndo a velocità di 3,0 m/s e 3,7 m/s utilizzando sei diverse larghezze del passo: la larghezza del passo preferita e cinque variazioni (riduzioni del 13% e del 6,5% e aumenti del 6,5%, 13% e 25%, in base alla lunghezza delle gambe). I dati sono stati raccolti utilizzando un sistema di motion capture e piastre di forza e analizzati attraverso misure ripetute, ANOVA e test di correlazione. I risultati hanno indicato che le larghezze dei gradini più ampie riducono significativamente i momenti di abduzione del ginocchio e gli angoli di adduzione dell'anca, mentre le larghezze dei gradini più strette aumentano il carico dell'articolazione del ginocchio. Questi risultati hanno importanti implicazioni per medici e corridori, suggerendo che un'attenta selezione della larghezza del passo può aiutare a ridurre il rischio di infortuni e migliorare l'efficienza della corsa. Questo studio contribuisce con un nuovo set di dati che getta le basi per la ricerca futura sulla relazione tra l'ampiezza del passo e la biomeccanica della corsa e funge da riferimento per le pratiche di allenamento e riabilitazione.

Introduzione

I fattori ambientali, compresi gli elementi spaziali e temporali, influenzano direttamente il movimento quotidiano dell'uomo. Gli individui possono adottare diverse posture e schemi di movimento durante la corsa e la camminata in varie condizioni ambientali. È risaputo che l'alterazione delle tecniche di corsa può influire sulla biomeccanica del corpo, con la larghezza del passo strettamente associata alla stabilità e all'equilibrio durante la corsa umana ^1,2. La larghezza del passo è definita come la distanza mediolaterale tra il mesopiede e il contatto iniziale con il suolo di ciascun piede, che rappresenta una variabile nel piano frontale³. Durante la camminata e la corsa, le variazioni a breve termine dell'ampiezza del passo possono influenzare la biomeccanica degli arti inferiori su tre piani ^3,4,5.

Numerosi studi hanno dimostrato che l'ampiezza del passo influisce in modo significativo sulla biomeccanica delle articolazioni degli arti inferiori, sulla cinematica e sulla cinetica durante la corsa. Una larghezza del passo più ampia riduce gli angoli di adduzione dell'anca, i momenti di abduzione del ginocchio e gli angoli di eversione del retropiede, contribuendo a una maggiore stabilità e potenzialmente riducendo il rischio di lesioni ^6,7. Al contrario, una larghezza del passo più stretta aumenta la rotazione interna del ginocchio e gli angoli di adduzione dell'anca, aumentando potenzialmente i carichi articolari. In particolare, una larghezza del passo stretta è stata associata a maggiori variazioni nella rotazione interna del ginocchio e nella coppia di abduzione del ginocchio di picco rispetto a una normale larghezza del passo ^6,7. Inoltre, è stato dimostrato che larghezze del passo più ampie riducono il carico tibiale, diminuendo così lo stress sulla tibia durante la corsa⁸. Questi risultati sottolineano il ruolo critico dell'ampiezza del passo nell'influenzare la biomeccanica della corsa, evidenziando la sua importanza nell'ottimizzazione delle prestazioni e nella riduzione al minimo del rischio di infortuni.

Gli studi hanno inoltre dimostrato che la velocità di camminata e corsa influenza i parametri biomeccanici degli arti inferiori 9,10,11,12. Tuttavia, gli effetti della variazione della larghezza del passo sulla biomeccanica a velocità di esercizio variabili rimangono poco chiari e sono disponibili dati scientifici limitati sul movimento umano in diverse condizioni di velocità e larghezza del passo. Pertanto, questo studio mira a indagare l'impatto dei cambiamenti di larghezza del passo sulla biomeccanica degli arti inferiori a diverse velocità, concentrandosi su parametri chiave come l'angolo di adduzione dell'anca e il momento di abduzione del ginocchio.

Per risolvere questo problema, è stato creato un set di dati comprendente 13 partecipanti maschi sani di età compresa tra 20 e 24 anni, inclusi file C3D e dati cinematici pronti all'uso. I partecipanti sono stati istruiti a correre a velocità di 3,0 m/s e 3,7 m/s utilizzando sei diverse larghezze di passo. La selezione di queste larghezze e velocità dei passi è stata informata dai risultati della ricerca esistente e dallo stato attuale dei set di dati open-source sulla biomeccanica dell'andatura in letteratura 13,14,15,16,17. Questo studio mira a esaminare gli effetti acuti delle variazioni della larghezza del passo sulla catena cinetica degli arti inferiori, ampliando al contempo il set di dati per fornire preziose informazioni sulla relazione tra la larghezza dei gradini e la biomeccanica degli arti inferiori.

Protocollo

Lo studio ha ricevuto l'approvazione dal Comitato Etico dell'Istituto di Ricerca dell'Università di Ningbo (Numero di approvazione: ty2022001). Tutti i partecipanti hanno fornito il consenso informato scritto dopo essere stati informati sullo scopo, i requisiti e le procedure dell'esperimento. I dettagli dei materiali di consumo, delle attrezzature e del software utilizzati sono elencati nella Tabella dei materiali.

1. Preparazione sperimentale

1. Preparazione dell'attrezzatura
   1. Posizionare otto telecamere a infrarossi in posizioni appropriate durante la calibrazione dell'apparecchiatura e verificare la presenza di eventuali riflessi nell'area sperimentale (ad esempio, marcatori riflettenti sugli indumenti dei partecipanti). Rimuovere o coprire i riflessi e garantire un'illuminazione sufficiente.
   2. Inserire la chiavetta di crittografia accoppiata nella porta parallela del PC. Avvia le telecamere di motion capture, il software di tracciamento, l'amplificatore della piattaforma di forza e l'ADC.
   3. Apri il software di tracciamento e attendi l'inizializzazione delle otto fotocamere. Verificare che il processo sia completo quando le luci della fotocamera passano da rosse a verdi.
   4. Passa alla modalità Fotocamera ed espandi il pannello Risorse di sistema a sinistra. Seleziona tutte e otto le telecamere.
   5. Regola le impostazioni nel pannello di sinistra sotto Proprietà. Impostare l'intensità del flash su 0,95-1, il guadagno su 1x e la modalità scala di grigi su Auto. In Adattamento centroide impostare la soglia su 0,2-0,4, il rapporto di circolarità minimo su 0,5 e l'altezza massima del blob su 50.
   6. Posiziona il fotogramma a T con i marcatori al centro dell'area di motion capture. Riseleziona tutte e otto le telecamere dalla barra degli strumenti a sinistra.
   7. Eseguire la calibrazione nel pannello Strumenti a destra. Selezionare l'oggetto di calibrazione Bacchetta e Telaio a T a 5 marcatori dall'elenco Fotogramma a T .
   8. Fare clic sul pulsante Stop sotto l'opzione Maschera fotocamera nel pannello Strumenti di preparazione del sistema . Dopo che lo schermo diventa blu, fare nuovamente clic sul pulsante per ripristinarlo allo stato di arresto .
   9. Fare clic sul pulsante Start sotto l'opzione Calibra telecamere . Sposta il fotogramma a T avanti e indietro all'interno del raggio di acquisizione, assicurandoti che l'altezza di oscillazione corrisponda all'altezza focale della fotocamera. Fermati quando le luci blu sulle telecamere smettono di lampeggiare.
   10. Passate la vista alla prospettiva 3D e riposizionate il fotogramma a T al centro dell'area di motion capture. Garantire l'allineamento con i confini della piattaforma di forza.
   11. Fare clic sul pulsante Start sotto l'opzione Imposta origine volume nel pannello di destra.
2. Preparazione della piattaforma di pressione
   1. Posiziona due piastre di forza incorporate al centro dell'area di motion capture e sincronizzale a 1000 Hz.
   2. Segna sei larghezze di passo sulla piattaforma di forza utilizzando nastri colorati diversi per rappresentare ogni condizione, inclusa la larghezza del passo preferita e cinque variazioni (riduzioni del 13% e del 6,5% e aumenti del 25%, 13% e 6,5% della lunghezza delle gambe). Collegare la piattaforma al PC per la raccolta dei dati.
      NOTA: Assicurarsi che il sistema registri le coordinate antero-posteriori (asse Y) del piede al contatto, con il nastro giallo che segna la larghezza del passo preferita e altri colori che indicano le variazioni.
3. Preparazione del sistema di distribuzione
   1. Posiziona un cancello di cronometraggio elettronico a raggio singolo su un treppiede per registrare la velocità di corsa dei partecipanti mentre passano sopra le piastre di forza.
      NOTA: Assicurarsi che la distanza tra i cancelli elettronici sia di 3 m (come mostrato nella Figura 1).

2. Preparazione dei partecipanti

1. Ottenere il consenso informato scritto dai partecipanti, spiegare brevemente lo scopo e le procedure dello studio e incoraggiare le domande. Assicurati che tutti i partecipanti siano dominanti con la gamba destra per ridurre al minimo la variabilità.
   NOTA: Il presente studio coinvolge 13 maschi cinesi sani, con un'età media di 22,7 anni, un peso di 70,9 kg e un'altezza di 1,75 m. Assicurarsi che non si verifichino lesioni agli arti inferiori o deformità del piede negli ultimi sei mesi. Questa selezione del campione riduce l'influenza dell'età e del sesso sui parametri biomeccanici, garantendo validità statistica e riproducibilità. La dimensione del campione è sufficiente per analizzare gli effetti dell'ampiezza del passo sulla biomeccanica.
2. Istruisci i partecipanti a indossare pantaloni sportivi attillati e scarpe sperimentali standardizzate per ridurre al minimo l'interferenza dell'andatura. Rimuovere gli indumenti in eccesso.
3. Raccogli e registra dati antropometrici: altezza, peso, lunghezza delle gambe, larghezza delle spalle e larghezza dei fianchi.
   NOTA: Misurare la lunghezza della gamba dalla spina iliaca antero-superiore al malleolo laterale. Misura la larghezza delle spalle e dei fianchi come le distanze dirette tra i rispettivi punti di riferimento anatomici.
4. Mantieni la pelle asciutta dei partecipanti e attacca i marcatori riflettenti ai punti di riferimento anatomici utilizzando il nastro biadesivo.
   NOTA: Utilizzare 38 marcatori riflettenti con posizioni specifiche e nomi di etichette dettagliati nella Tabella 1. Garantire un posizionamento preciso e un fissaggio sicuro dei marcatori. Per le aree con movimento elevato o superfici irregolari, rinforzare i pennarelli con nastro adesivo muscolare o adesivo delicato sulla pelle. Dopo aver posizionato i pennarelli, scatta fotografie dalla parte anteriore, posteriore e laterale per la documentazione.
5. Chiedi ai partecipanti di fare jogging per 5 minuti come riscaldamento prima di iniziare le registrazioni statiche e dinamiche.

3. Calibrazione statica

1. Avvia il software di tracciamento e crea un nuovo database selezionando Nuovo database dalla barra degli strumenti. Nella sezione Gestione dati , scegliere Nuova classificazione paziente, quindi Nuovo paziente e infine fare clic su Nuova sessione per impostare un database di informazioni sui partecipanti.
2. Fai clic su Vai in diretta nella barra degli strumenti a sinistra, quindi utilizza il pulsante Dividi orizzontalmente nell'interfaccia di visualizzazione . Selezionate i grafici per visualizzare i conteggi delle traiettorie.
3. Fare clic su Preparazione dell'argomento nella barra degli strumenti. Chiedi al partecipante di stare in piedi con i piedi alla larghezza delle spalle, un piede sulla piattaforma di forza, le braccia parallele alle spalle e guardare dritto davanti a sé. Fare clic su Avvia per iniziare la raccolta dei dati e mantenere la posizione per 10 secondi. Fare clic su Interrompi per completare l'acquisizione statica.
   NOTA: Passa alla modalità "Prospettiva 3D" per assicurarti che la fotocamera catturi almeno un fotogramma che mostri i 38 marcatori riflettenti sul corpo del partecipante.

4. Prove dinamiche

1. Informare i partecipanti di prepararsi per l'esperimento ed entrare nello stato sperimentale.
2. Operazioni del software
   1. Fai clic su Vai in diretta nel pannello Risorse a sinistra e su Acquisisci nel pannello Strumenti a destra. Una volta che i partecipanti sono pronti, inizia la prova cliccando su Inizia e terminala cliccando su Interrompi dopo il completamento.
      NOTA: Etichettare diverse prove con larghezze di passo variabili nella sezione "Nome della prova".
3. Conduci l'esperimento sulla larghezza del passo che preferisci, catturando il movimento a tre diverse velocità.
   1. Istruisci i partecipanti a camminare naturalmente lungo un percorso rettilineo con due piattaforme di forza, posizionando il piede sinistro sulla piattaforma A (Kistler) e il piede destro sulla piattaforma B (AMTI).
   2. Considerare la prova riuscita se il tempo per completare una corsa (passando sopra le piattaforme di forza) è compreso tra 0,95 e 1,05 s a 3,0 m/s o tra 0,76 e 0,86 s a 3,7 m/s. Ripetere la prova se il cronometraggio non soddisfa questi criteri per ridurre al minimo l'influenza delle fluttuazioni di velocità sulla biomeccanica della corsa. L'obiettivo principale è quello di indagare l'influenza della velocità.
      NOTA: Questi intervalli di tempo sono stati calcolati in base a velocità di marcia predefinite (3,0 m/s e 3,7 m/s) e alla distanza nota tra i cancelli di cronometraggio elettronici. Ciò garantisce che i partecipanti mantengano una velocità di corsa costante durante la prova e riflettano accuratamente le condizioni sperimentali.
   3. Chiedi ai partecipanti di correre a una velocità di 3,7 m/s su un percorso rettilineo con due piattaforme di forza.
      NOTA: Se il tempo che passa sopra la piattaforma di forza è compreso tra 0,76 e 0,86 s, considerare la prova riuscita; In caso contrario, riprovare. Assicurarsi che i partecipanti posizionino costantemente il piede sinistro sulla piattaforma A e il piede destro sulla piattaforma B. Studi precedenti hanno mostrato differenze biomeccaniche significative a varie velocità 9,10,11,12. Chiedi ai partecipanti di esercitarsi più volte prima delle prove formali per garantire un'andatura naturale. Monitora attentamente le prove, assicurandoti che la corretta esecuzione e che i marcatori rimangano al loro posto. Ogni condizione richiede almeno cinque prove di successo.
4. Misurazione della larghezza del gradino preferita e impostazione di diverse larghezze del gradino
   1. Sulla base della definizione di larghezza del passo e di ricerche precedenti, misurare la larghezza del passo preferita dai partecipanti in tre modalità di movimento 8,18,19,20. Utilizzando il sistema di acquisizione del movimento, assicurarsi che l'asse Y nel sistema di coordinate del laboratorio rappresenti la direzione mediolaterale (da un lato all'altro).
      1. Registra le coordinate dell'asse Y dei marcatori del tallone sinistro e destro durante il contatto iniziale con il suolo. Calcola la larghezza del passo preferita come la differenza nelle coordinate dell'asse Y dei due talloni, fornendo una misura diretta della distanza laterale tra i piedi.
   2. Contrassegnare le piattaforme di forza con nastri di colore diverso corrispondenti a cinque condizioni di larghezza del gradino (larghezza del gradino ridotta o aumentata del 13%, 6,5% o 25% della lunghezza della gamba). Il nastro giallo indica la larghezza del gradino preferita.
      NOTA: Studi precedenti hanno dimostrato differenze biomeccaniche significative quando la larghezza del passo cambia del 13% rispetto alla lunghezza della gamba 5,8,18,19. Sulla base di questa scoperta, introdurre ulteriori condizioni di larghezza del gradino.
   3. Chiedi ai partecipanti di camminare dritti mentre si concentrano in avanti. Assicurati che i passi del piede sinistro sul nastro giallo sulla piattaforma A e i passi del piede destro su un nastro di colore diverso sulla piattaforma B. Assegna in modo casuale colori specifici del nastro per modificare la larghezza del passo.
      NOTA: Raccogli almeno cinque prove di successo per ogni condizione di larghezza del passo.
   4. Chiedi ai partecipanti di correre a velocità di 3,0 m/s e 3,7 m/s con le cinque diverse larghezze del passo.
      NOTA: Assicurarsi che i partecipanti seguano correttamente le istruzioni e monitorare il distacco del marcatore. Raccogli almeno cinque prove di successo per ogni condizione e assicurati un tempo di riposo adeguato dopo ogni test.

5. Trattamento dei dati

1. Dopo l'esperimento, elaborare manualmente tutti i dati raccolti utilizzando un software compatibile. Collegare in sequenza i dati in base ai punti di marcatura impostati nella Tabella 1.
2. Controllare ogni traiettoria statica o dinamica per eventuali marcatori mancanti o interrotti sui partecipanti. Utilizzare lo strumento di connessione/riempimento dei punti nel software per ricollegare manualmente i marcatori mancanti, facendo riferimento ai marcatori vicini per la precisione.
3. Analizza le forze di reazione al suolo (GRF) durante le attività dinamiche impostando una soglia verticale di 20 N per rilevare il contatto con il piede e lo stacco, definendo la fase di appoggio di ogni ciclo del passo.
   NOTA: I dati GRF dal contatto del tallone allo stacco definiscono un ciclo di andatura e vengono salvati come file C3D grezzi.
4. Esporta i dati elaborati nei formati C3D, MOT, TRC e CSV. Assicurati che ogni partecipante completi circa 55 prove in condizioni statiche, di camminata e di corsa con sei diverse larghezze di passo. Utilizza i dati per confrontare la larghezza dei gradini e le caratteristiche degli arti.
   NOTA: Nonostante la stretta aderenza al protocollo, alcuni partecipanti potrebbero avere dati incompleti a causa della scomparsa della traiettoria del marcatore nel sistema dell'apparecchiatura.

6. Analisi statistica

1. Analizzare i dati utilizzando software statistici (ad esempio, SPSS, Python), concentrandosi sugli effetti dell'ampiezza del passo e della velocità di corsa sulla biomeccanica degli arti inferiori.
2. Utilizzare l'ANOVA a misure ripetute per analizzare i parametri biomeccanici, applicando la correzione di Bonferroni per test post-hoc se necessario.
3. 6.3. Utilizzare metodi non parametrici come il test di Friedman quando le ipotesi di normalità e sfericità non sono soddisfatte. Imposta tutti i livelli di significatività a p < 0,05.

Risultati

Dopo l'esperimento e l'elaborazione dei dati, la traiettoria del marcatore elaborata e i dati della forza di reazione al suolo (GRF) simulata sono stati salvati in file C3D, come indicato nella Tabella 1. La cartella C3D.zip contiene il set di dati grezzo ottenuto dall'esperimento di motion capture. Tutti i record di dati sono elencati nella Tabella 2. Il set di dati è organizzato in cartelle, ognuna delle quali rappresenta uno dei 13 partecipanti. All'...

Discussione

L'impatto della larghezza del passo sulla corsa umana è un problema sfaccettato e significativo. La larghezza del passo si riferisce alla distanza laterale tra il centro del tallone e il suolo al primo contatto di ciascun piede³. La modifica della larghezza del passo può influire sulla stabilità, l'equilibrio, la biomeccanica e il dispendio energetico durante la corsa. Ricerche precedenti suggeriscono che un aumento della larghezza del passo può ridurre l'ango...

Materiali

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