Running Biomechanics에 대한 Step-Width Manipulation의 영향

요약

본 프로토콜은 모션 캡처 시스템을 사용하여 생체 역학 실행에 대한 스텝 폭 조작의 영향을 조사하기 위해 고안된 실험 설정을 간략하게 설명합니다. 목표는 관련 데이터 세트를 확장하고 다양한 보폭 폭이 인간 하지의 운동학적 사슬에 미치는 영향을 조사하는 것입니다.

초록

보폭은 달리기 중 하지 생체 역학에 영향을 미치는 중요한 요소로, 안정성, 성능 및 부상 위험에 큰 영향을 미칩니다. 이러한 영향을 이해하는 것은 달리기 성능을 최적화하고 부상 위험을 최소화하는 데 필수적입니다. 이 연구는 서로 다른 달리기 속도에서 하지 생체 역학에 대한 다양한 보폭 효과의 효과를 평가했습니다. 13명의 건강한 중국 남성(20-24세)이 연구에 참여하여 6가지 뚜렷한 보폭 : 선호하는 보폭과 5가지 변형(다리 길이에 따라 13% 및 6.5% 감소, 6.5%, 13% 및 25% 증가)을 사용하여 3.0m/s 및 3.7m/s의 속도로 달렸습니다. 데이터는 모션 캡처 시스템과 포스 플레이트를 사용하여 수집되었으며 반복 측정, ANOVA 및 상관 관계 테스트를 통해 분석되었습니다. 그 결과, 보폭이 넓을수록 무릎 외전이 가장 많이 발생하는 모멘트와 고관절 내전각이 유의하게 감소하는 반면, 보폭이 좁을수록 무릎 관절 부하가 증가하는 것으로 나타났습니다. 이러한 결과는 임상의와 달리기 선수에게 중요한 의미를 가지며, 신중한 보폭 선택이 부상 위험을 줄이고 달리기 효율성을 향상시키는 데 도움이 될 수 있음을 시사합니다. 이 연구는 보폭과 달리기 생체 역학 간의 관계에 대한 향후 연구의 토대를 마련하고 교육 및 재활 실습을 위한 참고 자료 역할을 하는 새로운 데이터 세트에 기여합니다.

서문

공간적, 시간적 요소를 포함한 환경적 요인은 인간의 일상 생활에 직접적인 영향을 미칩니다. 개인은 다양한 환경 조건에서 달리고 걷는 동안 다른 자세와 움직임 패턴을 채택할 수 있습니다. 달리기 기술의 변경이 신체 생체 역학에 영향을 미칠 수 있다는 것은 잘 알려진 사실이며, 보폭은 인간이 달리는 동안 안정성 및 균형과 밀접한 관련이 있습니다 ^1,2. 스텝 너비는 중앙 발과 각 발의 초기 지면 접촉 사이의 중간 거리로 정의되며, 정면 평면³의 변수를 나타냅니다. 걷기와 달리기 동안, 보폭의 단기적인 변화는 3개의 평면에 걸친 하지 생체 역학에 영향을 미칠 수 있다 ^3,4,5.

수많은 연구에서 보폭이 달리기 중 하지 관절, 운동학 및 운동학의 생체 역학에 큰 영향을 미친다는 것이 입증되었습니다. 보폭이 넓어지면 고관절 내전각, 무릎 외전 모멘트, 뒷발 외전 각도가 줄어들어 안정성이 향상되고 부상 위험을 낮출 수 있다 ^6,7. 반대로, 보폭이 좁을수록 무릎 내부 회전과 고관절 내전각이 증가하여 잠재적으로 관절 부하가 증가할 수 있습니다. 특히, 좁은 보폭 폭은 정상 보폭 ^6,7 에 비해 무릎 내회전 및 최대 무릎 외전 토크의 변동 증가와 관련이 있습니다. 또한, 더 넓은 스텝 너비는 경골 하중을 줄여 달리기 중 경골에 가해지는 스트레스를 줄이는 것으로 나타났습니다⁸. 이러한 결과는 러닝 생체 역학에 영향을 미치는 보폭의 중요한 역할을 강조하며, 성능을 최적화하고 부상 위험을 최소화하는 데 있어 스텝 폭의 중요성을 강조합니다.

연구에 따르면 걷기와 달리기 속도가 하지 ^9,10,11,12의 생체 역학적 매개변수에 영향을 미친다는 사실이 입증되었습니다. 그러나 다양한 운동 속도에서 생체 역학에 대한 보폭 변화의 영향은 불분명하며 다양한 속도 및 보폭 조건에서 인간의 움직임에 관한 과학적 데이터는 제한적입니다. 따라서 본 연구는 고관절 내전각 및 무릎 외전 모멘트와 같은 주요 매개변수에 초점을 맞춰 다양한 속도에서 하지 생체 역학에 대한 보폭 변화의 영향을 조사하는 것을 목표로 합니다.

이 문제를 해결하기 위해 20-24세의 건강한 남성 참가자 13명으로 구성된 C3D 파일과 바로 사용할 수 있는 운동학 데이터를 포함한 데이터 세트가 구축되었습니다. 참가자들은 6개의 뚜렷한 계단 너비를 사용하여 3.0m/s 및 3.7m/s의 속도로 달리도록 지시받았습니다. 이러한 보폭과 속도의 선택은 기존 연구 결과와 문헌 13,14,15,16,17의 보행 생체 역학에 대한 오픈 소스 데이터 세트의 현재 상태에 의해 알려졌습니다. 이 연구는 하지 운동 사슬에 대한 보폭 변화의 급격한 영향을 조사하는 동시에 데이터 세트를 확장하여 보폭 및 하지 생체 역학 간의 관계에 대한 귀중한 통찰력을 제공하는 것을 목표로 합니다.

프로토콜

이 연구는 닝보대학교 연구소 윤리위원회(Ethics Committee)의 승인을 받았다(승인번호: ty2022001). 모든 참가자는 실험의 목적, 요구 사항 및 절차에 대한 브리핑을 받은 후 서면 동의서를 제공했습니다. 사용된 소모품, 장비 및 소프트웨어에 대한 자세한 내용은 재료 표에 나열되어 있습니다.

1. 실험 준비

1. 장비 준비
   1. 장비 보정 중에 8개의 적외선 카메라를 적절한 위치에 배치하고 실험 영역에 반사가 있는지 확인합니다(예: 참가자의 옷에 반사 마커). 반사를 제거하거나 덮고 충분한 조명을 확보하십시오.
   2. 페어링된 암호화 동글을 PC의 병렬 포트에 삽입합니다. 모션 캡처 카메라, 추적 소프트웨어, 힘 플랫폼 증폭기 및 ADC를 시작합니다.
   3. 추적 소프트웨어를 열고 8개의 카메라가 초기화될 때까지 기다립니다. 카메라 표시등이 빨간색에서 녹색으로 바뀌면 프로세스가 완료되었는지 확인합니다.
   4. 카메라 모드로 전환하고 왼쪽의 시스템 리소스 패널을 확장합니다. 8개의 카메라를 모두 선택합니다.
   5. 속성 아래의 왼쪽 패널에서 설정을 조정합니다. 플래시 강도를 0.95-1로, 게인을 1배로, 그레이스케일 모드를 자동으로 설정합니다. Centroid Fitting(중심 맞춤)에서 임계값을 0.2-0.4로, 최소 원형도 비율을 0.5로, 최대 blob 높이를 50으로 설정합니다.
   6. 마커가 있는 T-프레임을 모션 캡처 영역의 중앙에 배치합니다. 왼쪽의 도구 모음에서 8개의 카메라를 모두 다시 선택합니다.
   7. 오른쪽의 도구 패널에서 보정을 수행합니다. T-프레임 목록에서 5 마커 완드 & T-프레임 캘리브레이션 개체를 선택합니다.
   8. 시스템 준비 도구 패널의 마스크 카메라 옵션 아래에 있는 중지 버튼을 클릭합니다. 화면이 파란색으로 바뀐 후 버튼을 다시 클릭하여 중지 상태로 되돌립니다.
   9. Calibrate Cameras 옵션에서 시작 버튼을 클릭합니다. 캡처 범위 내에서 T-프레임을 앞뒤로 움직여 스윙 높이가 카메라의 초점 높이와 일치하도록 합니다. 카메라의 파란색 표시등이 깜박임을 멈추면 중지하십시오.
   10. 뷰를 3D 투시로 전환하고 T-프레임을 모션 캡처 영역의 중심에 다시 배치합니다. 힘 플랫폼 경계와의 정렬을 확인합니다.
   11. 오른쪽 패널의 Set Volume Origin 옵션 아래에 있는 시작 버튼을 클릭합니다.
2. 압력 플랫폼 준비
   1. 모션 캡처 영역의 중앙에 두 개의 내장된 포스 플레이트를 배치하고 1000Hz에서 동기화합니다.
   2. 선호하는 계단 너비와 5가지 변형(다리 길이의 25%, 13% 및 6.5% 증가)을 포함하여 각 조건을 나타내기 위해 서로 다른 색상의 테이프를 사용하여 포스 플랫폼에 6개의 계단 너비를 표시합니다. 데이터 수집을 위해 플랫폼을 PC에 연결합니다.
      알림: 시스템이 접촉 시 발의 전방-후방(Y축) 좌표를 기록하고 노란색 테이프는 선호하는 계단 너비를 표시하고 다른 색상은 변화를 나타내는지 확인합니다.
3. 타이밍 시스템 준비
   1. 삼각대에 단일 빔 전자 타이밍 게이트를 배치하여 참가자가 포스 플레이트를 통과할 때 참가자의 실행 속도를 기록합니다.
      알림: 전자 타이밍 게이트 사이의 거리가 3m인지 확인합니다( 그림 1 참조).

2. 참가자 준비

1. 참가자로부터 서면 동의서를 얻고, 연구의 목적과 절차를 간략하게 설명하고, 질문을 장려합니다. 변동성을 최소화하기 위해 모든 참가자가 오른쪽 다리가 우세한지 확인합니다.
   참고: 본 연구는 평균 연령 22.7세, 체중 70.9kg, 키 1.75m의 건강한 중국 남성 13명을 대상으로 합니다. 지난 6개월 동안 하지 부상이나 발 기형이 없는지 확인하십시오. 이 샘플 선택은 생체 역학 매개변수에 대한 연령과 성별의 영향을 줄여 통계적 타당성과 재현성을 보장합니다. 표본 크기는 생체 역학에 대한 스텝 폭의 영향을 분석하기에 충분합니다.
2. 참가자들에게 보행 방해를 최소화하기 위해 꽉 끼는 운동 바지와 표준화된 실험용 신발을 착용하도록 지시합니다. 여분의 옷을 벗으십시오.
3. 인체 측정 데이터를 수집하고 기록합니다: 키, 몸무게, 다리 길이, 어깨 너비 및 엉덩이 너비.
   참고: 전방 상장골 척추에서 외측 추골까지 다리 길이를 측정합니다. 어깨 너비와 엉덩이 너비를 각각의 해부학적 랜드마크 사이의 직접적인 거리로 측정합니다.
4. 참가자의 피부를 건조하게 유지하고 양면 테이프를 사용하여 해부학적 랜드마크에 반사 마커를 부착합니다.
   참고: 표 1에 자세히 설명된 특정 위치와 레이블 이름이 있는 38개의 반사 마커를 사용합니다. 마커의 정확한 배치와 안전한 부착을 보장합니다. 움직임이 많거나 표면이 고르지 않은 영역의 경우 근육 테이프 또는 피부 친화적인 접착제로 마커를 강화하십시오. 마커를 배치한 후 문서화를 위해 앞, 뒤, 측면에서 사진을 찍습니다.
5. 참가자들에게 정적 및 동적 녹음을 시작하기 전에 워밍업으로 5분 동안 조깅하도록 지시합니다.

3. 정적 교정

1. 추적 소프트웨어를 실행하고 도구 모음에서 새 데이터베이스를 선택하여 새 데이터베이스를 만듭니다. Data Management(데이터 관리 ) 섹션에서 New Patient Classification(새 환자 분류)을 선택한 다음 New Patient(새 환자)를 선택하고 마지막으로 New Session(새 세션 )을 클릭하여 참가자 정보 데이터베이스를 설정합니다.
2. 왼쪽 도구 모음에서 Go Live를 클릭한 다음 보기 인터페이스에서 Split horizontal 버튼을 사용합니다. 궤적 개수를 보려는 그래픽을 선택합니다.
3. 도구 모음에서 Subject Preparation(주제 준비 )을 클릭합니다. 참가자에게 발을 어깨너비로 벌리고 한 발을 포스 플랫폼에 놓고 팔을 어깨와 평행하게 서서 똑바로 앞을 바라보도록 지시합니다. 시작을 클릭하여 데이터 수집을 시작하고 10초 동안 위치를 유지합니다. Stop( 중지 )을 클릭하여 정적 캡처를 완료합니다.
   참고: "3D 투시" 모드로 전환하여 카메라가 참가자의 신체에 있는 38개의 반사 마커를 보여주는 프레임을 하나 이상 캡처하도록 합니다.

4. 동적 시도

1. 참가자들에게 실험을 준비하고 실험 상태로 들어가도록 알립니다.
2. 소프트웨어 작업
   1. 왼쪽 Resources 패널에서 Go Live를 클릭하고 오른쪽 Tools 패널에서 Capture를 클릭합니다. 참가자가 준비되면 시작을 클릭하여 평가판을 시작하고 완료 후 중지를 클릭하여 종료합니다.
      참고: "Trial Name" 섹션에서 다양한 단계 너비를 가진 다른 시도에 레이블을 지정합니다.
3. 선호하는 스텝 너비 실험을 수행하여 세 가지 다른 속도로 모션을 캡처합니다.
   1. 참가자들에게 왼발은 플랫폼 A(Kistler)에, 오른발은 플랫폼 B(AMTI)에 놓고 두 개의 힘 플랫폼이 있는 직선 경로를 따라 자연스럽게 걷도록 지시합니다.
   2. 한 번의 실행(힘 플랫폼 통과)을 완료하는 데 걸리는 시간이 3.0m/s에서 0.95-1.05초 사이 또는 3.7m/s에서 0.76-0.86초 사이인 경우 시도가 성공한 것으로 간주합니다. 타이밍이 이러한 기준을 충족하지 않는 경우 시도를 반복하여 실행 중인 생체 역학에 대한 속도 변동의 영향을 최소화합니다. 주요 목표는 속도의 영향을 조사하는 것입니다.
      참고: 이러한 시간 범위는 사전 정의된 실행 속도(3.0m/s 및 3.7m/s)와 전자 타이밍 게이트 사이의 알려진 거리를 기반으로 계산되었습니다. 이를 통해 참가자는 시험 전반에 걸쳐 일관된 실행 속도를 유지하고 실험 조건을 정확하게 반영할 수 있습니다.
   3. 참가자들에게 두 개의 힘 플랫폼이 있는 직선 경로에서 3.7m/s의 속도로 달리도록 지시합니다.
      참고: 포스 플랫폼을 통과하는 시간이 0.76-0.86초 사이인 경우 시도가 성공적인 것으로 간주됩니다. 그렇지 않으면 다시 시도하십시오. 참가자가 왼발을 플랫폼 A에, 오른발을 플랫폼 B에 일관되게 놓도록 합니다. 이전 연구에서는 다양한 속도에서 상당한 생체 역학적 차이를 보여주었습니다 ^9,10,11,12. 참가자들에게 자연스러운 보행을 보장하기 위해 공식 시험 전에 여러 번 연습하도록 지시합니다. 임상시험을 면밀히 모니터링하여 올바른 실행과 마커가 제자리에 유지되도록 합니다. 각 질환은 최소 5번의 성공적인 시도가 필요합니다.
4. 선호하는 스텝 너비를 측정하고 다양한 스텝 너비를 설정합니다
   1. 걸음 폭의 정의와 이전 연구를 바탕으로 세 가지 이동 모드에서 참가자가 선호하는 걸음 폭을 측정합니다 ^8,18,19,20. 모션 캡처 시스템을 사용하여 실험실 좌표계의 Y축이 중간(좌우) 방향을 나타내는지 확인합니다.
      1. 초기 지면 접촉 중 왼쪽 및 오른쪽 발뒤꿈치 마커의 Y축 좌표를 기록합니다. 두 발뒤꿈치의 Y축 좌표의 차이로 선호하는 스텝 너비를 계산하여 발 사이의 측면 거리를 직접 측정합니다.
   2. 5단계 너비 조건(다리 길이의 13%, 6.5% 또는 25%만큼 보폭 감소 또는 증가)에 해당하는 다양한 색상의 테이프로 포스 플랫폼을 표시합니다. 노란색 테이프는 선호하는 스텝 너비를 나타냅니다.
      참고: 이전 연구에서는 다리 길이 ^5,8,18,19에 비해 보폭이 13% 변할 때 상당한 생체역학적 차이를 보여주었습니다. 이 결과를 바탕으로 추가 스텝 너비 조건을 도입합니다.
   3. 참가자들에게 앞을 집중하면서 똑바로 걷도록 지시합니다. 왼발은 플랫폼 A의 노란색 테이프를 밟고 오른발은 플랫폼 B의 다른 색상 테이프를 밟도록 합니다. 특정 테이프 색상을 무작위로 할당하여 계단 너비를 변경합니다.
      참고: 각 단계 너비 조건에 대해 최소 5개의 성공적인 시도를 수집합니다.
   4. 참가자들에게 5가지 계단 너비로 3.0m/s 및 3.7m/s의 속도로 달리도록 지시합니다.
      참고: 참가자가 지침을 올바르게 따르도록 하고 마커 분리를 모니터링합니다. 각 상태에 대해 최소 5번의 성공적인 시도를 수집하고 각 테스트 후에 적절한 휴식 시간을 확보합니다.

5. 데이터 처리

1. 실험이 끝나면 호환되는 소프트웨어를 사용하여 수집된 모든 데이터를 수동으로 처리합니다. 표 1에 설정된 마커 포인트에 따라 데이터를 순차적으로 연결합니다.
2. 각 정적 또는 동적 궤적에서 참가자에서 누락되거나 중단된 마커가 있는지 확인합니다. 소프트웨어의 점 연결/채우기 도구를 사용하여 누락된 마커를 수동으로 다시 연결하고 정확성을 위해 근처의 마커를 참조합니다.
3. 발 접촉과 발가락 분리를 감지하기 위해 20N의 수직 임계값을 설정하여 동적 활동 중 지면 반력(GRF)을 분석하고 각 보행 주기의 자세 단계를 정의합니다.
   참고: 발뒤꿈치 접촉부터 발가락 분리까지의 GRF 데이터는 하나의 보행 주기를 정의하고 원시 C3D 파일로 저장됩니다.
4. 처리된 데이터를 C3D, MOT, TRC 및 CSV 형식으로 내보냅니다. 각 참가자가 6개의 서로 다른 단계 너비로 정지, 보행 및 달리기 조건에서 약 55번의 시도를 완료하도록 합니다. 데이터를 사용하여 계단 너비와 사지 특성을 비교합니다.
   참고: 엄격한 프로토콜 준수에도 불구하고 일부 참가자는 장비 시스템에서 마커 궤적이 사라지기 때문에 불완전한 데이터를 가질 수 있습니다.

6. 통계 분석

1. 통계 소프트웨어(예: SPSS, Python)를 사용하여 하지 생체 역학에 대한 보폭 및 실행 속도의 영향에 초점을 맞춰 데이터를 분석합니다.
2. 반복 측정 ANOVA를 사용하여 생체역학적 매개변수를 분석하고, 필요한 경우 사후 테스트에 Bonferroni 보정을 적용합니다.
3. 6.3. 정규성과 구형도 가정이 충족되지 않을 때 Friedman 테스트와 같은 비모수 방법을 사용합니다. 모든 유의 수준을 p < 0.05로 설정합니다.

결과

실험 및 데이터 처리 후 처리된 마커 궤적 및 시뮬레이션된 지상 반력(GRF) 데이터는 표 1에 설명된 대로 C3D 파일에 저장되었습니다. C3D.zip 폴더에는 모션 캡처 실험에서 얻은 원시 데이터 세트가 포함되어 있습니다. 모든 데이터 레코드는 표 2에 나열되어 있습니다. 데이터 세트는 각각 13명의 참가자 중 하나를 나타내는 폴더로 구성됩니다. 이러한...

토론

보폭이 인간의 달리기에 미치는 영향은 다면적이고 중요한 문제입니다. 스텝 너비는 각 발의 초기 접촉 시 뒤꿈치 중심과 지면 사이의 측면 거리를 나타냅니다³. 보폭을 변경하면 달리기 중 안정성, 균형, 생체 역학 및 에너지 소비에 영향을 미칠 수 있습니다. 이전 연구에서는 보폭이 증가하면 고관절 내전 각도, 무릎 외전 모멘트 및 최대 임펄스가 감소...

자료

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