Влияние манипуляций с шириной шага на биомеханику бега

Резюме

В настоящем протоколе описывается экспериментальная установка, предназначенная для изучения влияния манипуляций с шириной шага на биомеханику бега с использованием системы захвата движения. Цель состоит в том, чтобы расширить соответствующие наборы данных и изучить влияние различной ширины шага на кинематическую цепь нижней конечности человека.

Аннотация

Ширина шага является критическим фактором, влияющим на биомеханику нижних конечностей во время бега, значительно влияя на стабильность, производительность и риск травм. Понимание этих эффектов имеет важное значение для оптимизации результатов бега и минимизации риска травм. В этом исследовании оценивалось влияние различной ширины шага на биомеханику нижних конечностей при разных скоростях бега. Тринадцать здоровых китайских мужчин (в возрасте от 20 до 24 лет) приняли участие в исследовании, бегая со скоростью 3,0 м/с и 3,7 м/с, используя шесть различных вариантов ширины шага: предпочтительную ширину шага и пять вариаций (уменьшение на 13% и 6,5% и увеличение на 6,5%, 13% и 25% в зависимости от длины ноги). Данные были собраны с помощью системы захвата движения и силовых пластин и проанализированы с помощью повторных измерений, ANOVA и корреляционных тестов. Результаты показали, что более широкая ширина шага значительно снижает пиковые моменты отведения колена и углы приведения бедра, в то время как более узкая ширина шага увеличивает нагрузку на коленный сустав. Эти результаты имеют важное значение для врачей и бегунов, предполагая, что тщательный выбор ширины шага может помочь снизить риск травм и повысить эффективность бега. Это исследование вносит свой вклад в новый набор данных, который закладывает основу для будущих исследований взаимосвязи между шириной шага и биомеханикой бега и служит ориентиром для тренировок и реабилитационных практик.

Введение

Факторы окружающей среды, в том числе пространственные и временные элементы, напрямую влияют на повседневное передвижение человека. Люди могут принимать различные позы и модели движений во время бега и ходьбы в различных условиях окружающей среды. Хорошо известно, что изменение техники бега может влиять на биомеханику тела, при этом ширина шага тесно связана со стабильностью и равновесием во время бега человека ^1,2. Ширина шага определяется как медиолатеральное расстояние между средней частью стопы и начальным контактом каждой стопы с землей, представляющее собой переменную во фронтальной плоскости³. Во время ходьбы и бега кратковременные изменения ширины шага могут влиять на биомеханику нижних конечностей в трех плоскостях ^3,4,5.

Многочисленные исследования показали, что ширина шага существенно влияет на биомеханику суставов нижних конечностей, кинематику и кинетику во время бега. Более широкая ширина шага уменьшает углы приведения бедра, моменты отведения колена и углы выворота задней части стопы, способствуя повышению стабильности и потенциально снижая риск травм ^6,7. И наоборот, более узкая ширина шага увеличивает внутреннее вращение колена и углы приведения бедра, потенциально увеличивая нагрузку на суставы. В частности, узкая ширина шага была связана с увеличенными вариациями внутреннего вращения колена и пикового момента отведения колена по сравнению с нормальной шириной шага ^6,7. Кроме того, было показано, что более широкая ширина шага снижает нагрузку на большеберцовую кость, тем самым уменьшая нагрузку на большеберцовую кость во время работы⁸. Эти результаты подчеркивают критическую роль ширины шага во влиянии на биомеханику бега, подчеркивая ее важность для оптимизации производительности и минимизации риска травм.

Исследования также показали, что скорость ходьбы и бега влияет на биомеханические параметры нижних конечностей 9,10,11,12. Тем не менее, влияние изменения ширины шага на биомеханику при различных скоростях упражнений остается неясным, и доступны ограниченные научные данные о движении человека при различных скоростях и ширине шага. Таким образом, данное исследование направлено на изучение влияния изменения ширины шага на биомеханику нижних конечностей при различных скоростях, уделяя особое внимание таким ключевым параметрам, как угол приведения бедра и момент отведения колена.

Для решения этой проблемы был создан набор данных, состоящий из 13 здоровых мужчин в возрасте 20-24 лет, включая файлы C3D и готовые к использованию кинематические данные. Участникам было предложено бежать со скоростью 3,0 м/с и 3,7 м/с, используя шесть различных ступеней. Выбор этих ширин и скоростей ступеней был основан на существующих результатах исследований и текущем состоянии наборов данных с открытым исходным кодом по биомеханике походки в литературе 13,14,15,16,17. Это исследование направлено на изучение острого влияния изменения ширины шага на кинетическую цепь нижних конечностей при одновременном расширении набора данных, чтобы предоставить ценную информацию о взаимосвязи между шириной шага и биомеханикой нижних конечностей.

протокол

Исследование получило одобрение Комитета по этике Научно-исследовательского института Университета Нинбо (номер одобрения: ty2022001). Все участники дали письменное информированное согласие после того, как были проинформированы о цели, требованиях и процедурах эксперимента. Подробная информация об используемых расходных материалах, оборудовании и программном обеспечении приведена в Таблице материалов.

1. Подготовка к эксперименту

1. Подготовка оборудования
   1. Расположите восемь инфракрасных камер в соответствующих местах во время калибровки оборудования и проверьте наличие отражений в экспериментальной зоне (например, отражающих маркеров на одежде участников). Уберите или закройте отражения и обеспечьте достаточное освещение.
   2. Вставьте сопряженный ключ шифрования в параллельный порт ПК. Запустите камеры захвата движения, программное обеспечение для слежения, усилитель силовой платформы и АЦП.
   3. Откройте программное обеспечение для слежения и дождитесь инициализации восьми камер. Убедитесь, что процесс завершен, когда индикаторы камеры изменят цвет с красного на зеленый.
   4. Переключитесь в режим камеры и разверните панель «Системные ресурсы » слева. Выберите все восемь камер.
   5. Отрегулируйте параметры на левой панели в разделе «Свойства». Установите интенсивность вспышки на 0,95-1, усиление на 1x, а режим оттенков серого на Авто. В разделе Подгонка центроида установите пороговое значение 0,2-0,4, минимальный коэффициент окружности равный 0,5 и максимальную высоту большого двоичного объекта равный 50.
   6. Расположите Т-образную раму с маркерами в центре области захвата движения. Повторно выберите все восемь камер на панели инструментов слева.
   7. Выполните калибровку на панели «Инструменты » справа. Выберите объект калибровки 5 маркеров Wand & T-Frame из списка T-образных рамок .
   8. Нажмите кнопку «Стоп» под параметром «Маскировать камеру» на панели инструментов подготовки системы. После того как экран станет синим, нажмите на кнопку еще раз, чтобы вернуть его в состояние «Стоп».
   9. Нажмите кнопку « Пуск » под опцией «Калибровка камер». Перемещайте Т-образную раму вперед и назад в пределах диапазона съемки, обеспечивая соответствие высоты качания фокусной высоте камеры. Остановитесь, когда синие индикаторы на камерах перестанут мигать.
   10. Переключите вид на 3D-перспективу и поместите Т-образную рамку обратно в центр области захвата движения. Обеспечьте согласование с границами силовой платформы.
   11. Нажмите кнопку « Пуск » под параметром «Установить источник громкости » на правой панели.
2. Подготовка напорной платформы
   1. Расположите две встроенные силовые пластины в центре области захвата движения и синхронизируйте их с частотой 1000 Гц.
   2. Отметьте шесть ступеней ширины на силовой платформе, используя ленты разных цветов, чтобы представить каждое условие, включая предпочтительную ширину шага и пять вариантов (уменьшение на 13% и 6,5% и увеличение длины ног на 25%, 13% и 6,5%). Подключите платформу к ПК для сбора данных.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что система записывает передне-задние координаты стопы (ось Y) при контакте, с желтой лентой, обозначающей предпочтительную ширину шага, и другими цветами, обозначающими варианты.
3. Подготовка системы ГРМ
   1. Поместите однолучевой электронный затвор хронометража на штатив, чтобы записывать скорость бега участников при прохождении над силовыми пластинами.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что расстояние между электронными воротами синхронизации составляет 3 м (как показано на рисунке 1).

2. Подготовка участников

1. Получите письменное информированное согласие участников, кратко объясните цель и процедуры исследования, а также поощряйте вопросы. Убедитесь, что у всех участников доминирует правая нога, чтобы свести к минимуму вариабельность.
   Примечание: В настоящем исследовании приняли участие 13 здоровых китайских мужчин, средний возраст которых составил 22,7 года, вес – 70,9 кг, а рост – 1,75 м. Убедитесь, что за последние шесть месяцев у вас не было травм нижних конечностей или деформаций стопы. Такой отбор выборки снижает влияние возраста и пола на биомеханические параметры, обеспечивая статистическую достоверность и воспроизводимость. Размер выборки достаточен для анализа влияния ширины шага на биомеханику.
2. Проинструктируйте участников носить облегающие спортивные брюки и стандартизированную экспериментальную обувь, чтобы свести к минимуму помехи при ходьбе. Снимите лишнюю одежду.
3. Собирайте и записывайте антропометрические данные: рост, вес, длину ног, ширину плеч и ширину бедер.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Измерьте длину ног от переднего верхнего подвздошного отдела позвоночника до латерального лодоколуса. Измерьте ширину плеч и ширину бедер как прямые расстояния между соответствующими анатомическими ориентирами.
4. Следите за тем, чтобы кожа участников была сухой, и прикрепляйте светоотражающие маркеры к анатомическим ориентирам с помощью двустороннего скотча.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте 38 светоотражающих маркеров с конкретными позициями и названиями надписей, подробно описанными в таблице 1. Обеспечьте точное размещение и надежное крепление маркеров. Для участков с интенсивным движением или неровными поверхностями укрепите маркеры мышечной лентой или приятным для кожи клеем. После размещения маркеров сделайте фотографии спереди, сзади и сбоку для документирования.
5. Проинструктируйте участников бегать трусцой в течение 5 минут в качестве разминки перед началом статической и динамической записи.

3. Статическая калибровка

1. Запустите программное обеспечение для отслеживания и создайте новую базу данных, выбрав «Новая база данных » на панели инструментов. В разделе « Управление данными » выберите «Новая классификация пациентов», затем «Новый пациент» и, наконец, нажмите « Новый сеанс », чтобы настроить базу данных информации об участниках.
2. Нажмите « Ввести в действие » на левой панели инструментов, затем нажмите кнопку «Разделить по горизонтали » в интерфейсе просмотра . Выберите графику для просмотра количества траекторий.
3. Нажмите на кнопку «Подготовка темы » на панели инструментов. Попросите участника встать, расставив ноги на ширине плеч, одной ногой на силовой платформе, руками параллельно плечам и глядя прямо перед собой. Нажмите « Пуск », чтобы начать сбор данных, и удерживайте положение в течение 10 секунд. Нажмите « Стоп », чтобы завершить статическую съемку.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Переключитесь в режим «3D-перспектива», чтобы убедиться, что камера сделает хотя бы один кадр, показывающий 38 отражающих маркеров на теле участника.

4. Динамические испытания

1. Сообщите участникам о необходимости подготовиться к эксперименту и перейти в экспериментальное состояние.
2. Работа с программным обеспечением
   1. Нажмите « Ввести в действие » на левой панели «Ресурсы » и «Захват» на правой панели «Инструменты ». Когда участники будут готовы, начните пробную версию, нажав на кнопку « Начать », и завершите ее, нажав на кнопку «Остановить после завершения».
      ПРИМЕЧАНИЕ: Обозначьте различные испытания с разной шириной шага в разделе «Название испытания».
3. Проведите эксперимент с предпочитаемой шириной шага, фиксируя движение с тремя разными скоростями.
   1. Проинструктируйте участников естественно идти по прямой дорожке с двумя силовыми платформами, поставив левую ногу на платформу А (Кистлер), а правую ногу на платформу Б (AMTI).
   2. Испытание можно считать успешным, если время выполнения одного пробега (прохождения над силовыми платформами) составляет 0,95-1,05 с при скорости 3,0 м/с или от 0,76 до 0,86 с при скорости 3,7 м/с. Повторите испытание, если время не соответствует этим критериям, чтобы свести к минимуму влияние колебаний скорости на биомеханику бега. Основная цель состоит в том, чтобы исследовать влияние скорости.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Эти временные диапазоны были рассчитаны на основе заранее определенных скоростей движения (3,0 м/с и 3,7 м/с) и известного расстояния между электронными затворами хронометража. Это гарантирует, что участники сохраняют постоянную скорость бега на протяжении всего испытания и точно отражают условия эксперимента.
   3. Проинструктируйте участников бежать со скоростью 3,7 м/с по прямой траектории с двумя силовыми платформами.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если время, прошедшее над силовой платформой, составляет от 0,76 до 0,86 с, считайте, что испытание прошло успешно; В противном случае повторите попытку. Убедитесь, что участники постоянно ставят левую ногу на платформу А, а правую ногу на платформу В. Предыдущие исследования показали значительные биомеханические различия при различных скоростях 9,10,11,12. Проинструктируйте участников потренироваться несколько раз перед официальными испытаниями, чтобы обеспечить естественную походку. Внимательно следите за ходом испытаний, следя за тем, чтобы маркеры оставались на месте. Для каждого условия требуется не менее пяти успешных попыток.
4. Измерение предпочтительной ширины шага и настройка разной ширины шага
   1. Основываясь на определении ширины шага и предыдущих исследованиях, измерьте предпочитаемую участниками ширину шага в трех режимах движения 8,18,19,20. Используя систему захвата движения, убедитесь, что ось Y в лабораторной системе координат представляет медиолатеральное (из стороны в сторону) направление.
      1. Запишите координаты по оси Y левого и правого пяточных маркеров во время первого контакта с землей. Рассчитайте предпочтительную ширину шага как разницу в координатах по оси Y двух каблуков, обеспечив прямое измерение бокового расстояния между ступнями.
   2. Отметьте силовые платформы лентами разного цвета, соответствующими условиям ширины шага (ширина шага уменьшена или увеличена на 13%, 6,5% или 25% длины ноги). Желтая лента указывает на предпочтительную ширину шага.
      Примечание: Предыдущие исследования продемонстрировали значительные биомеханические различия при изменении ширины шага на 13% относительно длины ноги 5,8,18,19. Основываясь на этом выводе, введите дополнительные условия ширины шага.
   3. Проинструктируйте участников идти прямо, сосредотачиваясь вперед. Убедитесь, что левая нога ступает по желтой ленте на платформе А, а правая нога ступает по ленте другого цвета на платформе Б. Случайным образом назначьте определенные цвета ленты для изменения ширины ступеньки.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Соберите не менее пяти успешных попыток для каждого условия ширины шага.
   4. Проинструктируйте участников бежать со скоростью 3,0 м/с и 3,7 м/с с пятью различными ширинами шага.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что участники правильно следуют инструкциям и следите за отделением маркеров. Соберите не менее пяти успешных испытаний для каждого состояния и обеспечьте достаточное время отдыха после каждого теста.

5. Обработка данных

1. После эксперимента вручную обработайте все собранные данные с помощью совместимого программного обеспечения. Последовательно соедините данные в соответствии с маркерными точками, установленными в таблице 1.
2. Проверьте каждую статическую или динамическую траекторию на наличие отсутствующих или прерванных маркеров на участниках. Используйте инструмент подключения/заполнения точек в программном обеспечении, чтобы вручную повторно соединить отсутствующие маркеры, обращаясь к ближайшим маркерам для точности.
3. Анализируйте силы реакции грунта (GRF) во время динамической активности, установив вертикальный порог 20 Н для обнаружения контакта ног и отрыва пальцев ног, определяя фазу положения каждого цикла ходьбы.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Данные GRF от контакта пятки до носка определяют один цикл ходьбы и сохраняются в виде необработанных файлов C3D.
4. Экспортируйте обработанные данные в форматах C3D, MOT, TRC и CSV. Убедитесь, что каждый участник выполнил около 55 испытаний в статических условиях, при ходьбе и беге с шестью различными ширинами шага. Используйте данные для сравнения ширины ступеней и характеристик конечностей.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Несмотря на строгое соблюдение протокола, некоторые участники могут иметь неполные данные из-за исчезновения траектории маркера в системе оборудования.

6. Статистический анализ

1. Анализируйте данные с помощью статистического программного обеспечения (например, SPSS, Python), уделяя особое внимание влиянию ширины шага и скорости бега на биомеханику нижних конечностей.
2. Для анализа биомеханических параметров используйте повторные измерения ANOVA, при необходимости применяя коррекцию Бонферрони для апостериорных тестов.
3. 6.3. Используйте непараметрические методы, такие как тест Фридмана, когда предположения о нормальности и сферичности не выполняются. Установите все уровни значимости на p < 0,05.

Результаты

После эксперимента и обработки данных обработанная траектория маркера и данные о смоделированной силе реакции грунта (GRF) были сохранены в файлах C3D, как показано в таблице 1. Папка C3D.zip содержит необработанный набор данных, полученный в ходе эксперимента по з?...

Обсуждение

Влияние ширины шага на бег человека является многогранной и важной проблемой. Ширина шага относится к боковому расстоянию между центром пятки и землей при первоначальном контакте каждой ноги³. Изменение ширины шага может повлиять на устойчивость, равнов...

Материалы

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