Summary
这项研究比较了在不同行走速度下计划外步态终止期间下肢的生物力学特征。使用运动分析系统和植物压力平台收集了15个正常和快速行走速度受试者的下肢运动和动能数据。
Abstract
意外刺激导致的盖特终止是日常生活中的常见现象。这项研究提出了一个协议，以调查在计划外步态终止（UGT）期间在不同的行走速度下发生的下肢生物力学变化。15名男性参与者被要求分别以正常行走速度（NWS）和快速行走速度（FWS）在人行道上表演GT。应用运动分析系统和植物压力平台收集下肢运动和植物压力数据。配对采样 T 测试用于检查下肢运动学和植物压力数据在两个行走速度之间的差异。结果显示，与 NWS 相比，在 FWS 的 UGT 期间，下垂平面的臀部、膝盖和脚踝关节的运动范围更大，前脚和脚跟区域的植物压力也更大。随着行走速度的提高，受试者表现出不同的下肢生物力学特征，显示FWS与更大的潜在伤害风险相关。
Introduction
人类运动被认为是一个极其复杂的过程，需要用多学科的方法1，2来描述。最具代表性的方面是生物力学方法的步态分析。人类步态旨在维持从启动到终止的进展，在位置运动中应保持动态平衡。虽然步态终止（GT）作为步态的子任务被广泛研究，但它受到的关注较少。麻雀和Tirosh3在其审查中将GT定义为运动控制期，当双脚根据位移和时间特征停止向前或向后移动时。与稳态步态相比，GT的执行过程要求对神经肌肉系统4的姿势稳定性和复杂的整合与合作进行更高的控制。在GT期间，身体需要迅速增加制动冲动和减少推进冲动，以形成一个新的身体平衡5，6。计划外的步态终止（UGT）是对未知刺激6的压力反应。当面对需要突然停止的意外刺激时，最初的动态平衡将会被打破。由于需要持续控制身体的质量中心（COM）和反馈控制，UGT对姿势控制和稳定性3，7提出了更大的挑战。
据报道，UGT是导致跌倒和受伤的一个重要因素，特别是在老年人和平衡障碍患者3，8。在 UGT9期间，更快的步行速度可能导致电机控制进一步下降。Ridge 等人10调查了 UGT 期间儿童在正常行走速度 （NWS） 和快速行走速度 （FWS） 期间的峰值关节角度和内部关节时刻数据。结果显示，与首选速度相比，膝盖弯曲角度和延长时刻的速度更大。他们指出，加强下肢关节周围的相关肌肉可能是在GT期间预防伤害的有用干预。
虽然在稳态步态下行走速度对下肢生物力学特征的影响已得到广泛研究，但不同行走速度下的UGT生物力学机制有限。据我们所知，只有三项研究特别评估了健康个体在速度效应9、10、14方面的表现。然而，这些研究的受试者主要是14岁老人和10岁儿童，UGT期间年轻人的生物力学机制仍不明朗。下肢运动学和植物压可以提供运动生物力学的精确分析，这些也被认为是临床步态诊断的关键组成部分15，16。例如，Serrao等人17日使用下肢运动学数据来检测小脑厌食症患者与健康患者在突然停止期间的临床差异。此外，与计划中的步态终止 （PGT） 相比，UGT 期间横向骨体中较大的峰值压力和力可以观察到7，这可能与更高的伤害风险相关。
因此，探索GT的生物力学机制可以为伤害预防和进一步的临床研究提供见解。这项研究提出了一个协议，以调查在GT期间，在不同行走速度下年轻人的任何生物力学变化。据推测，随着行走速度的提高，参与者在 UGT 期间将表现出不同的下肢生物力学特征。
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Protocol
宁波大学人类伦理委员会批准了这项实验。所有书面知情同意均在被告知 UGT 实验的目标、要求和实验程序后获得所有受试者。
1. 步态的实验室准备
- 运动学：运动捕捉系统
- 校准系统时，关闭白炽灯并移除任何可能被误认为是被动反光标记的反光对象。确保 8 台红外摄像机正确瞄准，视野清晰合理。
- 将适当的 USB 加密狗插入 PC 的平行端口。打开运动捕捉红外摄像机和模拟数字转换器。
- 打开 PC 中的跟踪软件，为 8 台红外摄像机的初始化留出时间。选择"资源"窗格的"本地系统"节点。如果硬件连接属实，每个摄像机节点都将显示绿灯。
- 调整相机视图窗格中的系统参数：将频闪强度设置为 0.95 - 1，阈值设置为 0.2 - 0.4，增益到倍 1 （x1），灰度模式到自动，最小圆形比率设置为 0.5，最大 Blob 高度设置为 50。
- 将由 5 个标记组成的 T 帧放在运动捕获区域的中心。使用 2D 模式选择所有摄像机，并确认它们可以在没有任何干扰和/或人工制品的情况下查看校准棒 （T 帧）。单击工具栏中的"系统准备"项，从 T 帧下拉列表中选择5 个标记 Wand & T 帧校准对象。
- 在"工具"窗格中，选择"系统准备"按钮，然后单击"校准摄像机"部分中的"开始"按钮。然后在捕获范围内实际挥动 T 帧。当红外摄像机上的蓝光停止闪烁时，停止操作。监控进度栏，直到校准过程以"100%"完成，并返回到"0%"。
注意：确保 图像错误 值小于 0.3。 - 将 T 帧放在地板上（运动捕获区域的中心），并确保 T 帧的轴与标题方向一致。
- 在工具窗格中的"设置音量原点"部分下选择"开始"按钮。
- 植物压力：压力平台
- 将2米压力平台放在测试区中心。请注意压力平台周围显示的八台红外摄像机。
- 以线性方式将压力平台分为四个平均区域，A、B、C 和 D（每个区域为 50 厘米 * 50 厘米），并使用字母标签 /贴纸（图 1）来区分它们。
- 通过专有数据电缆保持 PC 和压力平台连接。
- 双击桌面上的软件图标。
- 单击校准屏幕上的"重量校准"，输入工作人员的身体质量。请他或她站在压力平台上，等待系统自动完成校准，然后他/她才能离开压力平台。
图1：实验协议。如果受试者在脚跟接触区域（A）时收到终止信号，则执行 UGT，以便受试者停止在区域（B）内。运动和植物压力数据是同步收集的。 请单击此处查看此图的更大版本。
2. 参与者准备
- 在 UGT 测试之前，面试所有受试者，并给他们提供有关实验目标和程序的简单解释。获得符合关键包容性标准的受试者的书面知情同意。
- 包括身体活跃的男性成年人，以右腿为主，没有任何听力障碍，没有下肢障碍，在过去六个月没有受伤。
注：15名男性受试者（年龄：24.1岁±0.8岁;身高：175.7±2.8厘米;体重：68.3±3.3公斤;脚长：252.7±2.1毫米）符合实验条件的受试者包括在本次测试中。
- 包括身体活跃的男性成年人，以右腿为主，没有任何听力障碍，没有下肢障碍，在过去六个月没有受伤。
- 允许所有受试者填写问卷调查。
注：问题包括：您是否有过跑步或其他体育活动的历史？你一周多久做一次体育活动？你有专业的运动训练吗？在过去的六个月里，你是否患有任何下肢疾病和受伤？ - 确保所有受试者都穿相同的T恤和紧身裤。
- 使用 Vernier 卡钳或小型人类计测量受试者的站立高度（mm）和体重（kg）、下肢长度（mm）、膝盖宽度（mm）和左腿和右腿的脚踝宽度（mm）。
注意：测量从上部小脊椎到脚踝内膜的下肢长度：膝盖宽度从横向到中膝慰问：脚踝宽度从横向到中间脚踝宽度。 - 酌情剃掉体毛，用酒精湿巾去除多余的汗液。准备解剖骨质地标的皮肤区域，用于在关节和段上放置标记。
注：本研究使用了16个反射标记18个，包括前上级腹腔脊柱（LASI/RASI）、后部侧脊柱（LPSI/RPSI）、横向中大腿（LTHI/RTHI）、侧膝 （LKNE/RKNE）、横向中棚（LTIB/RTIB）、横向马列奥卢斯（LANK/RANK）、第二个元骨头（LTOE/RTOE）和卡尔卡努斯（LHEE/RHEE）（图2）。 - 识别 16 个解剖地标。在地标上，用双面胶带附加被动反光标记。
- 给每个科目5分钟来适应测试环境，用轻盈的跑步和伸展来热身。
图2：连接到下肢的反光标记。（A） 侧、 （B） 正面和（C）后方。 请单击此处查看此图的更大版本。
3. 静态校准
- 运动学：运动捕捉系统
- 在跟踪软件中，在工具栏中查找"新数据库"以构建数据库。单击"数据管理"以打开"数据管理"窗格并单击"新患者分类"、"新患者"和"新会话"按钮。返回"资源"窗口，选择"创建新主题"按钮创建主题，并在"属性"窗格中输入高度（mm）、体重（kg）、腿长（mm）、膝盖宽度（mm）和脚踝宽度（mm）值。
- 单击"上线"，然后单击"视图"窗格中的"水平拆分"。然后选择图形来查看轨迹计数。
注：检查"3D 透视"窗格，以确保所有 16 个标记均可见。 - 要求受试者在区域 A. 单击主题捕获部分中的"开始"以捕获静态模型。在单击"停止"按钮之前，捕获了大约 200 帧图像。
- 在"工具"窗格中，查找"管道"按钮，然后单击"运行重建管道"，以构建所有捕获标记的新 3D 图像。在标记列表中标识，并手动将相应的标签应用到标记上。保存并按"ESC"键退出。
- 在工具栏中选择"主题准备"和"主题校准"，并在下拉菜单中选择"静态插件步态"选项。
- 在"静态设置"窗格中选择"左脚"和"右脚"，然后单击"开始"。然后保存静态模型。
- 植物压力：压力平台
- 在软件中，单击"数据库"以添加新患者。并在"添加患者"窗格中输入指定的主题编号。然后，单击"添加"。
- 单击"动态"并输入体重和鞋码。然后，单击"确定"。
4. 动态试验
- 要求主题处于起始位置。
- 软件操作
注：两种软件启动（运动捕捉系统：点击"捕获"按钮：压力平台：单击"捕获"按钮并结束（运动捕获系统：单击"停止"按钮：压力平台：同时单击"保存测量"按钮。- 运动学：运动捕捉系统
- 在"资源"窗格中选择"上线"按钮，然后单击右侧工具栏中的"捕获"。从上到下查找"试用类型"和"会话"并编辑"试用"描述。
- 要求受试者执行 4.3 中描述的 UGT 测试。
- 完成 UGT 测试后，单击"停止"以结束数据收集试用。重复上述步骤5次。
- 植物压力：压力平台
- 在开始 UGT 试验之前，请选择"测量"按钮。
- 完成 UGT 测试后，单击"保存测量"按钮以保存数据。重复上述步骤5次。
- 运动学：运动捕捉系统
- 乌格特试验
- 要求受试者在 NWS 的走道上行走，并指示他们分别使用占统治地位的腿部和非支配腿通过 A 区和 B 区，最后在压力平台的 D 区停留。
- 当提供终止信号时，请告知受试者，他们需要在 B 区快速停止。
- 脚跟接触 A 区时随机提供终止信号，确保执行 UGT 并在 B 区（图 1）上快速停止受试者。工作人员通过随机敲响红铃发出终止信号，振铃概率控制在20%左右。至少连续捕获五次 UGT 试验。
注：两次试验之间有2分钟的休息间隔。 - 使用压力平台软件计算每个受试者的行走速度。然后，将 FWS 计算为 NWS 的 125%。
- 重复上述 FWS 的 UGT 测试。使用 FWS 协议捕获至少 5 次连续的 UGT 试验。
5. 后处理
- 运动学：运动捕捉系统
- 在工具栏中查找"数据管理"按钮，并在"数据管理"窗格中双击试用名称。然后选择"重建"和"标签"来重建3D动态模型。
- 在"时间"栏上，移动蓝色三角形以设置所需的时间范围（用于 UGT 期间的姿态阶段）。
- 点击"时间"栏。然后单击"上下文"菜单中的"放大到感兴趣的区域"。
- 单击"标签"按钮以识别和检查标签点。确保步骤与静态识别过程相同。
注意：填写一些不完整的标识标记并删除未标记标记（如有必要）。 - 选择"主题校准"窗格中的"动态插件盖特"。然后单击"开始"按钮以运行数据。以".csv"格式导出动态试验，用于以下数据分析。
- 使用截断频率为 10 Hz 的第四阶低通黄油沃思过滤器，并导出联合角度的数据。
- 计算下垂平面中三个关节（臀部、膝盖和脚踝）的运动范围（ROM）。
注意：定义下垂运动平面上臀部、膝盖和脚踝的最大角度和最小角度之间的差异。 - 计算每个试验的十项试验（NWS为5项，FWS为5项）的均值（M）和标准偏差（SD）。
- 植物压力：压力平台
- 从相应科目的"测量"菜单中选择试用名称。单击"动态"按钮以打开数据。
- 单击"手册"选择。使用"左鼠标"按钮选择感兴趣的步骤（GT 期间的姿态阶段）。单击"确定"按钮以保存。
- 单击"区域划分"和"手动区域选择"进行调整。然后单击"接受"按钮进行保存。
- 打开"压力力"屏幕，单击"图形构图"按钮，打开"区域图形构图"窗口。划分 10 个解剖区域，包括大脚趾 （BT）、其他脚趾 （OT）、第一元音 （M1）、第二元音体 （M2）、第三元数据（M3）、第四元音 （M4）、第五元音 （M5）、中脚 （MF）、中脚跟 （MH） 和横向脚跟 （LH）。然后单击"确定"按钮以保存。
- 单击"参数表"以导出植物压力数据，包括最大压力、最大力和接触区域。
- 计算每个试题 10 次试验的均值和 SD（NWS 为 5 次，FWS 为 5 次）。
6. 统计分析
- 执行夏皮罗-威尔克斯测试，检查所有变量的正常分布。使用配对采样的 T 测试来比较 NWS 和 FWS 的 UGT 期间的下肢运动学和植物压力数据。将意义级别设置为p<0.05。
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Representative Results
15 个科目的 NWS 和 FWS 的平均和 SD 值分别为 1.33 ± 0.07m/s 和 1.62 ± 0.11m/s。
图 3 显示在 Nws 和 Fws 的 Ugt 期间， 下垂平面中臀部、膝盖和脚踝关节的平均 ROM 。与 NWS 相比，FWS 的三个接头的 ROM 显著增加（p<：0.05）。详细说来，臀部、膝盖和脚踝关节的ROM从22.26±3.03， 29.72 ± 5.14 和 24.92 ± 4.17 到 25.98 ± 2.94， 31.61 ± 4.34 和 28.05 ± 5.59 （图 3） 。
图3：在 UGT 以不同速度进行下垂平面中三个关节的 ROM。错误栏表示标准偏差。*表示意义级别（p<：0.05）。 请单击此处查看此图的更大版本。
图4：植物压力数据。这包括 UGT 期间以不同速度的最大压力（A）、最大力（B）和接触区域（C）。错误栏表示标准偏差。*表示意义级别（p<：0.05）。 请单击此处查看此图的更大版本。
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Discussion
在 UGT 期间分析步态生物力学的大多数先前研究在生物力学评估中忽略了行走速度的重要性。因此，本研究调查了 NWS 和 FWS UGT 中发生的下肢生物力学变化，目的是揭示与速度相关的影响。
在 Nws 和 Fws 的 Ugt 期间， 在下垂平面的臀部、膝盖和脚踝关节的 ROM 上发现了显著差异。我们的发现显示，在 FWS 的 UGT 期间，下垂平面中 3 个关节的 ROM 与 NWS 相比更大。这些结果与先前关于步行19时速度影响的研究基本一致。Ridge 等人10发现， 在 Fws 的 Ugt 期间， 膝盖和臀部关节的峰值弯曲角度比 Nws 更大。更大的下垂膝盖ROM可能是一个补偿运动，由于步态速度增加20，由于在GT期间膝盖撞击更大。受试者稳定与更大的范围的臀部，膝盖和脚踝关节运动，这可能有助于更快的终止时间，但也可能需要更大的关节扩展活动，以稳定21。
还必须提到，与 NWS 相比，FWS UGT 期间所有解剖区域的植物压力数据（包括最大压力、最大力和接触面积）都有所增加。对于最大的压力和力量，显著的差异主要集中在前脚和脚跟，这与先前的研究22是一致的。在这项研究中，虽然横向骨体中的植物压也增加了，但速度之间没有显著差异。在GT7期间，中间-横向植物压力之间的不平衡可能导致中间-横向稳定性下降。脚跟的过度峰值压力可能会增加脚伤的风险，如应力性骨折23，24。此外，在MH和LH中表现出显著增加的接触区域，这可能与在终端摆动阶段后最初与地面接触的钙化物有关，并且大部分身体质量在本阶段25期间被加载。
结果取决于协议中的几个关键步骤。首先，识别解剖地标并准确地将标记贴在受试者的皮肤上。确保标记牢固地放置在皮肤上，用低过敏性双面胶带，以减少标记下降或移动的可能性。其次，向固定阶段的受试者发送终止信号至关重要。为了减少错误，所有试验中发送的信号由同一工作人员执行。第三，确保人工划分植物解剖区域的准确性。此外，本研究还存在某些限制，也应予以注意。首先，没有女性参与这项研究，这项研究最初是为了控制变量。其次，研究没有收集下肢肌肉活动。肌肉活化在 UGT9、14期间解释下肢生物力学特征中很重要，我们愿意在未来的研究中研究行走速度对下肢肌肉活动的影响，以便对 UGT 期间的生物力学机制有更多见解。
本研究结果表明，随着行走速度的增量，受试者在 UGT 期间表现出不同的下肢生物力学特征。这一结果可能表明，步行速度的提高，特别是在FWS可能会带来更大的潜在伤害风险。此外，考虑到先前探讨过的植物压、下肢关节运动学和运动损伤之间的关系，这项研究的结果表明，不同速度的步态终止试验可以用作临床生物力学表现诊断和康复治疗评估的有效工具。
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Disclosures
作者没有报告任何潜在的利益冲突。
Acknowledgments
NSFC-RSE联合项目（81911530253）、中国国家重点研发项目（2018YFF0300905）和宁波大学王麦格纳基金K.C。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 14 mm Diameter Passive Retro-reflective Marker | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | n=16 | |
| Double Adhesive Tape | Minnesota Mining and Manufacturing Corporation, Minnesota, USA | For fixing markers to skin | |
| Motion Tracking Cameras | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | n= 8 | |
| T-Frame | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | - | |
| Valid Dongle | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | Vicon Nexus 1.4.116 | |
| Vicon Datastation ADC | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | - | |
| Pressure platform | RSscan International, Olen, Belgium | - |
References
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