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方法文章

步宽调控对跑步生物力学的影响

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DOI：

10.3791/67152

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2025年2月28日

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1Faculty of Sports Science, Ningbo University, 2Auckland Bioengineering Institute, The University of Auckland

本文内容

摘要

本实验方案旨在介绍一种利用运动捕捉系统研究步宽变化对跑步生物力学影响的实验设置。其目标是扩展相关数据集，并探讨不同步宽对人下肢运动链的影响。

摘要

步宽是影响跑步过程中下肢生物力学的关键因素，显著作用于稳定性、运动表现及损伤风险。理解这些影响对于优化跑步表现和降低损伤风险至关重要。本研究评估了在不同跑步速度下，步宽变化对下肢生物力学的影响。13名健康的中国男性（年龄20–24岁）参与了实验，以3.0 m/s和3.7 m/s的速度进行跑步，采用六种不同的步宽：偏好步宽以及基于腿长计算的五种变化（分别减少13%和6.5%，增加6.5%、13%和25%）。通过运动捕捉系统和测力台采集数据，并采用重复测量方差分析和相关性检验进行分析。结果表明，较宽的步宽显著降低了膝关节外展力矩峰值和髋关节内收角度，而较窄的步宽则增加了膝关节负荷。这些发现对临床医生和跑步者具有重要意义，提示合理选择步宽有助于降低损伤风险并提升跑步效率。本研究提供了一组新的数据集，为未来探讨步宽与跑步生物力学之间关系的研究奠定了基础，并可作为训练与康复实践的参考依据。

引言

环境因素，包括空间和时间要素，直接影响人类的日常运动。个体在不同环境条件下跑步和行走时，可能会采用不同的姿势和运动模式。已有充分证据表明，改变跑步技术会影响身体的生物力学特征，其中步宽与人类跑步过程中的稳定性和平衡性密切相关1,2。步宽定义为每只脚中足部与初始着地点在前后足之间的左右距离，是反映冠状面运动的一个变量3。在行走和跑步过程中，步宽的短期变化可影响下肢在三个平面上的生物力学特征3,4,5。

大量研究表明，步宽对跑步过程中下肢关节的生物力学、运动学和动力学具有显著影响。较宽的步宽可减小髋关节内收角度、膝关节外展力矩以及后足外翻角度，有助于提高稳定性，并可能降低受伤风险6,7。相反，较窄的步宽会增加膝关节内旋和髋关节内收角度，可能加重关节负荷。具体而言，与正常步宽相比，窄步宽与膝关节内旋变化幅度增大以及峰值膝关节外展力矩升高相关6,7。此外，研究显示较宽的步宽可降低胫骨负荷，从而减少跑步时胫骨所受应力8。这些发现强调了步宽在影响跑步生物力学中的关键作用，凸显其在优化运动表现和降低损伤风险方面的重要性。

研究进一步表明，行走和跑步速度会影响下肢的生物力学参数9,10,11,12。然而，步宽变化在不同运动速度下对生物力学的影响尚不明确，且目前关于人体在不同速度和步宽条件下运动的科学数据仍十分有限。因此，本研究旨在探讨步宽变化在不同速度下对下肢生物力学的影响，重点关注髋关节内收角和膝关节外翻力矩等关键参数。

为解决这一问题，建立了一个包含13名年龄在20至24岁之间的健康男性受试者的数据集，其中包括C3D文件和可直接使用的运动学数据。要求受试者以3.0 m/s和3.7 m/s的速度跑步，并采用六种不同的步宽。这些步宽和速度的选择依据现有研究结果以及当前文献中关于步态生物力学的开源数据集现状13,14,15,16,17。本研究旨在探讨步宽变化对下肢运动链的急性影响，同时扩展该数据集，以提供关于步宽与下肢生物力学之间关系的有价值见解。

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方案

本研究获得了宁波大学研究所伦理委员会的批准（批准编号：ty2022001）。所有参与者在了解实验的目的、要求和流程后，均签署了书面知情同意书。实验所用耗材、设备和软件的详细信息列于材料表中。

1. 实验准备

  1. 设备准备
    1. 在校准设备期间，将八个红外摄像头放置在合适的位置，并检查实验区域是否存在任何反光（例如，受试者衣物上的反光标记）。移除或遮盖反光物，并确保照明充足。
    2. 将配对的加密加密狗插入计算机的并行端口。启动动作捕捉摄像头、追踪软件、测力台放大器和模数转换器（ADC）。
    3. 打开追踪软件，等待八个摄像头初始化完成。当摄像头指示灯由红色变为绿色时，确认初始化完成。
    4. 切换至Camera 模式，并在左侧展开System Resources面板。选中全部八个摄像头。
    5. 在左侧面板的Properties下调整设置：将闪光强度设为0.95–1，增益设为1x，灰度模式设为Auto。在Centroid Fitting下，将阈值设为0.2–0.4，最小圆形度比设为0.5，最大斑点高度设为50。
    6. 将带有标记的T型架置于动作捕捉区域的中心。从左侧工具栏中重新选中全部八个摄像头。
    7. 在右侧的Tools 面板中执行校准操作。从T-frame 列表中选择5 marker Wand & T-Frame calibration 选项。
    8. 在System Preparation Tools面板中，点击Mask Camera 选项下的Stop 按钮。当屏幕变为蓝色后，再次点击该按钮，使其恢复至Stop 状态。
    9. 点击右侧Calibrate Cameras 选项下的Start 按钮。在捕捉范围内前后移动T型架，确保摆动高度与摄像头的焦距高度一致。当摄像头上的蓝灯停止闪烁时停止操作。
    10. 将视图切换至3D Perspective，并将T型架重新放置于动作捕捉区域的中心。确保其与测力台边界对齐。
    11. 在右侧面板的Set Volume Origin 选项下点击Start 按钮。
  2. 压力平台准备
    1. 将两个嵌入式测力台置于动作捕捉区域的中心，并以1000 Hz频率同步。
    2. 使用不同颜色的胶带在测力台上标记六种步宽，以代表不同实验条件，包括偏好步宽以及五种变化（腿长的13%和6.5%减少，以及25%、13%和6.5%增加）。将平台连接至计算机以进行数据采集。
      注：确保系统在足部接触时记录前后方向（Y轴）坐标，其中黄色胶带标记偏好步宽，其他颜色表示不同变化。
  3. 计时系统准备
    1. 将单光束电子计时门架置于三脚架上，用于记录受试者跑过测力台时的速度。
      注：确保电子计时门架之间的距离为3 m（如图1所示）。

2. 受试者准备

  1. 从参与者处获取书面知情同意书，简要说明研究目的和操作流程，并鼓励其提出问题。确保所有参与者均为右腿优势，以尽量减少个体差异。
    注：本研究纳入13名健康中国男性，平均年龄为22.7岁，体重为70.9 kg，身高为1.75 m。确保参与者在过去六个月内无下肢损伤或足部畸形。该样本选择可减少年龄和性别对生物力学参数的影响，保证统计有效性和可重复性。样本量足以用于分析步宽对生物力学的影响。
  2. 指导参与者穿着贴身的运动裤和标准化实验用鞋，以尽量减少步态干扰。去除多余衣物。
  3. 收集并记录人体测量数据：身高、体重、腿长、肩宽和髋宽。
    注：腿长测量从髂前上棘至外踝；肩宽和髋宽分别测量相应解剖标志点之间的直线距离。
  4. 保持参与者皮肤干燥，使用双面胶带将反光标记点贴附于解剖标志点处。
    注：共使用38个反光标记点，其具体位置和标签名称详见表1。确保标记点放置精确且牢固。对于活动度较高或表面不平整的区域，可使用肌内效贴布或对皮肤友好的粘合剂进行加固。标记点放置完成后，从前方、后方及两侧拍摄照片以作记录。
  5. 在开始静态和动态数据采集前，指导参与者进行5分钟慢跑作为热身。

3. 静态校准

  1. 启动追踪软件，通过工具栏选择新建数据库来创建一个新的数据库。在数据管理部分，依次选择新建受试者分类、新建受试者，最后点击新建会话，以建立受试者信息数据库。
  2. 点击左侧工具栏中的开始实时采集，然后在视图界面中使用水平分割按钮。选择图形以查看轨迹数量。
  3. 点击工具栏中的受试者准备。指导受试者双脚分开与肩同宽站立，一只脚置于测力台上，双臂平行于肩部，目视正前方。点击开始以启动数据采集，并保持该姿势10秒。点击停止以完成静态数据采集。
    注意：切换至"3D透视"模式，以确保摄像头至少捕获一帧显示受试者身体上38个反光标记点的图像。

4. 动态试验

  1. 告知参与者做好实验准备，进入实验状态。
  2. 软件操作
    1. 在左侧的资源面板中点击开始直播，并在右侧的工具面板中点击采集。当参与者准备就绪后，点击开始以启动试验，完成时点击停止结束试验。
      注意：在"试验名称"部分，使用不同的步宽对各次试验进行标注。
  3. 进行偏好步宽实验，以三种不同速度采集运动数据。
    1. 指导参与者沿一条设有两个测力台的直线路径自然行走，将左脚踩在平台A（Kistler）上，右脚踩在平台B（AMTI）上。
    2. 若一次跑动（通过测力台）的完成时间在3.0 m/s时为0.95–1.05 s之间，或在3.7 m/s时为0.76–0.86 s之间，则视为成功试验；若不符合上述时间范围，则需重复试验，以尽量减少速度波动对跑步生物力学的影响。本实验的主要目的是探究速度的影响。
      注意：这些时间范围是根据预设的跑步速度（3.0 m/s 和 3.7 m/s）以及已知的电子计时门之间的距离计算得出，以确保参与者在整个试验过程中保持一致的跑步速度，并准确反映实验条件。
    3. 指导参与者以3.7 m/s的速度在设有两个测力台的直线路径上跑步。
      注意：若通过测力台的时间在0.76–0.86 s之间，则视为试验成功；否则需重新尝试。确保参与者始终将左脚踩在平台A上，右脚踩在平台B上。既往研究表明，在不同速度下存在显著的生物力学差异9,10,11,12。应指导参与者在正式试验前进行多次练习，以确保步态自然。密切监控试验过程，确保动作执行正确且标记点未发生脱落。每种条件至少需采集五次成功试验。
  4. 测量偏好步宽并设置不同步宽条件
    1. 根据步宽的定义及以往研究，在三种运动模式下测量参与者的偏好步宽8,18,19,20。使用运动捕捉系统时，确保实验室坐标系中的Y轴代表内外侧（左右）方向。
      1. 记录左右脚跟标记点在首次触地时的Y轴坐标，将两脚跟Y轴坐标之差作为偏好步宽的计算值，以直接反映双脚之间的横向距离。
    2. 使用不同颜色的胶带在测力台上标记五种步宽条件（步宽相对于腿长减少或增加13%、6.5%或25%）。黄色胶带表示偏好步宽。
      注意：以往研究已表明，当步宽相对于腿长变化13%时，生物力学参数会出现显著差异5,8,18,19。基于此发现，增设其他步宽条件。
    3. 指导参与者沿直线行走，目光注视前方。确保左脚踩在平台A的黄色胶带上，右脚踩在平台B的不同颜色胶带上。随机分配特定颜色胶带以改变步宽。
      注意：每种步宽条件至少采集五次成功试验。
    4. 指导参与者以3.0 m/s和3.7 m/s的速度，分别在五种不同步宽条件下进行跑步。
      注意：确保参与者正确执行指令，并监控标记点是否脱落。每种条件至少采集五次成功试验，并在每次测试后提供充足的休息时间。

5. 数据处理

  1. 实验结束后，使用兼容软件手动处理所有采集的数据。根据表1中设置的标记点依次连接数据。
  2. 检查每位受试者的每条静态或动态轨迹，查看是否存在缺失或中断的标记点。使用软件中的点连接/填充工具，参考邻近标记点的准确位置，手动重新连接缺失的标记点。
  3. 通过设定20 N的垂直阈值来检测足跟接触和足尖离地，从而分析动态活动期间的地面反作用力（GRFs），并定义每个步态周期的支撑相。
    注意：从足跟接触至足尖离地的GRF数据定义为一个步态周期，并以原始C3D文件格式保存。
  4. 将处理后的数据导出为C3D、MOT、TRC和CSV格式。确保每位受试者在静态、行走和跑步条件下，完成六种不同步宽的大约55次试验。利用这些数据比较不同步宽与肢体特征。
    注意：尽管严格遵循实验方案，部分受试者可能因设备系统中标记点轨迹丢失而导致数据不完整。

6. 统计分析

  1. 使用统计软件（如 SPSS、Python）分析数据，重点关注步宽和跑步速度对下肢生物力学的影响。
  2. 采用重复测量方差分析（ANOVA）分析生物力学参数，必要时对事后检验应用Bonferroni校正。
  3. 6.3. 当数据不满足正态性和球形假设时，使用Friedman检验等非参数方法。所有显著性水平均设定为 p < 0.05。

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结果

实验及数据处理完成后，处理后的标记轨迹和模拟地面反作用力（GRF）数据已保存为 C3D 文件，如表 1所示。C3D.zip 文件夹包含从运动捕捉实验中获得的原始数据集。所有数据记录均列于表 2中。数据集按文件夹组织，每个文件夹对应 13 名受试者之一。在这些子文件夹中，实验文件的命名格式为 NNN_CV_TT.XXX，其中 NNN 表示受试者编号，CV 表示实验类型（静态或动态），TT 表示跑步试验编号，XXX 表示文件格式扩展名。静态文件命名为 NNN_Cal_TT.XXX，以区别于试验文件。

处理后（可直接使用）的运动学结果与近期的跑步研究进行了比较，证实其变化趋势和数值大小与先前报道的结果相似9,10,11,12。具体而...

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讨论

步宽对人类跑步的影响是一个多方面且重要的问题。步宽是指每只脚初次接触地面时，脚跟中心与地面之间的横向距离3。改变步宽可能会影响跑步过程中的稳定性、平衡性、生物力学特征以及能量消耗。早期研究表明，增加步宽可能会降低髋关节内收角、膝关节外展力矩和峰值冲量；相反，缩小步宽可能增加膝关节内旋角和髋关节内收角1,6,7,21。此外，步宽的变化还可能影响肌肉协调性和运动效率20,22,23。因此，选择合适的步宽可显著影响跑步表现和受伤风险。

本研究特别发现，增加步宽可显著降低髋关节内收角和膝关节外翻力矩。这一...

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致谢

本研究由国家自然科学基金（12202216）、宁波市自然科学基金（2023J128）和 "力学+" 宁波大学交叉学科顶尖创新青年基金项目（GC2024006）

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
AMTI 测力台AMTIOR6-7美国马萨诸塞州沃特敦
用于地面标记的彩色胶带通用-用于在测力台上标记不同的步宽，可在线购买
Kistler 测力台Kistler9260AA瑞士温特图尔
MATLABMathWorks版本 R2021b数据处理与建模
反光标记点Vicon Metrics Ltd.-用于标记受试者身体部位
单光束电子计时门Brower 计时系统-美国犹他州德拉珀，用于记录跑步速度
标准实验用鞋指定品牌-标准化鞋具，以最小化步态干扰
Vicon 动作捕捉系统Vicon Metrics Ltd.Vicon T 系列英国牛津，用于动作捕捉
Vicon Nexus 软件Vicon Metrics Ltd.版本 1.8.5A数据采集与分析

参考文献

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