使用金标准步态分析方法评估中高度高跟跑动和跑步过程中下肢力学的运动经验效应
2017年9月14日
本研究探讨了穿中高跟鞋进行慢跑和跑步时的下肢运动学特征及地面反作用力（GRF）。受试者被分为有经验穿着者和无经验穿着者两组。采用配备测力台的三维运动分析系统，采集下肢关节运动和地面反作用力（GRF）数据。
本实验的总体目标是观察中等高度高跟鞋在慢跑和跑步过程中对下肢力学的影响。该方法可以回答一个关键问题：在高跟鞋运动中，跟部抬高这类干扰因素可能并非导致下肢力学减弱的唯一主要因素。本实验方案的一个特点是纳入了有经验与无经验的多种受试者，这一特征在以往的高跟鞋研究中已通过其守护者及其方法被充分考虑。
首先测量受试者的站立身高和体重。使用测量卡尺测量髂前上棘与内踝髁之间的距离、膝关节内外侧髁之间的距离，以及踝关节内外侧髁之间的距离。然后通过触诊确定解剖学标志点。
使用记号笔在皮肤上标记每个解剖标志点，然后用双面胶带将16个被动式反光标记点分别固定在下肢两侧的相应标志点上。让受试者换上实验用鞋，随后沿着跑道自由行走、慢跑和奔跑，直至其在生理和心理上均适应了摄像机及下肢上的标记点，并感觉动作自然为止。
接下来，让受试者在跑台上以舒适且较低的速度进行慢跑练习，直至能够稳定地慢跑。指导他们在安全且舒适的范围内，尝试在跑步机上逐步加快慢跑速度，此过程称为渐进式训练。然后，让他们在跑道上以舒适且较高的速度进行地面跑练习，直至能够在此速度下稳定地跑步。
最后，指导受试者在起始区域内的不同起跑线位置进行数次试跑，以确定合适的起跑位置，确保受试者经过时右脚能自然触地并完全接触测力台。首先，让受试者静止、自然地站立于捕捉范围的中央，以采集静态数据。在受试者捕捉部分点击开始按钮，采集约150帧数据。
然后，点击停止按钮。接下来，在受试者校准部分的管道下拉列表中选择静态模式。在静态设置窗格中，勾选左脚和右脚选项。
单击受试者校准部分的开始按钮。然后，让受试者站在合适的起始位置。单击采集部分的开始按钮以开始采集，随后立即口头指示受试者开始慢跑。
确保受试者经过测力台时，右脚自然着地并与测力台完全接触。对于慢跑测试，要求受试者以准备阶段熟悉的舒适低速进行慢跑。对于跑步测试，要求受试者以准备阶段熟悉的舒适高速进行跑步。
两次试验之间留出两分钟休息时间。最后，当受试者到达跑道终点时，点击停止按钮。这些结果表明，除矢状面的膝关节和髋关节活动外，IEW的其余三个关节活动范围总体上均大于EW。关节活动范围仅在髋关节屈伸运动中存在显著的速度效应。
外翻足（EW）的地面反作用力（GRF）时间曲线在冲击吸收期表现出一个初始峰值，紧接着出现一个小波峰，尤其是在跑步过程中。相比之下，内翻足（IEW）在初始峰值之后的曲线相对平缓。外翻足与内翻足之间的冲击力无显著差异，但在跑步过程中，外翻足的载荷率显著更高。
在进行该操作时，重要的是每次试验开始前都必须重新校准读取捕捉区域的摄像头，并将首个参数校准至各自的水平，以确保捕捉的准确性。遵循此操作流程后，可进一步计算其他参数，例如关节动量，从而回答更多问题，比如穿着高跟鞋是否会影响其他执行器的精度及其他测量结果。其中，该数值表明，这一数学分析应强调根据受试者穿着高跟鞋的实际体验进行合理分配，以提供更具体的信息，并减少对目标人群推断的不确定性。
观看本视频后，您应能够理解如何使用或理解相关数学原理，或如何根据不同的穿着体验进行高跟鞋实验，并获得符合准确性和标准要求的结果。
查看完整文字稿并访问数千部科学视频
概述
本研究探讨高跟鞋对中等高度高跟跑和跑动过程中下肢力学的影响。通过比较有经验与无经验的穿鞋者，了解 heel elevation 对运动学及地面反作用力的影响。
关键研究组成部分
科学领域
- 生物力学
- 运动科学
- 鞋类冲击研究
背景
- 高跟鞋虽常被穿着，但可能影响人体生物力学。
- 既往研究未充分考虑穿着者的实际体验。
- 了解这些影响可为鞋具设计和使用建议提供依据。
- 地面反作用力对于评估下肢力学至关重要。
研究目的
- 观察穿高跟鞋慢跑和跑步时下肢的运动学特征。
- 比较有经验穿戴者与无经验穿戴者之间的差异影响。
- 确定鞋跟高度是否是影响生物力学的主要因素。
使用方法
- 采用三维运动分析系统。
- 配置测力台以采集地面反作用力。
- 将受试者分为有经验与无经验的使用者两组。
- 测量解剖学标志点以进行分析。
主要结果
- 在有经验与无经验的高跟鞋穿着者之间观察到运动学差异。
- 穿高跟鞋慢跑和跑步时，地面反作用力显著变化。
- heel elevation（跟高）并非影响下肢力学的唯一因素。
- 获得的见解可影响未来鞋类设计及运动建议。
结论
- 高跟鞋在体力活动期间会影响下肢力学。
- 经验水平在生物力学结果中起着关键作用。
- 需要进一步研究以探索高跟鞋的长期影响。
常见问题
行业重要性概述
本研究强调了在生物力学评估中控制受试者经验的重要性，这一原则可直接应用于临床前模型验证，因为在表型变异可能干扰靶点验证和机制去风险化的背景下，未加控制的变量可能影响结果。通过证明穿戴者经验会显著改变穿高跟鞋慢跑和跑步时的下肢力学特征，该研究凸显了未被计入的生物学变量如何掩盖发现阶段检测中的真实治疗效应。对于生物制药研发而言，这进一步强调了需要采用标准化且按经验分层的模型，以提高早期筛选的预测可信度，并减少通路研究中的假阳性结果。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：通过分离受试者特异性变量对生物力学输出的影响，能够验证治疗假设，减少靶点参与研究中的混杂因素。
- 操作价值：通过按经验分层的队列设计支持生物学风险降低，提高功能验证实验的可重复性。
筛选与检测方法开发
- 科学价值：构建具有可控实验变量的经验证生物体系，用于后续化合物评价，提高检测方法的标准化水平。
- 操作价值：通过考虑受试对象的历史背景——这一影响高通量筛选准备状态的关键因素，提升实验可重复性与定量输出结果的一致性。
转化与临床前研究
- 科学价值：通过模拟既往暴露如何改变生理反应，探讨与疾病相关的系统制备方法，为转化生物标志物的匹配提供依据。
- 操作价值：强调在研究各阶段对变量的控制，描述从发现到临床前验证的连续性，支持基于风险调整的推进决策。
流程与工作流整合
该方法适用于从假设验证到先导物识别的发现连续过程，在此过程中，控制生物学变异性可提高早期靶点验证中的机制去风险化水平和预测可信度。
- 发现生物学：阐述该方法如何通过分离穿戴者经验对关节运动学和地面反作用力加载速率的影响，从而支持假设检验，明确通路特异性响应。
- 筛选：通过同步的三维运动与测力台采集描述检测就绪状态，实现在受控条件下对下肢力学进行定量、可重复的测量。
- 分析：强调关节活动范围和地面反作用力加载速率作为关键读出指标，可用于实验组间的比较，支持基于数据的决策判断。
- 转化研究：通过展示基于经验的分层如何提高模型保真度，将该方法与临床前研究的连续性联系起来，符合生物标志物分层验证策略。
- 企业级复用：将该方法定位为一种可复用的能力，用于评估鞋类或器械引起的生物力学变化，适用于多个需要标准化步态分析的临床前项目。
运营与企业影响
- 科学价值：通过在生物力学表型分析中控制受试者经验，减少机制上的模糊性，从而提高预测可信度。
- 操作价值：通过按经验分层的标准化流程和同步的运动-力平台采集，实现标准化与可重复性。
- 战略价值：通过降低临床前疗效模型中的变异性，实现更优的“推进/终止”决策，并减少后期生物学风险。
- 项目组合影响：在机制复杂的疾病模型中，通过提升靶点验证的可信度，实现基于风险调整的优先级排序。
实施注意事项
- 需要具备生物力学、运动捕捉系统以及测力台数据解读方面的专业知识。
- 所需的仪器和分析基础设施包括一套三维运动分析系统和配置好的测力平台，用于同步采集运动学和动力学数据。
- 跨团队标准化要求包括在发现研究团队和临床前研究团队之间统一受试者的筛选标准，特别是经验水平方面的标准。
- 在不同模型系统间的适应性考虑包括针对非人类或疾病模型应用调整经验阈值和标记点放置位置。
- 实际限制包括需要详细收集受试者病史或背景信息，以及自我报告经验可能存在变异性，这可能影响分层的准确性。
