El presente protocolo describe una configuración experimental diseñada para investigar la influencia de la manipulación del ancho de paso en la biomecánica de ejecución utilizando un sistema de captura de movimiento. El objetivo es ampliar los conjuntos de datos pertinentes y examinar los efectos de la variación de los anchos de paso en la cadena cinemática de la extremidad inferior humana.
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Artículo de método
Influencia de la manipulación de la anchura de los escalones en la biomecánica de la carrera
En este artículo
Resumen
Resumen
La anchura del paso es un factor crítico que influye en la biomecánica de las extremidades inferiores durante la carrera, lo que afecta significativamente a la estabilidad, el rendimiento y el riesgo de lesiones. Comprender estos efectos es esencial para optimizar el rendimiento en carrera y minimizar el riesgo de lesiones. Este estudio evaluó los efectos de la variación de los anchos de los pasos en la biomecánica de las extremidades inferiores a diferentes velocidades de carrera. Trece hombres chinos sanos (de 20 a 24 años) participaron en el estudio, corriendo a velocidades de 3,0 m/s y 3,7 m/s utilizando seis anchos de escalón distintos: el ancho de escalón preferido y cinco variaciones (reducciones del 13% y 6,5%, y aumentos del 6,5%, 13% y 25%, según la longitud de las piernas). Los datos se recogieron utilizando un sistema de captura de movimiento y placas de fuerza y se analizaron mediante ANOVA de medidas repetidas y pruebas de correlación. Los resultados indicaron que los anchos de paso más anchos redujeron significativamente los momentos máximos de abducción de la rodilla y los ángulos de aducción de la cadera, mientras que los anchos de paso más estrechos aumentaron la carga de la articulación de la rodilla. Estos hallazgos tienen implicaciones importantes para los médicos y los corredores, lo que sugiere que una selección cuidadosa del ancho del paso puede ayudar a reducir el riesgo de lesiones y mejorar la eficiencia de la carrera. Este estudio aporta un nuevo conjunto de datos que sienta las bases para futuras investigaciones sobre la relación entre la anchura del paso y la biomecánica de la carrera, y sirve como referencia para las prácticas de entrenamiento y rehabilitación.
Introducción
Los factores ambientales, incluidos los elementos espaciales y temporales, influyen directamente en el movimiento diario del ser humano. Las personas pueden adoptar diferentes posturas y patrones de movimiento mientras corren y caminan en diversas condiciones ambientales. Está bien establecido que la alteración de las técnicas de carrera puede afectar la biomecánica corporal, y que la anchura del paso está estrechamente asociada con la estabilidad y el equilibrio durante la carrera humana 1,2. La anchura del paso se define como la distancia mediolateral entre la parte media del pie y el contacto inicial con el suelo de cada pie, representando una variable en el plano frontal3. Al caminar y correr, las variaciones a corto plazo en el ancho del paso pueden influir en la biomecánica de las extremidades inferiores en tres planos 3,4,5.
Numerosos estudios han demostrado que la anchura del paso afecta significativamente a la biomecánica de las articulaciones de las extremidades inferiores, la cinemática y la cinética durante la carrera. Una anchura de paso más amplia reduce los ángulos de aducción de la cadera, los momentos de abducción de la rodilla y los ángulos de eversión del retropié, lo que contribuye a mejorar la estabilidad y a reducir potencialmente el riesgo de lesiones 6,7. Por el contrario, un ancho de paso más estrecho aumenta la rotación interna de la rodilla y los ángulos de aducción de la cadera, lo que puede elevar las cargas articulares. Específicamente, un ancho de paso estrecho se ha asociado con mayores variaciones en la rotación interna de la rodilla y el par máximo de abducción de la rodilla en comparación con un ancho de paso normal 6,7. Además, se ha demostrado que los anchos de paso más anchos reducen la carga tibial, disminuyendo así la tensión en la tibia durante la carrera8. Estos hallazgos subrayan el papel fundamental de la anchura del paso en la influencia de la biomecánica de la carrera, destacando su importancia para optimizar el rendimiento y minimizar el riesgo de lesiones.
Los estudios han demostrado además que la velocidad al caminar y correr influye en los parámetros biomecánicos de las extremidades inferiores 9,10,11,12. Sin embargo, los efectos del cambio en la anchura del paso en la biomecánica a diferentes velocidades de ejercicio siguen sin estar claros, y se dispone de datos científicos limitados sobre el movimiento humano en diferentes condiciones de velocidad y anchura del paso. Por lo tanto, este estudio tiene como objetivo investigar el impacto de los cambios en el ancho del paso en la biomecánica de las extremidades inferiores a diferentes velocidades, centrándose en parámetros clave como el ángulo de aducción de la cadera y el momento de abducción de la rodilla.
Para abordar esto, se estableció un conjunto de datos compuesto por 13 participantes masculinos sanos de entre 20 y 24 años, que incluía archivos C3D y datos cinemáticos listos para usar. Se instruyó a los participantes para que corrieran a velocidades de 3,0 m/s y 3,7 m/s utilizando seis anchos de paso distintos. La selección de estos anchos de paso y velocidades se basó en los hallazgos de la investigación existente y en el estado actual de los conjuntos de datos de código abierto sobre la biomecánica de la marcha en la literatura 13,14,15,16,17. Este estudio tiene como objetivo examinar los efectos agudos de los cambios en la anchura del escalón en la cadena cinética de las extremidades inferiores, al tiempo que amplía el conjunto de datos para proporcionar información valiosa sobre la relación entre la anchura del escalón y la biomecánica de las extremidades inferiores.
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Protocolo
El estudio recibió la aprobación del Comité de Ética del Instituto de Investigación de la Universidad de Ningbo (Número de aprobación: ty2022001). Todos los participantes dieron su consentimiento informado por escrito después de haber sido informados sobre el propósito, los requisitos y los procedimientos del experimento. Los detalles de los consumibles, el equipo y el software utilizados se enumeran en la Tabla de materiales.
1. Preparación experimental
- Preparación de equipos
- Coloque ocho cámaras infrarrojas en lugares apropiados durante la calibración del equipo y verifique si hay reflejos en el área experimental (por ejemplo, marcadores reflectantes en la ropa de los participantes). Elimine o cubra los reflejos y asegúrese de que haya suficiente iluminación.
- Inserte el dongle de cifrado emparejado en el puerto paralelo de la PC. Inicie las cámaras de captura de movimiento, el software de seguimiento, el amplificador de plataforma de fuerza y el ADC.
- Abra el software de seguimiento y espere a que se inicialicen las ocho cámaras. Confirme que el proceso se ha completado cuando las luces de la cámara cambien de rojo a verde.
- Cambie al modo de cámara y expanda el panel Recursos del sistema a la izquierda. Selecciona las ocho cámaras.
- Ajuste la configuración en el panel izquierdo en Propiedades. Ajusta la intensidad del flash a 0,95-1, la ganancia a 1x y el modo de escala de grises a Automático. En Ajuste de centroide, establezca el umbral en 0,2-0,4, la relación de circularidad mínima en 0,5 y la altura máxima de la mancha en 50.
- Coloque el marco en T con marcadores en el centro del área de captura de movimiento. Vuelva a seleccionar las ocho cámaras en la barra de herramientas de la izquierda.
- Realice la calibración en el panel Herramientas de la derecha. Seleccione el objeto de calibración Varita de 5 marcadores y marco en T de la lista de marcos en T .
- Haga clic en el botón Detener debajo de la opción Enmascarar cámara en el panel Herramientas de preparación del sistema . Después de que la pantalla se vuelva azul, vuelva a hacer clic en el botón para revertirlo al estado Stop .
- Haga clic en el botón Inicio en la opción Calibrar cámaras . Mueva el marco T hacia adelante y hacia atrás dentro del rango de captura, asegurándose de que la altura de oscilación coincida con la altura focal de la cámara. Deténgase cuando las luces azules de las cámaras dejen de parpadear.
- Cambie la vista a Perspectiva 3D y vuelva a colocar el marco en T en el centro del área de captura de movimiento. Asegure la alineación con los límites de la plataforma de fuerza.
- Haga clic en el botón Inicio debajo de la opción Establecer origen de volumen en el panel derecho.
- Preparación de la plataforma de presión
- Coloque dos placas de fuerza integradas en el centro del área de captura de movimiento y sincronícelas a 1000 Hz.
- Marque seis anchos de escalón en la plataforma de fuerza usando cintas de diferentes colores para representar cada condición, incluido el ancho de escalón preferido y cinco variaciones (reducciones del 13% y 6.5%, y aumentos del 25%, 13% y 6.5% en la longitud de la pierna). Conecte la plataforma a la PC para la recopilación de datos.
NOTA: Asegúrese de que el sistema registre las coordenadas antero-posteriores (eje Y) del pie al contacto, con cinta amarilla que marque el ancho de paso preferido y otros colores que indiquen las variaciones.
- Preparación del sistema de cronometraje
- Coloque una puerta de cronometraje electrónica de un solo haz en un trípode para registrar la velocidad de carrera de los participantes a medida que pasan por encima de las placas de fuerza.
NOTA: Asegúrese de que la distancia entre las puertas de temporización electrónica sea de 3 m (como se muestra en la Figura 1).
- Coloque una puerta de cronometraje electrónica de un solo haz en un trípode para registrar la velocidad de carrera de los participantes a medida que pasan por encima de las placas de fuerza.
2. Preparación de los participantes
- Obtenga el consentimiento informado por escrito de los participantes, explique brevemente el propósito y los procedimientos del estudio, y fomente las preguntas. Asegúrese de que todos los participantes dominen la pierna derecha para minimizar la variabilidad.
NOTA: En el presente estudio participan 13 varones chinos sanos, con una edad media de 22,7 años, un peso de 70,9 kg y una altura de 1,75 m. Asegúrese de que no haya lesiones en las extremidades inferiores o deformidades del pie en los últimos seis meses. Esta selección de la muestra reduce la influencia de la edad y el sexo en los parámetros biomecánicos, asegurando la validez estadística y la reproducibilidad. El tamaño de la muestra es suficiente para analizar los efectos de la anchura del paso en la biomecánica. - Indique a los participantes que usen pantalones deportivos ajustados y zapatos experimentales estandarizados para minimizar la interferencia de la marcha. Retira el exceso de ropa.
- Recopile y registre datos antropométricos: altura, peso, longitud de las piernas, ancho de los hombros y ancho de la cadera.
NOTA: Mida la longitud de la pierna desde la espina ilíaca anterosuperior hasta el maléolo lateral. Mida el ancho de los hombros y el ancho de la cadera como las distancias directas entre los puntos de referencia anatómicos respectivos. - Mantenga la piel seca de los participantes y fije marcadores reflectantes a los puntos de referencia anatómicos con cinta adhesiva de doble cara.
NOTA: Utilice 38 marcadores reflectantes con posiciones específicas y nombres de etiquetas detallados en la Tabla 1. Garantice una colocación precisa y una fijación segura de los marcadores. Para áreas con mucho movimiento o superficies irregulares, refuerce los marcadores con cinta adhesiva o adhesivo agradable para la piel. Después de colocar los marcadores, tome fotografías desde el frente, la parte posterior y los lados para documentarlos. - Indique a los participantes que troten durante 5 minutos como calentamiento antes de comenzar las grabaciones estáticas y dinámicas.
3. Calibración estática
- Inicie el software de seguimiento y cree una nueva base de datos seleccionando Nueva base de datos en la barra de herramientas. En la sección Gestión de datos , elija Nueva clasificación de paciente, luego Nuevo paciente y, por último, haga clic en Nueva sesión para configurar una base de datos de información de los participantes.
- Haga clic en Transmitir en vivo en la barra de herramientas de la izquierda, luego use el botón Dividir horizontal en la interfaz de vista . Seleccione gráficos para ver los recuentos de trayectorias.
- Haga clic en Preparación del tema en la barra de herramientas. Indique al participante que se pare con los pies separados a la altura de los hombros, un pie en la plataforma de fuerza, los brazos paralelos a los hombros y mirando hacia adelante. Haga clic en Iniciar para comenzar la recopilación de datos y mantenga la posición durante 10 segundos. Haga clic en Detener para completar la captura estática.
NOTA: Cambie al modo "Perspectiva 3D" para asegurarse de que la cámara capture al menos un fotograma que muestre los 38 marcadores reflectantes en el cuerpo del participante.
4. Ensayos dinámicos
- Informar a los participantes que se preparen para el experimento y entren en el estado experimental.
- Operaciones de software
- Haga clic en Poner en marcha en el panel de Recursos de la izquierda y en Capturar en el panel de herramientas de la derecha. Una vez que los participantes estén listos, inicie la prueba haciendo clic en Iniciar y finalícela haciendo clic en Detener después de la finalización.
NOTA: Etiquete diferentes ensayos con diferentes anchos de paso en la sección "Nombre del ensayo".
- Haga clic en Poner en marcha en el panel de Recursos de la izquierda y en Capturar en el panel de herramientas de la derecha. Una vez que los participantes estén listos, inicie la prueba haciendo clic en Iniciar y finalícela haciendo clic en Detener después de la finalización.
- Realice el experimento de ancho de paso preferido, capturando el movimiento a tres velocidades diferentes.
- Indique a los participantes que caminen naturalmente a lo largo de un camino recto con dos plataformas de fuerza, colocando el pie izquierdo en la plataforma A (Kistler) y el pie derecho en la plataforma B (AMTI).
- Se considera que la prueba ha sido exitosa si el tiempo para completar una carrera (pasando por encima de las plataformas de fuerza) se encuentra entre 0,95 y 1,05 s a 3,0 m/s o entre 0,76 y 0,86 s a 3,7 m/s. Repita la prueba si el tiempo no cumple con estos criterios para minimizar la influencia de las fluctuaciones de velocidad en la biomecánica de la carrera. El objetivo principal es investigar la influencia de la velocidad.
NOTA: Estos rangos de tiempo se calcularon en función de las velocidades de funcionamiento predefinidas (3,0 m/s y 3,7 m/s) y la distancia conocida entre las puertas de temporización electrónica. Esto garantiza que los participantes mantengan una velocidad de carrera constante durante todo el ensayo y reflejen con precisión las condiciones experimentales. - Indique a los participantes que corran a una velocidad de 3,7 m/s en un camino recto con dos plataformas de fuerza.
NOTA: Si el tiempo que pasa sobre la plataforma de fuerza está entre 0,76 y 0,86 s, considere que la prueba es exitosa; de lo contrario, vuelva a intentarlo. Asegúrese de que los participantes coloquen constantemente su pie izquierdo en la plataforma A y el pie derecho en la plataforma B. Estudios previos han mostrado diferencias biomecánicas significativas a varias velocidades 9,10,11,12. Indique a los participantes que practiquen varias veces antes de las pruebas formales para garantizar una marcha natural. Supervise de cerca los ensayos, asegurando la correcta ejecución y que los marcadores permanezcan en su lugar. Cada condición requiere al menos cinco ensayos exitosos.
- Medición de la anchura de paso preferida y configuración de diferentes anchuras de paso
- Con base en la definición de ancho de paso y la investigación previa, mida el ancho de paso preferido de los participantes en tres modos de movimiento 8,18,19,20. Con el sistema de captura de movimiento, asegúrese de que el eje Y en el sistema de coordenadas del laboratorio represente la dirección mediolateral (de lado a lado).
- Registre las coordenadas del eje Y de los marcadores de talón izquierdo y derecho durante el contacto inicial con el suelo. Calcule el ancho de paso preferido como la diferencia en las coordenadas del eje Y de los dos talones, proporcionando una medida directa de la distancia lateral entre los pies.
- Marque las plataformas de fuerza con cintas de diferentes colores correspondientes a condiciones de ancho de cinco escalones (ancho de escalón reducido o aumentado en un 13%, 6.5% o 25% de la longitud de la pierna). La cinta amarilla indica el ancho de paso preferido.
NOTA: Estudios previos han demostrado diferencias biomecánicas significativas cuando el ancho del escalón cambia en un 13% en relación con la longitud de la pierna 5,8,18,19. Sobre la base de este hallazgo, introduzca condiciones adicionales de ancho de paso. - Indique a los participantes que caminen en línea recta mientras se enfocan hacia adelante. Asegúrese de que el pie izquierdo pise la cinta amarilla en la plataforma A y el pie derecho pise una cinta de diferente color en la plataforma B. Asigne aleatoriamente colores específicos de la cinta para modificar el ancho del paso.
NOTA: Reúna al menos cinco pruebas exitosas para cada condición de ancho de paso. - Indique a los participantes que corran a velocidades de 3,0 m/s y 3,7 m/s con los cinco anchos de escalón diferentes.
NOTA: Asegúrese de que los participantes sigan las instrucciones correctamente y controle si se desprenden los marcadores. Reúna al menos cinco ensayos exitosos para cada condición y asegure un tiempo de descanso adecuado después de cada prueba.
- Con base en la definición de ancho de paso y la investigación previa, mida el ancho de paso preferido de los participantes en tres modos de movimiento 8,18,19,20. Con el sistema de captura de movimiento, asegúrese de que el eje Y en el sistema de coordenadas del laboratorio represente la dirección mediolateral (de lado a lado).
5. Tratamiento de datos
- Después del experimento, procese manualmente todos los datos recopilados utilizando un software compatible. Conecte secuencialmente los datos de acuerdo con los puntos marcadores establecidos en la Tabla 1.
- Verifique cada trayectoria estática o dinámica en busca de marcadores faltantes o interrumpidos en los participantes. Utilice la herramienta de conexión/relleno de puntos del software para volver a conectar manualmente los marcadores que faltan, haciendo referencia a los marcadores cercanos para mayor precisión.
- Analice las fuerzas de reacción del suelo (GRF) durante las actividades dinámicas estableciendo un umbral vertical de 20 N para detectar el contacto con el pie y el despegue, definiendo la fase de apoyo de cada ciclo de marcha.
NOTA: Los datos GRF desde el contacto del talón hasta la punta del pie definen un ciclo de marcha y se guardan como archivos C3D sin procesar. - Exporte los datos procesados en formatos C3D, MOT, TRC y CSV. Asegúrese de que cada participante complete aproximadamente 55 pruebas en condiciones estáticas, de caminar y de correr con seis anchos de paso diferentes. Utilice los datos para comparar los anchos de paso y las características de las extremidades.
NOTA: A pesar del estricto cumplimiento del protocolo, algunos participantes pueden tener datos incompletos debido a la desaparición de la trayectoria del marcador en el sistema del equipo.
6. Análisis estadístico
- Analice los datos utilizando software estadístico (por ejemplo, SPSS, Python), centrándose en los efectos de la anchura del paso y la velocidad de carrera en la biomecánica de las extremidades inferiores.
- Utilice ANOVA de medidas repetidas para analizar los parámetros biomecánicos, aplicando la corrección de Bonferroni para pruebas post-hoc si es necesario.
- 6.3. Utilizar métodos no paramétricos como el test de Friedman cuando no se cumplan los supuestos de normalidad y esfericidad. Establezca todos los niveles de significación en p < 0,05.
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Resultados
Después del experimento y el procesamiento de los datos, la trayectoria del marcador procesado y los datos simulados de la fuerza de reacción del suelo (GRF) se guardaron en archivos C3D, como se describe en la Tabla 1. La carpeta C3D.zip contiene el conjunto de datos sin procesar obtenido del experimento de captura de movimiento. Todos los registros de datos se enumeran en la Tabla 2. El conjunto de datos se organiza en carpetas, cada una de las cuales representa a uno de los 13 partici...
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Discusión
El impacto de la anchura de los escalones en la carrera humana es un problema multifacético y significativo. La anchura del paso se refiere a la distancia lateral entre el centro del talón y el suelo en el contacto inicial de cada pie3. Cambiar el ancho del paso puede afectar la estabilidad, el equilibrio, la biomecánica y el gasto de energía durante la carrera. Investigaciones anteriores sugieren que un aumento en el ancho del paso puede reducir el ángulo de aduc...
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Agradecimientos
Este estudio contó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (12202216), la Fundación de Ciencias Naturales de Ningbo (2023J128) y el Proyecto Interdisciplinario del Fondo Juvenil Más Innovador "Mechanics+" de la Universidad de Ningbo (GC2024006).
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Placa de fuerza AMTI | AMTI | OR6-7 | Watertown, MA, EE. UU. |
| Cinta de color para marcar suelos | Genérica-Se | utiliza para marcar diferentes anchos de paso en placas de fuerza, comprada en línea | |
| Placa de fuerza Kistler | Kistler | 9260AA | Winterthur, Suiza |
| MATLAB | MathWorks | versión R2021b | Procesamiento de datos y modelado |
| Reflectante Marcadores | Vicon Metrics Ltd. | - | Utilizado para marcar los puntos del cuerpo de los participantes |
| Sistema de temporización electrónica de un solo haz Brower | Timing | System-Draper | , UUT, EE. UU., utilizado para registrar la velocidad de carrera |
| Zapatos experimentales estándar | Zapatos estandarizados de marca designados | para minimizar la interferencia de la marcha | de |
| movimiento Vicon Vicon | Metrics Ltd. | Vicon T-Series | Oxford, Reino Unido, utilizado para la captura de movimiento |
| Vicon Nexus Software | Vicon Metrics Ltd. | Versión 1.8.5A Recopilación | y análisis de datos |
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