Articolo di ricerca

Effetto del movimento del cambiamento di direzione (COD) sulla pressione plantare e sull'equilibrio del piede negli arti bilaterali

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DOI:

10.3791/69182

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10 marzo 2026

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

In questo articolo

Sommario

Questo protocollo dettaglia un approccio standardizzato per quantificare la distribuzione della pressione plantare, l'equilibrio del piede e l'angolo dell'asse del piede durante compiti di cambio di direzione di 45° utilizzando una piastra di pressione Footscan, consentendo una valutazione riproducibile dei modelli di carico bilaterali degli arti a una velocità di avvicinamento controllata.

Abstract

Questo protocollo stabilisce un approccio standardizzato per testare se un compito di cambio di direzione (COD) di 45° provoca un carico plantare asimmetrico tra arti dominanti e non dominanti. Il flusso di lavoro include la calibrazione delle piastre di pressione, la preparazione dei partecipanti a piedi nudi e il controllo della velocità di avvicinamento a 3,5 m·s⁻¹ (±5%) utilizzando porte di temporizzazione per migliorare la consistenza delle prove. Il carico plantare viene quantificato usando segmentazione piedi a dieci regioni, e la posizione è normalizzata nel tempo a 101 punti. Le traiettorie di forza sono normalizzate alla forza verticale media (Zavg), permettendo il confronto tra gli arti dei segnali continui nel tempo. Le differenze degli arti vengono valutate utilizzando una mappatura parametrica statistica unidimensionale (SPM1d) con inferenza basata sulla teoria dei campi casuali, completata da metriche sommarie discrete (ad esempio, picchi regionali e indici di equilibrio dei piedi) secondo necessità. In una coorte di 15 adulti sani che hanno condotto studi standardizzati COD a 45°, le analisi a tempo continuo non hanno rivelato significatività statistica a livello di curva tra gli arti, indicando un alto grado di simmetria funzionale nelle condizioni attuali. Sebbene siano state osservate piccole tendenze direzionali in alcune regioni plantari, queste dovrebbero essere interpretate come strategie descrittive piuttosto che specifiche per arto. Nel complesso, il protocollo fornisce un quadro trasparente e riproducibile per la ricerca bilaterale sulla meccanica plantare, supportando applicazioni nei test delle prestazioni sportive, nella valutazione delle calzature, nel monitoraggio della riabilitazione e nella valutazione clinica dell'andatura.

Introduzione

I movimenti di cambio di direzione (COD) sono abilità chiave in molti sport, in particolare in attività ad alta intensità come calcio, basket e rugby, dove velocità e precisione influenzano direttamente la prestazione atletica e lacompetitività 1,2. Le ricerche hanno dimostrato che i movimenti COD non solo richiedono agli atleti alti livelli di forza e esplosività degli arti inferiori, ma richiedono anche una buona coordinazione e un controllo preciso del passo 2,3,4. Per acquisire una comprensione completa dei meccanismi biomeccanici alla base dei movimenti della COD, in particolare dell'impatto sulla pressione plantare, numerosi studi si sono concentrati sull'esplorazione dei parametri cinematici e cinetici correlati, in particolare dei cambiamenti sotto diverse velocità di movimento e condizioni di camminatura.

La distribuzione della pressione plantare riflette i cambiamenti dinamici nella struttura del piede, nella funzione e nel controllo complessivo della postura corporea 5,6,7. Analizzando la pressione plantare, i parametri fisiologici e patologici biomeccanici e le caratteristiche funzionali del corpo umano sotto diverse posture e condizioni di movimento potevano esserecompresi 8,9. Negli ultimi anni, l'analisi della distribuzione della pressione plantare è diventata uno strumento importante nelle scienze biomediche, nella progettazione delle calzature e nelle prestazioni sportive, aiutando così a chiarire le complesse interazioni biomeccaniche tra piede e suolo. Lavori precedenti hanno dimostrato che l'analisi della pressione plantare può rivelare adattamenti legati alle prestazioni; Ad esempio, i calciatori professionisti mostrano un carico all'avampiede più elevato rispetto agli atleti ricreativi, riflettendo le esigenze specifiche di propulsione e stabilità per ogni sport. Nel frattempo, attività dinamiche, come camminare e atterrare, generavano carichi plantari nettamente maggiori rispetto allo standing statico, sottolineando l'importanza biomeccanica della redistribuzione della pressione dei piedi durante il movimento10. Inoltre, Pataky et al. hanno messo a confronto il sottocampionamento discreto tradizionale con la SPM a pressione plantare basata su curve (pSPM) e hanno dimostrato che la velocità di camminata influisce sistematicamente sulle stime di pressione piantari di picco, con i risultati che evidenziano che l'inferenza campo per campo riduce la dipendenza da finestre di campionamento arbitrarie, supportando il nostro uso della SPM per analisi a tempocontinuo 11.

Sport e attività sportive impongono esigenze biomeccaniche uniche ai piedi, in particolare durante i tagli rapidi e altre manovre ad alta intensità. Amaro et al. (2020) hanno riportato che movimenti specifici per il basket, come corsa, taglio e rimbalzo, producevano variazioni dipendenti dal movimento nella pressione pianare massima nelle regionidel piede 12. Serrano et al.13 hanno inoltre dimostrato che i giovani giocatori di futsal mantenevano schemi costanti di pressione plantare durante le manovre COD su diverse superfici, evidenziando la biomeccanica adattativa del piede in contesti dinamici. Kong et al.14 hanno riscontrato un aumento significativo dei carichi anteriori durante lo sprint, i tagli a 45° e i tiri a tiro rispetto alla corsa, sottolineando l'importanza biomeccanica della ridistribuzione della pressione plantare durante attività specifiche per sport.

Nonostante l'ampia applicazione dell'analisi della pressione plantare nella ricerca sportiva e calzature, pochi studi hanno esaminato sistematicamente la distribuzione della pressione plantare e il comportamento dell'equilibrio dei piedi durante i compiti standardizzati COD. Il presente studio affronta questa lacuna proponendo un protocollo riproducibile per la valutazione bilaterale della pressione plantare e dell'equilibrio dei piedi durante una manovra COD di 45° in condizioni di controllo della velocità. Gli autori hanno scelto un angolo di taglio di 45° perché rappresenta un angolo di COD moderato comunemente utilizzato nella ricerca biomeccanica, bilanciando la rilevanza sportiva con la fattibilità in laboratorio e la sicurezza dei partecipanti. Inoltre, la meccanica COD è nota per variare con l'angolo di taglio e la velocità di avvicinamento; Pertanto, i risultati presenti devono essere interpretati come specifici per un compito standardizzato a 45° eseguito a una velocità di avvicinamento controllata. Abbiamo ipotizzato che l'arto dominante avrebbe mostrato un carico maggiore nelle regioni dell'avampiede correlate alla propulsione, mentre l'arto non dominante avrebbe mostrato una maggiore variabilità mediolaterale negli indici di equilibrio del piede, riflettendo il suo ruolo di stabilizzazione. Le combinazioni selezionate di velocità e camminata si basano sulla letteratura esistente e su dataset open source combinati con le attuali ricerche biomeccaniche sui movimenti COD, per garantire la natura scientifica e rappresentativa delle condizionisperimentali 15,16.

Questo studio mira a rivelare i modelli di distribuzione della pressione plantare e dell'equilibrio dei piedi durante i movimenti COD in condizioni standardizzate di velocità e camminata. Analizzando le risposte biomeccaniche in questo specifico contesto di movimento, i risultati dovrebbero fornire intuizioni teoriche per la scienza dello sport, le strategie di riabilitazione e la progettazione di calzature sportive, offrendo indicazioni pratiche per ottimizzare l'allenamento e le tecniche di movimento degli atleti.

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Protocollo

Lo studio ha ottenuto l'approvazione del Comitato Etico dell'Istituto di Ricerca dell'Università di Ningbo (Numero di approvazione: ty2022020). Tutti i partecipanti hanno fornito il consenso scritto, essendo stati informati sullo scopo, i requisiti e le procedure dell'esperimento. Le attrezzature e i software utilizzati sono elencati nella Tabella dei Materiali.

1. Preparazione di laboratorio

Una piastra di pressione Footscan da 2 m (2,0 m × 0,40 m × 0,02 m, 16.384 sensori) è stata utilizzata e campionata a 480 Hz. La piastra era incastonata a filo con la pista circostante usando tappetini protettivi per eliminare artefatti all'altezza dei gradini. Il sistema è stato azzerato e calibrato per peso secondo le istruzioni del produttore, e il numero di serie della targa collegata e il file di calibrazione sono stati verificati prima del test.

La velocità di avvicinamento sugli ultimi 2 m prima del contatto con i piedi veniva monitorata con doppie porte di temporizzazione a infrarossi, distanziate a 2,0 m a un'altezza del fascio di 80 cm e allineate con la pista. Le porte furono posizionate su entrambi i lati della pista per non interferire con la manovra COD. I partecipanti dovevano mantenere 3,5 m·s⁻¹ (±5%) lungo il percorso di avvicinamento prima di entrare in contatto con la piastra di pressione. Sebbene le porte di cronometraggio quantifichino la velocità media sugli ultimi 2 m, i partecipanti si sono avvicinati lungo la pista di tappeto blu ed eseguito una manovra di cambio di direzione (COD) di 45° in modo che il piede dell'impianto (in rotazione) toccasse l'area attiva della piastra di pressione. Per minimizzare il puntamento del posizionamento dei piedi, non sono stati forniti indicatori visivi e sono state consentite diverse prove di prova. Una prova era considerata valida se il piede della pianta raggiungeva il pieno contatto all'interno dell'area attiva senza un evidente aggiustamento del passo; Sono stati ripetuti i test con contatto parziale o puntamento evidente.

2. Preparazione dei partecipanti

Tutti i partecipanti hanno fornito un consenso informato scritto dopo aver ricevuto una chiara spiegazione degli obiettivi e delle procedure dello studio, con opportunità di porre domande. Per minimizzare la variabilità tra arti, sono stati reclutati solo individui dominanti sulla gamba destra. La dominanza della gamba è stata determinata dal test preferito della gamba calciata (≥2 conferme in tre prove); Tutti i partecipanti erano dominanti della gamba destra. Il campione finale comprendeva quindici adulti cinesi sani (9 maschi, 6 femmine; età: 22 anni; peso: 65,52 kg; altezza: 170,3 cm), tutti senza precedenti di lesioni agli arti inferiori o deformità del piede negli ultimi sei mesi. Il criterio specifico di inclusione è stato progettato per ridurre gli effetti di confondimento di età e sesso, migliorando così la riproducibilità e la validità statistica degli esiti sperimentali.

Ai partecipanti è stato chiesto di indossare pantaloni atletici attillati e di stare scalzi sulla piastra Footscan con entrambi i piedi posizionati insieme. Sono stati quindi raccolti e registrati dati antropometrici, tra cui altezza, peso, lunghezza del piede, taglia delle scarpe e tipo di arco plantico. L'altezza longitudinale mediale dell'arco è stata valutata utilizzando l'Indice di Altezza dell'Arco (AHI), calcolato come il rapporto tra l'altezza del dorso (misurata al 50% della lunghezza totale del piede) e la lunghezza totale del piede. Valori AHI compresi tra 0,310 e 0,356 sono stati considerati indicatori di una struttura archilogicanormale 17.

Prima di iniziare le prove principali, ai partecipanti è stata mostrata una dimostrazione dei compiti di movimento richiesti. Ogni partecipante ha poi eseguito una corsa lenta di 10 minuti come riscaldamento standardizzato per garantire una pronta prontezza fisiologica sia per registrazioni statiche che dinamiche.

3. Giustificazione della dimensione del campione

Un'analisi di sensibilità per un test t accoppiato a due code (α=0,05, 1−β=0,80, n=15) ha indicato che lo studio era alimentato per rilevare effetti interni al soggetto di circa la dz di Cohen ≈ 0,74 per l'esito discreto primario (FBI).

4. Segmentazione della regione plantare e abbreviazioni

La superficie plantare del piede è stata suddivisa in 10 regioni anatomiche dal software Footscan: hallux (T1), dita minori considerate come un'unica regione (T2-T5), metatarsi dal primo al quinto (M1-M5), tallone mediale (MH), tallone laterale (LH) e centropiede (MF). Per il Foot Balance Index (FBI), il carico mediale era definito come la somma delle forze normalizzate di M1, M2 e MF, mentre il carico laterale comprendeva M3, M4, M5 e LH. Questa classificazione segue le regole predefinite di segmentazione Footscan basate su testa metatarsalia, divisione calcanea e limiti del piede medio (30%-60% di lunghezza del piede). Una chiave completa dell'abbreviazione è fornita nella Figura 1A.

5. Misurazione statica

  1. Postura e disposizione
    I partecipanti stavano in piedi nudi sulla piastra di pressione a filo in una posizione bipede comoda, con i piedi distanti all'altezza delle spalle, le ginocchia estese ma non bloccate, le braccia rilassate lungo il corpo e lo sguardo fisso su una parete all'altezza degli occhi ~3 m davanti a sé. I piedi erano allineati con l'asse AP (anteriore-posteriore) della placca; Non venivano posti bersagli visivi sotto i piedi per evitare disorientazioni posizionali.
  2. Stabilizzazione e registrazione
    Dopo una stabilizzazione silenziosa di 3-5 secondi, è stata registrata una singola istantanea statica della distribuzione della pressione plantare. Sono state raccolte due ripetizioni valide per ogni partecipante con ≥30 secondi di riposo seduta tra un test e l'altro, per minimizzare la deriva posturale.
  3. Validità e criteri di ripetizione
    Una prova statica è stata considerata valida se (1) il contatto plantare completo di entrambi i piedi era visibile all'interno dell'area attiva, (2) non si verificavano aggiustamenti evidenti di oscillazione o gradini durante la finestra di stabilizzazione e (3) non c'era sovrapposizione o troncamento delle impronte ai margini della placca. Gli studi che non soddisfacevano questi criteri venivano ripetuti.
  4. Variabili derivate (statiche)
    Dall'istantanea statica, abbiamo calcolato pressione/forza regionale attraverso le dieci regioni anatomiche (abbreviazione chiave nella Figura 1A) e gli indici descrittivi utilizzati per il controllo qualità del protocollo (ad esempio, rapporto totale delle forze laterali). I dati statici venivano utilizzati solo per documentare la distribuzione di base e la qualità della segmentazione delle lastre; tutte le ipotesi sono state effettuate su studi dinamici COD.

6. Misurazione dinamica

I partecipanti hanno eseguito a piedi nudi prove COD a passo laterale a 45°. Per la condizione di taglio verso destra, il piede sinistro (di rotazione/pianta) atterrava completamente sulla piastra di pressione. Per garantire una posizione costante del piede e un contatto plantare completo, è stato impostato un segno di partenza fisso individuale per ogni partecipante durante la familiarità, in modo che l'approccio producesse una sequenza di passi a destra e poi a sinistra con il passo di sinistra che toccava la placca. Prima dei test formali, i partecipanti hanno completato più corse di familiarizzazione per stabilire un'andatura naturale e ripetibile senza bersagli visivi sul piatto. Sono stati registrati almeno tre studi validi per ogni condizione; Le prove con contatto incompleto o puntamento visibile sono state scartate e ripetute. Per la condizione di taglio verso sinistra, il segno di partenza e la sequenza dei passi venivano specchiati in modo che il piede di svolta a destra toccasse la piastra di pressione secondo criteri identici.

La pista del laboratorio misurava 10 m; La piastra di pressione era incassata a filo e situata a 6 m dalla linea di partenza, lasciando ~6 m per l'avvicinamento e ~2 m per la decelerazione post-contatto. La velocità di avvicinamento veniva monitorata utilizzando due porte di cronometraggio a singolo fascio (altezza fascio 80 cm) posizionate a 2,0 m di distanza lungo il percorso di avvicinamento, con la porta a valle allineata al bordo prossimale dell'area attiva della piastra di pressione, misurando così gli ultimi 2 m prima del contatto con i piedi. Una prova è stata accettata come valida solo quando la velocità di avvicinamento misurata era di 3,5 m·s⁻¹ (±5%).

Tutte le prove sono state osservate attentamente da ricercatori formati per garantire il rispetto dell'intervallo di velocità istruito e la corretta esecuzione del compito. I dati cinetici venivano raccolti automaticamente dal sistema Footscan e memorizzati in modo sicuro per l'analisi successiva. Il modello di pissata non era esplicitamente controllato; I partecipanti hanno eseguito il compito utilizzando gli stili di corsa scelti da loro stessi.

7. Elaborazione dei dati

Dopo l'esperimento, tutti i dati raccolti vengono elaborati manualmente utilizzando il software Footscan.

Ogni prova statica e dinamica è stata esaminata attentamente per identificare eventuali dati mancanti o schemi di contatto con i piedi interrotti al fine di garantirne la validità. L'identificazione dei piedi sinistro e destro è stata determinata sulla base di immagini dinamiche della pressione plantare catturate al contatto con i piedi, che fornivano una rappresentazione visiva della distribuzione massima della pressione e della posizione del centro di pressione durante la fase di sosta.

La superficie plantare fu inizialmente suddivisa in dieci regioni anatomiche utilizzando la funzione di segmentazione automatizzata del sistema, che classificava il piede in zone anteriore, mediopiede e posteriore. Successivamente venivano applicate regolazioni manuali secondo necessità per garantire una delimitazione regionale accurata. Sulla base della segmentazione finale, sono stati estratti i valori di pressione da ciascuna regione e utilizzati per generare curve di pressione regionali a tempo di pressione per ulteriori analisi.

I dati sulla pressione plantare venivano esportati separatamente sia per condizioni statiche che dinamiche. I parametri esportati includevano angoli di piedi, asce dei piedi, bilanciamento del piede e valori di pressione specifici per zona (Figura 1), estratti dalle regioni predefinite del piede.

NOTA: Nonostante la rigorosa aderenza al protocollo sperimentale, i dati di alcuni partecipanti erano incompleti a causa della scomparsa di traiettorie segnate all'interno del software Footscan.

8. Pressione e forza plantare

Per esaminare la distribuzione del carico plantare durante la posizione, sono stati estratti dati di forza e pressione plantare in serie temporali da dieci regioni plantari. Le curve forza/pressione-tempo sono state normalizzate temporalmente a 101 punti per garantire la comparabilità temporale tra le prove. Per minimizzare la variabilità tra soggetti (ad esempio, dovuta alla massa corporea), le forze regionali sono state normalizzate alla forza verticale media sulla posizione (Zavg), definita come,

figure-protocol-1(1)

Dove Fz (t) è la forza verticale di reazione del suolo nel frame t, e N è il numero di sistemi di fermatura. Le forze normalizzate sono riportate come adimensionali (×1). Al contrario, le pressioni plantari regionali sono state analizzate in unità fisiche (kPa) senza normalizzazione, poiché sono già espresse rispetto all'area di contatto. Questo schema di normalizzazione delle forze segue studiprecedenti 18.

9. Equilibrio dei piedi

L'indice di equilibrio del piede (FBI), mostrato nell'Equazione 2, si riferisce alla pronazione del piede o supinazione del piede durante la fase di posizione (Figura 1)19. Favg utilizzato per il calcolo dell'FBI è la forza media dell'intero19 plantar. L'FBI era calcolato come,

figure-protocol-2(2)

dove Fmediale e F laterale rappresentano rispettivamente la somma delle forze plantari provenienti dalle regioni mediali (M1, M2, MH) e laterali (M3-M5, LH). I valori positivi dell'FBI indicano un carico mediale maggiore (pronazione), mentre i valori negativi indicano un carico laterale maggiore (supinazione).

Si noti che MF è stata intenzionalmente esclusa dal raggruppamento FBI (mediale = M1, M2, MH; laterale = M3-M5, LH) per evitare variabilità legata all'arco plantare e per concentrarsi sull'equilibrio avampiede/tallone.

10. Angolo dell'asse del piede

L'angolo dell'asse del piede riflette il grado di rotazione interna ed esterna del piede durante l'andatura. L'angolo è composto da una linea connessa tra il punto medio del tallone e il punto medio dello spazio tra il secondo e il terzo metatarso. La linea di direzione del movimento è definita come l'angolo dell'asse delpiede 19 (Figura 1). La rotazione interna ed esterna del piede nel piano orizzontale era rappresentata rispettivamente da angoli negativi e positivi.

11. Analisi statistica

Sono state analizzate misure di risultato discrete (ad esempio, Indice di Equilibrio del Piede, pressione plantare in varie regioni del piede e angolo dell'asse del piede) utilizzando SPSS v19.0. Per ciascuno dei 15 partecipanti, i dati del piede dominante e non dominante sono stati trattati come campioni accoppiati. Pertanto, sono stati condotti test t accoppiati per dati normalmente distribuiti (con normalità verificata in base alla distribuzione delle differenze all'interno del soggetto), mentre test Wilcoxon a rango firmato sono stati applicati per confronti non parametrici. Per ogni condizione, le curve a livello di studio sono state mediate all'interno dei confronti tra arti prima del soggetto; metriche discrete utilizzavano la media all'interno del soggetto delle prove valide.

Per le serie temporali di pressione plantare continua, i valori sono stati normalizzati con Zavg (vedi Data Processing) e normalizzati temporalmente a 101 punti tramite interpolazione lineare. Successivamente, è stata utilizzata la mappatura parametrica statistica unidimensionale (SPM1d) con test t accoppiati per confrontare le curve di pressione lungo tutta la fase di posizione. La teoria dei campi casuali (RFT) è stata impiegata per controllare l'errore campo per campo e correggere i confronti multipli nel tempo20. Tutte le analisi delle serie temporali sono state effettuate in MATLAB R2018a e la soglia di significatività è stata fissata a 0,05.

Per controllare l'errore familiare tra confronti discreti multipli, i valori p per esiti regionali/metrici discreti sono stati adeguati utilizzando la procedura di Holm-Bonferroni (α = 0,05). Sono riportate sia le interpretazioni di significatività non aggiustate che quelle rettificate, dove rilevante.

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Risultati

Variazioni temporali di forza e pressione nelle dieci regioni

Durante i movimenti di cambio di direzione, il piede dominante ha mostrato valori di forza e pressione in serie temporali più elevati rispetto al piede non dominante nella maggior parte delle regioni plantari (ad esempio, M1, M3, M4, MF e SUM), in particolare durante la fase di posizione media-tarda. Tuttavia, l'analisi della mappatura parametrica statistica (SPM) ha rivelato che qu...

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Discussione

Questo studio ha esplorato le differenze bilaterali nella distribuzione della pressione plantare e nell'equilibrio dei piedi durante un compito standardizzato COD a 45°. Nel complesso, le analisi SPM1d continui nel tempo non hanno identificato differenze statisticamente significative tra gli arti nelle traiettorie regionali di forza/pressione tra le posizioni. Sebbene l'arto dominante abbia mostrato magnitudini leggermente maggiori in alcune regioni e l'arto non dominante abbia mostrato ...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

Questo studio è stato sostenuto dalla National Natural Science Foundation of China (12202216), dalla Ningbo Natural Science Foundation (2023 J128), dal progetto interdisciplinare "Mechanics+" Interdisciplinary Top Innovative Youth Fund dell'Università di Ningbo (GC2024006), e dal Zhejiang Engineering Research Center for New Technologies and Applications of Liquid Helium-Free Magnetic Resonance Imaging (2024GCLX05).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Una piastra pressurata Foustcan da 2 mTekscan Inc., USA5101
Software per l'acquisizione datiTekscan Inc., USAwww.tekscan.com/products/software
Porte di temporizzazione a infrarossiLafayette Instrument Company, USA5016A
MATLABMathWorks, USAwww.mathworks.com/products/matlab
Cassetta degli attrezzi SPM1dOpen-source (Mappatura parametrica statistica)www.spm1d.org

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