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方法論記事

ステップ幅マニピュレーションがランニングバイオメカニクスに及ぼす影響

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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

この記事について

サマリー

本プロトコルは、モーションキャプチャシステムを使用して、ステップ幅の操作がランニングバイオメカニクスに与える影響を調査するために設計された実験セットアップの概要を示しています。目的は、関連するデータセットを拡大し、さまざまなステップ幅が人間の下肢の運動連鎖に及ぼす影響を調べることです。

要約

ステップ幅は、ランニング中の下肢の生体力学に影響を与える重要な要素であり、安定性、パフォーマンス、および怪我のリスクに大きく影響します。これらの影響を理解することは、ランニングパフォーマンスを最適化し、怪我のリスクを最小限に抑えるために不可欠です。この研究では、さまざまな走行速度で下肢の生体力学に対するさまざまなステップ幅の影響を評価しました。この研究には、13人の健康な中国人男性(20〜24歳)が参加し、6つの異なるステップ幅(好ましいステップ幅と5つのバリエーション(脚の長さに基づいて13%と6.5%の減少、6.5%の増加、6.5%の増加、25%の増加)を使用して3.0 m/sと3.7 m/sの速度で走りました。データは、モーションキャプチャシステムとフォースプレートを使用して収集され、反復測定、ANOVA、および相関テストを通じて分析されました。その結果、ステップ幅が広いほど膝のピーク外転モーメントと股関節内転角が大幅に減少し、ステップ幅が狭いほど膝関節の負荷が増加することが示されました。これらの知見は、臨床医やランナーにとって重要な意味を持ち、歩幅を慎重に選択することで、怪我のリスクを減らし、ランニングの効率を高めることができることを示唆している。この研究は、歩幅とランニングバイオメカニクスの関係に関する将来の研究の基礎を築く新しいデータセットを提供し、トレーニングとリハビリテーションの実践の参考資料として機能します。

概要

空間的および時間的要素を含む環境要因は、人間の日常的な動きに直接影響します。個人は、さまざまな環境条件で走ったり歩いたりするときに、さまざまな姿勢や動きのパターンを採用する場合があります。ランニング技術の変更が身体の生体力学に影響を与える可能性があることは十分に確立されており、ステップ幅は人間のランニング中の安定性とバランスと密接に関連している1,2。ステップ幅は、中足部と各足部の最初の接地との間の中横距離として定義され、前頭平面3の変数を表す。歩行やランニング中、歩幅の短期的な変動は、3つの平面3,4,5にわたって下肢の生体力学に影響を与える可能性があります。

多くの研究により、ステップ幅がランニング中の下肢関節、運動学、および運動学の生体力学に大きな影響を与えることが実証されています。ステップ幅が広いと、股関節の内転角度、膝の外転モーメント、後足の外転角度が減少し、安定性が向上し、怪我のリスクが低下する可能性があります6,7。逆に、ステップ幅が狭いと、膝の内旋と股関節の内転角度が増加し、関節の負荷が上昇する可能性があります。具体的には、狭いステップ幅は、通常のステップ幅6,7と比較して、膝の内旋およびピーク膝外転トルクの変動の増加と関連している。さらに、ステップ幅が広いと脛骨の負荷が軽減され、ランニング中の脛骨へのストレスが軽減されることが示されている8。これらの知見は、歩幅がランニングバイオメカニクスに影響を与える重要な役割を強調しており、パフォーマンスの最適化と怪我のリスクの最小化におけるステップ幅の重要性を強調しています。

研究はさらに、歩行速度と走行速度が下肢9,10,11,12の生体力学的パラメータに影響を与えることを実証しています。しかし、運動速度の変化が運動速度の変化による生体力学に及ぼす影響は不明であり、速度や歩幅の異なる条件下でのヒトの動きに関する科学的データは限られています。したがって、この研究は、股関節内転角や膝外転モーメントなどの主要なパラメーターに焦点を当てて、さまざまな速度で下肢の生体力学に対するステップ幅の変化の影響を調査することを目的としています。

これに対処するために、20〜24歳の健康な男性参加者13人からなるデータセットが確立され、C3Dファイルやすぐに使用できる運動学的データが含まれていました。参加者は、6つの異なるステップ幅を使用して3.0 m/sと3.7 m/sの速度で走るように指示されました。これらの歩幅と速度の選択は、既存の研究結果と、文献13、14、15、16、17の歩行バイオメカニクスに関するオープンソースデータセットの現状によって通知されました。この研究は、ステップ幅の変化が下肢の運動連鎖に及ぼす急性の影響を調べると同時に、データセットを拡大して、ステップ幅と下肢の生体力学との関係に関する貴重な洞察を提供することを目的としています。

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プロトコル

本研究は、寧波大学研究所の倫理委員会から承認を受けました(承認番号:ty2022001)。すべての参加者は、実験の目的、要件、および手順について説明を受けた後、書面によるインフォームドコンセントを提供しました。使用した消耗品、機器、ソフトウェアの詳細は、 資料表に記載されています。

1. 実験の準備

  1. 機器の準備
    1. 機器のキャリブレーション中は、8台の赤外線カメラを適切な位置に設置し、実験エリアに反射がないか確認します(例:参加者の衣服に反射するマーカー)。反射を取り除くか覆い、十分な照明を確保します。
    2. ペアリングされた暗号化ドングルをPCのパラレルポートに挿入します。モーションキャプチャカメラ、トラッキングソフトウェア、フォースプラットフォームアンプ、ADCを起動します。
    3. トラッキングソフトウェアを開き、8台のカメラが初期化されるのを待ちます。カメラのライトが赤から緑に変わったら、プロセスが完了していることを確認します。
    4. カメラモードに切り替えて、左側のシステムリソースパネルを展開します。8 台のカメラをすべて選択します。
    5. 左側のパネルの[プロパティ]で設定を調整します。フラッシュ強度を 0.95-1 に、ゲインを 1x に、グレースケール モードを Auto に設定します。重心フィッティングで、しきい値を0.2-0.4に、最小真円度比を0.5に、最大ブロブ高さを50に設定します。
    6. モーションキャプチャ領域の中央にマーカーを使用してTフレームを配置します。左側のツールバーから 8 台のカメラをすべて再選択します。
    7. 右側のツールパネルでキャリブレーションを実行します。Tフレームリストから5マーカーのWand & T-Frameキャリブレーションオブジェクトを選択します。
    8. System Preparation Tools パネルの Mask Camera オプションの下にある Stop ボタンをクリックします。画面が青色に変わったら、ボタンをもう一度クリックして停止状態に戻します。
    9. [カメラのキャリブレーション]オプションの下にある[スタート]ボタンをクリックします。撮影範囲内でTフレームを前後に動かし、揺れる高さがカメラの焦点高さと一致するようにします。カメラの青いライトの点滅が止まったら停止します。
    10. ビューを 3D パースに切り替え、T フレームをモーション キャプチャ領域の中央に戻します。フォースプラットフォームの境界との整列を確認します。
    11. 右側のパネルの[ボリューム原点の設定]オプションの下にある[スタート]ボタンをクリックします。
  2. 圧力プラットフォームの準備
    1. モーションキャプチャ領域の中央に2つの埋め込みフォースプレートを配置し、1000Hzで同期させます。
    2. フォースプラットフォームに、推奨されるステップ幅と5つのバリエーション(13%と6.5%の減少、脚の長さの25%、13%、6.5%の増加)など、各条件を表すために異なる色のテープを使用してフォースプラットフォームに6つのステップ幅をマークします。データ収集のためにプラットフォームをPCに接続します。
      注意: システムが接触時に足の前後(Y軸)座標を記録し、黄色のテープが好ましいステップ幅をマークし、その他の色がバリエーションを示すことを確認します。
  3. タイミングシステムの準備
    1. 三脚にシングルビーム電子タイミングゲートを取り付けて、フォースプレートを通過する参加者の走行速度を記録します。
      注:電子タイミングゲート間の距離が3mであることを確認してください( 図1を参照)。

2. 参加者の準備

  1. 参加者から書面によるインフォームドコンセントを取得し、研究の目的と手順を簡単に説明し、質問を促します。ばらつきを最小限に抑えるために、すべての参加者が右足が優位であることを確認してください。
    注:本研究には、平均年齢22.7歳、体重70.9 kg、身長1.75 mの13人の健康な中国人男性が参加しています。過去6か月間に下肢の怪我や足の変形がないことを確認してください。このサンプル選択により、年齢や性別が生体力学的パラメータに与える影響が軽減され、統計的な妥当性と再現性が確保されます。サンプルサイズは、ステップ幅が生体力学に及ぼす影響を分析するのに十分です。
  2. 歩行の干渉を最小限に抑えるために、タイトフィットの運動パンツと標準化された実験靴を着用するように参加者に指示します。余分な衣服を脱ぎます。
  3. 身長、体重、脚の長さ、肩の幅、ヒップ幅などの人体測定データを収集して記録します。
    注:上前腸骨棘から外側くるぶしまでの脚の長さを測定します。肩幅と股関節幅を、それぞれの解剖学的ランドマーク間の直接距離として測定します。
  4. 参加者の肌を乾いた状態に保ち、両面テープを使用して解剖学的ランドマークに反射マーカーを取り付けます。
    注意: 表38に詳述されている特定の位置とラベル名を持つ1つの反射マーカーを使用します。マーカーの正確な配置と安全な取り付けを確保します。動きの激しい場所や凹凸のある場所は、マッスルテープまたは肌に優しい接着剤でマーカーを補強します。マーカーを配置した後、文書化のために正面、背面、側面から写真を撮ります。
  5. 参加者に、静的および動的録音を開始する前に、ウォームアップとして5分間ジョギングするように指示します。

3. 静的キャリブレーション

  1. 追跡ソフトウェアを起動し、ツールバーから [新しいデータベース ]を選択して新しいデータベースを作成します。 [データ管理 ] セクションで、[ 新しい患者の分類] を選択し、次に [新しい患者] を選択し、最後に [新しいセッション ] をクリックして参加者情報データベースを設定します。
  2. 左側のツールバーで「Go Live」をクリックし、Viewインターフェースの「Split horizontal」ボタンを使用します。グラフィックを選択して、軌道の数を表示します。
  3. ツールバーの 「Subject Preparation 」をクリックします。参加者に、足を肩幅に離して立ち、片足をフォースプラットフォームに置き、腕を肩と平行にし、まっすぐ前を向くように指示します。 [開始 ]をクリックしてデータ収集を開始し、位置を10秒間保持します。 [Stop ] をクリックして、静的キャプチャを完了します。
    注:「3Dパースペクティブ」モードに切り替えて、カメラが参加者の体にある38個の反射マーカーを示す少なくとも1つのフレームをキャプチャすることを確認します。

4. 動的試験

  1. 参加者に実験の準備をし、実験状態に入るように伝えます。
  2. ソフトウェア操作
    1. 左側の [リソース] パネルで [ライブに移行] をクリックし、右側の [ツール] パネルで [キャプチャ] をクリックします。参加者の準備ができたら、[開始]をクリックしてトライアルを開始し、[完了後に停止]をクリックして終了します。
      注: 「試験名」セクションで、ステップ幅が異なるさまざまな試験にラベルを付けます。
  3. 好ましいステップ幅の実験を行い、3つの異なる速度で動きをキャプチャします。
    1. 参加者に、左足をプラットフォームA(キスラー)に、右足をプラットフォームB(AMTI)に置き、2つの力プラットフォームのある直線の道を自然に歩くように指示します。
    2. 1 回のラン (フォース プラットフォームを通過する) を完了するまでの時間が 3.0 m/s で 0.95 から 1.05 秒、または 3.7 m/s で 0.76 から 0.86 秒の間にあれば、試行は成功したと考えてください。タイミングがこれらの基準を満たさない場合は、試行を繰り返して、速度変動がランニングバイオメカニクスに与える影響を最小限に抑えます。主な目的は、速度の影響を調査することです。
      注:これらの時間範囲は、事前定義された走行速度(3.0 m/sおよび3.7 m/s)と電子タイミングゲート間の既知の距離に基づいて計算されました。これにより、参加者は試験全体を通じて一貫した走行速度を維持し、実験条件を正確に反映することができます。
    3. 参加者に、2つのフォースプラットフォームを備えた直線の道を3.7 m/sの速度で走るように指示します。
      注:フォースプラットフォームを通過する時間が0.76〜0.86秒の場合、試行が成功したと考えてください。それ以外の場合は、再試行してください。参加者が左足をプラットフォームAに、右足をプラットフォームBに一貫して置くようにします。以前の研究では、さまざまな速度で有意な生体力学的違いが示されています9,10,11,12。参加者に、自然な歩行を確保するために、正式な試験の前に複数回練習するように指示します。試行を注意深く監視し、正しく実行され、マーカーが所定の位置に留まることを確認します。各条件には、少なくとも 5 回の成功した試行が必要です。
  4. 優先ステップ幅の測定と異なるステップ幅の設定
    1. 歩幅の定義と先行研究に基づいて、参加者の好みの歩幅を3つの移動モード8、18、19、20で測定します。モーションキャプチャシステムを使用して、ラボ座標系のY軸が中外側(左右)の方向を表していることを確認します。
      1. 最初の接地時の左右のヒールマーカーのY軸座標を記録します。2 つのかかとの Y 軸座標の差として優先ステップ幅を計算し、足の間の横方向の距離を直接測定します。
    2. フォースプラットフォームに、5つのステップ幅の条件(ステップ幅が脚の長さの13%、6.5%、または25%減少または増加)に対応するさまざまな色のテープでマークを付けます。黄色のテープは、推奨されるステップ幅を示しています。
      注:以前の研究では、ステップ幅が脚の長さに対して13%変化する場合、生体力学的に大きな違いが示されています5,8,18,19。この知見に基づき、ステップ幅の条件を追加で導入します。
    3. 前方を意識しながらまっすぐ歩くように指示します。プラットフォームAの黄色のテープに左足が踏み、プラットフォームBに異なる色のテープが足を踏み入れていることを確認します。ステップ幅を変更するために特定のテープの色をランダムに割り当てます。
      注: ステップ幅の条件ごとに、少なくとも 5 つの成功した試行を収集します。
    4. 参加者に、5つの異なるステップ幅で3.0m/sと3.7m/sの速度で走るように指示します。
      注意: 参加者が指示に正しく従っていることを確認し、マーカーの剥離を監視します。各疾患について少なくとも5つの成功した試行を収集し、各テスト後に十分な休息時間を確保してください。

5. データ処理

  1. 実験後、収集したすべてのデータを互換性のあるソフトウェアを使用して手動で処理します。 表1に設定したマーカーポイントに従ってデータを順次接続します。
  2. 各静的または動的な軌道で、参加者のマーカーが欠落または中断されていないかを確認します。ソフトウェアのポイント接続/塗りつぶしツールを使用して、欠落しているマーカーを手動で再接続し、近くのマーカーを参照して精度を高めます。
  3. 垂直方向の閾値を20Nに設定して足の接触とつま先離しを検出し、各歩行サイクルのスタンスフェーズを定義することにより、動的活動中の地面反力(GRF)を解析します。
    注:かかとの接触からつま先離れまでのGRFデータは、1つの歩行サイクルを定義し、生のC3Dファイルとして保存されます。
  4. 処理されたデータをC3D、MOT、TRC、およびCSV形式でエクスポートします。各参加者が、静的、歩行、走行の条件で 6 つの異なるステップ幅で約 55 回の試行を完了することを確認します。データを使用して、歩幅と四肢の特性を比較します。
    注:厳格なプロトコルの遵守にもかかわらず、一部の参加者は、機器システムでのマーカー軌道の消失により、データが不完全な場合があります。

6. 統計分析

  1. 統計ソフトウェア(SPSS、Pythonなど)を使用して、ステップ幅と走行速度が下肢の生体力学に及ぼす影響に焦点を当ててデータを分析します。
  2. 反復測定ANOVAを使用して生体力学的パラメータを分析し、必要に応じて事後テストにBonferroni補正を適用します。
  3. 6.3. 正規性と球面性の仮定が満たされない場合は、フリードマン検定のようなノンパラメトリックな方法を使用します。すべての有意水準を p < 0.05 に設定します。

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結果

実験とデータ処理の後、処理されたマーカーの軌跡とシミュレートされた地面反力(GRF)データは、 表1に示すようにC3Dファイルに保存されました。C3D.zip フォルダーには、モーション キャプチャの実験から取得した未加工のデータセットが含まれています。すべてのデータ・レコードを 表 2 に示します。データセットはフォルダに整理され、各フォルダは 13 人の参加者のうちの 1 人を表します。これらのサブフォルダ内では、実験ファイルの名前は NNN_CV_TT.XXX で、NNN は参加者番号、CV は実験タイプ (静的または動的)、TT は実行中の試行、XXX はファイル形式の拡張子を示します。静的ファイルには、試用版ファイルと区別するために NNN_Cal_TT.XXX という名前が付けられます。

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ディスカッション

ステップ幅が人間のランニングに与える影響は、多面的で重要な問題です。ステップ幅とは、各足3が最初に接触したときのかかとの中心と地面との間の横方向の距離を指す。ステップ幅を変更すると、ランニング中の安定性、バランス、生体力学、エネルギー消費に影響を与える可能性があります。以前の研究では、ステップ幅を広げると、股関節の内転角、膝の外転モーメント、およびピークインパルスが減少する可能性があることが示唆されています。逆に、ステップ幅を狭くすると、膝の内旋角と股関節内転角が増加する可能性があります1,6,7,21。さらに、歩幅の変動は、筋肉の協調と運動効率に影響を与える可能性がある20,22,23。

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謝辞

この研究は、中国国家自然科学基金会(12202216)、寧波自然科学基金会(2023J128)、および寧波大学の「Mechanics+」学際的革新的青少年基金プロジェクト(GC2024006)の支援を受けました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
AMTI フォースプレートAMTIOR6-7米国マサチューセッツ州ウォータータウン
フロアマーキング用カラーテープ汎用-フォースプレートのさまざまなステップ幅をマークするために使用され、オンラインで購入
キスラーフォースプレートキスラー9260AAスイス、ヴィンタートゥール
MATLABMathWorksバージョンR2021bデータ処理とモデリング
反射マーカーViconMetrics Ltd.-参加者のボディポイントのマーキングに使用
シングルビーム電子タイミングゲートブラウワータイミングシステム-米国ユタ州ドレイパー、走行速度の記録に使用
標準実験靴指定ブランド-歩行干渉を最小限に抑えるための標準化された靴
Vicon Motion Capture SystemVicon Metrics Ltd.Vicon T-Seriesオックスフォード、英国、モーションキャプチャに使用
Vicon Nexus SoftwareVicon Metrics Ltd.バージョン 1.8.5Aデータの収集と分析

参考文献

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