このプロトコルは、フットスキャン圧力板を用いた45°方向転換作業中の足底圧力分布、足のバランス、足軸角度を定量化する標準化されたアプローチを詳細に示しており、制御されたアプローチ速度で両側肢の荷重パターンを再現可能にしています。
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この記事について
サマリー
要約
このプロトコルは、45°方向転換(COD)課題が利き肢と非利き肢間で非対称的な足底荷重を引き起こすかどうかを標準化したアプローチを確立します。ワークフローには、圧力板の校正、裸足参加者の準備、3.5 m·s⁻¹(±5%)でのアプローチ速度制御が含まれ、試験の一貫性を高めるためのタイミングゲートを使用します。足底負荷は10リームフィート分割法で定量化され、スタンスは101ポイントに時間正規化されます。力の軌道は平均垂直力(Zavg)に正規化され、時間連続信号の四肢間比較が可能です。肢の違いは、一次元統計パラメトリックマッピング(SPM1d)を用いて評価され、ランダム場理論に基づく推論と、必要に応じて離散的な要約指標(例:地域ピークや足のバランス指数)を用いて補完されます。標準化された45° COD試験を実施した15人の健康な成人コホートでは、時間連続解析では四肢間の曲線レベルの統計的有意性は認められず、現状条件下で高い機能的対称性を示しました。一部の足底領域ではわずかな方向性傾向が観察されましたが、これらは決定的な四肢特有の戦略ではなく記述的なものと解釈すべきです。全体として、このプロトコルは両側の足底力学研究のための透明かつ再現可能な枠組みを提供し、スポーツパフォーマンステスト、靴の評価、リハビリテーションモニタリング、臨床歩行評価への応用を支援しています。
概要
方向転換(COD)動作は多くのスポーツで重要なスキルであり、特にフットボール、バスケットボール、ラグビーのような高強度の活動では、スピードと正確さが運動能力や競争心に直接影響します1,2。研究によれば、CODの動きはアスリートに高い下肢の筋力と爆発力を要求するだけでなく、優れた協調性と細かい歩行制御も求められます。CODの動きの背後にある生体力学的メカニズム、特に足底圧への影響を包括的に理解するために、多くの研究が運動学的および運動学的パラメータ、特に異なる移動速度や歩行条件下の変化を探求することに焦点を当ててきました。
足底圧の分布は足の構造、機能、全身の姿勢制御の動的な変化を反映しています5,6,7。足底圧を分析することで、異なる姿勢や運動条件下での人体の生理学的・病理学的生体力学的パラメータと機能的特徴を理解することができました8,9。近年、足底圧力分布の解析は生物医学、靴の設計、スポーツパフォーマンスにおいて重要なツールとなっており、足と地面の複雑な生体力学的相互作用を明らかにするのに役立っています。過去の研究では、足底圧力分析がパフォーマンスに関連する適応を明らかにできることが示されました。例えば、プロサッカー選手はレクリエーションアスリートに比べて前足部負荷が高く、これはスポーツ特有の推進力や安定性への要求を反映しています。一方で、歩行や着地などの動的な動作は、静的立っているよりも著しく大きな足底荷重を生み出し、動き10時の足の圧力再分配の生体力学的な重要性を強調しました。さらに、Patakyらは従来の離散サブサンプリングと曲線ベースの足底圧SPM(pSPM)を比較し、歩行速度が最大足底圧推定に体系的に影響することを示しました。また、フィールドごとの推論が任意のサンプリングウィンドウへの依存を減らすことが明らかになり、時間連続解析におけるSPMの利用を支持しました11。
スポーツや運動は、特に急速なカットやその他の高強度な動作時に足に独特の生体力学的負荷をもたらします。Amaroら(2020)は、走る、カット、リバウンドなどのバスケットボール特有の動きが、足部の最大足底圧の動き依存的な変動を引き起こすと報告しました12。Serranoら13 はさらに、ユースフットサル選手がCODマニューバーの異なる表面で一貫した足底圧力パターンを維持していることを示し、動的な文脈における適応的な足の生体力学を浮き彫りにしました。Kongら14 は、スプリント、45°カット、レイアップ時に前足部負荷がランニングと比べて有意に増加していることを発見し、スポーツ特有の課題における足底圧力再分配の生体力学的重要性を強調しました。
スポーツや靴の研究で足底圧力分析が広く応用されているにもかかわらず、標準化されたCOD課題における足底圧力分布や足のバランス挙動を体系的に検証した研究はほとんどありません。本研究は、速度制御条件下での45°COD操作中の両側足底圧および足のバランス評価の再現可能なプロトコルを提案することで、このギャップを埋めています。著者らは、バイオメカニカル研究で一般的に使われる中程度のCOD角度を表す45°の切断角を選び、スポーツの関連性と実験室での実現可能性、参加者の安全性のバランスを取っています。さらに、CODの力学は切削角や接近速度によって変化することが知られています。したがって、本件の調査結果は、制御された進入速度で標準化された45°作業を実施したものとして解釈されるべきです。利き肢は推進に関連する前足部領域でより大きな負荷を示す一方、非利き肢は足のバランス指数で中外側の変動性が増加し、安定化の役割を反映すると仮説を立てました。選択された速度と歩行の組み合わせは、既存の文献やオープンソースデータセット、そしてCOD運動に関する現在の生体力学的研究を組み合わせて、実験条件の科学的かつ代表的な性質を確保するためのものです。
本研究は、標準化された速度と歩様条件下でのCOD運動における足底圧と足のバランスの分布パターンを明らかにすることを目的としています。この特定の動きの文脈における生体力学的応答を分析することで、スポーツ科学、リハビリテーション戦略、スポーツフットウェア設計に関する理論的洞察を提供し、アスリートのトレーニングと動き技術の最適化に向けた実践的な指針となることが期待されています。
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プロトコル
本研究は寧波大学研究所倫理委員会(承認番号:ty2022020)から承認を得ています。すべての参加者は、実験の目的、要件、手順について説明を受け、書面による同意を提供しました。使用される機器とソフトウェアは 材料表に記載されています。
1. 実験室での準備
フットスキャン2m圧力板(2.0 m ×〜 0.40 m × 0.02 m、16,384個のセンサー)が使用され、480 Hzでサンプリングされました。プレートは周囲の滑走路と面一に埋め込まれ、階段高さのアーティファクトを除去するために保護マットが用いられました。システムはメーカーの指示に従ってゼロ調整と重量校正が行われ、接続されたプレートのシリアル番号と校正ファイルもテスト前に検証されました。
足が接触する直前の最後の2mの進入速度は、2.0m間隔で80cmのビーム高さで滑走路に合わせて設置された二重赤外線タイミングゲートで監視されました。滑走路の両側にゲートが設置され、COD操作の妨げにならないようにされていました。参加者は圧力板に接触する前に、アプローチ経路に沿って3.5 m·s⁻¹(±5%)を維持することが求められました。タイミングゲートは最後の2mの平均速度を数値化しますが、参加者は青いマット滑走路に沿って接近し、45°方向転換(COD)動作を行い、プラント(旋回)足が圧力板の活性領域に接触しました。足の位置を狙う目的で視覚的なマーカーは提供されず、いくつかの模擬試験が許可されました。実験は、植物足が活動領域内で明確な歩幅調整なしに完全接触した場合有効とされました。部分的な接触や明らかな標的を用いる試験も繰り返し行われました。
2. 参加者の準備
すべての参加者は、研究の目的と手順について明確な説明を受け、質問の機会を設けた後、書面によるインフォームドコンセントを提供しました。肢間変動を最小限に抑えるため、右脚優位の個体のみを募集しました。脚の優位性は、推奨されるキッキングレッグテスト(≥3つの試験で2件の確認)によって決定されました。参加者全員が右脚優位でした。最終サンプルには、過去6か月間に下肢の損傷や足の変形の既往がない健康な中国成人15名(男性9名、女性6名、年齢:22歳、体重65.52kg、身長170.3cm)が含まれていました。特定の包含基準は、年齢と性別の交絡効果を低減し、実験結果の再現性と統計的妥当性を向上させるために設計されました。
参加者はぴったりとした運動用パンツを着用し、両足を揃えてFootscanプレートの上で裸足で立つよう指示されました。その後、身長、体重、足の長さ、靴のサイズ、アーチタイプなどの人体計測データを収集・記録しました。内側縦方向のアーチ高は、背中高さ(全フィート長の50%で測定)と全フィート長の比率として計算されたアーチ高指数(AHI)を用いて評価されました。AHI値は0.310から0.356の範囲で正常な弓状構造を示すと考えられました。
主要な試験を開始する前に、参加者はまず必要な動きの課題の実演を見せられました。その後、各参加者は標準化されたウォームアップとして10分間のゆっくりとしたジョグを行い、静的および動的記録の両方に十分な生理的準備を確保しました。
3. サンプルサイズの正当化
両側対対t検定の感度分析(α=0.05, 1−β=0.80, n=15)では、主たる離散アウトカム(FBI)におけるコーエン氏dz≈0.74の被験者内効果を検出する能力が高いことが示されました。
4. 足底領域の区分と略語
足底面はFootscanソフトウェアによって10の解剖学的領域に分けられました:ハラックス(T1)、小足指を単一領域として扱う(T2-T5)、第一から第五中足骨(M1-M5)、内側かかと(MH)、外側かかと(LH)、および中足部(MF)。フットバランス指数(FBI)では、内側負荷はM1、M2、MFの正規化力の合計として定義され、一方で横方向負荷はM3、M4、M5、LHで構成されていました。この分類は、中足骨頭、頭骨裂目、足中部境界(足長30%〜60%)に基づくデフォルトのフットスキャン分節ルールに従っています。完全な略語キーは 図1Aに示されています。
5. 静的測定
- 姿勢とセットアップ
参加者は裸足でフラッシュマウントの圧力板の上に立ち、肩幅くらいの足を開き、膝は伸ばしたがロックはせず、腕は体の横にリラックスし、視線は前方~3mの目の高さにある壁の印に固定されていました。足は板の前後軸(AP)に合わせて配置され、位置の偏りを避けるため、足元に視覚的標的は設置されませんでした。 - 安定化と記録
3〜5秒の静かな安定化後、足底圧力分布の静的なスナップショットが1枚記録されました。姿勢のずれを最小限に抑えるため、試験間に≥30秒の座ったまま休憩しながら、参加者あたり2回有効な反復を収集しました。 - 妥当性と繰り返しの基準
静的試験は、(1) 両足の足底が活動領域内で完全に接触していること、(2) 安定化ウィンドウ中に明らかな揺れやステップ調整がなかったこと、(3) プレートの周辺で足跡の重なりや切断がないことを条件に有効とみなされました。これらの基準を満たさない試験も繰り返し実施されました。 - 派生変数(静的)
静的スナップショットから、10の解剖学的領域( 図1Aの略語キー)およびプロトコル品質管理に用いられる記述指標(例:横方向の総力比)を計算しました。静的データはベースライン分布とプレートセグメンテーション品質の記録にのみ使用されました。すべての仮説検証は動的COD試験で実施されました。
6. 動的測定
参加者は裸足で45度サイドステップのCOD試験を実施しました。右向きカットの条件では、左足(ターン/プラント)が圧力板に完全に着地しました。足の位置が安定し、足底の完全な接触を確保するために、慣れ込みの際に各参加者に固定されたスタートマークを設定し、左回転ステップがプレートに接触する右→左ステップの連続を生み出しました。正式なテストの前に、参加者はプレートに視覚的なターゲットを置かない自然で再現可能な歩行を確立するために複数回の慣れ込みランを行いました。各疾患ごとに少なくとも3件の有効な試験が記録されています。不完全な接触や目に見える標的化がある試験は破棄され、再実施されました。左向きカット条件では、スタートマークとステップシーケンスが鏡像化され、右回転足が同じ条件で圧力板に接触するようにされました。
実験室の滑走路の長さは10mで、圧力板はスタートラインから6mの高さに埋め込まれ、接近用に~6m、接触後の減速用~2mを残していました。アプローチ速度は、アプローチ経路沿いに2.0m間隔で設置された2つの単一ビームタイミングゲート(ビーム高さ80cm)で監視され、下流ゲートは圧力板の有効領域の近接端に整列され、足が接触する直前の最後の2mを測定しました。試験は測定された接近速度が3.5 m·s⁻¹(±5%)である場合にのみ有効と認められました。
すべての試験は訓練を受けた研究者によって厳密に観察され、指示された速度範囲の遵守と課題の適切な実行が確保されました。運動学データはフットスキャンシステムによって自動的に収集され、安全な保存で後続解析に備えました。足着地のパターンは明確に制御されていなかった。参加者は自分で選んだランニングスタイルで課題を行いました。
7. データ処理
実験終了後、収集されたすべてのデータはFootscanソフトウェアで手動処理されます。
静的および動的各試験を慎重に検証し、欠落データや足の接触パターンの乱れを特定し、データの妥当性を確保しました。左右足の識別は、足の接触時に撮影された動的な足底圧画像に基づいて決定され、これによりピーク圧力分布と立ち位置の圧力中心の位置を視覚的に示しました。
足底面は当初、システムの自動分割機能を使って10の解剖学的領域に分割され、足を前足部、中足部、後足部のゾーンに分類していました。必要に応じて手動調整を行い、正確な地域区分を確保しました。最終的な分割に基づき、各領域から圧力値を抽出し、さらなる解析のための地域的な圧力-時間曲線を生成しました。
足底圧データは静的および動的条件の両方で別途エクスポートされました。エクスポートされたパラメータには、足角、足軸、足のバランス、ゾーンごとの圧力値(図1)が含まれ、これらはあらかじめ定義された足部領域から抽出されました。
注:実験プロトコルの厳格な遵守にもかかわらず、Footscanソフトウェア内で明確な軌道が消失したため、一部の参加者のデータが不完全でした。
8. 足底圧と力
姿勢時の足底荷重分布を調べるために、10の足底領域から時間系列の足底力と圧力データを抽出しました。力/圧力-時間曲線は101点に正規化され、試行間での時間的比較性を確保しました。被験者間の変動(例えば体重によるもの)を最小化するため、地域的な力はスタンスに対する平均垂直力(Zavg)に正規化され、次のように定義されました。
(1)
ここでFz(t)はフレームtにおける垂直地面反力、Nはスタンスフレームの数を表します。正規化された力は無次元(×1)として報告されます。対照的に、地域的な足底圧は接触面積に対して既に表されているため、正規化せずに物理単位(kPa)で解析されました。この力の正規化スキームは、以前の研究18に従っています。
9. 足のバランス
式2に示される足のバランス指数(FBI)は、立ち位期における足の回内または足の回外(フットサピネーション)を指します(図1)19。FBIの計算に使われるFavgは、plantar19全体の平均力です。FBIは次のように計算されました。
(2)
ここで、Fは内側(M1, M2, MH)および外側(M3-M5, LH)領域からの足底力の合計を表します。正のFBI値は内側負荷(回内)の増大を示し、負の値は外外負荷(回外)の増加を示します。
なお、MFはFBIグループから意図的に除外されています(内側=M1、M2、MH;外側=M3-M5、LH)。これはアーチ関連の変動を避け、前足部とかかとのバランスに焦点を当てるためです。
10. フット軸角
足の軸角は、歩行中の足の内旋および外旋の度合いを反映します。この角度は、かかとの中央点と第2・第3中足骨の間の隙間の中間点との間の連結した線で構成されています。移動方向の線は足の軸角19(図1)として定義されます。足の水平面での内旋と外旋は、それぞれ負の角度と正の角度で表されていました。
11. 統計解析
離散的なアウトカム指標(例:足のバランス指数、足底の各領域の足底圧、足の軸角)をSPSS v19.0を用いて分析しました。15人の参加者それぞれに対し、利き足と非利き足のデータをペアサンプルとして扱いました。したがって、正規分布データにはペアt検定(被験者内差分の分布に基づいて正規性が検証)が行われ、非パラメータ比較にはウィルコクソン符号付きランク検定が適用されました。各疾患について、四肢間比較前に被験者内で試験レベルの曲線を平均化しました。離散的な指標は被験者内平均の有効試験を用いました。
連続的な足底圧時系列では、Zavg正規化(データ処理参照)し、線形補間を用いて101点まで時間正規化されました。その後、対対t検定を用いた一次元統計的パラメトリックマッピング(SPM1d)を用いて、全スタンスフェーズの圧力曲線を比較しました。ランダム場理論(RFT)を用いて場ごとの誤差を制御し、時間20を通じた複数比較の補正を行いました。すべての時系列解析はMATLAB R2018aで実施され、有意性閾値は0.05に設定されました。
複数の離散比較における家族ごとの誤差を制御するため、離散地域/計量アウトカムのp値をHolm-Bonferroni手法(α = 0.05)で調整しました。該当する場合は、未調整および調整済み有意性の解釈の両方が報告されています。
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結果
10領域における力と圧力の時間変化
方向転換時には、利き足がほとんどの足底領域(例:M1、M3、M4、MF、SUM)で非利き足よりも高い時間序列の力と圧力値を示し、特に中後期のスタンスフェーズで顕著でした。しかし、統計的パラメータマッピング(SPM)解析により、これらの差は統計的有意の閾値(α = 0.05)に達していないことが明らかになりました。例えば、力のプロットでは、優勢足がM1およびMF領域で一貫して大きな大きさを示し、圧力プロットではM2、M3、M4領域でも同様の傾向が観察されました(図2および図3)。この統計的有意性の欠如には、サンプル数の限られていること、統計的検密力の不足、健康な参加者の神経筋制御能力が高かったことなど、いくつかの要因が考えられます。全体として、両側肢は方向変化時に比較的対称的な足底荷重プロファイル...
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ディスカッション
本研究は、標準化された45°COD課題における足底圧力分布と足のバランスの両側差を調査しました。全体として、時間連続SPM1d解析では、姿勢間で四肢間で地域的な力・圧力の軌跡に統計的に有意な差は認められませんでした。利き肢は一部の領域でやや高い大きさを示し、非利き肢は他の領域で逆の傾向を示しましたが、これらのパターンは一貫した肢特有の生体力学的戦略の証拠というよりは、記述的で有意でない傾向として解釈されるべきです。総合的に見て、健康な参加者は現在の試験条件下でこの課題において高い機能的対称性を維持していたことが示唆されています。
さらに、足のバランス指数(FBI)は立位期の四肢間で統計的に比較可能であり、健康な人は局所的な偏位があってもほぼ対称的な内側・外側の足底負荷を維持していることを示しました。これらの発見は、SPM1dのような時間連続的な生体力学解析が、離散点比較で見落とされがちな微妙な非対称性パターンを明らかにするのに有用であることを示唆しています。
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開示事項
著者たちは何も明かすことはありません。
謝辞
本研究は中国国家自然科学基金(12202216)、寧波自然科学基金(2023J128)、寧波大学の学際的トップ革新青年基金プロジェクト(GC2024006)、浙江工業工学研究センター(液体ヘリウムフリー磁気共鳴画像法新技術・応用(2024GCLX05)の支援を受けました。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| フーストカン2m圧力板 | テックスカン社、アメリカ | 5101 | |
| データ取得ソフトウェア | テックスカン社、アメリカ | www.tekscan.com/products/software | |
| 赤外線タイミングゲート | ラファイエット・インストゥルメント・カンパニー、アメリカ | 5016A | |
| MATLAB | MathWorks、アメリカ | www.mathworks.com/products/matlab | |
| SPM1dツールボックス | オープンソース(統計的パラメトリックマッピング) | www.spm1d.org |
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