Method Article

Vergelijkende analyse van onderste ledematen kinematica tussen de initiële en terminale fase van 5 km loopband lopen

DOI:

10.3791/61192

⸱

July 17th, 2020

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Faculty of Sports Science, Ningbo University, 2Faculty of Engineering, University of Pannonia Veszeprem, 3Savaria Institute of Technology, Eötvös Loránd University, 4Department of Sport, and Physical Education, Hong Kong Baptist University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deze studie onderzocht de biomechanische kenmerken van de kinematische variabelen in het onderste uiteinde tussen de initiële en terminale fase van 5 km loopband. De kinematische gegevens van 10 lopers in de onderste ledematen werden verzameld met behulp van een driedimensionaal bewegingsafvangsysteem op een loopband in de beginfase (respectievelijk 0,5 km) en de terminalfase (5 km).

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hardlopen is gunstig voor de lichamelijke gezondheid, maar het gaat ook gepaard met vele verwondingen. Echter, de belangrijkste factoren die leiden tot lopende schade blijven onverklaarbaar. Deze studie onderzocht de effecten van lange loopafstand op kinematische variabelen met een lagere ledematen en het kinematische verschil van de onderste ledematen tussen de initiële (IR) en terminale fase (TR) van 5 km hardlopen werd vergeleken. Tien amateurlopers liepen op een loopband met een snelheid van 10 km/h. Dynamische kinematische gegevens werden verzameld in de fase van ir (0,5 km) en TR (5 km), respectievelijk. De piekhoek, piekhoeken en bewegingsbereik werden in dit experiment vastgelegd. De belangrijkste resultaten toonden het volgende aan: enkelvereension en knieontvoering werden verhoogd bij TR; ROM's van enkel en knie werden verhoogd in het frontale vlak bij TR dan IR; een grotere piek hoeksnelheid van enkel dorsiflexie en heup interrotatie werden gevonden in TR in vergelijking met IR. Deze veranderingen tijdens de lange afstand lopen kan een aantal specifieke details voor het verkennen van mogelijke redenen van het lopen van verwondingen.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hardlopen is de populairste sport over de hele wereld. Er zijn een groot aantal individuen die lopen en dit aantal stijgt aanzienlijk elk jaar1. Er is gesuggereerd dat deelname aan regelmatige lichaamsbeweging, waaronder hardlopen, de gezondheid kan bevorderen, het risico op hart- en vaatziekten kan verminderen en zo de levensverwachting kan verbeteren2,3,4. Ondanks de aanzienlijke voordelen voor de gezondheid van het hardlopen, is het aantal loopgewonden in de loopjaren gestegen van 25% tot 83% in de loop der jaren5,6. Er zijn een aantal risico's verbonden aan het lopen, met name aan de onderste ledematen, die voornamelijk gericht zijn op spier-en skeletletsels7. De meerderheid van de gemeenschappelijke running-gerelateerde verwondingen zijn gerelateerd aan patellofemorale pijn, enkelverstuiking, scheenbeen stress fracturen, en fasciitis plantaris8. Loopblessures kunnen worden veroorzaakt door vele factoren, zoals onjuiste voet opvallende patronen, onjuiste schoen selectie, en andere individuele biomechanische factoren9. Bijvoorbeeld, hardlopen met een hiel-strike patroon kan leiden tot een grotere pronatie, en gaat gepaard met grotere plantaire druk op de mediale kant van de voet, die een hoger risico voor achilles tendinopathie en patellofemorale pijn10kan leiden. Bovendien, hardlopen met een grotere knie interne rotatie is eerder gemeld te worden geassocieerd met de iliotibial band syndroom voor vrouwelijke lopers11, vooral bij het uitvoeren van lange afstanden.

Parameters van kinetiek, kinematica en tijd-ruimte componenten kunnen een nauwkeurige analyse van gang biomechanica, en wordt momenteel beschouwd als een belangrijke parameter voor klinische gang analyse12. Lagere verticale grondreactiekrachten en grotere impactversnellingen worden opnieuw gecodeerd na langeafstandslooplopen13,14. Hogere heup excursie en kleinere knie flexions zijn ook gevonden, samen met vermoeide spieren15, en de verhoogde pas frequentie kan resulteren in verminderde paslengtes13,16.

Echter, veranderingen in biomechanische kenmerken van de onderste ledematen in de fase van de initiële en terminale lopen zijn niet volledig geanalyseerd, omdat de meeste studies gemeten biomechanische variatie na het hardlopen. Bovendien, slechts een paar studies gebruik maken van standaard laboratoriumtechnieken om de effecten van lange afstand lopen op gang biomechanische veranderingen in amateur-lopers te beoordelen. De belangrijkste factoren die leiden tot loopblessures zijn nog onduidelijk. Om de onderliggende redenen voor verwondingen in de onderste ledematen als gevolg van langeafstandslopen aan het licht te brengen, is deze studie daarom bedoeld om de biomechanische veranderingen van de onderste extremiteit tussen de IR- en TR-fasen in de loopband 5 km bij amateurlopers te vergelijken.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Schriftelijke geïnformeerde toestemming werd verkregen van onderwerpen en de testprocedures werden goedgekeurd door de universitaire ethische commissie. Alle deelnemers werden geïnformeerd over de vereisten en het proces van de proef.

1. Laboratoriumvoorbereiding

  1. Schakel tijdens het kalibreren de lichten uit en verwijder andere mogelijk reflecterende objecten. Zorg ervoor dat acht camera's op de juiste manier zijn geplaatst en hebben een duidelijk zicht zonder reflectie.
  2. Open het Vicon Nexus 1.8.5-programma en initialiseer de camera's. Selecteersysteem | Lokaal systeem | MX-camera's in het deelvenster Resources en de camera's worden gebruikt.
    OPMERKING: In het deelvenster Eigenschappen moeten de parameters worden aangepast. Het waardenbereik van de stroboscoopintensiteit wordt aangepast aan 0,95-1 en het waardebereik van de drempelwaarde is ingesteld op 0,2-0,4. Stel de grijswaardenmodus in op Automatisch. De verhouding Minimale circulariteit is ingesteld op 0,5 en de gain op keer 1 (x1), de maximale blobhoogte tot 50 en selecteer LED's inschakelen.
  3. Plaats het T-frame in het midden van het opnamegebied, selecteer alle camera's in het systeem en gebruik de 2D-modus. Bevestig dat het T-frame zich in de cameraweergave bevindt zonder interferentiepunten. Selecteer het eerste item Systeemvoorbereiding op de werkbalk. Selecteer in de vervolgkeuzelijst T-Frame het 5-markeringswand- en T-framekalibratieobject.
  4. Klik in het deelvenster Hulpmiddelen voor systeemvoorbereiding op de knop Start onder de sectie Maskercamera's. Klik vervolgens op de knop Start onder De MX-camerasectie kalibreren.
    OPMERKING: Wanneer het kalibratieproces is voltooid, wordt de voortgangsbalk hersteld naar 0%.
  5. Plaats het T-frame in het midden van de camera om de oorsprong van de coördinaten vast te stellen.
  6. Klik in het deelvenster Gereedschap op de knop Start onder de sectie Volumeoorsprong instellen.
  7. Zet de loopband in het midden van de testzone. De acht camera's worden rond de loopband(figuur 1)weergegeven.
  8. Bevestig in totaal 22 reflecterende markeringen (diameter: 14 mm) met dubbelzijdige tape op de onderwerpen op voorhand.

figure-protocol-1
Figuur 1: Indeling van de testsite. Camera's vangen beweging onder de ledematen vast terwijl de proefpersonen op de loopband lopen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

2.

  1. Voor de test, interview onderwerpen in het laboratorium en geven een eenvoudige uitleg van de experimentele procedures. Laat de deelnemers dan een vragenlijst invullen. Vat de resultaten van deze vragenlijsten samen.
    1. Gebruik de volgende vragen:
      1. Hoe vaak ren je in een week?
      2. Voor hoeveel jaar ben je al aan het rennen?
      3. Heeft u last gehad van verwondingen in het onderste uiteinde of in de laatste zes maanden operaties in het onderste uiteinde?
      4. Hoeveel kilometer loop je per week?
  2. Gebruik de volgende inclusiecriteria: alle deelnemers waren in de voorgaande zes maanden voor het onderzoek over dominant en zonder verwondingen in het onderste uiteinde. Alle deelnemers liepen minimaal 15 km per week.
    LET OP: Tien gezonde recreatieve vrouwelijke lopers (leeftijden: 23,4±1,3 jaar; hoogte: 160,7±3,8 cm; massa: 50,3±2,3 kg; loopjaren: 3,2±1,2 jaar) werden geselecteerd.
    1. Schriftelijke geïnformeerde toestemming verkrijgen van deelnemers die aan de inclusiecriteria voldoen.
  3. Vereisen dat de deelnemers dragen uniforme panty's en broeken.
  4. Nota van de lengte (mm), het gewicht (kg), de onderste lengte van de ledematen (mm), de kniebreedte (mm) en de enkelbreedte (mm) voor het statistiekmodel.
  5. Plaats 16 reflecterende markers op onderwerpen op de volgende locaties: voorste-superieure iliacale wervelkolom, posterior-superieure iliacale wervelkolom, laterale middendij, laterale knie, laterale middensteel, laterale malleolus, tweede middenvoetsbeentje hoofd, en calcaneus. Plaats de markers op het tweede middenvoetsbeentje hoofd en calcaneus op de overeenkomstige anatomische punten van de sokken en schoenen.
  6. Instrueren de deelnemers om uniforme sport hardloopschoenen te dragen. Laat de deelnemers opwarmen met licht lopen en 5 minuten uitrekken.

3. Statische kalibratie

  1. Klik op de knop Gegevensbeheer op de werkbalk en selecteer Gegevensbeheer. Klik op het tabblad Nieuwe database op de werkbalk, selecteer de locatie,beschrijf de proefnaam en de klinische sjabloonen klik op de knop Maken.
  2. Selecteer in het venster Database openen de naam van de database die is gemaakt. Klik in de geopende interface op de groene knop Nieuwe patiëntclassificatie, de gele knop Nieuwe patiënt en de grijze knop Nieuwe sessie om de experimentele informatie te maken, waaronder onderwerptype, onderwerpnaam en verschillende actiestatus.
    1. Ga terug naar het Nexus-deelvenster op de linkerwerkbalk op Onderwerpen om een gegevensset Nieuw onderwerp te maken en kies het proefmodel. Vul in het deelvenster Eigenschappenalle antropometrische metingen in: hoogte (mm), gewicht (kg), onderste ledematenlengte (mm), kniebreedte (mm) en enkelbreedte (mm).
  3. Klik op de knop Live gaan, selecteer Gemorst horizontaal en kies de grafiek om het aantal trajecten te controleren.
    OPMERKING: Zorg ervoor dat alle markeringen zichtbaar zijn in de weergave 3D-perspectief. Dit geeft aan dat alle markeringen kunnen worden vastgelegd voor analyse.
  4. Bereid u voor om het statische model vast te leggen. Klik in het deelvenster Gereedschappen vastleggen op de knop Start in de sectie Onderwerpopname.
    OPMERKING: Tijdens het hele proces voor het verzamelen van gegevens moeten de onderwerpen stil blijven staan in het opnamegebied om 140-200 afbeeldingen te verzamelen. Klik vervolgens op de knop Stoppen.
  5. Bekijk in het perspectiefvenster de opnamemarkeringen. Klik op de knop Pijplijn in het deelvenster Gereedschappen en selecteer De pijplijn opnieuw reconstrueren om een 3D-afbeelding van de vastgelegde markeringen te maken. Label vervolgens handmatig het statische model. Wanneer de identificatie is voltooid, slaat u ESC op en drukt u op ESC om af te sluiten.
  6. Kies op de werkbalk de onderwerpvoorbereiding en de kalibratie van het onderwerp. Selecteer de optie Statische plug-in gang in de vervolgkeuzelijst. Kies in het deelvenster Statische instellingen de linkervoet en de rechtervoet,klik op de startknop en sla het statische model op.

4. Dynamische proeven

  1. Wanneer u klaar bent met het verzamelen van de statische gegevens, selecteert u Vastleggen op de rechterwerkbalk. Kies Proeftype en sessie van boven naar beneden en vul de proefbeschrijving in.
  2. Vraag de deelnemers om op de loopband op de volgende manier te lopen.
    1. Warm op door 1 min te lopen met 8 km/u.
    2. Vraag de deelnemer om op de loopband te lopen met een snelheid van 10 km/h. Na een aanpassingsperiode van 4 min op deze snelheid, registreert u de hardloopgegevens voor 40 s. Verzamel de kinematische gegevens op een afstand van respectievelijk 0,5 km en 5 km.
    3. Vraag de proefpersonen om een hartslagmeter te dragen om de hartslag op te nemen en de vermoeidheidsstatus van de proefpersonen tijdens het hardlopen te controleren.
  3. Klik in het deelvenster Gereedschapsopname op de knop Start. Nadat u de dynamische proefversies hebt verzameld, klikt u op Stoppen om de verzameling te beëindigen.

5. Nabewerking

  1. Open het venster Gegevensbeheer en dubbelklik op de proefnaam. Klik op de knop Pijplijn en Labels reconstrueren op de werkbalk om de positie van het markeringspunt te reconstrueren.
  2. Verplaats in het venster Perspectief de blauwe driehoeken op de tijdbalk om het vereiste tijdsbereik in te stellen.
  3. Verleg de weergave van de tijdlijn zodat alleen het geselecteerde bereik wordt weergegeven, klik op de tijdbalk en klik op Inzoomen op Interessegebied.
  4. Selecteer op dit moment de knop Label om de labelpunten te identificeren en te controleren, met dezelfde stappen als het statische identificatieproces. Vul indien nodig een aantal onvolledige identificatiepunten aan. Verwijder de niet-gelabelde markeringen.
  5. Selecteer in het deelvenster Onderwerpkalibratie de dynamische insteekhals gang. Klik op de knop Start om de gegevens uit te voeren. Export motorische proeven in c3d-formaat voor nabewerking.

6. Gegevensanalyse

  1. Verwerk de kinematicagegevens. Breng een vierde-orde low pass Butterworth filter met een afgesneden frequentie van 10 Hz (kinematische) voor het exporteren van de gezamenlijke hoek gegevens. Exporteer de gegevens van de gezamenlijke hoek.
  2. Bereken het bewegingsbereik (ROM), piekhoek en piekhoekige snelheid van de onderste ledematengewrichten (heup, knie en enkel) in drie vlakken (sagittale, frontale en dwarse) tijdens één houdingsfase.

7. Statistische analyse

  1. Gebruik gekoppelde-sample T-test om kinematica van de onderste ledematen (piekhoeken, ROM, piekhoeksnelheid) te vergelijken tussen de initiële (IR) en de terminalfase (TR) van 5 km lopen.
  2. Bereken gemiddelde waarden en standaarddeviaties van de vijf geldige proeven van elk onderwerp voor verschillende loopafstanden. Stel het significantieniveau in op p < 0,05.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De resultaten toonden aan dat er geen verschillen in de piekhoek van de enkel en heup werden waargenomen in het sagittale vlak. Vergeleken met IR, werden de piekhoeken van de enkel en de knie in het frontale vlak beduidend verhoogd bij TR. Een grotere interne heuphoek werd gevonden in TR als in tegenstelling tot IR. Echter, TR presenteerde een kleinere piek hoek in heup ontvoering, enkel interrotatie, en knie interrotatie dan IR (Figuur 2).

In het sagittale vlak w...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deze studie vergeleek het effect van lange afstand lopen op de biomechanische kenmerken van de onderste extremiteit bij amateur lopers. Het bleek dat de piek hoek van de enkel eversion en knie ontvoering toegenomen na 5 km lopen, wat overeenkomt met een eerdere studie17. Studies hebben aangetoond dat overmatige enkel eversion en eversion snelheid zijn belangrijke factoren die het risico van enkelletselsverhogen 18,19. Het is niet verwonder...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Geen potentiële belangenconflict werd gemeld door de auteurs.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deze studie gesponsord door de National Natural Science Foundation of China (81772423), K. C. Wong Magna Fund in Ningbo University, en het National Key R&D Program of China (2018YFF0300903).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
14 mm Diameter Passive Retro-reflective MarkerOxford Metrics Ltd., Oxford, UKn=22
Double Adhesive TapeOxford Metrics Ltd., Oxford, UKVoor het bevestigen van markers op de huid
HartslagGarmin, HRM3-SS, ChinaDetectie van vermoeidheidstoestand
Motion Tracking CamerasOxford Metrics Ltd., Oxford, UKn= 8
T-FrameOxford Metrics Ltd., Oxford, UK-
LaufbandSmart Run, ChinaDeelnemer loopt gedurende het hele proces op het loopband.
Valid DongleOxford Metrics Ltd., Oxford, UKVicon Nexus 1.4.116
Vicon Datastation ADCOxford Metrics Ltd., Oxford, UK-

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Lee, D. C., et al. Running as a Key Lifestyle Medicine for Longevity. Progress in Cardiovascular Diseases. 60 (1), 45-55 (2017).
  2. Dugan, S. A., Bhat, K. P. Biomechanics and analysis of running gait. Physical Medicine & Rehabilitation Clinics of North America. 16 (3), 603-621 (2005).
  3. Hart, L. Disability and mortality among aging runners. Clinical Journal of Sport Medicine Official Journal of the Canadian Academy of Sport Medicine. 19 (4), 338(2009).
  4. Schnohr, P., Marott, J. L., Lange, P., Jensen, G. B. Longevity in male and female joggers: the Copenhagen City Heart Study. American Journal of Epidemiology. 177 (7), 683-689 (2013).
  5. Bovens, A. M., et al. Occurrence of running injuries in adults following a supervised training program. International Journal of Sports Medicine. 10, 186-190 (1989).
  6. Blair, S. N., Kohl, H. W., Goodyear, N. N. Rates and Risks for Running and Exercise Injuries: Studies in Three Populations. Research Quarterly for Exercise & Sport. 58 (3), 221-228 (2016).
  7. Lun, V., Meeuwisse, W. H., Stergiou, P., Stefanyshyn, D. Relation between running injury and static lower limb alignment in recreational runners. British Journal of Sports Medicine. 38 (5), 576-580 (2004).
  8. Fukuchi, R. K., Fukuchi, C. A., Duarte, M. A public dataset of running biomechanics and the effects of running speed on lower extremity kinematics and kinetics. PeerJ. 5 (5), 3298(2017).
  9. Iii, E. B. L., Sackiriyas, K. S. B., Swen, R. W. A comparison of the spatiotemporal parameters, kinematics, and biomechanics between shod, unshod, and minimally supported running as compared to walking. Physical Therapy in Sport Official Journal of the Association of Chartered Physiotherapists in Sports Medicine. 12 (4), 151-163 (2011).
  10. Dowling, G. J., et al. Dynamic foot function as a risk factor for lower limb overuse injury: a systematic review. Journal of Foot & Ankle Research. 7 (1), 53(2014).
  11. Aderem, J., Louw, Q. A. Biomechanical risk factors associated with iliotibial band syndrome in runners: a systematic review. BMC Musculoskeletal Disorders. 16 (1), 356(2015).
  12. Anderson, T. Biomechanics and running economy. Sports Medicine. 22 (2), 76-89 (1996).
  13. Degache, F., et al. Changes in running mechanics and spring-mass behaviour induced by a 5-hour hilly running bout. Journal of Sports Sciences. 31 (3), 299-304 (2013).
  14. Millet, G. Y., et al. Running from Paris to Beijing: biomechanical and physiological consequences. Eur J Appl Physiol. 107 (6), 731-738 (2009).
  15. Mizrahi, J., Verbitsky, O., Isakov, E., Daily, D. Effect of fatigue on leg kinematics and impact acceleration in long distance running. Human Movement Science. 19 (2), 139-151 (2000).
  16. Bisiaux, M., Moretto, P. The effects of fatigue on plantar pressure distribution in walking. Gait & Posture. 28 (4), (2008).
  17. Dierks, T. A., Davis, I. S., Hamill, J. The effects of running in an exerted state on lower extremity kinematics and joint timing. J. Biomech. 43 (15), 2993-2998 (2010).
  18. Rolf, C. Overuse injuries of the lower extremity in runners. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports. 5 (4), 181-190 (1995).
  19. Marti, B., Vader, J. P., Minder, C. E., Abelin, T. On the epidemiology of running injuries: the 1984 Bern Grand-Prix study. The American Journal of Sports Medicine. 16 (3), 285-294 (1988).
  20. Dierks, T. A., Davis, I. S., Hamill, J. The effects of running in an exerted state on lower extremity kinematics and joint timing. Journal of Biomechanics. 43 (15), 2993-2998 (2010).
  21. Noehren, B., Davis, I., Hamill, J. ASB Clinical Biomechanics Award Winner 2006: Prospective study of the biomechanical factors associated with iliotibial band syndrome. Clinical Biomechanics. 22 (9), 951-956 (2007).
  22. Noehren, B., Pohl, M. B., Sanchez, Z., Cunningham, T., Lattermann, C. Proximal and distal kinematics in female runners with patellofemoral pain. Clinical Biomechanics. 27 (4), 366-371 (2012).
  23. Souza, R. B., Powers, C. M. Differences in hip kinematics, muscle strength, and muscle activation between subjects with and without patellofemoral pain. Journal of Orthopaedic & Sports Physical Therapy. 39 (1), 12-19 (2009).
  24. Ferber, R., Hreljac, A., Kendall, K. D. Suspected mechanisms in the cause of overuse running injuries: a clinical review. Sports Health. 1 (3), 242-246 (2009).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Lower Limb KinematicsTreadmill RunningKinematic Data CollectionMarker PlacementMotion Capture SystemFrontal Plane AnalysisSagittal Plane AnalysisTransverse Plane AnalysisPeak Angular VelocityRange of Motion

Related Articles