To badanie badało biomechaniczne cechy zmiennych kinematycznych kończyn dolnych między początkową a końcową fazą biegu na bieżni 5 km. Dane kinematyczne kończyn dolnych 10 biegaczy zebrano za pomocą trójwymiarowego systemu przechwytywania ruchu na bieżni odpowiednio w fazie początkowej (0,5 km) i końcowej (5 km).
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Analiza porównawcza kinematyki kończyn dolnych między początkową a końcową fazą biegu na bieżni na 5 km
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Bieganie jest korzystne dla zdrowia fizycznego, ale towarzyszy mu również wiele kontuzji. Jednak główne czynniki prowadzące do kontuzji podczas biegania pozostają niewyjaśnione. W badaniu tym zbadano wpływ długiego dystansu biegu na zmienne kinematyczne kończyn dolnych i porównano różnicę kinematyczną kończyn dolnych między fazą początkową (IR) a fazą końcową (TR) biegu na 5 km. Dziesięciu biegaczy amatorów biegało na bieżni z prędkością 10 km/h. Dane kinematyki dynamicznej zebrano odpowiednio w fazie IR (0,5 km) i TR (5 km). W tym eksperymencie zarejestrowano kąt szczytowy, szczytowe prędkości kątowe i zakres ruchu. Główne wyniki wykazały, co następuje: wywinięcie stawu skokowego i odwodzenie kolana były zwiększone w TR; ROMy stawu skokowego i kolana były zwiększone w płaszczyźnie czołowej przy TR niż w IR; w TR stwierdzono większą szczytową prędkość kątową zgięcia grzbietowego stawu skokowego i interrotacji bioder w porównaniu z IR. Te zmiany podczas biegów długodystansowych mogą dostarczyć pewnych szczegółowych informacji do zbadania potencjalnych przyczyn kontuzji podczas biegania.
Wprowadzenie
Bieganie jest najpopularniejszym sportem na całym świecie. Jest duża liczba osób, które biegają, a liczba ta znacznie wzrasta każdego roku1. Sugeruje się, że regularne ćwiczenia, w tym bieganie, mogą promować zdrowie, zmniejszać ryzyko chorób sercowo-naczyniowych, a tym samym poprawiać oczekiwaną długość życia2,3,4. Pomimo znaczących korzyści zdrowotnych płynących z biegania, częstość występowania kontuzji podczas biegania wzrosła z 25% do 83% na przestrzeni lat5,6. Istnieje pewne ryzyko związane z bieganiem, zwłaszcza w przypadku kończyn dolnych, które koncentrują się głównie na urazach układu mięśniowo-szkieletowego7. Większość częstych urazów związanych z bieganiem jest związana z bólem rzepkowo-udowym, skręceniem kostki, złamaniami przeciążeniowymi kości piszczelowej i zapaleniem rozcięgna podeszwowego8. Kontuzje podczas biegania mogą być wywołane przez wiele czynników, takich jak nieprawidłowe wzorce uderzeń stopy, nieprawidłowy wybór buta i inne indywidualne czynniki biomechaniczne9. Na przykład bieganie z wzorcem uderzenia piętą może prowadzić do większej pronacji i towarzyszy mu większy nacisk podeszwowy na przyśrodkową stronę stopy, co może prowadzić do większego ryzyka tendinopatii Achillesa i bólu rzepkowo-udowego10. Ponadto wcześniej donoszono, że bieganie z większą rotacją wewnętrzną kolana jest związane z zespołem pasma biodrowo-piszczelowego u biegaczek11, zwłaszcza podczas biegania na długich dystansach.
Parametry kinetyki, kinematyki i komponentów czasoprzestrzennych mogą dostarczyć precyzyjnej analizy biomechaniki chodu i są obecnie uważane za ważny parametr do klinicznej analizy chodu12. Niższe pionowe siły reakcji gruntu i większe przyspieszenia uderzenia są przekodowywane po biegu długodystansowym13,14. Stwierdzono również większe wychylenie bioder i mniejsze zgięcia kolan wraz ze zmęczonymi mięśniami15, a zwiększona częstotliwość kroku może skutkować zmniejszeniem długości kroku13,16.
Jednak zmiany w cechach biomechanicznych kończyn dolnych w fazie początkowego i końcowego biegu nie zostały w pełni przeanalizowane, ponieważ większość badań mierzyła zmienność biomechaniczną po biegu. Ponadto tylko w nielicznych badaniach wykorzystano standardowe techniki laboratoryjne do oceny wpływu biegów długodystansowych na zmiany biomechaniczne chodu u biegaczy amatorów. Główne czynniki prowadzące do kontuzji biegowych są nadal niejasne. Dlatego, aby ujawnić przyczyny urazów kończyn dolnych spowodowanych biegami długodystansowymi, niniejsze badanie ma na celu porównanie zmian biomechanicznych kończyny dolnej między fazami IR i TR w bieżni biegającej na 5 km u biegaczy amatorów.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
Od uczestników uzyskano pisemną świadomą zgodę, a procedury testowe zostały zatwierdzone przez uniwersytecką komisję etyki. Wszyscy uczestnicy zostali poinformowani o wymaganiach i przebiegu badania.
1. Przygotowanie laboratoryjne
- Podczas kalibracji wyłącz światła i usuń inne potencjalnie odbijające obiekty. Upewnij się, że osiem kamer jest odpowiednio rozmieszczonych i mają one czysty widok bez odbić.
- Otwórz program Vicon Nexus 1.8.5, a następnie zainicjuj kamery. W panelu Resources wybierz System | Local System | MX Cameras, aby uruchomić kamery.
UWAGA: W panelu Properties należy dostosować parametry. Zakres wartości intensywności stroboskopu należy ustawić na 0,95-1, a zakres wartości progu (threshold) na 0,2-0,4. Ustaw tryb skali szarości (grayscale mode) na Auto. Minimalny stosunek kolistości (Minimum circularity ratio) ustaw na 0,5, wzmocnienie (Gain) na x1, maksymalną wysokość plamy (Max blob height) na 50 i zaznacz Enable LEDs. - Umieść ramkę T (T-frame) w centrum obszaru przechwytywania, zaznacz wszystkie kamery w systemie i użyj trybu 2D. Potwierdź, że ramka T znajduje się w polu widzenia kamery bez żadnych punktów zakłócających. Wybierz pierwszą pozycję System Preparation na pasku narzędzi. Z listy rozwijanej T-Frame wybierz obiekt kalibracyjny 5 Marker Wand & T-Frame.
- W panelu System Preparation Tools kliknij przycisk Start w sekcji Mask Cameras. Następnie kliknij przycisk Start w sekcji kamery Calibrate MX.
UWAGA: Po zakończeniu procesu kalibracji pasek postępu powróci do wartości 0%. - Umieść ramkę T w centrum kamery, aby ustanowić początek układu współrzędnych.
- W panelu Tool kliknij przycisk Start w sekcji Set Volume Origin.
- Ustaw bieżnię w centrum strefy testowej. Osiem kamer rozmieszczonych jest wokół bieżni (Rycina 1).
- Przyczep wcześniej do badanych łącznie 2 markerach refleksyjnych (średnica: 14 mm) za pomocą dwustronnej taśmy.
Rysunek 1: Układ stanowiska badawczego. Kamery rejestrują ruch kończyn dolnych podczas biegu badanych na bieżni. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
2. Przygotowanie badanego
- Przed badaniem przeprowadź wywiady z uczestnikami w laboratorium i udziel im prostego wyjaśnienia procedur eksperymentalnych. Następnie poproś uczestników o wypełnienie kwestionariusza. Podsumuj wyniki tych kwestionariuszy.
- Użyj następujących pytań:
- Jak często biegasz w ciągu tygodnia?
- Od jak wielu lat biegasz?
- Czy w ciągu ostatnich sześciu miesięcy doznałaś jakichkolwiek urazów kończyn dolnych lub przeszłaś operacje kończyn dolnych?
- Ile kilometrów przebiegasz tygodniowo?
- Użyj następujących pytań:
- Zastosuj następujące kryteria włączenia: wszyscy uczestnicy musieli wykazywać dominację prawej nogi oraz nie posiadać żadnych urazów kończyn dolnych w ciągu sześciu miesięcy poprzedzających badanie. Wszyscy uczestnicy musieli biegać co najmniej 15 km tygodniowo.
UWAGA: Wybrano dziesięć zdrowych kobiet biegających rekreacyjnie (wiek: 23,4±1,3 lat; wzrost: 160,7±3,8 cm; masa: 50,3±2,3 kg; staż biegowy: 3,2±1,2 lat).- Uzyskaj pisemną świadomą zgodę od uczestników spełniających kryteria włączenia.
- Wymagaj, aby uczestnicy nosili ujednolicone getry i spodnie.
- Zapisz wzrost (mm), wagę (kg), długość kończyny dolnej (mm), szerokość kolana (mm) oraz szerokość kostki (mm) uczestników na potrzeby modelu statystycznego.
- Umieść na uczestnikach 16 markerów odblaskowych w następujących lokalizacjach: kolec biodrowy przedni górny, kolce biodrowe tylne górne, boczna część uda w połowie jego długości, boczna część kolana, boczna część podudzia w połowie jego długości, kostka boczna, głowa drugiej kości śródstopia oraz pięta. Markery na głowie drugiej kości śródstopia i pięcie umieść na odpowiadających punktach anatomicznych skarpet i butów.
- Poleć uczestnikom założenie ujednoliconych sportowych butów do biegania. Poproś uczestników o rozgrzewkę w postaci lekkiego biegu i rozciągania przez 5 min.
3. Kalibracja statyczna
- Kliknij przycisk Data Management na pasku narzędzi, wybierz Data Management. Kliknij kartę New Database na pasku narzędzi, wybierz location, opisz nazwę badania oraz Clinical Template, a następnie kliknij przycisk create.
- W oknie Open Database wybierz nazwę utworzonej bazy danych. W otwartym interfejsie kliknij zielony przycisk New Patient Classification, żółty przycisk New Patient oraz szary przycisk New session, aby utworzyć informacje eksperymentalne, w tym typ obiektu, nazwę obiektu oraz różne statusy działań.
- Wróć do panelu Nexus, na lewym pasku narzędzi kliknij Subjects, aby utworzyć zestaw danych New Subject, i wybierz model badania. W panelu Properties pane wprowadź wszystkie pomiary antropometryczne: wzrost (mm), masę ciała (kg), długość kończyny dolnej (mm), szerokość kolana (mm) oraz szerokość kostki (mm).
- Kliknij przycisk Go live, wybierz Spilt horizontally i wybierz graph, aby sprawdzić liczbę Trajectory.
UWAGA: Upewnij się, że wszystkie markery są widoczne w widoku 3D Perspective. Oznacza to, że wszystkie markery mogą zostać zarejestrowane do analizy. - Przygotuj się do rejestracji modelu statycznego. W panelu Capture Tools kliknij przycisk Start w sekcji Subject Capture.
UWAGA: Przez cały proces gromadzenia danych obiekty powinny pozostać nieruchomo w obszarze rejestracji, aby zebrać od 140 do 20 klatek obrazów. Następnie kliknij przycisk Stop. - W panelu perspektywy przejrzyj zarejestrowane markery. Kliknij przycisk Pipeline w panelu Tools, wybierz Running The Reconstruct Pipeline, aby utworzyć obraz 3D zarejestrowanych markerów. Następnie ręcznie opisz model statyczny. Po zakończeniu identyfikacji zapisz dane i naciśnij ESC, aby wyjść.
- Na pasku narzędzi wybierz przygotowanie obiektu oraz kalibrację obiektu. Z listy rozwijanej wybierz opcję Static plug-in gait. W panelu Static Settings wybierz left foot oraz right foot, kliknij przycisk start i zapisz model statyczny.
4. Próby dynamiczne
- Po zakończeniu zbierania danych statycznych, wybierz opcję Capture na prawym pasku narzędzi. Wybierz Trial Type oraz Session z listy rozwijanej, a następnie uzupełnij opis próby.
- Poproś uczestników o bieg na bieżni w następujący sposób:
- Rozgrzewka poprzez marsz z prędkością 8 km/h przez 1 min.
- Poproś uczestnika o bieg na bieżni z prędkością 10 km/h. Po 4 min okresie adaptacji przy tej prędkości, zarejestruj dane z biegu przez 40 s. Zbierz dane kinematyczne odpowiednio w odległości 0,5 km oraz 5 km.
- Poproś badanych o założenie pulsometru w celu rejestracji tętna oraz monitorowania stopnia zmęczenia badanych podczas biegu.
- W panelu Tool Capture kliknij przycisk Start. Po zebraniu prób dynamicznych kliknij Stop, aby zakończyć zbieranie danych.
5. Obróbka końcowa
- Otwórz okno Zarządzanie Danymi (Data Management) i dwukrotnie kliknij nazwę próby. W pasku narzędzi kliknij przyciski Rekonstrukcja Potoku (Reconstruct Pipeline) oraz Etykiety (Labels), aby zrekonstruować pozycję punktów znacznikowych.
- W oknie Perspektywa (Perspective) przesuń niebieskie trójkąty na pasku czasu, aby ustawić wymagany zakres czasowy.
- Przesuń widok osi czasu tak, aby wyświetlał tylko wybrany zakres, kliknij pasek czasu, a następnie wybierz opcję Przybliż do Obszaru Zainteresowania (Zoom to Region-of-Interest).
- W tym momencie wybierz przycisk Etykieta (Label), aby zidentyfikować i sprawdzić punkty etykietowania, postępując zgodnie z krokami stosowanymi w procesie identyfikacji statycznej. W razie potrzeby uzupełnij brakujące punkty identyfikacji. Usuń nieoznaczone markery.
- W panelu Kalibracja Obiektu (Subject Calibration) wybierz Dynamiczny Plug-in Gait. Kliknij przycisk Start, aby uruchomić analizę danych. Wyeksportuj próby motoryczne w formacie c3d do dalszej obróbki.
6. Analiza danych
- Przetwarzanie danych kinematycznych. Przed eksportem danych o kątach w stawach zastosuj czwartorzędny filtr dolnoprzepustowy Butterwortha z częstotliwością odcięcia 10 Hz (kinematyka). Wyeksportuj dane dotyczące kątów w stawach.
- Oblicz zakres ruchu (ROM), kąt szczytowy oraz szczytową prędkość kątową stawów kończyn dolnych (biodrowego, kolanowego i skokowego) w trzech płaszczyznach (strzałkowej, czołowej i poprzecznej) podczas jednej fazy podporowej.
7. Analiza statystyczna
- Zastosuj test t-Studenta dla par obserwacji w celu porównania kinematyki kończyn dolnych (kąty szczytowe, zakres ruchu ROM, szczytowa prędkość kątowa) pomiędzy fazą początkową (IR) a końcową (TR) biegu na dystansie 5 km.
- Oblicz wartości średnie i odchylenia standardowe z pięciu prawidłowych prób dla każdego badanego w zależności od różnych dystansów biegowych. Przyjmij poziom istotności p < 0,05.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Wyniki wykazały, że w płaszczyźnie strzałkowej nie zaobserwowano różnic w kątach szczytowych stawu skokowego i biodrowego. W porównaniu z IR, kąty szczytowe stawu skokowego i kolanowego w płaszczyźnie czołowej były znacznie zwiększone w TR. W TR stwierdzono większy wewnętrzny kąt w stawie biodrowym w przeciwieństwie do IR. Jednakże w TR odnotowano mniejszy kąt szczytowy w odwodzeniu biodra, rotacji wewnętrznej stawu skokowego i rotacji wewnętrznej stawu kolanowego niż w IR (Rysunek 2).
<...Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
W badaniu tym porównano wpływ biegów długodystansowych na charakterystykę biomechaniczną kończyny dolnej u biegaczy amatorów. Stwierdzono, że szczytowy kąt wywinięcia stawu skokowego i odwiedzenia kolana zwiększył się po przebiegnięciu 5 km, co jest zgodne z poprzednim badaniem17. Badania wykazały, że nadmierne wywinięcie stawu skokowego i prędkość wywinięcia są ważnymi czynnikami zwiększającymi ryzyko urazów stawu skokowego18,19. Nie jest...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie zgłosili potencjalnego konfliktu interesów.
Podziękowania
To badanie sponsorowane przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (81772423), K. C. Wong Magna Fund na Uniwersytecie Ningbo oraz National Key R&D Program of China (2018YFF0300903).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Pasywny marker odblaskowy o średnicy 14 mm | Oxford Metrics Ltd., Oxford, Wielka Brytania | n=22 | |
| Podwójna taśma klejąca | Oxford Metrics Ltd., Oxford, Wielka Brytania | Do mocowania markerów na skórze | |
| Tętno | Garmin, HRM3-SS, Chiny | Wykrywanie stanu zmęczenia | |
| Kamery śledzące ruch | Oxford Metrics Ltd., Oxford, Wielka Brytania | n= 8 | |
| T-Frame | Oxford Metrics Ltd., Oksford, Wielka | Brytania-Bieżnia | |
| Smart Run, Chiny | Temat biega na bieżni przez cały proces. | ||
| Ważny Dongle | Oxford Metrics Ltd., Oxford, Wielka Brytania | Vicon Nexus 1.4.116 | |
| Vicon Datastation ADC | Oxford Metrics Ltd., Oxford, Wielka Brytania- |
Bibliografia
- Lee, D. C., et al. Running as a Key Lifestyle Medicine for Longevity. Progress in Cardiovascular Diseases. 60 (1), 45-55 (2017).
- Dugan, S. A., Bhat, K. P. Biomechanics and analysis of running gait. Physical Medicine & Rehabilitation Clinics of North America. 16 (3), 603-621 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Anderson, T. Biomechanics and running economy. Sports Medicine. 22 (2), 76-89 (1996).
- 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).
- Millet, G. Y., et al. Running from Paris to Beijing: biomechanical and physiological consequences. Eur J Appl Physiol. 107 (6), 731-738 (2009).
- 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).
- Bisiaux, M., Moretto, P. The effects of fatigue on plantar pressure distribution in walking. Gait & Posture. 28 (4), (2008).
- 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).
- Rolf, C. Overuse injuries of the lower extremity in runners. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports. 5 (4), 181-190 (1995).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
