Method Article

Analiza porównawcza kinematyki kończyn dolnych między początkową a końcową fazą biegu na bieżni na 5 km

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

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

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).

Abstract

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

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.

Introduction

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

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.

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

Protocol

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

Uzyskano pisemną świadomą zgodę od badanych, a procedury testowe zostały zatwierdzone przez uniwersytecką komisję etyczną. Wszyscy uczestnicy zostali poinformowani o wymaganiach i przebiegu badania.

1. Przygotowanie laboratorium

  1. Podczas kalibracji wyłącz światła i usuń inne potencjalnie odbijające światło przedmioty. Upewnij się, że osiem kamer jest odpowiednio rozmieszczonych i ma wyraźny widok bez odbić.
  2. Otwórz program Vicon Nexus 1.8.5, a następnie zainicjuj kamery. Wybierz System | System lokalny | Kamery MX w okienku Zasoby, a kamery będą się włączać.
    UWAGA: W okienku Właściwości należy dostosować parametry. Zakres wartości intensywności stroboskopu jest regulowany na 0,95-1, a zakres wartości progu jest ustawiony na 0,2-0,4. Ustaw tryb skali szarości na Auto. Minimalny współczynnik kołowości jest ustawiony na 0,5, a Wzmocnienie razy 1 (x1), maksymalna wysokość obiektu blob na 50, a następnie wybierz opcję Włącz diody LED.
  3. Umieść ramkę T na środku obszaru przechwytywania, wybierz wszystkie kamery w systemie i użyj trybu 2D. Upewnij się, że ramka T znajduje się w widoku kamery bez żadnych punktów zakłóceń. Wybierz pierwszy element Przygotowanie systemu na pasku narzędzi. Z listy rozwijanej T-Frame wybierz obiekt kalibracji 5 Marker Wand i T-Frame.
  4. W okienku Narzędzia przygotowania systemu kliknij przycisk Start w sekcji Kamery maskujące. Następnie kliknij przycisk Start w sekcji Kalibruj kamerę MX.
    UWAGA: Po zakończeniu procesu kalibracji pasek postępu zostanie przywrócony do 0%.
  5. Umieść ramkę w kształcie litery T na środku kamery, aby ustalić początek współrzędnych.
  6. W okienku narzędzi kliknij przycisk Start w sekcji Ustaw początek woluminu.
  7. Umieść bieżnię na środku strefy testowej. Osiem kamer jest wyświetlanych wokół bieżni (Rysunek 1).
  8. Z wyprzedzeniem przymocuj do obiektów łącznie 22 znaczniki odblaskowe (średnica: 14 mm) z taśmą dwustronną.

figure-protocol-1
Rysunek 1: Układ witryny testowej. Kamery rejestrują ruch kończyn dolnych podczas biegania na bieżni. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Przygotowanie przedmiotu

  1. Przed badaniem przeprowadź wywiad z uczestnikami w laboratorium i udziel prostego wyjaśnienia procedur eksperymentalnych. Następnie poproś uczestników o wypełnienie kwestionariusza. Podsumuj wyniki tych kwestionariuszy.
    1. Skorzystaj z następujących pytań:
      1. Jak często biegasz w tygodniu?
      2. Od ilu lat kandydujesz?
      3. Czy w ciągu ostatnich sześciu miesięcy doznałeś jakichś urazów kończyn dolnych lub przeszedłeś operacje kończyn dolnych?
      4. Ile kilometrów biegasz w tygodniu?
  2. Zastosuj następujące kryteria włączenia: wszyscy uczestnicy byli zdominowani przez prawą nogę i nie mieli żadnych urazów kończyn dolnych w ciągu ostatnich sześciu miesięcy przed badaniem. Wszyscy uczestnicy przebiegali co najmniej 15 km tygodniowo.
    UWAGA: Wybrano dziesięć zdrowych biegaczek rekreacyjnych (wiek: 23,4±1,3 roku; wzrost: 160,7±3,8 cm; masa: 50,3±2,3 kg; rok biegu: 3,2±1,2 roku).
    1. Uzyskaj pisemną świadomą zgodę od uczestników, którzy spełniają kryteria włączenia.
  3. Wymagaj, aby uczestnicy nosili jednolite rajstopy i spodnie.
  4. Zapisz wzrost (mm), wagę (kg), długość kończyn dolnych (mm), szerokość kolan (mm) i szerokość kostki (mm) dla modelu statystycznego.
  5. Umieść 16 odblaskowych znaczników na obiektach w następujących lokalizacjach: przednio-górny kręgosłup biodrowy, tylno-górny kręgosłup biodrowy, boczna środkowa część uda, boczne kolano, boczna środkowa część trzonu, kostka boczna, druga głowa kości śródstopia i kość piętowa. Umieść znaczniki na drugiej głowie kości śródstopia i kości piętowej w odpowiednich punktach anatomicznych skarpet i butów.
  6. Poinstruuj uczestników, aby nosili jednolite sportowe buty do biegania. Niech uczestnicy rozgrzeją się lekkim bieganiem i rozciąganiem przez 5 minut.

3. Kalibracja statyczna

  1. Kliknij przycisk Zarządzanie danymi na pasku narzędzi, wybierz Zarządzanie danymi. Kliknij kartę New Database (Nowa baza danych) na pasku narzędzi, wybierz lokalizację, opisz nazwę badania i szablon kliniczny, a następnie kliknij przycisk Create.
  2. W oknie Otwórz bazę danych wybierz nazwę utworzonej bazy danych. W otwartym interfejsie kliknij zielony przycisk Klasyfikacja nowego pacjenta, żółty przycisk Nowy pacjent i szary przycisk Nowa sesja, aby utworzyć informacje eksperymentalne, w tym typ pacjenta, nazwę pacjenta i inny status działania.
    1. Wróć do okienka Nexus, na lewym pasku narzędzi kliknij pozycję Tematy, aby utworzyć nowy zestaw danych tematu, a następnie wybierz model próbny. W okienku Właściwości wypełnij wszystkie wymiary antropometryczne: wzrost (mm), wagę (kg), długość kończyny dolnej (mm), szerokość kolan (mm) i szerokość kostki (mm).
  3. Kliknij przycisk Transmituj na żywo, wybierz Rozlane poziomo i wybierz wykres, aby sprawdzić liczbę trajektorii.
    UWAGA: Upewnij się, że wszystkie znaczniki są widoczne w widoku perspektywicznym 3D. Oznacza to, że wszystkie markery mogą zostać przechwycone do analizy.
  4. Przygotuj się do przechwycenia modelu statycznego. W okienku Narzędzia do przechwytywania kliknij przycisk Start w sekcji Przechwytywanie tematu.
    UWAGA: Podczas całego procesu zbierania danych osoby badane powinny pozostać nieruchome w obszarze przechwytywania, aby zebrać 140-200 klatek obrazów. Następnie kliknij przycisk Zatrzymaj.
  5. W okienku perspektywy wyświetl znaczniki przechwytywania. Kliknij przycisk Potok w okienku Narzędzia, wybierz opcję Uruchamianie rekonstrukcji potoku, aby utworzyć obraz 3D przechwyconych znaczników. Następnie ręcznie oznacz model statyczny. Po zakończeniu identyfikacji zapisz i naciśnij ESC, aby wyjść.
  6. Na pasku narzędzi wybierz przygotowanie obiektu i kalibrację obiektu. Z listy rozwijanej wybierz opcję Statyczny chód wtyczki. W okienku Ustawienia statyczne wybierz lewą i prawą stopę, kliknij przycisk Start i zapisz model statyczny.

4. Próby dynamiczne

  1. Po zakończeniu zbierania danych statycznych wybierz pozycję Przechwyć na prawym pasku narzędzi. Wybierz Typ wersji próbnej i Sesję od góry do dołu, a następnie wypełnij opis próby.
  2. Poproś uczestników, aby biegali na bieżni w następujący sposób.
    1. Rozgrzej się, idąc z prędkością 8 km/h przez 1 min.
    2. Poproś uczestnika, aby biegał na bieżni z prędkością 10 km/h. Po okresie adaptacji wynoszącym 4 minuty przy tej prędkości rejestruj dane biegowe przez 40 sekund. Zbierz dane kinematyczne odpowiednio z odległości 0,5 km i 5 km.
    3. Poproś badanych, aby założyli czujnik tętna, aby rejestrować tętno i monitorować stan zmęczenia badanych podczas biegania.
  3. W okienku Przechwytywanie narzędzi kliknij przycisk Start. Po zebraniu dynamicznych wersji próbnych kliknij przycisk Zatrzymaj, aby zakończyć kolekcję.

5. Przetwarzanie końcowe

  1. Otwórz okno Zarządzanie danymi, kliknij dwukrotnie nazwę wersji próbnej. Kliknij przycisk uruchom Rekonstruuj rurociąg i etykiety na pasku narzędzi, aby zrekonstruować położenie punktu znaku.
  2. W oknie Perspektywa przesuń niebieskie trójkąty na pasku czasu, aby ustawić żądany zakres czasu.
  3. Przesuń widok osi czasu tak, aby pokazywała tylko wybrany zakres, kliknij pasek czasu, a następnie kliknij opcję Powiększ do obszaru zainteresowania.
  4. W tym momencie wybierz przycisk Etykieta, aby zidentyfikować i sprawdzić punkty etykiety, wykonując te same kroki, co w przypadku procesu identyfikacji statycznej. W razie potrzeby uzupełnij niektóre niekompletne punkty identyfikacyjne. Usuń nieoznaczone znaki.
  5. W okienku Kalibracja obiektu wybierz dynamiczny chód wtyczki. Kliknij przycisk Start, aby uruchomić dane. Eksport prób motorycznych w formacie c3d do obróbki końcowej.

6. Analiza danych

  1. Przetwarzanie danych kinematycznych. Zastosuj dolnoprzepustowy filtr Butterwortha czwartego rzędu z częstotliwością odcięcia 10 Hz (kinematyka) przed wyeksportowaniem danych kąta połączenia. Eksportuj dane kąta połączenia.
  2. Oblicz zakres ruchu (ROM), kąt szczytowy i szczytową prędkość kątową stawów kończyn dolnych (biodra, kolana i kostki) w trzech płaszczyznach (strzałkowej, czołowej i poprzecznej) podczas jednej fazy postawy.

7. Analiza statystyczna

  1. Użyj testu T dla sparowanej próby, aby porównać kinematykę kończyn dolnych (kąty pików, ROM, szczytowa prędkość kątowa) między fazą początkową (IR) a fazą końcową (TR) 5 km biegu.
  2. Oblicz wartości średnie i odchylenia standardowe z pięciu ważnych prób z każdego obiektu dla różnych dystansów biegowych. Ustaw poziom istotności na p < 0,05.

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

Results

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

Wyniki pokazały, że nie zaobserwowano żadnych różnic w kącie szczytowym kostki i biodra w płaszczyźnie strzałkowej. W porównaniu z IR, kąty szczytowe stawu skokowego i kolana w płaszczyźnie czołowej były znacznie zwiększone w TR. W TR stwierdzono większy wewnętrzny kąt bioder w przeciwieństwie do IR. Jednak TR prezentował mniejszy kąt szczytowy w odwodzeniu biodra, interrotacji kostki i interrotacji kolana niż IR (Rysunek 2).

W płaszczyźnie strzałkowej ROMy kostki i...

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

Discussion

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

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...

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

Disclosures

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

Autorzy nie zgłosili potencjalnego konfliktu interesów.

Acknowledgements

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

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).

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

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Pasywny marker odblaskowy o średnicy 14 mmOxford Metrics Ltd., Oxford, Wielka Brytanian=22
Podwójna taśma klejącaOxford Metrics Ltd., Oxford, Wielka BrytaniaDo mocowania markerów na skórze
TętnoGarmin, HRM3-SS, ChinyWykrywanie stanu zmęczenia
Kamery śledzące ruchOxford Metrics Ltd., Oxford, Wielka Brytanian= 8
T-FrameOxford Metrics Ltd., Oksford, WielkaBrytania-Bieżnia
Smart Run, ChinyTemat biega na bieżni przez cały proces.
Ważny DongleOxford Metrics Ltd., Oxford, Wielka BrytaniaVicon Nexus 1.4.116
Vicon Datastation ADCOxford Metrics Ltd., Oxford, Wielka Brytania-

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