O presente protocolo descreve uma configuração experimental projetada para investigar a influência da manipulação da largura do passo na biomecânica da corrida usando um sistema de captura de movimento. O objetivo é expandir conjuntos de dados relevantes e examinar os efeitos de larguras de passos variáveis na cadeia cinemática do membro inferior humano.
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Artigo de método
Influência da manipulação da largura do degrau na biomecânica da corrida
Neste artigo
Resumo
Resumo
A largura do passo é um fator crítico que influencia a biomecânica dos membros inferiores durante a corrida, afetando significativamente a estabilidade, o desempenho e o risco de lesões. Compreender esses efeitos é essencial para otimizar o desempenho da corrida e minimizar o risco de lesões. Este estudo avaliou os efeitos da variação da largura dos passos na biomecânica dos membros inferiores em diferentes velocidades de corrida. Treze homens chineses saudáveis (com idades entre 20 e 24 anos) participaram do estudo, correndo a velocidades de 3,0 m/s e 3,7 m/s usando seis larguras de passo distintas: a largura de passo preferida e cinco variações (reduções de 13% e 6,5% e aumentos de 6,5%, 13% e 25%, com base no comprimento da perna). Os dados foram coletados usando um sistema de captura de movimento e plataformas de força e analisados por meio de ANOVA de medidas repetidas e testes de correlação. Os resultados indicaram que larguras de passo mais largas reduziram significativamente os momentos de abdução do joelho e os ângulos de adução do quadril, enquanto larguras de passo mais estreitas aumentaram a carga articular do joelho. Essas descobertas têm implicações importantes para médicos e corredores, sugerindo que a seleção cuidadosa da largura do passo pode ajudar a reduzir o risco de lesões e aumentar a eficiência da corrida. Este estudo contribui com um novo conjunto de dados que estabelece as bases para pesquisas futuras sobre a relação entre a largura do passo e a biomecânica da corrida e serve como referência para práticas de treinamento e reabilitação.
Introdução
Fatores ambientais, incluindo elementos espaciais e temporais, influenciam diretamente o movimento diário humano. Os indivíduos podem adotar diferentes posturas e padrões de movimento enquanto correm e caminham em várias condições ambientais. Está bem estabelecido que a alteração das técnicas de corrida pode afetar a biomecânica corporal, com a largura do passo intimamente associada à estabilidade e equilíbrio durante a corrida humana 1,2. A largura do passo é definida como a distância mediolateral entre o mediopé e o contato inicial com o solo de cada pé, representando uma variável no plano frontal3. Durante a caminhada e a corrida, variações de curto prazo na largura do passo podem influenciar a biomecânica dos membros inferiores em três planos 3,4,5.
Numerosos estudos demonstraram que a largura do passo afeta significativamente a biomecânica das articulações dos membros inferiores, cinemática e cinética durante a corrida. Uma largura de passo maior reduz os ângulos de adução do quadril, os momentos de abdução do joelho e os ângulos de eversão do retropé, contribuindo para aumentar a estabilidade e potencialmente reduzir o risco de lesões 6,7. Por outro lado, uma largura de passo mais estreita aumenta a rotação interna do joelho e os ângulos de adução do quadril, potencialmente elevando as cargas articulares. Especificamente, uma largura de passo estreita tem sido associada a variações aumentadas na rotação interna do joelho e no pico de torque de abdução do joelho em comparação com uma largura de passo normal 6,7. Além disso, larguras de passo mais largas demonstraram reduzir a carga tibial, diminuindo assim o estresse na tíbia durante a corrida8. Essas descobertas ressaltam o papel crítico da largura do passo em influenciar a biomecânica da corrida, destacando sua importância na otimização do desempenho e na minimização do risco de lesões.
Estudos demonstraram ainda que as velocidades de caminhada e corrida influenciam os parâmetros biomecânicos dos membros inferiores9,10,11,12. No entanto, os efeitos da mudança da largura do passo na biomecânica em diferentes velocidades de exercício permanecem obscuros, e dados científicos limitados sobre o movimento humano sob diferentes condições de velocidade e largura do passo estão disponíveis. Portanto, este estudo tem como objetivo investigar o impacto das mudanças na largura do passo na biomecânica dos membros inferiores em diferentes velocidades, com foco em parâmetros-chave como ângulo de adução do quadril e momento de abdução do joelho.
Para resolver isso, foi estabelecido um conjunto de dados composto por 13 participantes saudáveis do sexo masculino com idades entre 20 e 24 anos, incluindo arquivos C3D e dados cinemáticos prontos para uso. Os participantes foram instruídos a correr a velocidades de 3,0 m/s e 3,7 m/s usando seis larguras de passo distintas. A seleção dessas larguras e velocidades de passos foi informada pelos resultados da pesquisa existente e pelo estado atual dos conjuntos de dados de código aberto sobre biomecânica da marcha na literatura 13,14,15,16,17. Este estudo tem como objetivo examinar os efeitos agudos das mudanças na largura do passo na cadeia cinética do membro inferior, ao mesmo tempo em que expande o conjunto de dados para fornecer informações valiosas sobre a relação entre a largura do passo e a biomecânica dos membros inferiores.
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Protocolo
O estudo recebeu aprovação do Comitê de Ética do Instituto de Pesquisa da Universidade de Ningbo (Número de aprovação: ty2022001). Todos os participantes forneceram consentimento informado por escrito após serem informados sobre o propósito, requisitos e procedimentos do experimento. Os detalhes dos consumíveis, equipamentos e software usados estão listados na Tabela de Materiais.
1. Preparação experimental
- Preparação do equipamento
- Posicione oito câmeras infravermelhas em locais apropriados durante a calibração do equipamento e verifique se há reflexos na área experimental (por exemplo, marcadores reflexivos nas roupas dos participantes). Remova ou cubra os reflexos e certifique-se de iluminação suficiente.
- Insira o dongle de criptografia emparelhado na porta paralela do PC. Inicie as câmeras de captura de movimento, o software de rastreamento, a plataforma de força amplifier e ADC.
- Abra o software de rastreamento e aguarde a inicialização das oito câmeras. Confirme se o processo foi concluído quando as luzes da câmera mudarem de vermelho para verde.
- Alterne para o modo Câmera e expanda o painel Recursos do sistema à esquerda. Selecione todas as oito câmeras.
- Ajuste as configurações no painel esquerdo em Propriedades. Defina a intensidade do flash para 0,95-1, o ganho para 1x e o modo de escala de cinza para Automático. Em Ajuste de centroide, defina o limite como 0,2-0,4, a taxa de circularidade mínima como 0,5 e a altura máxima do blob como 50.
- Posicione o quadro em T com marcadores no centro da área de captura de movimento. Selecione novamente todas as oito câmeras na barra de ferramentas à esquerda.
- Execute a calibração no painel Ferramentas à direita. Selecione o objeto de calibração de 5 marcadores Wand & T-Frame na lista T-frame .
- Clique no botão Parar na opção Mascarar câmera no painel Ferramentas de preparação do sistema . Depois que a tela ficar azul, clique no botão novamente para revertê-lo para o estado Stop .
- Clique no botão Iniciar na opção Calibrar câmeras . Mova o quadro em T para frente e para trás dentro do alcance de captura, garantindo que a altura oscilante corresponda à altura focal da câmera. Pare quando as luzes azuis das câmeras pararem de piscar.
- Alterne a vista para Perspectiva 3D e coloque o quadro em T de volta no centro da área de captura de movimento. Garanta o alinhamento com os limites da plataforma de força.
- Clique no botão Iniciar na opção Definir origem do volume no painel direito.
- Preparação da plataforma de pressão
- Posicione duas plataformas de força incorporadas no centro da área de captura de movimento e sincronize-as a 1000 Hz.
- Marque seis larguras de degrau na plataforma de força usando fitas de cores diferentes para representar cada condição, incluindo a largura de degrau preferida e cinco variações (reduções de 13% e 6,5% e aumentos de 25%, 13% e 6,5% no comprimento da perna). Conecte a plataforma ao PC para coleta de dados.
NOTA: Certifique-se de que o sistema registre as coordenadas ântero-posterior (eixo Y) do pé após o contato, com fita amarela marcando a largura preferida do passo e outras cores indicando variações.
- Preparação do sistema de cronometragem
- Coloque uma porta de cronometragem eletrônica de feixe único em um tripé para registrar a velocidade de corrida dos participantes à medida que passam sobre as plataformas de força.
NOTA: Certifique-se de que a distância entre as portas de distribuição eletrônicas seja de 3 m (conforme mostrado na Figura 1).
- Coloque uma porta de cronometragem eletrônica de feixe único em um tripé para registrar a velocidade de corrida dos participantes à medida que passam sobre as plataformas de força.
2. Preparação dos participantes
- Obtenha o consentimento informado por escrito dos participantes, explique brevemente o objetivo e os procedimentos do estudo e incentive perguntas. Certifique-se de que todos os participantes sejam dominantes na perna direita para minimizar a variabilidade.
NOTA: O presente estudo envolve 13 homens chineses saudáveis, com idade média de 22,7 anos, peso de 70,9 kg e altura de 1,75 m. Certifique-se de que não haja lesões nos membros inferiores ou deformidades nos pés nos últimos seis meses. Essa seleção da amostra reduz a influência da idade e do sexo nos parâmetros biomecânicos, garantindo validade estatística e reprodutibilidade. O tamanho da amostra é suficiente para analisar os efeitos da largura do passo na biomecânica. - Instrua os participantes a usar calças esportivas justas e sapatos experimentais padronizados para minimizar a interferência da marcha. Remova o excesso de roupa.
- Colete e registre dados antropométricos: altura, peso, comprimento da perna, largura dos ombros e largura do quadril.
NOTA: Meça o comprimento da perna da espinha ilíaca ântero-superior até o maléolo lateral. Meça a largura dos ombros e a largura do quadril como as distâncias diretas entre os respectivos pontos anatômicos. - Mantenha a pele dos participantes seca e prenda marcadores reflexivos em pontos de referência anatômicos usando fita dupla face.
NOTA: Use 38 marcadores reflexivos com posições específicas e nomes de rótulos detalhados na Tabela 1. Garanta o posicionamento preciso e a fixação segura dos marcadores. Para áreas com alto movimento ou superfícies irregulares, reforce os marcadores com fita muscular ou adesivo amigo da pele. Depois de colocar os marcadores, tire fotos da frente, de trás e dos lados para documentação. - Instrua os participantes a correr por 5 minutos como aquecimento antes de iniciar as gravações estáticas e dinâmicas.
3. Calibração estática
- Inicie o software de rastreamento e crie um novo banco de dados selecionando Novo banco de dados na barra de ferramentas. Na seção Gerenciamento de dados , escolha Nova classificação de paciente, depois Novo paciente e, finalmente, clique em Nova sessão para configurar um banco de dados de informações do participante.
- Clique em Ativar na barra de ferramentas à esquerda e use o botão Dividir horizontal na interface Exibir . Selecione gráficos para visualizar as contagens de trajetória.
- Clique em Preparação do assunto na barra de ferramentas. Instrua o participante a ficar de pé com os pés afastados na largura dos ombros, um pé na plataforma de força, braços paralelos aos ombros e olhando para a frente. Clique em Iniciar para iniciar a coleta de dados e mantenha a posição por 10 s. Clique em Parar para concluir a captura estática.
NOTA: Mude para o modo "Perspectiva 3D" para garantir que a câmera capture pelo menos um quadro mostrando os 38 marcadores reflexivos no corpo do participante.
4. Ensaios dinâmicos
- Informe os participantes para se prepararem para o experimento e entrarem no estado experimental.
- Operações de software
- Clique em Ativar no painel Recursos esquerdo e em Capturar no painel Ferramentas direito. Quando os participantes estiverem prontos, inicie o teste clicando em Iniciar e termine-o clicando em Parar após a conclusão.
NOTA: Rotule diferentes ensaios com larguras de passo variadas na seção "Nome do teste".
- Clique em Ativar no painel Recursos esquerdo e em Capturar no painel Ferramentas direito. Quando os participantes estiverem prontos, inicie o teste clicando em Iniciar e termine-o clicando em Parar após a conclusão.
- Realize o experimento de largura de passo preferido, capturando movimento em três velocidades diferentes.
- Instrua os participantes a caminhar naturalmente ao longo de um caminho reto com duas plataformas de força, colocando o pé esquerdo na plataforma A (Kistler) e o pé direito na plataforma B (AMTI).
- Considere o teste bem-sucedido se o tempo para completar uma corrida (passando pelas plataformas de força) cair entre 0,95-1,05 s a 3,0 m/s ou entre 0,76-0,86 s a 3,7 m/s. Repita o teste se o tempo não atender a esses critérios para minimizar a influência das flutuações de velocidade na biomecânica da corrida. O objetivo principal é investigar a influência da velocidade.
NOTA: Esses intervalos de tempo foram calculados com base nas velocidades de operação predefinidas (3.0 m/s e 3.7 m/s) e na distância conhecida entre as portas de distribuição eletrônicas. Isso garante que os participantes mantenham uma velocidade de corrida consistente durante todo o teste e reflitam com precisão as condições experimentais. - Instrua os participantes a correr a uma velocidade de 3,7 m/s em um caminho reto com duas plataformas de força.
NOTA: Se o tempo de passagem sobre a plataforma de força estiver entre 0.76-0.86 s, considere o teste bem-sucedido; caso contrário, tente novamente. Certifique-se de que os participantes coloquem consistentemente o pé esquerdo na plataforma A e o pé direito na plataforma B. Estudos anteriores mostraram diferenças biomecânicas significativas em várias velocidades 9,10,11,12. Instrua os participantes a praticar várias vezes antes dos testes formais para garantir uma marcha natural. Monitore os testes de perto, garantindo a execução correta e que os marcadores permaneçam no lugar. Cada condição requer pelo menos cinco tentativas bem-sucedidas.
- Medindo a largura de passo preferida e definindo diferentes larguras de passo
- Com base na definição de largura do passo e em pesquisas anteriores, medir a largura do passo preferida dos participantes em três modos de movimento 8,18,19,20. Usando o sistema de captura de movimento, certifique-se de que o eixo Y no sistema de coordenadas do laboratório represente a direção mediolateral (lado a lado).
- Registre as coordenadas do eixo Y dos marcadores do calcanhar esquerdo e direito durante o contato inicial com o solo. Calcule a largura do degrau preferida como a diferença nas coordenadas do eixo Y dos dois calcanhares, fornecendo uma medida direta da distância lateral entre os pés.
- Marque as plataformas de força com fitas de cores diferentes correspondentes a cinco condições de largura do degrau (largura do degrau reduzida ou aumentada em 13%, 6,5% ou 25% do comprimento da perna). A fita amarela indica a largura do passo preferida.
NOTA: Estudos anteriores demonstraram diferenças biomecânicas significativas quando a largura do degrau muda em 13% em relação ao comprimento da perna 5,8,18,19. Com base nessa descoberta, introduza condições adicionais de largura do degrau. - Instrua os participantes a andarem em linha reta enquanto se concentram à frente. Certifique-se de que o pé esquerdo pise na fita amarela na plataforma A e o pé direito pise em uma fita de cor diferente na plataforma B. Atribua aleatoriamente cores de fita específicas para alterar a largura do passo.
NOTA: Colete pelo menos cinco tentativas bem-sucedidas para cada condição de largura de degrau. - Instrua os participantes a correr a velocidades de 3,0 m/s e 3,7 m/s com as cinco larguras de degrau diferentes.
NOTA: Certifique-se de que os participantes sigam as instruções corretamente e monitorem o descolamento do marcador. Colete pelo menos cinco tentativas bem-sucedidas para cada condição e garanta um tempo de descanso adequado após cada teste.
- Com base na definição de largura do passo e em pesquisas anteriores, medir a largura do passo preferida dos participantes em três modos de movimento 8,18,19,20. Usando o sistema de captura de movimento, certifique-se de que o eixo Y no sistema de coordenadas do laboratório represente a direção mediolateral (lado a lado).
5. Processamento de dados
- Após o experimento, processe manualmente todos os dados coletados usando um software compatível. Conecte sequencialmente os dados de acordo com os pontos de marcação definidos na Tabela 1.
- Verifique cada trajetória estática ou dinâmica em busca de marcadores ausentes ou interrompidos nos participantes. Use a ferramenta de conexão/preenchimento de ponto no software para reconectar manualmente os marcadores ausentes, referenciando marcadores próximos para precisão.
- Analise as forças de reação do solo (GRFs) durante atividades dinâmicas, definindo um limite vertical de 20 N para detectar o contato com os pés e o dedo do pé, definindo a fase de apoio de cada ciclo da marcha.
NOTA: Os dados GRF do contato do calcanhar ao dedo do pé definem um ciclo de marcha e são salvos como arquivos C3D brutos. - Exporte os dados processados nos formatos C3D, MOT, TRC e CSV. Certifique-se de que cada participante conclua aproximadamente 55 tentativas em condições estáticas, de caminhada e corrida com seis larguras de passo diferentes. Use os dados para comparar as larguras dos passos e as características dos membros.
NOTA: Apesar da adesão estrita ao protocolo, alguns participantes podem ter dados incompletos devido ao desaparecimento da trajetória do marcador no sistema do equipamento.
6. Análise estatística
- Analise os dados usando software estatístico (por exemplo, SPSS, Python), com foco nos efeitos da largura do passo e da velocidade de corrida na biomecânica dos membros inferiores.
- Use ANOVA de medidas repetidas para analisar parâmetros biomecânicos, aplicando correção de Bonferroni para testes post-hoc, se necessário.
- 6.3. Utilizar métodos não paramétricos como o teste de Friedman quando os pressupostos de normalidade e esfericidade não forem cumpridos. Definir todos os níveis de significância em p < 0,05.
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Resultados
Após o experimento e o processamento dos dados, a trajetória do marcador processada e os dados simulados da força de reação do solo (GRF) foram salvos em arquivos C3D, conforme descrito na Tabela 1. A pasta C3D.zip contém o conjunto de dados bruto obtido do experimento de captura de movimento. Todos os registros de dados estão listados na Tabela 2. O conjunto de dados é organizado em pastas, cada uma representando um dos 13 participantes. Dentro dessas subpastas, os arquivos experimentai...
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Discussão
O impacto da largura do passo na corrida humana é uma questão multifacetada e significativa. A largura do degrau refere-se à distância lateral entre o centro do calcanhar e o solo no contato inicial de cada pé3. Alterar a largura do passo pode afetar a estabilidade, o equilíbrio, a biomecânica e o gasto de energia durante a corrida. Pesquisas anteriores sugerem que um aumento na largura do passo pode reduzir o ângulo de adução do quadril, o momento de abdução do j...
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Agradecimentos
Este estudo foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (12202216), Fundação de Ciências Naturais de Ningbo (2023J128) e pelo Projeto Interdisciplinar "Mechanics+" Top Innovative Youth Fund da Universidade de Ningbo (GC2024006).
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Placa de Força AMTI | AMTI OR6-7 | Watertown, MA, EUA | |
| Fita Colorida para Marcação de Piso | Genérico-Usado | para marcar diferentes larguras de degrau em plataformas de força, comprado online | |
| Placa de Força Kistler Kistler | 9260AA | Winterthur, | |
| Suíça MATLAB | MathWorks | Versão R2021b | Processamento de dados e modelagem |
| Reflexivo Marcadores | Vicon Metrics Ltda. | - | Usado para marcar pontos do corpo do participante |
| temporização | de porta de cronometragem eletrônica de feixe único | Brower-Draper, UT, EUA, usado para registrar a velocidade de corrida | |
| Sapatos experimentais padrão | Sapatos padronizados de marca designada | para minimizar a interferência da marcha | |
| Sistema de captura de movimento Vicon Vicon | Metrics Ltd. | Vicon T-Series | Oxford, Reino Unido, usado para captura de movimento |
| Vicon Nexus Software | Vicon Metrics Ltd. | Versão 1.8.5A | Coleta e análise de dados |
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Reimpressões e permissões
