Исследование получило одобрение Этического комитета Исследовательского института Университета Нинбо (номер одобрения: ty2022020). Все участники предоставили письменное согласие, будучи проинформированными о цели, требованиях и процедурах эксперимента. Используемое оборудование и программное обеспечение перечислены в Таблице материалов.
1. Лабораторная подготовка
Использовалась 2-метровая пластина давления Footscan (2,0 м × 0,40 м × 0,02 м, 16 384 датчика) с частотой 480 Гц. Пластина была встроена заподлицо с окружающей взлётно-посадочной полосой с помощью защитных матов для устранения артефактов высоты ступеней. Система была обнулена и откалибрована по весу согласно инструкциям производителя, а серийный номер и калибровочный файл подключённой пластины проверялись перед тестированием.
Скорость захода на посадку на последних 2 м до контакта с ногами контролировалась с помощью двух инфракрасных затворов времени, расположенных на расстоянии 2,0 м на высоте ширины 80 см и выровненных с полосой. Ворота были размещены по обе стороны взлётно-посадочной полосы, чтобы не мешать манёвру COD. Участники должны были поддерживать 3,5 м·с⁻¹ (±5%) вдоль маршрута подхода перед контактом с нажимной пластиной. Хотя временные элементы количественно определяют среднюю скорость на последних 2 м, участники подходили вдоль взлётно-посадочной полосы с синим матом и выполняли маневр изменения направления под углом 45° (COD), так что поворотная нога установки соприкасалась с активной зоной нажимной пластины. Чтобы минимизировать прицеливание при положении ног, визуальные маркеры не предоставлялись, и были разрешены несколько тренировочных испытаний. Испытание считалось действительным, если нога растения достигала полного контакта с активной областью без явной корректировки шага; повторялись испытания с частичным контактом или явным нацелением.
2. Подготовка участников
Все участники предоставили письменное информированное согласие после получения чёткого объяснения целей и процедур исследования, с возможностью задать вопросы. Чтобы минимизировать изменчивость между конечностями, были привлечены только особи с доминированием правой ноги. Доминирование ног определялось по предпочтительному тесту с ударом ногами (≥2 подтверждения в трёх испытаниях); Все участники доминировали правой ногой. В итоговую выборку вошли пятнадцать здоровых китайских взрослых (9 мужчин, 6 девочек; возраст: 22 года; вес: 65,52 кг; рост: 170,3 см), у всех которых за последние шесть месяцев не было травм нижних конечностей или деформаций стопы. Специфический критерий включения был разработан для снижения смешивающих эффектов возраста и пола, тем самым повышая воспроизводимость и статистическую достоверность экспериментальных результатов.
Участникам было предложено надеть обтягивающие спортивные брюки и стоять босиком на платформе Footscan, расположив обе ноги вместе. Затем были собраны и зафиксированы антропометрические данные, включая рост, вес, длину стопы, размер обуви и тип свода стопы. Медиальная продольная высота дуги оценивалась с помощью Индекса высоты арки (AHI), рассчитанного как отношение высоты спины (измеряемой 50% от общей длины фута) к общей длине стопы. Значения AHI от 0,310 до 0,356 считались признаками нормальной структурыдуги 17.
Перед началом основных испытаний участникам сначала показали демонстрацию необходимых движений. Затем каждый участник выполнял 10-минутный медленный бег в качестве стандартной разминки для обеспечения достаточной физиологической готовности как к статическим, так и к динамическим записям.
3. Обоснование размера выборки
Анализ чувствительности для двухстороннего парного t-теста (α=0,05, 1−β=0,80, n=15) показал, что исследование способно обнаруживать внутрисубъектовые эффекты примерно на уровне Коэна dz ≈ 0,74 для первичного дискретного исхода (FBI).
4. Сегментация и сокращения плантарных областей
Плантарная поверхность стопы была разделена на 10 анатомических областей программным обеспечением Footscan: халлюкс (T1), нижние пальцы ног, рассматриваемые как одна область (T2-T5), с первой по пятую плюсневые кости (M1-M5), медиальная пятка (MH), латеральная пятка (LH) и средняя часть стопы (MF). Для Индекса баланса стопы (FBI) медиальная нагрузка определялась как суммарные нормированные силы M1, M2 и MF, тогда как боковая нагрузка включала M3, M4, M5 и LH. Эта классификация следует стандартным правилам сегментации Footscan, основанным на головках плюсневых костей, пяточном разделении и границах средней части стопы (30%–60% длины фута). Полный ключ сокращения приведён на рисунке 1A.
5. Статическое измерение
- Осанка и конструкция
Участники стояли босиком на плотно установленной нажимной пластине в удобной биногой стойке, ступни примерно на ширину плеч, колени вытянуты, но не зафиксированы, руки расслаблены вдоль тела, а взгляд был устремлён на отметку на стене на уровне глаз ~3 м впереди. Стопы были выровнены по оси AP (передне-задней) пластины; Визуальные цели не были размещены под ногами, чтобы избежать позиционного смещения.
- Стабилизация и запись
После стабилизации в тихом положении 3-5 секунд был зафиксирован один статический снимок распределения подошвенного давления. На каждого участника было собрано два допустимых повтора с ≥30 секундами в сидячем положении между испытаниями для минимизации дрейфа осанки.
- Критерии достоверности и повторения
Статическое испытание считалось действительным, если (1) полный подошвенный контакт обеих стоп был виден в активной зоне, (2) не было заметных колебаний или шаговых корректировок в окне стабилизации, и (3) не было перекрытия или усечения следов на краях пластины. Испытания, не соответствующие этим критериям, повторялись.
- Производные переменные (статические)
На основе статического снимка мы вычислили региональное давление/силу по десяти анатомическим областям (ключ сокращения на рисунке 1A) и описательных индексов, используемых для контроля качества протокола (например, совокупное отношение сил из стороны к боку). Статические данные использовались только для документирования базового распределения и качества сегментации пластин; все гипотезические тесты проводились на динамических испытаниях COD.
6. Динамическое измерение
Участники проводили испытания COD босиком с углом 45° в сторону. В положении с правым срезом левая (поворотная/установочная) нога полностью приземлялась на нажимную пластину. Для обеспечения равномерного положения стоп и полного подошвенного контакта для каждого участника во время ознакомления устанавливалась индивидуальная фиксированная стартовая отметка, чтобы подход создавал последовательность шагов вправо-налево, при этом левый поворот соприкасался с пластиной. Перед формальным тестированием участники проходили несколько ознакомительных забегов, чтобы выработать естественную, повторяемую походку без визуальных целей на тарелке. По каждому состоянию было зафиксировано не менее трёх действительных испытаний; испытания с неполным контактом или видимым нацелением отклонялись и повторялись. В условиях левого реза стартовый знак и последовательность шагов зеркально повторялись так, чтобы правая поворотная нога соприкасалась с нажимной пластиной при одинаковых критериях.
Лабораторная взлётно-посадочная полоса составляла 10 м; Пластина давления была утоплена вплотную и располагалась в 6 м от стартовой линии, оставляя ~6 м для захода на посадку и ~2 м для послеконтактного торможения. Скорость захода на посадку контролировалась с помощью двух однолучных таймерных затворов (высота балки 80 см), расположенных на расстоянии 2,0 м друг от друга вдоль подхода, при этом нижний шлюз был выровнен по проксимальному краю активной площади нажимной пластины, тем самым измеряя последние 2 м до контакта с ногами. Испытание признавалось действительным только при измеренной скорости захода на посадку 3,5 м·с⁻¹ (±5%).
Все испытания тщательно наблюдались обученными исследователями для обеспечения соблюдения указанного диапазона скорости и правильного выполнения задачи. Кинетические данные автоматически собирались системой Footscan и надёжно хранились для последующего анализа. Схема ударов ногой не была явно контролируема; Участники выполняли задание, используя выбранные ими стили бега.
7. Обработка данных
После эксперимента все собранные данные обрабатываются вручную с помощью программного обеспечения Footscan.
Каждое статическое и динамическое исследование тщательно изучалось для выявления недостающих данных или нарушений паттернов контакта ног с целью обеспечения достоверности данных. Идентификация левой и правой стоп определялась на основе динамических изображений подошвенного давления, сделанных при контакте с ногой, которые наглядно отображали распределение пикового давления и расположение центра давления во время фазы стойки.
Плантарная поверхность изначально делилась на десять анатомических областей с помощью автоматизированной функции сегментации системы, которая классифицировала стопу на переднюю, среднюю и заднюю части стопы. Затем при необходимости применялись ручные корректировки для обеспечения точного регионального разграничения. На основе окончательной сегментации были извлечены значения давления из каждой области и использованы для создания региональных кривых давления-времени для дальнейшего анализа.
Данные о плантарном давлении экспортировались отдельно для статических и динамических условий. Экспортируемые параметры включали углы стопы, оси стопы, баланс стоп и значения давления, специфичные для зоны (рисунок 1), которые были извлечены из заранее определённых областей стопы.
ПРИМЕЧАНИЕ: Несмотря на строгое соблюдение экспериментального протокола, данные некоторых участников оказались неполными из-за исчезновения отмеченных траекторий в программном обеспечении Footscan.
8. Подошвенное давление и сила
Для изучения распределения подошвенной нагрузки во время стойки были извлечены временные ряды данных о подошвенной силе и давлении из десяти плантарных областей. Кривые силы/давления-времени были временно нормализованы до 101 пункта для обеспечения временной сопоставимости между исследованиями. Для минимизации изменчивости между субъектами (например, из-за массы тела) региональные силы нормализовались до средней вертикальной силы на стойку (Zavg), определяемой как:
(1)
Где Fz (t) — вертикальная сила реакции на землю в кадре t, а N — количество кадров стойки. Нормированные силы сообщаются как безразмерные (×1). В отличие от этого, региональные плантарные давления анализировались в физических единицах (кПа) без нормализации, так как они уже экспрессируются относительно площади контакта. Эта схема нормализации для сил следует предыдущимисследованиям 18.
9. Баланс ног
Индекс баланса стопы (FBI), показанный в уравнении 2, относится к пронации стопы или супинации стопы во время фазы стойки (рисунок 1)19. Favg, используемая для расчёта ФБР, — это средняя сила всегоплантарного 19. ФБР было рассчитано следующим образом:
(2)
где Fмедиальная и F латеральная — представляют суммарные подошвенные силы из медиальных (M1, M2, MH) и латеральных (M3-M5, LH) областей соответственно. Положительные значения FBI указывают на большую медиальную нагрузку (пронацию), тогда как отрицательные — на большую боковую нагрузку (супинация).
Обратите внимание, что MF была намеренно исключена из группы ФБР (медиальная = M1, M2, MH; латеральная = M3-M5, LH), чтобы избежать изменчивости, связанной с сводом стопы, и сосредоточиться на балансе передней части стопы и пятки.
10. Угол оси стопы
Угол оси стопы отражает степень внутреннего и внешнего вращения стопы во время походки. Угол состоит из соединённой линии между серединой пятки и серединой зазора между второй и третьей плюсневой костями. Линия направления движения определяется как угол осистопы 19 (рисунок 1). Внутреннее и внешнее вращение стопы в горизонтальной плоскости изображалось соответственно отрицательным и положительным углами.
11. Статистический анализ
Дискретные показатели исхода (например, индекс баланса стопы, плантарное давление в различных областях стопы и угол оси стопы) анализировались с помощью SPSS v19.0. Для каждого из 15 участников данные с доминирующей и недоминантной стопы рассматривались как парные образцы. Поэтому для нормально распределенных данных проводились парные t-тесты (нормальность верифицировалась на основе распределения внутрисубъектных различий), а для непараметрических сравнений применялись тесты Уилкоксона с знаковым рангом. Для каждого состояния кривые на уровне исследования усреднялись внутри участника перед сравнением между конечностями; Дискретные метрики использовали внутрисубъектное среднее для валидных исследований.
Для непрерывных временных рядов с плантарным давлением значения нормализовались по Zavg (см. Обработка данных) и временно нормализованы до 101 пункта с помощью линейной интерполяции. Впоследствии для сравнения кривых давления на полной фазе была использована одномерная статистическая параметрическая картография (SPM1d) с парными t-тестами. Теория случайных полей (RFT) использовалась для контроля ошибок по полям и коррекции множественных сравнений за20 времени. Все анализы временных рядов проводились в MATLAB R2018a, и порог значимости был установлен на уровне 0,05.
Для контроля ошибок по семейству при нескольких дискретных сравнениях p-значения для дискретных региональных/метрических исходов были скорректированы с помощью процедуры Хольма-Бонферрони (α = 0,05). При уместности приводятся как нескорректированные, так и скорректированные интерпретации значимости.