Summary
Questo studio ha studiato le caratteristiche biomeccaniche delle variabili cinematiche dell'estremità inferiore tra la fase iniziale e terminale della corsa del tapis roulant di 5 km. I dati cinematici degli arti inferiori di 10 corridori sono stati raccolti utilizzando un sistema di motion capture tridimensionale su un tapis roulant alla fase iniziale (0,5 km) e la fase terminale (5 km), rispettivamente.
Abstract
Correre è benefico per la salute fisica, ma è anche accompagnato da molte lesioni. Tuttavia, i principali fattori che portano a lesioni da corsa rimangono inspiegabili. Questo studio ha studiato gli effetti della lunga distanza di corsa sulle variabili cinematiche degli arti inferiori e la differenza cinematica dell'arto inferiore tra la fase iniziale (IR) e la fase terminale (TR) di 5 km di corsa è stata confrontata. Dieci corridori amatoriali correvano su un tapis roulant alla velocità di 10 km/h. I dati cinematici dinamici sono stati raccolti nella fase rispettivamente di IR (0,5 km) e TR (5 km). L'angolo di picco, le velocità angolari di picco e la gamma di movimento sono stati registrati in questo esperimento. I risultati principali hanno dimostrato quanto segue: l'eversione della caviglia e il rapimento del ginocchio sono stati aumentati alla TR; ROMm di caviglia e ginocchio sono stati aumentati nel piano frontale a TR di IR; una maggiore velocità angolare di dorsiflessione della caviglia e interrotazione dell'anca sono state trovate in TR rispetto a IR. Questi cambiamenti durante la corsa su lunghe distanze possono fornire alcuni dettagli specifici per esplorare potenziali motivi di lesioni da corsa.
Introduction
La corsa è lo sport più popolare al mondo. Ci sono un gran numero di individui che corrono e questo numero aumenta sostanzialmente ogni anno1. È stato suggerito che la partecipazione all'esercizio fisico regolare, compresa l'esecuzione, può promuovere la salute, ridurre il rischio di malattie cardiovascolari e quindi migliorare l'aspettativa di vita2,3,4. Nonostante i significativi benefici per la salute della corsa, l'incidenza di infortuni su in esecuzione è aumentata dal 25% all'83% negli anni5,6. Ci sono alcuni rischi associati alla corsa, soprattutto alle estremità inferiori, che si concentrano principalmente sulle lesioni muscolo-scheletriche7. La maggior parte delle lesioni comuni legate alla corsa sono legate al dolore patellofemorale, distorsione alla caviglia, fratture da stress tibiale e fascite plantare8. Le lesioni da corsa possono essere indotte da molti fattori, come modelli di colpire il piede errati, una selezione errata delle scarpe e altri fattori biomeccanici individuali9. Per esempio, correre con un modello di colpo del tallone può portare a una maggiore pronazione, ed è accompagnata da una maggiore pressione plantare sul lato mediale del piede, che può portare un rischio maggiore per la tendinopatia di Achille e il dolore patellofemorale10. Inoltre, la corsa con una maggiore rotazione interna del ginocchio è stata precedentemente segnalata come associata alla sindrome della banda iliotibiale per le corridori donne11, soprattutto quando si corrono lunghe distanze.
I parametri di cinetica, cinetica e componenti spazio-temporali possono fornire un'analisi precisa della biomeccanica dell'andatura ed è attualmente considerato un parametro importante per l'analisi dell'andatura clinica12. Le forze di reazione al suolo verticali inferiori e le accelerazioni di impatto maggiori vengono ricodificate dopo l'esecuzione a lunga distanza13,14. Più alta escursione dell'anca e più piccoli flessioni del ginocchio sono stati trovati insieme a i muscoli affaticati15, e l'aumento della frequenza passo può provocare lunghezze di passo ridotte13,16.
Tuttavia, i cambiamenti nelle caratteristiche biomeccaniche degli arti inferiori nella fase di esecuzione iniziale e terminale non sono stati analizzati completamente, poiché la maggior parte degli studi ha misurato la variazione biomeccanica dopo la corsa. Inoltre, solo pochi studi utilizzano tecniche di laboratorio standard per valutare gli effetti della corsa a lunga distanza sui cambiamenti biomeccanici dell'andatura nei corridori amatoriali. I principali fattori che portano a lesioni da corsa non sono ancora chiari. Pertanto, al fine di rivelare le ragioni alla base delle lesioni da estremità inferiori causate dalla corsa a lunga distanza, questo studio mira a confrontare i cambiamenti biomeccanici dell'estremità inferiore tra le fasi IR e TR nel tapis roulant 5 km in corsa in corridori amatoriali.
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Protocol
Il consenso informato scritto è stato ottenuto da soggetti e le procedure di test sono state approvate dal comitato etico dell'università. Tutti i partecipanti sono stati informati dei requisiti e del processo della sperimentazione.
1. Preparazione del laboratorio
- Durante la calibrazione, spegnere le luci e rimuovere altri oggetti eventualmente riflettenti. Assicurarsi che otto telecamere siano posizionate in modo appropriato e abbiano una visione chiara senza riflessione.
- Aprire il programma Vicon Nexus 1.8.5, quindi inizializzare le telecamere. Selezionare il sistema Sistema Locale Le telecamere MX nel riquadro Risorse e le telecamere si impegneranno.
NOTA: nel riquadro Proprietà, i parametri devono essere regolati. L'intervallo dei valori dell'intensità stroboscopica viene regolato a 0,95-1 e l'intervallo di valori della soglia è impostato su 0,2-0,4. Impostare la modalità scala di grigi su Automatico. Il rapporto di circolarità minimo è impostato su 0,5 e guadagno su 1 (x1), l'altezza massima del BLOB su 50 e selezionare Abilita LED. - Posizionare il fotogramma t al centro dell'area di acquisizione, selezionare tutte le telecamere del sistema e utilizzare la modalità 2D. Verificare che il fotogramma a T sia nella vista della videocamera senza punti di interferenza. Selezionare il primo elemento Preparazione sistema nella barra degli strumenti. Nell'elenco a discesa Cornice a T, selezionare l'oggetto di calibrazione 5 Wand & T-Frame.
- Nel riquadro Strumenti di preparazione sistema fare clic sul pulsante Start nella sezione Telecamere maschera. Quindi fai clic sul pulsante Start nella sezione Calibrate MX camera.
NOTA: al termine del processo di calibrazione, la barra di avanzamento viene ripristinata allo 0%. - Posizionare il fotogramma a T al centro della fotocamera per stabilire l'origine delle coordinate.
- Nel riquadro Strumenti, fare clic sul pulsante Start nella sezione Imposta origine volume.
- Posizionare il tapis roulant al centro della zona di prova. Le otto telecamere vengono visualizzate intorno al tapis roulant (Figura 1).
- Attaccare in anticipo un totale di 22 marcatori riflettenti (diametro: 14 mm) con nastro a doppio lato sui soggetti.
Figura 1: Test del layout del sito. Le telecamere catturano il movimento degli arti inferiori mentre i soggetti corrono sul tapis roulant. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
2. Preparazione del soggetto
- Prima del test, intervista i soggetti in laboratorio e fornisci una semplice spiegazione delle procedure sperimentali. Quindi, chiedi ai partecipanti di compilare un questionario. Riepilogare i risultati di questi questionari.
- Utilizzare le seguenti domande:
- Con quale frequenza corri tra una settimana?
- Per quanti anni stai correndo?
- Ha subito lesioni all'estremità inferiore o ha subito interventi chirurgici con estremità inferiore negli ultimi sei mesi?
- Quanti chilometri corri a settimana?
- Utilizzare le seguenti domande:
- Utilizzare i seguenti criteri di inclusione: tutti i partecipanti erano per la gamba destra dominante e senza lesioni all'estremità inferiore nei sei mesi precedenti lo studio. Tutti i partecipanti correvano almeno 15 km a settimana.
NOTA: sono stati selezionati dieci sana corridori di sesso ricreativo (età: 23,4,1,3 anni; altezza: 160,7,3 cm; massa: 50,3,3 kg; anni consecutivi: 3,2 1,2 anni).- Ottenere il consenso informato scritto dai partecipanti che soddisfano i criteri di inclusione.
- Richiedere che i partecipanti indossino collant e pantaloni uniformi.
- Registrare l'altezza dei soggetti (mm), il peso (kg), la lunghezza degli arti inferiori (mm), la larghezza del ginocchio (mm) e la larghezza della caviglia (mm) per il modello di statistiche.
- Posizionare 16 marcatori riflettenti sui soggetti nelle seguenti posizioni: colonna vertebrale iliaca superiore anteriore-superiore, colonna vertebrale iliaca superiore posteriore, coscia media laterale, ginocchio laterale, stinco laterale, malleolus laterale, seconda testa metatarsale e calcaneus. Posizionare i marcatori sulla seconda testa metatarsale e sul calccaneo sui corrispondenti punti anatomici delle calze e delle scarpe.
- Istruire i partecipanti a indossare scarpe da corsa sportive uniformi. Chiedi ai partecipanti di riscaldarsi con la leggera corsa e allungarsi per 5 min.
3. Calibrazione statica
- Fare clic sul pulsante Gestione dati sulla barra degli strumenti e selezionare Gestione dati. Fare clic sulla scheda Nuovo database sulla barra degli strumenti, selezionare il percorso, descrivere il nome della prova e il modello clinico, quindi fare clic sul pulsante Crea.
- Nella finestra Apri database selezionare il nome del database creato. Nell'interfaccia aperta, fare clic sul pulsante verde Nuova classificazione paziente, sul pulsante giallo Nuovo paziente e sul pulsante grigio Nuova sessione per creare le informazioni sperimentali, tra cui il tipo di soggetto, il nome del soggetto e lo stato dell'azione diverso.
- Tornare al riquadro Nexus, nella barra degli strumenti a sinistra, fare clic su Oggetti per creare un nuovo set di dati Oggetto e scegliere il modello di prova. Nel riquadro Proprietà, compilare tutte le misure antropometriche: altezza (mm), peso (kg), lunghezza dell'arto inferiore (mm), larghezza del ginocchio (mm) e larghezza della caviglia (mm).
- Fate clic sul pulsante Vai in diretta, selezionate Spilt orizzontalmente e scegliete il grafico per controllare il numero di traiettorie.
NOTA: Assicurarsi che tutti i marcatori siano visibili nella vista Prospettiva 3D. Ciò indica che tutti i marcatori possono essere acquisiti per l'analisi. - Preparare l'acquisizione del modello statico. Nel riquadro Strumenti di acquisizione fare clic sul pulsante Start nella sezione Acquisizione oggetto.
NOTA: durante l'intero processo di raccolta dei dati, i soggetti devono rimanere fermi nell'area di acquisizione per raccogliere 140-200 fotogrammi di immagini. Quindi fare clic sul pulsante Stop. - Nel riquadro prospettico, visualizzare i contrassegni di acquisizione. Fare clic sul pulsante Pipeline (Pipeline) nel riquadro Strumenti, selezionare Running The Reconstruct Pipeline (Esecuzione della pipeline di ricostruzione) per creare un'immagine 3D dei marcatori acquisiti. Quindi, etichettare manualmente il modello statico. Al termine dell'identificazione, salvare e premere ESC per uscire.
- Nella barra degli strumenti, scegliere la preparazione del soggetto e la calibrazione del soggetto. Selezionare l'opzione Di ghetura statica plug-in dall'elenco a discesa. Nel riquadro Impostazioni statiche scegliere il piede sinistro e il piede destro,fare clic sul pulsante Start e salvare il modello statico.
4. Prove dinamiche
- Al termine della raccolta dei dati statici, selezionare Acquisisci nella barra degli strumenti a destra. Scegli Tipo di prova e Sessione dall'alto verso il basso e inserisci la descrizione della versione di prova.
- Chiedere ai partecipanti di eseguire sul tapis roulant nel modo seguente.
- Riscaldare camminando a 8 km /h per 1 min.
- Chiedere al partecipante di correre sul tapis roulant alla velocità di 10 km/h. Dopo un periodo di adattamento di 4 min a questa velocità, registrare i dati di corsa per 40 s. Raccogliere i dati cinematici ad una distanza di 0,5 km e 5 km, rispettivamente.
- Chiedere ai soggetti di indossare un cardiofrequenzimetro per registrare la frequenza cardiaca e monitorare lo stato di affaticamento dei soggetti durante l'esecuzione.
- Nel riquadro Acquisizione strumento fare clic sul pulsante Start. Dopo aver raccolto le prove dinamiche, fare clic su Interrompi per terminare la raccolta.
5. Post-elaborazione
- Aprire la finestra Gestione dati, fare doppio clic sul nome della versione di prova. Fare clic sul pulsante Esegui ricostruisci pipeline ed etichette nella barra degli strumenti per ricostruire la posizione del punto di contrassegno.
- Nella finestra Prospettiva, spostate i triangoli blu sulla barra temporale per impostare l'intervallo di tempo richiesto.
- Spostare la visualizzazione della sequenza temporale in modo da visualizzare solo l'intervallo selezionato, fare clic sulla barra temporale e fare clic su Ingrandisci area di interesse.
- A questo punto, selezionare il pulsante Etichetta per identificare e controllare i punti etichetta, con gli stessi passaggi del processo di identificazione statica. Se necessario, integrare alcuni punti di identificazione incompleti. Eliminare i contrassegni senza etichetta.
- Nel riquadro Calibrazione soggetto selezionare l'andatura plug-in dinamica. Fare clic sul pulsante Start per eseguire i dati. Esportare le prove motorie in formato c3d per la post-elaborazione.
6. Analisi dei dati
- Elaborare i dati cinematici. Applicare un filtro Butterworth passa basso di quarto ordine con una frequenza di taglio di 10 Hz (cinematico) prima di esportare i dati dell'angolo articolare. Esportare i dati dell'angolo del giunto.
- Calcolare la gamma di movimento (ROM), l'angolo di picco e la velocità angolare di picco delle articolazioni degli arti inferiori (anca, ginocchio e caviglia) in tre piani (sagittale, frontale e trasversale) durante una fase di posizione.
7. Analisi statistica
- Utilizzare il test a T a campione accoppiato per confrontare la cinematica degli arti inferiori (angoli di picco, ROM, velocità angolare del picco) tra la fase iniziale (IR) e la fase terminale (TR) di 5 km di corsa.
- Calcolare i valori medi e le deviazioni standard delle cinque prove valide di ogni soggetto per distanze di corsa diverse. Impostare il livello di significatività su p < 0,05.
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Representative Results
I risultati hanno mostrato che non sono state osservate differenze nell'angolo di picco della caviglia e dell'anca nel piano sagittale. Rispetto a IR, gli angoli di picco della caviglia e del ginocchio nel piano frontale sono stati significativamente aumentati a TR. Un angolo dell'anca interno più grande è stato trovato in TR in contrasto con IR. Tuttavia, TR presentava un angolo di picco più piccolo nel rapimento dell'anca, nell'interrotazione della caviglia e nell'interrotazione del ginocchio rispetto a IR (Figura 2).
Nel piano sagittale, le ROM della caviglia e del ginocchio sono state significativamente aumentate in IR rispetto a TR. Nel piano frontale, la ROM dell'anca è diminuita significativamente in TR rispetto a IR, mentre le ROM della caviglia e del ginocchio sono state aumentate in TR rispetto a IR. Nel piano trasversale, la ROM del ginocchio è risultata significativamente più bassa nel TR rispetto alla corsa a iR, ma non sono state riscontrate differenze nelle ROM della caviglia e dell'anca (Figura 3).
Sono stati valutati anche i cambiamenti nella velocità angolare di picco tra IR e TR. Nel piano sagittale, non c'era alcuna differenza significativa nella velocità angolare di picco dell'anca e delle articolazioni del ginocchio durante l'esperimento. Una maggiore velocità angolare di dorsiflexion alla caviglia è stata notata in TR. Nella fase di posizione, la velocità angolare di picco più piccola del rapimento dell'anca e della velocità di rapimento del ginocchio sono state rivelate alla TR. La velocità angolare di picco dell'interrotazione dell'anca è aumentata a TR. Non c'era alcuna differenza significativa nell'eversione della caviglia, nella velocità di interrotazione del ginocchio e della caviglia durante tutta la corsa.
come illustrato nella Figura 2. Angolo di picco per caviglia, ginocchio e anca in sagittale (A), frontali (B) e piani trasversali (C) durante un ciclo di andatura (IR N .10; TR: N. 10. Le differenze significative tra IR e TR sono indicate con un asterisco. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3. Cambiamenti nella ROM congiunta durante il ciclo di andatura IR- vs.TR (valori medi). - Significatività statistica. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Velocità angolare di picco (deg/s) |
Ir Media: SD |
Tr Media: SD |
valore p |
| Filazione dell'anca | 182,58-38,38 | 130,00 -47,80 | 0.075 |
| Flessione del ginocchio | 221,88-22,90 | 266,00 -26,36 | 0.07 |
| Dossiflexizione alla caviglia | 326,11-20,49 | 344,85-43,76 | 0.046* |
| Rapimento dell'anca | 256,06 -47,31 | 245,54-38,17 | 0.000* |
| Rapimento al ginocchio | 128,65-17,04 | 96,14,15,50 | 0.041* |
| Eversione alla caviglia | 235,43-41,68 | 232,95-11,60 | 0.915 |
| Rotazione dell'anca int. | 195,92-7,85 | 302,32-29,14 | 0.012* |
| Rotazione del ginocchio int. | 353,83,66,05 | 355,26-39,74 | 0.912 |
| Rotazione della caviglia int. | 135,01 -42,77 | 146,85-23,60 | 0.664 |
Tabella 1. Confronto tra velocità angolare del ginocchio, dell'anca e della caviglia prima e dopo la corsa. Le differenze significative tra IR e TR sono indicate con un asterisco.
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Discussion
Questo studio ha confrontato l'effetto della corsa su lunghe distanze sulle caratteristiche biomeccaniche dell'estremità inferiore nei corridori amatoriali. Si è scoperto che l'angolo di picco dell'eversione della caviglia e del rapimento del ginocchio è aumentato dopo 5 km di corsa, il che è coerente con uno studio precedente17. Gli studi hanno dimostrato che l'eccessiva eversione della caviglia e la velocità dell'eversione sono fattori importanti che aumentano il rischio di lesioni alla caviglia18,19. Non sorprende che la ROM del ginocchio sia aumentata a TR di 5 km di corsa perché gli studi hanno dimostrato che la cinematica del ginocchio è influenzata dalla corsa a lunga distanza15,17.
Analogamente, l'intervallo dell'angolo di rotazione del ginocchio viene ridotto nel piano trasversale. Uno dei motivi può essere spiegato perché il corridore non ha sperimentato affaticamento a TR20. Rispetto a IR, l'angolo di picco di interrotazione dell'anca era più grande in TR. Studi precedenti hanno indicato che un aumento dell'angolo di interrotazione dell'anca può portare a fratture da stress della tibia21. È stato anche riferito che la velocità angolare dell'interrotazione dell'anca è stata associata a lesioni muscolari22,23. In questo studio, la velocità angolare dell'interrotazione dell'anca era maggiore in TR. L'instabilità dell'anca è considerata un meccanismo importante per la lesione dell'arto inferiore24.
I risultati qui presentati dipendono da molte procedure durante l'esperimento. In primo luogo, le luci devono essere spente e altri possibili oggetti riflettenti devono essere rimossi. È importante assicurarsi che il volume di acquisizione sia completamente privo di oggetti che possono causare riflessi indesiderati. In secondo luogo, è fondamentale selezionare i parametri desiderati nel riquadro Acquisizione strumenti per acquisire una prova. In terzo luogo, prima di iniziare la prova, il tapis roulant deve essere posizionato al centro della zona di prova. Inoltre, ci sono altre potenziali limitazioni in questo studio. Solo 10 corridori amatoriali sono stati reclutati per questo esperimento. Un'ulteriore limitazione di questo studio potrebbe riguardare la distanza di corsa. Gli studi futuri dovrebbero concentrarsi sull'effetto di diverse distanze con diverse scarpe da corsa sulle attività muscolari e momenti articolari.
I risultati di questo studio indicano che possono esistere diversi livelli di rischio di lesioni per IR e TR di 5 km di corsa. I corridori dovrebbero organizzare piani di allenamento di corsa scientificamente, rafforzare le capacità di equilibrio prima e durante l'allenamento e scegliere scarpe da corsa con funzioni di ammortizzazione per ridurre i rischi di lesioni dell'articolazione della caviglia e del ginocchio.
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Disclosures
Gli autori non hanno segnalato un potenziale conflitto di interessi.
Acknowledgments
Questo studio sponsorizzato dalla National Natural Science Foundation of China (81772423), dal K. C. Wong Magna Fund nella Ningbo University e dal National Key R&D Program of China (2018YFF0300903).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 14 mm Diameter Passive Retro-reflective Marker | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | n=22 | |
| Double Adhesive Tape | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | For fixing markers to skin | |
| Heart Rate | Garmin, HRM3-SS, China | Detection of fatigue state | |
| Motion Tracking Cameras | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | n= 8 | |
| T-Frame | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | - | |
| Treadmill | Smart Run,China | Subject run on the treadmill for all the process. | |
| Valid Dongle | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | Vicon Nexus 1.4.116 | |
| Vicon Datastation ADC | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | - |
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