Summary
Denne undersøgelse undersøgte de biomekaniske egenskaber ved kinematiske variabler i den nedre ende mellem den indledende og den terminale fase af 5 km løbebånd, der løb. De kinematiske data for underekstremiteterne på 10 løbere blev indsamlet ved hjælp af et tredimensionelt bevægelsesindfangningssystem på et løbebånd i den indledende fase (0,5 km) og terminalfasen (5 km).
Abstract
Løb er gavnligt for den fysiske sundhed, men det er også ledsaget af mange skader. De vigtigste faktorer, der fører til løbende skade, er dog fortsat uforklarlige. Denne undersøgelse undersøgte virkningerne af lang køreafstand på kinematiske variabler underekstremiteterne og den kinematiske forskel i underekstremiteterne mellem den indledende (IR) og terminalfase (TR) på 5 km løb blev sammenlignet. Ti amatørløbere løb på et løbebånd med en hastighed på 10 km/h. Dynamiske kinematiske data blev indsamlet i fasen af IR (0,5 km) og TR (5 km), hhv. Spidsvinklen, spidsformet hastighed, og vifte af bevægelse blev registreret i dette eksperiment. De vigtigste resultater viste følgende: ankel eversion og knæ bortførelse blev øget på TR; Rom'er af ankel og knæ blev øget i frontal flyet på TR end IR; en større top vinkelhastighed af ankel dorsiflexion og hofte interrotation blev fundet i TR sammenlignet med IR. Disse ændringer under langdistanceløb kan give nogle specifikke oplysninger til at udforske potentielle årsager til at køre skader.
Introduction
Løb er den mest populære sport i hele verden. Der er et stort antal personer , der kører , og dette antal stiger betydeligt hvert år1. Det er blevet foreslået, at deltagelse i regelmæssig motion, herunder løb, kan fremme sundheden, mindske risikoen for hjerte-kar-sygdomme og dermed forbedre den forventede levetid2,3,4. På trods af de betydelige sundhedsmæssige fordele ved at køre , er forekomsten af køreskader steget fra 25% til 83% i årene5,6. Der er nogle risici forbundet med at køre, især til de nedre ekstremiteter, som hovedsagelig er fokuseret på muskel-og skeletskader7. De fleste almindelige løberelaterede skader er relateret til patellofemoral smerte, ankel forstuvning, tibial stress frakturer, og plantar fasciitis8. Løbeskader kan fremkaldes af mange faktorer, såsom forkerte fod slående mønstre, forkert sko udvælgelse, og andre individuelle biomekaniske faktorer9. For eksempel, kører med en hæl-strike mønster kan føre til større pronation, og er ledsaget af større plantar tryk på den mediale side af foden, hvilket kan føre en højere risiko for Achilles tendinopati og patellofemoral smerte10. Derudover har løb med en større knæ indre rotation tidligere blevet rapporteret at være forbundet med iliotibial band syndrom for kvindelige løbere11, især når du kører lange afstande.
Parametre for kinetik, kinematik og tids-rum komponenter kan give en præcis analyse af gangart biomekanik, og anses i øjeblikket for at være en vigtig parameter for klinisk gangart analyse12. Lavere lodrette jordreaktionskræfter og større anslagsaccelerationer omkodes efter langdistanceløb13,14. Højere hofte udflugt og mindre knæ fleksioner er også blevet fundet sammen med trætte muskler15, og den øgede skridtlængde kan resultere i reduceret skridtlængder13,16.
Ændringer i de biomekaniske træk ved underekstremiteterne i den indledende og terminale kørende fase er imidlertid ikke fuldt analyseret, da de fleste undersøgelser målte biomekanisk variation efter kørsel. Derudover er det kun få undersøgelser, der bruger standardlaboratorieteknikker til at vurdere virkningerne af langdistanceløb på gangart biomekaniske ændringer i amatørløbere. De vigtigste faktorer, der fører til køreskader er stadig uklart. For at afsløre de underliggende årsager til skader i nedre ende forårsaget af langdistanceløb har denne undersøgelse derfor til formål at sammenligne de biomekaniske ændringer i underekstremiteterne mellem IR- og TR-faserne i løbebånd 5 km løb i amatørløbere.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Der blev indhentet skriftligt informeret samtykke fra forsøgspersoner, og testprocedurerne blev godkendt af universitetets etiske komité. Alle deltagere blev informeret om kravene og processen for forsøget.
1. Laboratorieforberedelse
- Under kalibreringen skal du slukke lyset og fjerne andre muligvis reflekterende genstande. Sørg for, at otte kameraer er placeret korrekt og har frit udsyn uden refleksion.
- Åbn Vicon Nexus 1.8.5-programmet, og initialiser derefter kameraerne. Vælg system | Lokalt system | MX-kameraer i ruden Ressourcer, og kameraerne aktiveres.
BEMÆRK: I ruden Egenskaber skal parametrene justeres. Strobeintensitetens værdiområde justeres til 0,95-1, og værdiområdet for tærsklen er indstillet til 0,2-0,4. Indstil gråtonetilstanden til Auto. Det mindste cirkulære forhold er angivet til 0,5, og forstærkningen til gange 1 (x1), max-klathøjden til 50 og vælg Aktivér LED'er. - Placer T-rammen i midten af optageområdet, vælg alle kameraerne i systemet, og brug 2D-tilstand. Bekræft, at T-rammen er i kameravisning uden interferenspunkter. Vælg det første element Systemforberedelse på værktøjslinjen. Vælg kalibreringsobjektet 5 Markørstav og T-Frame på rullelisten T-Frame.
- Klik på knappen Start under sektionen Maskekameraer i ruden Systemforberedelsesværktøjer. Klik derefter på knappen Start under Kalibrer MX-kamerasektionen.
BEMÆRK: Når kalibreringsprocessen er fuldført, gendannes statuslinjen til 0 %. - Placer T-rammen i midten af kameraet for at fastslå koordinaternes oprindelse.
- Klik på knappen Start under sektionen Angiv volumenoprindelse i ruden Værktøj.
- Sæt løbebåndet i midten af testzonen. De otte kameraer vises rundt om løbebåndet (Figur 1).
- Fastgør i alt 22 reflekterende markører (diameter: 14 mm) med dobbeltklæbende tape på emnerne på forhånd.
Figur 1: Layout af testwebstedet. Kameraer fange nedre lemmer bevægelse, mens de emner, der kører på løbebåndet. Klik her for at se en større version af dette tal.
2. Forberedelse af forsøg
- Før testen skal du interviewe forsøgspersonerne i laboratoriet og give en enkel forklaring på forsøgsprocedurerne. Få derefter deltagerne til at udfylde et spørgeskema. Opsummer resultaterne af disse spørgeskemaer.
- Brug følgende spørgsmål:
- Hvor ofte løber du om en uge?
- Hvor mange år har du løbet i?
- Har du lidt nogen nedre ende skader eller modtaget nedre ende operationer i de sidste seks måneder?
- Hvor mange kilometer løber du om ugen?
- Brug følgende spørgsmål:
- Brug følgende inklusionskriterier: Alle deltagere var højreben dominerende og uden skader i underekstremiteterne i de foregående seks måneder før undersøgelsen. Alle deltagere løb mindst 15 km om ugen.
BEMÆRK: Ti sunde rekreative kvindelige løbere (aldre: 23,4 ± 1,3 år; højde: 160,7 ± 3,8 cm; masse: 50,3 ± 2,3 kg; gennemløb år: 3,2 ± 1,2 år) blev valgt.- Indhente skriftligt informeret samtykke fra deltagere, der opfylder inklusionskriterierne.
- Kræv, at deltagerne bærer ensartede strømpebukser og bukser.
- Forsøgspersonernes højde (mm), vægt (kg), længde underekstremiteterne (mm), knæbredde (mm) og ankelbredde (mm) for statistikmodellen.
- Placer 16 reflekterende markører på emner på følgende steder: forreste-overlegen iliaca rygsøjlen, posterior-overlegen iliaca rygsøjlen, lateral midten af låret, lateral knæ, lateral midten skaft, lateral malleolus, andet metatarsal hoved, og calcaneus. Placer markører på den anden metatarsal hoved og calcaneus på de tilsvarende anatomiske punkter i sokker og sko.
- Instruer deltagerne til at bære ensartet sport løbesko. Få deltagerne til at varme op med lys løb og strække i 5 min.
3. Statisk kalibrering
- Klik på knappen Datastyring på værktøjslinjen, og vælg Datastyring. Klik på fanen Ny database på værktøjslinjen, vælg placeringen, beskriv forsøgsnavnet og den kliniske skabelon, og klik på knappen Opret.
- Vælg navnet på den database, der blev oprettet, i vinduet Åbn database. I den åbne grænseflade skal du klikke på den grønne knap Ny patientklassifikation, den gule knap Ny patient og den grå ny sessionsknap for at oprette eksperimentelle oplysninger, herunder emnetype, emnenavn og forskellig handlingsstatus.
- Gå tilbage til ruden Nexus i venstre værktøjslinje, klik på Emner for at oprette et nyt emnedatasæt, og vælg prøvemodellen. I ruden Egenskaberudfyldes alle de antropometriske målinger: højde (mm), vægt (kg), underekstremitetslængde (mm), knæbredde (mm) og ankelbredde (mm).
- Klik på knappen Gå live, vælg Spilt vandret, og vælg grafen for at kontrollere antallet af bane.
BEMÆRK: Sørg for, at alle mærker er synlige i visningen 3D-perspektiv. Dette indikerer, at alle markører kan registreres til analyse. - Forbered dig på at fange den statiske model. Klik på knappen Start i sektionen Emnehentning i ruden Hent værktøjer.
BEMÆRK: Under hele dataindsamlingsprocessen bør forsøgspersonerne forblive stationære i opsamlingsområdet for at indsamle 140-200 billeder. Klik derefter på knappen Stop. - Få vist hentningsmærkerne i perspektivruden. Klik på knappen Pipeline i ruden Funktioner, og vælg Kørsel af rekonstruktionspipeline for at oprette et 3D-billede af de hentede mærker. Derefter skal du mærke den statiske model manuelt. Når identifikationen er fuldført, skal du gemme og trykke på ESC for at afslutte.
- Vælg emneforberedelse og motivkalibrering på værktøjslinjen. Vælg indstillingen Statisk plug-in-gangart på rullelisten. Vælg venstre fod og højre fodi ruden Statiske indstillinger, klik på startknappen, og gem den statiske model.
4. Dynamiske forsøg
- Når du er færdig med at indsamle de statiske data, skal du vælge Hent i den højre værktøjslinje. Vælg Prøvetype og Session fra top til bund, og udfyld prøvebeskrivelsen.
- Bed deltagerne om at løbe tør for løbebånd på følgende måde.
- Varm op ved at gå med 8 km / t i 1 minut.
- Bed deltageren om at løbe tør for løbebånd med en hastighed på 10 km/t. Efter en tilpasningsperiode på 4 min ved denne hastighed registreres løbedataene for 40 s. Opsaml de kinematiske data i en afstand af henholdsvis 0,5 km og 5 km.
- Bed forsøgspersonerne om at bære en pulsmåler for at registrere pulsen og overvåge forsøgspersonernes udmattelsesstatus, mens de kører.
- Klik på knappen Start i ruden Værktøjsregistrering. Start Når du har indsamlet de dynamiske prøveversioner, skal du klikke på Stop for at afslutte samlingen.
5. Efterbehandling
- Åbn vinduet Datastyring, dobbeltklik på prøvenavnet. Klik på knappen Rekonstruktion af pipeline og etiketter på værktøjslinjen for at rekonstruere placeringen af markeringspunktet.
- Flyt de blå trekanter på tidslinjen i vinduet Perspektiv for at angive det ønskede tidsinterval.
- Skift visningen af tidslinjen, så den kun viser det valgte område, klik på tidslinjen, og klik på Zoom til interesseområde.
- På dette tidspunkt skal du vælge knappen Etiket for at identificere og kontrollere etiketpunkterne med de samme trin som den statiske identifikationsproces. Hvis det er nødvendigt, supplere nogle ufuldstændige identifikationspunkter. Slet de ikke-mærkede mærker.
- Vælg Dynamic Plug-in Gait iruden Kalibrering af emne . Klik på knappen Start for at køre dataene. Eksporter motoriske forsøg i c3d-format til efterbehandling.
6. Dataanalyse
- Behandl kinematikdataene. Påfør et fjerde-ordens lavpas Butterworth-filter med en afskåret frekvens på 10 Hz (kinematisk), før de fælles vinkeldata eksporteres. Eksporter dataene for den fælles vinkel.
- Beregn bevægelsesområdet (ROM), spidsvinkel og spids vinkelhastighed for underekstremiteterne (hofte, knæ og ankel) i tre planer (sagittal, frontal og tværgående) i en holdningsfase.
7. Statistisk analyse
- Brug T-prøvens parres prøve til at sammenligne kinematik underekstremiteterne (spidsvinkler, ROM, spids vinkelhastighed) mellem den indledende (IR) og terminalfase (TR) på 5 km løb.
- Beregn middelværdier og standardafvigelser for de fem gyldige forsøg fra hvert emne for forskellige løbeafstande. Angiv signifikansniveauet til p < 0,05.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Resultaterne viste, at ingen forskelle i spidsvinkel af anklen og hoften blev observeret i sagittal flyet. Sammenlignet med IR blev ankelens og knæets spidsbelastningsvinkler betydeligt forøget ved TR. En større intern hofte vinkel blev fundet i TR som kontrast til IR. Men TR præsenterede en mindre peak vinkel i hofte bortførelse, ankel interrotation, og knæ interrotation end IR (Figur 2).
I sagittal flyet, rom'er af anklen og knæet blev væsentligt øget i IR i forhold til TR. I frontal flyet, hofte ROM blev væsentligt reduceret i TR i forhold til IR, mens rom'er i anklen og knæet blev øget i TR end IR. I det tværgående plan blev det konstateret, at knæ-ROM var betydeligt lavere i TR sammenlignet med den infrarøde løbetid, men der blev ikke fundet nogen forskelle i rom'erne i anklen og hoften (Figur 3).
Ændringer i den maksimale vinkelhastighed mellem IR og TR blev også vurderet. I sagittal flyet, var der ingen signifikant forskel i toppen vinkelhastighed af hofte og knæled i hele forsøget. En større top vinkelhastighed af ankel dorsiflexion blev bemærket i TR. I holdningsfasen blev den mindre top vinkelhastighed af hoftebortførelse og knæbortførelseshastighed afsløret ved TR. Den maksimale vinkelhastighed for hofteinterrotation steg ved TR. Der var ingen signifikant forskel i ankel eversion, knæ og ankel interrotation hastighed i hele kørende.
Figur 2. Spidsvinkel for ankel, knæ og hofte i sagittal (A), frontale(B) og tværgående planer(C) under en gangcyklus (IR N=10; TR: N=10). Væsentlige forskelle mellem IR og TR er angivet med en stjerne (*). Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. Ændringer i fælles ROM under gangcyklus IR- vs.TR (middelværdier). * Statistisk signifikans. Klik her for at se en større version af dette tal.
| Spids vinkelhastighed (deg/s) |
Ir Gennemsnitlig±SD |
Tr Gennemsnitlig±SD |
p-værdi |
| Hip fleksion | 182,58±38,38 | 130,00±47,80 | 0.075 |
| Knæ fleksion | 221,88±22,90 | 266,00±26,36 | 0.07 |
| Ankel dorsiflexion | 326,11±20,49 | 344,85±43,76 | 0.046* |
| Hip bortførelse | 256,06±47,31 | 245,54±38,17 | 0.000* |
| Knæ bortførelse | 128,65±17,04 | 96,14±15,50 | 0.041* |
| Ankel Eversion | 235,43±41,68 | 232,95±11,60 | 0.915 |
| Hip int. rotation | 195,92±7,85 | til 302,32±29,14 | 0.012* |
| Knæ int. rotation | 353,83±66,05 | til 355,26±39,74 | 0.912 |
| Ankel int. rotation | 135,01±42,77 | 146,85±23,60 | 0.664 |
Tabel 1. Sammenligninger af knæ, hofte og ankel peak vinkelhastighed før og efter løb. Væsentlige forskelle mellem IR og TR er angivet med en stjerne (*).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denne undersøgelse sammenlignede virkningen af langdistanceløb på de biomekaniske egenskaber ved den nedre ende hos amatørløbere. Det blev konstateret, at peak vinkel ankel eversion og knæ bortførelse steg efter 5 km løb, hvilket er i overensstemmelse med en tidligere undersøgelse17. Undersøgelser har vist, at overdreven ankel eversion og eversion hastighed er vigtige faktorer, der øger risikoen for ankelskader18,19. Det er ikke overraskende, at knæet ROM steg ved TR på 5 km kører, fordi undersøgelser har vist, at knæ kinematik er påvirket af langdistanceløb15,17.
På samme måde reduceres knærotationsvinklen i det tværgående plan. En af grundene kan forklares, fordi løberen ikke oplevede træthed på TR20. Sammenlignet med IR var hofteinterrotationstoppevinklen større i TR. Tidligere undersøgelser viste, at en øget vinkel på hofte interrotation kan føre til stress frakturer af skinnebenet21. Det blev også rapporteret, at hofte interrotation vinkelhastighed var forbundet med muskelskade22,23. I denne undersøgelse, den kantede hastighed af hofte interrotation var større på TR. Hip ustabilitet betragtes som en vigtig mekanisme for underekstremitet skade24.
De resultater, der præsenteres her, afhænger af mange procedurer under forsøget. For det første skal lyset slukkes, og andre mulige reflekterende genstande skal fjernes. Det er vigtigt at sikre, at opsamlingsvolumen er helt fri for genstande, der kan forårsage uønskede refleksioner. For det andet er det vigtigt at vælge de ønskede parametre i ruden Værktøjsoptagelse til optagelse af en prøveversion. For det tredje skal løbebåndet, inden prøvningen påbegyndes, placeres i midten af testzonen. Der er også andre potentielle begrænsninger i denne undersøgelse. Kun 10 amatør løbere blev rekrutteret til dette eksperiment. En yderligere begrænsning af denne undersøgelse kunne vedrøre løbeafstanden. Fremtidige undersøgelser bør fokusere på effekten af forskellige afstande med forskellige løbesko på muskel aktiviteter og fælles øjeblikke.
Resultaterne af denne undersøgelse viser, at der kan være forskellige niveauer af skadesrisiko for IR og TR på 5 km løb. Løbere bør arrangere løbetræningsplaner videnskabeligt, styrke balancen evner før og under træning, og vælge løbesko med dæmpning funktioner til at reducere risikoen for skader risiko for ankel-og knæled.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne rapporterede ikke om nogen potentiel interessekonflikt.
Acknowledgments
Denne undersøgelse sponsoreret af National Natural Science Foundation of China (81772423), K. C. Wong Magna Fund i Ningbo University og 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 | - |
References
- 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.
- 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).
