Summary
Denne studien undersøkte de biomekaniske egenskapene til de nedre ekstremitets kinematiske variablene mellom den første og terminalfasen på 5 km tredemølleløping. De kinematiske dataene i underekstremitetene på 10 løpere ble samlet inn ved hjelp av et tredimensjonalt bevegelsesfangstsystem på en tredemølle i den innledende fasen (0,5 km) og terminalfasen (henholdsvis 5 km).
Abstract
Løping er gunstig for fysisk helse, men det er også ledsaget av mange skader. De viktigste faktorene som fører til løpende skade forblir imidlertid uforklarlige. Denne studien undersøkte effekten av langløpende avstand på kinematiske variabler i nedre ekstremiteter, og den kinematiske forskjellen mellom den første (IR) og terminalfasen (TR) på 5 km løping ble sammenlignet. Ti amatørløpere løp på en tredemølle med en hastighet på henholdsvis 10 km/t. Dynamiske kinematiske data ble samlet inn i fasen av IR (0,5 km) og TR (5 km). Toppvinkelen, toppkantede hastigheter og bevegelsesområde ble registrert i dette eksperimentet. Hovedresultatene viste følgende: ankel eversion og knebortføring ble økt ved TR; ROM-er av ankel og kne ble økt i frontalplanet ved TR enn IR; en større topp vinkelhastighet av ankel dorsiflexion og hofte interrotasjon ble funnet i TR sammenlignet med IR. Disse endringene under langdistanseløping kan gi noen spesifikke detaljer for å utforske potensielle årsaker til løpeskader.
Introduction
Løping er den mest populære sporten rundt om i verden. Det er et stort antall individer som kjører, og dette tallet øker betydelig hvert år1. Det har blitt foreslått at deltakelse i regelmessig trening inkludert løping kan fremme helse, redusere risikoen for hjerte-og karsykdommer og dermed forbedre forventet levealder2,,3,4. Til tross for de betydelige helsemessige fordelene ved å kjøre, har forekomsten av løpende skader økt fra 25% til 83% gjennom årene5,6. Det er noen risiko forbundet med løping, spesielt til nedre ekstremiteter, som hovedsakelig er fokusert på muskel-skjelettskader7. De fleste vanlige løperelaterte skader er relatert til patellofemoral smerte, ankelforstuing, tibial stressfrakturer, og plantar fasciitt8. Løpeskader kan induseres av mange faktorer, for eksempel feil fot slående mønstre, feil skovalg, og andre individuelle biomekaniske faktorer9. For eksempel, kjører med en hæl-strike mønster kan føre til større pronasjon, og er ledsaget av større plantar press på mediale siden av foten, noe som kan føre til en høyere risiko for Achilles tendinopati og patellofemoral smerte10. I tillegg har løping med større kneinteren rotasjon tidligere blitt rapportert å være forbundet med iliotibial band syndrom for kvinnelige løpere11, spesielt når du kjører lange avstander.
Parametere av kinetikk, kinematikk og tidsrom komponenter kan gi en presis analyse av gangart biomekanikk, og anses for tiden å være en viktig parameter for klinisk ganganalyse12. Lavere vertikale bakkereaksjonskrefter og større slagakselerasjoner omkodes etter langdistansekjøring13,,14. Høyere hofteutflukt og mindre knefleksjoner har også blitt funnet sammen med trøtte muskler15, og den økte skrittfrekvensen kan resultere i reduserte skrittlengder13,16.
Endringer i biomekaniske trekk ved nedre lemmer i fasen av innledende og terminalkjøring er imidlertid ikke fullstendig analysert, siden de fleste studier målte biomekanisk variasjon etter løping. I tillegg bruker bare noen få studier standard laboratorieteknikker for å vurdere effekten av langdistanseløping på gangart biomekaniske endringer i amatørløpere. De viktigste faktorene som fører til løpeskader er fortsatt uklare. Derfor, for å avsløre de underliggende årsakene til nedre ekstremitetsskader forårsaket av langdistanseløping, tar denne studien sikte på å sammenligne de biomekaniske endringene i nedre ekstremiteter mellom IR- og TR-fasene i tredemølle 5 km løping i amatørløpere.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Skriftlig informert samtykke ble innhentet fra og testprosedyrene ble godkjent av universitetets etikkkomité. Alle deltakerne ble informert om kravene og prosessen med rettssaken.
1. Forberedelse av laboratorier
- Under kalibrering, slå av lysene og fjern andre muligens reflekterende objekter. Sørg for at åtte kameraer er riktig plassert og ha en klar visning uten refleksjon.
- Åpne Vicon Nexus 1.8.5-programmet, og initialiser deretter kameraene. Velg System | Lokalt system | MX-kameraer i Ressurser-ruten og kameraene vil engasjere seg.
Merk: I Egenskaper-ruten må parameterne justeres. Verdiområdet for strobeintensiteten justeres til 0,95-1, og verdiområdet for terskelen er satt til 0,2-0,4. Sett gråtonemodusen til Auto. Minimumsirsirkulularitetsforholdet er satt til 0,5, og Gain til ganger 1 (x1), Maks blob-høyden til 50, og velg Aktiver lysdioder. - Plasser T-rammen midt i opptaksområdet, velg alle kameraene i systemet, og bruk 2D-modus. Kontroller at T-rammen er i kameravisningen uten forstyrrelser. Velg det første elementet Systemklargjøring på verktøylinjen. I rullegardinlisten T-Frame velger du 5 Wand & T-Frame kalibreringsobjektet.
- Klikk Start-knappen under Maskekameraer-delen i ruten Verktøy for systemforberedelse. Klikk deretter startknappen under Kalibrer MX-kameraseksjonen.
MERK: Når kalibreringsprosessen er fullført, gjenopprettes fremdriftslinjen til 0 %. - Plasser T-rammen i midten av kameraet for å fastslå opprinnelsen til koordinatene.
- Klikk Start-knappen under Angi volumopprinnelse-delen i Verktøy-ruten.
- Sett tredemøllen i midten av testsonen. De åtte kameraene vises rundt tredemøllen (figur 1).
- Fest totalt 22 reflekterende markører (diameter: 14 mm) med dobbeltsidig tape på motivene på forhånd.
Figur 1: Test områdeoppsett. Kameraer fanger bevegelse i underekstremiteten mens motivene kjører på tredemøllen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
2. Forberedelse til motiv
- Før testen intervjuer de fagene i laboratoriet og gir en enkel forklaring på de eksperimentelle prosedyrene. Be deretter deltakerne fylle ut et spørreskjema. Summer resultatene av disse spørreskjemaene.
- Bruk følgende spørsmål:
- Hvor ofte løper du om en uke?
- Hvor mange år har du løpt i?
- Har du hatt noen nedre ekstremitetsskader eller fått nedre ekstremitetsoperasjoner de siste seks månedene?
- Hvor mange kilometer løper du per uke?
- Bruk følgende spørsmål:
- Bruk følgende inklusjonskriterier: alle deltakerne var høyrebendominerende og uten noen nedre ekstremitetsskader i de foregående seks månedene før studien. Alle deltakerne løp minst 15 km per uke.
MERK: Ti friske fritidskvinnelige løpere (23,4±1,3 år; høyde: 160,7±3,8 cm; masse: 50,3±2,3 kg; løpeår: 3,2 ±1,2 år) ble valgt.- Innhente skriftlig informert samtykke fra deltakere som oppfyller inklusjonskriteriene.
- Krever at deltakerne bruker uniformtights og bukser.
- Registrer motivenes høyde (mm), vekt (kg), lengde på underekstremiteter (mm), knebredde (mm) og ankelbredde (mm) for statistikkmodellen.
- Plasser 16 reflekterende markører på på følgende steder: fremre overlegen iliac ryggrad, bakre overlegen iliac ryggraden, lateral midten av låret, lateral kne, lateral mid-shank, lateral malleolus, andre metatarsal hode, og calcaneus. Plasser markørene på det andre metatarsale hodet og calcaneus på de tilsvarende anatomiske punktene i sokker og sko.
- Instruer deltakerne om å bruke uniform sport joggesko. Få deltakerne til å varme opp med lett løping og strekking i 5 min.
3. Statisk kalibrering
- Klikk Databehandling-knappen på verktøylinjen, velg Databehandling. Klikk kategorien Ny database på verktøylinjen, velg plasseringen, beskriv prøvenavnet og Den kliniske malen, og klikk opprett-knappen.
- I vinduet Åpne database velger du navnet på databasen som ble opprettet. I det åpne grensesnittet klikker du på den grønne Knappen Ny pasientklassifisering, den gule Ny pasient-knappen og den grå Ny øktknappen for å opprette eksperimentell informasjon, inkludert emnetype, emnenavn og annen handlingsstatus.
- Gå tilbake til Nexus-ruten, klikk Emner i venstre verktøylinje for å opprette et datasett for nytt emne, og velg prøvemodellen. Fyll ut alle antropometriske målinger i Egenskaper-ruten:høyde (mm), vekt (kg), lengde på underekstremiteter (mm), knebredde (mm) og ankelbredde (mm).
- Klikk på Gå til live-knappen, velg Spill horisontalt og velg diagrammet for å kontrollere baneantallet.
MERK: Kontroller at alle markørene er synlige i 3D Perspective-visningen. Dette indikerer at alle markører kan registreres for analyse. - Forbered deg på å fange den statiske modellen. Klikk Start-knappen i Emnefangst-delen i Capture-ruten.
MERK: Under hele datainnsamlingsprosessen skal fagene forbli stasjonære i opptaksområdet for å samle inn 140-200 bilder. Klikk deretter Stop på Stopp-knappen. - Vis opptaksmerkene i perspektivruten. Klikk Pipeline-knappen i Verktøy-ruten, og velg Kjøre Rekonstruer pipeline for å opprette et 3D-bilde av de registrerte markørene. Merk deretter den statiske modellen manuelt. Når identifikasjonen er fullført, lagrer og trykker du ESC for å avslutte.
- Velg motivforberedelse og subjektskalibrering på verktøylinjen. Velg alternativet Statisk gangart for plugin-modulen fra rullegardinlisten. Velg venstre fot og høyre foti Statiske innstillinger-ruten, klikk startknappen og lagre den statiske modellen.
4. Dynamiske prøveversjoner
- Når du er ferdig med å samle inn statiske data, velger du Capture på høyre verktøylinje. Velg Prøvetype og Økt fra topp til bunn, og fyll ut prøvebeskrivelsen.
- Be deltakerne om å kjøre på tredemøllen på følgende måte.
- Varm opp ved å gå i 8 km / t i 1 min.
- Be deltakeren om å kjøre på tredemøllen med en hastighet på 10 km/t. Etter en tilpasningsperiode på 4 min i denne hastigheten, registrer løpedataene for henholdsvis 40 s. Samle de kinematiske dataene i en avstand på henholdsvis 0,5 km og 5 km.
- Be motivene bruke en pulsmåler for å registrere pulsen og overvåke motivenes tretthetsstatus mens du løper.
- Klikk Start-knappen i Verktøyopptak-ruten. Når du har samlet de dynamiske prøveversjonene, klikker du Stopp for å avslutte samlingen.
5. Etterbehandling
- Åpne Databehandling-vinduet, dobbeltklikk på prøvenavnet. Klikk knappen Kjør Rekonstruer pipeline og etiketter på verktøylinjen for å rekonstruere merkepunktposisjonen.
- I Perspektiv-vinduet flytter du de blå trekantene på tidslinjen for å angi ønsket tidsområde.
- Skift visningen av tidslinjen slik at den bare viser det valgte området, klikk på tidslinjen og klikk Zoom til interesseområde.
- På dette tidspunktet velger du Etikett-knappen for å identifisere og kontrollere etikettpunktene, med de samme trinnene som den statiske identifikasjonsprosessen. Om nødvendig, supplere noen ufullstendige identifikasjonspunkter. Slett de umerkede merkene.
- Velg den dynamiske gango-gangen for plugin-modulen i emnekalibrering-ruten. Klikk Start-knappen for å kjøre dataene. Eksporter motoriske studier i c3d-format for etterbehandling.
6. Dataanalyse
- Behandle kinematikkdataene. Påfør et fjerde-ordre lavpass Butterworth-filter med en avskåret frekvens på 10 Hz (kinematisk) før du eksporterer fellesvinkeldataene. Eksporter dataene i fellesvinkelen.
- Beregn bevegelsesområdet (ROM), toppvinkel og toppkantet hastighet på nedre lemledd (hofte, kne og ankel) i tre plan (sagittal, frontal og tverrgående) i en holdningsfase.
7. Statistisk analyse
- Bruk par-sample T-test for å sammenligne nedre lem kinematikk (peak vinkler, ROM, peak vinkelhastighet) mellom den første (IR) og terminal fase (TR) på 5 km kjører.
- Beregn gjennomsnittsverdier og standardavvik for de fem gyldige forsøkene fra hvert emne for ulike løpeavstander. Angi signifikansnivået på p < 0,05.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Resultatene viste at ingen forskjeller i toppvinkelen i ankelen og hoften ble observert i sagittalplanet. Sammenlignet med IR ble toppvinklene i ankelen og kneet i frontplanet betydelig økt ved TR. En større indre hoftevinkel ble funnet i TR i motsetning til IR. TR presenterte imidlertid en mindre toppvinkel i hoftebortføring, ankelinterrotasjon og kneinterrotasjon enn IR (figur 2).
I sagittalplanet ble ROM-ene i ankelen og kneet betydelig økt i IR sammenlignet med TR. I frontplanet ble hofte-ROM betydelig redusert i TR sammenlignet med IR, mens ROM-ene i ankelen og kneet ble økt i TR enn IR. I det tverrgående flyet ble kne-ROM funnet å være betydelig lavere i TR sammenlignet med IR-løping, men det ble ikke funnet forskjeller i ROM-ene i ankelen og hoften (figur 3).
Endringer i topp vinkelhastighet mellom IR og TR ble også vurdert. I sagittalplanet var det ingen signifikant forskjell i toppkantet hastighet av hofte- og kneleddene gjennom hele forsøket. En større topp vinkelhastighet av ankel dorsiflexion ble notert i TR. I holdningsfasen ble den mindre toppangulære hastigheten på hoftebortføring og knebortføringshastighet avslørt ved TR. Den høyeste vinkelhastigheten av hofterert interrotasjon økte ved TR. Det var ingen signifikant forskjell i ankel eversion, kne og ankel interrotation hastighet gjennom hele løpet.
Figur 2. Toppvinkel for ankel, kne og hofte i sagittal (A), frontal(B) og tverrgående plan(C) under en gangsyklus (IR N=10; TR: N=10). Signifikante forskjeller mellom IR og TR betegnes med en stjerne (*). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Endringer i felles ROM under gangsyklusen IR- vs.TR (gjennomsnittlige verdier). * Statistisk signifikans. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Topp vinkelhastighet (deg/s) |
Ir Gjennomsnittlig ±SD |
St Gjennomsnittlig ±SD |
p-verdi |
| Hip fleksjon | 182,58±38,38 | 130,00±47,80 | 0.075 |
| Knefleksjon | 221,88±22,90 | 266,00±26,36 | 0.07 |
| Ankel dorsiflexion | 326,11±20,49 | 344,85±43,76 | 0.046* |
| Hip bortføring | 256,06±47,31 | 245,54±38,17 | 0.000* |
| Knebortføring | 128,65±17,04 | 96,14±15,50 | 0.041* |
| Ankel Eversion | 235,43±41,68 | 232,95±11,60 | 0.915 |
| Hofte int. rotasjon | 195,92±7,85 | 302,32±29,14 | 0.012* |
| Kne int. rotasjon | 353,83±66,05 | 355,26±39,74 | 0.912 |
| Ankel int. rotasjon | 135,01±42,77 | 146,85±23,60 | 0.664 |
Tabell 1. Sammenligninger av kne, hofte og ankel topp kantete hastighet før og etter løping. Signifikante forskjeller mellom IR og TR betegnes med en stjerne (*).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denne studien sammenlignet effekten av langdistanseløping på de biomekaniske egenskapene til underekstremiteten hos amatørløpere. Det ble funnet at toppvinkelen ankelkant og knebortføring økte etter 5 km løping, noe som er i samsvar med en tidligere studie17. Studier har vist at overdreven ankel eversion og eversion hastighet er viktige faktorer som øker risikoen for ankelskader18,19. Det er ikke overraskende at kne-ROM økte ved TR på 5 km løping fordi studier har vist at knekinematikk påvirkes av langdistanseløping15,17.
På samme måte reduseres rekkevidden for knerotasjonsvinkelen i det tverrgående planet. En av grunnene kan forklares fordi løperen ikke opplevde tretthet på TR20. Sammenlignet med IR var toppvinkelen hofteringrotasjon større i TR. Tidligere studier indikerte at en økt vinkel på hofterperrotasjon kan føre til stressfrakturer i tibia21. Det ble også rapportert at hofte interrotasjon kantete hastighet var forbundet med muskelskade22,23. I denne studien var vinkelhastigheten til hofteinterrotasjonen større ved TR. Hofteustabilitet anses som en viktig mekanisme for nedre lemskade24.
Resultatene som presenteres her er avhengig av mange prosedyrer under forsøket. For det første må lysene slås av og andre mulige reflekterende gjenstander må fjernes. Det er viktig å sikre at fangstvolumet er helt fritt for objekter som kan forårsake uønskede refleksjoner. For det andre er det viktig å velge de ønskede parameterne i Verktøy Capture-ruten for å fange en prøveversjon. For det tredje, før du starter testen, må tredemøllen plasseres i midten av testsonen. Det er også andre potensielle begrensninger i denne studien. Bare 10 amatørløpere ble rekruttert til dette eksperimentet. En ytterligere begrensning av denne studien kan forholde seg til løpeavstanden. Fremtidige studier bør fokusere på effekten av ulike avstander med forskjellige løpesko på muskelaktiviteter og felles øyeblikk.
Resultatene av denne studien indikerer at det kan finnes ulike skadenivåer for IR og TR på 5 km løping. Løpere bør arrangere løpetreningsplaner vitenskapelig, styrke balanseevnene før og under trening, og velge løpesko med dempingsfunksjoner for å redusere skaderisikoen for ankel- og kneledd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Ingen potensiell interessekonflikt ble rapportert av forfatterne.
Acknowledgments
Denne studien sponset av 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).
