Summary
В этом исследовании были исследованы биомеханические характеристики кинематических переменных нижних конечностей между начальной и терминальной фазой беговой дорожки на 5 км. Кинемаматические данные нижних конечностей 10 бегунов были собраны с помощью трехмерной системы захвата движения на беговой дорожке на начальном этапе (0,5 км) и терминальной фазе (5 км), соответственно.
Abstract
Бег полезен для физического здоровья, но он также сопровождается многими травмами. Однако основные факторы, приводящие к травмам, остаются необъяснимыми. Это исследование исследовало влияние длинного бегущего расстояния на нижней конечности кинематических переменных и нижней конечности кинематические различия между начальной (IR) и терминальной фазы (TR) 5 км работает был сравнен. Десять бегунов-любителей бегали по беговой дорожке со скоростью 10 км/ч. Динамические кинематические данные были собраны на этапе ИК (0,5 км) и TR (5 км) соответственно. В этом эксперименте были зафиксированы угол пикового угла, пиковые угловые скорости и диапазон движения. Основные результаты продемонстрировали следующее: в TR были увеличены эверсия голеностопного сустава и похищение колена; В лобной плоскости на TR были увеличены РД ИК и колено; большая пиковая угловая скорость лодыжки спинной и тазобедренной интерротации были найдены в TR по сравнению с ИК. Эти изменения во время бега на длинные дистанции могут предоставить некоторые конкретные детали для изучения потенциальных причин бега травм.
Introduction
Бег является самым популярным видом спорта во всем мире. Есть большое количество людей, которые работают, и это число значительно увеличивается с каждым годом1. Было высказано предположение, что участие в регулярных физических упражнений, включая бег может способствовать здоровью, снизить риск сердечно-сосудистых заболеваний и тем самым улучшить продолжительность жизни2,,3,4. Несмотря на значительные преимущества для здоровья работает, частота работает травм увеличилось с 25% до 83% за5лет,6. Есть некоторые риски, связанные с бегом, особенно в нижних конечностях, которые в основном сосредоточены на опорно-двигательного аппарататравмы 7. Большинство распространенных работает связанных травм, связанных с patellofemoral боль, растяжение связок лодыжки, переломы голени стресс, и подошвенный фасциит8. Бег травмы могут быть вызваны многими факторами, такими как неправильные ноги поразительные узоры, неправильный выбор обуви, и другие индивидуальные биомеханическиефакторы 9. Например, бег с пяткой удар шаблон может привести к большей пронации, и сопровождается большим подошве давлением на медиальной стороне ноги, что может привести к более высокому риску для ахиллесовой тендинопатии и patellofemoral боль10. Кроме того, работает с большей колено внутреннего вращения ранее сообщалось, что связано с iliotibial синдром полосы для женщин бегунов11, особенно при беге на большие расстояния.
Параметры кинетики, кинематики и компонентов пространства времени могут обеспечить точный анализ биомеханики походки, и в настоящее время считается важным параметром для клинического анализа походки12. Нижние вертикальные силы наземной реакции и более крупные ускорения удара перекодируются после дальнего бега13,,14. Более высокая экскурсия бедра и меньше коленных сгибаний также были найдены вместе с усталыми мышцами15,и увеличение частоты шага может привести к уменьшенной длины шага13,16.
Однако изменения в биомеханических особенностях нижних конечностей на этапе начального и терминального бега не были полностью проанализированы, так как большинство исследований измеряли биомеханические изменения после бега. Кроме того, лишь в нескольких исследованиях используются стандартные лабораторные методы для оценки влияния бега на длинные дистанции на биомеханические изменения походки у бегунов-любителей. Основные факторы, приводящие к травмам, до сих пор остаются неясными. Таким образом, для того, чтобы выявить основные причины травм нижних конечностей, вызванных бегом на длинные дистанции, это исследование направлено на сравнение биомеханических изменений нижней конечности между ИК и TR фазы на беговой дорожке 5 км работает в любительских бегунов.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Письменное информированное согласие было получено от субъектов, а процедуры тестирования были одобрены комитетом по этике университета. Все участники были проинформированы о требованиях и процессе судебного разбирательства.
1. Лабораторный препарат
- Во время калибровки выключите свет и удалите другие, возможно, светоотражающие объекты. Убедитесь, что восемь камер надлежащим образом размещены и имеют четкое представление без отражения.
- Откройте программу Vicon Nexus 1.8.5, а затем парафлизуй камеры. Выберите систему Местная система MX камеры в панели ресурсов и камеры будут заниматься.
ПРИМЕЧАНИЕ: В панели свойств параметры должны быть скорректированы. Диапазон значений строба интенсивности корректируется до 0,95-1, а диапазон значений порога устанавливается до 0,2-0,4. Установите режим серый масштаб для Auto. Коэффициент минимальной круговой ности устанавливается до 0,5, а прибыль в раз 1 (x1), высота капли Max до 50, и выберите светодиоды Enable. - Поместите T-кадр в центре зоны захвата, выберите все камеры в системе и используйте 2D-режим. Подтвердите, что T-кадр находится в виде камеры без каких-либо точек помех. Выберите первый элемент Системы Подготовки в панели инструментов. В списке выпадения T-Frame выберите 5 объектов калибровки маркерной палочки и T-Frame.
- В панели System Preparation Tools нажмите кнопку «Пуск» под разделом Камеры маски. Затем нажмите кнопку "Пуск" под разделом камеры Calibrate MX.
ПРИМЕЧАНИЕ: Когда процесс калибровки завершен, панель прогресса восстанавливается до 0%. - Поместите T-кадр в центр камеры, чтобы установить происхождение координат.
- В панели tool нажмите кнопку «Пуск» в разделе «Происхождение объема набора».
- Поставьте беговую дорожку в центр испытательной зоны. Восемь камер отображаются вокруг беговой дорожки(рисунок 1).
- Заранее прикрепите в общей сложности 22 светоотражающих маркера (диаметр: 14 мм) с двусторонней лентой на предметы.
Рисунок 1: Макет испытательного полигона. Камеры захватывают движение нижних конечностей, в то время как испытуемые работают на беговой дорожке. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
2. Тема подготовки
- Перед тестом опрашивают испытуемых в лаборатории и дают простое объяснение экспериментальных процедур. Затем, чтобы участники заполнить анкету. Обобщить результаты этих вопросников.
- Используйте следующие вопросы:
- Как часто вы работаете в неделю?
- Сколько лет ты бегаешь?
- Вы перенесли какие-либо травмы нижних конечностей или получили операции на нижних конечностях в течение последних шести месяцев?
- Сколько километров вы пробегаешь в неделю?
- Используйте следующие вопросы:
- Используйте следующие критерии включения: все участники были правой ногой доминирующей и без каких-либо травм нижней конечности в предыдущие шесть месяцев до исследования. Все участники бегали не менее 15 км в неделю.
ПРИМЕЧАНИЕ: Были отобраны десять здоровых бегунов-любителей (возраст: 23,4–1,3 года; рост: 160,7–3,8 см; масса: 50,3–2,3 кг; годы бега: 3,2–1,2 года).- Получение письменного информированного согласия участников, отвечающих критериям включения.
- Требуйте, чтобы участники носили однородные колготки и брюки.
- Запись высоты испытуемых (мм), веса (кг), нижней длины конечностей (мм), ширины колена (мм) и ширины лодыжки (мм) для модели статистики.
- Место 16 отражающих маркеров на предметы в следующих местах: передний верхний подвздошный позвоночник, задний-высший подвздошный позвоночник, боковой середине бедра, боковое колено, боковой хвост, боковой млепок, второй плюсневой головы, и calcaneus. Поместите маркеры на вторую плюсневую голову и кальканеус на соответствующие анатомические точки носков и обуви.
- Проинструктируйте участников носить форму спортивной кроссовки. У участников разогреть с легким бегом и растяжения в течение 5 минут.
3. Статическая калибровка
- Нажмите кнопку управления данными на панели инструментов, выберите управление данными. Нажмите на вкладку «Новая база данных» на панели инструментов, выберите местоположение,опишите название исследования и клинический шаблони нажмите кнопку «Создание».
- В окне открытой базы данных выберите имя созданной базы данных. В открытом интерфейсе нажмите на зеленую кнопку «Классификация новых пациентов», желтую кнопку «Новый пациент» и кнопку «Серый новый сеанс», чтобы создать экспериментальную информацию, включая тип темы, имя субъекта и другое состояние действия.
- Вернитесь к панели Nexus, в левой панели инструментов, нажмите Субъекты, чтобы создать набор данных New Subject и выбрать пробную модель. В панели Propertiesзаполните все антропометрические измерения: рост (мм), вес (кг), нижняя длина конечностей (мм), ширина колена (мм) и ширина лодыжки (мм).
- Нажмите кнопку Go Live, выберите Spilt горизонтально и выберите график, чтобы проверить количество траектории.
ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что все маркеры видны в представлении 3D Perspective. Это означает, что все маркеры могут быть захвачены для анализа. - Приготовьтесь запечатлеть статическую модель. На панели Capture Tools нажмите кнопку «Пуск» в разделе «Захват темы».
ПРИМЕЧАНИЕ: В течение всего процесса сбора данных испытуемые должны оставаться неподвижными в зоне захвата для сбора 140-200 кадров изображений. Затем нажмите кнопку "Стоп". - В перспективном стекле просмотрите знаки захвата. Нажмите кнопку Pipeline в панели Инструментов, выберите Запуск восстановительный конвейер, чтобы создать 3D-изображение захваченных маркеров. Затем вручную отметьте статичную модель. Когда идентификация завершена, сохраните и нажмите ESC, чтобы выйти.
- В панели инструментов выберите подготовку объекта и калибровку объекта. Выберите опцию «Статическая походка» из списка выпадеет. В панели статических настроек выберите левую и правую ногу,нажмите кнопку «Пуск» и сохраните статичную модель.
4. Динамические испытания
- После завершения сбора статических данных выберите Capture в нужной панели инструментов. Выберите Тип пробного типа и сеанс сверху вниз и заполните описание пробной версии.
- Попросите участников бегать по беговой дорожке следующим образом.
- Разогрейтесь при ходьбе со скоростью 8 км/ч за 1 мин.
- Попросите участника бегать по беговой дорожке со скоростью 10 км/ч. После периода адаптации 4 мин на этой скорости, запишите ход данные за 40 с. Соберите кинематические данные на расстоянии 0,5 км и 5 км соответственно.
- Попросите испытуемых носить монитор сердечного ритма, чтобы зафиксировать частоту сердечных сокращений и следить за состоянием усталости испытуемых во время бега.
- В панели захвата инструмента нажмите кнопку «Пуск». После сбора динамических испытаний нажмите Stop, чтобы закончить коллекцию.
5. После обработки
- Откройте окно управления данными, дважды щелкните название пробного. Нажмите кнопку «Реконструкция трубопровода» и «Этикетки» в панели инструментов, чтобы реконструировать положение точки отметки.
- В окне «Перспектива» переместите синие треугольники на временной панели, чтобы установить необходимый диапазон времени.
- Сдвиг представления временной шкалы так, чтобы он показал только выбранный диапазон, нажмите на временной бар и нажмите Увеличить регион интересов.
- На этом этапе выберите кнопку Label для идентификации и проверки точек меток с теми же шагами, что и процесс статической идентификации. При необходимости дополнить некоторые неполные идентификационные точки. Удалите немаркированные знаки.
- В панели калибровки темы выберите динамический плагин Gait. Нажмите кнопку "Пуск" для запуска данных. Экспорт автомобильных испытаний в формате c3d для постобработки.
6. Анализ данных
- Обработайте данные кинематики. Примените фильтр с низким проходом Баттерворта четвертого порядка с частотой отсечения 10 Гц (кинематический) перед экспортом данных о совместном углу. Экспорт данных совместного угла.
- Рассчитайте диапазон движения (ROM), угол пик и пик угловой скорости суставов нижних конечностей (бедра, колена и лодыжки) в трех плоскостях (сагиттал, лобной и поперечный) во время одной фазы позиции.
7. Статистический анализ
- Используйте парный образец T-теста для сравнения кинематики нижних конечностей (пиковые углы, ПЗУ, пиковая угловая скорость) между начальной (ИК) и терминальной фазой (TR) 5 км пробега.
- Рассчитайте средние значения и стандартные отклонения пяти действительных испытаний от каждого объекта для различных бегов. Установите уровень значимости на уровне p q lt; 0.05.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Результаты показали, что никаких различий в пиковом углу лодыжки и бедра не наблюдалось в сагиттальной плоскости. По сравнению с ИК, пиковые углы лодыжки и колена в лобной плоскости были значительно увеличены на TR. Более большой внутренний угол бедра был найден в TR в отличие от ИК. Тем не менее, TR представил меньший угол пик в похищении тазобедренного сустава, лодыжки интерротации, и коленной интерротации, чем ИК (Рисунок 2).
В сагиттальной плоскости, РОМ лодыжки и колена были значительно увеличены в ИК по сравнению с TR. В фронтальной плоскости, хип ROM был значительно уменьшен в TR по сравнению с ИК, в то время как диски лодыжки и колена был увеличен в TR, чем ИК. В поперечной плоскости, колено ПЗУ было установлено, что значительно ниже в TR по сравнению с ИК работает, но никаких различий не было найдено в ROMы лодыжки и бедра (Рисунок 3).
Были также оценены изменения в пиковой угловой скорости между ИК и TR. В сагиттальной плоскости не было существенной разницы в пиковой угловой скорости тазобедренного и коленного суставов на протяжении всего эксперимента. В TR была отмечена большая пиковая угловая скорость спинного лодыжки. В фазе позиции, меньшая пиковая угловая скорость похищения тазобедренного сустава и скорость похищения колена были выявлены на TR. Пиковая угловая скорость интерротации тазобедренного сустава увеличилась на TR. Существовал никакой существенной разницы в лодыжки eversion, колена и лодыжки скорость интерротации на протяжении всего бега.
Рисунок 2. Угол пика для лодыжки, колена и бедра в сагиттали (A), лобных (B) и поперечных плоскостях (C) в течение одного цикла походки (IR N-10; ТР: НЗ 10). Значительные различия между ИК и TR обозначаются звездочкой. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3. Изменения в объединенном ПЗУ во время цикла походки ИК-vs.TR (средние значения). Статистическая значимость. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
| Пик угловой скорости (deg/s) |
Ик Средний SD |
Tr Средний SD |
p-значение |
| Сгибание тазобедренного сустава | 182,58–38,38 | 130.00-47.80 | 0.075 |
| Сгибание коленей | 221.88-22.90 | 266.00-26.36 | 0.07 |
| Голеностопная спинная сгибание | 326.11-20.49 | 344.85–43.76 | 0.046* |
| Похищение тазобедренного сустава | 256.06-47.31 | 245,54–38,17 | 0.000* |
| Похищение колена | 128.65–17.04 | 96.14–15.50 | 0.041* |
| Элесия лодыжки | 235,43–41,68 | 232.95–11.60 | 0.915 |
| Хип-ин. вращения | 195,92–7,85 | 302.32–29.14 | 0.012* |
| Колено int. вращения | 353.83–66.05 | 355.26–39.74 | 0.912 |
| Вращение лодыжки | 135,01-42,77 | 146.85–23.60 | 0.664 |
Таблица 1. Сравнение колена, бедра и лодыжки пик угловой скорости до и после запуска. Значительные различия между ИК и TR обозначаются звездочкой.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
В этом исследовании сравнивали влияние бега на большие расстояния на биомеханические характеристики нижней конечности у бегунов-любителей. Было установлено, что пиковый угол лодыжки эверсии и похищения колена увеличилось после 5 км работает, что соответствует предыдущему исследованию17. Исследования показали, что чрезмерная скорость эриверсии лодыжки и эверсии являются важными факторами, которые увеличивают риск травм лодыжки18,,19. Это не удивительно, что колено ROM увеличилось на TR 5 км работает, потому что исследования показали, что колено кинематики страдают от междугородной работает15,17.
Аналогичным образом, диапазон угла вращения колена уменьшается в поперечной плоскости. Одна из причин может быть объяснена тем, что бегун не испытывал усталости на TR20. По сравнению с ИК, угол пиковой интерротации тазобедренного сустава был больше в TR. Предыдущие исследования показали, что увеличение угла интерротации тазобедренного сустава может привести к стрессовым переломам голени21. Сообщалось также, что угловая скорость интерротации тазобедренного сустава была связана с мышечной травмой22,,23. В этом исследовании, угловая скорость интерротации тазобедренного сустава была больше на TR. Нестабильность тазобедренного сустава рассматривается как важный механизм для травмы нижних конечностей24.
Результаты, представленные здесь, зависят от многих процедур в ходе эксперимента. Во-первых, необходимо выключить свет и удалить другие возможные светоотражающие объекты. Важно обеспечить, чтобы объем захвата был полностью свободен от объектов, которые могут вызвать нежелательные отражения. Во-вторых, очень важно выбрать нужные параметры в панели Захвата инструментов для захвата пробной версии. В-третьих, перед началом теста беговая дорожка должна быть помещена в центр испытательной зоны. Кроме того, Есть другие потенциальные ограничения в этом исследовании. Только 10 бегунов-любителей были набраны для этого эксперимента. Дальнейшее ограничение этого исследования может касаться бегущего расстояния. Будущие исследования должны быть сосредоточены на влиянии различных расстояний с различными кроссовками на мышечную деятельность и совместные моменты.
Результаты этого исследования показывают, что для ИК и TR может существовать различные уровни риска травматизма в течение 5 км. Бегуны должны организовать бег учебных планов научно, укрепить баланс способностей до и во время тренировки, и выбрать кроссовки с амортизируя функции, чтобы уменьшить риск травмы лодыжки и коленного сустава.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не сообщили о потенциальном конфликте интересов.
Acknowledgments
Это исследование, спонсируемое Национальным фондом естественных наук Китая (81772423), Магна фондом К. К. Вонга в Университете Нинбо и Национальной программой исследований и исследований Китая (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).
