Summary
Denna studie undersökte de biomekaniska egenskaperna hos de nedre extremiteterna kinematiska variabler mellan den inledande och terminal fasen av 5 km löpband igång. De kinematiska uppgifterna i nedre extremiteterna för 10 löpare samlades in med hjälp av ett tredimensionellt rörelseavskiljningssystem på ett löpband i inledningsfasen (0,5 km) respektive terminalfasen (5 km).
Abstract
Löpning är fördelaktigt för fysisk hälsa, men det åtföljs också av många skador. De viktigaste faktorerna som leder till att skadan löper är dock fortfarande oförklarliga. I denna studie undersöktes effekterna av långa sträckor på kinematiska variabler i nedre extremiteterna och den kinematiska skillnaden i nedre extremiteterna mellan den ursprungliga (IR) och terminalfasen (TR) på 5 km i drift jämfördes. Tio amatör löpare sprang på ett löpband med en hastighet av 10 km / t. Dynamiska kinematiska data samlades in i fasen av IR (0,5 km) och TR (5 km), respektive. Toppvinkeln, topp vinkelhastigheter och rörelseomfång registrerades i detta experiment. De viktigaste resultaten visade följande: fotled eversion och knä bortförande ökade vid TR; Rom av fotled och knä ökades i främre planet vid TR än IR; en större topp vinkelhastighet av fotled dorsiflexion och hip interrotation hittades i TR jämfört med IR. Dessa förändringar under långdistanslöpningen kan ge några specifika detaljer för att undersöka potentiella orsaker till att köra skador.
Introduction
Löpning är den mest populära sporten runt om i världen. Det finns ett stort antal individer som kör och detta antal ökar avsevärt varje år1. Det har föreslagits att deltagande i regelbunden motion inklusive löpning kan främja hälsa, minska risken för hjärt-kärlsjukdomar och därmed förbättra den förväntade livslängden2,3,4. Trots de betydande hälsofördelarna med att köra, har förekomsten av körskador ökat från 25% till 83% under åren5,6. Det finns vissa risker i samband med löpning, särskilt till de nedre extremiteterna, som huvudsakligen är inriktade på muskuloskeletala skador7. Majoriteten av vanliga kör-relaterade skador är relaterade till patellofemoral smärta, fotled vrickning, tibial stress frakturer, och plantar fasciit8. Körskador kan orsakas av många faktorer, såsom felaktiga fot slående mönster, felaktig sko val, och andra enskilda biomekaniska faktorer9. Till exempel, kör med en häl-strike mönster kan leda till större pronation, och åtföljs av större plantar tryck på den mediala sidan av foten, vilket kan leda till en högre risk för achilles tendinopati och patellofemoral smärta10. Dessutom har löpning med en större knä inre rotation tidigare rapporterats vara associerade med iliotibial bandet syndrom för kvinnliga löpare11, särskilt när du kör långa sträckor.
Parametrar för kinetik, kinematik och tid-rymdkomponenter kan ge en exakt analys av gångbiomekanik och anses för närvarande vara en viktig parameter för klinisk gånganalys12. Lägre vertikala markreaktionskrafter och större slagaccelerationer kodas om efter långdistanslöpning13,14. Högre höftutflykt och mindre knäböjningar har också hittats tillsammans med trötta muskler15, och den ökade stegfrekvensen kan resultera i minskade steglängder13,16.
Förändringar i biomekaniska funktioner i nedre extremiteterna vid fasen av inledande och terminal igång har dock inte analyserats fullt ut, eftersom de flesta studier mätt biomekanisk variation efter körning. Dessutom, endast ett fåtal studier använder standard laboratorieteknik för att bedöma effekterna av långväga körs på gång biomekaniska förändringar i amatör löpare. De viktigaste faktorerna som leder till att han kört skador är fortfarande oklara. Därför, för att avslöja de underliggande orsakerna till nedre extremitetsskador orsakade av långdistanslöpning, syftar denna studie till att jämföra de biomekaniska förändringarna i den nedre änden mellan IR- och TR-faserna i löpbandet 5 km löpning i amatörlöpare.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Skriftligt informerat samtycke erhölls från ämnen och testförfarandena godkändes av universitetets etikkommitté. Alla deltagare informerades om kraven och processen för rättegången.
1. Laboratorieberedning
- Under kalibreringen, stäng av lamporna och ta bort andra eventuellt reflekterande objekt. Se till att åtta kameror är korrekt placerade och har fri sikt utan eftertanke.
- Öppna Programmet Vicon Nexus 1.8.5 och initiera sedan kamerorna. Välj system | Lokalt system | MX-kameror i fönstret Resurser och kamerorna kommer att aktiveras.
I fönstret Egenskaper måste parametrarna justeras. Intervallet med värden för strobe-intensiteten justeras till 0,95-1 och tröskelvärdets värdeintervall är inställt på 0,2-0,4. Ställ in gråskaleläget på Auto. Minsta cirkuläritetsförhållande är inställt på 0,5 och Förstärkning till gånger 1 (x1), maxblobhöjden till 50 och välj Aktivera lysdioder. - Placera T-ramen i mitten av inspelningsområdet, markera alla kameror i systemet och använd 2D-läge. Kontrollera att T-ramen finns i kameravyn utan några störningspunkter. Markera det första objektet Systemförberedelser i verktygsfältet. Markera kalibreringsobjektet 5 Marker Wand & T-Frame i listrutan T-Frame.
- Klicka på knappen Starta under avsnittet Maskkameror i fönstret Systemförberedelseverktyg. Klicka sedan på Start-knappen under Kalibrera MX-kameraavsnittet. Calibrate MX
OBS: När kalibreringsprocessen är klar återställs förloppsindikatorn till 0 %. - Placera T-ramen i mitten av kameran för att fastställa koordinaternas ursprung.
- Klicka på Start-knappen under avsnittet Ange volymursprung i fönstret Verktyg.
- Sätt löpbandet i mitten av testzonen. De åtta kamerorna visas runt löpbandet (figur 1).
- Fäst totalt 22 reflexmarkörer (diameter: 14 mm) med dubbelsidig tejp på försökspersonerna i förväg.
Bild 1: Layout på testplatsen. Kameror fånga nedre delen rörelse medan försökspersonerna körs på löpbandet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
2.
- Före testet, intervjua försökspersoner i laboratoriet och ge en enkel förklaring av de experimentella förfarandena. Sedan, låt deltagarna fylla i en enkät. Sammanfatta resultaten av dessa enkäter.
- Använd följande frågor:
- Hur ofta springer du på en vecka?
- Hur många år har du sprungit för?
- Har du drabbats av några skador i nedre extremiteten eller fått operationer i nedre extremiteten under de senaste sex månaderna?
- Hur många kilometer springer du per vecka?
- Använd följande frågor:
- Använd följande inkluderingskriterier: alla deltagare var dominerande på höger ben och utan några skador i nedre extremiteten under de föregående sex månaderna före studien. Alla deltagare sprang minst 15 km per vecka.
OBS: Tio friska kvinnliga löpare (åldrar: 23,4±1,3 år; höjd: 160,7±3,8 cm; massa: 50,3±2,3 kg; kört år: 3,2±1,2 år) valdes ut.- Inhämta skriftligt informerat samtycke från deltagare som uppfyller inkluderingskriterierna.
- Kräv att deltagarna bär uniform strumpbyxor och byxor.
- Registrera försökspersonernas längd (mm), vikt (kg), längd i nedre extremiteterna (mm), knäbredd (mm) och ankelbredd (mm) för statistikmodellen.
- Placera 16 reflekterande markörer på ämnen på följande platser: främre överlägsen höftbensbenägen ryggrad, bakre överlägsen iliaca ryggrad, laterala mitten av låret, laterala knä, laterala mitten av skaft, laterala malleolus, andra mellanfot huvud och calcaneus. Placera markörer på den andra mellanfot huvud och calcaneus på motsvarande anatomiska punkter av strumpor och skor.
- Instruera deltagarna att bära enhetliga sports löparskor. Låt deltagarna värma upp med ljus löpning och stretching i 5 min.
3. Statisk kalibrering
- Klicka på knappen Datahantering i verktygsfältet och välj Datahantering. Klicka på fliken Ny databas i verktygsfältet, välj plats,beskriv utvärderingsnamnet och den kliniska mallenoch klicka på knappen Skapa.
- I fönstret Öppna databas väljer du namnet på den databas som skapades. I det öppna gränssnittet klickar du på den gröna knappen Ny patientklassificering, den gula knappen Ny patient och den grå knappen Ny session för att skapa experimentell information, inklusive ämnestyp, ämnesnamn och annan åtgärdsstatus.
- Gå tillbaka till Nexus-fönstret, i det vänstra verktygsfältet, klicka på Ämnen för att skapa en ny ämnesdatauppsättning och välj utvärderingsmodellen. I fönstret Egenskaperfyller du i alla antropometriska mätningar: höjd (mm), vikt (kg), längd i nedre extremiteten (mm), knäbredd (mm) och ankelbredd (mm).
- Klicka på knappen Gå live, välj Spillt vågrätt och välj diagrammet för att kontrollera antalet banor.
Se till att alla markörer är synliga i 3D-perspektivvyn. Detta indikerar att alla markörer kan fångas in för analys. - Förbered dig på att fånga den statiska modellen. Klicka på Start-knappen i avsnittet Ämneshämtning i fönstret Insamling av inhämtning i fönstret Insamling av inhämtning.
OBS: Under hela datainsamlingsprocessen bör försökspersonerna förbli stillastående i fångstområdet för att samla in 140-200 bildrutor. Klicka sedan på stoppknappen. - Visa infångningsmarkeringsmärkena i perspektivfönstret. Klicka på knappen Pipeline i verktygsfönstret och välj Köra rekonstruera pipeline för att skapa en 3D-bild av de tagna markörer. Märk sedan den statiska modellen manuellt. När identifieringen är klar sparar du och trycker på ESC för att avsluta.
- Välj ämnesförberedelse och ämneskalibrering i verktygsfältet. Välj alternativet Statisk plugin-program i listrutan. I fönstret Statiska inställningar väljer du den vänstra foten och höger fot, klickar på startknappen och sparar den statiska modellen.
4. Dynamiska prövningar
- När du har samlat in statiska data väljer du Fånga i det högra verktygsfältet. Välj Provtyp och Session uppifrån och ned och fyll i utvärderingsbeskrivningen.
- Be deltagarna att köra på löpbandet på följande sätt.
- Värm upp genom att gå i 8 km/h i 1 min.
- Be deltagaren att köra på löpbandet med en hastighet av 10 km/h. Efter en anpassningsperiod på 4 minuter med denna hastighet registrerar du kördata för 40 s. Samla in kinematiska data på ett avstånd av 0,5 km respektive 5 km.
- Be försökspersonerna att bära en pulsmätare för att registrera pulsen och övervaka försökspersonernas utmattningsstatus när de är igång.
- Klicka på Start-knappen i fönstret Verktygshämtning. När du har samlat in de dynamiska testerna klickar du på Stoppa för att avsluta samlingen.
5. Efterbehandling
- Öppna fönstret Datahantering och dubbelklicka på utvärderingsnamnet. Klicka på knappen Rekonstruera pipeline och etiketter i verktygsfältet för att rekonstruera markeringspunktspositionen.
- I fönstret Perspektiv flyttar du de blå trianglarna i tidsfältet för att ställa in önskat tidsintervall.
- Flytta visningen av tidslinjen så att den bara visar det markerade området, klicka på tidsfältet och klicka på Zooma till Region-of-Interest.
- Nu väljer du knappen Etikett för att identifiera och kontrollera etikettpunkterna, med samma steg som den statiska identifieringsprocessen. Om det behövs, komplettera några ofullständiga identifieringspunkter. Ta bort de omärkta markeringarna.
- I fönstret Ämneskalibrering väljer du den dynamiska plugin-fönstret För att komma i kontakt med den. Klicka på Start-knappen för att köra data. Exportera motoriska försök i c3d-format för efterbearbetning.
6. Dataanalys
- Bearbeta kinematikdata. Applicera ett fjärde ordningens lågpass Butterworth-filter med en avskurna frekvens på 10 Hz (kinematik) innan du exporterar de gemensamma vinkeldata. Exportera data från ledvinkeln.
- Beräkna rörelseomfång (ROM), toppvinkel och topp vinkelhastighet i nedre extremiteterna lederna (höft, knä och fotled) i tre plan (sagittal, frontal, och tvärgående) under en hållning fas.
7. Statistisk analys
- Använd t-test med parprov för att jämföra kinematik i nedre extremiteterna (toppvinklar, ROM, topp vinkelhastighet) mellan den ursprungliga (IR) och terminalfasen (TR) på 5 km löpning.
- Beräkna medelvärden och standardavvikelser för de fem giltiga försöken från varje ämne för olika löpavstånd. Ställ in signifikansnivån till p < 0,05.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Resultaten visade att inga skillnader i topp vinkel fotled och höft observerades i sagittal planet. Jämfört med IR, topp vinklar av fotleden och knäet i frontalplanet ökade betydligt vid TR. En större inre höft vinkel hittades i TR som kontrasterade till IR. TR presenterade dock en mindre toppvinkel i höftbortförande, fotledsinterrotation och knäinterrotation än IR (figur 2).
I sagittal planet, ROM av fotleden och knäet ökade betydligt i IR jämfört med TR. I frontalplanet minskade höft-ROM signifikant i TR jämfört med IR, medan fotmanska och knäets rom ökades i TR än IR. I tvärgående planet, knä ROM befanns vara betydligt lägre i TR jämfört med IR igång, men inga skillnader hittades i ROM i fotleden och höften (Figur 3).
Förändringar i topp vinkel hastighet mellan IR och TR bedömdes också. I sagittal planet fanns det ingen signifikant skillnad i topp vinkelhastigheten i höft- och knälederna under hela experimentet. En större topp vinkelhastighet av fotled dorsiflexion noterades i TR. I hållningen fasen, den mindre topp vinkelhastigheten av hip bortförande och knä bortförande hastighet avslöjades vid TR. Den högsta vinkelhastigheten för höftinterrotation ökade vid TR. det fanns ingen signifikant skillnad i fotled eversion, knä och fotled interrotation hastighet under hela kör.
Figur 2. Toppvinkel för fotled, knä och höft i sagittal (A), frontal(B) och tvärgående plan(C) under en gångcykel (IR N=10; TR: N=10). Betydande skillnader mellan IR och TR betecknas med en asterisk (*). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Förändringar i joint ROM under gångcykeln IR- vs.TR (medelvärden). * Statistisk signifikans. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Topp vinkelhastighet (deg/s) |
IR (IR) Medelvärde±SD |
Tr Medelvärde±SD |
p-värde |
| Höft böjning | 182,58±38,38 | 130,00±47,80 | 0.075 |
| Knä böjning | 221,88±22,90 | 266,00±26,36 | 0.07 |
| Fotled dorsiflexion | 326,11±20,49 | 344,85±43,76 | 0.046* |
| Hip bortförande | 256,06±47,31 | 245,54±38,17 | 0.000* |
| Knä bortförande | 128,65±17,04 | 96,14±15,50 | 0.041* |
| Fotled Eversion | 235,43±41,68 | 232,95±11,60 | 0.915 |
| Hip int. rotation | 195,92±7,85 | 302,32±29,14 | 0.012* |
| Knä int. rotation | 353,83±66,05 | 355,26±39,74 | 0.912 |
| Fotled int. rotation | 135,01±42,77 | 146,85±23,60 | 0.664 |
Tabell 1. Jämförelser av knä, höft och fotled topp kantiga hastighet före och efter körning. Betydande skillnader mellan IR och TR betecknas med en asterisk (*).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denna studie jämförde effekten av långdistanslöpning på de biomekaniska egenskaperna hos den nedre änden hos amatörlöpare. Det konstaterades att toppvinkeln för fotled eversion och knä bortförande ökade efter 5 km löpning, vilket är förenligt med en tidigare studie17. Studier har visat att överdriven fotled eversion och eversion hastighet är viktiga faktorer som ökar risken för fotled skador18,19. Det är inte förvånande att knäskivan ökade vid TR på 5 km i rad eftersom studier har visat att knäkinematik påverkas av långdistanslöpning15,17.
På samma sätt reduceras knärotationsvinkelområdet i tvärplanet. En av anledningarna kan förklaras eftersom löparen inte upplever trötthet på TR20. Jämfört med IR var höftinterrotationens toppvinkel större i TR. Tidigare studier visade att en ökad vinkel på höftinterrotation kan leda till stressfrakturer i skenbenet21. Det rapporterades också att höft interrotation vinkelhastighet var associerad med muskelskada22,23. I denna studie var vinkelhastigheten hos höftinterrotationen större vid TR. Höft instabilitet anses vara en viktig mekanism för skada i nedre extremiteterna24.
De resultat som presenteras här är beroende av många förfaranden under experimentet. För det första måste lamporna släckas och andra möjliga reflekterande föremål måste avlägsnas. Det är viktigt att se till att fånga volymen är helt fri från objekt som kan orsaka oönskade reflektioner. För det andra är det viktigt att välja önskade parametrar i fönstret Verktygstagning för att fånga en utvärderingsversion. För det tredje, innan testet påbörjas måste löpbandet placeras i mitten av provningszonen. Det finns också andra potentiella begränsningar i denna studie. Endast 10 amatör löpare rekryterades för detta experiment. En ytterligare begränsning av denna studie kan relatera till löpsträckan. Framtida studier bör fokusera på effekten av olika avstånd med olika löparskor på muskelaktiviteter och gemensamma stunder.
Resultaten av denna studie visar att olika nivåer av skaderisk kan finnas för IR och TR på 5 km i drift. Löpare bör ordna löpande utbildningsplaner vetenskapligt, stärka balans förmågor före och under träning, och välja löparskor med dämpning funktioner för att minska skaderisken för fotled och knäled.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Ingen potentiell intressekonflikt rapporterades av författarna.
Acknowledgments
Denna studie sponsrad av National Natural Science Foundation of China (81772423), K. C. Wong Magna Fund i Ningbo University och 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).
