文摘
有限研究下肢关节的生物力学评估与动态运动发生在臀部、膝盖和踝关节背屈时(DF)和plantarflexion (PF)在雄性和雌性。这项研究调查了关节角的差异(包括关节活动度(ROM))和力量(包括时刻)左派和右派之间的肢体在脚踝,膝盖和髋关节在动态DF和PF运动在雄性和雌性。使用一般线性模型采用多变量分析与关节角,罗,力量,和数据集,结果显示性别、主要影响很大的片面性,阶段和脚对关节角位置。弱的生物力学测量变量之间的相关性观察。这些结果为临床医生提供的信息和相关的名下肢运动干预和造型效果的观点。
1。介绍
增强视频便携式系统和黄金标准3 d Vicon运动分析系统(Vicon-UK,明尼苏达州商业公园,西,牛津大学,英国)验证了运动分析系统,可用于评估下肢的运动特征(1]。这些系统可以同时工作,可能与力板和肌系统集成。从解剖学角度来看,符合Vicon®Plug-In-Gait模型(主要是用于生物力学评估关节运动),下肢包括脚,脚踝,膝盖和髋关节。这些关节都扮演了一个重要的角色在人类稳定和运动(2- - - - - -4]。有一个明确的可靠研究需要在以前的和现在的研究集中在不同的脚踝,膝盖和臀部运动学和动力学与直接关联背屈(DF)和plantarflexion (PF)。
脚踝和下肢关节协助的传播力量和负载之间的腿和脚在负重活动导致有效的机动性和灵活性(5]。踝关节功能作为talocrural关节运动控制的两个关节,即远端小腿的胫骨和腓骨和近端脚的岩屑的结束。DF和PF运动表现出的脚踝。距下关节以及关节的其他talar骨头促进反演和翻转动作。从功能的角度来看,dorsiflexor肌肉帮助身体清除脚在摆动阶段以及控制plantarflexion时脚的脚跟罢工。Plantarflexor肌肉必须表现在大量的日常任务,从椅子上爬楼梯,走到上升(6]。步态运动期间,脚必须适应不均匀的表面和吸收冲击前生物力学改变施加力量在后期作为杠杆(7]。这进一步使得肌肉和韧带为总体稳定,因此,这个函数可以帮助治疗的生物力学评价从伤病和通知的任何障碍(5,8]。
运动的正常范围(ROM)的脚踝在DF是10 - 20度(°)和25 - 30°PF期间,导致反演和外翻9]。在健康和体力活动的个人,更大的被动DF罗被认为增加膝关节置换的风险和这些相关的生物力学因素可以进一步损伤如在着陆前交叉韧带损伤(10]。同样,弗拉纳根等人建议踝关节的功能与plantarflexors可以改变25%取决于年龄和性别对扭矩和罗踝关节损伤是最常见的受伤当参与锻炼和运动4)与plantarflexors dorsiflexors可能发挥作用在减少受伤的可能性。脚踝plantarflexors可以大幅改变的风险前交叉韧带和膝位移损伤(10]。相反,dorsiflexors不能承受同样体积的冲击是同行。作为地面反作用力应用于联合增加,臀部,膝盖,和脚踝获得进一步的压力,这将发生在降落高度或关键的情况。
膝盖能够被动地影响DF和PF角度在脚踝跟腱可能损害表面收缩或放松(11]。在这一过程中,膝盖内的股骨髁部适当装满部队转移到胫骨前高原。加载放置在胫骨平台内侧和外侧隔间的依赖于膝盖的结构和内翻和外翻畸形是否存在9]。如果骨关节炎等疾病变得明显,这个过程可以妥协的特定链接改变ankle-subtaler联合的总体机械结构复杂(12]。膝盖也进一步协助通过复杂的本体感觉神经肌肉结构允许稳定和下肢的运动。
髋关节是一名球窝关节运动发生在三维空间中。髋关节有两个韧带前方稳定髋关节韧带(髂股的和pubofemoral)和一个用于稳定后(ischiofemoral)。这允许股骨flex 120至135°(90°时完全扩展)和扩展10至30°(13]。女性一般更有ROM和灵活性与男性相比由于骨骼结构的差异,与生育有关。臀部能够应付日常体育活动等提升楼梯(40 - 70°弯曲需要),坐站所需的弯曲(104°)[14]。阿诺等人表明,臀屈肌不一定直接影响到脚踝的被动运动;然而,它确实促进了膝盖来完成其运动,从而影响踝关节的灵活性(15]。
到目前为止,没有一项研究有效地测量期间下肢踝关节的运动学和动力学DF和脚踝PF以站立的姿势。一个纵向研究也没有完成将在DF和PF条件下随时间的变化。因此,需要进一步深入调查。有明确的需求,以前和目前可靠的研究关注不同的脚踝,膝盖和臀部运动学和动力学与PF和DF直接关联。有研究课题DF和PF在着陆和其他运动;然而,几乎没有信息的动态运动时脚踝站与运动生物力学相关的膝盖和臀部关节。
本研究的目的是调查任何关节角的差异,关节活动度(ROM),力量,和时刻左派和右派之间的肢体在脚踝,膝盖和髋关节在动态DF和PF运动在男性和女性受试者。假设(一)女性会有一个更大的ROM DF和PF相比男性和(b)跟提高任务会产生更高的地面反作用力,提高部队的下肢关节,和更大的时刻在下肢关节相比fore-foot提高任务。
2。方法
2.1。参与者
22健康个体,十二个男性和10个女性, 年龄、身高、体重 年, 厘米, 公斤(男性: 年, 厘米, 公斤;女性: 年, 厘米, 分别公斤),自愿参与这项研究。所有与会者都体力活动和健全的同时不受任何下肢受伤的时候测试。附加信息的参与者关于活动水平和时间之前的活动着手实验数据收集前协议控制。所有的参与者被要求没有从事任何体力活动开始前48小时的实验。所有参与者的右腿占主导地位。这证实了识别腿受试者倾向于踢足球。所有受试者在同一测试相对时间(上午测试)数据污染从昼夜变化的影响降到最低。
伦理批准获得苏格兰西部大学的(伦理批准号2017-0967-844)。每个参与者回顾了信息表,完成了一个医疗健康问卷,并提供书面知情同意。没有义务的个体来完成这项研究,和参与者自由在任何时候撤回。风险评估也完成了实验前测试。
2.2。仪器和实验室配置
八Vicon Bonita运动分析摄像机(英国牛津指标有限,牛津)安装在脚手架提供了视野,允许被捕获的下肢运动分析。Vicon Bonita运动分析系统与一个超giganet框收集下肢运动学数据的速度250 Hz。两个AMTI力板(1.2米)(AMTI,水城,妈,美国)连接到通过超giganet Vicon Bonita运动系统和界面上的盒子。动态数据收集在一个采样率为1000 Hz。数据捕获之前,重置按钮被激活数据收集从两个系统集成到Vicon Nexus软件。
2.3。实验设计
这个试点研究的实验协议要求每个参与者一个访问西方大学生物力学实验室的苏格兰。在实验室测试之前,反射对象被删除或隐藏,防止干扰数据捕获会话。相机位置的视野内的参与者被检查,和任何反射确定蒙面利用Vicon Nexus面具相机软件的功能。Vicon Bonita运动分析系统静态和动态校准之前,每个会话的测试。测试使用Vicon Nexus软件之前,个人参与者的细节,即。、年龄(年)和人体测量,即。,height (cm) and body mass (kg) alongside right and left leg length (mm), right and left knee width (mm), and right and left ankle width (mm), were obtained. Body mass and height were measured using a calibrated scale (Seca 803, England) and stadiometer (Seca 213, England). All other measurements were obtained using a small anthropometer measurement instrument-Lafayette (http://ProHealthcareProducts.com美国利希,UT)和临床卷尺。所有测量估算Vicon Nexus获得软件来定义每个参与者在运行下肢之前静态和动态Plug-In-Gait模型。Plug-In-Gait模型Vicon Nexus传统步态的实现模型。使用直接(nonoptimal)估计,Plug-In-Gait计算和定义了每一部分的位置和姿态基于一组三个跟踪标记。
个人被要求穿深色的衣服,figure-fitting服装和删除鞋在会话期间。技术助理的经验使用Plug-In-Gait标记工具然后把16(14毫米)回射的准确标记在每一个个人的下肢根据Plug-In-Gait标记位置指南。双面胶带是用于确保坚持回射的标记的皮肤和合身的衣服四肢关节和片段。两个左右的四肢上的位置如下:髂前上棘(网络),后上棘(psi),横向midthigh,侧膝盖,横向midtibia,外踝、跟骨和2nd跖骨的头。参见图1可视化表示。
毕业典礼的动态试验之前,一段熟悉的十分钟是允许以确保参与者能够完成动作速度控制。他们只允许五重复每个动作减少的潜在影响和学习影响协议行为学习理论概述。尽管任务的顺序是随机的,标准化测试协议,数量的实验中,实验者,在每个会话和立场保持一致。这之后,每个参与者站在AMTI力板,确保脚与肩同宽,双手放在臀部。左右脚放置在两个独立的板块。双脚被放置在中心和完全每个力板的边界内。两个静态试验是在这个位置虽然参与者站住,紧随其后的是两套三个动态trials-DF和PF(图2)。第一个动态试验涉及DF运动阶段的完成。这包括三个连续的阶段被扣留了两秒:脚平,fore-foot提高,脚平的。试验结束后两秒的时间限制,一旦第二脚平阶段运行。收购完成后,两个试验进一步的数据收集。第二组的动态试验的模式类似但在PF运动阶段。这包括三个连续的阶段被扣留了两秒:脚平,脚跟提高,脚平的。试验结束后两秒的第二脚平阶段。这是重复两次,以确保三组的数据收集。一旦任务完成后,参与者会走下力板和删除回射的标记和他们的参与是完整的。
2.4。统计分析
统计分析软件Jamovi(0.9.5.12版)被用来确定描述性和推论统计。运动(关节角和ROM)从Vicon Nexus 2.8.1发布数据手动转移到Microsoft Excel 2019 16.23版(美国微软公司,微软,华盛顿)。常态分布是决定使用Shapiro-Wilk测试。人体测量统计考察性别差异和本位主义。PF ROM和DF ROM计算如下:
罗代表下肢运动范围(范围计算的力量和时间也同样)。加载阶段代表了关节角/力/力矩在初始位置,加足马力卸载阶段代表的关节角/力/力矩fore-foot提高(或脚跟提高)的位置,和重新加载阶段代表了关节角/力/力矩在最后脚平焊位置。
一般线性模型多变量分析是应用于关节角,联合力量,联合的时刻,和罗数据集使用IBM SPSS统计数据对于Windows, 25.0版。、(IBM公司,纽约Armonk)。在主题变量(因变量)关节角位置,联合部队的位置,时刻的位置,和前/后关节角罗( ),内侧/外侧( ),和垂直( )方向在脚踝,膝盖和臀部关节。外部的时刻被报道和力量输出一起从Plug-in-Gait中提取模型。之间的主体因素(自变量)包括性别、本位主义,阶段和脚的位置。皮尔森相关( )建立执行水平的脚位置独立变量之间的交互和关节角位置,联合部队的位置,关节时刻的位置,和关节角度ROM-dependent变量。实现皮尔逊相关性时,值获得不同−1和+ 1之间,1是一个完美的相关性和0表示没有相关性。进一步的解释包括以下: (强烈), (温和的), (公平) (差)16,17]。确定影响大小,部分埃塔方统计( )在多元分析计算。的值0.0099,0.0588,和0.1379被认为是小,介质,分别和大尺度效应(18]。Bonferroni事后测试用于测试多个因变量的对比观测手段对性别、本位主义,阶段和脚的位置。 被认为是显著的。
3所示。结果
腿的长度(毫米),髂前上棘转子距离(毫米),膝盖宽度(毫米),和脚踝宽度(毫米)人体测量显示左右肢体之间没有统计学差异( )男女之间或( )。人体测量方面的性别和本位主义(图中显示3)。罗在脚踝,膝盖和髋关节(表1)一起部队(表的范围2在前后的() ),中侧的( ),和纵向( )轴和合成数据集显示在(表中3)。
DF运动而言,女性的脚踝上罗 - - - - - -和 - - - - - -轴的四肢都与男性相比更高(左女: , ;离开男: , ;正确的女性: , ;正确的男性: , )。女性表现出减少罗与男性相比 - - - - - -和 - - - - - -膝关节的轴(左女: , ;离开男: , ;正确的女性: , ;正确的男性: , )和 - - - - - -轴的髋关节四肢(左女: ;离开男: ;正确的女性: ;正确的男性: )。
类似于DF试验,雌性产生更高的罗在脚踝和组件的左和右的四肢在PF(左女: , ;离开男: , ;正确的女性: , ;正确的男性: , )。女性显示增加罗相比,男性的 - - - - - -对膝关节轴(左女: ;离开男: ;正确的女性: ;正确的男性: )和 - - - - - -轴的髋关节四肢(左女: ;离开男: ;正确的女性: ;正确的男性: )。条形图显示为男性和女性的差异对DF的片面性和PF是如图4和5,分别。
关节角的多变量分析结果表明,性别有显著主效应( , , ,大),本位主义( , , ,介质)、阶段( , , ,大),脚位置( , , ,大)。也有显著的性别和本位主义的主要影响交互( , , ,中),以及阶段和脚位置交互( , , ,大)。没有观察到显著差异之间交互作用的性别和阶段( , , ,介质);性别和脚位置( , , ,小);本位主义和阶段( , , ,小);本位主义和脚位置( , , ,小);性别、本位主义和阶段( , , ,小);性别、本位主义和脚位置( , , ,小);性别、阶段和脚位置( , , ,小);本位主义、阶段和脚位置( , , ,小);和性别、本位主义、阶段和脚位置( , , ,小)。
性别主题之间的效果产生了巨大影响对踝关节的角度方向( , , ,小);髋关节角的方向( , , ,介质);膝关节角的方向( , , ,介质);和膝关节角方向( , , ,介质)。本位主义也产生了一个重大的踝关节角度的影响方向( , ,ηp2= 0.023,小)和髋关节角方向( , , ,小)。显著影响被观察到的关于踝关节角度的阶段方向( , , ,介质)和髋关节角方向( , , ,介质)。脚的位置也产生显著效应对踝关节的角度方向( , , ,大);和髋关节角方向( , , ,介质)。除了性别和本位主义互动(的膝盖方向( , , ,小)和髋关节角方向( , , ,小);和阶段和脚位置交互(踝关节角度的方向( , , ,大)和髋关节角方向( , , ,介质);没有观察到显著影响所有其他交互。
罗的多变量分析结果只对脚的位置产生了显著的影响( , , ,大)。所有其他的主效应和交互作用不显著,即。性( , , ,介质);本位主义( , , ,大);性别和本位主义交互( , , ,小);性和脚位置交互( , , ,大);本位主义和脚位置( , , ,介质);和性别、本位主义和脚位置( , , ,介质)。
没有明显的主客体之间的影响观察性别;性别和交互的片面性;和性别和脚位置相互作用,对因变量( , , ,小)。下面的主客体之间的影响对罗产生显著影响,即:在膝盖的片面性方向( , , ,中),在臀部方向( , , ,介质);本位主义的臀部和脚位置方向( , , ,介质);和性别、本位主义和脚的膝盖位置方向( , , ,小)。除了膝盖的ROM方向( , , ,小)和膝盖的ROM中方向( , , ,小),所有其他相关变量显示显著的主客体之间的影响。
联合部队的多变量分析结果本位主义产生了显著的影响( , , ,大);阶段( , , ,介质);脚位置( , , ,大);和阶段和脚位置交互( , , ,大)。所有其他的主效应和交互作用不显著。
主客体之间的影响没有显著差异观察性别;阶段;性别和交互的片面性;性别和阶段互动;性别和脚位置相互作用;本位主义和阶段交互;性别、本位主义和阶段互动;性别、本位主义和脚位置相互作用;性别、阶段和脚位置相互作用;本位主义、阶段和脚位置相互作用; and gender, sidedness, phase, and foot position; with respect to the dependent variables ( , , ,小)。下面的主客体之间的影响对联合部队产生显著影响,即:在膝盖的片面性方向( , , ,大),在臀部方向( , , ,介质);脚在脚踝的位置方向( , , ,中),在膝盖方向( , , ,小);本位主义的脚踝和脚位置方向( , , ,小);和相位的脚踝和脚的位置交互方向( , , ,小)。
关节力矩的多变量分析结果只有性别产生了显著的影响( , , ,介质);本位主义( , , ,大);阶段( , , ,介质);脚位置( , , ,介质);性别和本位主义交互( , , ,大);和相位和脚位置交互( , , ,介质)。所有其他的主效应和交互作用不显著。
只有脚踝合成罗和力范围在PF产生更大的ROM和DF相比。相反的趋势是脚踝时刻观察范围数据集(见表3)。所有其他合成在膝盖和臀部关节角罗输出产生更大的DF罗PF相比,表中给出3也是膝盖和臀部的合力和力矩范围测量对性别。关节角,力量,瞬间产生了类似的趋势在皮尔森相关测量。脚位置和关节角之间的关系,联合部队,范围从联合moment-dependent变量 (公平) (公平)。同样,脚的位置和范围从罗依赖变量 (强烈) (可怜)。
4所示。讨论
这项研究调查了关节角,联合力量,联合的时刻,和罗反应左和右脚踝,膝盖,臀部和下肢关节之间的性别而执行动态DF和PF运动。具体来说,只有在DF踝关节和PF运动产生了显著( )更高的PF罗相比,DF运动。膝盖和臀部关节显示不一致的罗模式的片面性和脚的位置。没有观察到显著( )主要影响和交互罗观察性别、本位主义,他们的结合互动和脚的位置。重大的主要影响为联合部队和关节时刻观察的片面性,阶段,脚的位置,阶段和脚位置交互。
结果表明,没有清晰明确的区别在罗坐标输出的措施。我们的研究结果显示,女性参与者面对更大的DF和PF罗相比,男性。这赞同我们的第一个假设。所有的参与者显示不同的关节角和罗之间的输出测量的四肢。这一发现可能与关节灵活性因为雄性和雌性都表现出关节角变量和罗输出测量。男女都表现出相似的趋势合成踝关节罗在DF和PF的左和右的四肢。左和右髋关节也产生类似的合成罗趋势。虽然膝盖和臀部关节产生类似的合成罗趋势左肢,左和右膝盖产生了不同的趋势。平均而言,脚的位置之间的相关性(DF和PF)和下肢关节角和罗输出弱,即。,可怜的公平。
我们共同运动和罗分析显示结果,预期结果不同。如表所示1- - - - - -3没有明显差别,表明女性比男性的平均罗更大;因此,我们的研究结果并不完全同意与有限的文献[19,20.]。这可能是由于运动参与者所展现出来的策略,可能潜意识里受到了他们的影响动态特性和/或职业任务在某些方面不同。罗需要每天在踝关节减少低于潜力;步行需要30°,爬楼梯37°是提升56°下降(21]。类似于Roaas和安德森,罗 - - - - - -轴的脚踝左右PF的肢体在雄性和雌性高于DF;然而,他们不会互相明显不同于统计(22]。所有参与者的平均罗在当前的研究中属于前面列出的ROM分组研究(DF 5到40°;PF 10至55°),这表明年龄在19岁,40年plantarflexors和dorsiflexors留在类似的功能。然而,必须指出的是,趾屈肌力量在脚站立和行走中发挥着关键作用,因此是独立的贡献者未来的发病率下降。PF试验中的性能可能受到衰减在趾屈肌的力量,随着时间的推移持续下降(23]。左右腿膝关节,髋关节力量和时间产生类似的趋势。在性别方面,女性参与者的动力输出不同意我们的第二个假设;然而,有部分协议膝关节力量和时间对男性参与者。
女性表现出更高的DF比PF测量左侧肢体膝关节的时刻,左肢髋关节力量,和左肢髋关节的时刻。类似的趋势是正确的观察肢体膝盖和髋关节力量和共同的时刻。雄性表现出类似的趋势;然而,差异观察膝关节力量和左右肢体关节瞬间产生较低的DF输出相比PF测量。有多种可能性为什么下肢DF和PF ROM,部队,时刻可能会减少。其中包括,但不限于年龄、性别、受伤之前,退化性疾病和固定。例如,创伤性脑损伤和骨折都是,除了别人,以减少合规的小腿肌肉,因此抑制完整的灵活性(24]。地理和文化生活条件也决定因素可影响罗(21]。
机械应力作用在身体和生理适应性的组织还应该考虑随着时间的分析结果,因为这之前可以随着年龄的增长而明显10]。虽然年龄不是本研究的焦点,有人建议一个混杂因素在个体的ROM和一个潜在的主要差异的原因25]。Wojcik等人确认一个年轻人的意识形态较大罗与老年人相比,他们更能利用可用的灵活性(26]。也认为,50岁,肌肉力量开始恶化,可以进步变成电动机控制在60多年的反应速度和动作也恶化27]。个人,特别是老年人,也可以考虑加强dorsiflexors plantarflexors保持稳定,权力,和力量所必需的物理功能降低线性随着年龄(10,28]。同样,5年及以下儿童采取了降低髋关节和膝关节运动相比,中年的人由于无法完成完整的扩展(25]。这是与老年人的机动性和灵活性下降。
性别差异可能出现由于肌肉反复使用的招聘;例如,在秋天,女性被认为是能够稳定/恢复更快使用ROM和灵活性比男性(26]。在这项研究中有一些局限性,需要考虑。首先,参与者招募年龄在19岁到30岁之间,这意味着结果不代表整个人口。其次,由于有限的研究在这一领域,比较结果的脚踝,膝盖和髋关节无法证实或详细讨论。因此,在未来的研究中,一个更大的样本容量需要招募。
Ugbolue等人先前的研究的设计、开发和验证一个新的方法论的方法来评估脚跟垫刚度和在四肢软组织变形之间的男性和女性在脚踝动态卸载和装载活动(29日]。补充Ugbolue等人的作品(29日- - - - - -32),这项研究提供了一个有用的生物力学数据库能获得潜在的模型信息。这将帮助计算机仿真设计提供进一步的理解和见解的敏感性,治疗计划,预测治疗的结果,和其他医药相关的机会值得关注。一般来说,力和力矩结果表中给出3看起来小,可以表明DF和PF的锻炼可能低影响的力量对膝盖和臀部关节。为了预测治疗结果,脚踝DF和PF可能是一个有用的康复锻炼,可能会进一步减少伤害的风险膝盖和臀部患者在这些特定领域从伤病中恢复。这个研究项目重要的是有助于生物力学上的文学和科学实验探索的下肢运动学和动力学响应脚踝DF和PF。此外,生物力学数据集来自DF和PF运动已经获得一个健康的人口。需要获得的数据相比,患者群体做进一步调查提供的运动学和动力学参数的临床实用性。最后,本研究的结果为临床医生提供的信息和相关的名下肢运动干预和造型效果的观点。
数据可用性
生物力学数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。
信息披露
本文中表达的观点和意见的作者和不一定反映的资助者。
的利益冲突
没有利益冲突。
确认
作者要感谢艾玛·耶茨小姐和所有的参与者参与了这项研究。这个项目是作为研究的一部分,颁发医学研究苏格兰拨款(真空吸尘器- 1085 - 2017)。我们也感谢提供的援助和支持爱丁堡皇家学会和中国国家自然科学基金(RSE-NSFC)联合项目(8181101592)资助这个项目。