外部附加载荷的影响在肌肉活动和地面反作用力在步态

文摘

不对称的外部荷载作用于肌肉骨骼系统通常被认为是不健康的。尽管这些知识,携带负载以不对称的方式进行一个肩膀,用一只手,或带整个躯干是一种常见的做法。本研究旨在展示提到负荷的影响肌肉活动的方法评估通过温度场和地面部队的反应。红外温度记录和pedobarographic力平台(地面反作用力/压力测量)被用于这项研究。实验结果指出增加load-dependent温度分布的不对称选择领域的躯干和外部加载在地面反作用力的影响。结果指出,戴着不对称负载应该避免和显示哪种类型的少携带外部负载可能是最有害的。

1。介绍

在人体中,可能存在生理上的不对称在肌肉骨骼系统规范的水平,我们假设仍在范围或已经病态。他们可以被理解为错误的姿势(如脊柱侧凸和不同的腿长度)或与动力学运动(当谈到不对称gait-different步骤长度或地面反作用力)。一般来说,几乎所有的不对称在肌肉骨骼系统被视为一个缺陷。人们必须知道问题可以增加了加载与不对称的身体,外部加载。这可以有短期或长期的负面影响姿势的正确性和/或静态和动态稳定性。它可能导致受伤或肌肉或关节退化。结果可以关节的运动学和动力学不平衡和身体肌肉骨骼系统的部分或组件,要么主动和被动组织,导致受伤(1]。健康的人类的肌肉系统进行对称外部加载应该产生相对对称的地面反作用力(平)在正常步态。这意味着在非病理性情况下,地上左和右下肢反应部队应该是相似的。缺乏天然气采收率对称两下肢可以与神经肌肉失衡或一些问题和/或肌肉骨骼系统(如关节退行性变,伤害2),或不对称的身体负荷(3由外部因素引起)。此外,肌肉活动应该对称在对称荷载的情况下。相反,不对称加载导致不对称的肌肉活动弥补不对称的影响(4]。

肌肉收缩导致血流增加激活肌肉提供所有必要的营养和氧气,以及清除代谢产物(5,6)和肌肉降温。肌肉主要是产生的能量耗散热量的形式(70%7),是由其机械效率相对较低。在热调节过程中,是皮肤的一个重要元素。它起着重要的作用,由于血管收缩,出汗、发抖(8,9),人体可以调节身体的温度外壳和核心。通过观察皮肤温度,最不活跃表面骨骼肌可以选择。一些作品指出,使用红外技术(红外热成像),肌肉活动的水平运动,在日常活动可以估计10,11]。要做到这一点,主要是红外摄像头是最常见的选择(12- - - - - -16]。可以评估肌肉活动甚至在低水平的活动(17]。在文献中,我们可以发现温差小于1°C也认为,当实验进行受控条件下,热结果被视为科学意义(15,18]。热成像技术也证明了其可用性检测不对称的肌肉活动。在工作19),额外的负载选择步态参数的影响和肌肉活动是用热成像和光电系统的意义。

在与另一个流行的method-surface肌电图(表),它允许确定肌肉活动的水平通过电信号的意义(20.,21),红外热成像是一种非接触技术,允许观察整个身体,而不是肌肉先天的。

记录地面的反作用力(平)被广泛用于检查一个正常和病理步态(22- - - - - -24]。

不同类型的额外的外部加载的影响在许多研究肌肉活动已经确定。负载大小不一的曲棍球包的形式(25)或一个背包穿在不同位置26- - - - - -29日)检查。携带额外的负载的影响在一个或两只手在范围从5到30公斤肌肉激活了在工作30.]。在所有上述文件,肌肉活动评估表。

一袋目前携带负载的一种常见方法。人们让他们,或者挂带,放在肩膀上的支持,或者把皮带在他们的躯干。背着背包一肩年轻一代中也很流行31日]。这四种方法检查了携带额外的负载。

本研究的目的是确定不同类型的外部加载不对称的肌肉骨骼之间的关系(在单肩背包,包在一方面,包在一个肩膀,整个躯干和包带,与一个额外的线性分布载荷规范化体重的5%,10%,和15%)和不对称的躯干的肌肉活动评估通过使用热字段选择地区(斜方肌,背阔肌,obliquus腹)。不对称的外部负载的影响人类的姿势,可以视为一个初步研究,局限于年轻男性志愿者。额外的加载被视为外部扰动。根据(32),重要的是获得更广泛的知识领域的肌肉协调在日常生活中,特别是在肌肉骨骼系统进行不同类型的扰动。

2。材料和方法

红外温度记录被用来评估躯干肌肉活动。肌肉为分析是正确的,选择离开背阔肌,左和右斜方肌,左和右obliquus腹。他们被选为最大的和最重要的肌肉参与保持正确的姿势。一个InfReC R300SR-S热感摄像机(电气株式会社、日本FPA-type传感器、光谱范围8 10−−14·6 m和0.08 K)经济技术开发区是使用。补充数据从pedobarographic力平台获得额外1.5米长,6米人行道(Footscan RSscan国际12288传感器 矩阵,频率200赫兹)。此外,电动跑步机(纽约健身)被用于这项研究。

实验是在监测完成条件,根据协议(详细描述17]。所有对象具有高反射率或温度从周围被移除。实验室环境温度可以选择的志愿者在实验之前的21°C-24°C。湿度的范围在30% - -45% RH(取决于外部条件)。没有使用增湿器、干手器。两个参数监测在每个实验中,存储,用于进一步分析。在实验室空气流动是最小化。每个参与者都有20分钟的热适应。皮肤辐射率设置为0.98。在每种情况下,皮肤没有纹身,炎症,或其他类型的皮肤血管的问题。 To improve the reliability of the experiments, it was decided to ask volunteers to fulfil all additional restrictions described in [17]。协议中详细提出了补充材料表S1和S2。志愿者的入选标准如下:男,20-27岁,和身体核心温度低于37°C。排除标准如下:诊断神经系统问题,心血管药物治疗,腿的长度差异大于0.5厘米,不遵守的制备规则热成像检查,皮肤炎症,可见“热点”在红外人体,或未能通过限制伯格测试。

9名健康男性大学生自愿在这个实验中。都没有任何伤害,neuromusculoskeletal紊乱,可见不对称/错误的姿势。检查脊柱侧凸,亚当斯使用策略。他们的年龄范围 ;高度, ;体重, ;身体质量指数, 。所有参与者声明为右手,右腿占主导地位。在所有试验志愿者指示赤脚走路。实验是根据赫尔辛基监管组织的,和所有参与者被告知详细对其目的,范围,和程序,签署了书面同意,接受当地伦理委员会(研究伦理委员会的格但斯克大学人类参与技术)。

每个参与者随机携带额外的负载分配在四个不同的方面之一,如图1,即,respectively: (a) backpack on one shoulder (backpack), (2) bag in one hand (bag one hand), (3) bag on one shoulder (bag shoulder), and (4) bag with the strap across the torso (bag across), with an additional linear distributed load normalized to their body weight of 5%, 10%, and 15% (as in work [3),以及执行控制步态没有额外的负载来确定每个负载的影响。

每个参与者的实验过程是相同的,如下:首先,志愿者被要求把衣服从上半身和适应20分钟来获得稳定的皮肤温度。接下来,初始上身热分析图(拍摄前和后一边的躯干)热感摄像机定位3 m远离主题在三脚架上。然后,志愿者被要求在pedobarographic行走力平台相同的负载和类型的为热成像。接下来,主要任务开始(在30年代)与步态在电动跑步机1公里距离与速度等于4公里/小时。这个被选为平均速度,舒适的速度对于大多数志愿者预审后,也就是0.5公里/小时的速度要比在跑步机上舒适的速度中提到(17)由于自然倾向于走慢携带负载(4]。第二个热后被步态序列(也在30年代;这个时候需要从镜头前的跑步机)。第三个热影像拍摄5分钟后第二个因汗液在皮肤上的存在后,活动(特别是地方包带接触皮肤)。值得注意的是,由于温度调节,尤其是出汗,皮肤上的冷却效果(33),它是决定检查温度分布的不对称性,这种不对称性的变化作为指标的不均匀加载的左和右肌肉部分(区别: )。

每个序列所提到的措施(一种携带着负载级别)每人花了大约45分钟。下一个重量/负载类型组合是不同的一天每组在另一个的影响最小化。

热成像结果分析专用软件InfReC分析仪NS9500标准。对于每一个志愿者,左边和右边的区域斜方肌,背阔肌,obliquus腹标志如图2(一个)。此外,整个躯干皮肤平均温度测量前(第二热法)和5分钟后步态(第三热法),分别为腹侧和背身体的一部分。结果显示平均温度的变化计算之间的平均气温差右边和左边肌肉,之前和之后的每一个实验(第一和第二热法)。

结果pedobarographic力平台也分析专用软件,之后出口进行进一步的计算。志愿者5口岸pedobarographic执行力的平台。进一步分析,自动计算的平均结果5口岸。走在pedobarographic力平台进行完第一热成像相同的重量/负载类型的组合。三个地面反应部队被认为是(见图2 (b)):最大重量(WA)接受力,力姿势(MS)(局部最小值)和最大力量推出步态相位(PO)。

使用Shapiro-Wilk测试,正常数据分布的验证。为常规分布式组设置线性关系,皮尔森相关系数通过考虑统计显著性阈值定义的 。定义为非正态的分布组线性关系,斯皮尔曼相关系数被假设统计显著性阈值 。

三个测量肌肉组织温度之间的线性回归是指差异(左-右)和三个测量地面反作用力(WA, MS和PO)。进行了统计计算通过使用StatSoft Statistica 13.1包。试图分类相关的强度的关系,我们采用以下范围,因为在34]: ——可怜, 公平的, 中度, -非常强, 完美的。

3所示。结果

3.1。热成像

热测量结果评估作为所有志愿者(平均值和标准差数据3- - - - - -5)。他们应该被视为一种不对称选择肌肉上的温度分布区域(斜方肌-对左/,背阔肌-对左/obliquus腹锻炼后左/右)。在每种情况下,参考电平是热图像做实验之前,适应环境。给出的值是相对的和计算的区别: 。

最初的不对称于0.04 K温度分布不同obliquus腹和0.07 K背阔肌0.11 K斜方肌肌肉。试验达到了最高的差异obliquus腹(图515%负荷进行了肩膀(0.37 K)。为背阔肌(图3观察),最高的不对称负荷的10%,在一方面(0.2 K)袋,包放在一个肩膀略低于5%的负载(0.19 K)。为斜方肌(图4观察)肌肉,最高的不对称的包在一个肩膀身体负荷的10%(增长10%)。

在的情况下背阔肌和obliquus腹与其他外部加载在右边,左边的肌肉在比较温暖的右侧。在的情况下斜方肌肌肉,我们可以观察到相反的现象,这可以解释为肩胛骨和锁骨稳定通过这块肌肉。

3.2。Pedobarographic考试

数据6- - - - - -8提出最大重量的百分比比接受力(WA)(图6),姿势(MS)(图最大力量7),最大力量推出(PO)(图8)平均值与标准差为所有志愿者。“两”是指平均价值的左派和右派的网站。

结果所有类型的负载提出了关于每次nonloaded情况。可以观察到,佤邦的增加,女士,阿宝军队外部加载的是可见的在所有的情况下。佤邦是在最高的包时,用一只手。这个结果可以表明这种类型的的影响进行步态动力学和它的稳定性35]。

值最高的女士获得了袋子进行一个肩膀,和最低的是惊人的包带的一只手。提出假设;它与平衡正面图,但它需要深入调查。阿宝的力量,它不能区分任何主导类型的负载/携带方法产生最高的值;因此,只有毕业从最低到最高价值,依赖外部加载的价值。没有统计上的显著差异之间的大多数情况下左边或右边的腿力记录;类似的结论发表在文献[12]。

3.3。关系的调查

根据执行的测试,它的定义,104/108样品相关的热参数和力参数正态分布。在表1有统计学意义的结果一方(左或右)或双方之间的热参数(斜方肌(左/右)背阔肌(左/右)obliquus腹(左/右)),迫使参数(最大重量(WA)接受力,姿势(女士),最大力量和最大力量推出步态阶段(PO))。为正常的分布式集,皮尔森系数和系数的决心给出了( )。为非正态的分布,并给出了斯皮尔曼系数( )。

4所示。讨论

实验关注的影响是不对称负载的工作躯干肌肉和地面反作用力的差异。特别是,观察温度分布的不对称(数字3- - - - - -5)。差异达到了最高obliquus腹在15%的情况下负载进行了(0.37 K)和肩膀上背阔肌10%负荷的一袋放在一只手(0.2 K),它是略低于上一袋单肩以5%的负载(0.19 K)。为斜方肌肌肉,达成最高的不对称的袋子进行一个肩膀有10%的身体负荷(增加10%)。

基于这些结果,我们可以假设一个COM(重心)翻译和补偿的不对称负载引起脊柱侧屈和导致不对称的平衡躯干肌肉活动。

正如预期的那样,几乎任何不对称负载引起的增加温度分布的不对称,通常,它可以表示,温度更高的不对称负载导致更高的不对称分布。主要的例外是最高负荷的情况下,15%的体重。可以假定附加载荷的质心位置的改变,影响身体的运动学和过度的身体努力导致出汗,这对温度分布的影响。类似的现象被观察到在其他作品(36,37]。

结果显示不对称的肌肉工作造成的不对称活动,迫使生产由一个外部负载不对称引起的。类似的测试过程提出了一个在工作38),但肌肉活动记录的技术是表面肌电图。在提到研究结果指出只在统计上显著的差异斜方肌和安装工spinae但不是在统计上有显著差异背阔肌和obliquus腹活动。

提出了研究结果显示这样的依赖在所有情况下除了水带线包。然而,一个可能试图定义非线性热参数和地面反作用力之间的关系,但这要求测试更大数量的科目。根据实验,本文提出进行39),最大的区别应该是可见的志愿者带着一袋位置低于肩膀的水平。在这项研究中,这不是证明。对大多数志愿者来说,它可能会得出结论,姿势并不完全对称的矢状面显示,这是完全正常的。

额外的COM翻译验证可能被认为是在这里,例如,通过使用动作捕捉或IMU系统(40]。

实验的结果与儿童参与(41]证明了不对称的肌肉活动其中的问题与一个曲线以及脊柱侧凸曲线一个的两倍。在提出研究中,左翼和右翼的肌肉之间的温差任何活动前积极价值和展示了一个不对称的肌肉活动。一般来说,斜方肌肌肉越来越激活右侧增加外部负载。如果负载不是分布式双边,增加肌肉活动的优越的一部分斜方肌的包着。相同的结论被发现在出版38]。在所有检查的情况下额外的负载不均匀地分布,斜方肌更多的是激活带在哪里举行。这可能是由于志愿者试图保持适当的肩胛骨和锁骨袋的位置,确保皮带是保持在肩上,而树干横向弯曲,身体的重心仍在支撑区域在步态。

平的不对称是显示在图6- - - - - -8。一般来说,最高的不对称是女士获得力量。根据获得的结果与文献,我们可以假设一个COM翻译和补偿的不对称负荷出现在一种平衡引起脊柱侧屈和导致不对称的躯干肌肉活动。重复这种类型的不对称加载的肌肉骨骼系统与更大的剪切和压缩力量存在于脊柱(37]。的作者(37)也指出,“不对称比正面对称解除解除压力更大。”

考虑到背包负荷类型(进行身体的右侧),增加激活的权利腹和右背阔肌肉应该预期。获得了更大数量的显著线性相关性的右边,主要的斜方肌和背阔肌肌肉(见表1)。

考虑一个包带在右手,增加激活的正对面斜方肌,背阔,腹应该是预期。外部负载的位置对身体的COM是最遥远的其他配置的负载,这就是为什么每个人都应该认为这可能是最易疲劳的的。为了避免疲劳,肌肉骨骼应该激活不同的肌肉群,这就是为什么(最低数量的统计上显著的线性相关性斜方肌和背阔肌肌肉)被发现在这种情况下(见表1)。

考虑一个包进行右肩,增加激活的权利斜方肌,腹,背阔应该是预期。的数量显著线性相关性是类似的包进行确认一方面但主要用于身体的左侧obliquus腹肌肉(见表1)。

考虑一个袋子把整个身体(右边)(最好的),一个可以诱发外部负载稳定,这就是为什么这是易疲劳的位置就越少。的激活增加收缩的相反斜方肌和腹应该是预期。

更大数量的显著线性相关性是左边,只有获得obliquus腹和背阔肌肌肉(见表1)。

5。结论

获得的结果表明,在步态与一个额外的负载不对称,对称的肌肉力生产的变化。带负载的重量增加,温度变得更高的差异;然而,不同类型的加载导致不同的补偿模式和以不同的方式影响地面的反作用力。

一般的观察让我们做一个声明。在不对称的情况下携带外部负载的方法,减少有害的肌肉骨骼系统似乎将整个躯干皮带,因为在这种情况下,最小的观察增加温度不对称。另一方面,最坏的方法是保持加载在一方面或肩膀尤其是当我们使用携带负载一侧几乎每一次这种情况下,最高温度的增加不对称。

一般来说,它应该强调的结果表明,走路不对称加载引导补偿由肌肉和姿势,增加肌肉损伤并导致或增加的可能性错误的姿势,即使这项研究将被视为一个初步研究,局限于相对年轻和适合男性。

数据可用性

记录图像数据和pedobarographic力平台数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

我们要感谢学生安娜•Frątczak Angelika Puchalska, Jarosław Chruściel,和暹罗Streibl帮助准备和开展实验。本文得到了格兰特的年轻科学家罗兹大学技术。

补充材料

为热成像检查表S1:协议用于实验室准备的清单。表S2:实验室条件下一个清单。(补充材料)

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