文摘

背景和目的。为了减少脚和脚踝受伤引起的慢跑,下端连接模式,rearfoot罢工(RFS)和前脚罢工(FFS),采用和比较。首先,RFS慢跑和FFS慢跑是实验研究,以获得运动学和动力学数据,包括脚步角,膝盖弯曲角,和地面反作用力(平)。然后,脚踝复杂的三维有限元模型从2维叠加扫描重建图像。跖骨的生物力学特性,包括足底压力,压力,足骨骼、跟骨和软骨,和足底筋膜和韧带的张力。结果表明,RFS慢跑和FFS慢跑有相似的变化趋势和天然气采收率的接近峰值。因为拥有更多的动力在推动阶段和更少的势头在制动阶段,FFS慢跑慢跑可以支持更高的速度。然而,FFS慢跑在第五跖骨跖骨应力大,产生更大的足底筋膜张力,这可能引起跖骨骨折和足跟疼痛。hindfoot RFS慢跑时产生较大的足底压力区域,大的跟骨的压力,和更大的跗骨舟状的压力,可能导致跟组织损伤,跟骨损伤,和naviculocuneiform接头的应力性骨折。此外,talocrural和talocalcaneal关节软骨能忍受慢跑负荷,随着峰值接触压力都小RFS慢跑和FFS慢跑。 Therefore, jogging with rearfoot or FFS pattern should be chosen according to the health condition of foot–ankle parts.

1。介绍

尽管作为一个受欢迎的运动,跑步经常引起脚和脚踝的伤病,这不仅维持高负载支持从地面的身体也承受巨大的影响(1]。一般来说,脚步在地面衰减模式中起着重要作用的影响和减少脚和脚踝受伤2]。因此,越来越多的运动员试图修改脚步模式实现实现软着陆技能(3]。两个常见的脚步模式,前脚罢工(FFS)和rearfoot罢工(RFS)有不同的生物力学性能,如foot-ground交互影响,动力学和运动学特征,在骨骼和组织内部负载,Matias et al。4]。

推荐一个最优的脚步的模式,一些研究调查相比,下端连接罢工的影响模式和FFS和RFS运行之间的生物力学性能。

至于运动学和动力学特征,不同于RFS慢跑,在FFS慢跑,前脚最初接触地面,落plantarflexion姿势,紧随其后的是一个背屈运动(5]。一些研究显示,相比之下,RFS运行,FFS运行不仅可以减少刹车和冲击力也减少地面反作用力的加载速率(平)和膝关节的力量6),是被压缩的影响足弓,偏心收缩小腿三头肌,小腿肌肉的拉伸,跟腱(7]。然而,FFS运行更多的机械功(即。,muscular work and net work of the ankle joint) and possesses higher energy expenditure, so it becomes less economical than RFS running [8,9]。

至于生物力学特点,FFS跑步和RFS运行可能导致不同的足部骨骼和软组织损伤,将承担不同的内部压力下两个不同的脚步模式(10]。一些研究者认为FFS跑步可以减少某些类型的伤害的可能性,建议跑步者改变运行方式从RFS FFS运行(运行11]。然而,一些研究人员认为RFS跑步相比,FFS不仅会过载运行足底筋膜和跖骨5,12)也对威胁脚弓和足底结缔组织13),所以它可能会征收足底筋膜炎的风险,增加潜在的跖骨应力性骨折。

直到现在,大多数以前的研究发现差异FFS跑步和RFS运行通过比较只有几英尺的部分地区,例如,软骨是常被忽视,这可能会导致不同的甚至相反的结论,因此有必要比较更多的脚。然而,尽管直接负责受伤,内部大量的脚和脚踝,像内部应力分布,体内难以测量。因为拥有的优势noninvasiveness,有限元法克服了实验的局限性和生物力学分析提供了一个强大的工具14]。因此,几种有限元(FE)模型的脚踝复杂开发预测内部负载在骨骼和组织(15- - - - - -18]。

此外,运行大多被作为比较研究对象下端连接模式。然而,慢跑已成为越来越受欢迎的在过去的几年里。慢跑往往持续的时间要比跑步,它也可能产生一些损伤,如足底筋膜炎、跖骨应力性骨折,阿基里斯腱炎(19]。遗憾的是,只有少数研究人员研究了慢跑只是为了优化鞋类(19,20.]或描述下肢力学和腰椎(21,22]。慢跑时相比风格尚未优化脚步模式直到现在。

因此,本研究旨在研究RFS慢跑和FFS慢跑通过实验和模拟减少脚和脚踝伤病的困扰。获得的运动学和动力学特征和生物力学特征可以为选择提供指导RFS慢跑或FFS慢跑。

2。方法

2.1。一般信息

男性主体(年龄:23年;体重:76公斤;高度:1.76米)招募了。他是健康的,没有任何的膝盖和脚受伤在过去1年。在充分了解研究的过程中,他签署了同意书。本研究医学和生命科学伦理委员会批准郑州大学(2016号yxy21)。

2.2。实验的程序

RFS慢跑慢跑训练后RFS模式,以3米/秒的速度执行±5%,大约3分钟。然后,转换为FFS模式和FFS慢跑在同等条件下进行。慢跑的速度是由双光电监控细胞沿着跑道,平记录通过使用两个相邻力平台(公司9287 b,基斯特勒公司,瑞士,1000赫兹)。如果主题不罢工的力平台整个右脚或跑速度范围外,审判将被丢弃。是否RFS慢跑或FFS慢跑,慢跑试验重复了五次。垂直平阈值被设定为10 N,所以姿态阶段开始时垂直平超过10 N和结束时跌破10 N。如图139岁的反光标记放置在下肢,他们的位置记录下使用ten-camera动作捕捉系统(英国Vicon MX,牛津指标组200赫兹)。所有的原始数据处理通过使用视觉3 d软件(美国C-Motion Inc .)。四阶低通巴特沃斯滤波器,运动学数据和动态数据过滤的截止频率10和100赫兹,分别为(17,18]。


图1
反光标记。

下端连接罢工模式被脚步判断角(FSA),它被定义为连接两个标记点的线之间的角度在第一跖骨和跟骨在矢状面和地面线初始着陆,如图2。慢跑是RFS模式FSA大于8°时,虽然FFS模式当FSA小于-1.6°。最后,平,FSA,踝关节角度测量在下端连接的攻击模式,然后被用作边界和加载条件进一步的有限元分析。


图2
有限元模型的脚踝复杂和加载条件。
2.3。有限元模型
2.3.1。模型建立

主题在仰卧位,右脚踝首先固定在一个中立的姿态,没有负载应用,然后通过使用计算机断层扫描(飞利浦辉煌大孔、120千伏249.48 mA, 1毫米轴向片厚度、0.32毫米平面分辨率)。为重建3 d脚踝的几何模型,首先扫描2维叠加图像导入和加工模拟17.0(比利时鲁汶实现Inc .)以生成3 d表面STL文件格式,然后STL文件导入到Geomagic Studio 12.0(美国NC Geomagic, Inc .)为进一步平滑,最后,详细解剖结构的28个骨头,软骨,足底筋膜、韧带、软组织提取和导出IGES文件格式。

接下来,IGES文件导入到有限元分析6.14(美国普罗维登斯达索系统公司股价Simulia Corp .)。骨、软骨和软组织与线性网状四面体元素(C3D4),如图3。而足底筋膜和韧带被定义为1 d tension-only桁架元素和与跟骨结节,近端趾骨,软组织,没有力量出现时压缩。700 N轴向载荷下,网格收敛性测试是由逐渐减少元素大小10%从4到1毫米到预测结果之间的两个相邻网格尺寸偏差小于5%。最后,选择最优网格大小的2毫米和273123元素终于产生了。所有组件被定义为线弹性各向同性材料,如表所示1。

(一)
(一)
(b)
(b)
图3
网格(a)的骨骼和软组织(b)。
表1
材料属性和元素类型(1,15,16]。
2.3.2。边界和加载条件

接下来,所有的元素都导入到有限元分析6.14作为输入文件应用边界和加载条件,如图2。直接的相互作用被认为与非线性接触无摩擦。而硬触点表面足底与地面之间定义摩擦系数为0.6。的胫骨和腓骨近端横截面的表面被限制在6自由度。作为一个集中力,平应用于地面板块和足底表面传播。在跟腱力量应用于跟骨结节(23]。边界和装载条件后,脚踝标准采用静态求解和有限元模拟复杂的执行。

2.3.3。模型验证

模型验证,本研究采用了相同的边界和加载条件下的平衡站报道Yu et al。24(即。,constrained the proximal cross-sectional surface of the tibia and fibula in 6 df, set GRF to be 350 N and then applied it to the plantar surface). This study predicted the plantar peak pressure of 0.18 MPa, which was close to the experimental value of 0.17 MPa in the literature [24]。此外,预测和实验足底压力分布相似,如图4。因此,虽然有点足底压力差是因为不同的两个主题,foot-ankles FE模型在研究中被认为是有效的,所不同的是认为太少影响研究的成果。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
的比较(a)预测足底压力在这项研究中,(b)实验余足底压力测试等。24平衡站下。

3所示。结果

3.1。运动学和动力学分析
3.1.1。步态参数

RFS慢跑和FFS慢跑,FSA的平均值为14.86±3.17°和-3.71±2.05°,分别;步骤时间为0.67±0.15,0.62±0.03 s,分别;步长为2.49±0.17,2.34±0.08 m,分别;接触时间的均值比一个步态周期的飞行时间是0.52和0.54,分别。

3.1.2。地面反作用力(平)和膝关节屈曲角度

因为变量FSA在慢跑,平总是改变。与此同时,膝盖弯曲角也总是改变。天然气采收率和膝关节屈曲角度会影响脚踝的生物力学特性复杂,特别是当他们达到了最大值。所以,天然气采收率和膝关节弯曲角度进行了分析。

是否垂直平、水平平或膝盖弯曲角,RFS慢跑,和FFS慢跑也有类似的变化趋势,峰值,如图5。的立场相增加,垂直平先增加,然后下降,它在40% - -50%的立场阶段达到最大值;而膝关节屈曲角度先降低,然后增加,达到最大值30% -40%立场阶段。然而,一些垂直平之间出现分歧RFS慢跑和FFS慢跑在整个步态周期。除了峰垂直平,一个相对较小的垂直平击,峰值1.6倍体重(BW),出现在RFS慢跑,因为最初的脚后跟对地面的影响。虽然没有其他垂直平峰值出现在FFS慢跑。此外,FFS慢跑的峰值垂直平BW 2.7倍,超过11%在RFS慢跑。

(一)
(一)
(b)
(b)
图5
天然气采收率和膝关节屈曲角度RFS慢跑(a)和(b)在FFS慢跑。

与垂直平相比,水平平是相对较小的。是否在FFS RFS慢跑或慢跑,零点的水平平脚罢工的过程分为两个阶段:制动阶段(在零点之前),推动阶段(零点)。水平平在制动阶段和推动阶段有着相似的变化趋势,但在相反的方向。RFS慢跑和FFS慢跑相比,拥有更大的绝对峰值水平平击和长时间制动阶段,虽然拥有一个更小的峰值水平平击和更短的时间在推进阶段。

3.2。内部的生物力学分析

根据天然气采收率和膝关节屈曲角度,内部生物力学研究在三个步态瞬间:t1第一峰值垂直平(RFS存在的只有慢跑),t2最大的膝关节屈曲角度,t3最大垂直平峰。执行仿真三个步态瞬间后,内部负载,包括足底压力,压力在骨骼和组织,和足底筋膜和韧带的拉伸力,。

3.2.1之上。足底压力

图6显示了RFS慢跑的足底压力分布和FFS慢跑。在t1步态即时,足底压力峰值达到0.45 MPa,躺在hindfoot区域。在t2步态即时,前脚和hindfoot RFS慢跑与地面联系,所以足底压力躺在前脚区和hindfoot区;FFS慢跑前脚地区有较高的峰值和hindfoot地区分布面积低于RFS慢跑。在t3步态即时,足底压力主要分布在脚掌面积和峰值足底外侧的压力达到最大值,是否RFS慢跑或FFS慢跑;此外,足底压力RFS慢跑几乎相同的分布和峰值接近,在FFS慢跑。因为拥有一个更大的垂直平击,FFS慢跑有个稍大些的足底压力峰值为0.47 MPa相比RFS慢跑。

(一)
(一)
(b)
(b)
图6
足底压力分布(a)t 1,t 2,t 3步态瞬间在RFS慢跑(从左到右)和(b)t 2和t 3步态瞬间在FFS慢跑(从左到右)。
3.2.2。五跖骨的应力分布

图7显示五跖骨的应力分布RFS慢跑和FFS慢跑。随着接触位置的变化,RFS慢跑和FFS慢跑有不同的跖骨应力分布在三个步态瞬间。

(一)
(一)
(b)
(b)
图7
五跖骨应力分布(a)t 1,t 2,t 3步态瞬间在RFS慢跑(从左到右)和(b)t 2和t 3步态瞬间在FFS慢跑(从左到右)。

RFS慢跑,应力分布面积改变从内侧到外侧。在t1步态,跖骨应力主要分布在内侧(第一,第二,第三跖骨)和第一跖骨有明显的应力比第二和第三跖骨。在t2步态,第一和第二跖骨应力降低和第四和第五跖骨应力增加,甚至导致一个相对应力分布在五跖骨。在t3步态,第一和第二跖骨压力继续下降,第四和第五跖骨压力继续增加,所以跖骨应力主要分布在外侧。

因为接触的位置在FFS慢跑总是躺在前脚的区域,跖骨应力t2步态即时几乎相同的分布和峰值接近t3步态即时,跖骨应力主要分布在外侧(三,四和第五跖骨)。跖骨峰值压力达到34.36 MPa在FFS慢跑t3步态即时和躺在第五跖骨,这是更大的比RFS慢跑。

3.2.3。足骨的应力分布

图8显示了足骨的应力分布在RFS慢跑和FFS慢跑。足骨骼由睑板足舟骨,三个楔形文字的骨头,骨头和一个长方体。无论是在t2和t3步态即时,压力主要分布在睑板舟状骨和三个楔形文字的骨头。在峰值应力t2步态即时是接近t3步态即时,无论是RFS慢跑或在FFS慢跑。RFS慢跑,峰值应力躺在睑板舟状骨和达到31.86 MPat2步态即时和36.74 MPat3步态。在FFS慢跑,峰值应力也躺在睑板舟状骨和达到34.62 MPat2步态即时和34.84 MPat3步态。然而,峰值压力没有达到最大值t2和t3步态瞬间,但t1即时。在t1步态即时,峰值应力躺在naviculocuneiform关节表面,达到46.32 MPa,这是本研究最大的压力。

(一)
(一)
(b)
(b)
图8
应力分布的脚心骨(一个)t 1,t 2,t 3步态瞬间在RFS慢跑(从左到右)和(b)t 2和t 3步态瞬间在FFS慢跑(从左到右)。
3.2.4。跟骨的应力分布

图9显示了跟骨应力分布在FFS RFS慢跑,慢跑。在RFS慢跑t1步态即时,大部分压力是分布在跟骨结节和小calcaneocuboid联合分布,跟骨应力峰值为18.61 MPa;在t2步态,应力集中出现跟骨结节和跟骨峰值应力达到最大值25.80 MPa足底筋膜和韧带附着点的;在t3步态即时、跟骨峰值压力达到21.51 MPa的跟腱附着点。在FFS慢跑,跟骨峰值压力达到19.68 MPat2步态即时和20.07 MPat3步态即时在跟腱附着点。

(一)
(一)
(b)
(b)
图9
跟骨应力分布(a)t 1,t 2,t 3步态瞬间在RFS慢跑(从左到右)和(b)t 2和t 3步态瞬间在FFS慢跑(从左到右)。
3.2.5。接触压力分布Talocrural关节软骨

图10显示了talocrural关节软骨的接触压力分布在FFS RFS慢跑,慢跑。相比其他步态瞬间,接触压力t1步态即时相对较小,其峰值仅为2.47 MPa。是否在FFS RFS慢跑,慢跑,接触压力t2和t3步态瞬间有类似的分布和峰值,峰值接触压力也小。最大接触压力峰值仅为7.41 MPat2步态即时在FFS慢跑。

(一)
(一)
(b)
(b)
图10
接触压力分布talocrural关节软骨(a)t 1,t 2,t 3步态瞬间在RFS慢跑(从左到右)和(b)t 2和t 3步态瞬间在FFS慢跑(从左到右)。
3.2.6。接触压力分布Talocalcaneal关节软骨

图11显示了talocalcaneal关节软骨的峰值接触压力在FFS RFS慢跑,慢跑。从最初的着陆最终升空,接触压力增加,然后下降,是否在FFS RFS慢跑,慢跑。RFS慢跑和FFS慢跑相比,有一个小的峰值接触压力在最初的着陆和最终的发射,而它有一个更大的提高利率,降低利率。峰值接触压力t2步态即时是接近t3步态即时,无论是在FFS RFS慢跑,慢跑。同样,RFS慢跑的峰值接触压力接近,在FFS慢跑,是否在t2步态即时和t3步态。Talocalcaneal关节软骨有较大的峰值接触压力比talocrural关节软骨,但峰值接触压力还小,其最大值仅为7.21 MPat3步态即时RFS慢跑。


图11
talocalcaneal关节软骨的峰值接触压力。
3.2.7。足底筋膜和韧带的张力

表2显示了足底筋膜和韧带的张力t2和t3步态瞬间。除了足底筋膜在FFS慢跑,足底筋膜和韧带t3步态即时有比这更大的张力t2步态。除了长期足底韧带,足底筋膜和韧带在FFS慢跑有更大的拉伸力比RFS慢跑。在足底筋膜和韧带,足底筋膜总是最大的张力,其张力达到147.0 N的最大价值t2步态即时在FFS慢跑。

表2
足底筋膜和韧带的张力。

4所示。讨论

因为没有其他垂直平出现峰值,FFS慢跑相对光滑平曲线,所以它比RFS慢跑会更稳定,这可能属性的合作控制膝伸肌和腓肠肌肌肉(25]。然而,FFS慢跑有个稍大些的峰值垂直平,所以它会比RFS略高密集的慢跑。

在制动阶段,水平平是负数,这代表阻力。在推进阶段,水平平是积极的,寻求帮助。分别通过集成的消极价值和积极价值水平平击,动量在制动阶段我一个在推进阶段我b计算。因为制动阶段RFS慢跑拥有更大的绝对值比FFS慢跑,和更长的时间我一个RFS慢跑比我一个RFS慢跑。同样的,我b在FFS慢跑比我b最后,在RFS慢跑,我一个/我b在1.86是远远大于RFS慢跑我一个/我b0.51在FFS慢跑。因为拥有更多的动力在推动阶段和更少的势头在制动阶段,FFS慢跑慢跑高出的速度。

三个步态瞬间,不同的足底压力分布提出了hindfoot和前脚区域,这可能属性重心和脚的姿势变化慢跑。可以得出的结论是,接触位置从初始hindfoot RFS慢跑改变地区hindfoot和前脚区最后前脚区;接触的位置在FFS慢跑总是前脚区域在整个接触时间(15]。

慢跑的足底压力峰值是可能的两到三倍,在平衡的站26),这将不利于我们的脚。例如,RFS慢跑hindfoot足底压力很大面积,hindfoot站了很大影响。它可以得出结论:过度RFS慢跑可能导致跟网站的组织损伤足底脂肪垫的缓冲效果。而在FFS慢跑几乎所有的足底压力总是躺在前脚面积在整个接触时间,站了一个巨大的影响在前脚很久了。它可以得出结论,不宜过度FFS慢跑五跖骨。

在FFS慢跑,跖骨应力峰值躺在第五跖骨,这是对应于足底压力峰值的位置,所以可以得出结论,跖骨应力部分由足底压力引起的。此外,腓肠肌拥有高肌肉活动在FFS慢跑27,28),因此一个大收购跟腱力量。然后,跟腱力量由杠杆作用放大,最后转移到五跖骨,这将带来一个跖骨应力的增加。总的来说,足底压力的共同作用下,跟腱力量,FFS慢跑产生更大的跖骨应力比(RFS慢跑5),因此过度FFS慢跑可能引起跖骨损伤,如第五跖骨骨折。

虽然RFS慢跑不仅产生跟骨峰值应力比FFS慢跑也产生了最大的压力naviculocuneiform关节表面,所以过度RFS慢跑可能导致跟骨损伤和应力性骨折的naviculocuneiform关节。

相对于其他的骨头,talocrural关节软骨相对均匀,表面光滑,所以没有应力集中出现。此外,岩屑通常围绕在矢状面和冠状轴很少执行nonphysiological联合运动。因此,接触压力总是在整个接触时间小,所以talocrural关节软骨可以承受大负荷在慢跑。此外,接触压力在FFS RFS慢跑,慢跑有稍微不同的发行版,这可能属性之间的相对位置变化胫骨和岩屑在不同踝关节角度。因为拥有较小的接触面积和轴承更大的负载,talocalcaneal关节软骨有较大的峰值接触压力比talocrural关节软骨,但峰值接触压力还小,所以talocalcaneal关节软骨也可以承受大负载慢跑。

尽管拥有近平,FFS慢跑产生了更大的足底筋膜张力,足底calcaneonavicular韧带,足底cuneonavicular韧带比RFS慢跑。尤其是足底筋膜在FFS慢跑有更大的拉伸力比RFS慢跑,这也可能属性大跟腱力量带来的高肌肉活动的腓肠肌FFS慢跑。因此,证明了脚的姿势影响更大的张力比平足底筋膜。由于足底筋膜的最大拉伸力,FFS慢跑不会适合患者足底筋膜炎(1]。

遗憾的是,时间和资金的限制,只有一个主题的脚踝被扫描,这可能会导致模拟结果和实验结果之间的区别。事实上,简化边界条件可能有点影响模拟的结果,例如,平是设置为一个集中力,会导致足底压力差。然而,有限元模型在这项研究仍然有效,被认为是太少的区别影响研究的成果。

5。结论

RFS慢跑和FFS慢跑有相似的变化趋势和天然气采收率的接近峰值。因为拥有更多的动力在推动阶段和更少的势头在制动阶段,FFS慢跑慢跑会高的速度。然而,FFS慢跑在第五跖骨跖骨应力大,产生更大的足底筋膜张力,这可能引起跖骨骨折和足跟疼痛。hindfoot RFS慢跑时产生较大的足底压力区域,大的跟骨的压力,和更大的跗骨舟状的压力,可能导致跟组织损伤,跟骨损伤,和naviculocuneiform接头的应力性骨折。此外,talocrural talocalcaneal关节软骨能忍受慢跑负载,如峰值接触压力都小RFS慢跑和FFS慢跑。因此,慢跑和rearfoot FFS模式应该选择根据脚踝部位的健康状况。

数据可用性

使用的数据来支持本研究可从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

Yaoyong张和丹张同样贡献了这个工作。

确认

这项工作得到了河南省重点科技项目(222102240108)。