文摘

介绍。我们评估患者的速度剖面横向侧韧带(拼箱)受伤的脚踝理解所涉及的控制机制的目标走。方法。我们跟踪病人的腿和脚的动作30步态周期记录患者拼箱受伤的脚踝,而他们50步态周期从正常对照组。17标记放置在海德堡之后的脚脚测量模型。速度的概要文件和microadjustments膝盖,脚踝,脚被计算在不同步态阶段和患者和对照组之间相比。结果。患者比例较小的第一个摇臂和更大的第二个摇臂在步态周期的百分比比控制。病人也显示短步幅和缓慢的进步和表现第二摇臂microadjustments阶段比其他摇滚/ swing阶段。患者的平均速度的膝盖,脚踝,脚在第二个摇臂阶段也明显高于对照组。讨论。来自速度资料的证据表明,韧带损伤患者需要更多的肌肉骨骼microadjustments保持身体平衡,但这也可能是由于二次伤害。精确的描述时空的步态特征因此运动期间我们理解运动控制的关键。

1。介绍

许多个人经验脚踝扭曲,从而导致踝关节韧带损伤的影响。侧侧韧带(拼箱)受伤的脚踝发生在全世界每天每10000人之一,排名在急诊创伤病例中最高(1,2]。症状,如疼痛、肿胀和有限的运动出现在40%的人经历了拼箱受伤。此外,复发的拼箱的伤害很高,大约有18%的病人会损害他们的韧带在一年内第一次拼箱后损伤由于姿势控制困难3]。频繁的韧带损伤和功能限制他们的下肢会影响病人的生活质量(4,5]。在某些情况下,手术治疗和长期的康复是必需的。

改善我们的理解机制拼箱受伤,步态分析是必要的。脚和脚踝的时空特点允许步态的定量评估和干预措施的选择(6]。这些详细的描述也可以协助物理治疗师改善他们的康复治疗和帮助设计师开发rehabilitation-assistive产品(7- - - - - -9]。步态分析使用运动跟踪数据允许科学家理解的姿态控制和施力行走时脚的(10,11]。例如,Chinn等人发现,受试者踝关节不稳定期间经历更多的逆序对慢跑比走路(12]。Moisan等人报道,主题显示慢性踝关节不稳定踝关节反演和外侧倾斜的中心压力在行走和奔跑在立场阶段(13]。然而,很少有拼箱的速度资料报告损伤病人在步态分析,和更少的研究报道加速度资料(14]。

我们相信考试的加速度和速度剖面是很重要的,因为它描述了移动速度的策略,它提供了重要的信息,定量测量的立场和摆动阶段在一个步态周期。使用速度和加速度,我们发现潜在的病理变化造成的韧带受伤的脚踝和脚,除了机制LCL-injury患者的稳定控制。

在这项研究中,我们研究了速度特征的患者诊断为三级拼箱受伤;数据比较来控制(健康的)对象在整个步态周期。具体来说,我们追踪病人腿部运动步态分析实验室使用海德堡脚测量模型(HFMM)和计算时空特性在立场和摆动阶段。对选定的点,比如膝盖,脚踝,脚,脚前,我们检查了加速度和速度概要文件。

我们使用microadjustments,加速度下降到零,来描述移动速度变化基于数据提出了参与者的加速度资料。我们假设韧带损伤患者(a)会表现出较短的立场阶段由于脚踝周围疼痛,(b)显化一个相对较慢的速度,和(c)显示越来越多的调整期间由于本体感觉受损、神经肌肉控制行走,与对照组相比。

2。方法

2.1。参与者

本研究进行了运动分析实验室的北京大学第三医院。北京大学第三医院的制度研究委员会审查和批准了这项协议。每个参与者提供通知书面同意之前进入研究。

我们招募病人符合以下标准:(1)诊断为三级拼箱受伤的脚踝(严重的和完整的韧带断裂纤维)没有骨折(通过x射线检查);(2)提供多个侧踝关节扭伤需要手术治疗;(3)有一个最近扭伤发生的至少三个月之前,我们检查了韧带损伤的长期影响病人流动;(4)年龄在18到40年的范围。

患者这些标准是排除:(1)的脚踝骨关节炎或软骨损伤;(2)拼箱损伤结合膝/髋关节骨关节炎、韧带损伤、或软骨损伤;(3)神经系统异常;和(4)条件伴有其它严重的医学疾病,降低流动性。

根据上面的纳入和排除标准,三个病人和三个配对的健康成年人被招募。健康的成年人作为对照组为从我们医院的学生和工作人员并没有表现出已知的脚或脚踝异常,之前受伤或手术。

在这项研究中,我们使用两个左和右的四肢从对照组和受影响的方面包括2右四肢和1左肢从患者获得的加速度和速度剖面。

2.2。过程

数据采集之前,我们每个主题阅读说明书,确保他们熟悉的任务。受试者被要求走赤脚走10米平自己的选择(图速度1(一)),穿黑色运动短裤和t恤。共有17个反光标记(13 14毫米大小的9毫米和4)被放置在每个参与者的关键骨性标志的腿(图1 (b)HFMM(后)15]。

一个eight-camera Vicon MX动作捕捉系统(Vicon运动系统有限公司,英国牛津版)被用来捕获17反光标记的位置在100赫兹。我们使用专业软件(于Vicon Nexus 1.8.5 Vicon运动系统有限公司,牛津大学,英国)建立人体模型的腿和脚的主题和可视化的三维位置标记在全球坐标系统的步态分析的实验室。每一个标记的原始位置数据导出为csv文件从关系统计分析。

2.3。数据分析

每个主题需要超过十个步骤10米。不完整的步态周期的起始和终止每个试验被排除在外,和其余的步态周期进行了分析。我们归一化每个步态周期100时间点通过线性插值数据可比对象之一。

2.3.1。预处理

预处理和时空的步态特征进行了使用一个自定义程序编写的MATLAB R2018a(美国马萨诸塞州MathWorks, Inc .)。具体来说,由低通运动数据过滤,zero-phase-shift,一阶巴特沃斯过滤不超过1 dB的通带波纹从0到0.01赫兹和至少3 dB的阻带衰减高于20赫兹。

2.3.2。步态周期、阶段和摇滚

包括一个完整的步态周期立场相和摇摆不定的阶段。脚跟击打地板时,背跟骨(CCL)达到最小 - - - - - -轴的值。这一刻是一个新的步态周期的开始;然后把脚趾逐渐到地板上,直到脚趾头在立场阶段扣人心弦的有力。我们使用了 - - - - - -轴的最小值趾(HLX)标记在步态周期的划分立场和swing阶段。

这一立场进一步分为三个阶段摇臂阶段:第一个摇臂阶段是从脚跟冲击紧贴;第二个摇臂heel-off阶段从脚持平;第三个摇臂阶段从heel-off到脚趾头。步态周期、阶段和摇滚分割根据下面描述的方法,如图2。

第一个摇臂阶段是从脚跟冲击紧贴。在这个阶段,跖屈增加直到末端的跖骨(DMT)标记到了地板上。第二个摇臂阶段是紧贴heel-off。在此阶段,脚平放在地板上,CCL和维持一个稳定的位置 - - - - - -轴( )除了一些小震动弹性变形引起的皮肤在背屈。当第三个摇臂阶段开始(heel-off),迅速增加的帧间差异( ),CCL的分部 - - - - - -第三摇臂轴快速增长阶段,直到脚趾头。

2.3.3。基本步态参数

CCL步幅测量之间的距离点的同一侧的两个连续的足迹,和跨步时间指的是运行时间之间的第一次跟罢工同一侧的两个连续的脚步声。第一/二/三摇臂百分比是运行时间的百分比第一/第二/第三摇臂在步态周期的阶段在这工作。立场/摇摆相比例的运行时间的百分比是立场/摇摆步态周期的阶段。

2.3.4。速度概要文件

任何给定的速度标记计算通过检查线的位移随时间的变化发展。五个标记为计算速度选择概要文件在不同的关节,包括胫骨粗隆(TTU,膝盖),外踝(LML,脚踝),CCL(脚)的第二跖骨远端(DMT2前脚),和HLX(尖脚)。这些标记主要是相互独立的,被认为是临床相关可以揭示的病理特征步态拼箱脚踝受伤后(15]。

对于每一个标记,我们报道了最大速度( )在步态周期中,最小速度( )在步态周期中,从一开始就步态周期的最大速度( ),从一开始,步态周期的最小速度( )。

2.3.5。概要文件和Microadjustments加速度

不同的腿和脚关节主体与不同速度在一个步态周期的不同阶段。加速度的定义和microadjustment是显示在图3。速度变化量(加快或减慢)可以被描述为加速度。microadjustment来源于加速度。加速度的定义为速度随时间的变化。在一个加速度曲线,算作是加速度下降到零microadjustment。的microadjustment加速,减速是定义为一个峰的速度,加速和减速microadjustment是定义为一个谷的速度。Microadjustments反映下肢的姿态控制。

2.3.6。统计分析

Shapiro-Wilk的测试( ),直方图的目视检查,和正常的qq情节(Quantile-Quantile情节)表明,时空的步态变数包括时间变量,速度,microadjustments-were近似正态分布。

单向方差分析(方差分析)进行韧带受伤患者和对照组之间比较步态周期。的microadjustments数量然后比较五个标记中使用单向重复方差分析和最小意义差(LSD)事后多重比较测试检查差异在不同的腿和脚关节。

我们使用SPSS进行统计分析,25.0 v(美国IBM公司,芝加哥)。平均值和标准误差(SE)和一个先天级别的0.05摘要报告。

3所示。结果

总共30 injury-gait周期成功收集3例患者诊断为拼箱受伤的脚踝手术前(所有男性,平均年龄34岁(范围、32-37);身体质量指数, ( ])。自从上次的平均时间扭伤损伤组19周。所有患者治疗和推荐的一个外科医生在运动医学专业。五十个正常步伐周期也从三个对照组(收集所有男性,平均年龄26岁(25 - 28);身体质量指数, )。在对照组,两腿步态记录相比,混合和步态记录从影响LCL-injury患者。

3.1。步态分析

平均韧带受伤病人走进步慢,小于对照组。具体来说,步幅减少从1419.8毫米到1330.7毫米( ),和跨步时间从0.98提高到1.08 s /步( ,表1)。

3.2。阶段的差异

病人表现出明显较短的百分比在第一摇滚阶段(4.67%比6.76%, )第二摇臂和更长的阶段( vs。 , ;表1比对照组)。我们并没有发现显著差异在第三摇臂阶段( ),无论是在立场阶段还是在swing阶段( )。

3.3。速度概要文件

腿速度概要文件显示在表中2和图4。如表所示2,记录从五个选择标记明显不同的两组之间;病人的最大速度是高于对照组(图4)。CCL记录从LML、DMT2 HLX显示患者和对照组之间的显著差异;具体来说,患者达到峰值速度迟于对照组。的将记录从TTU, LML DMT2患者和对照组之间表现出显著差异;在这些标记,在患者比对照组高。将在收集的数据只显示意义TTU,对照组达到最小速度迟于患者。

3.4。概要文件和Microadjustments加速度

量化的努力保持稳定,我们测量microadjustments由患者和对照组的数量在三个摇滚和swing阶段(表3)。韧带损伤患者与对照组相比,产生更多microadjustments立场阶段而不是摇摆的阶段。唯一显著差异发生在第二个摇臂阶段( vs。 , )。在这个阶段,膝盖、脚踝和跖骨的患者表现出明显更多的山谷速度;膝盖、脚踝、跟骨、跖骨的患者表现出明显更多的峰值速度;和膝盖,脚踝,跟骨、跖骨和拇指的患者表现出更高的平均速度(表4)。

除了患者和对照组之间比较,我们研究了差异五个不同的关节。显示在表5,主题显示不同microadjustment行为五个关节,关节之间的这种差异是立场和摇摆行走阶段的改变。

具体来说,在第一个摇臂阶段,膝盖(1.08),脚踝(1.00),和跟骨(1.00)显示microadjustments比跖骨(0.33)和趾(0.17)。在第二个摇臂阶段,显著更多的microadjustments发生在跖骨(6.33),脚踝(4.83),和跟骨(3.83)比拇指膝盖(3.00)和(2.17)。第三摇臂阶段,明显更多的microadjustments发生在跖骨(3.50)和趾(5.17)与膝盖(0.17)相比,脚踝(0.17),或跟骨(0.17)。在摆动阶段,明显更多的microadjustments发生在膝盖(2.50)和跟骨(2.50)相比,跖骨(1.50),拇指(1.67),和脚踝(1.00)。

4所示。讨论

三维动作跟踪系统是用来调查LCL-injury病人是否显示特定类型的步态模式具有独特的时空特征在步态周期。我们的研究假设韧带损伤患者会表现出较短的立场阶段是我们实验结果(表支持1)。拼箱患者受伤的脚踝表现出较短的立场阶段由于脚踝周围疼痛时他们的脚接触到地面了。他们减少步幅和持续时间与对照组相比增加了一步。经进一步检查,我们注意到在步态周期的显著差异在第一次和第二次摇滚,在患者表现出更简短的时间将体重从hindfoot前脚(表1,图2)。

其他研究者也报道了这一现象。Khazzam等人报道,与正常人相比,退化性疾病患者的脚显示缩短步幅,减少了节奏,和步行速度下降16]。慢性踝关节不稳定患者步态也显示低速度,低的节奏,和更小的步长17]。孟等人证明了拼箱损伤患者的健康肢体的脚踝补偿的影响方面,减少上的负载影响,快速切换到目前阶段的垂直支持脚跟罢工的18]。周围的韧带损伤脚踝可能因此在负重的快速转变的根源。

我们的研究假设韧带损伤患者会表现相对较慢的速度也支持。病人最大和最小速度增加他们的膝盖,脚踝,脚在步态周期。证据表2和图4表明一个更大的偏差量资料的患者发生在第二个摇臂阶段与对照组相比。这个观察与越来越难以维持稳定的脚和脚踝受伤后周围的韧带。

通过检查加速度资料,我们发现LCL-injury患者比对照组更microadjustments执行,特别是在第二个摇臂的阶段。当跟骨接触地板在立场早期阶段,肌肉骨骼结构的脚和脚踝立即接受力;踝关节周围的韧带需要协调工作提供稳定的支持。在拼箱的情况下受伤的脚踝,协调可能部分干扰,这样可能会导致我们观察到病人的microadjustments立场早期阶段(表3和4)。随着体重,microadjustments转变的中心从近端到远端肢体和回前脚(表5)。

越来越多的microadjustments中观察到的立场阶段LCL-injury病人是一个了不起的新发现在这项研究中。先前的调查人员发现,患有慢性踝关节不稳定平衡赤字以显示运动平衡分析(19,20.]。Konradsen等人表明,前馈机制或激活是至关重要的在准备联合加载肌肉preactivation影响关节刚度(21]。反馈循环中也发挥着同样重要的作用进行快速的调整在散步,和任何赤字前馈和/或反馈机制导致受损神经肌肉控制22- - - - - -25]。本体感觉丧失患者踝关节不稳定也扰乱了他们的即时检测关节位置(26,27]。受损神经肌肉控制造成拼箱受伤的脚踝然后地方患者维持脚踝扭伤的危险,和一个不适应的脚在地板上碰下来之前的位置会导致脚踝re-injury [28,29日]。

其他证据相结合以前的研究和我们的发现,我们提供一个更全面的解释为什么有些患者经常扭脚踝后再第一次受伤。前馈和反馈循环LCL-injury患者缺乏会导致越来越多的microadjustments脚的行走姿态阶段早期,当干扰发生由于不均匀地形或意外扰动,可能发生关节反复(30.]。

当前的研究的另一个有趣的发现是不同的速度资料的患者在早期阶段。如图4,患者显示速度低于对照组,特别是从前脚(图4第四和第五行),而膝盖速度资料的患者与对照组类似在摆动阶段(图4第一行)。这些结果表明,有一些潜在的保护机制在降低的速度的摆动阶段的早期的距下关节LCL-injured病人。

4.1。影响

知识从microadjustments分析在这项研究可以帮助我们设计防护措施LCL-injury患者在早期的立场阶段,如设计一个特殊缓冲释放力和跟骨后加载接触到地板。我们还可以使用microadjustments作为衡量评价外科干预的结果。

时空的步态特征的详细描述也会改善我们的未来韧带损伤的识别模式的尝试使用人工智能技术(31日- - - - - -33]。例如,multisegmental,收集的三维运动数据HFMM可以通过机器学习/分析深度学习算法。我们预计,在未来,特定的时空和运动学特征HFMM将支持智能评估基于病人步态运动函数的差异,从而为患者提供治疗咨询韧带损伤。

4.2。限制

当前分析需要解决的一些局限性,第一个来自我们的参与者。患者和对照组的年轻男性。因此,未来需要增加样本容量,应该包括女性患者和对照组。第二个限制是,参与者只是要求走在平坦的表面没有添加一个楼梯,像大多数其他步态的研究已经完成34,35]。这两个因素限制我们的研究结果的普遍性,因此必须小心谨慎,将我们的研究结果应用于其他gait-study设置。

5。结论

拼箱我们的研究结果显示,患者受伤的脚踝短步幅,显示在步态周期的步幅放缓,microadjustments比对照组多。上述观测是更重要的在第二个摇臂比其他摇滚/展开阶段阶段。来自速度资料的证据表明,韧带损伤患者需要更多的肌肉骨骼microadjustments保持身体平衡,但这些调整也可能是由于二次伤害。精确的描述时空的步态特征因此我们理解运动控制的关键在运动,也可以作为手术和康复管理评估工具。

数据可用性

本研究进行了运动分析实验室的北京大学第三医院。的数据在我们的研究中并不是免费的,因为病人隐私。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

XL负责方法、软件、形式分析,原创作品草案,和资金收购;BZ概念化的方法,原创作品草稿,writing-review &编辑和监督;路上的概念化和数据管理;YY的资源;ZZ可视化;AW形式分析,项目管理和资金收购;和DZ的调查和验证。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号61801019);科学技术部的中华人民共和国(批准号2019 zx04003001 - 006);中国学术委员会(批准号201906465021);北京市科学技术协会(批准号137862);和北京科技大学(格兰特数字FRF-DF-20-04和降维- bd - 19 - 012 a)。