不同坡度與速度走跑運(yùn)動(dòng)下肢剛度特征分析

袁 川，廖方萍，楊世軍，彭 彪，陳慶果

?

不同坡度與速度走跑運(yùn)動(dòng)下肢剛度特征分析

袁 川，廖方萍，楊世軍，彭 彪，陳慶果

四川師范大學(xué)體育學(xué)院，四川 成都，610101。

研究目的：分析不同坡度和速度條件下走跑運(yùn)動(dòng)下肢剛度特征，并探討其與運(yùn)動(dòng)損傷的關(guān)聯(lián)性。研究方法：選取8名男性受試者在跑臺(tái)上分別完成3種速度下的7種坡度走跑運(yùn)動(dòng)，每個(gè)階段為期4min。利用VICON紅外三維運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)采集受試者動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。根據(jù)彈簧質(zhì)量模型來計(jì)算垂直剛度（Kvert）和腿剛度（Kleg）。并用方差分析對(duì)不同坡度和速度間的時(shí)空參數(shù)、下肢剛度差異性進(jìn)行比較，對(duì)各參數(shù)與下肢剛度的相關(guān)性進(jìn)行分析。研究結(jié)果：不同速度的走跑運(yùn)動(dòng)的步頻、步長、Tf、Tc均存在顯著性差異，P<0.01；在不同坡度條件下，Tf和Tc存在顯著性差異P<0.01，而步頻（P=0.96）和步長（P=0.75）并沒有顯著性差異。不同坡度和速度之間Kvert和Kleg存在顯著性差異，P<0.01，并且隨著坡度和速度的增加Kvert和Kleg呈現(xiàn)遞增現(xiàn)象，速度越大其上升幅度約大。經(jīng)Pearson相關(guān)檢驗(yàn)表明，下肢長和體重與Kvert和Kleg相關(guān)性極低，R<0.1，而跑速、Tf呈高度正相關(guān)（R>0.7），Tc則呈高度負(fù)相關(guān)（R=-0.89）。結(jié)論：垂直剛度和腿剛度隨著坡度和速度的增加而增加，并且騰空時(shí)間與下肢剛度呈高度正相關(guān)，接觸時(shí)間則相反呈高度負(fù)相關(guān)。同時(shí)在上坡跑中更容易出現(xiàn)應(yīng)力性骨損傷，而下坡跑中更容易出現(xiàn)軟骨組織、韌帶和骨骼肌損傷。

上坡跑；下坡跑；下肢剛度；VICON紅外三維運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)；運(yùn)動(dòng)損傷

隨著現(xiàn)代生活觀念的進(jìn)步，越來越多的人們認(rèn)識(shí)到了體力活動(dòng)對(duì)諸多慢性疾病的重要性[1]。在全球運(yùn)動(dòng)健身熱潮的環(huán)境下，走跑運(yùn)動(dòng)因其簡單可行、經(jīng)濟(jì)，并且具有明顯改善新陳代謝、增進(jìn)健康的特點(diǎn)，被眾多鍛煉愛好者所推崇且作為首選健身方式之一?，F(xiàn)如今人們參與鍛煉的方式不再只是局限于傳統(tǒng)項(xiàng)目，馬拉松跑、越野跑、戶外跑等這種區(qū)別于傳統(tǒng)跑步方式的鍛煉方式興起[2,3]。不難發(fā)現(xiàn)這些運(yùn)動(dòng)方式不僅是時(shí)間和距離的極大延長，更重要的是其跑道條件發(fā)生了變化，從水平面向各種坡度的轉(zhuǎn)化，尤其是一些超馬和越野跑比賽中海拔變化在1000m至5000m不等[4,5]。因此，對(duì)于不同運(yùn)動(dòng)環(huán)境（在此我們定義為不同坡度條件）走跑運(yùn)動(dòng)的下肢生物力學(xué)機(jī)制進(jìn)行研究顯得尤為重要。

在此，對(duì)于這些問題的研究近年來成為了國內(nèi)外生物力學(xué)研究的重點(diǎn)，其中下肢剛度（Lower Extremity Stiffness）更是熱點(diǎn)內(nèi)容[6]。在現(xiàn)實(shí)生活的簡單運(yùn)動(dòng)中，肢體需要一定的剛度水平來優(yōu)化各環(huán)節(jié)縮短拉伸的效率[7]，以此減少肌肉骨骼損傷的風(fēng)險(xiǎn)[8]。具體的來說就是，過高的剛度與各環(huán)節(jié)的骨損傷、過低的剛度與軟組織的損傷存在明顯關(guān)聯(lián)性[9]。然而當(dāng)前用于走跑運(yùn)動(dòng)最合適的剛度值還無法界定，并且存在較大個(gè)體差異。與此同時(shí)，在戶外跑、越野跑中，坡度和速度頻繁的變化使人機(jī)體產(chǎn)生明顯的生理學(xué)和生物力學(xué)的變化，例如跑速、步態(tài)的時(shí)空參數(shù)[10]、縮短拉伸的周期[11]、能耗等等[12]。而恰恰下肢剛度與這些參數(shù)的變化存在緊密聯(lián)系，因此，對(duì)于不同坡度條件下的走跑運(yùn)動(dòng)機(jī)體剛度的研究具有特別意義。能為了解人類如何應(yīng)對(duì)環(huán)境變化而做出相應(yīng)的適應(yīng)性改變、為人們進(jìn)行走跑類運(yùn)動(dòng)鍛煉或訓(xùn)練、預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷提供有力的幫助，以此調(diào)整適合的高或低的剛度來實(shí)現(xiàn)性能表現(xiàn)的最大化。

因此，本研究采用垂直剛度（Kvert）和腿剛度（Kleg）對(duì)不同坡度下走跑運(yùn)動(dòng)剛度進(jìn)行分析。前者主要用于表示整個(gè)身體剛度和確定地面反作用力以及質(zhì)心與垂直位移之間的關(guān)系；后者則更進(jìn)一步的表示機(jī)體復(fù)雜剛度的特性，描繪地面反作用力與下肢形變的關(guān)系[7，13]。力求分析不同坡度下機(jī)體剛度的特征并尋找其與運(yùn)動(dòng)損傷的內(nèi)在聯(lián)系，從而豐富走跑運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的理論知識(shí)。

1 研究方法

1.1 研究對(duì)象

本研究選取8名男性運(yùn)動(dòng)鍛煉愛好者（詳情見表1），要求受試者沒有經(jīng)過專門性坡度跑訓(xùn)練，沒有明顯內(nèi)翻或外翻腿，下肢無損傷或疾病、無手術(shù)史，無生理心理異常表現(xiàn)。測試一周前無大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)，并且在測試前簽訂測試知情同意書。

表1 受試者基本信息一覽表

1.2 研究方案

測試前利用身高體重測試儀、體成分分析儀進(jìn)行基本信息測試，利用游標(biāo)卡尺和卷尺測量下肢長度（同側(cè)髂前上棘到內(nèi)踝點(diǎn)）、踝寬、膝寬。嚴(yán)格按照VICON紅外三維運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)要求對(duì)受試者粘貼標(biāo)志點(diǎn)（本研究采用下肢16個(gè)標(biāo)志點(diǎn)模式）、布置測試環(huán)境和測試軟件系統(tǒng)的校檢、定標(biāo)和靜態(tài)采集。在正式測試前要求受試者按標(biāo)準(zhǔn)熱身10min，并對(duì)每個(gè)測試內(nèi)容進(jìn)行熟悉。經(jīng)過調(diào)整休息后受試者在跑臺(tái)上分別完成為期4分鐘0%、+7%、+10.5%、+14.1%、-7%、-10.5%和-14.1%共7種坡度條件下6km/h、8km/h、10km/h的3種速度走跑運(yùn)動(dòng)，每個(gè)測試階段間隔5min。跑速和坡度由運(yùn)動(dòng)跑臺(tái)系統(tǒng)調(diào)節(jié)。所有受試者均著輕質(zhì)專業(yè)運(yùn)動(dòng)跑步鞋。

1.3 測試儀器設(shè)備

測試場地為四川師范大學(xué)體育學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心VICON三維紅外運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)測試環(huán)境。主要測試儀器有：Vivente body Composition Analyzer體脂成份測量儀、身高體重測試儀（恒康佳業(yè)HK-6000）、VICON紅外三維運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)（Vicon Nexus 2.3）專業(yè)運(yùn)動(dòng)跑臺(tái)（德國h/p/cosmos），其中VICON配備6臺(tái)V系列紅外攝像機(jī)（MX-T40-S）分別架設(shè)在測試環(huán)境四周，其采樣頻率最高為350HZ（本研究選用100HZ采樣頻率）。

1.4 參數(shù)的計(jì)算

綜合考慮本研究的各種因素最后選定傳統(tǒng)剛度計(jì)算方式，即由Morin等人[14，15]根據(jù)彈簧質(zhì)量模型采用正弦波模型Tc（接觸時(shí)間）、Tf（騰空時(shí)間）、步頻f、速度V、身體質(zhì)量（m）和下肢長度（L，赤腳直立姿態(tài)測量的大轉(zhuǎn)子到地面之間的距離）來推算下肢直剛度，其中Tc、Tf、f、V等參數(shù)均由VICON系統(tǒng)分析得出。

垂直剛度計(jì)算：垂直剛度（kvert，kN/m）計(jì)算為最大垂直力（Fmax，kN）與質(zhì)心位移（Dy，m）之間的比率，如公式（1）、（2）、（3）所示。

腿剛度計(jì)算：腿剛度（Kleg，KN/m）計(jì)算為Fmax和下肢最大形變的比值，即與腿彈簧壓縮（DL，m）之間的比，如公式（4）、（5）所示。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理選用每個(gè)階段十個(gè)完整連續(xù)步伐作為數(shù)據(jù)分析對(duì)象，在此我們將一個(gè)完整的步態(tài)定義為同側(cè)腳離地瞬間（跑步周期的開始）到第二次離地瞬間（跑步周期的結(jié)束）為一個(gè)完整步伐周期[16]。在本研究中，數(shù)據(jù)均采用`x±SD表示。研究利用各設(shè)備儀器所導(dǎo)出數(shù)據(jù)均用SPSS22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。其中包括受試者基本信息的均數(shù)統(tǒng)計(jì)；下肢剛度值（Kvert和Kleg）的計(jì)算；不同坡度和速度下時(shí)空參數(shù)、下肢剛度值的均數(shù)比較（單因素方差分析）；下肢剛度值與各變量的相關(guān)性分析（Pearson相關(guān)）；以及相關(guān)圖表的制作。

2 研究結(jié)果

2.1 不同坡度環(huán)境走跑運(yùn)動(dòng)下肢時(shí)空參數(shù)特征比較

各運(yùn)動(dòng)環(huán)境下的走跑運(yùn)動(dòng)的時(shí)空參數(shù)（步頻、步長、騰空時(shí)間和觸地時(shí)間）以及差異性分析結(jié)果在表2和表3呈現(xiàn)。其中不同速度的走跑運(yùn)動(dòng)的步頻、步長、Tf、Tc均存在顯著性差異，P<0.01；隨著跑步速度的增加步頻和Tc減小，而步長和Tf明顯增加。在不同坡度條件下，步頻（P=0.96）和步長（P=0.75）并沒有顯著性差異，而Tf和Tc存在顯著性差異，P<0.01。從圖1顯示，除了6km/h速度下的快走以外，隨著坡度的下降，Tf逐級(jí)減小，Tc逐級(jí)增加，同時(shí)Tf和Tc隨著跑步速度的增加其差異程度越大。但事后多重比較結(jié)果表明，Tf和Tc不是全都呈顯著性變化，在由水平面向上坡或下坡轉(zhuǎn)變時(shí)其變化程度最高。

表2 不同不坡度和速度下肢時(shí)空參數(shù)一覽表（一）

注： P值表示單因素方差分析及事后多重比較；其中*表示P<0.05 具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，**表示P<0.01非常具有統(tǒng)計(jì)學(xué)有意義；小數(shù)點(diǎn)前一位“0”數(shù)值全文統(tǒng)一做省略處理。

圖1 不同坡度間走跑運(yùn)動(dòng)Tf和Tc差異程度

2.2 不同坡度和速度走跑運(yùn)動(dòng)最大垂直力、下肢形變、質(zhì)心位移特征

方差分析表明，不同坡度和不同速度之間Fmax、DL、Dy均存在顯著性差異，P<0.01（詳情見表4）。其中DL、Dy隨著坡度和速度逐級(jí)遞減，F(xiàn)max逐級(jí)遞增。并且在從6km/h到8km/h轉(zhuǎn)變過程中（即從走過度到跑的過程），F(xiàn)max、DL、Dy變化程度最明顯。

表4 不同坡度和速度下最大垂直力、下肢形變長度、質(zhì)心位移一覽表

2.3 不同坡度和速度環(huán)境走跑運(yùn)動(dòng)下肢剛度特征

圖2和圖3分別展示了Kvert和Kleg在不同坡度和速度環(huán)境下走跑運(yùn)動(dòng)的平均值變化趨勢。不同坡度和速度之間Kvert和Kleg存在顯著性差異，P<0.01。并且隨著坡度和速度的增加Kvert和Kleg呈現(xiàn)遞增現(xiàn)象，速度越大其上升幅度越大，兩者之間變化趨勢基本一致。也就是說上坡走跑運(yùn)動(dòng)的Kvert和Kleg明顯高于水平條件的走跑運(yùn)動(dòng)，下坡則相反；高速運(yùn)動(dòng)Kvert和Kleg明顯高于低速。

圖2 不同坡度和速度環(huán)境下Kvert特征

圖3 不同坡度和速度環(huán)境下Kleg特征

圖4反應(yīng)了Kvert和Kleg不同坡度之間具體差異程度，事后多重比較結(jié)果表明并不是所有坡度之間的差異都具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，例如6km/h速度下的各級(jí)下坡之間并沒有顯著性差異P>0.05。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，在0%到±7.0%坡度之間的差異程度最大，隨著坡度的增加其差異程度逐漸減少。

圖4 不同坡度之間Kvert和Kleg差異程度特征

2.4 不同坡度環(huán)境與下肢剛度相關(guān)性

表5 Kvet、Kleg與坡度和速度相關(guān)性分析

表5展示了下肢長度、體重、坡度、跑速等諸多因素與Kvert和Kleg相關(guān)性。經(jīng)Pearson相關(guān)檢驗(yàn)表明，下肢長和體重與Kvert和Kleg相關(guān)性極低，R<0.1，而跑速、Tf呈高度正相關(guān)（R>0.7），Tc則呈高度負(fù)相關(guān)（R=-0.89），同時(shí)坡度也呈現(xiàn)顯著性正相關(guān)（R>0.25）。其中Tf與坡度呈中度負(fù)相關(guān)（R=-0.46）、與跑速呈中度正相關(guān)（R=0.48），Tc與坡度呈較低正相關(guān)（R=-0.23）、而與跑速則呈高度負(fù)相關(guān)（R=-0.90）。

3 討論分析

3.1 研究設(shè)計(jì)分析

本研究利用三維紅外運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)對(duì)不同坡度和速度間走跑運(yùn)動(dòng)的下肢剛度特征進(jìn)行分析。由于當(dāng)前對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中的人體剛度值并沒有簡單方便的直接測量方法，因此本研究采用Morin等人[14、15]根據(jù)彈簧質(zhì)量模型采用正弦波模型來估算運(yùn)動(dòng)中的下肢剛度。該方法被諸多研究所認(rèn)可和采用[6、10]，因而可以滿足本研究的研究目的。同時(shí)三維紅外運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)是當(dāng)前生物力學(xué)、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中最常用的設(shè)備儀器[17]，為本研究的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的采集提供有力的硬件、軟件支撐。并且基于當(dāng)前大眾健身的現(xiàn)狀和前人的研究而設(shè)計(jì)了7種坡度條件下的6km/h、8km/h、10km/h走跑運(yùn)動(dòng)[18]。

3.2 不同坡度走跑運(yùn)動(dòng)中下肢剛度特征分析

在本研究中發(fā)現(xiàn)，Kvert和Kleg隨著坡度的增加而增加，這一現(xiàn)象很大程度上可以由不同坡度跑的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征來解釋。例如有研究表明在下坡跑中會(huì)有更大的膝屈[12]，以此增加機(jī)械緩沖而減弱地面所帶來的沖擊力[19]，而支撐期膝屈的增加可以明顯增加質(zhì)心垂直方向位移和下肢形變，根據(jù)彈簧質(zhì)量模型對(duì)下肢剛度的預(yù)測也就可以對(duì)下坡跑步時(shí)Kvert和Kleg更小的現(xiàn)象做出一定的解釋了。再者在本研究結(jié)果中發(fā)現(xiàn)下肢剛度與騰空時(shí)間和落地時(shí)間的相關(guān)性在0.7以上，也就是說Tf、Tc是影響下肢剛度大小的主要因素之一，當(dāng)然是在排除非正常走跑運(yùn)動(dòng)情況下。與而在其他研究表明在下坡跑中跑步者會(huì)趨向于使用腳中部著地的方式[20]，而這種著地方式的改變也就直接導(dǎo)致了Tc的增加[21]，從而使得Kvert和Kleg減小。再者，從動(dòng)力學(xué)因素來講，諸多研究表明[22,23]，相比水平和上坡跑，下坡跑對(duì)下肢的沖擊力影響更大，即導(dǎo)致減震效果的減弱，亦或者增加下肢的振動(dòng)頻率。為此機(jī)體跑步過程中會(huì)改變著地方式、膝屈程度、步頻步長等以此增加減震效果保護(hù)運(yùn)動(dòng)單位[24]，同時(shí)地面的沖擊力很大程度由下肢剛度決定[25,26]，基于這些解釋便可以很大程度上說明坡度與Kvert和Kleg呈正相關(guān)的原因。

在相關(guān)性分析中（表5）我們了解，除了坡度以外速度也是影響下肢剛度主要因素。在圖2和圖3中我們發(fā)現(xiàn)隨著速度的增加Kvert和Kleg顯著增加，這一結(jié)果與一些研究基本相同[27,28]，但值得注意的是速度對(duì)Kvert比對(duì)Kleg影響更大[29]。下肢剛度的影響歸根結(jié)底還是首先對(duì)跑步過程下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響。隨著跑速的增加，支撐期的時(shí)間減少，其推進(jìn)力明顯增加，對(duì)地面的沖擊力增加[30]，與本研究Fmax與Tc結(jié)果一致。運(yùn)動(dòng)員在跑步過程中隨著速度的增加需要更大的下肢剛度來對(duì)抗更強(qiáng)的沖擊力[31]，同時(shí)在支撐階段期間要使質(zhì)心產(chǎn)生足夠的動(dòng)量來滿足向前推進(jìn)力的需求，而這個(gè)推進(jìn)力隨著跑速的增加也隨著增加，這時(shí)機(jī)體則通過增加下肢剛度以此保障推進(jìn)力[31]，以此來維持合適的跑步姿態(tài)。當(dāng)然值得注意的是在本研究中由于受試者是在設(shè)定的恒定速度條件下，在上坡或下坡跑中受試者為了應(yīng)對(duì)不同坡度的要求而產(chǎn)生生物力學(xué)參數(shù)適應(yīng)性改變，從而產(chǎn)生較大的下肢剛度差異。

3.3 下肢剛度與運(yùn)動(dòng)損傷分析

下肢剛度從其最簡單的定義來講就是身體的形變和作用力之間的關(guān)系，是肌肉、骨骼工作性能的重要因素。然而，在機(jī)體運(yùn)動(dòng)過程中似乎存在一個(gè)最佳剛度值或范圍，能兼顧對(duì)機(jī)體的保護(hù)和性能發(fā)揮。但是這兩者通常來說很難達(dá)到平衡，因?yàn)橹T多研究表明過大或過小的剛度均會(huì)增加運(yùn)動(dòng)損失的風(fēng)險(xiǎn)或者影響運(yùn)動(dòng)單位性能的發(fā)揮[32,33]。

大多數(shù)學(xué)者都認(rèn)為人體的剛度主要是由于骨骼肌、肌腱、韌帶、軟骨組織和骨骼的聯(lián)合系統(tǒng)構(gòu)成[34]，因而與此有關(guān)的損傷通常也作用于這些部位。例如在一項(xiàng)對(duì)足球運(yùn)動(dòng)員的研究中發(fā)現(xiàn)較高的下肢剛度和腘繩肌剛度是造成腘繩肌運(yùn)動(dòng)損傷決定性因素，降低其剛度值能有效減少損傷發(fā)生率[8]；再如高足弓運(yùn)動(dòng)員通常表現(xiàn)出更高的腿部剛度，其骨損傷發(fā)病率顯著更高，而較低足弓者或減少腿部剛度在跑步中更多的經(jīng)歷過軟骨組織損傷[35]。在本研究中，無論垂直剛度還是腿剛度都表現(xiàn)出上坡跑明顯大與水平跑、下坡跑明顯低于水平跑，這也就很大程度上可以說明通常相比水平跑步而言，下坡跑或上坡跑更容易出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)損傷的現(xiàn)象。

具體的來說下肢剛度的變化帶來的直接表現(xiàn)是下肢動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的變化[36]，而研究也表明這些變化是下肢出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)損傷的一個(gè)重要因素[37]。有研究表明腿剛度的增加與下肢運(yùn)動(dòng)幅度減少、作用力峰值增加相關(guān)聯(lián)，從而增加下肢的負(fù)荷率[44]。此外，增加的峰值力、負(fù)荷率被認(rèn)為是骨損傷的重大風(fēng)險(xiǎn)因素，如膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎和應(yīng)力骨折；同時(shí)骨骼應(yīng)力破裂患者表現(xiàn)出地面反作用力峰值增加，進(jìn)而增加了下肢剛度[38，39]。同時(shí)在本研究中發(fā)現(xiàn)上坡跑的最大垂直力明顯大于下坡跑，與下肢剛度值呈正相關(guān)，這也就更加說明這些潛在運(yùn)動(dòng)損傷因素將更容易出現(xiàn)在上坡跑中，是運(yùn)動(dòng)員應(yīng)該警惕的地方。

過低的下肢剛度同樣也是跑步中運(yùn)動(dòng)損傷的另一個(gè)重要因素。例如有研究發(fā)現(xiàn)過低的剛度會(huì)使得關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍過度增加，從而加重軟組織損傷患病率[40]，再者女性運(yùn)動(dòng)員通常比男性表現(xiàn)出更低的下肢剛度，因而其膝韌帶損傷發(fā)病率更高。這在本研究結(jié)果中有所體現(xiàn)，在下坡跑過程中受試者表現(xiàn)出更大腿長變化和質(zhì)心位移，也就是說下肢關(guān)節(jié)在支撐期有著更大的關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)角度，這也許是下坡跑出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)損傷解釋之一。此外，過低的剛度運(yùn)動(dòng)員通常表現(xiàn)出身體輸出力量不足，進(jìn)而不能維持完成動(dòng)作的需求，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)損傷[8]。而對(duì)于運(yùn)動(dòng)損傷患者，有研究表明改變鞋子種類（采用極簡鞋）能有效減小下肢剛度，從而使得騰空-著地過程更為平緩，能有效緩解足骨髓水腫癥狀[41]。通常來說運(yùn)動(dòng)損傷容易出現(xiàn)在長時(shí)間運(yùn)動(dòng)疲勞后[42]，而且有研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)疲勞會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)過程中下肢剛度下降，使得十字交叉韌帶損傷患病風(fēng)險(xiǎn)增加[43]。在本研究中可以發(fā)現(xiàn)過低的剛度更容易出現(xiàn)在下坡跑中，這些為下坡跑更容易出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)損傷提供了有力的解釋。當(dāng)然簡單的來說下坡跑之所以容易出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)損傷是因?yàn)橄缕屡芟轮∪庑枰罅康碾x心收縮，尤其是股四頭肌，而長期重復(fù)性的離心運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致骨骼肌過度使用損傷，如骨骼肌細(xì)胞或纖維損傷的累積，神經(jīng)、血管損傷和肌束膜纖維化等[45,46]。

4 結(jié) 論

不同坡度和速度間下肢剛度存在顯著性差異，速度和坡度越大下肢剛度越高，相比水平跑上坡跑明顯更大，下坡跑明顯更小。騰空時(shí)間和接觸時(shí)間與下肢剛度關(guān)聯(lián)性最大，騰空時(shí)間與下肢剛度呈正相關(guān)，接觸時(shí)間則相反呈負(fù)相關(guān)。在上坡跑中更容易出現(xiàn)骨損傷，下坡跑中更容易出現(xiàn)軟骨組織、韌帶和骨骼肌損傷。

[1] 中國衛(wèi)生統(tǒng)計(jì)年鑒[EB/OL]. http://www.moh.gov.cn/ publicfiles/business/htmlfiles/zwgkzt/ptjnj/year2010/index2010.html.

[2] 肖年樂，朱桂華，銀麗麗，等. 廈門國際馬拉松賽發(fā)展研究[J]. 2014.（10）：98~101.

[3] 胡秉嬌，晁岳剛，翟麗娟. 中美大學(xué)生戶外運(yùn)動(dòng)現(xiàn)狀的調(diào)查和比較研究[J]. 山東體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，24（12）：82~85.

[4] VERNILLO G, SAVOLDELLI A, ZIGNOLI A, et al. Influence of the world’s most challenging mountain ultra-marathon on energy cost and running mechanics[J]. European journal of applied physiology, 2014, 114(5): 929~939.

[5] VERNILLO G, RINALDO N, GIORGI A, et al. Changes in lung function during an extreme mountain ultramarathon[J]. Scandinavian journal of medicine & science in sports, 2015, 25(04): 374~380.

[6] 劉 宇, 魏 勇. 運(yùn)動(dòng)科學(xué)領(lǐng)域的下肢剛度研究[J]. 上海體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，32（05）：31~35.

[7]KUBO K, KAWAKAMI Y, FUKUNAGA T. Influence of elastic properties of tendon structures on jump performance in humans[J]. Journal of applied physiology, 1999, 87(06): 2 090~2 096.

[8] WATSFORD M L, MURPHY A J, MCLACHLAN K A, et al. A prospective study of the relationship between lower body stiffness and hamstring injury in professional Australian rules footballers[J]. The American journal of sports medicine, 2010, 38（10）: 2 058~2 064.

[9] MCMAHON J J, COMFORT P, PEARSON S. Lower limb stiffness: considerations for female athletes[J]. Strength & Conditioning Journal, 2012, 34(05): 70~73.

[10] LUSSIANA T, HéBERT-LOSIER K, MOUROT L. Effect of minimal shoes and slope on vertical and leg stiffness during running[J]. Journal of Sport and Health Science, 2015, 4(02): 195~202.

[11] SNYDER K L, FARLEY C T. Energetically optimal stride frequency in running: the effects of incline and decline[J]. Journal of Experimental Biology, 2011, 214(12): 2 089~2 095.

[12] LUSSIANA T, FABRE N, HéBERT‐LOSIER K, et al. Effect of slope and footwear on running economy and kinematics[J]. Scandinavian journal of medicine & science in sports, 2013, 23(04): 246~253.

[13] MCMAHON T A, CHENG G C. The mechanics of running: how does stiffness couple with speed?[J]. Journal of biomechanics, 1990, 23: 65~78.

[14] MORIN J B, JEANNIN T, CHEVALLIER B, et al. Spring-mass model characteristics during sprint running: correlation with performance and fatigue-induced changes[J]. International journal of sports medicine, 2006, 27(02): 158~165.

[15] MORIN J B, DALLEAU G, KYROLAINEN H, et al. A simple method for measuring stiffness during running[J]. J Appl Biomech, 2005, 21(02): 167~180.

[16] DEVITA P. The selection of a standard convention for analyzing gait data based on the analysis of relevant biomechanical factors[J]. Journal of biomechanics, 1994, 27(04): 501~508.

[17] MELDRUM D, SHOULDICE C, JONES K, et al. A study to investigate the reliability of computerised analysis of human gait using VICON motion analysis system[J]. Gait & Posture, 2012, 36: S80.

[18] VERNILLO G, GIANDOLINI M, EDWARDS W B, et al. Biomechanics and physiology of uphill and downhill running[J]. Sports Medicine, 2016: 1~15.

[19] DERRICK TR, HAMILL J, CALDWELL GE. Energy absorption of impacts during running at various stride lengths. Med Sci Sports Exerc 1998; 30: 128~135.

[20] SHIH Y, LIN K L, SHIANG T Y. Is the foot striking pattern more important than barefoot or shod conditions in running?[J]. Gait & posture, 2013, 38(03): 490~494.

[21] GOSS DL, GROSS MT. A review of mechanics and injury trends among various running styles. US Army Med Dep J 2012: 62~71.

[22] HAMILL C L, CLARKE I E, FREDERICK E G, et al. EFFECTS OF GRADE RUNNING ON KINEMATICS AND IMPACT FORCE[J]. Medicine & Science in Sports & Exercise, 1984, 16(02): 184.

[23] SHORTEN M R, WINSLOW D S. Spectral analysis of impact shock during running[J]. International Journal of Sport Biomechanics, 1992, 8: 288~288.

[24] GOTTSCHALL J S, KRAM R. Ground reaction forces during downhill and uphill running[J]. Journal of biomechanics, 2005, 38(03): 445~452.

[25] GERRITSEN K G M, VAN DEN BOGERT A J, NIGG B M. Direct dynamics simulation of the impact phase in heel-toe running[J]. Journal of biomechanics, 1995, 28(06): 661~668.

[26] LIU W, NIGG B M. A mechanical model to determine the influence of masses and mass distribution on the impact force during running[J]. Journal of biomechanics, 2000, 33(02): 219~224.

[27] DERRICK T R，CALDWELL G E，HAMILL J. Modeling the stiffness characteristics of the human body while running with various stride length[J]. J Appl Biomech，2000(16)：36~51.

[28] KUITUNEN S，KYR?L?INEN H，AVELA J，et al. Leg stiffness modulation during exhaustive stretch-shortening cycle exercise[J]. J Med Sci Sports，2007(17)：67~75.

[29] BRUGHELLI M, CRONIN J. Influence of running velocity on vertical, leg and joint stiffness[J]. Sports Medicine, 2008, 38(08): 647~657.

[30] MINETTI A E, ARDIGO L P, SAIBENE F. Mechanical determinants of the minimum energy cost of gradient running in humans[J]. Journal of Experimental Biology, 1994, 195(01): 211~225.

[31] KIM S, PARK S. Leg stiffness increases with speed to modulate gait frequency and propulsion energy[J]. Journal of biomechanics, 2011, 44(07): 1 253~1 258.

[32] KERDOK A E, BIEWENER A A, MCMAHON T A, et al. Energetics and mechanics of human running on surfaces of different stiffnesses[J]. Journal of Applied Physiology, 2002, 92(02): 469~478.

[33] SEYFARTH A, GEYER H, GüNTHER M, et al. A movement criterion for running[J]. Journal of biomechanics, 2002, 35(05): 649~655.

[34] LATASH M L, ZATSIORSKY V M. Joint stiffness: Myth or reality?[J]. Human movement science, 1993, 12(06): 653~692.

[35] WILLIAMS D S, MCCLAY DAVIS I, SCHOLZ J P, et al. Lower extremity stiffness in runners with different foot types[J]. Gait and posture, 2003.

[36] ERNST G P, SALIBA E, DIDUCH D R, et al. Lower-extremity compensations following anterior cruciate ligament reconstruction[J]. Physical Therapy, 2000, 80(03): 251.

[37] HRELJAC A, MARSHALL R N, HUME P A. Evaluation of lower extremity overuse injury potential in runners[J]. Medicine and science in sports and exercise, 2000, 32(09): 1 635~1 641.

[38] HENNIG E M, LAFORTUNE M A. Relationships between ground reaction force and tibial bone acceleration parameters[J]. International Journal of Sport Biomechanics, 1991, 7(03): 303~309.

[39] GRIMSTON S K, ENGSBERG J R, KLOIBER R, et al. Bone mass, external loads, and stress fracture in female runners[J]. International Journal of Sport Biomechanics, 1991, 7(03): 293~302.

[40] BURR D B, MARTIN R B, SCHAFFLER M B, et al. Bone remodeling in response to in vivo fatigue microdamage[J]. Journal of biomechanics, 1985, 18(03): 189~200.

[41] GRANATA K P, PADUA D A, WILSON S E. Gender differences in active musculoskeletal stiffness. Part II. Quantification of leg stiffness during functional hopping tasks[J]. Journal of Electromyography and Kinesiology, 2002, 12(02): 127~135.

[42] RIDGE S T, JOHNSON A W, MITCHELL U H, et al. Foot bone marrow edema after 10-week transition to minimalist running shoes[J]. Medicine and science in sports and exercise, 2013, 45(07): 1 363~1 368.

[43] HRELJAC A. Impact and overuse injuries in runners[J]. Medicine and science in sports and exercise, 2004, 36(05): 845~849.

[44] PADUA D A, ARNOLD B L, PERRIN D H, et al. Fatigue, vertical leg stiffness, and stiffness control strategies in males and females[J]. Journal of Athletic Training, 2006, 41(03): 294.

[45] 張學(xué)林，高曉娟，史冀鵬，等. 離心運(yùn)動(dòng)引起骨骼肌過度使用損傷機(jī)理研究[J]. 中國運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)雜志，2013，31（12）：1 064~1 074.

[46] 金其貫，劉 霞，李淑艷，等. 反復(fù)離心運(yùn)動(dòng)致骨骼肌超微結(jié)構(gòu)變化的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 西安體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，27（04）：453~456.

The Characteristics Analysis of Lower Extremity Stiffness of Walking and Running in Different Slope or Velocity

YUAN Chuan, LIAO Fangping, YANG Shijun, et al

P. E. Dept. Sichuan Normal University, Chengdu Sichuan,610101, China.

Objective: The aim of this study was to analyze the lower extremities stiffness characteristics of walking and running under different slope and velocity conditions, and to investigate the association between lower extremities stiffness and sports injury. Methods: In this study, eight male subjects were selected to complete walking and running at seven kinds of speed under the seven kinds of slope on the treadmill respectively, and each stage for 4 minutes. The dynamic and kinematic parameters of the subjects were collected by Vicon Sports-captured analysis system. According to the spring mass model to calculate the vertical stiffness（Kvert）and leg stiffness（Kleg）.Results: The different velocity of walking and running have significant difference in step frequency, step length, contact time and flight time, P<0.01. There was significant difference between contact time and flight time under different slope conditions, P<0.01.While between step frequency（P=0.96）and step length（P=0.75）there was no significant difference. There was significant difference between Kvert and Kleg in different slope and velocity, P<0.01. And with the increase of slope and velocity, Kvert and Kleg showed increasing phenomenon, the greater the velocity, the greater the increase. The Pearson test shows that the correlation between lower limb length and body weight and Kvert and Kleg is extremely low ,R<0.1, while the running speed and flight time were highly positive correlation（R>0.7）, and contact time was highly negative correlation（R=-0.89）.Conclusions: The vertical stiffness and leg stiffness increase with the increase of slope and speed. And the flight time and the lower extremity stiffness was highly positive correlation. In contrast, the contact time was highly negative correlation. At the same time, it is more prone to stress bone injury in the uphill running, and it is more prone to damage of cartilage, ligament and skeletal muscle.

Uphill Running；Downhill Running; Lower Extremity Stiffness; Vicon Sports-Captured System; Sports Injury

1007―6891（2018）02―0033―07

10.13932/j.cnki.sctykx.2018.02.09

A

2017-12-21

2018-01-08

四川省科技廳科研項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2015ZR0214；四川師范大學(xué)校級(jí)課題，項(xiàng)目編號(hào)：SCZX17077。