兩種習(xí)慣性著地方式對跑步支撐期下肢動(dòng)力學(xué)特征的影響

馬淵源，雷園園

跑步是大眾認(rèn)可度很高的一項(xiàng)健身項(xiàng)目，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國擁有超過2億的體育人口，是最經(jīng)濟(jì)也是參與人數(shù)最多的項(xiàng)目。但是，每年跑步導(dǎo)致的損傷發(fā)生率卻高達(dá)30%～75%[1,2]。跑步造成的損傷顯然是多種因素綜合的結(jié)果，通常認(rèn)為與生物力學(xué)、損傷史、性別和身體質(zhì)量指數(shù)（Body Mass Index，BMI）等內(nèi)因有關(guān)，也與柔韌性、核心力量、運(yùn)動(dòng)裝備、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度等外因有關(guān)[3]。跑步形式不同可能會(huì)影響身體內(nèi)部和外部力量的產(chǎn)生，也會(huì)影響身體的承受能力，從而影響跑步損傷率。雖然跑步形式由很多部分組成，但這里只探討跑步時(shí)足著地方式這一個(gè)方面。跑步時(shí)足著地方式分為 3 類：（1）后足著地（Rear-FootStrike，RFS），即足跟先著地；（2）中足著地（Mid-footStrike，MFS），足跟和跖骨頭同時(shí)著地；（3）前足著地（Fore-foot Strike，F(xiàn)FS），跖骨頭先于足跟著地。短跑運(yùn)動(dòng)員通常為FFS，但75%～80%的長跑運(yùn)動(dòng)員為RFS[4]。Daoud等通過對52名中長跑運(yùn)動(dòng)員的著地方式和損傷情況進(jìn)行調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)習(xí)慣后足著地者發(fā)生重復(fù)應(yīng)力損傷的比例幾乎為習(xí)慣前足著地者的2倍，并認(rèn)為這可能與前足著地者沒有產(chǎn)生顯著的沖擊峰值有關(guān)[5]。足落地時(shí)產(chǎn)生的高沖擊力會(huì)快速傳至下肢動(dòng)力鏈，跑步時(shí)產(chǎn)生復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的重復(fù)應(yīng)力可能是引起損傷的關(guān)鍵因素。損傷的發(fā)生是沖擊力包括頻率、大小、方向以及速率和受力組織的形態(tài)與性質(zhì)等相互作用的結(jié)果。因此本文主要針對習(xí)慣后足著地和習(xí)慣前足著地的正常青年男性跑步支撐期的動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行對比分析，探索兩種不同著地方式是否存在下肢生物力學(xué)差異，為廣大跑步愛好者和專業(yè)運(yùn)動(dòng)員以及運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練研究者提供一定的參考。

1 研究對象與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對象

本實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選取16名男性普通大學(xué)生為受試者，習(xí)慣后足著地者和習(xí)慣前足著地者各8名。所有受試者身體狀況良好，近半年均無下肢損傷史，優(yōu)勢腿均為右腿。測試前告知受試者流程，簽署知情書并采集受試者的基本信息，受試者分為習(xí)慣后足著地組（RFS）和習(xí)慣前足著地組（FFS）。受試者基本信息如表1所示。

表1 受試者基本情況Table I Basic conditions of the subjects

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)采用Kistler三維測力臺(tái)（采集力學(xué)指標(biāo)，1 000 Hz）采集受試者跑步支撐期（測試足從足著地到足離地）動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。測速儀器采用蘇大自主研發(fā)的光電感應(yīng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)，包括起、終點(diǎn)采集設(shè)備和控制終端。計(jì)時(shí)系統(tǒng)的起、終點(diǎn)采集設(shè)備間隔6 m，置于三維測力臺(tái)兩側(cè)。同時(shí)在正對力臺(tái)位置放置攝像機(jī)，記錄實(shí)驗(yàn)過程，用于檢測受試者是否按要求完成測試。測試儀器擺放如圖1所示。

圖1 測試儀器位置圖Figure 1 Location plan of test instruments

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)采集

1.3.1 測試方法

實(shí)驗(yàn)前受試者在跑步機(jī)上進(jìn)行速度為10 km/h、持續(xù)時(shí)間為5 min的全身性熱身活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)開始前，受試者按實(shí)驗(yàn)要求在實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行試跑，要求測試足能夠完全落在測力臺(tái)上面，且避免出現(xiàn)低頭、跨步、踮步、忽快忽慢等現(xiàn)象。同時(shí)使受試者足底適應(yīng)硬地面，盡量減少測試要求對受試者跑步動(dòng)作的影響，直至受試者自己感覺可以正常測試為止。本實(shí)驗(yàn)要求受試者赤足完成測試，并按照穿鞋時(shí)習(xí)慣的著地方式進(jìn)行。通過文獻(xiàn)收集，大部分健身跑的速度為2～4 m/s[6]，故本實(shí)驗(yàn)將跑速控制在（3.0±3%）m/s，每名受試者采集3次有效數(shù)據(jù)。

1.3.2 指標(biāo)選取

本研究只對受試者跑步過程中支撐期的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，測試指標(biāo)見表2。人體在跑步過程中，足著地時(shí)地面會(huì)對人體產(chǎn)生一個(gè)反作用力，這種支撐力不但能使身體產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)，還能把力傳遞到身體的其他環(huán)節(jié)。通常情況下，將地面反作用力分為垂直分量、前后分量和內(nèi)外分量[7]。將測得的力值除以受試者體重進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)為體重（Body Weight，BW）的倍數(shù)[體重倍數(shù) =地面反作用力（N）/9.8（N/kg）/體重（kg）]，旨在消除體重差異對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。將到達(dá)峰值時(shí)的時(shí)間除以支撐期總時(shí)間進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，用百分比表達(dá)，同時(shí)將支撐期的總時(shí)間換算為100%。

表2 測試指標(biāo)名稱及定義Table II Test indicator name and definition

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，數(shù)據(jù)以x±s表示。對兩組間各指標(biāo)的差異進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，檢驗(yàn)水準(zhǔn)設(shè)為α=0.05。

2 研究結(jié)果及分析

研究結(jié)果顯示 （表3），RFS組在支撐時(shí)間值上比FFS組的時(shí)間微長，原因可能在于RFS者足跟著地時(shí)制動(dòng)時(shí)間偏長，但二者無顯著差異（P＞0.05）。垂直方向的地面反作用力反映了受試者在垂直方向上地面反作用力的特征，由圖2發(fā)現(xiàn)RFS組呈現(xiàn)“兩波一谷”的特征，其中第一峰值出現(xiàn)在足著地前期，為沖擊力峰值（impact peak）；第二峰值出現(xiàn)在蹬地時(shí)刻，為推動(dòng)力峰值（propulsion peak）[8]。FFS組的垂直地面反作用力高于RFS組，但無顯著差異，且兩組在垂直方向的第一載荷率和地面反作用力峰值時(shí)間沒有差異（P＞0.05）。前后方向的地面反作用力反映了受試者在前后方向的受力情況，其結(jié)果出現(xiàn)正、負(fù)兩個(gè)階段，正好對應(yīng)蹬地動(dòng)作的前支撐和后支撐階段。第一波峰為負(fù)值，對人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力，第二波峰為正值，為跑步動(dòng)力[9]，本研究分別將其稱為“制動(dòng)力峰值”和“加速力峰值”。RFS組在支撐期前后方向的最小值（即制動(dòng)力峰值）和最大值（即加速力峰值）均要高于FFS組，且呈顯著差異（P＜0.05）。內(nèi)外方向上的地面反作用力反映受試者在跑步過程中足底與地面接觸時(shí)對內(nèi)外方向的受力情況。RFS組在支撐期內(nèi)外方向的最小值和最大值均小于FFS組，且呈顯著差異（P＜0.05）。

表3 支撐期地面反作用力特征Table III Characteristics of ground reaction force during the supporting period

本研究將跑步時(shí)支撐階段的受力分量分為垂直、前后和內(nèi)外5個(gè)方向，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明無論何種著地方式，垂直方向的分力值最大，其次是前后方向的分力，內(nèi)外方向上的分力最小。

圖2 支撐期（%）垂直地面反作用力特征Figure 2 Characteristics of ground reaction force in vertical direction during the supporting period （%）

在垂直方向上，由圖2可以看出RFS組在觸地之后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)比較短暫的峰值，隨后又出現(xiàn)另一個(gè)大的峰值。RFS者在足跟觸地的瞬間，出現(xiàn)一個(gè)比較小的峰值，隨后足跟逐漸過渡到全腳掌，腳與地面的接觸面積增大，足底所受的地面反作用壓力值比較均勻，此時(shí)的曲線趨于平滑，但處于蹬伸階段時(shí)，為了獲得更大的向前的力，前腳掌用力蹬地，使身體向前運(yùn)動(dòng)，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)第二個(gè)峰值。因此，RFS組所受的地面反作用力呈雙峰曲線。有些研究認(rèn)為，RFS組出現(xiàn)的這個(gè)短暫的峰值所造成的沖擊力會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)傳到脛骨，再經(jīng)過幾微秒之后傳到頭部[10]。而FFS組只有一個(gè)峰值，F(xiàn)FS者前腳掌著地時(shí)，足跟部位不與地面發(fā)生接觸，且支撐時(shí)間比較短，同樣為了獲得更大向前的力量，前腳掌用力蹬伸，出現(xiàn)一個(gè)峰值。因此，F(xiàn)FS組所受的垂直地面反作用力只有一個(gè)峰值。

到目前為止，關(guān)于這兩種不同著地方式所受到的垂直地面反作用力峰值差異性的文獻(xiàn)中，還沒有一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)論。有的研究認(rèn)為這兩種著地方式所受到的垂直地面反作用力峰值沒有差異[11-13]，有的研究認(rèn)為RFS組所受到的垂直地面反作用力比較大[14-16]，而有的研究則認(rèn)為FFS組受到較大的垂直地面反作用力[17,18]。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明FFS組所受到的垂直地面反作用力較大，并且其垂直地面反作用力加載率也高于RFS組。本研究結(jié)果中FFS組所受到的垂直地面反作用力較大這一結(jié)論與馬云茹[19]相似，而關(guān)于加載率的研究結(jié)果卻是相反的。出現(xiàn)這一差異的原因有很多種，其中主要原因可能是本研究在測試過程中是裸足，而馬云茹的實(shí)驗(yàn)中是穿跑鞋進(jìn)行測試，跑鞋對其地面反作用力起到了緩沖的作用。

在前后方向上，如圖3所示，受力結(jié)果出現(xiàn)正、負(fù)兩個(gè)階段，正好對應(yīng)蹬地動(dòng)作的前支撐期和后支撐期。從足著地到身體重心通過支撐面之前為前支撐階段（制動(dòng)階段），當(dāng)身體通過垂直支撐面后為后支撐階段（加速階段）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，RFS組的制動(dòng)力峰值高于FFS組，這可能提示髕骨面和脛股面將承受更多的壓力，從而使膝關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險(xiǎn)增大[20,21]。在支撐期RFS者后足先著地時(shí)，膝關(guān)節(jié)伸展而踝關(guān)節(jié)背屈；在后支撐期，踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)轷徘?，膝關(guān)節(jié)屈曲，伸膝的肌肉做離心收縮來克服地面反作用力。此時(shí)RFS者需要膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)而做更多的功。相比之下，F(xiàn)FS者踝關(guān)節(jié)在短暫的支撐期同時(shí)發(fā)生翻轉(zhuǎn)和背屈，踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)有更好的順應(yīng)性[22]。有研究指出，F(xiàn)FS者與RFS者相比，步頻快且步幅小，足落地點(diǎn)在前后方向上更接近身體重心，所以地面反作用力作用于膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的力臂較小，力矩也就相對較短[23]。因此，無論哪種著地方式，步幅變小都會(huì)使膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)受到的沖力降低。

圖3 支撐期前后方向地面反作用力特征Figure 3 Characteristics of ground reaction force in forward and backward directions during the supporting period

從圖4可以看出，不同跑步著地方式支撐期內(nèi)外方向的力學(xué)差異最大，F(xiàn)FS組最小力值、最大力值和力值波動(dòng)范圍均高于RFS組，且呈顯著性差異。這可能與距骨關(guān)節(jié)的特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)。人體距骨關(guān)節(jié)面為前寬后窄，在背屈狀態(tài)時(shí)，踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性高，而在跖屈狀態(tài)時(shí)，踝關(guān)節(jié)則穩(wěn)定性稍差。所以RFS者在著地瞬間會(huì)比FFS者更穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也充分說明了這一點(diǎn)。在支撐期FFS者前足先著地時(shí)，如果未能合理用力，就會(huì)引發(fā)踝關(guān)節(jié)外側(cè)副韌帶牽拉，若超出關(guān)節(jié)最高承受力，就會(huì)發(fā)生損傷[24]。同時(shí)有文獻(xiàn)指出，踝關(guān)節(jié)外側(cè)韌帶扭傷通常發(fā)生在運(yùn)動(dòng)員重心偏移到支撐腿之外、踝關(guān)節(jié)高速內(nèi)翻時(shí)，如足底落在崎嶇的地面上[25,26]。而RFS者則需要小腿三頭肌收縮來克制踝關(guān)節(jié)背屈，使跟腱得到更大的拉伸，造成較大的跖屈力矩[27-29]。兩種不同的著地方式產(chǎn)生的力矩不同，因此發(fā)生損傷的部位和程度也有所不同。FFS者會(huì)對踝關(guān)節(jié)造成較大負(fù)荷，而由于其膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的力矩較小并不會(huì)承受太大壓力，因此不會(huì)對膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)造成太大影響，RFS者則與之相反。

圖4 支撐期內(nèi)外方向地面反作用力特征Figure 4 Characteristics of ground reaction force in internal and external directions during the support period

3 結(jié)論

通過對RFS組和FFS組在跑步支撐期動(dòng)力學(xué)特征的對比分析，發(fā)現(xiàn)跑步時(shí)不同的著地方式影響了下肢的生物力學(xué)特征，RFS者跑步時(shí)的地面反作用力與FFS者具有一定的差異，主要表現(xiàn)在內(nèi)外方向和前后方向。