不同跑速對膝內(nèi)翻跑者下肢運動學特征的影響

張宇強 關(guān)景媛

（東北師范大學體育學院 吉林 長春 130024）

前言

自20世紀70年代以來，跑步越來越受歡迎，與此同時馬拉松運動在中國發(fā)展迅速。由于跑步運動發(fā)展的過快，一些沒有運動基礎(chǔ)的人群加入到跑步大軍中就會給跑者帶來一些損傷。有研究表明，業(yè)余跑者的損傷的概率更高。膝內(nèi)翻是業(yè)余跑者日常鍛煉中普遍存在的一種現(xiàn)象。膝內(nèi)翻又稱“O”型腿，是指受試者立正姿勢站立兩下肢自然伸直時，大小腿之間不能并攏，足跟可以靠攏兩膝關(guān)節(jié)之間的距離大于1.5cm。長時間的進行一些鍛煉和一些錯誤的動作就會給膝關(guān)節(jié)形成向外的力量，形成膝內(nèi)翻。研究表明O型腿人群的膝內(nèi)收力矩大于直腿人群。在不同跑速跑步時，下肢各關(guān)節(jié)的運動生物力學數(shù)據(jù)有所差異，不同的跑速也會造成不同程度的運動損傷。在對比不同跑速下的垂直方向的地面反作用力時發(fā)現(xiàn)不同的跑速下地面反作用力也不相同。

綜上所述，跑步已經(jīng)成為日常最常見的鍛煉方式之一，但是跑步也會造成一定的運動損傷，損傷主要集中在膝關(guān)節(jié)。本實驗試圖分析不同腿型與不同跑速對業(yè)余跑者下肢的運動學影響，嘗試了解不同腿型、不同跑速與下肢的運動學，為膝內(nèi)翻跑者、直腿跑者科學鍛煉提供理論依據(jù)。

1、研究對象與方法

本研究主要采用實驗測試方法來分析不同腿型跑者在不同跑速下的運動學數(shù)據(jù)，實驗設(shè)計具體如下。

1.1、研究對象

選取8名太原理工大學體育學院男性業(yè)余跑者 （每周進行跑步的距離至少為20km）采用常態(tài)膝距法，受試者以立正姿勢站立兩下肢自然伸直時，大小腿之間不能并攏，足跟可以靠攏兩膝關(guān)節(jié)之間的距離是否超過1.5cm分為2組（直腿、膝內(nèi)翻），每組4人，受試者均無嚴重下肢損傷史。在實驗前3個月無急性下肢損傷，無心肺疾病。為確保受試者有充足的體能，注意受試者在測試前的24h內(nèi)沒有進行體育鍛煉。參與測試前，所有參與者需閱讀并簽署知情同意書。

1.2、數(shù)據(jù)采集

本實驗采用8鏡頭紅外光點運動捕捉系統(tǒng)（Nokov，中國）以200Hz的采集頻率獲取29個粘貼在受試者身上的紅外反光標志點的運動學數(shù)據(jù)。受試者首先在基本信息登記表填寫自身的優(yōu)勢腿、膝內(nèi)翻程度。熱身結(jié)束后，被試者更換統(tǒng)一著裝，由同一操作人員為其貼上反光標志點。受試者需要通過15m距離，前10m為一個加速距離，后5m為測試距離，由于公認的慢、中、快跑速為3m/s、4m/s、5m/s，因此選用3種跑速均速通過5m的距離的測試區(qū)，由兩名同學在起點和終點進行秒表計時，成績?nèi)蓚€秒表的平均值。測試者需在跑到側(cè)面垂直終點線、起點線站立。手動計時所得出的平均速度需與動作分析得出的重心位移速度一致 （最大誤差為±0.3m/s），若速度誤差較大需重新測量。為防止運動疲勞的出現(xiàn)，每次測試間隔5min。

1.3、數(shù)據(jù)處理

運用 Cortex-64 5.5.0（Motion Analysis Inc，USA）分析軟件對運動學數(shù)據(jù)進行識別處理，根據(jù)反光標志點建立人體環(huán)節(jié)剛體模型，采用歐拉角的方法方法計算下肢關(guān)節(jié)的三維角度，所有反光標志點三維坐標采用Butterworth低通濾波進行平滑 （截斷頻率為 13.3Hz）。

1.4、數(shù)據(jù)分析

選擇每個跑速3次成功動作平均值用于統(tǒng)計分析，通過Shapiro-Wilk檢驗來確定各參數(shù)是否服從正態(tài)分布。運用2×3混合測量雙因素方差分析2種腿型、3種跑速對下肢運動學影響。所有統(tǒng)計分析使用SPSS 22.0軟件完成，

2、結(jié)果

2.1、運動學參數(shù)偏度、峰度和分布檢驗

研究結(jié)果可得在落地時刻直腿除3m/s跑速下的左膝屈伸角以外均符合正態(tài)分布，進一步分析3m/s跑速下的左膝屈伸角偏度、峰度數(shù)值未超過±2且Q-Q圖吻合度好。因此本研究認為該參數(shù)屬于正態(tài)分布（表2）。

表2 3種跑速下直腿組膝關(guān)節(jié)運動學參數(shù)偏度、峰度和分布檢驗參數(shù)3m/s 4m/s 5m/s

2.2、膝內(nèi)翻組與直腿組不同跑速下對左膝關(guān)節(jié)角度影響

由雙因素混合測量方差分析得到：左膝關(guān)節(jié)屈伸角在跑速和腿型之間不存在交互作用。膝內(nèi)翻人群和直腿人群在跑步時左膝屈伸角沒有差異（p＞0.05），以3m/s和4m/s跑步時左膝屈伸角沒有差異 （p＞0.05），以4m/s和5m/s跑步時左膝屈伸角沒有差異（p＞0.05），以 3m/s 和 5m/s 跑步時左膝屈伸角有差異（p＜0.05），5m/s跑步時左膝屈伸角明顯大于3m/s跑步時左膝屈伸角。左膝內(nèi)翻外翻角在3m/s和4m/s、4m/s和5m/s、3m/s和5m/s跑速下均無差異 （p＞0.05），并且膝內(nèi)翻人群和直腿人群之間也不存在差異（p＞0.05）。

另外左膝內(nèi)旋外旋角在3m/s和4m/s、4m/s和 5m/s、3m/s和5m/s跑速下均無差異（p＞0.05），并且膝內(nèi)翻人群和直腿人群之間也不存在差異（p＞0.05）（如圖 1）。

圖1 膝內(nèi)翻組與直腿組不同跑速下對左膝關(guān)節(jié)角度影響

2.3、膝內(nèi)翻組與直腿組不同跑速下對右膝關(guān)節(jié)角度影響

由雙因素混合測量方差分析得到：右腿膝關(guān)節(jié)屈伸角在三種跑速和兩種腿型之間不存在交互作用。兩種腿型人群在跑步時右膝屈伸角沒有差異（p＞0.05），以3m/s和4m/s跑步時右膝屈伸角沒有差異（p＞0.05），以4m/s和5m/s跑步時右膝屈伸角沒有差異（p＞0.05），以 3m/s和 5m/s跑步時右膝屈伸角有差異（p＜0.05），5m/s跑步時右膝屈伸角明顯大于3m/s跑步時右膝屈伸角。右膝內(nèi)翻外翻角在任意兩種跑速下均無差異（p＞0.05），并且膝內(nèi)翻人群和直腿人群之間也不存在差異（p＞0.05）。右膝內(nèi)旋外旋角在任意兩種跑速下均無差異（p＞0.05），并且膝內(nèi)翻人群和直腿人群之間也不存在差異（p＞0.05）（如圖2）。另外由圖1和圖2對比可以看出左、右側(cè)膝關(guān)節(jié)差異較小，說明可以選用一條腿進行研究。

圖2 膝內(nèi)翻組與直腿組不同跑速下對右膝關(guān)節(jié)角度的影響

2.4、受試者跑步時支撐期間膝關(guān)節(jié)角度

圖3 表示膝關(guān)節(jié)在一個完整步態(tài)中屈伸角、內(nèi)旋外旋角、內(nèi)翻外翻角與時間變化曲線，研究結(jié)果表明屈伸角圖中可以看出膝內(nèi)翻組與直腿組在著地后膝關(guān)節(jié)屈伸角先增加，腳放平后膝關(guān)節(jié)屈伸角出現(xiàn)下降，在相同跑速下膝內(nèi)翻組屈伸角略大于直腿組但不存在顯著差異，膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋外旋角在圖中看出在相同跑速下膝內(nèi)翻組大于直腿組，當跑速為5m/s時膝內(nèi)翻組和直腿組之間角度差距縮小。另外膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻外翻角在圖中看出在相同的跑速下兩種腿型之間比較相近。

圖3 膝關(guān)節(jié)在失狀面、額狀面上的角—時間變化曲線

3、討論

本實驗的主要創(chuàng)新點是對膝內(nèi)翻跑步愛好者和直腿跑步愛好者進行3種跑速的運動學測試，進而探討3種跑速下對膝內(nèi)翻跑者和直腿跑者的差異，分析對比其中的差異為膝內(nèi)翻跑者選擇合適的跑速。

3.1、不同跑速對膝內(nèi)翻跑者、直腿跑者的膝關(guān)節(jié)運動學影響

本實驗結(jié)果支持第一個假設(shè)，本研究結(jié)果支持以往的研究結(jié)論，本研究結(jié)果表明左右腿研究結(jié)果一致，因此只選擇一條腿進行分析。膝內(nèi)翻組和直腿組之間沒有交互（p＞0.05），膝內(nèi)翻組和直腿組在3種跑速下的運動學數(shù)據(jù)均得出在3m/s跑速下膝關(guān)節(jié)屈曲角更小。以往研究認為膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的被動屈曲動作都是為了進行緩沖，這就說明膝關(guān)節(jié)屈曲角度增大可能表明膝關(guān)節(jié)所受沖擊力增大，較快、較大的沖擊力則是造成下肢損傷的原因，對比穿鞋跑步和裸足跑步時的膝關(guān)節(jié)屈曲角發(fā)現(xiàn)穿跑步鞋跑步時膝關(guān)節(jié)屈曲角更小，建議跑步時穿軟底跑步鞋減少屈曲角角度，減少損傷。因此，本實驗結(jié)果不支持第二個實驗假設(shè)。不論業(yè)余跑者腿型如何，5m/s跑速可能比3m/s更容易造成膝關(guān)節(jié)損傷。

3.2、膝內(nèi)翻跑者與直腿跑者相同跑速下的運動學差異

本研究在對比一個完整的支撐期膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋外旋角時發(fā)現(xiàn)膝內(nèi)翻組內(nèi)外旋角大于直腿組，在相同跑速下一個完整支撐期膝內(nèi)翻組內(nèi)外翻角與直腿組內(nèi)外翻角比較相似，在膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻外翻角與前者的結(jié)論相同。馬云茹研究表明在跑步運動中導致膝關(guān)節(jié)損傷的主要原因是由于膝關(guān)節(jié)長時間重復的發(fā)生更大的位移所導致，膝內(nèi)翻組在相同的跑速下膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋外旋角、內(nèi)翻外翻角更大，提高了損傷的概率，膝內(nèi)翻人群在運動時膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角和內(nèi)旋角增大可能使膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)承受更大的壓力，另外李永耀研究表明膝內(nèi)翻人群膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩大于正常人是導致膝內(nèi)翻人群患骨關(guān)節(jié)炎的主要原因，Prodromos等對于膝內(nèi)翻人群進行分析發(fā)現(xiàn)膝內(nèi)翻人群膝關(guān)節(jié)的內(nèi)收力矩比直腿人群膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力據(jù)要大，而且對于一些下肢沒有損傷的實驗者，有些實驗者膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩較大，這些受試者兩膝關(guān)節(jié)的距離也略大膝關(guān)節(jié)出都有輕度膝內(nèi)翻。因此膝內(nèi)翻人群似乎更易發(fā)生膝關(guān)節(jié)損傷。

綜上所述，不論跑速快慢，膝內(nèi)翻人群由于在跑步時膝關(guān)節(jié)內(nèi)外旋角更大，似乎更易發(fā)生膝關(guān)節(jié)損傷，此外，不同跑速主要對兩種腿型業(yè)余跑者的著地時刻膝關(guān)節(jié)屈曲角有影響，表現(xiàn)為3m/s的跑速膝關(guān)節(jié)屈曲角更小，膝關(guān)節(jié)屈曲角越小使跑步時膝關(guān)節(jié)受到的沖擊力更小，跑步時膝關(guān)節(jié)損傷的概率會更小。因此，不論腿型如何，業(yè)余跑者運用3m/s的跑速進行鍛煉的膝關(guān)節(jié)損傷風險最低。

4、結(jié)論與建議

4.1、結(jié)論

（1）膝內(nèi)翻跑者和直腿跑者在不同的跑速著地時刻膝關(guān)節(jié)屈伸角有差異，兩種腿型膝關(guān)節(jié)屈曲角在3m/s跑速時小于5m/s跑速；

（2）膝內(nèi)翻組與直腿組在相同跑速下落地時刻膝關(guān)節(jié)各角度沒有差異，但在對比完整支撐期發(fā)現(xiàn)3種跑速下膝內(nèi)翻組內(nèi)旋外旋角大于直腿組。

4.2、建議

（1）膝內(nèi)翻人群和直腿人群在跑步時若不刻意追求運動強度，建議選擇較慢的跑速進行鍛煉，可以有效地減少對膝關(guān)節(jié)的損傷；

（2）膝內(nèi)翻跑者在跑步時因腿型的原因會增加膝關(guān)節(jié)損傷的風險，建議膝內(nèi)翻人群在有能力的情況下選擇5m/s跑速進行跑步，可能會降低損傷的概率。