不同運動界面對業(yè)余跑步者的下肢生物力學分析

張金鵬，李建朋,全文靜，何玉環(huán)

(1.寧波市職業(yè)技術(shù)教育中心學校，浙江 寧波 315000；2.寧波大學 體育學院，浙江 寧波 315211)

近年來，隨著全民健身政策的號召越來越多的運動愛好者加入跑步運動。跑步被證明可以有效的降低慢性疾病、心血管疾病和肥胖等發(fā)生的風險[1]。但是跑步造成下肢肌肉骨骼損傷率也非常的高，研究表明每年業(yè)余跑步者發(fā)生運動損傷率為20%～70%[2]。其中每1 000h跑步中約有17.8%的業(yè)余跑步者發(fā)生運動損傷，特別是膝關(guān)節(jié)運動損傷[3]。有研究表明地面沖擊力是造成跑步運動損傷的主要原因[4]，很多學者通過轉(zhuǎn)變著地和改變跑步姿態(tài)來降低地面對下肢的沖擊力[5,6]，還有一部分研究表明跑鞋對跑步運動損傷也有著密切的關(guān)系[7]。但是近些年的研究沒有對跑步界面引起重視，從而忽略了不同運動界面對跑步下肢運動學和動力學的影響。水泥路面和人造草坪地面是跑步者經(jīng)常選擇的運動界面，因此，本研究在標準的運動生物力學實驗室模式真實的水泥路面和人造草坪地面，通過采集不同運動界面下支撐期內(nèi)的運動學和動力學參數(shù)進行對比研究，了解不同運動界面及對人體下肢生物力學特征的影響，旨在促進跑步運動損傷的減少并為跑步愛好者在不同運動界面跑步時提供理論參考依據(jù)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

受試者為10名大眾跑者。選擇測試對象的標準包括：①年齡 18-30 周歲；②鞋碼為 41 碼；③跑步鍛煉經(jīng)歷兩年及以上，每周跑量為5km。所有受試者身體狀況及運動能力良好，沒有受過專業(yè)的跑步訓練，在過去的6個月內(nèi)無下肢損傷，實驗前24h內(nèi)未從事劇烈活動。測試前，受試者被告知該研究的目的和注意事項，受試者填寫知情同意書，并志愿按照要求進行測試。

表1 受試者基本信息(N=10)

1.2 實驗儀器

1.2.1 Vicon三維紅外運動捕捉系統(tǒng)。使用Vicon三維紅外運動捕捉系統(tǒng)(Oxford Metrics Ltd. ,Oxford, UK)自帶的下肢運動模型，采集下肢髖、膝和踝關(guān)節(jié)矢狀面、冠狀面和水平面的運動學參數(shù)，采集頻率設定在200Hz。24個Maker反光點(直徑12.5mm)分別粘在受試者骶髂關(guān)節(jié)中心(SACR)、左右側(cè)髂前上棘(LASI、RASI)、左右側(cè)髂嵴(LPP、RPP)、左右大轉(zhuǎn)子(LTROC、RTROC)、優(yōu)勢腿大腿跟蹤點(S1、S2、S3、S4)、優(yōu)勢腿內(nèi)外側(cè)膝間(RMK、RLK)、優(yōu)勢腿小腿跟蹤點(ST1、ST2、ST3、ST4)、優(yōu)勢腿內(nèi)外側(cè)踝(RMA、RLA)、優(yōu)勢腿腳后跟跟蹤點(SH1、SH2、SH3)、優(yōu)勢腿大腳趾(RTOE)、第一跖趾關(guān)節(jié)(RM1)、第五跖趾關(guān)節(jié)(RM5)(圖1)。

圖1 反光標記點放置位置示意圖

1.2.2 Kistler三維測力臺。使用瑞士Kistler三維測力臺(Kistler, Switzerland)與Vicon軟件同步測試，固定于跑道中央。通過秒表和節(jié)拍器控制受試者的跑步節(jié)奏，將速度分別控制在3.3m/s。受試者在實驗室內(nèi)10m長的跑道上熟悉實驗場地并適應跑步節(jié)奏和速度，且調(diào)整好步點使得右腳落于測力臺上，以1 000Hz采集受試者右腿的地面反作用力。

1.2.3 測試的運動表面。本實驗選取了水泥地和人造草坪兩種不同的跑步界面進行測試，將實驗選取的人造草坪固定在測力臺上面采集受試者的運動學和動力學數(shù)據(jù)。

1.2.4 實驗測試流程。受試者穿著統(tǒng)一的緊身褲、上衣和跑步鞋，首先在跑步機上進行慢跑5min熱身做拉伸運動，然后準備數(shù)據(jù)的采集，要求受試者以3.3±0.25 m/s的速度正常跑過測力臺。跑步過程中需要受試者右腳踏在測力臺的中心。每組動作采集5次有效測試數(shù)據(jù)。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理。實驗結(jié)束后，首先使用Vicon自帶的Vicon Nexus 1.8.5軟件對采集的數(shù)據(jù)進行識別、建模、修補缺少的Mark點，然后導出C3D 格式利用Visual 3D 6.0 (c-motion Inc.， Germantown, MD, USA)進行運動學和動力學的數(shù)據(jù)計算。將C3D文件導入Visual 3D (c-motion Inc.， Germantown, MD, USA)從而計算和處理踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的角度、功率、力矩等參數(shù)。在使用Vicon軟件生成C3D文件之前，將動作的初始接觸定義為垂直地面反作用力超過10N[8]。然后對運動學和動力學數(shù)據(jù)使用Butterworth進行低通濾波頻率[9]；分別采用10 Hz和20 Hz對垂直地面反作用力和運動學數(shù)據(jù)進行低通濾波。

1.2.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法。統(tǒng)計學分析水泥路面和人造草坪地面的跑步測試中右側(cè)下肢支撐期內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，包下肢關(guān)節(jié)角度(°)、下肢關(guān)節(jié)力矩(Nm/kg)、下肢關(guān)節(jié)功率(W/kg)接觸時間(ms)、垂直負荷增長率(BW/S)、第一峰值(N/kg)和第二峰值(N/kg)。首先計算運動學和動力學參數(shù)的平均值和標準差。然后在統(tǒng)計學測試前對數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗，在SPSS25.0軟件中運用配對樣本T檢驗對水泥路面和人造草坪地面跑步支撐期的運動學和動力學參數(shù)進行統(tǒng)計學檢驗。關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)力矩和關(guān)節(jié)功率隨時間變化的一維特征，本文采用SPM1d v0.4 對關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)力矩和關(guān)節(jié)功率數(shù)據(jù)進行配對樣本t檢驗，數(shù)據(jù)分析均在MATLAB 軟件(MATLAB R2019a，The MathWorks，MA，USA)中完成，顯著性差異設置為P<0.05。

圖2 業(yè)余跑步者在水泥路面和人造草坪跑步支撐期內(nèi)踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)三維活動度

2 研究結(jié)果

2.1 運動學結(jié)果

本研究通過采集業(yè)余跑步者在水泥路面和人造草坪兩種地面的下肢運動學數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)：在水泥路面跑步時踝關(guān)節(jié)冠狀面的內(nèi)外翻活動范圍明顯大于人造草坪，顯著性差異P為0.039；同時膝關(guān)節(jié)水平面的內(nèi)外旋活動范圍也明顯大于人造草坪，顯著性差異P為0.008。在水泥路面和人造草坪路面的下肢踝關(guān)節(jié)背屈活動范圍(P=0.553)、踝關(guān)節(jié)內(nèi)外旋活動范圍(P=0.170)、膝關(guān)節(jié)屈曲活動范圍(P=0.761)、膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻活動范圍(P=0.064)、髖關(guān)節(jié)屈伸活動范圍(P=0.655)、髖關(guān)節(jié)內(nèi)外展活動范圍(P=0.051)和髖關(guān)節(jié)內(nèi)外旋活動范圍(P=0.919)沒有顯著性差異。

表2 業(yè)余跑步者在水泥路面和人造草坪跑步支撐期內(nèi)的踝、膝和髖關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)活動度(°)

如圖3所示，受試者在水泥路面和人造草坪路面進行慢跑測試的一個跑步支撐期內(nèi)的右腿髖、膝和踝關(guān)節(jié)在矢狀面、冠狀面和水平面內(nèi)的角度變化曲線運動趨勢均一致。比較水泥路面和人造草坪界面的主要的差異表現(xiàn)在人造草坪界面進行跑步支撐期內(nèi)的踝關(guān)節(jié)在55.34%～68.78%階段的背屈角度(P=0.035)明顯大于水泥路面；踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角度(P=0.040)在0%～7.35%階段明顯小于人造草坪界面。

圖3 業(yè)余跑步者在水泥路面和人造草坪跑步支撐期內(nèi)踝關(guān)節(jié)(a-c)、膝關(guān)節(jié)(d-f)和髖關(guān)節(jié)(g-i)在矢狀面、冠狀面和水平面內(nèi)的角度曲線

對比水泥路面和人造草坪界面的下肢關(guān)節(jié)角度峰值發(fā)現(xiàn)(表3)，矢狀面的踝關(guān)節(jié)最大背屈角度峰值(P=0.004)在水泥路面時明顯小于人造草坪；水泥界面跑步時踝關(guān)節(jié)冠狀面內(nèi)的最大內(nèi)翻角度(P=0.004)明顯小于人造草坪；水泥路面和人造草坪界面的踝關(guān)節(jié)最大外旋角度(P=0.340)和最大內(nèi)旋角度(P=0.851)沒有顯著性差異；膝關(guān)節(jié)最大屈曲角度(P=0.033)在水泥路面時明顯小于人造草坪；冠狀面內(nèi)的膝關(guān)節(jié)最大內(nèi)收角度(P=0.185)和最大外展角度(P=0.923)沒有顯著性差異；跑步支撐期內(nèi)水泥路面的膝關(guān)節(jié)最大外旋角度(P=0.019)明顯大于人造草坪；對比水泥路面和人造草坪界面的髖關(guān)節(jié)最大峰值角度發(fā)現(xiàn)，在矢狀面的最大伸展角度(P=0.829)、最大屈曲角度(P=0.795)、最大內(nèi)旋角度(P=0.067)和最大外旋角度(P=0.213)沒有顯著性差異；但是在水泥路面跑步支撐期內(nèi)的髖關(guān)節(jié)最大內(nèi)收角度(P=0.013)明顯大于人造草坪界面。

表3 業(yè)余跑步者在不同界面跑步支撐期內(nèi)的踝、膝和髖關(guān)節(jié)峰值角度(°)

如圖4所示，受試者在水泥路面和人造草坪路面進行慢跑測試的一個跑步支撐期內(nèi)的右腿髖、膝和踝關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的關(guān)節(jié)力矩和功率變化曲線運動趨勢均一致。比較水泥路面和人造草坪界面的主要的差異表現(xiàn)在人造草坪界面進行跑步支撐期內(nèi)的踝關(guān)節(jié)在2.97%～9.27%階段的背屈力矩(P=0.027)明顯小于水泥路面。

圖4 水泥路面和人造草坪路面的下肢關(guān)節(jié)力矩(a-c)、功率(d-f)對比及統(tǒng)計學分析

對比水泥路面和人造草坪界面的下肢關(guān)節(jié)力矩和關(guān)節(jié)功率發(fā)現(xiàn)(表4)，矢狀面的踝關(guān)節(jié)最大背屈力矩峰值(P=0.036)在水泥路面時明顯小于人造草坪；但是水泥路面跑步支撐期內(nèi)的踝關(guān)節(jié)跖屈功率(P=0.001)和踝關(guān)節(jié)背屈功率(P=0.002)明顯小于人造草坪地面；水泥界面跑步時踝關(guān)節(jié)冠狀面內(nèi)的最大內(nèi)翻角度(P=0.004)在明顯小于人造草坪；膝關(guān)節(jié)最大伸展力矩(P=0.001)在水泥路面時明顯大于人造草坪；相反的是膝關(guān)節(jié)最大屈曲力矩(P=0.001)小于人造草坪地面。在兩種不同界面進行慢跑時踝關(guān)節(jié)最大背屈力矩、膝關(guān)節(jié)最大屈曲功率、膝關(guān)節(jié)最大伸展功率、髖關(guān)節(jié)最大屈曲力矩、髖關(guān)節(jié)最大伸展力矩、髖關(guān)節(jié)最大伸展功率和髖關(guān)節(jié)最大屈曲功率沒有顯著性差異。

表4 業(yè)余跑步者在水泥路面和人造草坪跑步支撐期內(nèi)的踝、膝和髖關(guān)節(jié)峰值力矩(Nm/kg)和功率(W/kg)

對比水泥路面和人造草坪界面的下肢關(guān)節(jié)地面反作用力參數(shù)發(fā)現(xiàn)(表4)，接觸時間(P=0.177)、第一峰值(P=0.530)和第二峰值(P=0.093)在水泥路面和人造草坪界面沒有顯著性差異，但是當受試者在水泥界面跑步時的垂直負荷增長率(P=0.005)明顯大于人造草坪地面。

表5 業(yè)余跑步者在水泥路面和人造草坪跑步支撐期內(nèi)的地面反作用力

3 分析討論

3.1 不同運動界面對下肢運動學的影響

對比分析水泥路面和人造草坪地面在支撐期內(nèi)踝關(guān)節(jié)角度曲線，踝關(guān)節(jié)在兩個不同運動界面的關(guān)節(jié)角度差異主要集中體現(xiàn)在踝關(guān)節(jié)背屈運動和踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻運動。結(jié)合表3所示，水泥路面進行跑步時的踝關(guān)節(jié)最大背屈角度和踝關(guān)節(jié)最大內(nèi)翻角度明顯小于人造草坪。因為水泥路面的剛度和硬度大于人造草坪，踝關(guān)節(jié)在著地的瞬間先做背屈運動，但是隨著硬度的增大踝關(guān)節(jié)只能通過減小背屈角度增大跖屈角度提高踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性完成蹬伸動作。同時在水泥路面的踝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻活動范圍明顯大于人造草坪，研究表明足部的過度外翻和外翻速度的變大是造成跑步損傷的重要原因[10-11]。

在水泥路面進行跑步時的下肢膝關(guān)節(jié)只有最大屈曲角度明顯小于人造草坪地面，在冠狀面和水平面內(nèi)的最大峰值角度沒有顯著性差異，此結(jié)果與前人研究結(jié)果一致[12]。在人造草坪界面中膝關(guān)節(jié)屈曲角度明顯大于水泥路面，膝關(guān)節(jié)屈曲角度的增大會減小膝關(guān)節(jié)蹬離階段的負荷同時通過增大著地緩沖時間減小地面反作用力。膝關(guān)節(jié)內(nèi)外旋活動范圍在水泥路面明顯大于人造草坪，這提示較大的膝關(guān)節(jié)在水泥路面跑步時的穩(wěn)定性不足，會加大脛骨應力性骨折的風險。

通過表3結(jié)果發(fā)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)最大內(nèi)收角度在水泥路面明顯大于人造草坪，髖關(guān)節(jié)作為下肢運動的主要關(guān)節(jié)在跑步蹬伸過程中起著重要的作用。髖關(guān)節(jié)內(nèi)收角度的增大會加大髕骨關(guān)節(jié)疼痛[13]。這說明如果長期在較硬的界面跑步運動時，建議多加強髖關(guān)節(jié)的力量練習。

3.2 不同運動界面對下肢動力學的影響

本研究探討了不同運動界面對下肢關(guān)節(jié)力矩的影響，通過數(shù)據(jù)分析對比發(fā)現(xiàn)，在水泥路面和人造草坪地面跑步時的下肢三維關(guān)節(jié)力矩發(fā)現(xiàn)了顯著性變化。關(guān)節(jié)力矩反應了肌肉對關(guān)節(jié)的控制，同時可以說明關(guān)節(jié)和肌肉的負荷大小。踝關(guān)節(jié)跖屈力矩在水泥路面時明顯小于人造草坪地面，但是膝關(guān)節(jié)伸展力矩和屈曲力矩在水泥路面時明顯大于人造草坪地面。前人研究表明在較軟的運動界面跑步，會加大下肢腿部的剛度從而降低了關(guān)節(jié)力矩，較硬的運動界面不僅減小了腿部剛度同時下肢的屈曲力矩也會增大[14]。關(guān)節(jié)功率是單位時間內(nèi)力矩和角速度的乘積，反應了關(guān)節(jié)的能量消耗狀況，本研究結(jié)果表明踝關(guān)節(jié)跖屈功率和踝關(guān)節(jié)背屈功率在水泥界面明顯大于人造草坪。在跑步支撐期踝關(guān)節(jié)展示出來較大的能量耗散和能量吸收，這也說明了在不同運動界面下人體會通過自我調(diào)節(jié)平衡關(guān)節(jié)的能量耗散以此來適應不同運動界面對下肢生物力學的影響。

跑步過程中身體要承受體重2～3倍的地面沖擊力，研究表明有過運動損傷經(jīng)歷的跑者在跑步支撐內(nèi)的地面反作用力峰值和垂直負荷增長率明顯大于沒有運動損傷經(jīng)歷的跑者[15]。有學者提出運動界面的剛度和硬度是導致下肢運動損傷的重要原因，在跑步過程中硬度和剛度較大的界面會在跑步支撐期內(nèi)產(chǎn)生較大的沖擊力加大下肢肌肉骨骼損傷風險[16]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在水泥路面和人造草坪地面的接觸時間、第一峰值和第二峰值沒有顯著性差異這與前人的研究結(jié)果一致[17]。但是通過計算垂直負荷增長率發(fā)現(xiàn)在跑步支撐期內(nèi)的垂直負荷增長率明顯大于草坪界面。這就提示硬度較大的運動界面在跑步著地和蹬離過程中會產(chǎn)生較大的沖擊力，同時有下肢運動損傷經(jīng)歷的跑者建議選擇硬度較低的跑步界面進行跑步可以降低下肢肌肉骨骼損傷的風險。

4 結(jié) 論

在慢跑支撐期過程中，跑步者在水泥路面和人造草坪兩種不同的運動界面上，踝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻活動范圍和膝關(guān)節(jié)內(nèi)外旋活動范圍在水泥路面明顯大于人造草坪界面；相比水泥路面，人造草坪界面的垂直負荷增長率、踝關(guān)節(jié)背屈功率、踝關(guān)節(jié)跖屈功率、膝關(guān)節(jié)伸展力矩、膝關(guān)節(jié)屈曲功率明顯減小。提示：在硬度和剛度較大的運動界面跑步時發(fā)生下肢運動損傷的風險較大，跑步者應加大下肢肌肉力量練習同時通過緩沖性和穩(wěn)定性較好的跑鞋來減小跑步過程中地面反作用力對下肢肌肉骨骼的沖擊力。