不同坡度后退走對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)和足底壓力的影響

賈 敏 侯 捷 閆 可 張澤毅 張美珍

不同坡度后退走對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)和足底壓力的影響

賈 敏 侯 捷 閆 可 張澤毅 張美珍

（太原理工大學(xué)體育學(xué)院，山西 太原 030024）

【目的】探究不同坡度后退走對(duì)下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)和足底壓力特征的影響，為更有效、更科學(xué)地將后退走應(yīng)用于訓(xùn)練和損傷康復(fù)等方面提供參考。【方法】運(yùn)用三維紅外光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)（Nokov，中國(guó)）和足底壓力步態(tài)分析系統(tǒng)（Podomed，中國(guó)）采集普通大學(xué)生運(yùn)動(dòng)學(xué)和足底壓力數(shù)據(jù)。通過(guò)2×3重復(fù)設(shè)計(jì)的雙因素方差分析確定坡度和行走方向?qū)ο轮P(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的影響?！窘Y(jié)果】后退走較向前走，著地時(shí)刻髖關(guān)節(jié)在0°、6°和9°斜坡表現(xiàn)出較小的屈曲角；在0°斜坡表現(xiàn)出較小髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)屈曲角活動(dòng)范圍，6°和9°斜坡表現(xiàn)出較小髖關(guān)節(jié)屈曲角活動(dòng)范圍。后退走較向前走在0°和6°斜坡中表現(xiàn)出較大的第一趾骨峰值壓力，在6°和9°斜坡中表現(xiàn)出較小的足底最大壓強(qiáng)?！窘Y(jié)論】后退走在斜坡上可以更好的避免膝關(guān)節(jié)損傷發(fā)生，可用于下肢力量訓(xùn)練；斜坡上后退走有助于更好地保持平衡，可作為由于足底受力過(guò)大導(dǎo)致足踝損傷的預(yù)防及康復(fù)手段。

后退走；向前走；斜坡坡度；運(yùn)動(dòng)學(xué)；足底壓力

后退走具有易學(xué)、易普及、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于日常健身、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和運(yùn)動(dòng)康復(fù)等方面[1]。后退走作為損傷康復(fù)的重要手段，主要用于提高平衡、力量和耐力等身體機(jī)能。有研究表明，后退走從前足開(kāi)始過(guò)渡到足跟，在整個(gè)足部受力過(guò)程中足跟受力較小，對(duì)足跟起到了一定的保護(hù)作用，同時(shí)增加了全腳觸地的時(shí)間，促使足底壓力分布更均勻，可以降低疲勞和損傷的風(fēng)險(xiǎn)[2]

還有研究表明人體在斜坡上運(yùn)動(dòng)能夠減小足底壓力和地面反作用力，進(jìn)而減小人體關(guān)節(jié)負(fù)荷，可能會(huì)降低損傷風(fēng)險(xiǎn)，因此將斜坡與后退走相結(jié)合可能是一種更有效的訓(xùn)練和康復(fù)方式[3,4]。然而目前對(duì)后退走的研究主要集中在水平地面上[5,6]，不同坡度上后退走時(shí)下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)及足底壓力特征尚不清晰。參考前人[7]研究，本文選擇6°和9°斜坡進(jìn)行后退和向前行走對(duì)比分析，研究結(jié)果將有助于更清晰地明確不同坡度后退走運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特征，為更有效、更科學(xué)地將后退走應(yīng)用于訓(xùn)練和損傷康復(fù)等方面提供參考。

1.研究方法

1.1 研究對(duì)象

本研究招募了23名21—25歲太原理工大學(xué)男性大學(xué)生為受試者，且慣用腿均為右腿，無(wú)足部疾病、足部手術(shù)史、足部畸形，身體狀況及運(yùn)動(dòng)能力良好，實(shí)驗(yàn)前48h未從事劇烈運(yùn)動(dòng)（表1）。

表1 受試者基本情況

1.2 實(shí)驗(yàn)斜坡

生活中常見(jiàn)斜坡坡度范圍10%—20%，同時(shí)參考前人相關(guān)研究[7]，本研究選取3種斜坡坡度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別為0°、6°（10.5%）、9°（15.8%）。斜坡裝置由3米長(zhǎng)的坡道和4.7米長(zhǎng)的平臺(tái)構(gòu)成。斜坡角度調(diào)整裝置位于坡道連接平臺(tái)的下端，為減少坡道的振動(dòng)和彎曲，將特制木塊安裝在坡道下方加固斜坡的穩(wěn)定性（圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)所用斜坡示意及數(shù)據(jù)采集設(shè)備

1.3 數(shù)據(jù)采集

在實(shí)驗(yàn)前告知受試者測(cè)試方案，進(jìn)行完熱身后，更換統(tǒng)一配備的運(yùn)動(dòng)裝備，根據(jù)H.HAYES模型由同一操作人員為受試者粘貼29個(gè)反光標(biāo)志點(diǎn)[8]。采用12鏡頭三維紅外光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng) (Nokov，中國(guó)) 以200Hz的采集頻率進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)運(yùn)用足底壓力系統(tǒng)步態(tài)分析系統(tǒng)（Podomed，中國(guó)）以100Hz的采集頻率進(jìn)行足底壓力數(shù)據(jù)采集。測(cè)試過(guò)程中要求受試者以自選舒適速度分別在不同坡度（0°、6°、9°）下后退走、向前走，每個(gè)動(dòng)作均采集 3 次有效數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Motion Analysis自帶軟件Cortex對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，運(yùn)用Butterworth低通濾波進(jìn)行整體平滑處理，截?cái)囝l率為13Hz。本文主要分析慣用腿右腿的右腳著地到右腳再次著地為一個(gè)步態(tài)周期。后退走以右腳尖首次觸地表示步態(tài)周期著地時(shí)刻，以右腳尖再次觸地表示步態(tài)周期結(jié)束；向前走以右足跟首次觸地表示步態(tài)周期著地時(shí)刻，以右足跟再次觸地表示步態(tài)周期結(jié)束，主要觀測(cè)指標(biāo)為一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)矢狀面著地時(shí)刻關(guān)節(jié)角度和關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍。

使用足底壓力步態(tài)分析系統(tǒng)（Podomed，中國(guó)）分析軟件P-Plate-scientific對(duì)足底壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將整個(gè)足底按照足部分區(qū)分為10個(gè)區(qū)域：第一趾骨（T1）、第二至五趾骨（T2-5）、第一、二、三、四和五跖骨（M1、M2、M3、M4和M5）、足弓（MF）、足跟內(nèi)側(cè)（HM）和外側(cè)(HL)。主要觀測(cè)指標(biāo)為足底各區(qū)峰值壓力和足底最大壓強(qiáng)。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

應(yīng)用SPSS 22.0（SPSS Ins，II，USA）進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，采用2×3重復(fù)設(shè)計(jì)的雙因素方差分析檢驗(yàn)坡度（0°、6°、 9°）和行走方向（后退、向前）對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)和足底壓力的影響，若存在交互作用，則運(yùn)用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)比較行走方向間的區(qū)別，通過(guò)單因素方差分析確定不同坡度間的差異，所有統(tǒng)計(jì)分析顯著性標(biāo)準(zhǔn)定為一類誤差概率小于0.05。

2.研究結(jié)果

2.1 不同坡度后退走和向前走對(duì)下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)的影響

2.1.1著地時(shí)刻不同坡度后退走與向前走對(duì)髖、膝、踝關(guān)節(jié)角度的影響

雙因素方差分析結(jié)果表明，著地時(shí)刻在髖關(guān)節(jié)屈曲角（＜0.001）不同坡度和行走方向存在顯著性交互作用。后續(xù)配對(duì)樣本t檢驗(yàn)結(jié)果顯示，后退走較向前走在0°（＜0.001）、6°（＜0.001）和9°斜坡（＜0.001）中表現(xiàn)出較小的髖關(guān)節(jié)屈曲角。單因素方差分析結(jié)果顯示，向前走在0°斜坡較6°（＜0.001）和9°斜坡（＜0.001）表現(xiàn)出較小的髖關(guān)節(jié)屈曲角。不論斜坡坡度，后退走較向前走表現(xiàn)出較大膝關(guān)節(jié)屈曲角（＜0.001）。不論行走方向，在0°斜坡較6°（＜0.001）和9°斜坡（＜0.001）表現(xiàn)出較小的膝關(guān)節(jié)屈曲角和較大的踝關(guān)節(jié)屈曲角（圖2）。

圖2 著地時(shí)刻不同坡度后退走與向前走髖、膝、踝關(guān)節(jié)屈曲角

2.1.2 不同坡度后退走與向前走髖、膝、踝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍的影響

圖3 不同坡度后退走與向前走髖、膝、踝角矢狀面活動(dòng)范圍

本研究發(fā)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)（<0.001）和膝關(guān)節(jié)屈曲角活動(dòng)范圍（<0.001）在不同坡度和行走方向間存在顯著性交互作用。后續(xù)配對(duì)樣本t檢驗(yàn)結(jié)果顯示，后退走較向前走，在0°斜坡表現(xiàn)出較小的髖關(guān)節(jié)屈曲角活動(dòng)范圍（=0.014）和膝關(guān)節(jié)屈曲角活動(dòng)范圍（＜0.001）；在6°（＜0.001）和9°斜坡（＜0.001）中表現(xiàn)出較小的髖關(guān)節(jié)屈曲角活動(dòng)范圍。單因素方差分析結(jié)果顯示，后退走在0°斜坡較6°斜坡（=0.003）表現(xiàn)出較大的髖關(guān)節(jié)屈曲角活動(dòng)范圍，較9°斜坡表現(xiàn)出較大的髖關(guān)節(jié)屈曲角活動(dòng)范圍（＜0.001）和較小的膝關(guān)節(jié)屈曲角活動(dòng)范圍（=0.015）；向前走在0°斜坡較6°（=0.003，=0.008）和9°斜坡（＜0.001，=0.005）表現(xiàn)出較小的髖關(guān)節(jié)屈曲角活動(dòng)范圍和較大的膝關(guān)節(jié)屈曲角活動(dòng)范圍。不論斜坡坡度,后退走較向前走表現(xiàn)出更大的踝關(guān)節(jié)屈曲角活動(dòng)范圍（=0.03）。不論行走方向，0°斜坡較6°（=0.008）和9°斜坡（<0.001）均表現(xiàn)出較小的踝關(guān)節(jié)屈曲角活動(dòng)范圍，6°斜坡較9°斜坡（=0.002）表現(xiàn)出較小的踝關(guān)節(jié)屈曲角活動(dòng)范圍（圖3）。

2.2 不同坡度后退走和向前走對(duì)足底壓力的影響

統(tǒng)計(jì)分析得出，第一趾骨峰值壓力（=0.031）和足底最大壓強(qiáng)（=0.048）在不同坡度和行走方向間存在顯著性交互作用。在進(jìn)行簡(jiǎn)單效應(yīng)分析后得出，后退走較向前走在0°（=0.001）和6°斜坡（＜0.001）中表現(xiàn)出較大的第一趾骨峰值壓力，在6°（=0.025）和9°斜坡中（=0.010）表現(xiàn)出較小的足底最大壓強(qiáng)。向前走在0°斜坡較6°斜坡表現(xiàn)出較小的第一趾骨峰值壓力（＜0.001），6°斜坡較9°斜坡表現(xiàn)出較小的第一趾骨峰值壓力（＜0.001）。不論斜坡坡度，后退走較向前走表現(xiàn)出較小的第一、二、四、五跖骨及足弓和足跟內(nèi)外側(cè)峰值壓力（＜0.001），較大的第三跖骨峰值壓力（＜0.001）。不論行走方向，0°斜坡較9°斜坡表現(xiàn)出更大的足弓（=0.041）、足跟內(nèi)側(cè)（=0.024）、足跟外側(cè)峰值壓力（＜0.001）；0°斜坡較6°斜坡表現(xiàn)出較小的足跟外側(cè)峰值壓力（=0.021）（圖4）。

圖4 不同坡度后退走和向前走足底壓力特征

3 討論

3.1 不同坡度和行走方向?qū)ο轮\(yùn)動(dòng)特征的影響

3.1.1不同坡度對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的影響

在著地時(shí)刻后退走和向前走時(shí)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)屈曲角隨著坡度的增加而增大，踝關(guān)節(jié)角隨著坡度的增加而減小。以往文獻(xiàn)指出，髖關(guān)節(jié)屈曲角增大是由于坡度的增加使大腿需要抬升高度以滿足步長(zhǎng)的需要；膝關(guān)節(jié)屈曲角增大，是因?yàn)橹匦脑谏掀逻^(guò)程中波動(dòng)幅度更大，落地時(shí)需要更多的緩沖作用來(lái)緩解重力所帶來(lái)的動(dòng)能，有效減小地面反作用力作用，減輕膝關(guān)節(jié)負(fù)荷[9,10]。在下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍研究中，后退走時(shí)膝關(guān)節(jié)屈曲活動(dòng)范圍，隨著斜坡坡度的增加而增大，說(shuō)明后退走時(shí)隨著坡度的增大，小腿折疊程度增加，有利于腿部力量訓(xùn)練，可以增強(qiáng)腿部力量。本研究中隨著坡度增大，踝關(guān)節(jié)屈曲角活動(dòng)范圍增大，有研究指出較大的踝關(guān)節(jié)背屈角會(huì)使下肢處于一個(gè)更緊繃的狀態(tài)，為著陸時(shí)緩沖沖擊力做更好的準(zhǔn)備，有利于預(yù)防踝關(guān)節(jié)損傷[11]。

3.1.2 不同行走方向?qū)ο轮\(yùn)動(dòng)學(xué)特征的影響

后退走較向前走在著地時(shí)刻表現(xiàn)出較小的髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)屈曲角以及較大的膝關(guān)節(jié)屈曲角，這可能是由于人體后退走時(shí)身體會(huì)重新組織關(guān)節(jié)活動(dòng)來(lái)保證動(dòng)作的完成和身體平衡性[12]。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)屈曲角度增加可能會(huì)使股后肌群對(duì)膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的保護(hù)作用加強(qiáng)，以維持人體的穩(wěn)定[13]。膝關(guān)節(jié)可通過(guò)增加屈曲角來(lái)有效提高步態(tài)的協(xié)調(diào)有效性，減緩重心變化，有助于緩沖足部受到的壓力[14]。著地時(shí)刻后退走較向前走表現(xiàn)出較大的膝關(guān)節(jié)屈曲角度，下肢關(guān)節(jié)易獲得更好的穩(wěn)定性來(lái)維持平衡。在下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍研究中后退走較向前走髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)屈曲角活動(dòng)范圍小，踝關(guān)節(jié)屈曲活動(dòng)范圍大。后退走時(shí)髖關(guān)節(jié)屈曲活動(dòng)范圍隨著坡度的增加而減小，膝關(guān)節(jié)屈曲活動(dòng)范圍隨著坡度的增加而增大，有研究發(fā)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)屈曲角活動(dòng)范圍減少，膝關(guān)節(jié)屈曲角活動(dòng)范圍增加，小腿折疊程度大，有助于提高腿部力量以及改善下肢關(guān)節(jié)的靈活性[15]。

綜上所述，后退走較向前走時(shí)在斜坡上有顯著差異，在斜坡上后退走下肢關(guān)節(jié)可以獲得更好的穩(wěn)定性，更好的避免損傷發(fā)生，后退走關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍的變化形式可以維持動(dòng)態(tài)平衡和功能代償，有助于提高腿部力量以及改善下肢關(guān)節(jié)的靈活性，可以應(yīng)用于下肢訓(xùn)練和損傷康復(fù)。

3.2 不同坡度和行走方向?qū)ψ愕讐毫Φ挠绊?/h3>

3.2.1 不同坡度對(duì)足底壓力的影響

足底峰值壓力是指足底承受的垂直地面反作用力，一個(gè)完整步態(tài)過(guò)程中該區(qū)域承受的最大壓力即足底峰值壓力[35]。在研究行走步態(tài)足底區(qū)域壓力特征變化中，通過(guò)對(duì)足底各區(qū)域峰值壓力的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)峰值壓力變化最具有代表性的是足跟內(nèi)側(cè)及第二至五趾骨區(qū)域[16]，這與本研究結(jié)果不一致，本研究中第二至-五趾骨峰值壓力后退走較向前走表現(xiàn)出較大的第二至五趾骨峰值壓力，但是不存在顯著性差異。有研究者，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著坡度的增加，腳后跟、前掌內(nèi)側(cè)、腳趾的峰值壓力顯著降低，而腳中部外側(cè)區(qū)域的壓力增加，與本研究的結(jié)果存在分歧。其可能原因是由于測(cè)試環(huán)境、坡道設(shè)置及測(cè)試速度不同等造成的，如跑步機(jī)或搭建含足底壓力的步道的使用、斜坡的長(zhǎng)度和寬度的不同、受試者步行速度的差異等[17]。

3.2.2 不同行走方向?qū)ψ愕讐毫Φ挠绊?/p>

從本研究結(jié)果可以看出后退走和向前時(shí)足底各分區(qū)峰值壓力存在差異，后退走較向前走表現(xiàn)出較小的第一、二、四、五跖骨、足弓、足跟內(nèi)側(cè)、足跟外側(cè)峰值壓力，以及表現(xiàn)出較大的第一趾骨、第三跖骨峰值壓力。有研究表明后退走和向前走差異表現(xiàn)在后退走時(shí)第一趾骨、第二至-五趾骨明顯低于正向走，足跟外側(cè)峰值壓力明顯高于向前走，這與本文研究結(jié)果不一致，可能源于實(shí)驗(yàn)設(shè)置方案的不同[18]。本研究還可以發(fā)現(xiàn)后退走和向前走相比在足跟處峰值壓力減小，跖區(qū)峰值壓力變大，后退走時(shí)最大峰值壓力分布在第三跖骨。有學(xué)者指出向前走時(shí)足弓峰值壓力高于后退走，第三跖骨峰值壓力相比低于后退走，是因?yàn)橄蚯白邥r(shí)足跟到足尖的過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)軸心是足跟，而后退走時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)軸心是在跖區(qū)[19]，這與本文研究結(jié)果相一致。有研究指出足底壓強(qiáng)峰值越大，其沖擊力越大，造成損傷的可能性越大，而足底壓強(qiáng)越小足底則越舒適，足底壓強(qiáng)是研究防止足底局部相關(guān)組織遭受過(guò)大壓力而損傷的有效指標(biāo)[20]。本研究結(jié)果表明，后退走較向前走在斜坡上表現(xiàn)出較小的足底最大壓強(qiáng)，這亦證實(shí)了斜坡上后退走時(shí)損傷可能性較小，適合鍛煉健身者運(yùn)動(dòng)。

綜上所述，后退走與向前走差異顯著，足底壓力分布特征反映出人體在行走時(shí)的步態(tài)變化，有助于更好地保持平衡，同時(shí)可作為由于足底受力過(guò)大導(dǎo)致足踝損傷的預(yù)防及康復(fù)手段。

4 結(jié)論和建議

4.1 結(jié)論

（1）后退走較向前走，在斜坡上著地時(shí)刻膝關(guān)節(jié)屈曲角度增大，采用身體較為彎曲的模式來(lái)調(diào)控機(jī)體平衡，易獲得更好的穩(wěn)定性，同時(shí)可以有效減小地面反作用力，降低膝關(guān)節(jié)負(fù)荷。進(jìn)一步，隨著坡度的增加，后退走髖關(guān)節(jié)屈曲角活動(dòng)范圍減少，膝關(guān)節(jié)屈曲角活動(dòng)范圍增加，有助于提高腿部力量及改善下肢關(guān)節(jié)的靈活性。因此后退走在斜坡上可以更好的避免膝關(guān)節(jié)損傷發(fā)生，可應(yīng)用于下肢力量訓(xùn)練中。

（2）斜坡上后退走采用足尖著地的形式有助于緩沖地面負(fù)荷及降低足部壓力，在斜坡上后退走表現(xiàn)出較小的足底最大壓強(qiáng)，可以減輕著地時(shí)地面的沖擊力，降低足部損傷風(fēng)險(xiǎn)。因此斜坡上后退走可作為由于足底受力過(guò)大導(dǎo)致足踝損傷的預(yù)防及康復(fù)手段。

4.2 建議

（1）后退走時(shí)斜坡坡度的增加有助于提高腿部力量，使下肢關(guān)節(jié)的靈活性達(dá)到更好的鍛煉效果。因此進(jìn)行斜坡上后退走訓(xùn)練，身體的運(yùn)動(dòng)能力、協(xié)調(diào)能力效果會(huì)更好，可用于下肢力量訓(xùn)練中。

（2）在斜坡上后退走可以有效緩沖地面反作用力，減輕膝關(guān)節(jié)負(fù)荷，維持人體的穩(wěn)定性，更好的避免膝關(guān)節(jié)損傷發(fā)生。因此后退走在斜坡上可以應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)預(yù)防損傷和損傷康復(fù)中。

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Effect of Backward Walking during Different Slopes on Lower Extremity Kinematics and Plantar Pressure

JIA Min，etal.

（Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024, Shanxi, China）

首批新文科研究與改革實(shí)踐項(xiàng)目（2021050026）；山西省基礎(chǔ)研究計(jì)劃自由探索類項(xiàng)目（202103021224109）；山西省回國(guó)留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目（2020-032）；山西省研究生教育教學(xué)改革課題（2021YJJG067）；太原理工大學(xué)學(xué)科建設(shè)經(jīng)費(fèi)資助（2022）。

賈敏（1995—），碩士生，研究方向：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)。

張美珍（1983—），博士，教授，研究方向：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)。