科技进步在残疾人竞技运动中的作用——以膝下截肢短跑运动为例

冯 毅，文 安，刘 宇

1 前言

残疾人竞技运动是指由残疾人参加的，有竞技性、有竞争成分、有组织，并且能使残疾人产生某种特殊体验的身体活动［11］。随着残疾人社会地位的提高，残疾人可参加的竞技运动比赛越来越多，其中，残疾人奥林匹克运动会（Paralympic Games，以下简称“残奥会”）是全世界残疾人竞技运动最高水平的综合性赛事。残奥会包括夏季残奥会和冬季残奥会，是在奥运会年举行的、由残疾人运动员参加的、奥林匹克运动形式的运动竞赛［7］。残奥会的前身是斯托克－曼德维尔运动会（Stoke Mandeville Games），由英国外科医生Sir Ludwig Guttmann创立，于1948年伦敦奥运会前一天在英国的Stoke Mandeville举行。在Guttmann的推动下，1960年，在奥运会举办地罗马举行了第1届以Paralympics冠名的残奥会；第1届冬季残奥会于1976年在瑞典的Ornskoldsvik举行［37］。迄今为止已举办了14届夏季残奥会和11届冬季残奥会。20世纪80年代，残奥会的组织机构——国际残疾人奥林匹克委员会（International Paralympic Committee，IPC）与国际奥委会（International O－lympic Committee，IOC）开始实质性的合作。两者达成共识，从1988年汉城奥运会开始，采取奥运会结束后在同一赛场举办残奥会的模式。自此，残奥会已成为了奥林匹克运动的一部分［7］。

随着残疾人竞技运动的发展，运动水平也不断提高。在部分项目上，部分残疾人的运动成绩甚至可以接近正常运动员的标准［28］。对于参加竞技运动的残疾人而言，轮椅、假肢、投掷椅、坐式滑雪板等运动装备是必不可少的。这些运动辅助器具不断改进的设计促进了残疾人运动成绩的提高，其中，科技进步起到重要作用［19，38］。在众多残疾人竞技运动项目中，膝下截肢短跑运动的发展和碳纤维假肢的使用就极为引人瞩目。双侧膝下截肢的南非短跑运动员Oscar Pistorius佩戴碳纤维材料的短跑专用假肢参加了2011年世界田径锦标赛和2012年奥运会的男子400 m跑比赛，且均进入半决赛。碳纤维假肢于1988年首次出现在残奥会田径赛场，其设计不断加以改进，逐步被高水平残疾人运动员所接受。在如今的残奥会田径赛场上，膝下截肢的短跑运动员所佩戴的假肢均由碳纤维材料制成［31］。2012年奥运会和残奥会之后，膝下截肢的短跑比赛运动水平又有了大幅提升，运动成绩进一步逼近健全人。值得注意的是，膝下截肢短跑运动的发展过程也是碳纤维假肢的设计不断改进和演化的过程［32］，而运动员运动成绩的提高显然得益于假肢技术的进步［38］。

本研究将分析短跑专用假肢的演化历史、碳纤维假肢的性能，以及膝下截肢短跑运动的发展历史与现状，探讨假肢技术的进步对于膝下截肢短跑运动员成绩提高所起的重要作用；并对膝下截肢短跑运动和假肢技术的发展前景作出展望。以此为例，阐述科技进步在残疾人竞技运动中的重要作用。若不加特别说明，本研究所讨论的假肢均指小腿假肢，即膝下截肢运动员所使用的假肢；本研究以讨论男性运动员的运动成绩为主。残疾人运动成绩均引用自国际残疾人奥林匹克委员会官方网站。

2 膝下截肢短跑运动的发展——历史与现状

根据IPC关于田径项目身体损伤程度的分级方案，在参加跑类项目的下肢截肢运动员中，单侧膝上截肢者为T42级，双侧膝下截肢者为T43级，而单侧半足至膝下截肢者为T44级［35］。参加T42级、T43级和T44级的截肢运动员通常佩戴下肢假肢进行比赛；其中，作为双侧和单侧膝下截肢的残疾人佩戴小腿假肢参加T43级和T44级短跑项目的竞赛。由于参赛人数较少，T43级运动员通常合并至T44级项目，同场竞赛并共同计算比赛成绩和排列名次。

1976年，在加拿大多伦多举行的第5届夏季残奥会上，首次设立下肢截肢组短跑比赛［38］，其后该项目运动水平得以迅速提高［32］。以男子T44级（单侧膝下截肢者）100m跑为例，1976年残奥会冠军成绩为14.3s，而2012年残奥会冠军成绩已达10.90s，图1为1976—2012年历届残奥会男子T44级100m跑的冠军成绩。该项目运动水平的提高固然有残疾人运动的普及、职业体育的推广、训练水平的提高等因素，但高新科技的引入，尤其是碳纤维假肢的出现和设计的改进，对于下肢截肢组短跑运动成绩的提高起着极为重要的作用［38］。1988年残奥会赛场上碳纤维假肢的首次出现对于下肢截肢短跑运动而言，更是一个里程碑式的突破［32］（图1）。

图1 1976—2012年历届残奥会男子T44级100m跑的冠军成绩示意图Figure 1. Champion Results of 1976—2012 Paralympic Games，Men＇s 100mT44

继Oscar Pistorius在2012年伦敦奥运会和残奥会的出色表现之后，膝下截肢短跑项目的运动水平又有了大幅提升，运动成绩进一步逼近健全人。尤为引人瞩目的是在2013赛季，出生于1992年的巴西双侧膝下截肢短跑运动员Alan Oliveira在T43级100m、200m和400m3个单项中均大幅提高个人最好成绩，并打破100m、200m世界纪录，其200m成绩达20.66s，接近于世界田径锦标赛和奥运会的参赛B标。而T44级100m、200m和400m的世界纪录也均在2013赛季被打破（表1）。需要指出的是，虽然T43级短跑各单项的世界纪录均高于T44级，但在IPC田径项目中，T43级远不如T44级和其他级别普及。2013年，进入IPC中T43级100m、200m、400m各单项排名的运动员均不超过10人，并未形成有效的竞争局面，项目水平主要依赖于个别明星的表现。而进入T44级排名的运动员数量众多，竞争激烈且整体水平较T43级更高。原因可能是，T43级运动员的残疾程度较T44级更高，运动及日常活动中身体受限更大，使得其参加专业训练时的起点较低，技术难度更大，而且由于碳纤维价值相当昂贵，使得参加T43级的运动员比T44级运动员面临更大的经济花费。但结合Oscar Pistorius、Alan Oliveira的卓越表现可以说明，蕴藏在双侧膝下截肢残疾人身体中的运动潜力其实并未得到普遍、充分的发掘。

表1 Oliveira个人纪录与男子T43级、T44级和健全男子短跑世界纪录比较一览表 （s）Table 1 Personal Bests of Oliveira，World Records of Men＇s T43and T44，World Records of Men in Sprinting

受制于经济条件和残疾人竞技运动的发展水平，我国膝下截肢短跑运动的普及程度远不及发达国家，只有极少量的T44级运动员参加短跑训练和比赛。至于我国运动员所佩戴的假肢，以往主要采用国内产品：20世纪90年代，单侧膝下截肢的女运动员汪涓佩戴国产日常用假肢打破100m世界纪录；单侧膝下截肢的运动员孙长亭佩戴国产玻璃纤维假肢打破跳远项目世界纪录［3］，并获得残奥会标枪项目金牌和短跑项目第4名。随着经济条件的改善，如今我国参加跑跳类项目的下肢截肢运动员基本上都使用国外的运动假肢。汪涓在1999年佩戴碳纤维假肢后参加了4届残奥会，夺得T44级100m、200m和跳远项目的数枚奖牌，成为我国仅有的膝下截肢短跑项目的世界级运动员。而在男子项目上，虽然多年来中国在截肢跳高、跳远项目上拥有一批优秀残疾人运动员，但在截肢短跑项目上却始终未收获残奥会奖牌。考虑到运动假肢的使用很不普及，近年来，我国下肢假肢的生产和研究已主要集中于日常使用型［6］。

3 假肢技术的进步在膝下截肢短跑运动发展中的作用

对于参加短跑项目训练和比赛的膝下截肢残疾人而言，专用的小腿假肢是必不可少的运动装备，其不断改进的设计促进了残疾人运动成绩的提高，其中，科技进步起到重要作用［19，38］。小腿假肢通常由内支架、接受腔及悬吊装置构成。假肢的骨架即为内支架，相当于足－踝－小腿结构；接受腔是患者残肢和假肢的接触界面，容纳残肢并通过悬吊装置将假肢与身体相连接［23］。小腿假肢按照功能可分为日常用假肢和专用的运动假肢。用于参加竞赛活动的运动假肢，其设计侧重于截肢运动员的运动表现及其比赛成绩的提高［8］。参加短跑比赛和训练的截肢运动员，其佩戴的假肢经历了由日常假肢向运动型假肢、短跑专用假肢发展和分化的过程，这同时也是膝下截肢短跑运动不断快速发展的过程。

3.1 短跑专用假肢的演化

20世纪50年代末发明的定踝软跟足SACH（Solid－Ankle Cushioned Heel，Ohio Willow Wood，Ohio，USA）是一种木质刚性假肢，踝关节处固定，而足跟部垫有泡沫材料作为缓冲。这类假肢的功能也只是恢复基本行走和简单的工作任务，基本不具备参加竞技运动的功能［25］，其设计和材料直至20世纪80年代都没有太大的改变［31］。

对于充满活力的截肢运动员来说，其需求已不仅仅满足于步行，而是能够跑跳和参加竞技运动。运动型假肢Seattle Foot的设计拓展了截肢者的运动能力［33］。1981年面世 的 Seattle Foot（Seattle Limb Systems，Poulsbo，WA，USA）引入了储能假肢（Energy－Storing Prosthetic Foot，ESPF）的概念，其整体式的骨架在步态前期加载时会像弹簧一样弯曲变形，而在步态后期将储存的部分能量返还给截肢者以帮助推动其向前运动。但在Seattle Foot中，依然保留了泡沫缓冲足跟的设计［25］。储能假肢所使用的储能材料包括：Seattle Foot采用的杜邦公司生产的专利产品Delrin——一种树脂材料［25］，20世纪90年代初清华大学研制的运动假肢所采用的玻璃纤维材料［3］，以及当今残奥会田径赛场上最为盛行的碳纤维材料等［25］。其中，玻璃纤维材料的储能式运动小腿假肢，其能量效率低于同时代的Flex－Foot，但高于Seattle Foot［3］。

1984年，单侧膝下截肢的美国工程师Van Phillips设计 出 碳 纤 维 假 肢 Flex－Foot（Flex－Foot，Inc.Aliso Viejo，CA），它包含了易弯曲的碳纤维小腿－足和弹性足跟各一片，能够使假肢在整个长度内产生弯曲、吸收和返还能量，而不是仅仅在足部。这一不同寻常的设计被认为是当时最先进的储能假肢。该产品于1987年进入市场［25］，并于1988年残奥会首次亮相于顶级残疾人运动会。美国残疾人运动员Dennis Oehler佩戴Flex－Foot参加了单侧膝下截肢组100m跑比赛，以11.73s夺冠，而该单项1984年残奥会冠军的成绩为13.12s［32］。1992年假肢的弹性足跟被去除，于是诞生了第一款短跑专用假肢［31］。2000年，Van Phillips将Flex－Foot专利卖给了Össur公司，后者制造的无后跟假肢 Flex－Foot Cheetah（Össur，Reykjavik，Iceland）现已装备了多名顶尖的截肢短跑运动员。如今，在跑跳项目的顶级比赛中，碳纤维假肢已处于支配地位，其设计与1992年款式相比并无根本性的改动。图2为近年来几款不同短跑专用假肢的设计图，适合于膝下截肢运动员使用，其设计具有以下共同特点：1）采用碳纤维作为假肢主要材料；2）无足跟设计；3）假肢的刚度和形状可以依据运动员个体特征进行优化［31］。

图2 几近来几款不同短跑专用假肢的设计示意图Figure 2. The Different Sprint Foot Designs［31］

从节能、舒适度和经济角度考虑，这些由价格昂贵的碳纤维材料制成的短跑专用小腿假肢并不适用于截肢者在日常生活中佩戴。短跑专用假肢主要的功能是奔跑和站立，所以无需考虑运动员穿戴运动假肢时的生活方便与否。碳纤维是一种具有很高储能性的材料；储能性高的假肢适合剧烈的高冲击级别运动，而在低冲击级别的日常生活中，其他因素对使用者的能耗影响更大［10，22］。

3.2 碳纤维假肢的能量效率

1958年，美国化学家Roger Bacon发明了高性能碳纤维［14］。碳纤维是由粘胶、聚丙烯腈、沥青等有机母体纤维在1 000℃～3 000℃高温的惰性气体环境中分解制成的一种无机材料，含碳量在90%以上，具有重量轻、力学性能好、比强度、比刚度高、可设计性强、易加工成型及环保等优点［5］。而假肢部件的轻质化对降低穿戴者运动所消耗的能量、提高假肢的穿戴效果具有重要影响。由此，碳纤维材料在假肢领域得到快速发展和应用［1］。

碳纤维假肢可简化为弹簧模型，在加载时储存能量，而在卸载时释放能量；后者与前者的比值称为弹簧的能量效率。由于存在诸如发热和噪声等摩擦和能量损失，任何弹簧的能量效率都不可能是100%。弹簧的能量效率可以在静态或动态条件下测量获得，但两者在结果上很难相互比较［25，31］。从动力学观点来看步态过程，足在支撑前期储存能量，在支撑后期释放能量。而储能假肢由于特殊的设计和材料，释放能量与储存能量之比一般在50%以上。采用高弹性、高强度的碳纤维材料假肢，其释放能量与储存能量之比高达95%以上。碳纤维假肢极高的能量效率且轻质，使截肢者在使用时更为节省能量［21］。

3.3 佩戴碳纤维假肢的局限性

在进行奔跑时，踝关节比下肢其他关节作功更多［25］，通过跟腱、足的纵弓和积极的跖屈来储存、返还并产生能量［31］。Czerniecki（1991）对 于 SACH、Seattle Foot和 Flex－Foot进行的研究表明，在跑速为2.8m／s的条件下，这3种小腿假肢的能量效率分别为31%、52% 和84%；而利用逆向动力学公式计算得到的足的能量效率为241%［21］。与健全人足241%的能量效率相比，储能假肢并没有任何的优势。碳纤维假肢在展现出比其他假肢更高的能量效率的同时，作为被动系统却并不能提供接近于人足的能量效率［31］。在跑的支撑阶段，截肢者和健全人依靠踝关节或假肢产生大部分的能量，其次是膝关节和髋关节伸肌。将假肢与人的下肢作比较，Flex－Foot假肢的“踝关节”吸收了28.6J的能量，产生了24.1J的能量；而人的踝关节吸收了26.1J的能量，产生了62.9J的能量。另外，截肢者患肢膝关节的表现也不如健肢膝关节；作为补偿，患肢髋关节吸收和产生了比健肢髋关节更多的能量。若将3关节一起考虑，膝下截肢者支撑阶段下肢产生的总能量只有健全人的70%［21］。这表明，虽然在髋关节有补偿，假肢在支撑阶段产生的能量并没有超过健肢［31］。

Buckley（2000）在比较两位单侧膝下截肢者均佩戴两款短跑 专 用 假 肢 （Flex Sprint and Cheetah，Reykjavik，Ice－land）以6.81～7.05m／s的速度进行奔跑的效果时，发现健肢踝关节功率的峰值远高于假肢，健全足为1 853～2 741W，而Flex Sprint为870～1 012W，Cheetah为307～637W。这一结果看出不同短跑专用假肢之间存在差别，而且它们都不可能产生与人足同样的功或功率［16，30］。Grabowski（2010）研究了4男2女共6名单侧膝下截肢的优秀残疾人短跑运动员，让他（她）们佩戴短跑专用假肢进行各种速度的奔跑（包括最高速度），发现患肢的垂直地面反作用力要比健肢少约9%，而在摆动时间上，患肢与健肢无显著性差异，并且与已有报道的健全人接近。由此推断，短跑专用假肢减少了力的产生，并限制运动员的最高速度。某些单侧膝下截肢的优秀残疾人短跑运动员可能会学习并训练通过加快两腿摆动，来补偿患肢所产生力量的不足［24］。

Hobara（2014）研究了8名单侧膝下截肢短跑运动员和8名健全人进行速度为2.5m／s、3.0m／s和3.5m／s的慢跑，发现截肢者健肢的垂直地面反作用力的峰值和加载率均显著高于其患肢和健全人，提示单侧膝下截肢短跑运动员的健肢具有更高的受伤风险［26］。

Hafner（2002）认为，佩戴假肢装置在生理上并不能完全取代被截肢的足和踝关节。因为足和踝关节的肌肉骨骼复合体不仅吸收能量，而且产生的能量较其吸收能量更多；要完全取代下肢，还需要主动型的假肢部件。而当前的商业碳纤维假肢为被动材料，因此，至多只能部分地取代所缺失的生理系统。这导致了佩戴碳纤维假肢的单侧膝下截肢者在走、跑步态中肢体之间在时间、动力学和运动学等步态参数上存在着显著的不对称［25］。现市场上已有多款适用于截肢者日常活动的、采用电机驱动的主动型智能踝足机构假肢［9］，但未见其应用于正式残疾人田径比赛的报道。

以上这些研究说明，对于由被动材料碳纤维制造的假肢，只能储存能量并返还能量，而不能像健肢的踝关节一样主动收缩产生能量，这就能够解释为何在需要更为强大推进力和输出功率的短跑起跑和加速跑阶段，膝下截肢运动员（尤其是双侧膝下截肢的运动员）与健全运动员相比存在明显差距。

3.4 佩戴碳纤维假肢的优势

Brüggemann（2007—2008）对于 Oscar Pistorius的研究表明，健肢与安装了假肢的患肢在人体测量学和惯性特性方面都不相同。骨架和接受腔的质量和转动惯量均低于穿有跑鞋的健肢，这使得抬升和加速摆动腿所需的机械功更少。根据碳纤维的材料特性，假肢骨架具有高比例的能量返还。通过对奔跑时关节的动力学分析，强调了双侧膝下截肢运动员与相同水平的健全运动员（控制组）之间的显著差异，是完全不同的运动模式，也是完全不同的肌肉加载形式。在膝关节和髋关节处较低的外关节力矩，触地期在膝关节处较低的机械功，假肢踝关节处较低的能量损失，以及每一次触地整个身体较低的机械功，这些导致了双侧膝下截肢短跑运动员使用专用假肢进行短跑，虽然与控制组跑速相同，但却消耗更少的能量：在进行400m的次最大能力奔跑测试时，前100mPistorius的耗氧量略高于控制组；但在后3个100m，Pistorius的耗氧量均较控制组低25%。因此，佩戴碳纤维假肢跑400m，其后程更占优势。在2007年罗马举行的国际田联大奖赛400m比赛中，Pistorius跑出46.90s的成绩，其中，200～300m之间用时为10.8s，平均速度为9.25m／s。这个速度接近于顶尖的400m健全运动员（成绩约为44s）奔跑的最大速度。但是，这一优势仅限于双侧膝下截肢的短跑运动员。Brüggemann认为，单侧膝下截肢运动员患肢与健肢之间能力存在不对称性，而且从跑的动力学来看，单侧膝下截肢者缺乏更为有力的肢体环节。这也可以解释为何在200 m和400m项目上，双侧膝下截肢组的纪录要远高于单侧膝下截肢组［15］。

3.5 Pistorius参加IAAF比赛的资格问题

在经历了2007赛季与健全人的同场竞技之后，对于Pistorius是否有资格继续参加IAAF比赛，尤其是2008年北京奥运会的问题，2008年1月IAAF（International Association of Athletics Federations，国际田径联合会）依据Brüggemann对于 Oscar Pistorius的研究结果［15］认定，Pistorius的假肢为其带来了竞争优势，不符合IAAF竞赛规则第144条第2款的规定。该条款禁止运动员使用任何可能增加其竞争优势的辅助设施，包括使用任何具有弹跳、旋转及其他功能的技术设施［27］。因此，他不能再使用这双假肢与健全人竞赛，包括参加北京奥运会。针对IAAF的这一决定，Pistorius向CAS（Court of Arbitration for Sports，国际体育仲裁法庭）提起仲裁，请求CAS推翻IAAF的决定，允许其参加健全人的竞赛。CAS在综合考虑双方的证据后认为，没有足够的证据证明Pistorius通过其假肢获得了全面的净优势，并且在现有条件下无法认定Pistorius的假肢违反了IAAF竞赛规则第144条第2款的规定。据此，CAS于2008年5月裁决，IAAF应允许Pistorius参与健全人的比赛。CAS做出的仲裁裁决具有法律约束力，IAAF不得不再次确认Pistorius的参赛资格，并对于竞赛规则第144条第2款进行了修订。然而，针对佩戴碳纤维假肢是否带来优势这一问题，自2007年Pistorius参加IAAF赛事以来，就在体育组织、媒体和学术界产生了广泛的争议，有些争论还超出科学的范畴［29，40］。

值得注意的是，CAS的这一裁决是仅针对Pistorius及特定类型假肢有效的个案，并且是基于彼时的科技条件做出，因而是暂时的、未来可更改的［13］。

3.6 小结

截肢运动员短跑运动项目的发展与假肢技术的发展息息相关，如今，在残奥会等顶级残疾人田径赛事中，碳纤维假肢已在截肢短跑项目中处于支配地位。一方面，碳纤维假肢并不能像健肢的踝关节肌肉一样主动收缩产生能量，另一方面，由于其轻质和高比例的能量返还，膝下截肢短跑运动员会因为佩戴碳纤维假肢消耗比健全运动员更少的能量，在途中跑中获得额外的优势。佩戴碳纤维假肢是否带来优势，这一问题还存在争议。而对于佩戴假肢的残疾人运动员是否能参加正式的健全人国际田径比赛，则必须得到IAAF的允许。

4 短跑假肢技术与膝下截肢短跑运动的前景展望

4.1 短跑假肢技术的前景展望

假肢的形状、刚度设计、接受腔设计以及对线技术对于短跑运动表现会产生重要影响。未来在短跑假肢技术的发展过程中，这些针对特定运动员的个性化设计的优化和装配技术的提高，将使得碳纤维假肢材质无实质性改变的条件下，进一步提高截肢运动员的运动水平。

4.1.1 假肢的形状、刚度设计

短跑专用假肢依据截肢者的身高、体重、健肢奔跑步态等个人情况进行个性化定制，由于价格昂贵，目前只有成人型号。尽管所有的短跑专用假肢均设置为“以足趾奔跑”的状态，但根据制造商和模型不同，其形状也略有不同（图2）。每只短跑专用假肢都有不同刚度范围，根据截肢者体重推荐给使用者。研究发现，在人体下肢中，腿的刚度与最大短跑速度显著相关［20］。膝下截肢者如佩戴Cheetah假肢中刚度较大的类别，可改善其奔跑的对称性；研究还发现，Cheetah假肢跖屈角增大可有效产生更短的足趾杠杆，以减小伸髋力矩，并增加奔跑的对称性［23］。为了在高应力区增大刚度，假肢的直线段和曲线段结合部位的碳纤维层数需加厚，而为了减小刚度，在足尖部等处碳纤维层数较少。为了测量短跑专用假肢形状和刚度对奔跑速度的影响，有一项研究将3款新设计的假肢与Cheetah假肢作比较，虽然它们之间关系复杂，但短跑速度可能是短跑专用假肢形状和刚度的函数，并且碳纤维假肢是可以优化的。然而，增大的假肢刚度可能会以降低能量效率为代价［25］。

4.1.2 假肢的接受腔设计

接受腔是患者残肢和假肢的接触界面，它能将残肢舒适的收纳在其中，并能将作用力有效地传递到假肢远端部位的人体－机械系统的界面部件。假肢技术的进步对于截肢短跑运动员成绩的提高起到了重要作用，但接受腔设计对于成绩的影响如何，迄今尚无研究；而在高强度运动中，接触界面载荷增大，这一问题却至为重要［38］。小腿截肢会改变骨盆和脊柱的定位［17，18］，进而对短跑步态产生实质性的影响，因此，对于接受腔设计如何影响运动成绩，需要进行整体性的评估［38］。接触界面的承重问题一直是小腿假肢接受腔设计的核心，而全面负重小腿假肢（Total Surface Bearing，TSB）的理念是，把体重更加平均地分布于整个残肢，减少由于局部压力过大带来的皮肤溃破等问题［34］。

4.1.3 短跑假肢的对线

在进行假肢的装配前，接受腔、关节、内支架等假肢主要部件的定位和校准称为对线［38］。下肢假肢必须经过对线调整，才能达到适合截肢者使用的目的［2］。在下肢假肢制作及装配过程中，需要通过工作台对线、静态对线和动态对线确定接受腔与功能部件之间的空间相对位置关系。对线不仅影响假肢舒适性和安全性，而且和患者的站立姿势、步态、能耗等都有着直接的关系［4，12］。在为运动假肢对线时，应充分考虑到残肢的自然屈曲、外展和外旋的角度，以及接受腔与膝关节连接的距离。在自然屈曲位对线，能够保证运动员在短跑时的最大步幅，以利于成绩的提升［7，17］。对线和质心位置在短跑专用假肢模型和个人设置之间会有不同。由研究得知，将载荷作用线后移会增加跖屈［30］，将更大载荷施加于足趾，并改善对称性［36］。问题是，将这一功能最大化不仅是为了获得最大跑速，而且为了截肢者从静止加速至最大跑速之前的速度；为获得摆动速度、有效增大跑速，短跑专用假肢会根据质心位置和惯性进行修改以获得其最佳组合［31］。

4.2 膝下截肢短跑运动的前景展望

膝下截肢短跑项目的分级包括T43级（双侧膝下截肢）和T44级（单侧膝下截肢），T44级短跑项目更为普及且整体水平更高，而参与T43级的运动员数量极少。但依靠技术上的优势，T43级个别明星运动员的成绩远高于T44级运动员，并且已成为真正意义上的职业田径运动员。例如，Oscar Pistorius从2007年开始参加职业田径比赛，他在伦敦奥运周期的收入已跻身于一流田径运动员的行列；而Alan Oliveira在近年来也频繁参加商业比赛，2013年3月31日的Copacabana海滩，他与Usain Bolt进行了同场，但非同组的150m直道竞速，跑出了15.68s的成绩。现今，高水平残疾人田径运动员已得到政府、社会和赞助商的资金支持，成为专业或职业运动员。为促进残疾人田径项目水平的提高，IPC在2013年首次推出残疾人田径系列大奖赛，其中有一站设在北京，在比赛中，有膝下截肢短跑项目的世界纪录被打破。这一系列赛事的出现对原本参与程度很低的T43级的发展将产生积极的影响。随着越来越多残疾人田径赛事的举办，蕴藏在双侧膝下截肢残疾人身体中的运动潜力将会得到更为充分的发掘。由于T44级与T43级运动员常常会同场竞技，预计前者的整体水平也将逐步提高。

通过本研究以上分析，膝下截肢短跑运动在未来将呈现以下发展趋势：

1.残疾人竞技运动的发展与普及将促进训练的职业化、高新科技的应用，这是膝下截肢短跑项目运动水平提高的最根本因素；而高新科技的不断引入会促进项目水平的提高，并将推动双侧膝下截肢短跑项目的普及。

2.高新科技将不断被引入，其发展方向可能在于：个性化设计的优化和装配技术的改进、电活性聚合物人造肌肉、外骨骼系统、主动型智能假肢、3D打印技术等。

3.双侧膝下截肢短跑运动员的运动水平将会在未来数年内迅速接近甚至超过健全短跑运动员的水平。具体来看，巴西的双侧膝下截肢短跑运动员Alan Oliveira有望进入2016年里约奥运会男子200m决赛。如果截肢短跑运动员果真能够站在奥运会决赛跑道上，那么可以预见，将会极大促进残疾人竞技运动的发展，同时，也将会有新一轮对于短跑假肢的争议。至于2020年奥运会和残奥会周期，随着残疾人竞技运动的普及，双侧膝下截肢短跑运动的发展前景将会更为乐观。

5 结语

膝下截肢残疾人运动员参加短跑比赛已近40年的发展历史，假肢技术的进步对于膝下截肢短跑运动员成绩提高起到了重要作用，而佩戴短跑专用假肢的双侧膝下截肢的短跑运动员参加奥运会已成为现实。本研究通过分析双侧膝下截肢短跑运动的发展历史与现状，对项目发展前景进行了展望，认为该项目的运动水平会随项目的普及和假肢技术的发展而不断提高，部分单项上个别运动员的成绩有可能达到或超过健全短跑运动员。

科技进步对残疾人竞技运动的重要作用已越来越受到瞩目，双侧膝下截肢、佩戴高科技智能假肢参与攀岩等运动的麻省理工学院生物物理学家Hugh Herr博士曾说：人们总是认为人体是最完美的，但事实并非如此。未来数年内，双侧膝下截肢短跑运动的发展将对这一观点进行诠释。

［1］崔海坡，周海风，程恩清.碳纤维复合材料特性及在假肢领域的应用［J］.中国组织工程研究与临床康复，2009，13（25）：4913－4915.

［2］方新.下肢假肢对线与截肢者平衡［J］.中国矫形外科杂志，2003，11（11）：775－776.

［3］金德闻，黄浩，张济川.储能式下肢运动假肢的研究［J］.中国康复医学杂志，1993，8（4）：159－161.

［4］李小兵，贾晓红，王人成，等.对线对小腿截肢患者残侧下肢生物力学特性的影响［J］.清华大学学报（自然科学版），2007，47（5）：644－646.

［5］王鹏，邹琥，陈曦，等.碳纤维的研究和生产现状［J］.合成纤维，2010，39（10）：1－6.

［6］王人成.我国假肢技术的研究与进展［J］.中国康复医学杂志，2012，27（11）：1058－1060.

［7］谢清，裴东光.残疾人体育起源、残奥会与奥运会的关系［J］.首都体育学院学报，2014，26（3）：206－208.

［8］解益，董安琴，邓小倩，等.大腿运动假肢的制作及功能特点——附1例膝上截肢短跑运动员的个案报道［J］.中国康复医学杂志，2012，27（1）：63－65.

［9］杨鹏，刘作军，耿艳利，等.智能下肢假肢关键技术研究进展［J］.河北工业大学学报，2013，42（1）：76－80.

［10］杨文兵.浅析假脚储能性与实用性之间的关系［J］.中国康复理论与实践，2009，15（4）：395－397.

［11］张军献，虞重干，苏小霞.竞争性或非竞争性：残疾人参与体育运动的思考［J］.体育科学，2008，28（4）：57－64.

［12］周大伟，方新.下肢假肢智能对线系统［J］.中国康复理论与实践，2013，19（5）：416－417.

［13］周青山.对国际体育仲裁院裁决“奥斯卡案”的法理思考［J］.体育学刊，2010，17（11）：30－34.

［14］BACON R.Growth，structure，and properties of graphite whiskers［J］.J Appl Physic，1960，31（2）：283－290.

［15］BRÜGGEMANN G－P，ARAMPATZIS A，EMRICH F，et al.Biomechanics of double transtibial amputee sprinting using dedicated sprinting prostheses［J］.Sports Technol，2008，1（4）：220－227.

［16］BUCKLEY J G.Biomechanical adaptations of transtibial amputee sprinting in athletes using dedicated prostheses［J］.Clin Biomech，2000，15（5）：352－358.

［17］BURKETT B，SMEATHERS J，BARKER T.Optimising the trans－femoral prosthetic alignment for running，by lowering the knee joint［J］.Prosthet Orthot Int，2001，25（3）：210－219.

［18］BURKETT B，SMEATHERS J，BARKER T.Walking and running inter－limb asymmetry for Paralympic trans－femoral amputees，a biomechanical analysis［J］.Prosthet Orthot Int，2003，27：36－47.

［19］BURKETT B.Technology in Paralympic sport：performance enhancement or essential for performance［J］.Br J Sports Med，2010，44：215－20.

［20］CHELLY S M，DENIS C.Leg power and hopping stiffness：relationship with sprint running performance［J］.Med Sci Sports Exe，2001，33（2）：326－333.

［21］CZERNIECKI J M，GITTER A，MUNRO C.Joint moment and muscle power output characteristics of below knee amputees during running：the influence of energy storing prosthetic feet［J］.J Biomech，1991，24（1）：63－75.

［22］DYER B T J，NOROOZI S，REDWOOD S，et al.The design of lower－limb sports prostheses：fair inclusion in disability sport［J］.Disabil Soc，2010，25（5）：593－602.

［23］FITZLAFF G.Socket technology and prosthetic alignment［A］.In：Lower Limb Prosthetic Components；Design，Function and Biomechanical Properties［C］.Dortmund：ISPO.Verlag Orthopaedie－Technik：13－28.

［24］GRABOWSKI A M，MCGOWEN C P，MCDERMOTT W J，et al.Running－specific prostheses limit ground－force during sprinting［J］.Biol Letters，2010，6（2）：201－204.

［25］HAFNER B J，SANDERS J E，CZERNIECKI J M，et al.Transtibial energy－storage－and－return prosthetic devices：A review of energy concepts and a proposed nomenclature［J］.J Rehabilit Res Develop，2002，39（1）：1－12.

［26］HOBARA H，BAUM B S，KWON H－J，et al.Amputee locomotion：Lower extremity loading using running－specific prostheses［J］.Gait Posture，2014，39（1）：386－390.

［27］IAAF.Competition Rules［S］.2008，R.144.2.

［28］LEGRO M W，REIBER G E，CZERNIECKI J M，et al.Recreational activities of lower－limb amputees with prosthesis［J］.J Rehabil Res Dev，2001，38：319－325.

［29］MARCELLINI A，FEREZ S，ISSANCHOU D，et al.Challenging human and sporting boundaries：The case of Oscar Pistorius［J］.Performance Enhance Health，2012，1（1）：3－9.

［30］NOLAN L，LEES A.The influence of lower limb amputation level on the approach in the amputee long jump［J］.J Sports Sci，2007，25（4）：393－401.

［31］NOLAN L.Carbon fibre prostheses and running in amputees：A review［J］.Foot Ankle Surgery，2008，14（3）：125－129.

［32］PAILLER D，SAUTREUIL P，PIERA J－B，et al.volution des prothèses des sprinters amputés de membre inférieur［J］.Annales de Réadapt et de Méd Physique，2004，47（6）：374－381.

［33］POGGI D L，BURGESS E M，MOELLER D E，et al.Prosthetic foot having a cantilever spring keel.United States，4，645，509［P］.1987.

［34］SEYMOUR R.Prosthetics and Orthotics：Lower Limb and Spinal［M］.Philadelphia：Lippincott Williams Wilkins，2002.189.

［35］TWEEDY S，BOURKE J.IPC Athletics Classification Project for Physical Impairments：Final Report－Stage 1［S］.2010.

［36］WATERS R L，PERRY J，ANTONELLI D，et al.Energy cost of walking of amputees：the influence of level of amputation［J］.J Bone Joint Surg Am，1976，58（1）：42－46.

［37］WEBBORN A D.Fifty years of competitive sport for athletes with disabilities：1948—1998［J］.Br J Sports Med，1999，（33）：138.

［38］WEBBORN N，VAN D E VLIET P.Sports and exercise medicine 2：Paralympic medicine［J］.Lancet，2012，（379）：65－71.

［39］ZAHEDI M S，SPENCE W D，SOLOMONIDIS S E，et al.A－lignment of lowe－limb prostheses［J］.J Rehabilit Res Develop，1986，23（2）：2－19.

［40］ZETTLER P J.Is it cheating to use cheetahs：The implications of technologically innovative prostheses for sports values and rules［J］.BU Int＇l LJ，2009，（27）：367－409.