不同运动界面对业余跑步者的下肢生物力学分析

张金鹏，李建朋,全文静，何玉环

(1.宁波市职业技术教育中心学校，浙江 宁波 315000；2.宁波大学 体育学院，浙江 宁波 315211)

近年来，随着全民健身政策的号召越来越多的运动爱好者加入跑步运动。跑步被证明可以有效的降低慢性疾病、心血管疾病和肥胖等发生的风险[1]。但是跑步造成下肢肌肉骨骼损伤率也非常的高，研究表明每年业余跑步者发生运动损伤率为20%～70%[2]。其中每1 000h跑步中约有17.8%的业余跑步者发生运动损伤，特别是膝关节运动损伤[3]。有研究表明地面冲击力是造成跑步运动损伤的主要原因[4]，很多学者通过转变着地和改变跑步姿态来降低地面对下肢的冲击力[5,6]，还有一部分研究表明跑鞋对跑步运动损伤也有着密切的关系[7]。但是近些年的研究没有对跑步界面引起重视，从而忽略了不同运动界面对跑步下肢运动学和动力学的影响。水泥路面和人造草坪地面是跑步者经常选择的运动界面，因此，本研究在标准的运动生物力学实验室模式真实的水泥路面和人造草坪地面，通过采集不同运动界面下支撑期内的运动学和动力学参数进行对比研究，了解不同运动界面及对人体下肢生物力学特征的影响，旨在促进跑步运动损伤的减少并为跑步爱好者在不同运动界面跑步时提供理论参考依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

受试者为10名大众跑者。选择测试对象的标准包括：①年龄 18-30 周岁；②鞋码为 41 码；③跑步锻炼经历两年及以上，每周跑量为5km。所有受试者身体状况及运动能力良好，没有受过专业的跑步训练，在过去的6个月内无下肢损伤，实验前24h内未从事剧烈活动。测试前，受试者被告知该研究的目的和注意事项，受试者填写知情同意书，并志愿按照要求进行测试。

表1 受试者基本信息(N=10)

1.2 实验仪器

1.2.1 Vicon三维红外运动捕捉系统。使用Vicon三维红外运动捕捉系统(Oxford Metrics Ltd. ,Oxford, UK)自带的下肢运动模型，采集下肢髋、膝和踝关节矢状面、冠状面和水平面的运动学参数，采集频率设定在200Hz。24个Maker反光点(直径12.5mm)分别粘在受试者骶髂关节中心(SACR)、左右侧髂前上棘(LASI、RASI)、左右侧髂嵴(LPP、RPP)、左右大转子(LTROC、RTROC)、优势腿大腿跟踪点(S1、S2、S3、S4)、优势腿内外侧膝间(RMK、RLK)、优势腿小腿跟踪点(ST1、ST2、ST3、ST4)、优势腿内外侧踝(RMA、RLA)、优势腿脚后跟跟踪点(SH1、SH2、SH3)、优势腿大脚趾(RTOE)、第一跖趾关节(RM1)、第五跖趾关节(RM5)(图1)。

图1 反光标记点放置位置示意图

1.2.2 Kistler三维测力台。使用瑞士Kistler三维测力台(Kistler, Switzerland)与Vicon软件同步测试，固定于跑道中央。通过秒表和节拍器控制受试者的跑步节奏，将速度分别控制在3.3m/s。受试者在实验室内10m长的跑道上熟悉实验场地并适应跑步节奏和速度，且调整好步点使得右脚落于测力台上，以1 000Hz采集受试者右腿的地面反作用力。

1.2.3 测试的运动表面。本实验选取了水泥地和人造草坪两种不同的跑步界面进行测试，将实验选取的人造草坪固定在测力台上面采集受试者的运动学和动力学数据。

1.2.4 实验测试流程。受试者穿着统一的紧身裤、上衣和跑步鞋，首先在跑步机上进行慢跑5min热身做拉伸运动，然后准备数据的采集，要求受试者以3.3±0.25 m/s的速度正常跑过测力台。跑步过程中需要受试者右脚踏在测力台的中心。每组动作采集5次有效测试数据。

1.2.5 数据处理。实验结束后，首先使用Vicon自带的Vicon Nexus 1.8.5软件对采集的数据进行识别、建模、修补缺少的Mark点，然后导出C3D 格式利用Visual 3D 6.0 (c-motion Inc.， Germantown, MD, USA)进行运动学和动力学的数据计算。将C3D文件导入Visual 3D (c-motion Inc.， Germantown, MD, USA)从而计算和处理踝关节、膝关节和髋关节的角度、功率、力矩等参数。在使用Vicon软件生成C3D文件之前，将动作的初始接触定义为垂直地面反作用力超过10N[8]。然后对运动学和动力学数据使用Butterworth进行低通滤波频率[9]；分别采用10 Hz和20 Hz对垂直地面反作用力和运动学数据进行低通滤波。

1.2.6 数据统计方法。统计学分析水泥路面和人造草坪地面的跑步测试中右侧下肢支撑期内的相关数据，包下肢关节角度(°)、下肢关节力矩(Nm/kg)、下肢关节功率(W/kg)接触时间(ms)、垂直负荷增长率(BW/S)、第一峰值(N/kg)和第二峰值(N/kg)。首先计算运动学和动力学参数的平均值和标准差。然后在统计学测试前对数据进行正态分布检验，在SPSS25.0软件中运用配对样本T检验对水泥路面和人造草坪地面跑步支撑期的运动学和动力学参数进行统计学检验。关节角度、关节力矩和关节功率随时间变化的一维特征，本文采用SPM1d v0.4 对关节角度、关节力矩和关节功率数据进行配对样本t检验，数据分析均在MATLAB 软件(MATLAB R2019a，The MathWorks，MA，USA)中完成，显著性差异设置为P<0.05。

图2 业余跑步者在水泥路面和人造草坪跑步支撑期内踝关节、膝关节和髋关节三维活动度

2 研究结果

2.1 运动学结果

本研究通过采集业余跑步者在水泥路面和人造草坪两种地面的下肢运动学数据对比分析发现：在水泥路面跑步时踝关节冠状面的内外翻活动范围明显大于人造草坪，显著性差异P为0.039；同时膝关节水平面的内外旋活动范围也明显大于人造草坪，显著性差异P为0.008。在水泥路面和人造草坪路面的下肢踝关节背屈活动范围(P=0.553)、踝关节内外旋活动范围(P=0.170)、膝关节屈曲活动范围(P=0.761)、膝关节内外翻活动范围(P=0.064)、髋关节屈伸活动范围(P=0.655)、髋关节内外展活动范围(P=0.051)和髋关节内外旋活动范围(P=0.919)没有显著性差异。

表2 业余跑步者在水泥路面和人造草坪跑步支撑期内的踝、膝和髋关节关节活动度(°)

如图3所示，受试者在水泥路面和人造草坪路面进行慢跑测试的一个跑步支撑期内的右腿髋、膝和踝关节在矢状面、冠状面和水平面内的角度变化曲线运动趋势均一致。比较水泥路面和人造草坪界面的主要的差异表现在人造草坪界面进行跑步支撑期内的踝关节在55.34%～68.78%阶段的背屈角度(P=0.035)明显大于水泥路面；踝关节内翻角度(P=0.040)在0%～7.35%阶段明显小于人造草坪界面。

图3 业余跑步者在水泥路面和人造草坪跑步支撑期内踝关节(a-c)、膝关节(d-f)和髋关节(g-i)在矢状面、冠状面和水平面内的角度曲线

对比水泥路面和人造草坪界面的下肢关节角度峰值发现(表3)，矢状面的踝关节最大背屈角度峰值(P=0.004)在水泥路面时明显小于人造草坪；水泥界面跑步时踝关节冠状面内的最大内翻角度(P=0.004)明显小于人造草坪；水泥路面和人造草坪界面的踝关节最大外旋角度(P=0.340)和最大内旋角度(P=0.851)没有显著性差异；膝关节最大屈曲角度(P=0.033)在水泥路面时明显小于人造草坪；冠状面内的膝关节最大内收角度(P=0.185)和最大外展角度(P=0.923)没有显著性差异；跑步支撑期内水泥路面的膝关节最大外旋角度(P=0.019)明显大于人造草坪；对比水泥路面和人造草坪界面的髋关节最大峰值角度发现，在矢状面的最大伸展角度(P=0.829)、最大屈曲角度(P=0.795)、最大内旋角度(P=0.067)和最大外旋角度(P=0.213)没有显著性差异；但是在水泥路面跑步支撑期内的髋关节最大内收角度(P=0.013)明显大于人造草坪界面。

表3 业余跑步者在不同界面跑步支撑期内的踝、膝和髋关节峰值角度(°)

如图4所示，受试者在水泥路面和人造草坪路面进行慢跑测试的一个跑步支撑期内的右腿髋、膝和踝关节在矢状面内的关节力矩和功率变化曲线运动趋势均一致。比较水泥路面和人造草坪界面的主要的差异表现在人造草坪界面进行跑步支撑期内的踝关节在2.97%～9.27%阶段的背屈力矩(P=0.027)明显小于水泥路面。

图4 水泥路面和人造草坪路面的下肢关节力矩(a-c)、功率(d-f)对比及统计学分析

对比水泥路面和人造草坪界面的下肢关节力矩和关节功率发现(表4)，矢状面的踝关节最大背屈力矩峰值(P=0.036)在水泥路面时明显小于人造草坪；但是水泥路面跑步支撑期内的踝关节跖屈功率(P=0.001)和踝关节背屈功率(P=0.002)明显小于人造草坪地面；水泥界面跑步时踝关节冠状面内的最大内翻角度(P=0.004)在明显小于人造草坪；膝关节最大伸展力矩(P=0.001)在水泥路面时明显大于人造草坪；相反的是膝关节最大屈曲力矩(P=0.001)小于人造草坪地面。在两种不同界面进行慢跑时踝关节最大背屈力矩、膝关节最大屈曲功率、膝关节最大伸展功率、髋关节最大屈曲力矩、髋关节最大伸展力矩、髋关节最大伸展功率和髋关节最大屈曲功率没有显著性差异。

表4 业余跑步者在水泥路面和人造草坪跑步支撑期内的踝、膝和髋关节峰值力矩(Nm/kg)和功率(W/kg)

对比水泥路面和人造草坪界面的下肢关节地面反作用力参数发现(表4)，接触时间(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没有显著性差异，但是当受试者在水泥界面跑步时的垂直负荷增长率(P=0.005)明显大于人造草坪地面。

表5 业余跑步者在水泥路面和人造草坪跑步支撑期内的地面反作用力

3 分析讨论

3.1 不同运动界面对下肢运动学的影响

对比分析水泥路面和人造草坪地面在支撑期内踝关节角度曲线，踝关节在两个不同运动界面的关节角度差异主要集中体现在踝关节背屈运动和踝关节内翻运动。结合表3所示，水泥路面进行跑步时的踝关节最大背屈角度和踝关节最大内翻角度明显小于人造草坪。因为水泥路面的刚度和硬度大于人造草坪，踝关节在着地的瞬间先做背屈运动，但是随着硬度的增大踝关节只能通过减小背屈角度增大跖屈角度提高踝关节的稳定性完成蹬伸动作。同时在水泥路面的踝关节内外翻活动范围明显大于人造草坪，研究表明足部的过度外翻和外翻速度的变大是造成跑步损伤的重要原因[10-11]。

在水泥路面进行跑步时的下肢膝关节只有最大屈曲角度明显小于人造草坪地面，在冠状面和水平面内的最大峰值角度没有显著性差异，此结果与前人研究结果一致[12]。在人造草坪界面中膝关节屈曲角度明显大于水泥路面，膝关节屈曲角度的增大会减小膝关节蹬离阶段的负荷同时通过增大着地缓冲时间减小地面反作用力。膝关节内外旋活动范围在水泥路面明显大于人造草坪，这提示较大的膝关节在水泥路面跑步时的稳定性不足，会加大胫骨应力性骨折的风险。

通过表3结果发现髋关节最大内收角度在水泥路面明显大于人造草坪，髋关节作为下肢运动的主要关节在跑步蹬伸过程中起着重要的作用。髋关节内收角度的增大会加大髌骨关节疼痛[13]。这说明如果长期在较硬的界面跑步运动时，建议多加强髋关节的力量练习。

3.2 不同运动界面对下肢动力学的影响

本研究探讨了不同运动界面对下肢关节力矩的影响，通过数据分析对比发现，在水泥路面和人造草坪地面跑步时的下肢三维关节力矩发现了显著性变化。关节力矩反应了肌肉对关节的控制，同时可以说明关节和肌肉的负荷大小。踝关节跖屈力矩在水泥路面时明显小于人造草坪地面，但是膝关节伸展力矩和屈曲力矩在水泥路面时明显大于人造草坪地面。前人研究表明在较软的运动界面跑步，会加大下肢腿部的刚度从而降低了关节力矩，较硬的运动界面不仅减小了腿部刚度同时下肢的屈曲力矩也会增大[14]。关节功率是单位时间内力矩和角速度的乘积，反应了关节的能量消耗状况，本研究结果表明踝关节跖屈功率和踝关节背屈功率在水泥界面明显大于人造草坪。在跑步支撑期踝关节展示出来较大的能量耗散和能量吸收，这也说明了在不同运动界面下人体会通过自我调节平衡关节的能量耗散以此来适应不同运动界面对下肢生物力学的影响。

跑步过程中身体要承受体重2～3倍的地面冲击力，研究表明有过运动损伤经历的跑者在跑步支撑内的地面反作用力峰值和垂直负荷增长率明显大于没有运动损伤经历的跑者[15]。有学者提出运动界面的刚度和硬度是导致下肢运动损伤的重要原因，在跑步过程中硬度和刚度较大的界面会在跑步支撑期内产生较大的冲击力加大下肢肌肉骨骼损伤风险[16]。本研究结果发现在水泥路面和人造草坪地面的接触时间、第一峰值和第二峰值没有显著性差异这与前人的研究结果一致[17]。但是通过计算垂直负荷增长率发现在跑步支撑期内的垂直负荷增长率明显大于草坪界面。这就提示硬度较大的运动界面在跑步着地和蹬离过程中会产生较大的冲击力，同时有下肢运动损伤经历的跑者建议选择硬度较低的跑步界面进行跑步可以降低下肢肌肉骨骼损伤的风险。

4 结 论

在慢跑支撑期过程中，跑步者在水泥路面和人造草坪两种不同的运动界面上，踝关节内外翻活动范围和膝关节内外旋活动范围在水泥路面明显大于人造草坪界面；相比水泥路面，人造草坪界面的垂直负荷增长率、踝关节背屈功率、踝关节跖屈功率、膝关节伸展力矩、膝关节屈曲功率明显减小。提示：在硬度和刚度较大的运动界面跑步时发生下肢运动损伤的风险较大，跑步者应加大下肢肌肉力量练习同时通过缓冲性和稳定性较好的跑鞋来减小跑步过程中地面反作用力对下肢肌肉骨骼的冲击力。