不同坡度后退走对下肢运动学和足底压力的影响

贾 敏 侯 捷 闫 可 张泽毅 张美珍

不同坡度后退走对下肢运动学和足底压力的影响

贾 敏 侯 捷 闫 可 张泽毅 张美珍

（太原理工大学体育学院，山西 太原 030024）

【目的】探究不同坡度后退走对下肢关节运动学和足底压力特征的影响，为更有效、更科学地将后退走应用于训练和损伤康复等方面提供参考。【方法】运用三维红外光点运动捕捉系统（Nokov，中国）和足底压力步态分析系统（Podomed，中国）采集普通大学生运动学和足底压力数据。通过2×3重复设计的双因素方差分析确定坡度和行走方向对下肢关节运动生物力学的影响。【结果】后退走较向前走，着地时刻髋关节在0°、6°和9°斜坡表现出较小的屈曲角；在0°斜坡表现出较小髋关节和膝关节屈曲角活动范围，6°和9°斜坡表现出较小髋关节屈曲角活动范围。后退走较向前走在0°和6°斜坡中表现出较大的第一趾骨峰值压力，在6°和9°斜坡中表现出较小的足底最大压强。【结论】后退走在斜坡上可以更好的避免膝关节损伤发生，可用于下肢力量训练；斜坡上后退走有助于更好地保持平衡，可作为由于足底受力过大导致足踝损伤的预防及康复手段。

后退走；向前走；斜坡坡度；运动学；足底压力

后退走具有易学、易普及、成本低等优点，已被广泛应用于日常健身、运动训练和运动康复等方面[1]。后退走作为损伤康复的重要手段，主要用于提高平衡、力量和耐力等身体机能。有研究表明，后退走从前足开始过渡到足跟，在整个足部受力过程中足跟受力较小，对足跟起到了一定的保护作用，同时增加了全脚触地的时间，促使足底压力分布更均匀，可以降低疲劳和损伤的风险[2]

还有研究表明人体在斜坡上运动能够减小足底压力和地面反作用力，进而减小人体关节负荷，可能会降低损伤风险，因此将斜坡与后退走相结合可能是一种更有效的训练和康复方式[3,4]。然而目前对后退走的研究主要集中在水平地面上[5,6]，不同坡度上后退走时下肢运动学及足底压力特征尚不清晰。参考前人[7]研究，本文选择6°和9°斜坡进行后退和向前行走对比分析，研究结果将有助于更清晰地明确不同坡度后退走运动生物力学特征，为更有效、更科学地将后退走应用于训练和损伤康复等方面提供参考。

1.研究方法

1.1 研究对象

本研究招募了23名21—25岁太原理工大学男性大学生为受试者，且惯用腿均为右腿，无足部疾病、足部手术史、足部畸形，身体状况及运动能力良好，实验前48h未从事剧烈运动（表1）。

表1 受试者基本情况

1.2 实验斜坡

生活中常见斜坡坡度范围10%—20%，同时参考前人相关研究[7]，本研究选取3种斜坡坡度进行实验，分别为0°、6°（10.5%）、9°（15.8%）。斜坡装置由3米长的坡道和4.7米长的平台构成。斜坡角度调整装置位于坡道连接平台的下端，为减少坡道的振动和弯曲，将特制木块安装在坡道下方加固斜坡的稳定性（图1）。

图1 实验所用斜坡示意及数据采集设备

1.3 数据采集

在实验前告知受试者测试方案，进行完热身后，更换统一配备的运动装备，根据H.HAYES模型由同一操作人员为受试者粘贴29个反光标志点[8]。采用12镜头三维红外光点运动捕捉系统 (Nokov，中国) 以200Hz的采集频率进行运动学数据采集，同时运用足底压力系统步态分析系统（Podomed，中国）以100Hz的采集频率进行足底压力数据采集。测试过程中要求受试者以自选舒适速度分别在不同坡度（0°、6°、9°）下后退走、向前走，每个动作均采集 3 次有效数据。

1.4 数据处理

采用Motion Analysis自带软件Cortex对运动学数据进行处理，运用Butterworth低通滤波进行整体平滑处理，截断频率为13Hz。本文主要分析惯用腿右腿的右脚着地到右脚再次着地为一个步态周期。后退走以右脚尖首次触地表示步态周期着地时刻，以右脚尖再次触地表示步态周期结束；向前走以右足跟首次触地表示步态周期着地时刻，以右足跟再次触地表示步态周期结束，主要观测指标为一个步态周期内矢状面着地时刻关节角度和关节活动范围。

使用足底压力步态分析系统（Podomed，中国）分析软件P-Plate-scientific对足底压力数据进行处理，将整个足底按照足部分区分为10个区域：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）、足跟内侧（HM）和外侧(HL)。主要观测指标为足底各区峰值压力和足底最大压强。

1.5 数据统计

应用SPSS 22.0（SPSS Ins，II，USA）进行数理统计，采用2×3重复设计的双因素方差分析检验坡度（0°、6°、 9°）和行走方向（后退、向前）对下肢运动学和足底压力的影响，若存在交互作用，则运用配对样本t检验比较行走方向间的区别，通过单因素方差分析确定不同坡度间的差异，所有统计分析显著性标准定为一类误差概率小于0.05。

2.研究结果

2.1 不同坡度后退走和向前走对下肢关节运动学的影响

2.1.1着地时刻不同坡度后退走与向前走对髋、膝、踝关节角度的影响

双因素方差分析结果表明，着地时刻在髋关节屈曲角（＜0.001）不同坡度和行走方向存在显著性交互作用。后续配对样本t检验结果显示，后退走较向前走在0°（＜0.001）、6°（＜0.001）和9°斜坡（＜0.001）中表现出较小的髋关节屈曲角。单因素方差分析结果显示，向前走在0°斜坡较6°（＜0.001）和9°斜坡（＜0.001）表现出较小的髋关节屈曲角。不论斜坡坡度，后退走较向前走表现出较大膝关节屈曲角（＜0.001）。不论行走方向，在0°斜坡较6°（＜0.001）和9°斜坡（＜0.001）表现出较小的膝关节屈曲角和较大的踝关节屈曲角（图2）。

图2 着地时刻不同坡度后退走与向前走髋、膝、踝关节屈曲角

2.1.2 不同坡度后退走与向前走髋、膝、踝关节活动范围的影响

图3 不同坡度后退走与向前走髋、膝、踝角矢状面活动范围

本研究发现髋关节（<0.001）和膝关节屈曲角活动范围（<0.001）在不同坡度和行走方向间存在显著性交互作用。后续配对样本t检验结果显示，后退走较向前走，在0°斜坡表现出较小的髋关节屈曲角活动范围（=0.014）和膝关节屈曲角活动范围（＜0.001）；在6°（＜0.001）和9°斜坡（＜0.001）中表现出较小的髋关节屈曲角活动范围。单因素方差分析结果显示，后退走在0°斜坡较6°斜坡（=0.003）表现出较大的髋关节屈曲角活动范围，较9°斜坡表现出较大的髋关节屈曲角活动范围（＜0.001）和较小的膝关节屈曲角活动范围（=0.015）；向前走在0°斜坡较6°（=0.003，=0.008）和9°斜坡（＜0.001，=0.005）表现出较小的髋关节屈曲角活动范围和较大的膝关节屈曲角活动范围。不论斜坡坡度,后退走较向前走表现出更大的踝关节屈曲角活动范围（=0.03）。不论行走方向，0°斜坡较6°（=0.008）和9°斜坡（<0.001）均表现出较小的踝关节屈曲角活动范围，6°斜坡较9°斜坡（=0.002）表现出较小的踝关节屈曲角活动范围（图3）。

2.2 不同坡度后退走和向前走对足底压力的影响

统计分析得出，第一趾骨峰值压力（=0.031）和足底最大压强（=0.048）在不同坡度和行走方向间存在显著性交互作用。在进行简单效应分析后得出，后退走较向前走在0°（=0.001）和6°斜坡（＜0.001）中表现出较大的第一趾骨峰值压力，在6°（=0.025）和9°斜坡中（=0.010）表现出较小的足底最大压强。向前走在0°斜坡较6°斜坡表现出较小的第一趾骨峰值压力（＜0.001），6°斜坡较9°斜坡表现出较小的第一趾骨峰值压力（＜0.001）。不论斜坡坡度，后退走较向前走表现出较小的第一、二、四、五跖骨及足弓和足跟内外侧峰值压力（＜0.001），较大的第三跖骨峰值压力（＜0.001）。不论行走方向，0°斜坡较9°斜坡表现出更大的足弓（=0.041）、足跟内侧（=0.024）、足跟外侧峰值压力（＜0.001）；0°斜坡较6°斜坡表现出较小的足跟外侧峰值压力（=0.021）（图4）。

图4 不同坡度后退走和向前走足底压力特征

3 讨论

3.1 不同坡度和行走方向对下肢运动特征的影响

3.1.1不同坡度对下肢运动学特征的影响

在着地时刻后退走和向前走时髋关节和膝关节屈曲角随着坡度的增加而增大，踝关节角随着坡度的增加而减小。以往文献指出，髋关节屈曲角增大是由于坡度的增加使大腿需要抬升高度以满足步长的需要；膝关节屈曲角增大，是因为重心在上坡过程中波动幅度更大，落地时需要更多的缓冲作用来缓解重力所带来的动能，有效减小地面反作用力作用，减轻膝关节负荷[9,10]。在下肢关节活动范围研究中，后退走时膝关节屈曲活动范围，随着斜坡坡度的增加而增大，说明后退走时随着坡度的增大，小腿折叠程度增加，有利于腿部力量训练，可以增强腿部力量。本研究中随着坡度增大，踝关节屈曲角活动范围增大，有研究指出较大的踝关节背屈角会使下肢处于一个更紧绷的状态，为着陆时缓冲冲击力做更好的准备，有利于预防踝关节损伤[11]。

3.1.2 不同行走方向对下肢运动学特征的影响

后退走较向前走在着地时刻表现出较小的髋关节和踝关节屈曲角以及较大的膝关节屈曲角，这可能是由于人体后退走时身体会重新组织关节活动来保证动作的完成和身体平衡性[12]。另一项研究发现膝关节屈曲角度增加可能会使股后肌群对膝关节稳定性的保护作用加强，以维持人体的稳定[13]。膝关节可通过增加屈曲角来有效提高步态的协调有效性，减缓重心变化，有助于缓冲足部受到的压力[14]。着地时刻后退走较向前走表现出较大的膝关节屈曲角度，下肢关节易获得更好的稳定性来维持平衡。在下肢关节活动范围研究中后退走较向前走髋关节和膝关节屈曲角活动范围小，踝关节屈曲活动范围大。后退走时髋关节屈曲活动范围随着坡度的增加而减小，膝关节屈曲活动范围随着坡度的增加而增大，有研究发现髋关节屈曲角活动范围减少，膝关节屈曲角活动范围增加，小腿折叠程度大，有助于提高腿部力量以及改善下肢关节的灵活性[15]。

综上所述，后退走较向前走时在斜坡上有显著差异，在斜坡上后退走下肢关节可以获得更好的稳定性，更好的避免损伤发生，后退走关节活动范围的变化形式可以维持动态平衡和功能代偿，有助于提高腿部力量以及改善下肢关节的灵活性，可以应用于下肢训练和损伤康复。

3.2 不同坡度和行走方向对足底压力的影响

3.2.1 不同坡度对足底压力的影响

足底峰值压力是指足底承受的垂直地面反作用力，一个完整步态过程中该区域承受的最大压力即足底峰值压力[35]。在研究行走步态足底区域压力特征变化中，通过对足底各区域峰值压力的统计发现峰值压力变化最具有代表性的是足跟内侧及第二至五趾骨区域[16]，这与本研究结果不一致，本研究中第二至-五趾骨峰值压力后退走较向前走表现出较大的第二至五趾骨峰值压力，但是不存在显著性差异。有研究者，结果发现随着坡度的增加，脚后跟、前掌内侧、脚趾的峰值压力显著降低，而脚中部外侧区域的压力增加，与本研究的结果存在分歧。其可能原因是由于测试环境、坡道设置及测试速度不同等造成的，如跑步机或搭建含足底压力的步道的使用、斜坡的长度和宽度的不同、受试者步行速度的差异等[17]。

3.2.2 不同行走方向对足底压力的影响

从本研究结果可以看出后退走和向前时足底各分区峰值压力存在差异，后退走较向前走表现出较小的第一、二、四、五跖骨、足弓、足跟内侧、足跟外侧峰值压力，以及表现出较大的第一趾骨、第三跖骨峰值压力。有研究表明后退走和向前走差异表现在后退走时第一趾骨、第二至-五趾骨明显低于正向走，足跟外侧峰值压力明显高于向前走，这与本文研究结果不一致，可能源于实验设置方案的不同[18]。本研究还可以发现后退走和向前走相比在足跟处峰值压力减小，跖区峰值压力变大，后退走时最大峰值压力分布在第三跖骨。有学者指出向前走时足弓峰值压力高于后退走，第三跖骨峰值压力相比低于后退走，是因为向前走时足跟到足尖的过程中转动轴心是足跟，而后退走时转动轴心是在跖区[19]，这与本文研究结果相一致。有研究指出足底压强峰值越大，其冲击力越大，造成损伤的可能性越大，而足底压强越小足底则越舒适，足底压强是研究防止足底局部相关组织遭受过大压力而损伤的有效指标[20]。本研究结果表明，后退走较向前走在斜坡上表现出较小的足底最大压强，这亦证实了斜坡上后退走时损伤可能性较小，适合锻炼健身者运动。

综上所述，后退走与向前走差异显著，足底压力分布特征反映出人体在行走时的步态变化，有助于更好地保持平衡，同时可作为由于足底受力过大导致足踝损伤的预防及康复手段。

4 结论和建议

4.1 结论

（1）后退走较向前走，在斜坡上着地时刻膝关节屈曲角度增大，采用身体较为弯曲的模式来调控机体平衡，易获得更好的稳定性，同时可以有效减小地面反作用力，降低膝关节负荷。进一步，随着坡度的增加，后退走髋关节屈曲角活动范围减少，膝关节屈曲角活动范围增加，有助于提高腿部力量及改善下肢关节的灵活性。因此后退走在斜坡上可以更好的避免膝关节损伤发生，可应用于下肢力量训练中。

（2）斜坡上后退走采用足尖着地的形式有助于缓冲地面负荷及降低足部压力，在斜坡上后退走表现出较小的足底最大压强，可以减轻着地时地面的冲击力，降低足部损伤风险。因此斜坡上后退走可作为由于足底受力过大导致足踝损伤的预防及康复手段。

4.2 建议

（1）后退走时斜坡坡度的增加有助于提高腿部力量，使下肢关节的灵活性达到更好的锻炼效果。因此进行斜坡上后退走训练，身体的运动能力、协调能力效果会更好，可用于下肢力量训练中。

（2）在斜坡上后退走可以有效缓冲地面反作用力，减轻膝关节负荷，维持人体的稳定性，更好的避免膝关节损伤发生。因此后退走在斜坡上可以应用于膝关节预防损伤和损伤康复中。

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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）

首批新文科研究与改革实践项目（2021050026）；山西省基础研究计划自由探索类项目（202103021224109）；山西省回国留学人员科研资助项目（2020-032）；山西省研究生教育教学改革课题（2021YJJG067）；太原理工大学学科建设经费资助（2022）。

贾敏（1995—），硕士生，研究方向：运动生物力学。

张美珍（1983—），博士，教授，研究方向：运动生物力学。