傅維杰 劉宇 黃靈燕

上海體育學(xué)院運動科學(xué)學(xué)院（上海 200438）

在運動科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，過去的研究認為跑跳過程中下肢所承受的反復(fù)沖擊力是導(dǎo)致急性損傷（扭傷、骨折、膝關(guān)節(jié)內(nèi)紊亂等）或諸如應(yīng)力性骨折、髕骨勞損等過度使用性傷害（overuse injuries）的主要原因［1，2］。 上個世紀七、八十年代提出運動鞋的“緩沖避震”，就是為了減少運動過程中的沖擊負荷，并希望藉此來預(yù)防運動損傷［3，4］。 然而，近十年的研究卻發(fā)現(xiàn)［5-7］，雖然過度的被動沖擊可以對人體肌骨骼系統(tǒng)（musculoskeletal system）造成破壞，但這并不意味著反復(fù)沖擊力就是造成急、慢性損傷的主要原因，沖擊力的頻率與軟組織固有頻率的重疊而引起的共振是導(dǎo)致?lián)p傷的另一重要因素。由此，人們開始重新審視沖擊力在運動中所起的作用以及與人體軟組織振動、運動損傷之間的關(guān)系。

1 沖擊力與人體

早期的研究表明，反復(fù)的沖擊力對生物體組織是有傷害的：在動物實驗中，軟骨被反復(fù)施加沖擊力后會直接導(dǎo)致其發(fā)生退行性病變［8，9］。然而，反復(fù)沖擊負荷與骨關(guān)節(jié)炎之間的因果關(guān)系卻并沒有因此而完全確立。相比非跑步者，跑步者骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生率并沒有明顯增高［10］；馬拉松前后對照膝關(guān)節(jié)MRI檢查，并未顯示長距離跑所受到的反復(fù)沖擊對膝關(guān)節(jié)炎的發(fā)生存在不利影響［11］。另一方面，對于骨組織而言，反復(fù)沖擊力在人體生理承受的范圍內(nèi)能夠?qū)切×旱闹亟óa(chǎn)生積極的作用［12］，即一定范圍和程度的沖擊力對人體是有益的。

1.1 沖擊力的力學(xué)特性

跑、跳過程中的被動沖擊階段發(fā)生在足與地面碰撞后，占整個支撐期的前20%階段（約10－30ms）。人體下肢在接觸地面后的迅速減速直接導(dǎo)致了沖擊力的產(chǎn)生。跑步時沖擊力峰值可達自身體重的1到3倍［13］；起跳和落地則通常需要承受4到6倍體重的沖擊［14］；在籃球的三步上籃過程中，這一沖擊力甚至可以高達體重的9倍以上［15］。峰值出現(xiàn)的時間則主要由下肢的減速度（deceleration）決定，而沖擊的大小主要依賴有效質(zhì)量（effective mass）［16］，其值可以通過外部沖擊力和脛骨加速度進行估算，并與下肢各環(huán)節(jié)質(zhì)量（segment mass）、關(guān)節(jié)角度存在一定的函數(shù)關(guān)系［17］。

從力學(xué)角度而言，沖擊力源于兩個物體的相互碰撞，同時伴隨兩者之間動量的轉(zhuǎn)變，理論上延長碰撞的時間能夠減少沖擊力。上個世紀七十年代末引進 “緩沖”的概念，就是利用具有黏彈性的中底材料（如乙烯基酸纖維，EVA泡沫）的變形來衰減或吸收被動沖擊力。Chiu和Shiang通過沖擊測試機（impact tester）對三種不同中底硬度（midsole hardness）的運動鞋進行緩沖性能的比較，發(fā)現(xiàn)增加了特殊避震泡沫材料的運動鞋對于沖擊的衰減更為明顯［18］。Even-Tzur等采用有限元模型對沖擊過程中足后跟所受的壓力和鞋中底硬度的關(guān)系進行研究后發(fā)現(xiàn)：當EVA的厚度減少50%，后跟最大壓力增加接近20%，由此推斷運動鞋的緩沖性能會隨著鞋中底的變薄而出現(xiàn)明顯的下降［19］。

1.2 人體運動學(xué)反應(yīng)

由于人體自身存在一定的適應(yīng)和調(diào)節(jié)能力，因而從運動科學(xué)和生物力學(xué)角度出發(fā)，運動鞋的緩沖避震作用不應(yīng)僅局限于被動的材料力學(xué)效果，這也是為什么在需要人體肌骨骼系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制的動作中，鞋中底與沖擊力的關(guān)系缺少一致性：相比市場上的普通鞋，具有強緩沖功能的運動鞋并沒有使跟－趾跑（heel-toe running）中的沖擊力峰值發(fā)生明顯改變［4］；不同軟硬程度的運動鞋在相同著地速度下沖擊峰值同樣無顯著變化［20］。 Frederick、Nigg 和 Hennig 等生物力學(xué)專家在基于長期的跟蹤研究后總結(jié)：鞋中底硬度的變化并不會顯著改變沖擊力峰值，峰值主要受下肢有效質(zhì)量和觸地速度的影響［4，20，21，22］。

現(xiàn)階段，針對鞋中底與沖擊力之間相互關(guān)系的研究結(jié)果缺少一致性的現(xiàn)象，許多研究者將其歸因于跑步過程中人體下肢所產(chǎn)生的運動學(xué)適應(yīng)（kinematic adaptations）［23，24］。De Wit等人的研究表明，可以通過調(diào)節(jié)鞋底與地面接觸時的傾斜角度，擴大與地面接觸的足底區(qū)域，從而增加足跟墊的緩沖作用［25］；Gerritsen等利用仿真建模發(fā)現(xiàn)通過改變下肢的幾何學(xué)位置，如膝關(guān)節(jié)初始的屈曲角度、觸地后的屈曲速度、踝關(guān)節(jié)的背屈角度，以及后跟觸地速度和下肢剛度等，同樣能對沖擊力特征產(chǎn)生影響［23］。

由此可見，根據(jù)沖擊力本身的力學(xué)特性，通過改變鞋中底的材料硬度，延長碰撞的時間，從而能夠在一定程度上達到削弱沖擊力的目的。但不可否認的是，人體作為活性機體，能夠針對沖擊力的效果進行一系列的神經(jīng)－肌肉系統(tǒng)的生物適應(yīng)反饋，表現(xiàn)為：雖然下肢受到被動沖擊，但可以通過改變運動學(xué)參數(shù)來進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)和適應(yīng) （an adaptation strategy），比如下肢幾何學(xué)的位置、髖膝踝三關(guān)節(jié)的角度、角速度的變化、下肢剛度的調(diào)節(jié)［26］等等，進而影響有效質(zhì)量和著地速度，改變沖擊力峰值。

1.3 沖擊力與運動損傷

上個世紀七、八十年代，研究人員針對施加于人體和特定組織器官的沖擊力的損傷效果進行研究［27］。除了通過動物建模發(fā)現(xiàn)軟骨被反復(fù)施加沖擊力后會產(chǎn)生退行性改變［9］之外，近期的研究還發(fā)現(xiàn)，連續(xù)或短暫的振動沖擊在極度負荷下也會引起人體神經(jīng)肌肉［28-30］、 內(nèi)分泌［31］以及心血管系統(tǒng)［32，33］功能的衰減，從而不可避免地影響運動能力［34］。

然而，反復(fù)沖擊負荷和運動損傷之間的確切關(guān)系卻仍未被建立，人們發(fā)現(xiàn)無論是實驗研究還是流行病學(xué)調(diào)查，很多針對沖擊力與損傷發(fā)展之間關(guān)系的結(jié)果存在著矛盾和無結(jié)論性（contradictory and inconclusive）［35］。 研究發(fā)現(xiàn)：1）跑步時調(diào)查對象的損傷發(fā)生率并沒有因為負荷沖擊的不同而產(chǎn)生顯著的差異［35］；2）相比較軟表面，在硬表面跑步不會導(dǎo)致跑步損傷的增加［8］；3）利用運動鞋的減震作用來減小沖擊力，并不能真正有效減少運動損傷的發(fā)生［36］。

與此同時，不少研究者認識到在人體生理承受范圍內(nèi)的反復(fù)沖擊力可以對機體特別是骨組織的重建產(chǎn)生積極的影響：籃球、排球等能對骨骼造成明顯沖擊負荷的運動項目中，其青少年運動員的股骨頭和脊柱的骨密度相對較高［37］；同樣，經(jīng)過一段時間體操訓(xùn)練的年輕男性，其骨密度和質(zhì)量較對照組有明顯的增加［38］。相比較，國內(nèi)學(xué)者更多的是針對短時間振動沖擊，特別是張力性振動反射（tonic vibration response）對于人體的影響效果進行研究：危小焰等［39］發(fā)現(xiàn)8周全身振動訓(xùn)練能在相對較小的負荷下有效提高肌肉的最大力量和爆發(fā)力；臺灣相子元等［40］把傳統(tǒng)肌力訓(xùn)練方式與低頻、高頻被動反復(fù)沖擊式訓(xùn)練進行對比后發(fā)現(xiàn)，低頻沖擊對于慢速收縮力量最具訓(xùn)練效果，而高頻沖擊則對快速肌力和拉長-縮短周期（SSC）的牽張效益有顯著的作用。

由此可見，損傷的發(fā)生和所受的沖擊之間依然存在著諸多的不確定性，沖擊力和運動損傷之間的因果關(guān)系并未被建立，事實也證明一定范圍和程度的沖擊力對人體是有利的?，F(xiàn)階段已有不少學(xué)者提出，雖然過度的被動沖擊可以對人體肌骨骼系統(tǒng)造成破壞，但這并不意味著在跑步過程中反復(fù)沖擊力就是發(fā)生急性或慢性損傷的主要原因［5］。

2 軟組織振動與肌肉調(diào)諧

具有一定質(zhì)量的軟組織，其振動特性主要取決于肌肉、脂肪、結(jié)締組織以及軟組織中的脈管成分等［41］。這其中所受影響最大的是肌肉的特性，包括肌肉長度、收縮速度和產(chǎn)生的力［42］。改變肌肉的力學(xué)特性能夠直接影響相關(guān)軟組織的振動頻率和阻尼特性。根據(jù)肌肉活化水平的差異，下肢各主要軟組織（小腿三頭肌、股四頭肌和股后肌群）的固有頻率范圍在10～60 Hz［43］。有研究發(fā)現(xiàn)，當沖擊力的頻率接近軟組織的固有頻率時振幅會突然增大，但是在兩次振動之后其振幅會迅速衰減至原先的5%以下［44］。研究者認為，這是為了避免軟組織產(chǎn)生共振效應(yīng)，由肌肉活化程度的改變造成的，即神經(jīng)—肌骨骼系統(tǒng)通過肌肉調(diào)諧（muscle tuning）來改變軟組織的振動特性從而使振動達到最小化［45］，由此避免可能發(fā)生的損傷。

2.1 軟組織的結(jié)構(gòu)與振動特性

早在上個世紀七十年代就有學(xué)者把人體視為一個自身頻率在100 Hz以下的振動系統(tǒng)來進行研究［46，47］。之后的數(shù)十年間它又被進一步模擬成一個彈簧―質(zhì)量系統(tǒng)（spring-mass system）［48］，包括近似于剛體的骨骼以及附帶的振動質(zhì)量塊［49］。研究發(fā)現(xiàn)當輸入頻率對應(yīng)于器官或組織的共振頻率時，人體便會產(chǎn)生巨大的張力，并作出較大的生物力學(xué)和生理學(xué)反饋，而輸入刺激的方向、身體的姿勢和活動程度則決定了人體和不同軟組織的共振頻率［50，51］。

另一方面，軟組織是活體組織，并非彈性被動材料，具備一定的固有頻率，并會因為肌肉的收縮和舒張、用力與不用力而改變自身頻率特性［52］。Challis、Nigg等將人體的軟組織結(jié)構(gòu)（肌肉、筋膜、周圍組織和皮膚等）視為一個振動系統(tǒng)，認為可以通過肌肉適應(yīng)來改變軟組織的力學(xué)特性從而達到振動最小化的目的［53-55］。

對于一個簡單的振動系統(tǒng)而言，其質(zhì)量塊相對運動的振幅（振動）是輸入信號的頻率和振動系統(tǒng)固有頻率共同作用的結(jié)果（圖2）。當兩者頻率相近或重疊時，便會產(chǎn)生共振，此時振幅達到最大（圖2豎虛線區(qū)域內(nèi)）。 最新的研究［6，43，56］將沖擊力視為人體軟組織產(chǎn)生初始振動的輸入信號，測得其頻率的范圍為10～20 Hz。由于人體骨骼自身的固有頻率很高（200～900 Hz），而軟組織的固有頻率范圍相對較低（10～60 Hz），使得沖擊力的輸入頻率與軟組織的固有頻率相近。研究認為，沖擊力的頻率與軟組織固有頻率的重疊而引起的共振才是引起損傷的另一重要因素［5］。

2.2 肌肉的活化反饋

人體下肢在與地面碰撞接觸時會產(chǎn)生一個振幅為數(shù)倍于體重且主頻范圍在10～30 Hz的沖擊力［57］，此沖擊作為信號輸入被人體感受器感知，刺激傳入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，并激活相應(yīng)的主要肌群［58］。針對沖擊力、肌肉活化和軟組織振動的關(guān)系，Wakeling等利用振動臺和人體擺錘（human pendulum）等一系列準靜態(tài)（quasi-static）實驗先后得出：根據(jù)不同的沖擊特征，肌肉利用其適應(yīng)性進行反饋［59］；而通過這一系列肌肉活化能夠改變軟組織的振動特性［60］；并能對靠近軟組織共振頻率的輸入刺激進行肌肉適應(yīng)調(diào)節(jié)（muscle adaptation）［43］。

另一方面，運動鞋等沖擊表面作為外界能夠影響信號輸入最直接的因素之一，人體肌骨骼系統(tǒng)會對其性質(zhì) （硬度、材料等）改變作出主動的反饋。Wakeling等［61］利用表面肌電并通過小波技術(shù)定量分析腳跟觸地前150 ms的肌肉活化模式，結(jié)果顯示：穿著不同中底硬度的運動鞋（Shore C 41 vs.Shore C 61）經(jīng)過4周慢跑訓(xùn)練之后，無論在高頻段還是低頻段，各肌肉的肌電強度和強度的比率（在高頻與低頻段）均存在顯著性的差異，提示鞋中底硬度能夠影響下肢肌肉的預(yù)活化程度，改變肌纖維的募集模式。進一步研究還發(fā)現(xiàn)，兩款不同材料的運動鞋能夠在改變沖擊力和肌肉活化反饋的同時影響軟組織的振動表現(xiàn)：穿著粘性運動鞋的股直肌肌電強度更大，并導(dǎo)致其股四頭肌的共振強度明顯減小［6］。

上述一系列研究表明，無論針對準靜態(tài)（quasistatic）還是動態(tài)（dynamic）情況下不同的沖擊力輸入，下肢各主要肌群均被激活并產(chǎn)生相應(yīng)的反饋。由于軟組織的振動表現(xiàn)很大程度上取決于肌肉的活化水平［59］，表明為了響應(yīng)（response）接近軟組織共振頻率的輸入信號，人體下肢通過改變肌肉活動來影響軟組織的振動特性，進而避免可能產(chǎn)生的機械共振mechanical resonance）。其振動特性同樣可以被理解為肌肉的長度和收縮速度的函數(shù)。然而，雖然由運動所產(chǎn)生關(guān)節(jié)角度或角速度的變化能夠使軟組織特性發(fā)生變化，但其改變程度卻遠遠小于通過增加肌肉活化這一方式所獲得的效果。據(jù)此，避免運動過程中引發(fā)共振的有效方法可以是在適當?shù)臅r間改變肌肉活化的強度（時/頻域特征），進行肌肉調(diào)諧［59］。

2.3 跑跳過程中的肌肉調(diào)諧活動

跑跳過程中，完成一個完整周期的肌肉活動過程很復(fù)雜，它影響了人體運動中的諸多方面［5］，包括下肢的幾何學(xué)位置（leg geometry）和觸地時的速度、各關(guān)節(jié)的剛度（joint stiffness）、軟組織的振動、下肢各關(guān)節(jié)載荷（joint loading）、支撐期的穩(wěn)定（stability）以及離地階段的動作推進（propulsion）。Wakeling等通過肌電圖手段發(fā)現(xiàn)，在預(yù)觸地（pre-contact）階段，肌肉活動的主要目的是為人體運動系統(tǒng)在著地和接下去的動作推進做準備［62］。相比較單純的肌肉用力工作狀態(tài)（如等長或等張收縮），這部分的肌肉活化都是由先前著地時的被動沖擊力（即輸入信號，包括振幅、頻率和時間）預(yù)先確定的（predetermined）［7］。

Boyer等［53，56］研究發(fā)現(xiàn)，觸地前的肌肉活動會隨著沖擊力信號（速度和鞋材料）的改變而改變，一旦沖擊力頻率接近股四頭肌的共振頻率，肌肉預(yù)活化程度會明顯增加；且當人體無法準確判斷著地條件時，同樣會影響肌肉在預(yù)觸地階段進行的自我調(diào)節(jié)，使得沖擊力的輸入頻率越接近軟組織的固有頻率，肌肉的共振效應(yīng)愈發(fā)明顯。此外，在長距離跑跳過程中，隨著下肢疲勞的增加，小腿三頭肌的振動持續(xù)時間增加同時振幅也隨之變大，而此時的肌肉活動由于快肌纖維的疲勞而明顯下降［63］。

跑跳過程中著地前神經(jīng)肌肉系統(tǒng)會根據(jù)著地的情況與條件（如著地速度、地面硬度等）產(chǎn)生明顯的自我調(diào)節(jié)，使得組織振動降低到最小，研究者把此過程稱為肌肉調(diào)諧［5，56］。肌肉調(diào)諧的目的是為了避免軟組織與沖擊力產(chǎn)生共振，降低關(guān)節(jié)和肌腱的負荷?；诔跏嫉募∪饣顒?，關(guān)節(jié)剛度和關(guān)節(jié)幾何學(xué)也都會隨之進行相應(yīng)的調(diào)整，以便活化存在共振危險的軟組織，使其減少甚至避免共振的發(fā)生［5，35］。

3 應(yīng)用展望

綜合國內(nèi)外近四十年針對沖擊力和運動損傷關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，沖擊力對于人體的作用并不能被研究人員很好的理解。沖擊力的復(fù)雜性也決定了其對于人體反應(yīng)的重要性。肌肉調(diào)諧的概念提示，針對沖擊力頻率所產(chǎn)生的運動適應(yīng)，其目的是試圖減小沖擊后的軟組織振動。有證據(jù)顯示，確實存在針對不同輸入信號的肌肉調(diào)諧反應(yīng)。然而，這種調(diào)諧反應(yīng)出現(xiàn)的時間和位置，包括對于長時間疲勞的積累、運動表現(xiàn)和可能的損傷都有哪些提示，以及最終如何應(yīng)用到運動裝備的設(shè)計和開發(fā)中去等等一系列問題仍不明朗。由此可見，針對沖擊力的研究不能僅局限于沖擊力本身，而更應(yīng)該考慮沖擊力的作用效果以及人體神經(jīng)―肌骨骼系統(tǒng)的綜合反應(yīng)，從而為更全面地認識沖擊力、了解軟組織功能、理解運動損傷開辟新的思路。

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