袁 川，廖方萍，楊世軍，彭 彪，陳慶果

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不同坡度與速度走跑運動下肢剛度特征分析

袁 川，廖方萍，楊世軍，彭 彪，陳慶果

四川師范大學體育學院，四川 成都，610101。

研究目的：分析不同坡度和速度條件下走跑運動下肢剛度特征，并探討其與運動損傷的關聯性。研究方法：選取8名男性受試者在跑臺上分別完成3種速度下的7種坡度走跑運動，每個階段為期4min。利用VICON紅外三維運動分析系統采集受試者動力學、運動學參數。根據彈簧質量模型來計算垂直剛度（Kvert）和腿剛度（Kleg）。并用方差分析對不同坡度和速度間的時空參數、下肢剛度差異性進行比較，對各參數與下肢剛度的相關性進行分析。研究結果：不同速度的走跑運動的步頻、步長、Tf、Tc均存在顯著性差異，P<0.01；在不同坡度條件下，Tf和Tc存在顯著性差異P<0.01，而步頻（P=0.96）和步長（P=0.75）并沒有顯著性差異。不同坡度和速度之間Kvert和Kleg存在顯著性差異，P<0.01，并且隨著坡度和速度的增加Kvert和Kleg呈現遞增現象，速度越大其上升幅度約大。經Pearson相關檢驗表明，下肢長和體重與Kvert和Kleg相關性極低，R<0.1，而跑速、Tf呈高度正相關（R>0.7），Tc則呈高度負相關（R=-0.89）。結論：垂直剛度和腿剛度隨著坡度和速度的增加而增加，并且騰空時間與下肢剛度呈高度正相關，接觸時間則相反呈高度負相關。同時在上坡跑中更容易出現應力性骨損傷，而下坡跑中更容易出現軟骨組織、韌帶和骨骼肌損傷。

上坡跑；下坡跑；下肢剛度；VICON紅外三維運動分析系統；運動損傷

隨著現代生活觀念的進步，越來越多的人們認識到了體力活動對諸多慢性疾病的重要性[1]。在全球運動健身熱潮的環(huán)境下，走跑運動因其簡單可行、經濟，并且具有明顯改善新陳代謝、增進健康的特點，被眾多鍛煉愛好者所推崇且作為首選健身方式之一?，F如今人們參與鍛煉的方式不再只是局限于傳統項目，馬拉松跑、越野跑、戶外跑等這種區(qū)別于傳統跑步方式的鍛煉方式興起[2,3]。不難發(fā)現這些運動方式不僅是時間和距離的極大延長，更重要的是其跑道條件發(fā)生了變化，從水平面向各種坡度的轉化，尤其是一些超馬和越野跑比賽中海拔變化在1000m至5000m不等[4,5]。因此，對于不同運動環(huán)境（在此我們定義為不同坡度條件）走跑運動的下肢生物力學機制進行研究顯得尤為重要。

在此，對于這些問題的研究近年來成為了國內外生物力學研究的重點，其中下肢剛度（Lower Extremity Stiffness）更是熱點內容[6]。在現實生活的簡單運動中，肢體需要一定的剛度水平來優(yōu)化各環(huán)節(jié)縮短拉伸的效率[7]，以此減少肌肉骨骼損傷的風險[8]。具體的來說就是，過高的剛度與各環(huán)節(jié)的骨損傷、過低的剛度與軟組織的損傷存在明顯關聯性[9]。然而當前用于走跑運動最合適的剛度值還無法界定，并且存在較大個體差異。與此同時，在戶外跑、越野跑中，坡度和速度頻繁的變化使人機體產生明顯的生理學和生物力學的變化，例如跑速、步態(tài)的時空參數[10]、縮短拉伸的周期[11]、能耗等等[12]。而恰恰下肢剛度與這些參數的變化存在緊密聯系，因此，對于不同坡度條件下的走跑運動機體剛度的研究具有特別意義。能為了解人類如何應對環(huán)境變化而做出相應的適應性改變、為人們進行走跑類運動鍛煉或訓練、預防運動損傷提供有力的幫助，以此調整適合的高或低的剛度來實現性能表現的最大化。

因此，本研究采用垂直剛度（Kvert）和腿剛度（Kleg）對不同坡度下走跑運動剛度進行分析。前者主要用于表示整個身體剛度和確定地面反作用力以及質心與垂直位移之間的關系；后者則更進一步的表示機體復雜剛度的特性，描繪地面反作用力與下肢形變的關系[7，13]。力求分析不同坡度下機體剛度的特征并尋找其與運動損傷的內在聯系，從而豐富走跑運動生物力學的理論知識。

1 研究方法

1.1 研究對象

本研究選取8名男性運動鍛煉愛好者（詳情見表1），要求受試者沒有經過專門性坡度跑訓練，沒有明顯內翻或外翻腿，下肢無損傷或疾病、無手術史，無生理心理異常表現。測試一周前無大強度運動，并且在測試前簽訂測試知情同意書。

表1 受試者基本信息一覽表

1.2 研究方案

測試前利用身高體重測試儀、體成分分析儀進行基本信息測試，利用游標卡尺和卷尺測量下肢長度（同側髂前上棘到內踝點）、踝寬、膝寬。嚴格按照VICON紅外三維運動分析系統要求對受試者粘貼標志點（本研究采用下肢16個標志點模式）、布置測試環(huán)境和測試軟件系統的校檢、定標和靜態(tài)采集。在正式測試前要求受試者按標準熱身10min，并對每個測試內容進行熟悉。經過調整休息后受試者在跑臺上分別完成為期4分鐘0%、+7%、+10.5%、+14.1%、-7%、-10.5%和-14.1%共7種坡度條件下6km/h、8km/h、10km/h的3種速度走跑運動，每個測試階段間隔5min。跑速和坡度由運動跑臺系統調節(jié)。所有受試者均著輕質專業(yè)運動跑步鞋。

1.3 測試儀器設備

測試場地為四川師范大學體育學院實驗中心VICON三維紅外運動捕捉系統測試環(huán)境。主要測試儀器有：Vivente body Composition Analyzer體脂成份測量儀、身高體重測試儀（恒康佳業(yè)HK-6000）、VICON紅外三維運動分析系統（Vicon Nexus 2.3）專業(yè)運動跑臺（德國h/p/cosmos），其中VICON配備6臺V系列紅外攝像機（MX-T40-S）分別架設在測試環(huán)境四周，其采樣頻率最高為350HZ（本研究選用100HZ采樣頻率）。

1.4 參數的計算

綜合考慮本研究的各種因素最后選定傳統剛度計算方式，即由Morin等人[14，15]根據彈簧質量模型采用正弦波模型Tc（接觸時間）、Tf（騰空時間）、步頻f、速度V、身體質量（m）和下肢長度（L，赤腳直立姿態(tài)測量的大轉子到地面之間的距離）來推算下肢直剛度，其中Tc、Tf、f、V等參數均由VICON系統分析得出。

垂直剛度計算：垂直剛度（kvert，kN/m）計算為最大垂直力（Fmax，kN）與質心位移（Dy，m）之間的比率，如公式（1）、（2）、（3）所示。

腿剛度計算：腿剛度（Kleg，KN/m）計算為Fmax和下肢最大形變的比值，即與腿彈簧壓縮（DL，m）之間的比，如公式（4）、（5）所示。

1.5 數據處理與分析

數據處理選用每個階段十個完整連續(xù)步伐作為數據分析對象，在此我們將一個完整的步態(tài)定義為同側腳離地瞬間（跑步周期的開始）到第二次離地瞬間（跑步周期的結束）為一個完整步伐周期[16]。在本研究中，數據均采用`x±SD表示。研究利用各設備儀器所導出數據均用SPSS22.0軟件進行統計分析。其中包括受試者基本信息的均數統計；下肢剛度值（Kvert和Kleg）的計算；不同坡度和速度下時空參數、下肢剛度值的均數比較（單因素方差分析）；下肢剛度值與各變量的相關性分析（Pearson相關）；以及相關圖表的制作。

2 研究結果

2.1 不同坡度環(huán)境走跑運動下肢時空參數特征比較

各運動環(huán)境下的走跑運動的時空參數（步頻、步長、騰空時間和觸地時間）以及差異性分析結果在表2和表3呈現。其中不同速度的走跑運動的步頻、步長、Tf、Tc均存在顯著性差異，P<0.01；隨著跑步速度的增加步頻和Tc減小，而步長和Tf明顯增加。在不同坡度條件下，步頻（P=0.96）和步長（P=0.75）并沒有顯著性差異，而Tf和Tc存在顯著性差異，P<0.01。從圖1顯示，除了6km/h速度下的快走以外，隨著坡度的下降，Tf逐級減小，Tc逐級增加，同時Tf和Tc隨著跑步速度的增加其差異程度越大。但事后多重比較結果表明，Tf和Tc不是全都呈顯著性變化，在由水平面向上坡或下坡轉變時其變化程度最高。

表2 不同不坡度和速度下肢時空參數一覽表（一）

注： P值表示單因素方差分析及事后多重比較；其中*表示P<0.05 具有統計學意義，**表示P<0.01非常具有統計學有意義；小數點前一位“0”數值全文統一做省略處理。

圖1 不同坡度間走跑運動Tf和Tc差異程度

2.2 不同坡度和速度走跑運動最大垂直力、下肢形變、質心位移特征

方差分析表明，不同坡度和不同速度之間Fmax、DL、Dy均存在顯著性差異，P<0.01（詳情見表4）。其中DL、Dy隨著坡度和速度逐級遞減，Fmax逐級遞增。并且在從6km/h到8km/h轉變過程中（即從走過度到跑的過程），Fmax、DL、Dy變化程度最明顯。

表4 不同坡度和速度下最大垂直力、下肢形變長度、質心位移一覽表

2.3 不同坡度和速度環(huán)境走跑運動下肢剛度特征

圖2和圖3分別展示了Kvert和Kleg在不同坡度和速度環(huán)境下走跑運動的平均值變化趨勢。不同坡度和速度之間Kvert和Kleg存在顯著性差異，P<0.01。并且隨著坡度和速度的增加Kvert和Kleg呈現遞增現象，速度越大其上升幅度越大，兩者之間變化趨勢基本一致。也就是說上坡走跑運動的Kvert和Kleg明顯高于水平條件的走跑運動，下坡則相反；高速運動Kvert和Kleg明顯高于低速。

圖2 不同坡度和速度環(huán)境下Kvert特征

圖3 不同坡度和速度環(huán)境下Kleg特征

圖4反應了Kvert和Kleg不同坡度之間具體差異程度，事后多重比較結果表明并不是所有坡度之間的差異都具有統計學意義，例如6km/h速度下的各級下坡之間并沒有顯著性差異P>0.05。同時可以發(fā)現，在0%到±7.0%坡度之間的差異程度最大，隨著坡度的增加其差異程度逐漸減少。

圖4 不同坡度之間Kvert和Kleg差異程度特征

2.4 不同坡度環(huán)境與下肢剛度相關性

表5 Kvet、Kleg與坡度和速度相關性分析

表5展示了下肢長度、體重、坡度、跑速等諸多因素與Kvert和Kleg相關性。經Pearson相關檢驗表明，下肢長和體重與Kvert和Kleg相關性極低，R<0.1，而跑速、Tf呈高度正相關（R>0.7），Tc則呈高度負相關（R=-0.89），同時坡度也呈現顯著性正相關（R>0.25）。其中Tf與坡度呈中度負相關（R=-0.46）、與跑速呈中度正相關（R=0.48），Tc與坡度呈較低正相關（R=-0.23）、而與跑速則呈高度負相關（R=-0.90）。

3 討論分析

3.1 研究設計分析

本研究利用三維紅外運動分析系統對不同坡度和速度間走跑運動的下肢剛度特征進行分析。由于當前對運動過程中的人體剛度值并沒有簡單方便的直接測量方法，因此本研究采用Morin等人[14、15]根據彈簧質量模型采用正弦波模型來估算運動中的下肢剛度。該方法被諸多研究所認可和采用[6、10]，因而可以滿足本研究的研究目的。同時三維紅外運動分析系統是當前生物力學、運動醫(yī)學領域中最常用的設備儀器[17]，為本研究的運動學參數的采集提供有力的硬件、軟件支撐。并且基于當前大眾健身的現狀和前人的研究而設計了7種坡度條件下的6km/h、8km/h、10km/h走跑運動[18]。

3.2 不同坡度走跑運動中下肢剛度特征分析

在本研究中發(fā)現，Kvert和Kleg隨著坡度的增加而增加，這一現象很大程度上可以由不同坡度跑的運動學特征來解釋。例如有研究表明在下坡跑中會有更大的膝屈[12]，以此增加機械緩沖而減弱地面所帶來的沖擊力[19]，而支撐期膝屈的增加可以明顯增加質心垂直方向位移和下肢形變，根據彈簧質量模型對下肢剛度的預測也就可以對下坡跑步時Kvert和Kleg更小的現象做出一定的解釋了。再者在本研究結果中發(fā)現下肢剛度與騰空時間和落地時間的相關性在0.7以上，也就是說Tf、Tc是影響下肢剛度大小的主要因素之一，當然是在排除非正常走跑運動情況下。與而在其他研究表明在下坡跑中跑步者會趨向于使用腳中部著地的方式[20]，而這種著地方式的改變也就直接導致了Tc的增加[21]，從而使得Kvert和Kleg減小。再者，從動力學因素來講，諸多研究表明[22,23]，相比水平和上坡跑，下坡跑對下肢的沖擊力影響更大，即導致減震效果的減弱，亦或者增加下肢的振動頻率。為此機體跑步過程中會改變著地方式、膝屈程度、步頻步長等以此增加減震效果保護運動單位[24]，同時地面的沖擊力很大程度由下肢剛度決定[25,26]，基于這些解釋便可以很大程度上說明坡度與Kvert和Kleg呈正相關的原因。

在相關性分析中（表5）我們了解，除了坡度以外速度也是影響下肢剛度主要因素。在圖2和圖3中我們發(fā)現隨著速度的增加Kvert和Kleg顯著增加，這一結果與一些研究基本相同[27,28]，但值得注意的是速度對Kvert比對Kleg影響更大[29]。下肢剛度的影響歸根結底還是首先對跑步過程下肢運動學和動力學參數的影響。隨著跑速的增加，支撐期的時間減少，其推進力明顯增加，對地面的沖擊力增加[30]，與本研究Fmax與Tc結果一致。運動員在跑步過程中隨著速度的增加需要更大的下肢剛度來對抗更強的沖擊力[31]，同時在支撐階段期間要使質心產生足夠的動量來滿足向前推進力的需求，而這個推進力隨著跑速的增加也隨著增加，這時機體則通過增加下肢剛度以此保障推進力[31]，以此來維持合適的跑步姿態(tài)。當然值得注意的是在本研究中由于受試者是在設定的恒定速度條件下，在上坡或下坡跑中受試者為了應對不同坡度的要求而產生生物力學參數適應性改變，從而產生較大的下肢剛度差異。

3.3 下肢剛度與運動損傷分析

下肢剛度從其最簡單的定義來講就是身體的形變和作用力之間的關系，是肌肉、骨骼工作性能的重要因素。然而，在機體運動過程中似乎存在一個最佳剛度值或范圍，能兼顧對機體的保護和性能發(fā)揮。但是這兩者通常來說很難達到平衡，因為諸多研究表明過大或過小的剛度均會增加運動損失的風險或者影響運動單位性能的發(fā)揮[32,33]。

大多數學者都認為人體的剛度主要是由于骨骼肌、肌腱、韌帶、軟骨組織和骨骼的聯合系統構成[34]，因而與此有關的損傷通常也作用于這些部位。例如在一項對足球運動員的研究中發(fā)現較高的下肢剛度和腘繩肌剛度是造成腘繩肌運動損傷決定性因素，降低其剛度值能有效減少損傷發(fā)生率[8]；再如高足弓運動員通常表現出更高的腿部剛度，其骨損傷發(fā)病率顯著更高，而較低足弓者或減少腿部剛度在跑步中更多的經歷過軟骨組織損傷[35]。在本研究中，無論垂直剛度還是腿剛度都表現出上坡跑明顯大與水平跑、下坡跑明顯低于水平跑，這也就很大程度上可以說明通常相比水平跑步而言，下坡跑或上坡跑更容易出現運動損傷的現象。

具體的來說下肢剛度的變化帶來的直接表現是下肢動力學、運動學參數的變化[36]，而研究也表明這些變化是下肢出現運動損傷的一個重要因素[37]。有研究表明腿剛度的增加與下肢運動幅度減少、作用力峰值增加相關聯，從而增加下肢的負荷率[44]。此外，增加的峰值力、負荷率被認為是骨損傷的重大風險因素，如膝關節(jié)骨性關節(jié)炎和應力骨折；同時骨骼應力破裂患者表現出地面反作用力峰值增加，進而增加了下肢剛度[38，39]。同時在本研究中發(fā)現上坡跑的最大垂直力明顯大于下坡跑，與下肢剛度值呈正相關，這也就更加說明這些潛在運動損傷因素將更容易出現在上坡跑中，是運動員應該警惕的地方。

過低的下肢剛度同樣也是跑步中運動損傷的另一個重要因素。例如有研究發(fā)現過低的剛度會使得關節(jié)運動范圍過度增加，從而加重軟組織損傷患病率[40]，再者女性運動員通常比男性表現出更低的下肢剛度，因而其膝韌帶損傷發(fā)病率更高。這在本研究結果中有所體現，在下坡跑過程中受試者表現出更大腿長變化和質心位移，也就是說下肢關節(jié)在支撐期有著更大的關節(jié)扭轉角度，這也許是下坡跑出現運動損傷解釋之一。此外，過低的剛度運動員通常表現出身體輸出力量不足，進而不能維持完成動作的需求，導致運動損傷[8]。而對于運動損傷患者，有研究表明改變鞋子種類（采用極簡鞋）能有效減小下肢剛度，從而使得騰空-著地過程更為平緩，能有效緩解足骨髓水腫癥狀[41]。通常來說運動損傷容易出現在長時間運動疲勞后[42]，而且有研究發(fā)現運動疲勞會導致運動過程中下肢剛度下降，使得十字交叉韌帶損傷患病風險增加[43]。在本研究中可以發(fā)現過低的剛度更容易出現在下坡跑中，這些為下坡跑更容易出現運動損傷提供了有力的解釋。當然簡單的來說下坡跑之所以容易出現運動損傷是因為下坡跑下肢肌肉需要大量的離心收縮，尤其是股四頭肌，而長期重復性的離心運動會導致骨骼肌過度使用損傷，如骨骼肌細胞或纖維損傷的累積，神經、血管損傷和肌束膜纖維化等[45,46]。

4 結 論

不同坡度和速度間下肢剛度存在顯著性差異，速度和坡度越大下肢剛度越高，相比水平跑上坡跑明顯更大，下坡跑明顯更小。騰空時間和接觸時間與下肢剛度關聯性最大，騰空時間與下肢剛度呈正相關，接觸時間則相反呈負相關。在上坡跑中更容易出現骨損傷，下坡跑中更容易出現軟骨組織、韌帶和骨骼肌損傷。

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The Characteristics Analysis of Lower Extremity Stiffness of Walking and Running in Different Slope or Velocity

YUAN Chuan, LIAO Fangping, YANG Shijun, et al

P. E. Dept. Sichuan Normal University, Chengdu Sichuan,610101, China.

Objective: The aim of this study was to analyze the lower extremities stiffness characteristics of walking and running under different slope and velocity conditions, and to investigate the association between lower extremities stiffness and sports injury. Methods: In this study, eight male subjects were selected to complete walking and running at seven kinds of speed under the seven kinds of slope on the treadmill respectively, and each stage for 4 minutes. The dynamic and kinematic parameters of the subjects were collected by Vicon Sports-captured analysis system. According to the spring mass model to calculate the vertical stiffness（Kvert）and leg stiffness（Kleg）.Results: The different velocity of walking and running have significant difference in step frequency, step length, contact time and flight time, P<0.01. There was significant difference between contact time and flight time under different slope conditions, P<0.01.While between step frequency（P=0.96）and step length（P=0.75）there was no significant difference. There was significant difference between Kvert and Kleg in different slope and velocity, P<0.01. And with the increase of slope and velocity, Kvert and Kleg showed increasing phenomenon, the greater the velocity, the greater the increase. The Pearson test shows that the correlation between lower limb length and body weight and Kvert and Kleg is extremely low ,R<0.1, while the running speed and flight time were highly positive correlation（R>0.7）, and contact time was highly negative correlation（R=-0.89）.Conclusions: The vertical stiffness and leg stiffness increase with the increase of slope and speed. And the flight time and the lower extremity stiffness was highly positive correlation. In contrast, the contact time was highly negative correlation. At the same time, it is more prone to stress bone injury in the uphill running, and it is more prone to damage of cartilage, ligament and skeletal muscle.

Uphill Running；Downhill Running; Lower Extremity Stiffness; Vicon Sports-Captured System; Sports Injury

1007―6891（2018）02―0033―07

10.13932/j.cnki.sctykx.2018.02.09

A

2017-12-21

2018-01-08

四川省科技廳科研項目，項目編號：2015ZR0214；四川師范大學校級課題，項目編號：SCZX17077。