高 雅，戴劍松

跑步的下肢關(guān)節(jié)運動學特征研究綜述

高 雅，戴劍松

南京體育學院運動健康學院，江蘇 南京，210014。

采用系統(tǒng)文獻綜述法，對下肢各關(guān)節(jié)運動特征的研究進行綜合。通過檢索國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)在跑步運動的生物力學方面研究較少，一些文獻僅對下肢解剖學特征和損傷之間的關(guān)系進行了簡單的闡述和分析。而國外對跑步運動技術(shù)的生物力學研究相對較多，對由跑步引起的運動性損傷的下肢運動學研究也較為深入。

運動學；關(guān)節(jié)角度；運動損傷

運動生物力學是生物力學的一個重要分支，是研究體育運動中人體機械運動規(guī)律的科學。運用生物力學的相關(guān)原理來研究跑步時，其目的就是要合理的掌握跑步技術(shù)，降低跑步運動所帶來的受傷風險。目前，關(guān)于跑步生物力學的測量參數(shù)可以劃分為運動學參數(shù)、動力學參數(shù)和生物學參數(shù)。其中，運動學參數(shù)的測量包含運動的時間特征、空間特征和周期的劃分，如關(guān)節(jié)角度、重心速度、關(guān)節(jié)角速度、運動軌跡等。運動學僅分析物體的速度、位置等隨時間變化的規(guī)律，并不會涉及導致人體位置和運動狀態(tài)發(fā)生改變的原因。運動學是研究跑步生物力學的基礎(chǔ)，例如，通過運動學的分析研究，可以為單個跑步周期的下肢運動提供一個合理的關(guān)節(jié)運動模式。跑步過程中下肢的運動主要是關(guān)于髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的彎曲和伸展等諸多生物力學運動特征的變化，這些都可以通過測量其運動學參數(shù)對跑步過程中的技術(shù)動作進行研究分析。深入探討人體跑步時下肢關(guān)節(jié)的運動學特點，可以較為全面的了解跑步運動過程中的技術(shù)特點，對于改善跑者跑步技術(shù)并降低跑步所帶來的損傷都是十分重要的。

1 髖關(guān)節(jié)運動

1.1 髖關(guān)節(jié)運動解剖特征

髖關(guān)節(jié)（hip joint）是由股骨頭和髖臼組成，屬于多軸的球窩關(guān)節(jié)，它是全身最大且最穩(wěn)固的關(guān)節(jié)。髖關(guān)節(jié)可以作三個軸的屈、伸、展、收、旋內(nèi)、旋外以及環(huán)轉(zhuǎn)運動。由于股骨頭深藏于髖臼窩內(nèi)，關(guān)節(jié)囊相對緊張而堅韌，又受多條韌帶限制，其各個軸上的運動幅度遠不及同為球窩關(guān)節(jié)的肩關(guān)節(jié)。髖關(guān)節(jié)具有較大的穩(wěn)固性，以適應(yīng)其承重并完成下肢的走、跑、跳等功能。在矢狀面上，髖關(guān)節(jié)可以完成屈、伸運動，屈曲活動范圍在0°-140°，伸展活動范圍在0°-15°；在額狀面上，髖關(guān)節(jié)可以完成內(nèi)收、外展運動，內(nèi)收活動范圍在0°-25°，外展活動范圍稍大在0°-30°；在水平面上，髖關(guān)節(jié)可以完成內(nèi)旋、外旋運動，而內(nèi)旋和外旋的活動角度范圍在髖關(guān)節(jié)的不同屈曲角度下并不相同，當髖關(guān)節(jié)屈曲時內(nèi)旋最大可以達到70°，外旋最大可以達到90°，當髖關(guān)節(jié)屈曲角度變小甚至伸直時，因受軟組織的限制，髖關(guān)節(jié)的內(nèi)旋和外旋角度自然減小。

1.2 髖關(guān)節(jié)運動學研究

在腳即將著地時，髖關(guān)節(jié)的屈曲角度大約在25°-30°，當人體重心超過支撐面時，伴隨著膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的伸展，髖關(guān)節(jié)會逐步打開。在前腳掌離地瞬間，大腿與地面的夾角將增大22°，此時的髖關(guān)節(jié)角度會增大20°，跑步的速度越快，后蹬的力量就越強，髖關(guān)節(jié)的角度還會增大5°以上。

人體在運動時，髖關(guān)節(jié)的屈曲角度會對肌肉的募集產(chǎn)生一定的影響，一些學者對側(cè)臥位時髖關(guān)節(jié)的屈曲角度與臀中肌的激活程度之間的關(guān)系依舊持不同看法。在Michael等人[1]的研究中，受試者做蚌式運動練習時，當髖關(guān)節(jié)的屈曲角度為30°和60°時能夠使臀中肌獲得中等程度的激活。而有研究者表示髖關(guān)節(jié)的屈曲角度并不能對臀中肌的激活程度產(chǎn)生影響，但隨著髖關(guān)節(jié)屈曲角度的增加會導致闊筋膜張肌的激活程度明顯降低，最后結(jié)果表明，在髖關(guān)節(jié)處于屈曲角度和外展角度的同時能夠使臀中肌獲得更好程度的激活并使得闊筋膜張肌的激活程度降低[2]。其他研究報告表明，當髖關(guān)節(jié)處于外旋角度時做髖關(guān)節(jié)外展運動練習能夠更大程度的激活闊筋膜張肌，而當髖關(guān)節(jié)處于內(nèi)旋角度時做髖關(guān)節(jié)外展運動練習則會使臀中肌的激活程度得到顯著的提高[3]。

一些運動損傷的研究也涉及到髖關(guān)節(jié)的運動，有研究認為膝關(guān)節(jié)損傷可能有近端來源，如果近端關(guān)節(jié)不夠穩(wěn)定，可能會造成下肢髖關(guān)節(jié)內(nèi)收更多，進而導致膝關(guān)節(jié)外翻角度增加，最終增加跑者下肢損傷的風險。有研究報告，在支撐階段髖關(guān)節(jié)的過度內(nèi)收和內(nèi)旋可能會潛在影響整個下肢的運動學，髖關(guān)節(jié)的內(nèi)收、內(nèi)旋角度與膝關(guān)節(jié)損傷具有一定相關(guān)性[4,5]，并且這種情況更加傾向于女性群體[6]。髖關(guān)節(jié)的過度內(nèi)收可能會增大跑步時支撐相髂脛束的張力，在重復的跑動中，這種增大的拉力有可能會導致髂脛束受損[5]。髖關(guān)節(jié)的角度變化與膝關(guān)節(jié)的角度變化是分不開的，兩者之間經(jīng)常做補償性的支持。髖關(guān)節(jié)的過度內(nèi)收和內(nèi)旋會導致膝關(guān)節(jié)中心相對于足內(nèi)移，由于足固定在地面，膝關(guān)節(jié)的內(nèi)移又會造成脛骨的外展、足的旋前，最終發(fā)生動態(tài)膝關(guān)節(jié)外翻。Powers[7]的研究報告了在有膝前痛的跑者中，髖關(guān)節(jié)的內(nèi)收角度過大可能會導致動態(tài)Q角（膝關(guān)節(jié)外翻角度）增加，造成髕股關(guān)節(jié)壓力增大。相關(guān)研究也已經(jīng)表明髖關(guān)節(jié)內(nèi)收是導致動態(tài)膝關(guān)節(jié)過度外翻的主要因素，髖關(guān)節(jié)的過度內(nèi)收還會牽拉限制膝關(guān)節(jié)外翻的軟組織（如前交叉韌帶、內(nèi)側(cè)髕韌帶等）[8]。

2 膝關(guān)節(jié)運動

2.1 膝關(guān)節(jié)運動解剖特征

膝關(guān)節(jié)（knee joint）是人體最大最復雜的關(guān)節(jié)。它既是滑車關(guān)節(jié)又是橢圓關(guān)節(jié)。膝關(guān)節(jié)是由股脛關(guān)節(jié)和股髕關(guān)節(jié)構(gòu)成。股脛關(guān)節(jié)由股骨的內(nèi)、外側(cè)髁分別與脛骨的內(nèi)、外側(cè)髁相對而成，構(gòu)成橢圓關(guān)節(jié)。股髕關(guān)節(jié)由股骨的髕面與髕骨關(guān)節(jié)面相接而成，構(gòu)成滑車關(guān)節(jié)。膝關(guān)節(jié)原本只能做屈伸動作，但是由于膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的特殊性和關(guān)節(jié)附近軟組織的特性，也可以在一定的角度范圍內(nèi)完成內(nèi)收、外展以及內(nèi)旋、外旋的運動。在矢狀面上，膝關(guān)節(jié)的屈曲活動范圍是最大的，能夠達到0°-140°。在額狀面上，伸膝時脛側(cè)副韌帶和腓側(cè)副韌帶會變得緊張，屈膝時會松弛，因而當膝關(guān)節(jié)完全伸直時，在額狀面上基本沒有活動度；當膝關(guān)節(jié)屈曲到30°時，外展角度和內(nèi)收角度較小，角度總共平均在11°左右。人在跑步時，整個支撐時期的膝關(guān)節(jié)在矢狀面上的活動范圍為40°，在額狀面上的活動范圍為30°，在水平面上的活動范圍為90°，股外側(cè)肌、股中間肌和股內(nèi)側(cè)肌是控制膝關(guān)節(jié)屈伸的主要肌肉，主要肌肉力量不足會影響膝關(guān)節(jié)的機能，矢狀面的屈伸運動占據(jù)主導地位。

2.2 膝關(guān)節(jié)運動學研究

在跑步運動研究中，膝關(guān)節(jié)的活動范圍是非常重點的內(nèi)容，有研究發(fā)現(xiàn)，跑者在跑步時落地模式不同，相應(yīng)膝關(guān)節(jié)角度在觸地時刻的變化是不同的。比起用腳后跟著地的跑者，用腳前掌著地的跑者存在膝關(guān)節(jié)更加屈曲的狀態(tài)，小腿更加垂直，而用腳后跟著地的跑者在觸地時被觀察到膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度較小[9]。

一些與赤足跑者相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)，當腳著地時，赤足跑者的膝關(guān)節(jié)屈曲角度比著鞋跑者的膝關(guān)節(jié)屈曲角度更大，而赤足跑者的膝關(guān)節(jié)最大屈曲角度偏小[10]。另外，還有研究報告了人體疲勞導致體能下降時，膝關(guān)節(jié)在著地時出現(xiàn)了關(guān)節(jié)角度變化增大的情況，這是由于彎曲的膝關(guān)節(jié)能夠承受并抵抗外部沖擊力的原因[11]。

關(guān)于跑步經(jīng)濟性，也有相關(guān)研究表明，在跑者蹬離地面瞬間膝關(guān)節(jié)更大的屈曲角度能夠有效的改善跑步經(jīng)濟性[12]。因為，較大的膝關(guān)節(jié)屈曲角度能夠減少之后在擺動階段將要完成的更大屈曲時所消耗的能量，從而降低下肢轉(zhuǎn)動慣量，而且膝關(guān)節(jié)較大的屈曲角度能夠使得腿部的伸肌群處在更好的初始長度和發(fā)力位置，得到更好的地面反作用力臂與肌腱力臂之比，以此增強蹬地力量[13]。

膝關(guān)節(jié)是人體下肢承受身體緩沖最多的關(guān)節(jié)之一，關(guān)于跑步運動損傷的研究中顯示了最常見的損傷部位都來自膝關(guān)節(jié)。一項研究表明，過度的膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋可能會導致髂脛束扭力的增加[5]。不同學者在對矢狀面上的膝關(guān)節(jié)屈曲角度的研究中，仍存在著不同看法。在跑步過程中，有研究表明膝關(guān)節(jié)屈曲角度的減小是由于髕股關(guān)節(jié)反作用力的增加而引起的伸膝肌群動員時刻延長所導致的。Lenhart等人[14]則認為在矢狀面上，增大的膝關(guān)節(jié)屈曲角度增加了膝關(guān)節(jié)伸肌群的動員時刻，這與落地時更高的髕股關(guān)節(jié)壓力存在一定的相關(guān)性。在Dierks等人[15]的研究中報告了膝前痛的長跑愛好者表現(xiàn)出更小的膝關(guān)節(jié)最大屈曲角度。而在Kulmala等人[16]的研究中則表示健康的腳前掌著地（前足）跑者在跑步的支撐相時表現(xiàn)出更小的膝關(guān)節(jié)最大屈曲角度，降低了16%的髕股關(guān)節(jié)接觸力，從而減少了髕股關(guān)節(jié)壓力。

3 踝關(guān)節(jié)運動

3.1 踝關(guān)節(jié)運動解剖特征

踝關(guān)節(jié)（ankle joint）又稱距小腿關(guān)節(jié)，由脛骨下端、腓骨下端和距骨滑車構(gòu)成，近似單軸的屈戌關(guān)節(jié)，在足背屈或跖屈時，其旋轉(zhuǎn)軸是可變的。踝關(guān)節(jié)能在矢狀面做背屈（伸）和跖屈（屈）的運動，距骨滑車前寬后窄，當背屈時，較寬的滑車前部嵌入關(guān)節(jié)窩內(nèi)，踝關(guān)節(jié)較穩(wěn)定。當跖屈時，由于較窄的滑車后部進入關(guān)節(jié)窩內(nèi)，足可以做輕微的側(cè)方向運動，關(guān)節(jié)不夠穩(wěn)定，因此，踝關(guān)節(jié)的扭傷多發(fā)生在跖屈的狀態(tài)。踝關(guān)節(jié)最大的活動范圍是矢狀面的背屈和跖屈運動，額狀面的內(nèi)翻和外翻，及水平面的內(nèi)旋和外旋的運動幅度都相對較小。

3.2 踝關(guān)節(jié)運動學研究

不同的著地方式對踝關(guān)節(jié)的運動狀態(tài)有很大影響。在慢跑過程中，不論是專業(yè)運動員，還是大眾跑者，大部分人都習慣采用腳后跟先著地的方式。在腳著地瞬間，踝關(guān)節(jié)角度大約為90°，緊接著踝關(guān)節(jié)會出現(xiàn)約5°的跖屈，此時膝關(guān)節(jié)屈曲，小腿相對于足繼續(xù)向前移動，踝關(guān)節(jié)背屈大約為20°。在支撐階段的中期，踝關(guān)節(jié)繼續(xù)到達最大背屈，同時膝關(guān)節(jié)呈現(xiàn)最大屈曲角度。在腳蹬離地面后，踝關(guān)節(jié)會出現(xiàn)最大的跖屈角度，大約為70°。

對于跑者而言，踝關(guān)節(jié)的過度外翻可能會增加其在跑步過程中的受傷風險。有相關(guān)研究表明，將踝關(guān)節(jié)有損傷的跑者與踝關(guān)節(jié)沒有損傷的跑者進行比較，踝關(guān)節(jié)有傷跑者的踝關(guān)節(jié)外翻角度要多出 2°到4°。但是，在有踝關(guān)節(jié)過度外翻的跑者之中，有大約一半的跑者并沒有體現(xiàn)出會因為踝關(guān)節(jié)的過度外翻而導致下肢損傷[17]。還有研究發(fā)現(xiàn)，兩名受試者的踝關(guān)節(jié)外翻角度相同且均為20°，其中一名受試者的脛骨內(nèi)旋角度為3°，另一名受試者的脛骨內(nèi)旋角度為13°，研究結(jié)果表示踝關(guān)節(jié)的外翻角度相同并不一定會使脛骨的內(nèi)旋角度相同，而后者有可能是導致下肢膝關(guān)節(jié)損傷的主要因素[18]。

不同學者在對踝關(guān)節(jié)背屈和下肢力線及損傷相關(guān)性的研究中，同樣持有不同看法。之前通常認為，當踝關(guān)節(jié)背屈受限時，會導致近端關(guān)節(jié)（如膝關(guān)節(jié)）在矢狀面上的活動度減小[19]。有研究顯示，當踝關(guān)節(jié)背屈受限時，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運動學具有潛在關(guān)系，如膝關(guān)節(jié)的內(nèi)移可能會增加ACL損傷的風險[20]。在跑步支撐階段的中期，當踝關(guān)節(jié)背屈受限時，脛骨相對于距骨的活動會受到影響，從而發(fā)生距下關(guān)節(jié)的旋前代償，且與膝前痛的損傷相關(guān)[21]。但Dill等人[22]發(fā)現(xiàn)，在單腿蹲和過頂蹲中，更大負重的踝背屈角度會出現(xiàn)更大的膝關(guān)節(jié)屈曲，在單腿蹲中還會出現(xiàn)更大的膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻，而在單腿蹲、過頂蹲和跳躍落地的測試中，無負重的被動踝關(guān)節(jié)背屈時，踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的運動學沒有顯著相關(guān)性。

Kuhman和Paquette等研究者[23]對比分析了有損傷和無損傷的大學生越野跑選手的運動學指標，研究結(jié)果顯示，二者的踝關(guān)節(jié)背屈角度并沒有顯著差異。在一項研究中，研究者要求受試者穿著三種后跟外側(cè)傾角不同的跑鞋（一種后跟外側(cè)沒有傾角；另一種后跟外側(cè)傾角為16°；還有一種后跟外側(cè)傾角為負且有弧度）進行跑步測試，研究結(jié)果表明，在跑步的支撐階段，踝關(guān)節(jié)的外翻角度會隨著跑鞋外側(cè)傾角的減小而減小，而跑鞋外側(cè)傾角的變化并不會改變受試者觸地之前踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的三維角度[24]。在Nicolas[25]的研究中，對跑者著鞋跑步與赤足跑步的運動學指標進行了比較，發(fā)現(xiàn)赤足跑者在支撐階段的踝關(guān)節(jié)背屈角度變大，膝關(guān)節(jié)屈曲角度變小。

Roberts和Birch[26]兩位學者在他們的研究中，對受試者穿著MBT鞋和赤足時在觸地緩沖時刻的踝關(guān)節(jié)運動學指標進行了比較，研究結(jié)果顯示，受試者穿著MBT鞋在觸地時刻的踝關(guān)節(jié)背屈角度和踝關(guān)節(jié)外翻角度明顯要大于赤足情況時。應(yīng)該注意的是，這項研究大部分是對受試者在行走情況下進行的運動學參數(shù)的測量。（MBT鞋是瑞士公司制作的一種功能鞋，它的中底構(gòu)造與一般鞋不同，中底的后半部分呈圓弧形且后跟較軟，這樣的構(gòu)造會使人在腳后跟著地時以“滾動”的形式前進。）

4 結(jié) 論

在跑步的過程中，人體各關(guān)節(jié)會受到不同肌肉拉力的影響進而發(fā)生轉(zhuǎn)動，促使環(huán)節(jié)運動。因而，通過對關(guān)節(jié)角度的測量與分析，可以更加清晰地展現(xiàn)出運動學的變化特征。人體重心在保持輕微起伏的同時，膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)等下肢關(guān)節(jié)應(yīng)當具有適當?shù)那顒臃秶?。錯誤的跑步動作模式通常與下肢關(guān)節(jié)活動范圍異常等因素引起的下肢動力鏈排列的失衡和紊亂有關(guān)。下肢各關(guān)節(jié)的角度、關(guān)節(jié)的位置都應(yīng)當保持很好的排列順序，這樣在足落地的過程中，下肢在承受地面作用力時，才能夠獲得最佳的緩沖和力的傳遞。因此，在對跑步關(guān)節(jié)變化的研究中，多以跑步時下肢關(guān)節(jié)的運動學特征為主要研究內(nèi)容。

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A Review of Kinematic Characteristics of Lower Limb Joints in Running

GAO Ya, DAI Jiansong

School of Sports Health, Nanjing Sport Institute, Nanjing Jiangsu, 210014, China.

The systematic literature review method is used to synthesize the motion characteristics of the lower joints of running limbs. By searching domestic and foreign databases, it is found that there is currently little research on the biomechanics of running sports in China, and some literatures only briefly explain and analyze the relationship between the anatomical characteristics of the lower limbs and injuries. There are relatively many biomechanical studies on running sports in foreign countries, and lower limb kinematics research on sports injuries caused by running is also more in-depth.

Kinematics; Joint angle; Sports injury

1007―6891（2020）03―0057―04

10.13932/j.cnki.sctykx.2020.03.14

G804.22

A

2020-03-02