羅 震，王俊清，張希妮，楊 洋，鄧力勤，傅維杰

近年，跑步已成為我國大眾參與度最高的運動項目之一，與之相對應(yīng)的是全民馬拉松運動的蓬勃發(fā)展。眾所周知，跑步有諸多益處，包括降低心血管疾病的風(fēng)險等（Williams，1997），但與跑步相關(guān)的肌骨損傷也十分常見。一方面，跑者每跑1 000 h的損傷發(fā)生率為18.2%～92.4%（Saragiotto et al.，2014；Van Gent et al.，2007；Van Middelkoop et al.，2008）或6.8%～59.0%（Buist et al.，2010）。超過74%的長跑者都采用后跟觸地的模式，該模式下著地時2～3倍體質(zhì)量的重復(fù)沖擊和較大的負(fù)載率被認(rèn)為是下肢損傷的高風(fēng)險因素（Bonacci et al.，2013；Lieberman et al.，2010）；另一方面，長時間、高強(qiáng)度的跑步運動必然誘發(fā)下肢神經(jīng)肌肉疲勞（neuromuscular fatigue）。運動性疲勞（exercise-induced fatigue）導(dǎo)致的下肢肌-骨系統(tǒng)，特別是下肢關(guān)節(jié)控制能力下降是引發(fā)跑步損傷的重要誘因。因此，疲勞被認(rèn)為能改變跑步的生物力學(xué)特征（Derrick et al.，2002）。然而，現(xiàn)階段研究對疲勞與著地沖擊有關(guān)的結(jié)論尚不明確（Zadpoor et al.，2012）。Gerlach等（2005）探討了力竭狀態(tài)下女性跑者在跑臺上垂直地面反作用力（vertical ground reaction force，vGRF）的變化情況，發(fā)現(xiàn)干預(yù)后所有跑者的沖擊峰值和負(fù)載率分別降低6%和11%。Morin等（2011）研究了男性跑者在跑臺上進(jìn)行多組反復(fù)沖刺跑后，vGRF隨疲勞而降低。Christina等（2001）發(fā)現(xiàn)，疲勞干預(yù)后，跑步時的沖擊峰值和負(fù)載率明顯增加。然而，Girard等（2011）探討了重復(fù)短跑過程中疲勞引起的彈簧-質(zhì)量模型特性變化，發(fā)現(xiàn)疲勞后vGRF未見顯著性差異。Slawinski等（2008）也得出相同的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)9名專業(yè)跑者在力竭干預(yù)后，vGRF未有顯著性改變。

有研究著眼于疲勞與損傷的直接關(guān)系，關(guān)注在疲勞前后時刻的下肢生物力學(xué)變化（Abt et al.，2011；Brown et al.，2016；Clansey et al.，2011；Kuhman et al.，2016；Radzak et al.，2017），從疲勞前后兩個階段探究疲勞與預(yù)防損傷的內(nèi)在聯(lián)系。如Radzak等（2017）對比了疲勞前后雙側(cè)下肢的不對稱性；Brown等（2016）研究了疲勞前后患有髂脛束綜合征的女性跑者下肢生物力學(xué)的差異；Abt等（2011）比較了疲勞前后跑步運動學(xué)和沖擊吸收的差異。然而，跑步疲勞對人體運動學(xué)的影響仍沒有定論，部分原因可能是存在下肢生物力學(xué)的非線性改變。導(dǎo)致上述研究不確定性的原因在于鮮見從疲勞的整個進(jìn)程中獲取疲勞與生物力學(xué)特征之間關(guān)系的研究，即沒有確定可能發(fā)生變化的臨界點。如在疲勞進(jìn)程的不同階段，下肢髖、膝、踝三關(guān)節(jié)會做出怎樣的調(diào)整，又會如何影響人體下肢的姿態(tài)控制，目前仍不清楚。

本研究旨在確定跑步疲勞進(jìn)程中下肢生物力學(xué)的變化，包括垂直和前后方向地面反作用力（ground reaction force，GRF）、vGRF負(fù)載率、關(guān)節(jié)力學(xué)和剛度等。研究假設(shè)跑者在跑步疲勞中后期vGRF和關(guān)節(jié)活動度增加，垂直剛度和關(guān)節(jié)剛度降低。

1 研究對象與方法

1.1 實驗對象

選取14名男性跑步愛好者（表1），均習(xí)慣穿著緩沖鞋后跟跑，近3個月周跑量大于15 km，近6個月無明顯下肢損傷，要求實驗前24 h避免劇烈運動。所有受試實驗前需簽署知情同意書。實驗得到上海體育學(xué)院倫理審查委員會的批準(zhǔn)。

表1 受試基本情況Table 1 Basic Information of Subjects M±SD

1.2 實驗儀器

1.2.1 Vicon紅外高速三維運動捕捉系統(tǒng)

使用英國生產(chǎn)的8臺Vicon三維紅外攝像頭及運動捕捉系統(tǒng)（型號：T40）配套直徑14 mm的紅外反光球（圖1），采集下肢髖、膝、踝三關(guān)節(jié)矢狀面運動學(xué)參數(shù)，采樣頻率為100 Hz。

圖1 實驗儀器Figure 1.Experimental Setup

1.2.2 Bertec三維測力跑臺

使用美國Bertec公司生產(chǎn)的三維測力跑臺，由2塊（長175 cm×寬50 cm）獨立的測力跑臺組成，采集跑步過程中GRF數(shù)據(jù)，采樣頻率為1 000 Hz。

1.2.3 心率表

使用芬蘭Polar公司生產(chǎn)的心率表v800，由腕表和胸帶組成，監(jiān)控干預(yù)過程中受試的心率變化。

1.2.4 實驗用鞋

測試過程統(tǒng)一采用Nike Air Zoom Pegasus 34慢跑鞋（Koblbauer et al.，2014）。鞋中底采用優(yōu)質(zhì)發(fā)泡棉，前足和后跟位置配備Zoom Air氣墊。該跑鞋的前后跟落差（heel-toe drop）為12 mm，質(zhì)量為285 g。

1.2.5 血糖/乳酸分析儀

用Biosen C-Line血糖/乳酸分析儀分析疲勞前后受試的血乳酸濃度（blood lactic acid，BLa）變化。疲勞前后采集并分析4次BLa（Devlin et al.，2014；Hsu et al.，2017）：1）到達(dá)實驗室（安靜狀態(tài)）；2）疲勞后即刻；3）疲勞后4 min；4）疲勞后9 min。

1.3 跑步疲勞方案

受試需更換測試短褲、襪子和實驗鞋，穿著實驗鞋以自選速度在跑步機(jī)上充分熱身，感受并適應(yīng)跑鞋。待受試反饋適應(yīng)后，要求其在跑臺上以3.33 m/s的速度恒速跑，直到無法繼續(xù)跑步為止（Abt et al.，2011；Maas et al.，2018）。滿足以下兩個條件時，疲勞干預(yù)結(jié)束：1）受試的心率達(dá)到當(dāng)下年齡最大心率（HRmax）的90%；2）無法再堅持跑下去。疲勞干預(yù)過程中，記錄干預(yù)時間、HRmax和RPE值。

1.4 實驗參數(shù)和數(shù)據(jù)處理

疲勞干預(yù)期間，每隔2 min采集15 s（至少20步）的標(biāo)記點軌跡和GRF數(shù)據(jù)（Clansey et al.，2011），按照受試干預(yù)時間百分比等分為疲勞前、33%、67%和100%4個時刻（Dutto et al.，2002）。

1.4.1 沖擊力參數(shù)

沖擊力采用截止頻率為50 Hz的Butterworth二階雙向低通濾波。選取參數(shù)包括：1）第一和第二峰值vGRF（Fzmax1和 Fzmax2）以及 Fzmax1和 Fzmax2的出現(xiàn)時間（t_Fzmax1和t_Fzmax2）；2）最大和平均加載速率（LRmax和 LRavg，圖2）；3）接觸時間（CT）；4）最大推進(jìn)和制動GRF（Fymax和Fymin）。計算負(fù)載率時，選取一個臨界點（point of interest，POI）。POI是大于75%體質(zhì)量且瞬時負(fù)載率小于15 BW/s的第一個點，平均負(fù)載率定義為20%～80%POI力值的平均斜率，最大負(fù)載率定義為20%～100%POI力值間的最大瞬時負(fù)載率。支撐期定義為觸地（vGRF＞50 N）到離地（vGRF＜50 N）之間。

圖2 沖擊力參數(shù)Figure 2.Scheme of Ground Reaction Force Variables

1.4.2 運動學(xué)參數(shù)

使用V3D軟件通過Butterworth四階低通濾波對優(yōu)勢側(cè)的矢狀面運動學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，截止頻率為14 Hz（Koblbauer et al.，2014）。髖、膝和踝三關(guān)節(jié)（圖3）的運動學(xué)參數(shù)包括：1）關(guān)節(jié)觸地角度（θ0）；2）支撐期關(guān)節(jié)最大伸展/背屈角度（θmax-ext）和關(guān)節(jié)最大屈曲/足底屈曲的角度（θmax-flx）；3）支撐期的關(guān)節(jié)活動范圍（θROM，θROM=θmax-ext?θmax-flx）；4）關(guān)節(jié)角度變化量（?θ，?θ=θmax-flex?θ0）；5）支撐期最大伸展/足屈角速度（ωmax-ext）。其中，踝關(guān)節(jié)以靜態(tài)站立時的踝關(guān)節(jié)角度為0°，跖屈為負(fù)，背屈為正。

圖3 下肢關(guān)節(jié)角度Figure 3.Scheme of Lower Extremity Kinematics

1.4.3 動力學(xué)參數(shù)

動力學(xué)參數(shù)包括髖、膝、踝關(guān)節(jié)的蹬伸峰值力矩和關(guān)節(jié)剛度[kj，（1）]（Hoff et al.，2016），以及下肢的垂直剛度[kvert，（2）]（Metzger et al.，1987），分別表示如下：

其中，?M是從著地到支撐中期關(guān)節(jié)力矩的變化量，?θ是從著地到支撐中期關(guān)節(jié)角度的變化量。

其中，GRFi是重心（center of gravity，CoG）最低位置的vGRF，?y是CoG最大垂直位移的變化量。

1.5 統(tǒng)計學(xué)

計算每個參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。采用單因素方差分析，進(jìn)行方差齊性檢驗不同時間節(jié)點的血乳酸濃度差異，分析疲勞前以及疲勞過程33%、67%和100%4個時刻疲勞因素對沖擊力學(xué)（沖擊峰值和vGRF負(fù)載率）、運動學(xué)（關(guān)節(jié)角度和角速度、支撐期重心垂直位移以及支撐期時間）和動力學(xué)（蹬伸力矩峰值、垂直剛度和關(guān)節(jié)剛度）等的影響（Dutto et al.，2002）。所有數(shù)據(jù)利用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，顯著性水平α設(shè)定為0.05。

2 結(jié)果

2.1 跑步疲勞參數(shù)

跑步疲勞參數(shù)變化顯示，疲勞干預(yù)時間為28.5±10.4min，干預(yù)期間HRmax和RPE值分別為182.9±7.7 bpm和17.2±0.9。此外，與安靜狀態(tài)相比，疲勞后即刻、疲勞后4 min和疲勞后9 min觀察到BLa顯著增加（P＜0.01，P＜0.01，P=0.01，圖4）。

圖4 4個時刻的血乳酸濃度變化Figure 4.Blood Lactate Concentration at 4 Time Points

2.2 地面反作用力

受試疲勞進(jìn)程中的GRF數(shù)據(jù)顯示，與疲勞前相比，33%、67% 和 100% 的 時 刻 ，F(xiàn)zmax1、t_Fzmax1、LRmax、LRavg、Fzmax2、t_Fzmax2、Fymax和Fymin均未見顯著性差異（表2）。

表2 疲勞干預(yù)中的GRF對比Table 2 GRF Characteristics at Time Points Corresponding

2.3 關(guān)節(jié)力學(xué)

與疲勞前ROM相比，膝關(guān)節(jié)ROM在干預(yù)過程的67%時刻顯著增加，髖關(guān)節(jié)ROM在干預(yù)過程的33%、67%和100%時刻顯著增加（圖5）。整個干預(yù)過程中，三關(guān)節(jié)的觸地角度、最大角度、角速度峰值以及踝關(guān)節(jié)ROM未見顯著差異（表3）。

圖5 疲勞干預(yù)對髖、膝關(guān)節(jié)運動學(xué)的影響Figure 5.The Effect of Fatigue Intervention on Hip and Knee

表3 疲勞干預(yù)中髖、膝、踝三關(guān)節(jié)的運動學(xué)變化Table 3 Kinematics and Joint Moment of Hip，Knee，andAnkle Joints at Time Points Corresponding

2.4 剛度

與疲勞前相比，在干預(yù)過程的67%和100%時刻，垂直剛度顯著下降（P=0.02和P=0.01，圖6）。此外，在67%和100%時刻，?y有增加的趨勢（P=0.07和P=0.06），但是三關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)剛度均未見明顯變化（表4）。

圖6 疲勞干預(yù)中垂直剛度的變化Figure 6.Stiffness of theAnkle Joint at Time Points

表4 疲勞干預(yù)中關(guān)節(jié)力矩和垂直剛度的變化Table 4 Vertical Stiffness and Joint Stiffness at Time Points Corresponding

3 討論

通過跑步疲勞干預(yù)，探究下肢疲勞對跑步著地沖擊、下肢髖/膝/踝三關(guān)節(jié)運動學(xué)和動力學(xué)以及剛度的影響，發(fā)現(xiàn)借助疲勞干預(yù)模型，從開始跑至疲勞的中期（如跑步周期的33%和67%時刻），髖、膝關(guān)節(jié)活動度和角度變化量顯著性增大，垂直剛度顯著性減小，表明下肢肌-骨系統(tǒng)在疲勞中期已經(jīng)通過主/被動改變下肢關(guān)節(jié)活動度，調(diào)整重心位移，降低剛度來維持下肢姿態(tài)穩(wěn)定，以期減少著地沖擊對下肢關(guān)節(jié)的損傷。

3.1 疲勞干預(yù)

疲勞通常與乳酸積累有關(guān)（Hoff et al.，2016）。作為運動過程中糖酵解供能的代謝產(chǎn)物，乳酸在激烈的運動后會大量產(chǎn)生，隨著解離出的H+進(jìn)入血液濃度升高，肌肉的pH值可降至6.33（Metzger et al.，1987）。同時，肌絲內(nèi)環(huán)境與外周環(huán)境改變，會導(dǎo)致肌肉工作性能降低。實驗中，疲勞干預(yù)后，血乳酸值在安靜狀態(tài)和疲勞即刻與前人研究保持一致（Stajer et al.，2018）。與安靜狀態(tài)相比，第9 min的血乳酸仍顯著性增高，可以認(rèn)為干預(yù)強(qiáng)度達(dá)到跑步疲勞的標(biāo)準(zhǔn)。本研究的干預(yù)時間平均為28.5 min，最大心率達(dá)到182.9 bpm，RPE值為17.2，即非常費力。以上均支持本團(tuán)隊之前的研究（Zhang et al.，2018）。

3.2 地面反作用力

跑步運動中的反復(fù)、被動著地沖擊被認(rèn)為下肢過用性損傷的主要原因，這會產(chǎn)生一種綜合疲勞效應(yīng)，抑制骨骼肌肉的重塑和修復(fù)過程（Hreljac et al.，2000）。根據(jù)這種機(jī)制，過度使用造成跑步傷害的關(guān)鍵因素是疲勞，跑步的重復(fù)性是引起疲勞的潛在因素之一（Abt et al.，2011）。本研究中，GRF的第一峰值、第二峰值、平均和最大負(fù)載率等參數(shù)在疲勞前后均未見顯著性差異，這與Breine等（2017）和Zadpoor等（2012）的研究一致。Bazuelo-ruiz等（2018）和Abt等（2011）采用與本研究相同或者更快的速度（Hreljac et al.，2000），疲勞干預(yù)前后，GRF也未見統(tǒng)計學(xué)差異，水平方向的制動力和推進(jìn)力在疲勞進(jìn)程中未見顯著性差異，這與前人的研究一致（Rabita et al.，2011）。因此，無論從疲勞前后還是整個疲勞進(jìn)程來看，疲勞與沖擊力并不存在線性相關(guān)，沖擊力的大小不會因疲勞的產(chǎn)生和發(fā)展而明顯變化。負(fù)載率作為單位時間vGRF的變化量，被認(rèn)為是跑跳類運動中十分敏感的沖擊力指標(biāo)（Milner et al.，2006；Pohl et al.，2009；Van Gent et al.，2007）。相比沖擊峰值，負(fù)載率更能反映跑步?jīng)_擊與跑步損傷之間的關(guān)系（Van Der Worp et al.，2016）。然而，本研究中平均和最大負(fù)載率在整個疲勞進(jìn)程中均未見顯著性差異，這與Zadpoor等（2012）的研究相同，表明在維持現(xiàn)有跑姿不變的情況下，疲勞因素對負(fù)載率沒有統(tǒng)計學(xué)影響。綜上，在跑步過程中，疲勞對著地沖擊和負(fù)載率沒有統(tǒng)計學(xué)差異，可能的原因是沖擊和負(fù)載率與觸地方式密切相關(guān)，在不改變跑姿的情況下，其與下肢肌肉疲勞并無線性關(guān)系。此外，人體下肢肌-骨系統(tǒng)在長時間跑步時，下肢三關(guān)節(jié)及其組成肌肉會主動適應(yīng)并傳遞、衰減著地沖擊。

3.3 運動學(xué)

跑步過程中，70%～80%的沖擊力被膝關(guān)節(jié)吸收，這對防止過用性損傷害至關(guān)重要（Kim et al.，1994）。為了吸收沖擊力，人體會對下肢關(guān)節(jié)活動進(jìn)行適當(dāng)協(xié)調(diào)，并通過肌-骨系統(tǒng)的調(diào)控關(guān)節(jié)活動來實現(xiàn)（Derrick et al.，2002；Mercer et al.，2003）。馬拉松比賽前后及完賽后7天，跑者的髖、膝、踝三關(guān)節(jié)觸地角度沒有明顯變化（Kyr?l?inen et al.，2000）。本研究中，踝關(guān)節(jié)運動學(xué)特征未見顯著性差異，與上述結(jié)果一致，而在66%時刻，膝關(guān)節(jié)ROM顯著性增大。Abt等（2011）提供了新的思路，要求男性受試以3.3 m/s的速度在跑臺上跑至力竭，觀察到力竭運動后更大的膝關(guān)節(jié)屈曲角度。本研究只要求受試者跑至疲勞，并未觀察到膝關(guān)節(jié)最大屈曲角度顯著性增大。

本研究還發(fā)現(xiàn)，疲勞進(jìn)程中，相比疲勞前髖關(guān)節(jié)活動度和角度變化量在33%、67%和100%時刻顯著性增大。Winter等（2017）的研究顯示，髖關(guān)節(jié)ROM在疲勞后明顯增加，佐證了本結(jié)果。結(jié)合髖、膝關(guān)節(jié)的運動學(xué)改變，原因可能是髖、膝關(guān)節(jié)作為下肢的大關(guān)節(jié)緩沖著地沖擊時，通過下肢大關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運動增加關(guān)節(jié)活動范圍，引起支撐期重心垂直位移下降，并不僅僅依靠膝關(guān)節(jié)?？梢哉f，跑步疲勞后的運動學(xué)變化可能是一種減少受傷可能性的代償機(jī)制，而不是疲勞的結(jié)果（Derrick et al.，2002）。值得注意的是，髖、膝關(guān)節(jié)在跑步中期已經(jīng)發(fā)生ROM減小，也可作為對上述解釋的佐證。因此，本研究認(rèn)為，人體下肢的髖、膝運動鏈不是被動接受沖擊，而是在主動控制、適應(yīng)和調(diào)整著地姿態(tài)與影響沖擊力的過程中起到重要作用，隨之貫穿疲勞的發(fā)生和發(fā)展。

3.4 剛度

垂直剛度被認(rèn)為是運動過程中的重要影響因素（Seyfarth et al.，2002；Shen et al.，2018），也是肌-骨系統(tǒng)彈簧-質(zhì)量模型中的重要綜合指標(biāo)，為力和重心垂直位移的比值（Liu et al.，2006），與損傷發(fā)生率密切相關(guān)。如果在恒速下跑到疲勞，垂直剛度隨著運動疲勞的進(jìn)程而減小，其變化與支撐期下肢垂直位移改變存在反比例關(guān)系，與vGRF無關(guān)（Dutto et al.，2002）。本研究驗證了上述結(jié)果，跑步疲勞過程中，與疲勞前相比，在33%、67%和100%時刻，垂直剛度都顯著性減小。與之對應(yīng)的是，重心垂直位移變化量在67%和100%時刻有增加的趨勢，而重心最低時刻，vGRF在4個時刻未見統(tǒng)計學(xué)差異，這可以解釋重心位移與垂直剛度存在相關(guān)性，但不是線性相關(guān)。

Ga（1990）指出，力竭狀態(tài)下，下肢有效質(zhì)量減少，腿部吸收的沖擊力增加，表明人體通過改變膝關(guān)節(jié)角度來減少身體的有效質(zhì)量。本研究中，髖、膝關(guān)節(jié)活動度增加和支撐期重心垂直位移的下降可能是減少下肢有效質(zhì)量的主要原因，這與前人研究一致，表明跑步時垂直剛度減小與較大的關(guān)節(jié)活動范圍有關(guān)（Goodwin et al.，2018）。人體在長距離跑時，為維持下肢姿態(tài)穩(wěn)定和減少累積的沖擊損傷，會主動采取降低重心、減小垂直剛度的策略，在一定的關(guān)節(jié)活動范圍內(nèi)實現(xiàn)“軟著陸”，減少沖擊力對下肢關(guān)節(jié)的影響。由于下肢關(guān)節(jié)的連續(xù)性，單個關(guān)節(jié)剛度的改變可能會改變整個下肢剛度，因而有研究發(fā)現(xiàn)，疲勞后膝、踝關(guān)節(jié)剛度有所降低（Dutto et al.，2002；Kuitunen et al.，2002）。本研究中，踝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)剛度有下降趨勢，髖、膝關(guān)節(jié)剛度則有增加趨勢，可能與肌肉激活水平、關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)活動度和角速度的差異有關(guān)。Melcher等（2017）關(guān)注不同跑姿下膝、踝關(guān)節(jié)的剛度變化，認(rèn)為后跟跑者的能量和沖擊吸收主要在膝關(guān)節(jié)。本研究表明，髖、膝關(guān)節(jié)都有吸收沖擊能力，并且髖關(guān)節(jié)吸收沖擊的能力大于膝關(guān)節(jié)。因此，長距離跑步時，要特別注意髖、膝關(guān)節(jié)的協(xié)同配合，減少膝關(guān)節(jié)損傷發(fā)生的風(fēng)險。此外，垂直剛度被認(rèn)為與跑步經(jīng)濟(jì)和能量利用率有關(guān)（Perl et al.，2012），認(rèn)為垂直剛度越高，能量利用率越高。在長時間中等強(qiáng)度以上的跑步運動后期，可能會隨著攝氧量的增加、垂直剛度的減小，人體的能量利用和跑步經(jīng)濟(jì)性逐漸降低。未來研究可針對后跟跑者轉(zhuǎn)變?yōu)榍罢坪螅治銎谝蛩貙ο轮P(guān)節(jié)跑步經(jīng)濟(jì)性的影響，對比不同跑姿、不同時刻下的經(jīng)濟(jì)性差異。

4 結(jié)論

跑至疲勞過程中，無論是GRF峰值還是最大負(fù)載率，均未見明顯變化，但下肢運動學(xué)、動力學(xué)的適應(yīng)性改變是非線性的，具體表現(xiàn)在：從跑至疲勞的中期（如跑步周期的33%和67%時刻）開始，通過下肢肌-骨系統(tǒng)的主動調(diào)節(jié)，如增加髖/膝關(guān)節(jié)活動度、減小下肢剛度、降低重心的“軟著陸”策略來保持沖擊和下肢姿態(tài)的穩(wěn)定，維持相似的沖擊力特征以減小潛在長時間跑步損傷的風(fēng)險。