張金鵬，李建朋,全文靜，何玉環(huán)

(1.寧波市職業(yè)技術(shù)教育中心學(xué)校，浙江 寧波 315000；2.寧波大學(xué) 體育學(xué)院，浙江 寧波 315211)

近年來(lái)，隨著全民健身政策的號(hào)召越來(lái)越多的運(yùn)動(dòng)愛(ài)好者加入跑步運(yùn)動(dòng)。跑步被證明可以有效的降低慢性疾病、心血管疾病和肥胖等發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)[1]。但是跑步造成下肢肌肉骨骼損傷率也非常的高，研究表明每年業(yè)余跑步者發(fā)生運(yùn)動(dòng)損傷率為20%～70%[2]。其中每1 000h跑步中約有17.8%的業(yè)余跑步者發(fā)生運(yùn)動(dòng)損傷，特別是膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷[3]。有研究表明地面沖擊力是造成跑步運(yùn)動(dòng)損傷的主要原因[4]，很多學(xué)者通過(guò)轉(zhuǎn)變著地和改變跑步姿態(tài)來(lái)降低地面對(duì)下肢的沖擊力[5,6]，還有一部分研究表明跑鞋對(duì)跑步運(yùn)動(dòng)損傷也有著密切的關(guān)系[7]。但是近些年的研究沒(méi)有對(duì)跑步界面引起重視，從而忽略了不同運(yùn)動(dòng)界面對(duì)跑步下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的影響。水泥路面和人造草坪地面是跑步者經(jīng)常選擇的運(yùn)動(dòng)界面，因此，本研究在標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室模式真實(shí)的水泥路面和人造草坪地面，通過(guò)采集不同運(yùn)動(dòng)界面下支撐期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，了解不同運(yùn)動(dòng)界面及對(duì)人體下肢生物力學(xué)特征的影響，旨在促進(jìn)跑步運(yùn)動(dòng)損傷的減少并為跑步愛(ài)好者在不同運(yùn)動(dòng)界面跑步時(shí)提供理論參考依據(jù)。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

受試者為10名大眾跑者。選擇測(cè)試對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn)包括：①年齡 18-30 周歲；②鞋碼為 41 碼；③跑步鍛煉經(jīng)歷兩年及以上，每周跑量為5km。所有受試者身體狀況及運(yùn)動(dòng)能力良好，沒(méi)有受過(guò)專業(yè)的跑步訓(xùn)練，在過(guò)去的6個(gè)月內(nèi)無(wú)下肢損傷，實(shí)驗(yàn)前24h內(nèi)未從事劇烈活動(dòng)。測(cè)試前，受試者被告知該研究的目的和注意事項(xiàng)，受試者填寫知情同意書，并志愿按照要求進(jìn)行測(cè)試。

表1 受試者基本信息(N=10)

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

1.2.1 Vicon三維紅外運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)。使用Vicon三維紅外運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)(Oxford Metrics Ltd. ,Oxford, UK)自帶的下肢運(yùn)動(dòng)模型，采集下肢髖、膝和踝關(guān)節(jié)矢狀面、冠狀面和水平面的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，采集頻率設(shè)定在200Hz。24個(gè)Maker反光點(diǎn)(直徑12.5mm)分別粘在受試者骶髂關(guān)節(jié)中心(SACR)、左右側(cè)髂前上棘(LASI、RASI)、左右側(cè)髂嵴(LPP、RPP)、左右大轉(zhuǎn)子(LTROC、RTROC)、優(yōu)勢(shì)腿大腿跟蹤點(diǎn)(S1、S2、S3、S4)、優(yōu)勢(shì)腿內(nèi)外側(cè)膝間(RMK、RLK)、優(yōu)勢(shì)腿小腿跟蹤點(diǎn)(ST1、ST2、ST3、ST4)、優(yōu)勢(shì)腿內(nèi)外側(cè)踝(RMA、RLA)、優(yōu)勢(shì)腿腳后跟跟蹤點(diǎn)(SH1、SH2、SH3)、優(yōu)勢(shì)腿大腳趾(RTOE)、第一跖趾關(guān)節(jié)(RM1)、第五跖趾關(guān)節(jié)(RM5)(圖1)。

圖1 反光標(biāo)記點(diǎn)放置位置示意圖

1.2.2 Kistler三維測(cè)力臺(tái)。使用瑞士Kistler三維測(cè)力臺(tái)(Kistler, Switzerland)與Vicon軟件同步測(cè)試，固定于跑道中央。通過(guò)秒表和節(jié)拍器控制受試者的跑步節(jié)奏，將速度分別控制在3.3m/s。受試者在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)10m長(zhǎng)的跑道上熟悉實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地并適應(yīng)跑步節(jié)奏和速度，且調(diào)整好步點(diǎn)使得右腳落于測(cè)力臺(tái)上，以1 000Hz采集受試者右腿的地面反作用力。

1.2.3 測(cè)試的運(yùn)動(dòng)表面。本實(shí)驗(yàn)選取了水泥地和人造草坪兩種不同的跑步界面進(jìn)行測(cè)試，將實(shí)驗(yàn)選取的人造草坪固定在測(cè)力臺(tái)上面采集受試者的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。

1.2.4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試流程。受試者穿著統(tǒng)一的緊身褲、上衣和跑步鞋，首先在跑步機(jī)上進(jìn)行慢跑5min熱身做拉伸運(yùn)動(dòng)，然后準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的采集，要求受試者以3.3±0.25 m/s的速度正常跑過(guò)測(cè)力臺(tái)。跑步過(guò)程中需要受試者右腳踏在測(cè)力臺(tái)的中心。每組動(dòng)作采集5次有效測(cè)試數(shù)據(jù)。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，首先使用Vicon自帶的Vicon Nexus 1.8.5軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別、建模、修補(bǔ)缺少的Mark點(diǎn)，然后導(dǎo)出C3D 格式利用Visual 3D 6.0 (c-motion Inc.， Germantown, MD, USA)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的數(shù)據(jù)計(jì)算。將C3D文件導(dǎo)入Visual 3D (c-motion Inc.， Germantown, MD, USA)從而計(jì)算和處理踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的角度、功率、力矩等參數(shù)。在使用Vicon軟件生成C3D文件之前，將動(dòng)作的初始接觸定義為垂直地面反作用力超過(guò)10N[8]。然后對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)使用Butterworth進(jìn)行低通濾波頻率[9]；分別采用10 Hz和20 Hz對(duì)垂直地面反作用力和運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波。

1.2.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析水泥路面和人造草坪地面的跑步測(cè)試中右側(cè)下肢支撐期內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，包下肢關(guān)節(jié)角度(°)、下肢關(guān)節(jié)力矩(Nm/kg)、下肢關(guān)節(jié)功率(W/kg)接觸時(shí)間(ms)、垂直負(fù)荷增長(zhǎng)率(BW/S)、第一峰值(N/kg)和第二峰值(N/kg)。首先計(jì)算運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。然后在統(tǒng)計(jì)學(xué)測(cè)試前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，在SPSS25.0軟件中運(yùn)用配對(duì)樣本T檢驗(yàn)對(duì)水泥路面和人造草坪地面跑步支撐期的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)。關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)力矩和關(guān)節(jié)功率隨時(shí)間變化的一維特征，本文采用SPM1d v0.4 對(duì)關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)力矩和關(guān)節(jié)功率數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)分析均在MATLAB 軟件(MATLAB R2019a，The MathWorks，MA，USA)中完成，顯著性差異設(shè)置為P<0.05。

圖2 業(yè)余跑步者在水泥路面和人造草坪跑步支撐期內(nèi)踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)三維活動(dòng)度

2 研究結(jié)果

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)果

本研究通過(guò)采集業(yè)余跑步者在水泥路面和人造草坪兩種地面的下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：在水泥路面跑步時(shí)踝關(guān)節(jié)冠狀面的內(nèi)外翻活動(dòng)范圍明顯大于人造草坪，顯著性差異P為0.039；同時(shí)膝關(guān)節(jié)水平面的內(nèi)外旋活動(dòng)范圍也明顯大于人造草坪，顯著性差異P為0.008。在水泥路面和人造草坪路面的下肢踝關(guān)節(jié)背屈活動(dòng)范圍(P=0.553)、踝關(guān)節(jié)內(nèi)外旋活動(dòng)范圍(P=0.170)、膝關(guān)節(jié)屈曲活動(dòng)范圍(P=0.761)、膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻活動(dòng)范圍(P=0.064)、髖關(guān)節(jié)屈伸活動(dòng)范圍(P=0.655)、髖關(guān)節(jié)內(nèi)外展活動(dòng)范圍(P=0.051)和髖關(guān)節(jié)內(nèi)外旋活動(dòng)范圍(P=0.919)沒(méi)有顯著性差異。

表2 業(yè)余跑步者在水泥路面和人造草坪跑步支撐期內(nèi)的踝、膝和髖關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)活動(dòng)度(°)

如圖3所示，受試者在水泥路面和人造草坪路面進(jìn)行慢跑測(cè)試的一個(gè)跑步支撐期內(nèi)的右腿髖、膝和踝關(guān)節(jié)在矢狀面、冠狀面和水平面內(nèi)的角度變化曲線運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)均一致。比較水泥路面和人造草坪界面的主要的差異表現(xiàn)在人造草坪界面進(jìn)行跑步支撐期內(nèi)的踝關(guān)節(jié)在55.34%～68.78%階段的背屈角度(P=0.035)明顯大于水泥路面；踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角度(P=0.040)在0%～7.35%階段明顯小于人造草坪界面。

圖3 業(yè)余跑步者在水泥路面和人造草坪跑步支撐期內(nèi)踝關(guān)節(jié)(a-c)、膝關(guān)節(jié)(d-f)和髖關(guān)節(jié)(g-i)在矢狀面、冠狀面和水平面內(nèi)的角度曲線

對(duì)比水泥路面和人造草坪界面的下肢關(guān)節(jié)角度峰值發(fā)現(xiàn)(表3)，矢狀面的踝關(guān)節(jié)最大背屈角度峰值(P=0.004)在水泥路面時(shí)明顯小于人造草坪；水泥界面跑步時(shí)踝關(guān)節(jié)冠狀面內(nèi)的最大內(nèi)翻角度(P=0.004)明顯小于人造草坪；水泥路面和人造草坪界面的踝關(guān)節(jié)最大外旋角度(P=0.340)和最大內(nèi)旋角度(P=0.851)沒(méi)有顯著性差異；膝關(guān)節(jié)最大屈曲角度(P=0.033)在水泥路面時(shí)明顯小于人造草坪；冠狀面內(nèi)的膝關(guān)節(jié)最大內(nèi)收角度(P=0.185)和最大外展角度(P=0.923)沒(méi)有顯著性差異；跑步支撐期內(nèi)水泥路面的膝關(guān)節(jié)最大外旋角度(P=0.019)明顯大于人造草坪；對(duì)比水泥路面和人造草坪界面的髖關(guān)節(jié)最大峰值角度發(fā)現(xiàn)，在矢狀面的最大伸展角度(P=0.829)、最大屈曲角度(P=0.795)、最大內(nèi)旋角度(P=0.067)和最大外旋角度(P=0.213)沒(méi)有顯著性差異；但是在水泥路面跑步支撐期內(nèi)的髖關(guān)節(jié)最大內(nèi)收角度(P=0.013)明顯大于人造草坪界面。

表3 業(yè)余跑步者在不同界面跑步支撐期內(nèi)的踝、膝和髖關(guān)節(jié)峰值角度(°)

如圖4所示，受試者在水泥路面和人造草坪路面進(jìn)行慢跑測(cè)試的一個(gè)跑步支撐期內(nèi)的右腿髖、膝和踝關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的關(guān)節(jié)力矩和功率變化曲線運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)均一致。比較水泥路面和人造草坪界面的主要的差異表現(xiàn)在人造草坪界面進(jìn)行跑步支撐期內(nèi)的踝關(guān)節(jié)在2.97%～9.27%階段的背屈力矩(P=0.027)明顯小于水泥路面。

圖4 水泥路面和人造草坪路面的下肢關(guān)節(jié)力矩(a-c)、功率(d-f)對(duì)比及統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

對(duì)比水泥路面和人造草坪界面的下肢關(guān)節(jié)力矩和關(guān)節(jié)功率發(fā)現(xiàn)(表4)，矢狀面的踝關(guān)節(jié)最大背屈力矩峰值(P=0.036)在水泥路面時(shí)明顯小于人造草坪；但是水泥路面跑步支撐期內(nèi)的踝關(guān)節(jié)跖屈功率(P=0.001)和踝關(guān)節(jié)背屈功率(P=0.002)明顯小于人造草坪地面；水泥界面跑步時(shí)踝關(guān)節(jié)冠狀面內(nèi)的最大內(nèi)翻角度(P=0.004)在明顯小于人造草坪；膝關(guān)節(jié)最大伸展力矩(P=0.001)在水泥路面時(shí)明顯大于人造草坪；相反的是膝關(guān)節(jié)最大屈曲力矩(P=0.001)小于人造草坪地面。在兩種不同界面進(jìn)行慢跑時(shí)踝關(guān)節(jié)最大背屈力矩、膝關(guān)節(jié)最大屈曲功率、膝關(guān)節(jié)最大伸展功率、髖關(guān)節(jié)最大屈曲力矩、髖關(guān)節(jié)最大伸展力矩、髖關(guān)節(jié)最大伸展功率和髖關(guān)節(jié)最大屈曲功率沒(méi)有顯著性差異。

表4 業(yè)余跑步者在水泥路面和人造草坪跑步支撐期內(nèi)的踝、膝和髖關(guān)節(jié)峰值力矩(Nm/kg)和功率(W/kg)

對(duì)比水泥路面和人造草坪界面的下肢關(guān)節(jié)地面反作用力參數(shù)發(fā)現(xiàn)(表4)，接觸時(shí)間(P=0.177)、第一峰值(P=0.530)和第二峰值(P=0.093)在水泥路面和人造草坪界面沒(méi)有顯著性差異，但是當(dāng)受試者在水泥界面跑步時(shí)的垂直負(fù)荷增長(zhǎng)率(P=0.005)明顯大于人造草坪地面。

表5 業(yè)余跑步者在水泥路面和人造草坪跑步支撐期內(nèi)的地面反作用力

3 分析討論

3.1 不同運(yùn)動(dòng)界面對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)的影響

對(duì)比分析水泥路面和人造草坪地面在支撐期內(nèi)踝關(guān)節(jié)角度曲線，踝關(guān)節(jié)在兩個(gè)不同運(yùn)動(dòng)界面的關(guān)節(jié)角度差異主要集中體現(xiàn)在踝關(guān)節(jié)背屈運(yùn)動(dòng)和踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻運(yùn)動(dòng)。結(jié)合表3所示，水泥路面進(jìn)行跑步時(shí)的踝關(guān)節(jié)最大背屈角度和踝關(guān)節(jié)最大內(nèi)翻角度明顯小于人造草坪。因?yàn)樗嗦访娴膭偠群陀捕却笥谌嗽觳萜?，踝關(guān)節(jié)在著地的瞬間先做背屈運(yùn)動(dòng)，但是隨著硬度的增大踝關(guān)節(jié)只能通過(guò)減小背屈角度增大跖屈角度提高踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性完成蹬伸動(dòng)作。同時(shí)在水泥路面的踝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻活動(dòng)范圍明顯大于人造草坪，研究表明足部的過(guò)度外翻和外翻速度的變大是造成跑步損傷的重要原因[10-11]。

在水泥路面進(jìn)行跑步時(shí)的下肢膝關(guān)節(jié)只有最大屈曲角度明顯小于人造草坪地面，在冠狀面和水平面內(nèi)的最大峰值角度沒(méi)有顯著性差異，此結(jié)果與前人研究結(jié)果一致[12]。在人造草坪界面中膝關(guān)節(jié)屈曲角度明顯大于水泥路面，膝關(guān)節(jié)屈曲角度的增大會(huì)減小膝關(guān)節(jié)蹬離階段的負(fù)荷同時(shí)通過(guò)增大著地緩沖時(shí)間減小地面反作用力。膝關(guān)節(jié)內(nèi)外旋活動(dòng)范圍在水泥路面明顯大于人造草坪，這提示較大的膝關(guān)節(jié)在水泥路面跑步時(shí)的穩(wěn)定性不足，會(huì)加大脛骨應(yīng)力性骨折的風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)表3結(jié)果發(fā)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)最大內(nèi)收角度在水泥路面明顯大于人造草坪，髖關(guān)節(jié)作為下肢運(yùn)動(dòng)的主要關(guān)節(jié)在跑步蹬伸過(guò)程中起著重要的作用。髖關(guān)節(jié)內(nèi)收角度的增大會(huì)加大髕骨關(guān)節(jié)疼痛[13]。這說(shuō)明如果長(zhǎng)期在較硬的界面跑步運(yùn)動(dòng)時(shí)，建議多加強(qiáng)髖關(guān)節(jié)的力量練習(xí)。

3.2 不同運(yùn)動(dòng)界面對(duì)下肢動(dòng)力學(xué)的影響

本研究探討了不同運(yùn)動(dòng)界面對(duì)下肢關(guān)節(jié)力矩的影響，通過(guò)數(shù)據(jù)分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在水泥路面和人造草坪地面跑步時(shí)的下肢三維關(guān)節(jié)力矩發(fā)現(xiàn)了顯著性變化。關(guān)節(jié)力矩反應(yīng)了肌肉對(duì)關(guān)節(jié)的控制，同時(shí)可以說(shuō)明關(guān)節(jié)和肌肉的負(fù)荷大小。踝關(guān)節(jié)跖屈力矩在水泥路面時(shí)明顯小于人造草坪地面，但是膝關(guān)節(jié)伸展力矩和屈曲力矩在水泥路面時(shí)明顯大于人造草坪地面。前人研究表明在較軟的運(yùn)動(dòng)界面跑步，會(huì)加大下肢腿部的剛度從而降低了關(guān)節(jié)力矩，較硬的運(yùn)動(dòng)界面不僅減小了腿部剛度同時(shí)下肢的屈曲力矩也會(huì)增大[14]。關(guān)節(jié)功率是單位時(shí)間內(nèi)力矩和角速度的乘積，反應(yīng)了關(guān)節(jié)的能量消耗狀況，本研究結(jié)果表明踝關(guān)節(jié)跖屈功率和踝關(guān)節(jié)背屈功率在水泥界面明顯大于人造草坪。在跑步支撐期踝關(guān)節(jié)展示出來(lái)較大的能量耗散和能量吸收，這也說(shuō)明了在不同運(yùn)動(dòng)界面下人體會(huì)通過(guò)自我調(diào)節(jié)平衡關(guān)節(jié)的能量耗散以此來(lái)適應(yīng)不同運(yùn)動(dòng)界面對(duì)下肢生物力學(xué)的影響。

跑步過(guò)程中身體要承受體重2～3倍的地面沖擊力，研究表明有過(guò)運(yùn)動(dòng)損傷經(jīng)歷的跑者在跑步支撐內(nèi)的地面反作用力峰值和垂直負(fù)荷增長(zhǎng)率明顯大于沒(méi)有運(yùn)動(dòng)損傷經(jīng)歷的跑者[15]。有學(xué)者提出運(yùn)動(dòng)界面的剛度和硬度是導(dǎo)致下肢運(yùn)動(dòng)損傷的重要原因，在跑步過(guò)程中硬度和剛度較大的界面會(huì)在跑步支撐期內(nèi)產(chǎn)生較大的沖擊力加大下肢肌肉骨骼損傷風(fēng)險(xiǎn)[16]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在水泥路面和人造草坪地面的接觸時(shí)間、第一峰值和第二峰值沒(méi)有顯著性差異這與前人的研究結(jié)果一致[17]。但是通過(guò)計(jì)算垂直負(fù)荷增長(zhǎng)率發(fā)現(xiàn)在跑步支撐期內(nèi)的垂直負(fù)荷增長(zhǎng)率明顯大于草坪界面。這就提示硬度較大的運(yùn)動(dòng)界面在跑步著地和蹬離過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊力，同時(shí)有下肢運(yùn)動(dòng)損傷經(jīng)歷的跑者建議選擇硬度較低的跑步界面進(jìn)行跑步可以降低下肢肌肉骨骼損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

在慢跑支撐期過(guò)程中，跑步者在水泥路面和人造草坪兩種不同的運(yùn)動(dòng)界面上，踝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻活動(dòng)范圍和膝關(guān)節(jié)內(nèi)外旋活動(dòng)范圍在水泥路面明顯大于人造草坪界面；相比水泥路面，人造草坪界面的垂直負(fù)荷增長(zhǎng)率、踝關(guān)節(jié)背屈功率、踝關(guān)節(jié)跖屈功率、膝關(guān)節(jié)伸展力矩、膝關(guān)節(jié)屈曲功率明顯減小。提示：在硬度和剛度較大的運(yùn)動(dòng)界面跑步時(shí)發(fā)生下肢運(yùn)動(dòng)損傷的風(fēng)險(xiǎn)較大，跑步者應(yīng)加大下肢肌肉力量練習(xí)同時(shí)通過(guò)緩沖性和穩(wěn)定性較好的跑鞋來(lái)減小跑步過(guò)程中地面反作用力對(duì)下肢肌肉骨骼的沖擊力。