優勢側和非優勢側跑步支撐期的生物力學偏側性研究

毛曉錕　張秋霞　王國棟　陸阿明

摘要：探討無損傷男性受試者跑步支撐期優勢側與非優勢側下肢生物力學的差異性。方法：選取普通健康無損傷男性受試者12名，采用Vicon紅外高速運動捕捉系統和Kistler三維測力臺對受試者跑步支撐期的運動學和動力學指標進行同步采集。結果：1）優勢側跑步支撐期髓關節最大伸和膝關節最大屈曲角度小于非優勢側（P<0.05），踝關節在矢狀面兩側差異無統計學意義（P>0.05）；在額狀面的關節角度兩側差異均無統計學意義（P>0.05）。2）跑步支撐期，內側地面反作用力峰值優勢側大于非優勢側，而到達峰值的時間晚于非優勢側（P<0.05），外側地面反作用力峰值非優勢側大于優勢側，且到達峰值的時間晚于優勢側（P<0.05），垂直和前后地面反作用力峰值及到達峰值的時間兩側差異均無統計學意義（P>0.05）。載荷率兩側差異比較無統計學意義（P>0.05）。3）根據垂直地面反作用力峰值和第1載荷率計算的對稱性指數顯示兩側存在不對稱性。結論：1）在跑步支撐期，優勢側與非優勢側矢狀面內髖膝角度存在差異性，提示了在跑鞋、鞋墊及下肢矯形器等設計和臨床研究中，不能僅僅選擇一側來評價跑步的整體感覺、損傷風險和康復效果。2）跑步支撐期在內外地面反作用力峰值存在的差異性、第1峰值和載荷率所表現出的偏側性，結合膝關節屈曲角度的差異性可能會增加優勢側損傷的風險。長期積累，有可能會造成優勢側脛骨應力性骨折、足底筋膜炎及ACL的損傷。

關鍵詞：優勢側；非優勢側；生物力學；偏側性；損傷；跑步支撐期

中圖分類號：G 804.6 文章編號：1009-783X（2017）01-0091-06 文獻標志碼：A

學者們對跑步損傷的機制研究了近30年，但是其損傷的病因一直是專家和臨床醫生研究的難點，且近年來損傷的概率一直在增加。流行病學研究報告指出，每年有高達70%的跑步者忍受著因跑步損傷帶來的痛苦。有研究對1583名老年人進行調查，結果表明膝骨性關節炎發生在右側（優勢側）的概率高于左側。如果損傷經常出現在一側肢體，這可能與下肢不對稱性相關，也就是說下肢偏側性或不對稱性可能是造成一側持續損傷的重要原因之一。此外，下肢不對稱性或偏側性已被證明是影響損傷發生率的因素。為此，了解跑步時下肢優勢側和非優勢側的生物力學的偏側性對預防和治療下肢損傷具有重要的作用。

偏側性是Broca首次提出的，并指出人體在左右兩側的運動組織和大腦功能不同。研究表明偏側性10%～20%取決于遺傳，80%～90%取決于后天的環境因素，性別、工作的復雜性及發育特征也扮演著重要的角色。相對于步態分析，偏側性在其他科學領域如神經生理學和運動控制研究已久，但是偏側效應或不對稱性與跑步相關的損傷并未引起學者們的廣泛關注。一些研究者只選擇優勢側進行研究來代表下肢整體感覺，或是將損傷者與無損傷者進行對比_，也有的學者甚至將左右兩側的數據進行平均來比較。上述研究者并沒有考慮受試者優勢側與非優勢側是否存在差異性，這在一定程度上就默認了優勢側與非優勢側肢體生物力學特征的對稱性。關于無損傷者跑步過程中優勢側與非優勢側是否存在差異性，學者們對他們的優勢側與非優勢側跑步時所穿跑鞋的舒適性、受試者生物力學特征等方面的對稱性或差異性進行了研究；但是上述研究得出兩側的對稱性程度存在不同程度的差異性，并未達成共識。考慮到不同的性別對下肢力學影響機制的不同及無損傷男性受試者跑步支撐期下肢兩側生物力學的偏側性鮮見研究者探討。

鑒于此，本研究采用Vieon紅外高速運動捕捉系統和Kis-tier三維測力臺無損傷男性受試者跑步支撐階段優勢側與非優勢側的運動學、動力學特征進一步對比分析，并結合與損傷相關的載荷率指標等探究兩側下肢在跑步支撐期是否存在一定的偏側性，以期為指導運動員訓練及預防運動損傷提供重要的借鑒價值。

1研究對象與方法

1.1研究對象

本研究選取普通健康無損傷者男性受試者12名，年齡（23.0±1.1）歲，身高（173.5±2.1）cm，體質量（63.9±4.7）kg。受試者在實驗前進行問卷調查，并確認其在實驗前24 h之內沒有進行過大強度運動，在過去的1年里沒有下肢損傷，沒有進行過手術，身體各方面機能良好。

1.2實驗儀器

本研究采用英國生產的Vicon紅外高速運動捕捉系統（包括8臺型號為MX13的紅外攝像頭、PC主機和標準配件等）采集下肢髖、膝、踝關節運動學數據，采集頻率為200 Hz；根據Vi-con系統中的下肢模型（PlugInGait），將16個Marker球精確地貼在人體下肢各環節的標志點上，如圖1所示。

支撐期的力學指標使用瑞士生產的Kistler三維測力臺采集，如圖2所示，采樣頻率為1000 Hz，經轉換模塊將Kistler力臺與Vicon進行同步。

1.3實驗流程

1.3.1測試方法

實驗前利用跑步機進行5 min左右的熱身活動，利用踢球法來判定受試者的優勢側與非優勢側，踢球時左右兩側均采用原地踢球。實驗之前，首先讓受試者熟悉此動作，正式測試時，每側各進行3次踢球動作，記錄每一次的成績，分別選取兩側最遠的成績進行評定，踢球距離最遠的一側評定為優勢側。這是國內外常用的一種判定下肢優勢側與非優勢側較為簡便有效的方法。

要求受試者統一身著實驗室的緊身短褲，赤腳站立，與肩同寬，此時對受試者的身高、體重、腿長、膝寬、踝寬等形態學指標進行測量。正式測試前，要求受試者赤足在長約8 m的木質地板上（力臺安放于之間）試跑幾次，調整起始步位置使測試足完全踏在力臺上面，使受試者足底適應接觸的力臺，減少測試儀器對受試者跑步動作的影響，直至受試者感覺自己可以正常測試為止。要求受試者在此跑步過程中“無視”力臺的存在，避免出現跨步、踮腳、忽快忽慢等現象，要求受試者的跑速控制在（3.5±5%）m/s。跑速的測試儀器采用蘇大自主研發的光電感應計時系統，主要包括起點觸發設備、終點采集設備、電腦控制端。將起點觸發設備放于8 m距離的起點，終點采集設備放于8 m距離的終點。受試者從2采集器中間穿過，儀器結束采集并自動計算受試者穿越起點和終點設備的時間，計算跑速。正式測試時，每個受試者的兩側各按要求做3次動作，每次動作間隔2 min，以避免疲勞對研究結果的影響。endprint

1.3.2指標選取

1）運動學指標包括髖、膝、踝關節在矢狀面和額狀面內的角度。矢狀面包括：足跟著地時刻、足趾離地時刻的髓、膝、踝關節角度；踝關節最大背伸角度；膝關節最大屈曲角度；髖關節最大屈角度和最大伸角度。額狀面包括：足跟著地時刻、足趾離地時刻的髖、膝、踝關節角度；踝關節最大外翻角度；膝關節最大內翻角度；髓關節最大內收和外展角度，單位是（°）。

2）動力學指標主要是經體重標準化處理后的三維地面反作用力峰值。包括：垂直方向的第1和第2地面反作用力峰值（FGRF and SGRF）；內外方向上的地面反作用力峰值（MGRFand LGRF）；前后方向的加速力峰值和制動力峰值（peak accel-eration GRF and peak braking GRF，AGRF.and BGRF）。如圖3所示。

3）經支撐期總時間標準化處理后的著地時刻至地面反作用力峰值的時間Δt。

4）載荷率（LR），單位是kg/s，公式為：垂直方向的第1載荷率=第1地面反作用力峰值除以到達第1峰值的時間；垂直方向的第2載荷率=垂直第2峰值減去波谷值再除以兩力值之間的時刻差。

5）對稱指數（SI），本研究主要計算垂直地面反作用力和載荷率對稱性，公式如下：

SI是由Robinson等首次提出的，用來量化左右兩側的差異，當SI=0時表示兩側完全對稱，SI≤10%時，表示兩側比較對稱，SI越大說明兩側對稱性越低。其中XD（Dominant）代表優勢側，XN（Non-dominant）代表非優勢側。本研究未對內外和前后方向的地面反作用力對稱指數進行計算，主要是因為SI不適合較小數值的運算。

1.3.3數據處理

本研究采用SPSS 17.0統計學軟件包對實驗數據進行處理，數據以均數±標準差表示。優勢側與非優勢側的各指標差異進行配對t檢驗，檢驗水準選α=0.05。

2研究結果

2.1優勢側與非優勢側跑步支撐期的運動學特征

從跑步支撐期優勢側與非優勢側關節角度（見表1和表2）可以看出：優勢側與非優勢側跑步支撐期額狀面內的髓、膝、踝關節角度兩側比較差異無統計學意義（P>0.05）；在矢狀面，非優勢側膝關節最大屈曲角度大于優勢側（P<0.05），非優勢側髖關節最大伸角度大于優勢側（P<0.05），其他角度兩側比較差異無統計學意義（P>0.05）。

2.2優勢側與非優勢側跑步支撐期的動力學特征

2.2.1優勢側與非優勢側跑步支撐期的地面反作用力峰值特征和對稱指數

優勢側與非優勢側支撐期地面反作用力峰值見表3，垂直地面反作用力峰值及到達峰值的時刻兩側差異比較無統計學意義（P>0.05），前后地面反作用力峰值及到達峰值的時刻兩側差異比較無統計學意義（P>0.05）。內側地面反作用力峰值優勢側大于非優勢側，而到達峰值的時間晚于非優勢側（P<0.05），外側地面反作用力峰值非優勢側大于優勢側，且到達峰值的時間晚于優勢側（P<0.05）。

地面反作用力峰值對稱指數如圖4所示，其中FGRF（21.62+11.37）均值大于10%，SGRF（6.47±4.56）均值小

2.2.2優勢側與非優勢側跑步支撐期的載荷率特征和對稱指數

跑步支撐期載荷率特征如圖5所示，跑步支撐期優勢側與非優勢側載荷率特征兩側差異無統計學意義（P>0.05）。第1載荷率（34.92±28.48）和第2載荷率（20.95+17.44）對稱指數均值大于10%，如圖6所示。

3分析與討論

本研究發現在跑步支撐期，非優勢側與優勢側相比僅在矢狀面內的膝關節最大屈曲角度和髓關節最大伸角度表現出差異性（P<0.05），在額狀面內的關節角度兩側差異比較均無統計學意義（P>0.05）。關于無損傷者跑步支撐期優勢側與非優勢側下肢關節角度的研究較少，Brown等對研究指出無損傷女性受試者跑步時優勢側與非優勢側運動學參數未表現出差異性，性別和所選指標的不同可能是導致上述結果不同的原因。此外，有學者對優勢側和非優勢側單腿下落著地的生物力學偏側性進行研究，指出非優勢腿落地時膝關節和髖關節在矢狀面活動范圍較小增加了非優勢腿在單側動態運動時的損傷風險；而有研究對兩側連續縱跳的生物力學進行了分析，指出非優勢側可能在屈伸與外旋方向進行了較大的運動限制，減小了其下落損傷的風險。上述研究說明了不同的運動形式表現出不同的下肢對稱性，其易損傷的機制可能就有所不同；因此，在不同運動形式中所呈現出的下肢不對稱性及損傷的機制有待學者們進一步探索，對下肢損傷與康復具有重要的作用。本研究所呈現出的運動學差異性，提示了在跑鞋、矯形儀器以及臨床康復治療時，不能只選擇一側來代表整個下肢的感受或康復效果，需要考慮其存在的差異性。

優勢側和非優勢側在跑步支撐期所表現出的運動學差異可能與下肢僵硬程度有關。Brauner等對單腿跳躍時優勢側與非優勢側腿部僵硬程度進行了研究，并指出優勢側較大的肌肉力量可能會導致其腿部僵硬程度較高；但研究結果卻表明兩側的腿部僵硬程度相似。De等指出赤足跑與穿鞋跑相比，在支撐期腿部更加僵硬。本研究受試者赤足跑步支撐期優勢腿與非優勢腿是否存在不同的僵硬程度，有待進一步研究。此外，下肢屈伸肌肉力量也可能是造成上述運動學差異性的原因之一，Lanshammar等對159名健康女性（非運動員）下肢優勢側和非優勢側屈伸肌力量進行了對比，指出優勢腿的屈肌弱于非優勢腿，伸肌力量強于優勢腿。Rahnama等也指出足球運動員優勢腿膝關節屈肌較弱。優勢腿較弱的膝關節屈肌可能是造成膝關節最大屈曲角度較小的原因。由表1和表2可知，髖、膝、踝關節無論是在矢狀面還是額狀面，在足跟著地時刻和足趾離地時刻兩側角度的差異比較均無統計學意義（P>0.05），在跑步支撐期相似的著地和離地角度。說明無論是優勢側還是非優勢側在著地和離地時刻分別采用了相同的控制策略，間接反映了兩側在此時刻的控制機制的相似性。此前已有研究指出跑速會影響跑步時運動學參數的變化，由于本研究對受試者的跑速進行了控制，那么隨著跑速的增加，在著地和離地時刻或者說在整個支撐期的關節角度是否會因跑速的增加表現出不同的差異性，今后的實驗研究中可以考慮跑速的變化對兩側下肢運動學參數偏側性的研究。此外，從研究結果還可以看出：矢狀面內的髖關節最大伸角度和膝關節最大屈曲角度兩側差異具有統計學意義（P<0.05），此時處于支撐中期；但是足跟著地時刻和足趾離地時刻兩側髖膝角度差異比較未見統計學意義（P>0.05），從足跟著地時刻過渡到支撐中期再到足趾離地時刻，神經機制是如何在控制下肢運動，使得矢狀面兩側髖膝角度在支撐期經歷了相似、差異、相似的過程，未知而復雜的神經控制機理可能是學者和臨床醫生對跑步損傷的原因研究多年，還一直有所困惑的重要原因之一。endprint

在跑步支撐期，優勢側與非優勢側主要在內外地面反作用力峰值存在差異性，內側地面反作用力峰值優勢側大于非優勢側，外側地面反作用力峰值非優勢側大于優勢側（P<0.05）。這種差異性說明在跑步支撐期優勢側關節有外翻的趨勢，但是本研究中額狀面并未在優勢側與非優勢側膝或踝內外翻角度發現差異性，可能與研究樣本量有關。在跑步支撐期垂直地面反作用力值最大，其次是前后地面反作用力，內外地面反作用力最小。當前研究主要集中于垂直方向的地面反作用力，對前后和內外方向上的地面反作用力研究較少，可能與其力值較小有關。而本研究認為雖然內外方向上的地面反作用力較小，但是內外側力代表了平衡機制控制的穩定性，同時是導致膝關節炎的重要因素之一；為此，兩側表現出的差異性不容忽視，在臨床診斷、治療和康復等方面應該引起重視。

由圖3可以看出：垂直方向的地面反作用力呈現出“兩峰一谷”的特征，其中的第1峰值（A）出現在足著地期為沖擊力峰值，而第2峰值（C）出現在蹬地時刻為推動力峰值，也有學者將第2峰值稱之為活躍峰值。本研究中的第1峰值和第2峰值兩側相比差異沒有統計學意義（PI>0.05），但是優勢側和非優勢側的第1峰值（沖擊力峰值）對稱性指數SI（21.62±11.37）大于10%，說明兩側在腳著地后所受的沖擊力值出現了偏側性。腳著地初期所受到的較高的、較快的沖擊力一直被認為是造成下肢損傷的重要原因之一。相比非優勢側，優勢側在跑步支撐期較小的膝關節屈曲角度和髓關節伸角度，卻承受與非優勢側相似的沖擊力，較小的膝關節屈曲角度，使得膝關節內部承受的壓力增大，瞬間表現出ACL張力增加，以及兩側在腳著地后所受的沖擊力值的偏側性，都說明了優勢側膝關節更容易損傷。有研究指出，在支撐相前50%的時間內較小的膝關節屈曲角度，此時主要股四頭肌的長頭腱在維持膝關節的穩定，膝關節易損傷就預示著前交叉韌帶（ACL）損傷的概率大幅提高，甚至會出現ACL斷裂的現象，提示了優勢側膝關節ACL容易損傷。沖擊力峰值出現在腳著地之后，此時沖擊力主要是通過足跟墊、跟骨、距骨然后轉移到腿部，將沖擊力轉移到骨也是一種緩沖震蕩的機制，也可能代表了骨的載荷。Lieberman等指出沖擊力轉移出現在足跟著地后的前50 ms，而沖擊力轉移和垂直載荷率及脛骨沖擊相關，可能造成骨和軟組織損傷（應力性骨折和足底筋膜炎）。本研究中的第1載荷率和第2載荷率兩側相比差異無統計學意義（P>0.05），如圖5所示。結合圖6有關計算的載荷率對稱性指數可知，其對稱性指數均大于10%，說明兩側在跑步支撐期的載荷率并不對稱。有學者指出載荷率反映了垂直地面反作用力需要多長時間可以達到第1峰值，也可以稱為沖擊載荷，其主要指身體在單位時間內吸收地面反作用力的快慢，單位時間內吸收的能量越多，其損傷的風險就越高。長期勞損積累，可能會造成優勢側脛骨應力性骨折和足底筋膜炎。從圖5所得到的數據可以看出優勢側第1載荷率均值高于非優勢側，其對稱性指數（34.92±28.4）大于10%。說明第1載荷率偏向于優勢側，不對稱的載荷率，再一次說明了在跑步支撐期優勢側較易損傷。目前，關于跑步載荷率的研究主要集中于沖擊載荷（第1載荷率），主要是因為沖擊載荷與跑步常見損傷相關。

4結論

1）男性跑步者在跑步支撐期，優勢側與非優勢側矢狀面內髖膝角度存在差異性，提示了在跑鞋、鞋墊及下肢矯形器等設計和臨床研究中，不能僅僅選擇一側來評價跑步的整體感覺、損傷風險和康復效果。

2）跑步支撐期在內外地面反作用力峰值存在的差異性、第一峰值和載荷率所表現出的偏側性，結合膝關節屈曲角度的差異性可能會增加優勢側損傷的風險。長期積累，有可能會造成優勢側脛骨應力性骨折、足底筋膜炎及ACL的損傷。endprint