不同跑速對膝內(nèi)翻跑者下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的影響

張宇強(qiáng) 關(guān)景媛

（東北師范大學(xué)體育學(xué)院 吉林 長春 130024）

前言

自20世紀(jì)70年代以來，跑步越來越受歡迎，與此同時(shí)馬拉松運(yùn)動(dòng)在中國發(fā)展迅速。由于跑步運(yùn)動(dòng)發(fā)展的過快，一些沒有運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)的人群加入到跑步大軍中就會給跑者帶來一些損傷。有研究表明，業(yè)余跑者的損傷的概率更高。膝內(nèi)翻是業(yè)余跑者日常鍛煉中普遍存在的一種現(xiàn)象。膝內(nèi)翻又稱“O”型腿，是指受試者立正姿勢站立兩下肢自然伸直時(shí)，大小腿之間不能并攏，足跟可以靠攏兩膝關(guān)節(jié)之間的距離大于1.5cm。長時(shí)間的進(jìn)行一些鍛煉和一些錯(cuò)誤的動(dòng)作就會給膝關(guān)節(jié)形成向外的力量，形成膝內(nèi)翻。研究表明O型腿人群的膝內(nèi)收力矩大于直腿人群。在不同跑速跑步時(shí)，下肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)數(shù)據(jù)有所差異，不同的跑速也會造成不同程度的運(yùn)動(dòng)損傷。在對比不同跑速下的垂直方向的地面反作用力時(shí)發(fā)現(xiàn)不同的跑速下地面反作用力也不相同。

綜上所述，跑步已經(jīng)成為日常最常見的鍛煉方式之一，但是跑步也會造成一定的運(yùn)動(dòng)損傷，損傷主要集中在膝關(guān)節(jié)。本實(shí)驗(yàn)試圖分析不同腿型與不同跑速對業(yè)余跑者下肢的運(yùn)動(dòng)學(xué)影響，嘗試了解不同腿型、不同跑速與下肢的運(yùn)動(dòng)學(xué)，為膝內(nèi)翻跑者、直腿跑者科學(xué)鍛煉提供理論依據(jù)。

1、研究對象與方法

本研究主要采用實(shí)驗(yàn)測試方法來分析不同腿型跑者在不同跑速下的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具體如下。

1.1、研究對象

選取8名太原理工大學(xué)體育學(xué)院男性業(yè)余跑者 （每周進(jìn)行跑步的距離至少為20km）采用常態(tài)膝距法，受試者以立正姿勢站立兩下肢自然伸直時(shí)，大小腿之間不能并攏，足跟可以靠攏兩膝關(guān)節(jié)之間的距離是否超過1.5cm分為2組（直腿、膝內(nèi)翻），每組4人，受試者均無嚴(yán)重下肢損傷史。在實(shí)驗(yàn)前3個(gè)月無急性下肢損傷，無心肺疾病。為確保受試者有充足的體能，注意受試者在測試前的24h內(nèi)沒有進(jìn)行體育鍛煉。參與測試前，所有參與者需閱讀并簽署知情同意書。

1.2、數(shù)據(jù)采集

本實(shí)驗(yàn)采用8鏡頭紅外光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)（Nokov，中國）以200Hz的采集頻率獲取29個(gè)粘貼在受試者身上的紅外反光標(biāo)志點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。受試者首先在基本信息登記表填寫自身的優(yōu)勢腿、膝內(nèi)翻程度。熱身結(jié)束后，被試者更換統(tǒng)一著裝，由同一操作人員為其貼上反光標(biāo)志點(diǎn)。受試者需要通過15m距離，前10m為一個(gè)加速距離，后5m為測試距離，由于公認(rèn)的慢、中、快跑速為3m/s、4m/s、5m/s，因此選用3種跑速均速通過5m的距離的測試區(qū)，由兩名同學(xué)在起點(diǎn)和終點(diǎn)進(jìn)行秒表計(jì)時(shí)，成績?nèi)蓚€(gè)秒表的平均值。測試者需在跑到側(cè)面垂直終點(diǎn)線、起點(diǎn)線站立。手動(dòng)計(jì)時(shí)所得出的平均速度需與動(dòng)作分析得出的重心位移速度一致 （最大誤差為±0.3m/s），若速度誤差較大需重新測量。為防止運(yùn)動(dòng)疲勞的出現(xiàn)，每次測試間隔5min。

1.3、數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用 Cortex-64 5.5.0（Motion Analysis Inc，USA）分析軟件對運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行識別處理，根據(jù)反光標(biāo)志點(diǎn)建立人體環(huán)節(jié)剛體模型，采用歐拉角的方法方法計(jì)算下肢關(guān)節(jié)的三維角度，所有反光標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)采用Butterworth低通濾波進(jìn)行平滑 （截?cái)囝l率為 13.3Hz）。

1.4、數(shù)據(jù)分析

選擇每個(gè)跑速3次成功動(dòng)作平均值用于統(tǒng)計(jì)分析，通過Shapiro-Wilk檢驗(yàn)來確定各參數(shù)是否服從正態(tài)分布。運(yùn)用2×3混合測量雙因素方差分析2種腿型、3種跑速對下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)影響。所有統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS 22.0軟件完成，

2、結(jié)果

2.1、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)偏度、峰度和分布檢驗(yàn)

研究結(jié)果可得在落地時(shí)刻直腿除3m/s跑速下的左膝屈伸角以外均符合正態(tài)分布，進(jìn)一步分析3m/s跑速下的左膝屈伸角偏度、峰度數(shù)值未超過±2且Q-Q圖吻合度好。因此本研究認(rèn)為該參數(shù)屬于正態(tài)分布（表2）。

表2 3種跑速下直腿組膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)偏度、峰度和分布檢驗(yàn)參數(shù)3m/s 4m/s 5m/s

2.2、膝內(nèi)翻組與直腿組不同跑速下對左膝關(guān)節(jié)角度影響

由雙因素混合測量方差分析得到：左膝關(guān)節(jié)屈伸角在跑速和腿型之間不存在交互作用。膝內(nèi)翻人群和直腿人群在跑步時(shí)左膝屈伸角沒有差異（p＞0.05），以3m/s和4m/s跑步時(shí)左膝屈伸角沒有差異 （p＞0.05），以4m/s和5m/s跑步時(shí)左膝屈伸角沒有差異（p＞0.05），以 3m/s 和 5m/s 跑步時(shí)左膝屈伸角有差異（p＜0.05），5m/s跑步時(shí)左膝屈伸角明顯大于3m/s跑步時(shí)左膝屈伸角。左膝內(nèi)翻外翻角在3m/s和4m/s、4m/s和5m/s、3m/s和5m/s跑速下均無差異 （p＞0.05），并且膝內(nèi)翻人群和直腿人群之間也不存在差異（p＞0.05）。

另外左膝內(nèi)旋外旋角在3m/s和4m/s、4m/s和 5m/s、3m/s和5m/s跑速下均無差異（p＞0.05），并且膝內(nèi)翻人群和直腿人群之間也不存在差異（p＞0.05）（如圖 1）。

圖1 膝內(nèi)翻組與直腿組不同跑速下對左膝關(guān)節(jié)角度影響

2.3、膝內(nèi)翻組與直腿組不同跑速下對右膝關(guān)節(jié)角度影響

由雙因素混合測量方差分析得到：右腿膝關(guān)節(jié)屈伸角在三種跑速和兩種腿型之間不存在交互作用。兩種腿型人群在跑步時(shí)右膝屈伸角沒有差異（p＞0.05），以3m/s和4m/s跑步時(shí)右膝屈伸角沒有差異（p＞0.05），以4m/s和5m/s跑步時(shí)右膝屈伸角沒有差異（p＞0.05），以 3m/s和 5m/s跑步時(shí)右膝屈伸角有差異（p＜0.05），5m/s跑步時(shí)右膝屈伸角明顯大于3m/s跑步時(shí)右膝屈伸角。右膝內(nèi)翻外翻角在任意兩種跑速下均無差異（p＞0.05），并且膝內(nèi)翻人群和直腿人群之間也不存在差異（p＞0.05）。右膝內(nèi)旋外旋角在任意兩種跑速下均無差異（p＞0.05），并且膝內(nèi)翻人群和直腿人群之間也不存在差異（p＞0.05）（如圖2）。另外由圖1和圖2對比可以看出左、右側(cè)膝關(guān)節(jié)差異較小，說明可以選用一條腿進(jìn)行研究。

圖2 膝內(nèi)翻組與直腿組不同跑速下對右膝關(guān)節(jié)角度的影響

2.4、受試者跑步時(shí)支撐期間膝關(guān)節(jié)角度

圖3 表示膝關(guān)節(jié)在一個(gè)完整步態(tài)中屈伸角、內(nèi)旋外旋角、內(nèi)翻外翻角與時(shí)間變化曲線，研究結(jié)果表明屈伸角圖中可以看出膝內(nèi)翻組與直腿組在著地后膝關(guān)節(jié)屈伸角先增加，腳放平后膝關(guān)節(jié)屈伸角出現(xiàn)下降，在相同跑速下膝內(nèi)翻組屈伸角略大于直腿組但不存在顯著差異，膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋外旋角在圖中看出在相同跑速下膝內(nèi)翻組大于直腿組，當(dāng)跑速為5m/s時(shí)膝內(nèi)翻組和直腿組之間角度差距縮小。另外膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻外翻角在圖中看出在相同的跑速下兩種腿型之間比較相近。

圖3 膝關(guān)節(jié)在失狀面、額狀面上的角—時(shí)間變化曲線

3、討論

本實(shí)驗(yàn)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是對膝內(nèi)翻跑步愛好者和直腿跑步愛好者進(jìn)行3種跑速的運(yùn)動(dòng)學(xué)測試，進(jìn)而探討3種跑速下對膝內(nèi)翻跑者和直腿跑者的差異，分析對比其中的差異為膝內(nèi)翻跑者選擇合適的跑速。

3.1、不同跑速對膝內(nèi)翻跑者、直腿跑者的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)影響

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持第一個(gè)假設(shè)，本研究結(jié)果支持以往的研究結(jié)論，本研究結(jié)果表明左右腿研究結(jié)果一致，因此只選擇一條腿進(jìn)行分析。膝內(nèi)翻組和直腿組之間沒有交互（p＞0.05），膝內(nèi)翻組和直腿組在3種跑速下的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)均得出在3m/s跑速下膝關(guān)節(jié)屈曲角更小。以往研究認(rèn)為膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的被動(dòng)屈曲動(dòng)作都是為了進(jìn)行緩沖，這就說明膝關(guān)節(jié)屈曲角度增大可能表明膝關(guān)節(jié)所受沖擊力增大，較快、較大的沖擊力則是造成下肢損傷的原因，對比穿鞋跑步和裸足跑步時(shí)的膝關(guān)節(jié)屈曲角發(fā)現(xiàn)穿跑步鞋跑步時(shí)膝關(guān)節(jié)屈曲角更小，建議跑步時(shí)穿軟底跑步鞋減少屈曲角角度，減少損傷。因此，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果不支持第二個(gè)實(shí)驗(yàn)假設(shè)。不論業(yè)余跑者腿型如何，5m/s跑速可能比3m/s更容易造成膝關(guān)節(jié)損傷。

3.2、膝內(nèi)翻跑者與直腿跑者相同跑速下的運(yùn)動(dòng)學(xué)差異

本研究在對比一個(gè)完整的支撐期膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋外旋角時(shí)發(fā)現(xiàn)膝內(nèi)翻組內(nèi)外旋角大于直腿組，在相同跑速下一個(gè)完整支撐期膝內(nèi)翻組內(nèi)外翻角與直腿組內(nèi)外翻角比較相似，在膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻外翻角與前者的結(jié)論相同。馬云茹研究表明在跑步運(yùn)動(dòng)中導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)損傷的主要原因是由于膝關(guān)節(jié)長時(shí)間重復(fù)的發(fā)生更大的位移所導(dǎo)致，膝內(nèi)翻組在相同的跑速下膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋外旋角、內(nèi)翻外翻角更大，提高了損傷的概率，膝內(nèi)翻人群在運(yùn)動(dòng)時(shí)膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角和內(nèi)旋角增大可能使膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)承受更大的壓力，另外李永耀研究表明膝內(nèi)翻人群膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩大于正常人是導(dǎo)致膝內(nèi)翻人群患骨關(guān)節(jié)炎的主要原因，Prodromos等對于膝內(nèi)翻人群進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)膝內(nèi)翻人群膝關(guān)節(jié)的內(nèi)收力矩比直腿人群膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力據(jù)要大，而且對于一些下肢沒有損傷的實(shí)驗(yàn)者，有些實(shí)驗(yàn)者膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩較大，這些受試者兩膝關(guān)節(jié)的距離也略大膝關(guān)節(jié)出都有輕度膝內(nèi)翻。因此膝內(nèi)翻人群似乎更易發(fā)生膝關(guān)節(jié)損傷。

綜上所述，不論跑速快慢，膝內(nèi)翻人群由于在跑步時(shí)膝關(guān)節(jié)內(nèi)外旋角更大，似乎更易發(fā)生膝關(guān)節(jié)損傷，此外，不同跑速主要對兩種腿型業(yè)余跑者的著地時(shí)刻膝關(guān)節(jié)屈曲角有影響，表現(xiàn)為3m/s的跑速膝關(guān)節(jié)屈曲角更小，膝關(guān)節(jié)屈曲角越小使跑步時(shí)膝關(guān)節(jié)受到的沖擊力更小，跑步時(shí)膝關(guān)節(jié)損傷的概率會更小。因此，不論腿型如何，業(yè)余跑者運(yùn)用3m/s的跑速進(jìn)行鍛煉的膝關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險(xiǎn)最低。

4、結(jié)論與建議

4.1、結(jié)論

（1）膝內(nèi)翻跑者和直腿跑者在不同的跑速著地時(shí)刻膝關(guān)節(jié)屈伸角有差異，兩種腿型膝關(guān)節(jié)屈曲角在3m/s跑速時(shí)小于5m/s跑速；

（2）膝內(nèi)翻組與直腿組在相同跑速下落地時(shí)刻膝關(guān)節(jié)各角度沒有差異，但在對比完整支撐期發(fā)現(xiàn)3種跑速下膝內(nèi)翻組內(nèi)旋外旋角大于直腿組。

4.2、建議

（1）膝內(nèi)翻人群和直腿人群在跑步時(shí)若不刻意追求運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，建議選擇較慢的跑速進(jìn)行鍛煉，可以有效地減少對膝關(guān)節(jié)的損傷；

（2）膝內(nèi)翻跑者在跑步時(shí)因腿型的原因會增加膝關(guān)節(jié)損傷的風(fēng)險(xiǎn)，建議膝內(nèi)翻人群在有能力的情況下選擇5m/s跑速進(jìn)行跑步，可能會降低損傷的概率。