不同跑速對膝內翻跑者下肢運動學特征的影響

張宇強 關景媛

（東北師范大學體育學院 吉林 長春 130024）

前言

自20世紀70年代以來，跑步越來越受歡迎，與此同時馬拉松運動在中國發展迅速。由于跑步運動發展的過快，一些沒有運動基礎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，業余跑者的損傷的概率更高。膝內翻是業余跑者日常鍛煉中普遍存在的一種現象。膝內翻又稱“O”型腿，是指受試者立正姿勢站立兩下肢自然伸直時，大小腿之間不能并攏，足跟可以靠攏兩膝關節之間的距離大于1.5cm。長時間的進行一些鍛煉和一些錯誤的動作就會給膝關節形成向外的力量，形成膝內翻。研究表明O型腿人群的膝內收力矩大于直腿人群。在不同跑速跑步時，下肢各關節的運動生物力學數據有所差異，不同的跑速也會造成不同程度的運動損傷。在對比不同跑速下的垂直方向的地面反作用力時發現不同的跑速下地面反作用力也不相同。

綜上所述，跑步已經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動損傷，損傷主要集中在膝關節。本實驗試圖分析不同腿型與不同跑速對業余跑者下肢的運動學影響，嘗試了解不同腿型、不同跑速與下肢的運動學，為膝內翻跑者、直腿跑者科學鍛煉提供理論依據。

1、研究對象與方法

本研究主要采用實驗測試方法來分析不同腿型跑者在不同跑速下的運動學數據，實驗設計具體如下。

1.1、研究對象

選取8名太原理工大學體育學院男性業余跑者 （每周進行跑步的距離至少為20km）采用常態膝距法，受試者以立正姿勢站立兩下肢自然伸直時，大小腿之間不能并攏，足跟可以靠攏兩膝關節之間的距離是否超過1.5cm分為2組（直腿、膝內翻），每組4人，受試者均無嚴重下肢損傷史。在實驗前3個月無急性下肢損傷，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內沒有進行體育鍛煉。參與測試前，所有參與者需閱讀并簽署知情同意書。

1.2、數據采集

本實驗采用8鏡頭紅外光點運動捕捉系統（Nokov，中國）以200Hz的采集頻率獲取29個粘貼在受試者身上的紅外反光標志點的運動學數據。受試者首先在基本信息登記表填寫自身的優勢腿、膝內翻程度。熱身結束后，被試者更換統一著裝，由同一操作人員為其貼上反光標志點。受試者需要通過15m距離，前10m為一個加速距離，后5m為測試距離，由于公認的慢、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，由兩名同學在起點和終點進行秒表計時，成績取兩個秒表的平均值。測試者需在跑到側面垂直終點線、起點線站立。手動計時所得出的平均速度需與動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。為防止運動疲勞的出現，每次測試間隔5min。

1.3、數據處理

運用 Cortex-64 5.5.0（Motion Analysis Inc，USA）分析軟件對運動學數據進行識別處理，根據反光標志點建立人體環節剛體模型，采用歐拉角的方法方法計算下肢關節的三維角度，所有反光標志點三維坐標采用Butterworth低通濾波進行平滑 （截斷頻率為 13.3Hz）。

1.4、數據分析

選擇每個跑速3次成功動作平均值用于統計分析，通過Shapiro-Wilk檢驗來確定各參數是否服從正態分布。運用2×3混合測量雙因素方差分析2種腿型、3種跑速對下肢運動學影響。所有統計分析使用SPSS 22.0軟件完成，

2、結果

2.1、運動學參數偏度、峰度和分布檢驗

研究結果可得在落地時刻直腿除3m/s跑速下的左膝屈伸角以外均符合正態分布，進一步分析3m/s跑速下的左膝屈伸角偏度、峰度數值未超過±2且Q-Q圖吻合度好。因此本研究認為該參數屬于正態分布（表2）。

表2 3種跑速下直腿組膝關節運動學參數偏度、峰度和分布檢驗參數3m/s 4m/s 5m/s

2.2、膝內翻組與直腿組不同跑速下對左膝關節角度影響

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

另外左膝內旋外旋角在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 膝內翻組與直腿組不同跑速下對左膝關節角度影響

2.3、膝內翻組與直腿組不同跑速下對右膝關節角度影響

由雙因素混合測量方差分析得到：右腿膝關節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右膝屈伸角沒有差異（p＞0.05），以3m/s和4m/s跑步時右膝屈伸角沒有差異（p＞0.05），以4m/s和5m/s跑步時右膝屈伸角沒有差異（p＞0.05），以 3m/s和 5m/s跑步時右膝屈伸角有差異（p＜0.05），5m/s跑步時右膝屈伸角明顯大于3m/s跑步時右膝屈伸角。右膝內翻外翻角在任意兩種跑速下均無差異（p＞0.05），并且膝內翻人群和直腿人群之間也不存在差異（p＞0.05）。右膝內旋外旋角在任意兩種跑速下均無差異（p＞0.05），并且膝內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、右側膝關節差異較小，說明可以選用一條腿進行研究。

圖2 膝內翻組與直腿組不同跑速下對右膝關節角度的影響

2.4、受試者跑步時支撐期間膝關節角度

圖3 表示膝關節在一個完整步態中屈伸角、內旋外旋角、內翻外翻角與時間變化曲線，研究結果表明屈伸角圖中可以看出膝內翻組與直腿組在著地后膝關節屈伸角先增加，腳放平后膝關節屈伸角出現下降，在相同跑速下膝內翻組屈伸角略大于直腿組但不存在顯著差異，膝關節內旋外旋角在圖中看出在相同跑速下膝內翻組大于直腿組，當跑速為5m/s時膝內翻組和直腿組之間角度差距縮小。另外膝關節內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 膝關節在失狀面、額狀面上的角—時間變化曲線

3、討論

本實驗的主要創新點是對膝內翻跑步愛好者和直腿跑步愛好者進行3種跑速的運動學測試，進而探討3種跑速下對膝內翻跑者和直腿跑者的差異，分析對比其中的差異為膝內翻跑者選擇合適的跑速。

3.1、不同跑速對膝內翻跑者、直腿跑者的膝關節運動學影響

本實驗結果支持第一個假設，本研究結果支持以往的研究結論，本研究結果表明左右腿研究結果一致，因此只選擇一條腿進行分析。膝內翻組和直腿組之間沒有交互（p＞0.05），膝內翻組和直腿組在3種跑速下的運動學數據均得出在3m/s跑速下膝關節屈曲角更小。以往研究認為膝關節和踝關節的被動屈曲動作都是為了進行緩沖，這就說明膝關節屈曲角度增大可能表明膝關節所受沖擊力增大，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的膝關節屈曲角發現穿跑步鞋跑步時膝關節屈曲角更小，建議跑步時穿軟底跑步鞋減少屈曲角角度，減少損傷。因此，本實驗結果不支持第二個實驗假設。不論業余跑者腿型如何，5m/s跑速可能比3m/s更容易造成膝關節損傷。

3.2、膝內翻跑者與直腿跑者相同跑速下的運動學差異

本研究在對比一個完整的支撐期膝關節內旋外旋角時發現膝內翻組內外旋角大于直腿組，在相同跑速下一個完整支撐期膝內翻組內外翻角與直腿組內外翻角比較相似，在膝關節內翻外翻角與前者的結論相同。馬云茹研究表明在跑步運動中導致膝關節損傷的主要原因是由于膝關節長時間重復的發生更大的位移所導致，膝內翻組在相同的跑速下膝關節內旋外旋角、內翻外翻角更大，提高了損傷的概率，膝內翻人群在運動時膝關節內翻角和內旋角增大可能使膝關節內側承受更大的壓力，另外李永耀研究表明膝內翻人群膝關節內收力矩大于正常人是導致膝內翻人群患骨關節炎的主要原因，Prodromos等對于膝內翻人群進行分析發現膝內翻人群膝關節的內收力矩比直腿人群膝關節內收力據要大，而且對于一些下肢沒有損傷的實驗者，有些實驗者膝關節內收力矩較大，這些受試者兩膝關節的距離也略大膝關節出都有輕度膝內翻。因此膝內翻人群似乎更易發生膝關節損傷。

綜上所述，不論跑速快慢，膝內翻人群由于在跑步時膝關節內外旋角更大，似乎更易發生膝關節損傷，此外，不同跑速主要對兩種腿型業余跑者的著地時刻膝關節屈曲角有影響，表現為3m/s的跑速膝關節屈曲角更小，膝關節屈曲角越小使跑步時膝關節受到的沖擊力更小，跑步時膝關節損傷的概率會更小。因此，不論腿型如何，業余跑者運用3m/s的跑速進行鍛煉的膝關節損傷風險最低。

4、結論與建議

4.1、結論

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

（2）膝內翻組與直腿組在相同跑速下落地時刻膝關節各角度沒有差異，但在對比完整支撐期發現3種跑速下膝內翻組內旋外旋角大于直腿組。

4.2、建議

（1）膝內翻人群和直腿人群在跑步時若不刻意追求運動強度，建議選擇較慢的跑速進行鍛煉，可以有效地減少對膝關節的損傷；

（2）膝內翻跑者在跑步時因腿型的原因會增加膝關節損傷的風險，建議膝內翻人群在有能力的情況下選擇5m/s跑速進行跑步，可能會降低損傷的概率。