不同坡度后退走對下肢運動學和足底壓力的影響

賈 敏 侯 捷 閆 可 張澤毅 張美珍

不同坡度后退走對下肢運動學和足底壓力的影響

賈 敏 侯 捷 閆 可 張澤毅 張美珍

（太原理工大學體育學院，山西 太原 030024）

【目的】探究不同坡度后退走對下肢關節運動學和足底壓力特征的影響，為更有效、更科學地將后退走應用于訓練和損傷康復等方面提供參考。【方法】運用三維紅外光點運動捕捉系統（Nokov，中國）和足底壓力步態分析系統（Podomed，中國）采集普通大學生運動學和足底壓力數據。通過2×3重復設計的雙因素方差分析確定坡度和行走方向對下肢關節運動生物力學的影響。【結果】后退走較向前走，著地時刻髖關節在0°、6°和9°斜坡表現出較小的屈曲角；在0°斜坡表現出較小髖關節和膝關節屈曲角活動范圍，6°和9°斜坡表現出較小髖關節屈曲角活動范圍。后退走較向前走在0°和6°斜坡中表現出較大的第一趾骨峰值壓力，在6°和9°斜坡中表現出較小的足底最大壓強。【結論】后退走在斜坡上可以更好的避免膝關節損傷發生，可用于下肢力量訓練；斜坡上后退走有助于更好地保持平衡，可作為由于足底受力過大導致足踝損傷的預防及康復手段。

后退走；向前走；斜坡坡度；運動學；足底壓力

后退走具有易學、易普及、成本低等優點，已被廣泛應用于日常健身、運動訓練和運動康復等方面[1]。后退走作為損傷康復的重要手段，主要用于提高平衡、力量和耐力等身體機能。有研究表明，后退走從前足開始過渡到足跟，在整個足部受力過程中足跟受力較小，對足跟起到了一定的保護作用，同時增加了全腳觸地的時間，促使足底壓力分布更均勻，可以降低疲勞和損傷的風險[2]

還有研究表明人體在斜坡上運動能夠減小足底壓力和地面反作用力，進而減小人體關節負荷，可能會降低損傷風險，因此將斜坡與后退走相結合可能是一種更有效的訓練和康復方式[3,4]。然而目前對后退走的研究主要集中在水平地面上[5,6]，不同坡度上后退走時下肢運動學及足底壓力特征尚不清晰。參考前人[7]研究，本文選擇6°和9°斜坡進行后退和向前行走對比分析，研究結果將有助于更清晰地明確不同坡度后退走運動生物力學特征，為更有效、更科學地將后退走應用于訓練和損傷康復等方面提供參考。

1.研究方法

1.1 研究對象

本研究招募了23名21—25歲太原理工大學男性大學生為受試者，且慣用腿均為右腿，無足部疾病、足部手術史、足部畸形，身體狀況及運動能力良好，實驗前48h未從事劇烈運動（表1）。

表1 受試者基本情況

1.2 實驗斜坡

生活中常見斜坡坡度范圍10%—20%，同時參考前人相關研究[7]，本研究選取3種斜坡坡度進行實驗，分別為0°、6°（10.5%）、9°（15.8%）。斜坡裝置由3米長的坡道和4.7米長的平臺構成。斜坡角度調整裝置位于坡道連接平臺的下端，為減少坡道的振動和彎曲，將特制木塊安裝在坡道下方加固斜坡的穩定性（圖1）。

圖1 實驗所用斜坡示意及數據采集設備

1.3 數據采集

在實驗前告知受試者測試方案，進行完熱身后，更換統一配備的運動裝備，根據H.HAYES模型由同一操作人員為受試者粘貼29個反光標志點[8]。采用12鏡頭三維紅外光點運動捕捉系統 (Nokov，中國) 以200Hz的采集頻率進行運動學數據采集，同時運用足底壓力系統步態分析系統（Podomed，中國）以100Hz的采集頻率進行足底壓力數據采集。測試過程中要求受試者以自選舒適速度分別在不同坡度（0°、6°、9°）下后退走、向前走，每個動作均采集 3 次有效數據。

1.4 數據處理

采用Motion Analysis自帶軟件Cortex對運動學數據進行處理，運用Butterworth低通濾波進行整體平滑處理，截斷頻率為13Hz。本文主要分析慣用腿右腿的右腳著地到右腳再次著地為一個步態周期。后退走以右腳尖首次觸地表示步態周期著地時刻，以右腳尖再次觸地表示步態周期結束；向前走以右足跟首次觸地表示步態周期著地時刻，以右足跟再次觸地表示步態周期結束，主要觀測指標為一個步態周期內矢狀面著地時刻關節角度和關節活動范圍。

使用足底壓力步態分析系統（Podomed，中國）分析軟件P-Plate-scientific對足底壓力數據進行處理，將整個足底按照足部分區分為10個區域：第一趾骨（T1）、第二至五趾骨（T2-5）、第一、二、三、四和五跖骨（M1、M2、M3、M4和M5）、足弓（MF）、足跟內側（HM）和外側(HL)。主要觀測指標為足底各區峰值壓力和足底最大壓強。

1.5 數據統計

應用SPSS 22.0（SPSS Ins，II，USA）進行數理統計，采用2×3重復設計的雙因素方差分析檢驗坡度（0°、6°、 9°）和行走方向（后退、向前）對下肢運動學和足底壓力的影響，若存在交互作用，則運用配對樣本t檢驗比較行走方向間的區別，通過單因素方差分析確定不同坡度間的差異，所有統計分析顯著性標準定為一類誤差概率小于0.05。

2.研究結果

2.1 不同坡度后退走和向前走對下肢關節運動學的影響

2.1.1著地時刻不同坡度后退走與向前走對髖、膝、踝關節角度的影響

雙因素方差分析結果表明，著地時刻在髖關節屈曲角（＜0.001）不同坡度和行走方向存在顯著性交互作用。后續配對樣本t檢驗結果顯示，后退走較向前走在0°（＜0.001）、6°（＜0.001）和9°斜坡（＜0.001）中表現出較小的髖關節屈曲角。單因素方差分析結果顯示，向前走在0°斜坡較6°（＜0.001）和9°斜坡（＜0.001）表現出較小的髖關節屈曲角。不論斜坡坡度，后退走較向前走表現出較大膝關節屈曲角（＜0.001）。不論行走方向，在0°斜坡較6°（＜0.001）和9°斜坡（＜0.001）表現出較小的膝關節屈曲角和較大的踝關節屈曲角（圖2）。

圖2 著地時刻不同坡度后退走與向前走髖、膝、踝關節屈曲角

2.1.2 不同坡度后退走與向前走髖、膝、踝關節活動范圍的影響

圖3 不同坡度后退走與向前走髖、膝、踝角矢狀面活動范圍

本研究發現髖關節（<0.001）和膝關節屈曲角活動范圍（<0.001）在不同坡度和行走方向間存在顯著性交互作用。后續配對樣本t檢驗結果顯示，后退走較向前走，在0°斜坡表現出較小的髖關節屈曲角活動范圍（=0.014）和膝關節屈曲角活動范圍（＜0.001）；在6°（＜0.001）和9°斜坡（＜0.001）中表現出較小的髖關節屈曲角活動范圍。單因素方差分析結果顯示，后退走在0°斜坡較6°斜坡（=0.003）表現出較大的髖關節屈曲角活動范圍，較9°斜坡表現出較大的髖關節屈曲角活動范圍（＜0.001）和較小的膝關節屈曲角活動范圍（=0.015）；向前走在0°斜坡較6°（=0.003，=0.008）和9°斜坡（＜0.001，=0.005）表現出較小的髖關節屈曲角活動范圍和較大的膝關節屈曲角活動范圍。不論斜坡坡度,后退走較向前走表現出更大的踝關節屈曲角活動范圍（=0.03）。不論行走方向，0°斜坡較6°（=0.008）和9°斜坡（<0.001）均表現出較小的踝關節屈曲角活動范圍，6°斜坡較9°斜坡（=0.002）表現出較小的踝關節屈曲角活動范圍（圖3）。

2.2 不同坡度后退走和向前走對足底壓力的影響

統計分析得出，第一趾骨峰值壓力（=0.031）和足底最大壓強（=0.048）在不同坡度和行走方向間存在顯著性交互作用。在進行簡單效應分析后得出，后退走較向前走在0°（=0.001）和6°斜坡（＜0.001）中表現出較大的第一趾骨峰值壓力，在6°（=0.025）和9°斜坡中（=0.010）表現出較小的足底最大壓強。向前走在0°斜坡較6°斜坡表現出較小的第一趾骨峰值壓力（＜0.001），6°斜坡較9°斜坡表現出較小的第一趾骨峰值壓力（＜0.001）。不論斜坡坡度，后退走較向前走表現出較小的第一、二、四、五跖骨及足弓和足跟內外側峰值壓力（＜0.001），較大的第三跖骨峰值壓力（＜0.001）。不論行走方向，0°斜坡較9°斜坡表現出更大的足弓（=0.041）、足跟內側（=0.024）、足跟外側峰值壓力（＜0.001）；0°斜坡較6°斜坡表現出較小的足跟外側峰值壓力（=0.021）（圖4）。

圖4 不同坡度后退走和向前走足底壓力特征

3 討論

3.1 不同坡度和行走方向對下肢運動特征的影響

3.1.1不同坡度對下肢運動學特征的影響

在著地時刻后退走和向前走時髖關節和膝關節屈曲角隨著坡度的增加而增大，踝關節角隨著坡度的增加而減小。以往文獻指出，髖關節屈曲角增大是由于坡度的增加使大腿需要抬升高度以滿足步長的需要；膝關節屈曲角增大，是因為重心在上坡過程中波動幅度更大，落地時需要更多的緩沖作用來緩解重力所帶來的動能，有效減小地面反作用力作用，減輕膝關節負荷[9,10]。在下肢關節活動范圍研究中，后退走時膝關節屈曲活動范圍，隨著斜坡坡度的增加而增大，說明后退走時隨著坡度的增大，小腿折疊程度增加，有利于腿部力量訓練，可以增強腿部力量。本研究中隨著坡度增大，踝關節屈曲角活動范圍增大，有研究指出較大的踝關節背屈角會使下肢處于一個更緊繃的狀態，為著陸時緩沖沖擊力做更好的準備，有利于預防踝關節損傷[11]。

3.1.2 不同行走方向對下肢運動學特征的影響

后退走較向前走在著地時刻表現出較小的髖關節和踝關節屈曲角以及較大的膝關節屈曲角，這可能是由于人體后退走時身體會重新組織關節活動來保證動作的完成和身體平衡性[12]。另一項研究發現膝關節屈曲角度增加可能會使股后肌群對膝關節穩定性的保護作用加強，以維持人體的穩定[13]。膝關節可通過增加屈曲角來有效提高步態的協調有效性，減緩重心變化，有助于緩沖足部受到的壓力[14]。著地時刻后退走較向前走表現出較大的膝關節屈曲角度，下肢關節易獲得更好的穩定性來維持平衡。在下肢關節活動范圍研究中后退走較向前走髖關節和膝關節屈曲角活動范圍小，踝關節屈曲活動范圍大。后退走時髖關節屈曲活動范圍隨著坡度的增加而減小，膝關節屈曲活動范圍隨著坡度的增加而增大，有研究發現髖關節屈曲角活動范圍減少，膝關節屈曲角活動范圍增加，小腿折疊程度大，有助于提高腿部力量以及改善下肢關節的靈活性[15]。

綜上所述，后退走較向前走時在斜坡上有顯著差異，在斜坡上后退走下肢關節可以獲得更好的穩定性，更好的避免損傷發生，后退走關節活動范圍的變化形式可以維持動態平衡和功能代償，有助于提高腿部力量以及改善下肢關節的靈活性，可以應用于下肢訓練和損傷康復。

3.2 不同坡度和行走方向對足底壓力的影響

3.2.1 不同坡度對足底壓力的影響

足底峰值壓力是指足底承受的垂直地面反作用力，一個完整步態過程中該區域承受的最大壓力即足底峰值壓力[35]。在研究行走步態足底區域壓力特征變化中，通過對足底各區域峰值壓力的統計發現峰值壓力變化最具有代表性的是足跟內側及第二至五趾骨區域[16]，這與本研究結果不一致，本研究中第二至-五趾骨峰值壓力后退走較向前走表現出較大的第二至五趾骨峰值壓力，但是不存在顯著性差異。有研究者，結果發現隨著坡度的增加，腳后跟、前掌內側、腳趾的峰值壓力顯著降低，而腳中部外側區域的壓力增加，與本研究的結果存在分歧。其可能原因是由于測試環境、坡道設置及測試速度不同等造成的，如跑步機或搭建含足底壓力的步道的使用、斜坡的長度和寬度的不同、受試者步行速度的差異等[17]。

3.2.2 不同行走方向對足底壓力的影響

從本研究結果可以看出后退走和向前時足底各分區峰值壓力存在差異，后退走較向前走表現出較小的第一、二、四、五跖骨、足弓、足跟內側、足跟外側峰值壓力，以及表現出較大的第一趾骨、第三跖骨峰值壓力。有研究表明后退走和向前走差異表現在后退走時第一趾骨、第二至-五趾骨明顯低于正向走，足跟外側峰值壓力明顯高于向前走，這與本文研究結果不一致，可能源于實驗設置方案的不同[18]。本研究還可以發現后退走和向前走相比在足跟處峰值壓力減小，跖區峰值壓力變大，后退走時最大峰值壓力分布在第三跖骨。有學者指出向前走時足弓峰值壓力高于后退走，第三跖骨峰值壓力相比低于后退走，是因為向前走時足跟到足尖的過程中轉動軸心是足跟，而后退走時轉動軸心是在跖區[19]，這與本文研究結果相一致。有研究指出足底壓強峰值越大，其沖擊力越大，造成損傷的可能性越大，而足底壓強越小足底則越舒適，足底壓強是研究防止足底局部相關組織遭受過大壓力而損傷的有效指標[20]。本研究結果表明，后退走較向前走在斜坡上表現出較小的足底最大壓強，這亦證實了斜坡上后退走時損傷可能性較小，適合鍛煉健身者運動。

綜上所述，后退走與向前走差異顯著，足底壓力分布特征反映出人體在行走時的步態變化，有助于更好地保持平衡，同時可作為由于足底受力過大導致足踝損傷的預防及康復手段。

4 結論和建議

4.1 結論

（1）后退走較向前走，在斜坡上著地時刻膝關節屈曲角度增大，采用身體較為彎曲的模式來調控機體平衡，易獲得更好的穩定性，同時可以有效減小地面反作用力，降低膝關節負荷。進一步，隨著坡度的增加，后退走髖關節屈曲角活動范圍減少，膝關節屈曲角活動范圍增加，有助于提高腿部力量及改善下肢關節的靈活性。因此后退走在斜坡上可以更好的避免膝關節損傷發生，可應用于下肢力量訓練中。

（2）斜坡上后退走采用足尖著地的形式有助于緩沖地面負荷及降低足部壓力，在斜坡上后退走表現出較小的足底最大壓強，可以減輕著地時地面的沖擊力，降低足部損傷風險。因此斜坡上后退走可作為由于足底受力過大導致足踝損傷的預防及康復手段。

4.2 建議

（1）后退走時斜坡坡度的增加有助于提高腿部力量，使下肢關節的靈活性達到更好的鍛煉效果。因此進行斜坡上后退走訓練，身體的運動能力、協調能力效果會更好，可用于下肢力量訓練中。

（2）在斜坡上后退走可以有效緩沖地面反作用力，減輕膝關節負荷，維持人體的穩定性，更好的避免膝關節損傷發生。因此后退走在斜坡上可以應用于膝關節預防損傷和損傷康復中。

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Effect of Backward Walking during Different Slopes on Lower Extremity Kinematics and Plantar Pressure

JIA Min，etal.

（Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024, Shanxi, China）

首批新文科研究與改革實踐項目（2021050026）；山西省基礎研究計劃自由探索類項目（202103021224109）；山西省回國留學人員科研資助項目（2020-032）；山西省研究生教育教學改革課題（2021YJJG067）；太原理工大學學科建設經費資助（2022）。

賈敏（1995—），碩士生，研究方向：運動生物力學。

張美珍（1983—），博士，教授，研究方向：運動生物力學。