不同上坡跑增速策略對男性業余馬拉松跑者下肢關節運動學的影響

摘要：目的：探討三種不同上坡跑增速策略的男性業余馬拉松跑者在步速控制的條件下，下肢關節運動學及垂直地面反作用力的差異性。方法：根據排除和納入標準，篩選18名業余馬拉松運動員，并依據不同的上坡跑增速策略將其隨機分為三組，定義G1組為步頻增加組（n=6人），G2為步長增加組（n=6人），G3為步頻步長同時增加組（n=6人），隨后采用Vicon紅外高速運動捕捉系統和Zebris FDM-T系列步態分析跑臺，分別采集受試者在6.6km/h和10km/h速度條件下的步態數據、下肢各關節運動角度及垂直地面反作用力峰值，最后對其數據進行分析討論。結果：最終有17人完成了整個實驗的受試，根據實驗結果表明：從6.6km/h增速到10km/h后，支撐腿著地瞬間，G2組的膝關節屈曲角度、踝關節背伸角度大于G1、G3組且均有顯著增加，G1、G3組的膝關節屈曲角度、踝關節背伸角度均有一定程度的減小；支撐腿最大緩沖時，G2組三個關節的角度均出現了一定程度的增加，且G1、G3組的角度（除G3組髖關節屈曲角度）都有一定程度減小；支撐腿蹬離瞬間，三組髖關節伸展角度都有一定程度的增加，G2膝關節屈曲角度的減小幅度較G3更為明顯，G3組踝關節跖屈角度增加幅度較G1、G2組更大。結論：上坡跑過程中，依靠增加步長和同時增加步長和步頻的業余馬拉松愛好者，對其膝關節及踝關節的功能需求較大，而步頻的增加則對髖關節的功能較為依賴。選用增加步長或同時增加的增速策略，會帶來下肢各關節更高的關節負荷。

關鍵詞：上坡跑；關節運動學；增速策略；關節負荷

Effects of different uphill running incremental strategies on lower limb joint kinematics in male amateur marathon runners

Abstract： OBJECTIVE： To investigate the differences in lower limb joint kinematics and vertical ground reaction forces in male amateur marathon runners with three different uphill running incremental strategies under conditions of stride control. METHODS： Eighteen amateur marathon runners were screened according to the exclusion and inclusion criteria and randomly divided into three groups based on different uphill running incremental strategies， defining the G1 group as the stride frequency increasing group （n=6）， the G2 group as the stride length increasing group （n=6）， and the G3 group as the stride frequency and stride length increasing group at the same time （n=6）， and were subsequently analysed by using the Vicon Infrared High Speed Motion Capture System and the Zebris FDM -T series gait analysis running table to collect the subjects' gait data， the angle of motion of each joint of the lower limbs and the peak vertical ground reaction force under the speed conditions of 6.6km/h and 10km/h， respectively， and finally their data were analysed and discussed. Results： Finally， 17 people completed the whole experiment. According to the experimental results， it is shown that： after increasing the speed from 6.6km/h to 10km/h， at the moment of the supporting leg touching the ground， the knee flexion angle and ankle dorsiflexion angle of the G2 group were larger than those of the G1 and G3 groups and both of them increased significantly， while the knee flexion angle and ankle dorsiflexion angle of the G1 and G3 groups decreased to a certain extent; at the time of the maximum cushioning of the supporting leg， the three joints of the G2 group were in a better position to support the leg. At the time of maximum cushioning of the supporting leg， the angles of the three joints in the G2 group increased to a certain extent， and the angles of the G1 and G3 groups （except for the hip flexion angle in the G3 group） decreased to a certain extent; at the moment of stomping away from the supporting leg， the hip extension angles of the three groups increased to a certain extent， and the decrease in knee flexion angle of the G2 group was more pronounced than that of the G3 group， while the increase in the ankle plantarflexion angle of the G3 group was greater than that of the G1 and G2 groups. CONCLUSION： During uphill running， amateur marathoners who relied on increasing stride length and simultaneously increasing stride length and stride frequency had greater functional demands on their knee and ankle joints， whereas the increase in stride frequency was more reliant on the function of the hip joint. The choice of increasing stride length or simultaneous increase in the rate of increase strategy will bring about higher joint loads on all lower limb joints.

Keywords： uphill running; joint kinematics; step increase strategy; joint loading

隨著“健康中國”戰略的提出，全民健身逐漸掀起浪潮，人們想要通過運動鍛煉來提高身體素質的意識得到增強。跑步作為一項容易學習又有助于身心健康的運動項目，受到了大眾的廣泛關注與喜愛。與此同時，各種類型的馬拉松賽事也在國內各地區得到了積極開展。但相關元分析結果顯示[1]，每1000小時運動過程中與跑相關的傷病率在2.5%（田徑運動員）到33.0%（業余跑者）之間，可見，不論是專業運動員還是業余跑者，運動損傷的發生率都是不可忽視的。相較于專業馬拉松運動員，業余跑者常因為技術動作不到位、訓練方案不合理等原因造成運動損傷，對其正常生活及運動表現造成了較大的影響。由此可見，正確的跑步姿勢、合理的步態增速策略、專業的跑步技術，不僅是高水平運動員的追求，也是馬拉松業余跑者的需要。

目前已有相關研究表明[2]，馬拉松這類中長跑運動成績的好壞，與步頻與步長的相互關系有著高度的相關性。不同于短跑項目對于爆發力的需求，在進行馬拉松這類中長跑或長跑運動項目時，對于運動員的耐力素質有著較大的要求。由于馬拉松賽程較長、全程賽道條件復雜，上下坡的情況也時有出現。因為整體跑速與節奏的要求，上坡過程中便會出現一個增速階段，跑步過程中通常會選擇增加步長、增加步頻或同時增加這三種增速策略來提高跑步速度[3]。業余馬拉松跑者不同于專業運動員，未能形成科學合理的策略，常根據自己習慣來選擇增速策略，這也在一定程度上改變了其下肢各關節的負荷分配與補償機制，并增加了其出現運動損傷的概率。對于上坡跑過程中下肢生物力學的變化，目前已經開展了較多研究，并將其運用到訓練中來提高運動員的運動成績[4–8]。

本實驗選取蘇州市業余馬拉松跑者17名，探究在步速控制的條件下，不同速度上坡跑過程中下肢各關節角度、地面反作用力的差異性，及上述三種增速策略對受試者下肢關節角度的影響，旨在探究馬拉松上坡跑過程中更為科學的增速策略，為馬拉松業余跑者提供更為合適的跑步方案，提高其運動成績的同時減少運動損傷帶來的危害。

1 研究對象與方法

研究對象與分組

納入標準：①年齡18～25歲；②無心腦血管疾病、高血壓等基礎疾病；③無下肢肌肉骨骼損傷或下肢術后。

排除標準：①不能按照本研究要求完成全部的測量流程；②受試者主動要求停止實驗。

根據上述標準在蘇州市招募男性業余馬拉松跑者，確定所有受試者知情并同意參與實驗。隨后，根據三種增速策略的判定標準來確定，最終選擇18名健康男性馬拉松業余跑者參與到實驗中。

Zebris跑臺會記錄每位受試者的步長與步頻，取在6.6km/h和10km/h的速度下測試3次取的平均值，計算其步長與步頻的增幅比值，并對其進行分組：△[ 3]"步頻/△步長＞1的定義為G1組（△步頻指10km/h速度下的步頻與6.6km/h速度下的步頻的的差值，△步長指10km/h速度下的步長與6.6km/h速度下的步長的的差值），其上坡跑過程中主要依靠增加步頻來增加速度（n=6）；△步頻/△步長＜1定義為G2組，其上坡跑過程中主要依靠增加步長來增加速度（n=5）；△步頻/△步長≈1定義為G3組，其上坡跑過程中同時增加步頻和步長來增加速度（n=6）。

儀器設備

Vicon紅外高速運動捕捉系統（Vicon Motion Analysis），主要由8臺攝像頭紅外高速運動捕捉系統 （Vicon，Nexus，T40，采樣頻率100 Hz）實時記錄人體跑步時的運動學參數。

Zebris FDM-T系列步態分析跑臺，跑臺通過USB與電腦連接，測量區域包含大量已標定的高質量電容式傳感器，分布密度為0.62個/cm2，采樣頻率為100Hz[9]。

實驗儀器除此之外，還有一些用于人體形態學指標測量的器材：皮尺、游標卡尺、身高測量儀、體重計等。

實驗流程

1.3.1 實驗前準備

實驗前，先將Zebris跑臺放置于Kistler三維測力平臺前方，并連接好電腦與電源，再調整好Vicon紅外高速運動捕捉系統中8個攝像頭的高度及角度，使其聚焦于測力平臺中心位置，并對實驗場地進行遮點處理，避免對實驗產生干擾。以T形校正架標定拍攝區域的原點，用于空間坐標系的建立。對受試者身高、體重、腿長、膝寬、踝寬等形態學指標進行測量。

準備好后，令受試者換好實驗所用的鞋和褲子，根據本實驗的需求選取pyCGM2-LowerLimb_CGM23下肢模型，并對受試者進行下肢28個Mark點的貼扎。

讓受試者雙臂張開站于測力平臺中央，進行靜態采集并建立靜態模型。模型建立完畢后將雙側膝關節內側髁、雙側內踝的四個Mark點揭除。

1.3.2 正式實驗流程

目前有相關調查和實驗[10-11]確定了20～29歲男性慢跑速度約為6.0-6.6km/h，而中速跑的速度約為10km/h[12，13]。因此，本實驗將上坡跑過程中，較慢的速度控制為6.6km/h，較快速度控制為10km/h。同時，設置Zebris跑臺的仰角為10%[14]，作為上坡跑的坡度。

調整好儀器后，令受試者在10%角度的跑臺上以分別6.6km/h、10km/h的速度進行熱身適應性訓練3-5min。在熱身結束后作短暫休息，再分別以6.6km/h的速度和10km/h的速度分別進行上坡跑測試，每個速度測量三次，取三次平均值作為最終成績。實驗前準備過程與實驗正式流程詳見圖1所示。

數據選取與處理

數據處理過程中，首先確定受試者的步態周期，本研究截取受試者連續兩次奔跑的同側肢體膝關節矢狀面屈曲最大值之間的時段為一個步態周期，截取步態周期內支撐腿矢狀面內關節角度變化及地面反作用力進行分析，包括支撐腿著地瞬間各組下肢各關節角度、支撐腿最大緩沖時各組下肢各關節角度、支撐腿蹬離瞬間各組下肢各關節角度及垂直地面反作用力峰值。定義膝關節完全伸直時角度為0°，脛骨直線與膝關節完全伸直時脛骨所在直線即為膝關節屈曲角度，膝關節屈曲為正值（+），伸展為負值（-）；定義正常站立時髖關節角度為0°，股骨長軸與正常站立時所在直線所形成的夾角即為髖關節屈曲角度，髖關節屈曲為正值（+），伸展為負值（-）；定義正常站立時踝關節角度為0°，脛骨直線與正常站立時所在直線所形成的夾角即為踝關節背伸角度，踝關節背伸為正值（+），跖屈為負值（-）。同時，對垂直地面反作用力峰值用其自身重量進行標準化處理，即“垂直地面反作用力峰值/體重”，其單位為N·kg-1。

數理統計法

使用SPSS27.0軟件對所得數據進行統計學分析與處理。計數資料采用百分數表示，將計量資料進行正態性檢驗，如滿足正態分布，采用平均值±標準差（）進行描述；若不滿足則使用中位數進行描述。計量資料若滿足正態分布和方差齊性，組間比較采用單因素方差分析并用Bonferroni進行事后比較，組內比較采用配對樣本t檢驗。結果分析中，Plt;0.05表明具有顯著性差異，Plt;0.01表明具有非常顯著性差異。

研究結果

3組男性業余馬拉松跑者的年齡、體重及在6.6km/h、10km/h速度下的步頻、步長等基本信息如下。

支撐腿著地瞬間各組下肢各關節角度對比

表2為不同速度上坡跑過程中，支撐腿著地瞬間各組下肢各關節角度數據。

如表2所示：通過較慢速度上坡跑的組間比較：三組支撐腿落地瞬間的膝關節屈曲和踝關節背屈角度無顯著性差異（Pgt;0.05），而G3的髖關節屈曲角度大于G1、G2組具有顯著性差異（Plt;0.05）。

通過慢速度與較快速度上坡跑過程中的組內比較可知：G1、G2、G3組在增速前后髖、膝關節屈曲和踝關節背伸均具有顯著性差異（Plt;0.05）。與較慢速度時相比，G1、G3組在較快速度情況下髖關節的屈曲角度顯著增加，膝關節屈曲角度、踝關節背伸角度都明顯減小，且G3的減小幅度較G1更大，而G2組髖關節的屈曲角度有一定程度的減少，膝關節屈曲角度、踝關節背伸角度都顯著增加。

支撐腿蹬離瞬間各組下肢各關節角度對比

表4為不同速度上坡跑過程中，支撐腿蹬離瞬間各組下肢各關節角度數據。

通過較慢速度上坡跑過程中的組間比較可知：三組支撐腿蹬離地面瞬間的髖關節伸展角度、膝關節屈曲角度和踝關節跖屈角度無顯著性差異（Pgt;0.05），而G2的膝關節屈曲角度則要遠大于G1、G3組。

通過較慢與較快上坡跑過程中的組內比較可知：在支撐腿蹬離地面瞬間的髖關節伸展角度、膝關節屈曲角度和踝關節跖屈角度在增速前后均具有顯著性差異（Plt;0.05）。與較慢速度時相比，三組髖關節伸展角度、踝關節跖屈角度都有一定程度的增加，且G2組的髖關節伸展角度增加更為顯著。G2、G3的膝關節屈曲角度都顯著地減小，相反，G1組的則有較小幅度的增加。

各組垂直地面反作用力峰值與體重比值的對比

表5為不同速度上坡跑過程中，各組垂直地面反作用力峰值與體重比值數

由表可知，在較慢速度的情況下，三組垂直地面反作用力峰值與體重比值無顯著性差異（Pgt;0.05）。

通過較慢與較快上坡跑過程中的組內比較可知：三組在較快與較慢速度上坡跑時垂直地面反作用力峰值與體重比值數均具有顯著性差異（Plt;0.05）。在較快速度時，G1組的數值有小幅度的減小，而G2、G3則有一定程度的增加，G1、G3組數值仍較為相近，G2組相對較大。

分析與討論

支撐腿著地瞬間各組下肢各關節角度對比分析

在較慢速度上坡跑過程中，三組受試者著地瞬間各關節角度較為接近，但G3組的髖關節屈曲角度要遠大于其他兩組，考慮是由于樣本量及個人跑步姿勢所導致的。在本實驗中，增加步頻組即G1、G3組，較快速度下其膝關節屈曲角度、踝關節背伸角度均有一定程度減小，但髖關節屈曲角度卻有增加，而僅僅增加步長組G2的膝關節屈曲及踝關節背伸角度則有較大增加。表明在上坡跑過程中，步頻的增加并不利于腿部下壓動作的完成，為了完成快速伸膝動作，就需要膝關節以角度變小的方式來形成杠桿來幫助步頻的增加。此時重心的轉移主要靠屈髖動作來完成，而屈髖角度的增加也同樣可以帶來肌肉的快速收縮，加強后蹬時的力量。而步長的增加則會讓腿部的下壓更為充分，依靠膝關節更大的屈曲及踝關節更大的背伸來幫助其完成更大的前擺幅度，但同時膝關節和踝關節的相對負荷則會在一定程度上增大。

支撐腿蹬離瞬間各組下肢各關節角度對比分析

蹬離階段，支撐腿充分的伸展可以幫助受試者產生更大的蹬離力量，而較快速度上坡過程中，因其速度的提高，三組髖關節角度都有一定程度的增加，來使其獲得更大的蹬伸力量。但步頻增加的G1、G3組髖關節伸展角度的增加幅度較G2要更小，說明步長的增加需要更大的下肢蹬伸力量。步長增加的G2、G3組在蹬離地面瞬間膝關節的屈曲角度也有隨著速度加快而變小的趨勢，說明相較于單純的步頻增加來說，步長的增加需要下肢更大的蹬伸力量，下肢伸展也更為充分，但同時也會導致下肢各關節相應負荷的增加。

各組垂直地面反作用力峰值與體重比值的對比分析

從垂直地面反作用力峰值與體重比值可以發現，僅增加步頻的G1組，其速度增加后比值反而會出現一個較小幅度的下降，而增加步長的G2、G3組則都出現了一定程度的增長，考慮是與增加步長后，重心在垂直方向的運動增加，導致對地面的壓力增加，同時下肢蹬伸力量的提高，最終導致了垂直地面反作用力峰值的增加。在整個跑步過程中，地面反作用的增加也會帶來下肢關節負荷的進一步提高。

結論

上坡跑過程中不同的增速策略可以改變其下肢各關節的負荷與發力模式。

上坡跑過程中，依靠增加步長和同時增加步長和步頻的業余馬拉松愛好者，對其膝關節及踝關節的功能需求較大，而步頻的增加則對髖關節的功能較為依賴。

選用增加步長或同時增加的增速策略，會提高下肢各個關節的負荷，特別是對于緩沖階段的髖關節。對于長期較大運動量的運動員來說會造成較大的危害與損傷。

研究的局限性分析

本研究主要存在以下幾點問題需要改進：[ 4]"（1）本研究因受時間及人員等因素影響，選取樣本量較少，后續應納入更多受試者進行研究分析。（2）本研究僅針對運動學指標進行測量分析，應進一步補充動力學及肌肉力量的數據進行分析，明確下肢關節負荷及力學變化機制。（3）本研究僅選用矢狀面內數據進行，未對額狀面及水平面的數據進行分析處理。（4）本實驗僅對男性業余馬拉松跑者進行測量，未涉及到女性跑者。

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