不同跑速对膝内翻跑者下肢运动学特征的影响

张宇强 关景媛

（东北师范大学体育学院 吉林 长春 130024）

前言

自20世纪70年代以来，跑步越来越受欢迎，与此同时马拉松运动在中国发展迅速。由于跑步运动发展的过快，一些没有运动基础的人群加入到跑步大军中就会给跑者带来一些损伤。有研究表明，业余跑者的损伤的概率更高。膝内翻是业余跑者日常锻炼中普遍存在的一种现象。膝内翻又称“O”型腿，是指受试者立正姿势站立两下肢自然伸直时，大小腿之间不能并拢，足跟可以靠拢两膝关节之间的距离大于1.5cm。长时间的进行一些锻炼和一些错误的动作就会给膝关节形成向外的力量，形成膝内翻。研究表明O型腿人群的膝内收力矩大于直腿人群。在不同跑速跑步时，下肢各关节的运动生物力学数据有所差异，不同的跑速也会造成不同程度的运动损伤。在对比不同跑速下的垂直方向的地面反作用力时发现不同的跑速下地面反作用力也不相同。

综上所述，跑步已经成为日常最常见的锻炼方式之一，但是跑步也会造成一定的运动损伤，损伤主要集中在膝关节。本实验试图分析不同腿型与不同跑速对业余跑者下肢的运动学影响，尝试了解不同腿型、不同跑速与下肢的运动学，为膝内翻跑者、直腿跑者科学锻炼提供理论依据。

1、研究对象与方法

本研究主要采用实验测试方法来分析不同腿型跑者在不同跑速下的运动学数据，实验设计具体如下。

1.1、研究对象

选取8名太原理工大学体育学院男性业余跑者 （每周进行跑步的距离至少为20km）采用常态膝距法，受试者以立正姿势站立两下肢自然伸直时，大小腿之间不能并拢，足跟可以靠拢两膝关节之间的距离是否超过1.5cm分为2组（直腿、膝内翻），每组4人，受试者均无严重下肢损伤史。在实验前3个月无急性下肢损伤，无心肺疾病。为确保受试者有充足的体能，注意受试者在测试前的24h内没有进行体育锻炼。参与测试前，所有参与者需阅读并签署知情同意书。

1.2、数据采集

本实验采用8镜头红外光点运动捕捉系统（Nokov，中国）以200Hz的采集频率获取29个粘贴在受试者身上的红外反光标志点的运动学数据。受试者首先在基本信息登记表填写自身的优势腿、膝内翻程度。热身结束后，被试者更换统一着装，由同一操作人员为其贴上反光标志点。受试者需要通过15m距离，前10m为一个加速距离，后5m为测试距离，由于公认的慢、中、快跑速为3m/s、4m/s、5m/s，因此选用3种跑速均速通过5m的距离的测试区，由两名同学在起点和终点进行秒表计时，成绩取两个秒表的平均值。测试者需在跑到侧面垂直终点线、起点线站立。手动计时所得出的平均速度需与动作分析得出的重心位移速度一致 （最大误差为±0.3m/s），若速度误差较大需重新测量。为防止运动疲劳的出现，每次测试间隔5min。

1.3、数据处理

运用 Cortex-64 5.5.0（Motion Analysis Inc，USA）分析软件对运动学数据进行识别处理，根据反光标志点建立人体环节刚体模型，采用欧拉角的方法方法计算下肢关节的三维角度，所有反光标志点三维坐标采用Butterworth低通滤波进行平滑 （截断频率为 13.3Hz）。

1.4、数据分析

选择每个跑速3次成功动作平均值用于统计分析，通过Shapiro-Wilk检验来确定各参数是否服从正态分布。运用2×3混合测量双因素方差分析2种腿型、3种跑速对下肢运动学影响。所有统计分析使用SPSS 22.0软件完成，

2、结果

2.1、运动学参数偏度、峰度和分布检验

研究结果可得在落地时刻直腿除3m/s跑速下的左膝屈伸角以外均符合正态分布，进一步分析3m/s跑速下的左膝屈伸角偏度、峰度数值未超过±2且Q-Q图吻合度好。因此本研究认为该参数属于正态分布（表2）。

表2 3种跑速下直腿组膝关节运动学参数偏度、峰度和分布检验参数3m/s 4m/s 5m/s

2.2、膝内翻组与直腿组不同跑速下对左膝关节角度影响

由双因素混合测量方差分析得到：左膝关节屈伸角在跑速和腿型之间不存在交互作用。膝内翻人群和直腿人群在跑步时左膝屈伸角没有差异（p＞0.05），以3m/s和4m/s跑步时左膝屈伸角没有差异 （p＞0.05），以4m/s和5m/s跑步时左膝屈伸角没有差异（p＞0.05），以 3m/s 和 5m/s 跑步时左膝屈伸角有差异（p＜0.05），5m/s跑步时左膝屈伸角明显大于3m/s跑步时左膝屈伸角。左膝内翻外翻角在3m/s和4m/s、4m/s和5m/s、3m/s和5m/s跑速下均无差异 （p＞0.05），并且膝内翻人群和直腿人群之间也不存在差异（p＞0.05）。

另外左膝内旋外旋角在3m/s和4m/s、4m/s和 5m/s、3m/s和5m/s跑速下均无差异（p＞0.05），并且膝内翻人群和直腿人群之间也不存在差异（p＞0.05）（如图 1）。

图1 膝内翻组与直腿组不同跑速下对左膝关节角度影响

2.3、膝内翻组与直腿组不同跑速下对右膝关节角度影响

由双因素混合测量方差分析得到：右腿膝关节屈伸角在三种跑速和两种腿型之间不存在交互作用。两种腿型人群在跑步时右膝屈伸角没有差异（p＞0.05），以3m/s和4m/s跑步时右膝屈伸角没有差异（p＞0.05），以4m/s和5m/s跑步时右膝屈伸角没有差异（p＞0.05），以 3m/s和 5m/s跑步时右膝屈伸角有差异（p＜0.05），5m/s跑步时右膝屈伸角明显大于3m/s跑步时右膝屈伸角。右膝内翻外翻角在任意两种跑速下均无差异（p＞0.05），并且膝内翻人群和直腿人群之间也不存在差异（p＞0.05）。右膝内旋外旋角在任意两种跑速下均无差异（p＞0.05），并且膝内翻人群和直腿人群之间也不存在差异（p＞0.05）（如图2）。另外由图1和图2对比可以看出左、右侧膝关节差异较小，说明可以选用一条腿进行研究。

图2 膝内翻组与直腿组不同跑速下对右膝关节角度的影响

2.4、受试者跑步时支撑期间膝关节角度

图3 表示膝关节在一个完整步态中屈伸角、内旋外旋角、内翻外翻角与时间变化曲线，研究结果表明屈伸角图中可以看出膝内翻组与直腿组在着地后膝关节屈伸角先增加，脚放平后膝关节屈伸角出现下降，在相同跑速下膝内翻组屈伸角略大于直腿组但不存在显著差异，膝关节内旋外旋角在图中看出在相同跑速下膝内翻组大于直腿组，当跑速为5m/s时膝内翻组和直腿组之间角度差距缩小。另外膝关节内翻外翻角在图中看出在相同的跑速下两种腿型之间比较相近。

图3 膝关节在失状面、额状面上的角—时间变化曲线

3、讨论

本实验的主要创新点是对膝内翻跑步爱好者和直腿跑步爱好者进行3种跑速的运动学测试，进而探讨3种跑速下对膝内翻跑者和直腿跑者的差异，分析对比其中的差异为膝内翻跑者选择合适的跑速。

3.1、不同跑速对膝内翻跑者、直腿跑者的膝关节运动学影响

本实验结果支持第一个假设，本研究结果支持以往的研究结论，本研究结果表明左右腿研究结果一致，因此只选择一条腿进行分析。膝内翻组和直腿组之间没有交互（p＞0.05），膝内翻组和直腿组在3种跑速下的运动学数据均得出在3m/s跑速下膝关节屈曲角更小。以往研究认为膝关节和踝关节的被动屈曲动作都是为了进行缓冲，这就说明膝关节屈曲角度增大可能表明膝关节所受冲击力增大，较快、较大的冲击力则是造成下肢损伤的原因，对比穿鞋跑步和裸足跑步时的膝关节屈曲角发现穿跑步鞋跑步时膝关节屈曲角更小，建议跑步时穿软底跑步鞋减少屈曲角角度，减少损伤。因此，本实验结果不支持第二个实验假设。不论业余跑者腿型如何，5m/s跑速可能比3m/s更容易造成膝关节损伤。

3.2、膝内翻跑者与直腿跑者相同跑速下的运动学差异

本研究在对比一个完整的支撑期膝关节内旋外旋角时发现膝内翻组内外旋角大于直腿组，在相同跑速下一个完整支撑期膝内翻组内外翻角与直腿组内外翻角比较相似，在膝关节内翻外翻角与前者的结论相同。马云茹研究表明在跑步运动中导致膝关节损伤的主要原因是由于膝关节长时间重复的发生更大的位移所导致，膝内翻组在相同的跑速下膝关节内旋外旋角、内翻外翻角更大，提高了损伤的概率，膝内翻人群在运动时膝关节内翻角和内旋角增大可能使膝关节内侧承受更大的压力，另外李永耀研究表明膝内翻人群膝关节内收力矩大于正常人是导致膝内翻人群患骨关节炎的主要原因，Prodromos等对于膝内翻人群进行分析发现膝内翻人群膝关节的内收力矩比直腿人群膝关节内收力据要大，而且对于一些下肢没有损伤的实验者，有些实验者膝关节内收力矩较大，这些受试者两膝关节的距离也略大膝关节出都有轻度膝内翻。因此膝内翻人群似乎更易发生膝关节损伤。

综上所述，不论跑速快慢，膝内翻人群由于在跑步时膝关节内外旋角更大，似乎更易发生膝关节损伤，此外，不同跑速主要对两种腿型业余跑者的着地时刻膝关节屈曲角有影响，表现为3m/s的跑速膝关节屈曲角更小，膝关节屈曲角越小使跑步时膝关节受到的冲击力更小，跑步时膝关节损伤的概率会更小。因此，不论腿型如何，业余跑者运用3m/s的跑速进行锻炼的膝关节损伤风险最低。

4、结论与建议

4.1、结论

（1）膝内翻跑者和直腿跑者在不同的跑速着地时刻膝关节屈伸角有差异，两种腿型膝关节屈曲角在3m/s跑速时小于5m/s跑速；

（2）膝内翻组与直腿组在相同跑速下落地时刻膝关节各角度没有差异，但在对比完整支撑期发现3种跑速下膝内翻组内旋外旋角大于直腿组。

4.2、建议

（1）膝内翻人群和直腿人群在跑步时若不刻意追求运动强度，建议选择较慢的跑速进行锻炼，可以有效地减少对膝关节的损伤；

（2）膝内翻跑者在跑步时因腿型的原因会增加膝关节损伤的风险，建议膝内翻人群在有能力的情况下选择5m/s跑速进行跑步，可能会降低损伤的概率。