不同坡度跑對(duì)下肢關(guān)節(jié)生物力學(xué)影響的研究進(jìn)展

趙亞萍 陳卓 劉世超

(西北師范大學(xué)體育學(xué)院 甘肅蘭州 730070)

不同坡度跑對(duì)下肢關(guān)節(jié)做功及損傷程度不同，坡度是影響關(guān)節(jié)承受負(fù)荷的重要因素［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年在我國(guó)共舉辦馬拉松及相關(guān)路跑賽事1 828場(chǎng)，累計(jì)參賽712.56萬人次［2］。目前關(guān)于該領(lǐng)域的研究主要聚焦于水平路面，究其原因可能是當(dāng)下主流的跑步項(xiàng)目大多為公路賽。短距離10km 跑、山地越野跑、馬拉松等項(xiàng)目對(duì)跑者的心理和生理都提出極高的要求，但這也正是其魅力所在［3］。跑步期間下肢關(guān)節(jié)承受的垂直力可能高達(dá)自身體重的3 倍左右［4］。異常外力對(duì)人體器官和組織的力學(xué)負(fù)荷會(huì)增加跑者骨骼變形的概率和運(yùn)動(dòng)損傷狀況的發(fā)生，特別是膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)處較為多見。

坡度的改變，會(huì)顯著改變跑步過程中的生物力學(xué)參數(shù)和做功模式，人體對(duì)跑步坡度改變的生物力學(xué)適應(yīng)主要體現(xiàn)在下肢三關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)控制策略的改變。在訓(xùn)練實(shí)踐中，能否對(duì)特定下肢關(guān)節(jié)進(jìn)行專項(xiàng)強(qiáng)化訓(xùn)練，優(yōu)化下肢關(guān)節(jié)肌肉能量輸出占比，進(jìn)而提高特定坡度條件下的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，對(duì)于提高運(yùn)動(dòng)員比賽成績(jī)至關(guān)重要（見圖1）。

圖1 不同坡度跑對(duì)下肢生物力學(xué)參數(shù)的影響

1 不同坡度跑對(duì)下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)影響

不同坡度跑的運(yùn)動(dòng)學(xué)差異主要體現(xiàn)在步態(tài)的時(shí)空參數(shù)、下肢關(guān)節(jié)角度和重心垂直位移方面。Okudaira等人［5-6］比較了13 名短跑運(yùn)動(dòng)員在水平和上坡條件下的下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)和重心能量學(xué)。研究發(fā)現(xiàn)，支撐期不受坡度的影響，與水平跑相比，上坡跑期間下肢步態(tài)參數(shù)的騰空期和步長(zhǎng)明顯縮短；減少了重心負(fù)功，并增加了重心正功；且上坡跑時(shí)踝關(guān)節(jié)屈曲程度更大、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)角度及伸展角度更大；在上坡跑支撐期結(jié)束時(shí)，髖關(guān)節(jié)外展角度更大，骨盆擺動(dòng)腿一側(cè)抬高更多［4］。此外，還發(fā)現(xiàn)上坡跑更傾向于使用前腳掌腳著地模式，以此來增加上坡跑的速度。

1.1 上坡跑對(duì)下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)影響

不同坡度條件下，步頻和步長(zhǎng)的改變是為了更好地應(yīng)對(duì)環(huán)境變化后的生物力學(xué)適應(yīng)。上坡跑時(shí)步頻的增加和步長(zhǎng)的縮短，可減少跑步過程中髖、膝關(guān)節(jié)的工作負(fù)擔(dān)，并有可能預(yù)防常見的跑步相關(guān)傷害。GianLuca 等人［7］通過對(duì)跑步機(jī)坡度進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)19 名有跑步機(jī)使用經(jīng)驗(yàn)的受試者在0°、±5°、±10°的坡面上對(duì)時(shí)空參數(shù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨跑步機(jī)坡度的增加，步頻逐漸增加，步長(zhǎng)縮短，著地指數(shù)增加；張支梅等人［8］在對(duì)不同高度的研究中，也得出了相同的結(jié)論。

控制步長(zhǎng)和步頻會(huì)對(duì)下肢關(guān)節(jié)能量吸收和沖擊衰減產(chǎn)生顯著影響［9］。Heiderscheit等人［10］研究了在水平跑過程中，下肢踝、膝、髖關(guān)節(jié)因步頻變化對(duì)下肢關(guān)節(jié)負(fù)荷承載和受傷風(fēng)險(xiǎn)的影響，發(fā)現(xiàn)步頻增加時(shí)膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)機(jī)械能吸收較少，步頻減少時(shí)，下肢三關(guān)節(jié)能量吸收會(huì)顯著增加，而且制動(dòng)力、重心垂直位移、步長(zhǎng)和膝關(guān)節(jié)屈曲角度峰值會(huì)隨步頻增加而減少。此外，Snyder等人［11］研究了步頻變化對(duì)下肢關(guān)節(jié)能量消耗產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)縮短步長(zhǎng)會(huì)減少膝關(guān)節(jié)在所有坡度上的吸收能量，增加步長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)更大的能量吸收。因此，可以發(fā)現(xiàn)步長(zhǎng)和步頻的變化對(duì)膝關(guān)節(jié)的能量吸收影響較為顯著，縮短步長(zhǎng)可以降低所有坡度的膝關(guān)節(jié)吸收能量，在一定程度上也可降低損傷風(fēng)險(xiǎn)。

上坡跑期間通過增加踝、膝、髖關(guān)節(jié)的屈曲角度，活動(dòng)范圍及身體前傾角度和矢狀面活動(dòng)度，對(duì)提高身體穩(wěn)定性和最大跑速有積極影響。Swanson 等人［12］研究并記錄了12 名男性運(yùn)動(dòng)員在跑步機(jī)上以3°為傾斜角的上坡關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)，發(fā)現(xiàn)與水平跑相比，上坡跑雙支撐階段的下肢三關(guān)節(jié)屈曲角度顯著增大，踝關(guān)節(jié)著地初期背屈增加。此外，上坡跑時(shí)推動(dòng)力大于制動(dòng)力，且跖屈角度增大。在對(duì)膝關(guān)節(jié)伸展范圍的比較中，發(fā)現(xiàn)上坡跑時(shí)膝關(guān)節(jié)的伸展活動(dòng)范圍比水平跑時(shí)更大。因此，調(diào)整身體重心，增加關(guān)節(jié)活動(dòng)度，可以作為上坡跑期間提升最大跑速的有效方式。

在對(duì)最優(yōu)坡度的探尋中，結(jié)果存在一定爭(zhēng)議。羅炯等人［13］研究了36 名北京體育大學(xué)大一體育教育專業(yè)男生在0°、±3°、±4°等坡度上的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，表明3°坡角是運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的最佳閾值。而Dewolf［14］在對(duì)10名健康休閑跑者在0°、±3°、±6°、±9°等坡度的能量消耗研究中，發(fā)現(xiàn)6°下坡跑碰撞能量損失較小，且在這個(gè)坡度閾值時(shí)，跑步的代謝能消耗較少。因此，在對(duì)此問題的研究中，結(jié)果存在分歧，仍需進(jìn)一步地系統(tǒng)研究。

1.2 下坡跑對(duì)下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)影響

下坡跑時(shí)騰空期增加，支撐期、著地指數(shù)減少，能量吸收與膝關(guān)節(jié)屈曲角度也會(huì)隨坡度的下降而增加。Vincent 等人［15］研究了下坡跑過程中步頻對(duì)下肢關(guān)節(jié)生物力學(xué)負(fù)荷能量做功的最優(yōu)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)步頻在±5%范圍時(shí)，可將能量消耗、關(guān)節(jié)載荷及沖擊衰減降到最低。Baggaley 等人［16］在對(duì)步長(zhǎng)與不同坡度跑過程中能量吸收與沖擊力關(guān)系的研究中，發(fā)現(xiàn)縮短步長(zhǎng)可以降低膝關(guān)節(jié)在各個(gè)坡度上的能量吸收，而增加步長(zhǎng)會(huì)吸收更大的能量。沖擊衰減會(huì)在步長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)最大，在步長(zhǎng)較短時(shí)較小。因此，下坡跑時(shí)由于坡度下降和慣性的作用，身體會(huì)通過增加步長(zhǎng)和減少步頻的方式適應(yīng)坡度的變化，與此同時(shí)，膝關(guān)節(jié)處能量吸收和載荷率的增加也預(yù)示著損傷風(fēng)險(xiǎn)的增加。

下坡跑過程中，下肢關(guān)節(jié)角度變化表現(xiàn)為踝關(guān)節(jié)跖屈、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)均出現(xiàn)更大的伸展角度。Mizrahi等人［17］在對(duì)14名男性受試者水平跑、4°下坡跑運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究中發(fā)現(xiàn)，下坡跑膝關(guān)節(jié)的伸展角度比水平跑大很多，且在下坡跑時(shí)，膝關(guān)節(jié)的緩沖屈曲角度明顯增大。Gianluca等人［18］研究也得出了相同的結(jié)論。

探究因坡度改變對(duì)下肢關(guān)節(jié)影響較小的最優(yōu)坡度，結(jié)果仍存在爭(zhēng)議。Snyder 等人［11］對(duì)15 名運(yùn)動(dòng)員在7 個(gè)坡度上下坡跑的機(jī)械能的研究中，發(fā)現(xiàn)9°下坡跑時(shí)，下肢各關(guān)節(jié)的能量吸收與生成達(dá)到最佳坡度閾值。羅炯等人發(fā)現(xiàn)，不論是上坡跑，還是下坡跑，3°傾斜角是最佳跑步坡度閾值。Panulo 等人［19］指出，在6°下坡跑時(shí)，各關(guān)節(jié)的能量吸收和生成碰撞角能量損失較小，此時(shí)能量代謝也最少。

下坡跑能顯著提升最大跑速，這種提升是通過增加步長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)的。相較于水平跑，下坡跑的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)表現(xiàn)為步長(zhǎng)增大、步頻減小、騰空期增加，下肢關(guān)節(jié)伸展角度增大且制動(dòng)力增加。以此來緩解因坡度變化對(duì)下肢產(chǎn)生沖擊力的影響，并對(duì)提升最大跑速有積極意義。

2 不同坡度跑對(duì)下肢關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)影響

相較于水平跑，上坡跑、下坡跑期間會(huì)改變垂直地面反作用力、下肢關(guān)節(jié)力矩、功率、關(guān)節(jié)做功以及足著地模式等下肢動(dòng)力學(xué)參數(shù)。Park 等人［20］在對(duì)15 名男性跑者在0°、-6°、-9° 3 個(gè)坡度上的連續(xù)10 個(gè)完整步態(tài)進(jìn)行研究后，表明隨坡度增加，下肢各關(guān)節(jié)均做負(fù)功，且膝關(guān)節(jié)做負(fù)功顯著大于踝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)，這將有助于髖關(guān)節(jié)最大限度地伸展。Wells 等人［21］對(duì)18 名男性馬拉松運(yùn)動(dòng)員在0°、2°、7° 3個(gè)坡度的下肢三關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)參數(shù)研究中，發(fā)現(xiàn)上坡跑期間，地面反作用力峰值是隨坡度增加而增加的。

不同足著地模式會(huì)改變關(guān)節(jié)和軟組織承受的負(fù)荷，關(guān)節(jié)承受負(fù)荷的大小與損傷風(fēng)險(xiǎn)呈正相關(guān)［22］。上坡跑主要采用中足到前足過渡的著地模式，下坡跑主要采用前足著地模式。Farris等人［23］研究了10名受試者在5 個(gè)坡度上的著地模式，發(fā)現(xiàn)水平跑與下坡跑在初始著地時(shí)，多數(shù)人采用后足著地模式，當(dāng)坡度上升到6°時(shí)，有少數(shù)受試者采用前腳掌著地模式，而坡度達(dá)到9°時(shí)，10名受試者均采用前腳掌著地模式。因此，在不同坡度跑的過程中，受試者可通過改變足著地模式的方式來獲得更經(jīng)濟(jì)的力學(xué)表現(xiàn)，不僅可以最大限度地減少疲勞程度，而且還對(duì)提升運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)有積極意義。

研究不同坡度對(duì)下肢關(guān)節(jié)地面反作用力，對(duì)探尋各關(guān)節(jié)在不同坡度跑時(shí)關(guān)節(jié)貢獻(xiàn)度有重要意義。Roberts 等人［24］對(duì)15 名女子長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)員在0°、-5°、-10°、-15° 4 種坡度上的下坡跑下肢關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)變化做了研究，發(fā)現(xiàn)下坡跑時(shí)沖擊力及關(guān)節(jié)載荷會(huì)隨坡度下降而增加。Devita［25］研究了10 名受試者在7 個(gè)坡度的上、下坡跑的垂直地面反作用力，發(fā)現(xiàn)與水平跑相比，下坡跑時(shí)沖擊力、制動(dòng)力峰值顯著增大，上坡跑時(shí)地面反作用力、推進(jìn)力峰值增大，下坡跑則相反。因此，通過改變做功模式的方式來克服自身體重與空氣阻力，對(duì)提高最大跑速有積極影響。

坡度的改變對(duì)下肢關(guān)節(jié)力矩、功率及關(guān)節(jié)做功影響顯著［26］。Winter［27］等人研究了11名跑者在水平路面慢跑時(shí)，下肢關(guān)節(jié)產(chǎn)生的關(guān)節(jié)力和關(guān)節(jié)做功情況，發(fā)現(xiàn)在雙足支撐階段，伸肌是下肢關(guān)節(jié)力的總力矩模式，騰空期的關(guān)節(jié)力主要來源于屈肌，以此來獲得更大的步長(zhǎng)。Robert 等人［24］研究了4 名男性受試者在0°、6°、12° 3個(gè)坡度上坡跑的地面反作用力，發(fā)現(xiàn)幾乎所有的關(guān)節(jié)做功量與坡度增加幅度成正比。Jonh等人［28］研究了13 名成年人在10°上坡和下坡跑時(shí)的關(guān)節(jié)功率，發(fā)現(xiàn)下坡跑時(shí)關(guān)節(jié)主要做負(fù)功吸收能量，上坡跑時(shí)關(guān)節(jié)主要做正功產(chǎn)生能量，而且下坡跑時(shí)主要做負(fù)功的是膝關(guān)節(jié)，其次是踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)，上坡跑則正好相反。上述研究表明，跑步坡度的適度變化對(duì)下肢三關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)影響較小，上坡跑主要做正功且髖關(guān)節(jié)貢獻(xiàn)度較高；下坡跑主要做負(fù)功且膝關(guān)節(jié)的貢獻(xiàn)度較高，關(guān)節(jié)貢獻(xiàn)度增加的同時(shí)，關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險(xiǎn)也在增加。

3 不同坡度跑對(duì)運(yùn)動(dòng)損傷的影響

跑步過程中需要足夠的關(guān)節(jié)剛度來優(yōu)化肌肉做功模式，最大程度降低肌肉骨骼損傷風(fēng)險(xiǎn)［29］。腿剛度與水平跑過程中的時(shí)空參數(shù)密切相關(guān)，垂直剛度與坡度變化時(shí)下肢關(guān)節(jié)的時(shí)空適應(yīng)性顯著相關(guān)。當(dāng)前，還有不少教練員和社會(huì)體育指導(dǎo)員會(huì)建議跑者通過穿跑鞋和佩戴保護(hù)措施的方式來緩解戶外復(fù)雜環(huán)境跑過程中對(duì)關(guān)節(jié)的損傷程度。Lussiana 等人［30］通過對(duì)比傳統(tǒng)鞋和五趾鞋在7 個(gè)坡度上的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)受試者穿兩種鞋時(shí)，步頻和關(guān)節(jié)剛度都隨坡度的增加而增大，垂直剛度不會(huì)因鞋類變化而改變，而是隨坡度增加而增加，腿剛度也不會(huì)因坡度的改變而受影響［31］。因此，坡度變化才是影響腿剛度和關(guān)節(jié)損傷程度的關(guān)鍵因素，鞋類不會(huì)對(duì)垂直剛度和腿剛度產(chǎn)生顯著影響。

過量的腿剛度可能增加持續(xù)骨骼損傷的風(fēng)險(xiǎn)，而不足的腿剛度可能增加軟組織損傷的發(fā)生率。下坡跑時(shí)膝關(guān)節(jié)貢獻(xiàn)度、剛度、沖擊負(fù)荷較水平比上坡跑時(shí)更高，因此，下坡跑時(shí)膝關(guān)節(jié)出現(xiàn)損傷的概率較高。Lima等人［32］研究了肌肉預(yù)激活對(duì)減輕肌肉損傷與跑步經(jīng)濟(jì)性之間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，肌肉預(yù)激活可以減輕運(yùn)動(dòng)引起的肌肉損傷，但不會(huì)減弱下坡跑的經(jīng)濟(jì)性變化。因此，在治療坡度變化對(duì)關(guān)節(jié)的損傷時(shí)，重點(diǎn)要關(guān)注與解決的，還是關(guān)節(jié)載荷的問題。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

坡度的高低不僅會(huì)影響跑步期間所消耗的能量，而且在不同坡度跑時(shí)，關(guān)節(jié)做功也會(huì)隨坡度的變化而變化。相較于水平跑，上坡跑、下坡跑時(shí)相對(duì)坡度若超過最佳坡度閾值，則下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)會(huì)發(fā)生顯著改變。研究發(fā)現(xiàn)，不同坡度跑時(shí)主要的關(guān)節(jié)做功與能量分配不同，主要體現(xiàn)在水平跑時(shí)由踝關(guān)節(jié)主導(dǎo)，上坡跑時(shí)髖關(guān)節(jié)主導(dǎo)及下坡跑時(shí)的膝關(guān)節(jié)主導(dǎo)。不僅如此，垂直剛度也會(huì)隨坡度的增加而增加，下坡跑時(shí)膝關(guān)節(jié)剛度、沖擊力峰值增大，其次是髖關(guān)節(jié)，也就意味著下坡跑時(shí)，膝關(guān)節(jié)承受的載荷遠(yuǎn)超于自身體重且運(yùn)動(dòng)損傷風(fēng)險(xiǎn)的概率增加，針對(duì)不同坡度跑對(duì)關(guān)節(jié)損傷的程度及預(yù)防方法沒有給予科學(xué)、統(tǒng)一的建議，未來還有待進(jìn)一步系統(tǒng)研究。

4.2 展望

研究發(fā)現(xiàn)，女性由于生理特殊性，運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)會(huì)明顯高于男性，因此，在以后的研究中要重視性別差異在不同坡度跑時(shí)的關(guān)節(jié)做功及下肢關(guān)節(jié)生物力學(xué)影響。

下坡跑時(shí)，由于膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的伸展度更大，會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的最大跑速產(chǎn)生積極影響，所以有些教練員會(huì)增加隊(duì)員的下坡跑練習(xí)，但由于關(guān)節(jié)貢獻(xiàn)度及關(guān)節(jié)剛度顯著增大，會(huì)對(duì)膝關(guān)節(jié)造成不同程度的運(yùn)動(dòng)損傷。面對(duì)這種雙難選擇，在未來的研究中，還需要針對(duì)不同人群和最佳坡度閾值進(jìn)行系統(tǒng)研究。