跑步矢状面运动学和时空步态特征与跑步经济性的相关性研究

【作者】 陈诗琴； 杨洋； 张勤； 丁海勇； 李斐；

【机构】 上海体育学院；

【摘要】 研究目的:跑步因健身效果鲜有成效和运动模式简便易行的特点,成为全世界最流行的运动项目之一。更多的跑者通过跑步实现身心健康的目标以外,开始追求更好的运动成绩和竞技水平。因此,探究如何提高跑步耐力表现一直是运动科学领域关注的热点话题。最大摄氧量(Maximal Oxygen Uptake,VO_2max)、跑步经济性（Running Economy,RE）和乳酸阈是反应机体能量消耗和有氧工作能力的重要生理指标。目前研究发现,VO_2max是长跑运动员获得优异成绩的先决条件,跑者可以通过耐力训练增加其VO_2max水平以提高运动成绩,但当机体因长期训练表现出很高的VO_2max值时,RE可能是进一步提高耐力跑步表现的核心因素。RE是指在次极限负荷的恒定速度下跑步时每公斤体重的稳定耗氧量,被公认为能够反映在次极限负荷运动中跑者的氧耗水平,其受到多方面的影响,如遗传、人体形态、跑步步态模式、生物力学与神经肌肉等因素。众多研究显示,跑步生物力学因素对RE有重要的调节作用。一个更经济的耐力运动员,其特点是具有较少的身体质心垂直振幅,"自我优化"的步频和步长以及较低的跑步支撑阶段髋关节屈曲峰值等。然而,先前关于RE与跑步生物力学的研究较多地集中在高训练水平跑者,关于业余跑者的RE与运动学和时空步态特征之间关系的研究十分有限。基于此,在本研究中,我们旨在探究男性业余跑者的RE与下肢髋、膝、踝关节矢状面运动学和时空步态特征之间的关系。为进一步理清跑步生物力学因素调节RE的机制提供理论依据,为业余跑者训练提供新的实践方法与手段。研究方法:上海某高校招募均为后脚跟着地跑步的男性业余跑者30名(年龄:21±1岁,VO_2max:54.61±5.42ml/kg/min)。纳入标准:（1）至少2年以上的跑步经历,（2）每周跑量不少于15公里,（3）无任何心肺功能疾病史,近6个月无明显下肢损伤。所有受试者共进行了2次独立的测试。在每项测试前,要求受试者24小时内避免剧烈运动以及至少8小时的充足睡眠,使机体处于非疲劳状态,确保他们没有任何肌肉酸痛或疲劳。在第一项测试中,使用韩国Jawon身体成分测试仪测量了受试者的身体成分指标（体重、体脂、去脂体重等）,以及通过便携式气体代谢仪采集了受试者在专业跑台上以10、12km/h速度跑步下的生理学指标(RE、VO_2max等),每个速度各跑4分钟,每级速度测试间歇休息1分钟,RE根据每个速度最后1分钟所记录的平均摄氧量来确定,VO_2max取受试者力竭前最后30秒的摄氧量平均值;在第二项测试中,通过Vicon三维动作捕捉系统、三维测力跑台采集了受试者在10、12km/h跑步速度下的髋、膝、踝关节矢状面运动学指标（关节屈曲/背屈峰值角度、着地/离地时的关节屈曲/背屈角度、关节屈曲/背屈活动范围）和时空步态指标（触地时间、腾空时间、触地指数、步频和步长）,测试方案与第一项测试保持一致。本研究使用垂直地面反作用力为50N的信号来识别触地的开始和结束,均提取每个速度下最后1分钟内连续10个步态周期的优势腿（右腿）各项生物力学参数值,使用Visual3DTM三维步态分析软件进行数据处理,应用SPSS22.0对完成处理的数据进行统计学分析,并用平均值加减标准差（Mean±SD）表示,相关性分析采用皮尔逊相关分析法进行统计,相关性（r）在=0.1-0.3时定义为"小",=0.3-0.5时定义为"中等",=0.5-0.7时定义为"大",=0.7-0.9时定义为"非常大",=0.9-1.0时定义为"极大"。统计学意义设为P<0.05。研究结果:（1）测量的RE值随着跑步速度（10-12km/h）的增加而增加（40.84-47.58ml/kg/min）;（2）所招募的30名受试者在去脂体重、体脂和VO_2max等指标中均表现出较低的离散程度,说明受试者样本群体的同质性较强;（3）在跑步支撑阶段,12km/h跑速下的RE与对应触地时踝关节背屈角度（r=0.423,P=0.020）、离地时髋、膝关节屈曲角度（r=0.374,P=0.042;r=0.405,P=0.026）和髋关节屈曲峰值（r=0.381,P=0.038）呈中度相关;10、12 km/h跑速下的RE与对应支撑阶段踝关节背屈峰值（r=0.397,P=0.030;r=0.383,P=0.037）呈中度相关;（4）在跑步腾空阶段,10km/h跑速下的RE与对应腾空阶段膝关节屈曲峰值（r=0.457,P=0.011）和膝关节伸展范围（r=0.439,P=0.015）呈中度相关;12km/h跑速下的RE与对应腾空阶段髋、膝、踝关节屈曲（背屈）峰值（r=0.367,P=0.046;r=0.416,P=0.022;r=0.389,P=0.034）呈中度相关;（5）在时空步态特征上,10km/h跑速下的RE与对应触地时间（r=-0.405,P=0.027）、腾空时间（r=0.405,P=0.027）和触地指数（r=-0.451,P=0.012）呈中度相关,步频和步长与10、12km/h跑步速度下的RE均无显著相关关系。研究结论:（1）触地时较小的踝关节背屈角度,离地时较小的髋、膝关节屈曲角度,支撑阶段较低的髋、踝关节屈曲（背屈）峰值有利于改善业余跑者的RE;（2）腾空阶段髋、膝、踝关节屈曲（背屈）峰值的减少以及腾空阶段膝关节较小的伸展活动范围与更好的RE相关;（3）在时空步态特征上,低速度跑步时较长的触地时间以及通过增加触地指数可能是业余跑者提高RE的一种有效策略。更多还原