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百家欧洲足球即时赔率:跑步不同落地模式的運動生物學分析

時間:2018-10-30 來源:中國運動醫學雜志 作者:姜嘉懌,王琳 本文字數:11271字

皇冠即时赔率网 www.471027.live   摘    要: 跑步落地模式作為影響跑步下肢運動生物力學和運動損傷的重要因素之一, 近年引起研究者的關注。本文總結了不同跑步落地模式對人體下肢的運動學、動力學、肌肉激活以及運動損傷的影響。目前研究發現不同的跑步落地模式在下肢運動學、動力學和肌肉激活上存在差異, 但多為矢狀面上的二維研究, 對于合并冠狀面、水平面的三維運動學、動力學的研究較少。而且, 目前針對跑步不同落地模式肌肉激活的研究相對有限, 對于轉變落地模式的生物力學機制還不夠清楚, 需要更進一步研究。

  關鍵詞: 跑步落地模式; 下肢運動生物力學; 運動損傷;
 

跑步不同落地模式的運動生物學分析

 

  跑步是一種涉及人體不同關節和不同身體部分的整合運動[1]。在跑步過程中, 跑步者需要通過神經肌肉來控制有關關節的運動以及協調這些關節運動之間的關系, 獲得最大的跑步效率。

  足是跑步者在跑步過程中唯一與地面接觸, 進行初步緩沖, 并直接提供動力的身體部分, 所以足在跑步技術中起著特殊作用, 特別是在接觸地面的過程中[2]。在中長跑運動中, 人體要承受大約相當于兩到三倍人體體重的地面反作用力 (ground reaction force, GRF) , 跑步者將反復承受這種力量的沖擊[3]。

  根據足的落地模式 (foot strike pattern) , 跑步者的跑步模式主要可分為3種:后足落地模式 (rearfoot strike, RFS) 、中足落地模 (mid foot strike, MFS) 式和前足落地模式 (forefoot strike, FFS) 。后足落地模式是足跟初始接觸地面, 超過85%的跑步者使用后足落地模式[2,4]。其余的跑步者使用的是中足落地模式和前足落地模式。中足落地模式是足跟和跖骨幾乎同時初始接觸地面, 前足落地模式是跖骨初始接觸地面[2,3,5]。由于采用中足落地和前足落地模式的跑步者較少, 所以在研究時, 一般將兩者都作為前足落地模式來進行研究, 這時所謂的前足落地指的是足接觸地面位置在踝關節的前方[2,3,4]。

  眾多的因素可以影響到落地模式, 包括跑鞋類型、跑步速度、跑步路面等。比如, 上坡跑時, 跑步者趨向于前足落地模式, 而在下坡路面跑步時, 趨向于后足落地模式[6,7]。已有研究表明, 跑步者落地模式的區別可能會影響跑步中沖擊力的傳導和引起下肢運動生物力學的改變, 進而可能會造成跑步運動損傷發生的部位和發生率不同[8]。

  1、 不同落地模式的運動學

  根據足與地面接觸的情況, 跑步的步態周期可以被劃分為支撐期、擺動期和騰空期。與步行相比, 跑步的特點在于有更快的速度和騰空期。在跑步的步態周期里, 存在兩個騰空期, 即雙足同時不接觸地面的時期。跑步支撐期的前半段與力量的吸收 (旋前) 有關, 而支撐期的后半段負責推進 (旋后) 。支撐期又可以分為初始接觸到支撐中期到腳趾離地。跑步的擺動期可以分為擺動初期和擺動末期[9]。

  一些研究對前足落地模式和后足落地模式的時空參數的區別進行了調查。跑步速度相同時, 前足落地的跑步者有更短的步長、更高的步頻和更短的接觸地面時間[10,11,12]。此時采用前足落地模式的跑步者膝關節屈曲較大, 縮短跑步者的步長[3,11,13]。對于采用前足落地模式的跑步者, 更短的步長可以減少初始接觸地面時的沖擊負荷, 跑步者在接觸地面時踝關節有更大的跖屈[14], 對應著增加了步頻[15]。增加的步頻使每一步支撐期變短[10,13,14,16,17,18]。

  在足初始接觸地面時, 采用前足落地模式的跑步者的踝關節輕微跖屈, 采用后足落地模式的跑步者的踝關節輕微背屈[10,13,14,16,17,18,19]。在初始接觸地面后, 采用后足落地模式的跑步者的踝關節有一個快速的跖屈[15,20,21,22,23,24,25]。相比之下, 采用前足落地模式的跑步者, 在初始接觸地面后踝關節出現背屈[3,14,26,27,28,29]。

  踝關節在不同落地模式中的運動學變化是導致膝關節和髖關節運動學變化的重要原因之一[11]。當跑步者采用前足落地模式時, 踝關節接觸地面時跖屈, 落地時踝關節更直接地落在身體重心的下方[3,11,30]。

  與采用前足落地模式的跑步者相比, 采用后足落地模式的跑步者在矢狀面上有較小的踝關節背屈活動度, 較大的膝關節活動度和較大的髖關節活動度[31]。在前足落地模式中更大的踝關節背屈活動度被認為與前交叉韌帶負荷的降低有關, 前足落地模式跑步者的前交叉韌帶損傷風險可能因此會降低[32]。但也有研究顯示, 在控制步頻時, 前足落地模式和后足落地模式在膝關節活動度上無顯著差異[33]。

  在后足落地模式中膝關節有較大的活動度, 有可能是在采用后足落地模式時, 步長較長導致踝關節活動度降低和繼而膝關節活動度增加的結果[34]。與此相反, 采用前足落地模式的跑步者展現出更短的步長, 可能導致更大的踝關節活動度以及膝關節活動度的降低[35]。

  另外有研究發現, 在相同距離的條件下, 與采用前足落地模式的跑步者相比, 采用后足落地模式的跑步者存在更大的腰椎活動范圍[36]。在完成相同距離跑步時, 采用后足落地模式的跑步者平均速度較慢[37]。

  2、 不同落地模式的動力學

  一些研究調查了前足落地模式和后足落地模式的動力學特征。與前足落地模式相比, 后足落地模式會產生更高的減震[36]和更高的沖擊瞬態 (impact transient) [36]。后足落地模式存在的一個沖擊瞬態, 被定義為在支撐期初始的50 ms, 垂直方向地面反作用力出現的一個尖峰[3]。在后足落地模式中出現的沖擊瞬態被認為有重要的臨床意義[3]。

  前足落地模式有更高的最大峰值力, 后足落地模式有更高的負荷比率[38]。后足落地模式有更高的垂直方向的負荷比率可能是由于后足落地在初始接觸地面時出現的沖擊瞬態[3,38,39]。前足落地模式有更高的垂直方向的最大峰值力, 可能是因為前足落地模式的接觸地面時間短[38]。

  一項關于前足落地模式和后足落地模式的三維生物力學分析顯示, 無論是前足落地模式還是后足落地模式, 垂直方向上的最大峰值力 (maximun peak force) 和負荷比率顯著高于前后方向或者內外方向[40]。在垂直方向上, 相較后足落地模式, 前足落地模式存在更大的髖關節、膝關節和踝關節的最大峰值力, 更小的髖關節、膝關節和踝關節的負荷比率。對于前足落地模式, 前后方向上的最大峰值力和負荷比率在膝關節較低, 但在髖關節和踝關節較高[40]。這可能是由于前足落地模式使踝關節有較高的關節壓力造成的[18,41]。

  前足落地模式的跑步者有更高的踝關節背屈力矩[27,41,42]。由于前足落地模式的落地會導致更短的步長[43,44], 因此足的落地會更接近身體的重心位置, 這有效減少了地面反作用力到髖關節、膝關節和踝關節的力臂, 從而減小了關節力矩[34]。研究也支持這一證據, 前足落地模式跑步者, 前后方向和內外方向上的最大峰值接觸力在膝關節較低, 這也決定了與后足落地模式相比, 前足落地模式的髕股關節的接觸力更小[45,46]。

  更詳細的有關跑步模式對下肢關節力矩影響的研究發現, 后足落地模式存在支撐期早期外部峰值踝關節力矩 (external ankle moments) 和膝關節屈曲力矩增加, 支撐期中后期外部峰值踝關節力矩降低。而前足落地模式會導致在支撐期中后期的外部峰值踝關節背屈力矩增加[31,41,46]。外部踝關節力矩增加與支撐期吸收階段踝關節能量吸收有關[3]。這些力矩值的變化與踝關節肌肉激活的變化有關。對于采用前足落地模式的跑步者, 腓腸肌和比目魚肌產生一個內部踝關節跖屈力矩 (internal plantarflexion moment) 來對抗外部踝關節背屈力矩的增加[46]。同樣, 對于采用后足落地模式的跑步者, 外部踝關節跖屈力矩的增加需要跑步者的脛骨前肌產生一個內部踝關節背屈力矩[46]。

  3、 不同落地模式的肌肉激活

  一項研究表明, 在初始接觸地面前激活踝關節跖屈肌肉 (腓腸肌) 的時間上, 采用前足落地模式的跑步者比采用后足落地模式的跑步者早11%激活, 并且在支撐期的激活時間上, 比采用后足落地模式的跑步者長10%[19]。踝關節跖屈肌肉在接觸地面前的預激活, 可以增加跟腱的張力, 進而吸收接觸地面時的沖擊[13,15,47]。踝關節跖屈肌肉更早地被激活不僅可以跖屈踝關節為接觸地面做準備, 還可以增加支撐期開始階段踝關節周圍結構儲存彈性能量的能力[3,12,26,48]。在足初始接觸地面之前, 腓腸肌被激活, 產生肌肉收縮。對于采用前足落地模式的跑步者, 落地時受到的力會立刻受到更早、更長時間激活的腓腸肌的對抗, 這會幫助穩定踝關節, 并且使跟腱負荷率平穩[49]。

  前足落地模式和后足落地模式在跑步支撐期的能量吸收機制有所不同[18,50]。對于后足落地模式, 通過足底筋膜的松弛和足踝周圍的結構一起實現對能量的吸收, 并將力傳遞到近端骨骼, 這個過程由脛骨前肌的離心收縮控制足底筋膜協助[3,18,51]。接下來脛骨外旋, 腓腸肌內側頭激活聯合跖趾關節伸展, 啟動絞盤機制 (windlass mechanism) , 拉緊足底筋膜和足踝使足蹬地推進[3,27,52,53,54]。前足落地模式則是通過足底筋膜和下肢關節伸肌的離心收縮來實現能量吸收[18,50]。前足落地模式需要一個更硬的足踝[3,18], 因此它需要足的縱弓和足底筋膜具有一定張力。另外, 吸收的能量會在接下來推進的階段使用, 通過拉長收縮機制, 增加在跑步中肌肉肌腱單元的機械效率。

  一項對比了前足落地模式和后足落地模式肌肉活動的研究顯示, 與后足落地模式相比, 前足落地模式的脛骨前肌的肌肉活動更低, 而腓腸肌內側頭的肌肉活動更高[55]。另外, 最近一項研究顯示, 對于后足落地模式, 脛骨前肌存在更多的肌肉活動, 而對于前足落地模式, 腓腸肌和比目魚肌存在更多的肌肉活動[56]。

  4、 不同落地模式和運動損傷

  有研究顯示, 每年跑步者跑步損傷的發生率在30%到75%之間[57,58]。有一半的跑步者在發生骨骼肌肉損傷后, 有50%再次受傷的幾率[59]。

  引起跑步損傷的因素是多方面的, 包括內在因素和外在因素。內在因素包括人體生物力學的異常, 之前的損傷病史、性別、身體質量指數 (BMI) ;外在因素包括跑鞋的類型、靈活性、核心力量或者訓練強度[57,58,60,61,62,63,64,65]。由于足是跑步者在跑步過程中唯一與地面接觸, 并直接提供動力的身體部分, 所以跑步過程中足的落地模式至關重要。如上所述, 跑步落地模式會影響跑步中沖擊力的傳導和下肢生物力學的改變, 進而造成運動損傷發生部位和發生率的不同[8]。

  一項在2012年完成的研究發現, 習慣后足落地模式跑步者的反復壓力損傷發生率比習慣中足落地模式和前足落地模式的跑步者高2.5倍[8]。即使身體可以適應這種壓力, 但是超過組織極限的重復性壓力也會使運動員處于一種過度損傷的風險中[66]。但是也有研究認為在前足落地模式上, 垂直方向的地面反作用力增加, 可能使跑步者處于更高的過度使用損傷的風險中[66]。這一研究結果是基于另一種研究假設, 即更高的垂直方向的地面反作用力與更高的過度使用損傷風險密切相關[3]。一項回顧性研究表明, 對于越野跑跑步者, 前足落地模式比后足落地模式的損傷率低[8]。

  一項關于前足落地模式和后足落地模式的3D生物力學分析表明, 前足落地模式更適合于膝關節在前后軸上不穩定的跑步者, 后足落地模式更適合于踝關節不穩定的跑步者。由于前足落地模式在膝關節有更低的髕股關節接觸力, 所以它被更多地推薦給有不穩定前交叉韌帶、膝關節前側疼痛和膝關節軟骨退化的跑步者[40]。

  5、 轉變落地模式對下肢生物力學以及運動損傷的影響

  盡管75%到99%的跑步者使用后足落地模式[2,67,68], 但很多研究者依舊提倡跑步者使用更向前的落地模式。

  中足落地模式和前足落地模式的跑步者, 支撐期沒有后足落地模式支撐期出現的峰值沖擊, 所以, 當跑步者從后足落地模式轉為前足落地模式時, 可以減輕跑步者髕骨和股骨的壓力, 緩解脛前應力綜合征[69]。

  與前足落地模式相比, 后足落地模式的跑步者由于吸收力的區域不同, 有更高的損傷率。一項調查顯示, 使用前足落地模式的跑步者踝關節吸收更多的力, 膝關節吸收更少的力[70]。使用后足落地模式的跑步者相反, 其膝關節吸收更多的力, 而踝關節吸收更少的力。因此, 推薦有膝關節疼痛的跑步者采用前足落地模式[40]。

  很多研究已經證實, 選擇后足落地模式或者中足落地模式并不能改變接觸過程中的總力, 它只是將力傳遞到不同的關節和肌肉:中足落地模式和前足落地模式在足弓和小腿吸收力量, 而后足落地模式則在膝關節和膝關節周圍的肌肉吸收更多的力量。所以, 選擇一項落地模式, 并不會改變接觸地面產生的總力, 它只是改變了身體吸收力量的位置。轉變落地模式時需要考慮構建合適的肌肉激活模式來使運動損傷風險最小化[19]。

  受到前足落地模式在職業跑步者中十分流行的影響, 大部分業余跑步者將習慣的后足落地模式轉為前足落地模式[2,67,68]。當習慣后足落地模式的跑步者, 被訓練轉為前足落地模式時, 可以觀察到, 這些跑步者有能力復制出前足落地模式在矢狀面上應有的力學機制。當他們轉為前足落地模式時, 總的正平均功率和負平均功率分別增長了17%和9%。這種增長可能與肌肉增加做功有關, 這可能會降低跑步成績[41]。

  當習慣后足落地模式的跑步者轉為前足落地模式時, 腓腸肌和比目魚肌肌肉力量的薄弱會增加跑步者的損傷風險。當習慣前足落地模式的跑步者轉為后足落地模式時, 脛骨前肌肌肉力量的薄弱會增加跑步者的損傷風險[31]。研究表明, 采用后足落地模式跑步者的小腿肌肉會限制他們適應前足落地模式[27]。在適應前足落地模式的過程中, 跑步者要經歷明顯的小腿肌肉疲勞和延遲性肌肉酸痛[41]。因此是否轉變落地模式, 取決于哪個關節正在承擔著過度的負荷。

  研究表明, 采用前足落地模式的跑步者會對踝關節額外增加約1.3倍體重的負荷[42], 這意味著從后足落地模式轉變為前足落地模式的跑步者, 必須考慮踝關節的一些損傷因素。比如跑步者必須提前增加踝關節的靈活度來適應前足落地模式所必要的活動度。如果跑步者不具備足夠的踝關節活動度, 那么重復的應力可能會導致損傷[66]和前交叉韌帶的問題[32]。而后足落地模式更高的瞬時和平均負荷比率可能導致脛骨應力性骨折[71]。

  6、 小結

  以往研究表明前足落地模式和后足落地模式在下肢運動學、動力學和肌肉激活上存在差異, 不同的跑步落地模式會影響運動損傷的發生率及損傷發生部位。然而, 對于不同跑步落地模式的下肢運動學、動力學的研究多為矢狀面上的二維研究, 對于合并冠狀面、水平面的三維運動學、動力學的研究較少。有研究發現, 在跑步過程中, 尤其是采用前足落地模式時, 會產生相當大的橫向剪切應力, 可能進一步增加跑步損傷風險[39]。因此, 在矢狀面研究得到的結論需要更多的三維平面的研究支持。

  而且, 目前針對跑步不同落地模式肌肉活動的研究相對有限, 對于轉變落地模式的生物力學機制還不夠清楚, 需要更進一步的研究。

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