跑步机5公里跑初期与末期下肢运动学的比较分析

摘要

本研究探讨了5公里跑步机跑动过程中，下肢运动学变量在起始阶段与终末阶段之间的生物力学特征。分别在跑步机跑动的起始阶段（0.5公里）和终末阶段（5公里），利用三维运动捕捉系统采集了10名跑者的下肢运动学数据。

摘要

跑步有益于身体健康，但也常伴随多种损伤。然而，导致跑步损伤的主要因素仍不明确。本研究探讨了长距离跑步对下肢运动学参数的影响，并比较了5公里跑步过程中初始阶段（IR）与终末阶段（TR）下肢运动学的差异。十名业余跑者以10 km/h的速度在跑步机上进行跑步。分别在跑步的初始阶段（0.5 km）和终末阶段（5 km）采集动态运动学数据。实验记录了关节峰值角度、峰值角速度以及关节活动范围（ROM）。主要结果如下：在终末阶段，踝关节外翻和膝关节外展角度增加；踝关节和膝关节在冠状面的活动范围（ROM）在终末阶段大于初始阶段；与初始阶段相比，终末阶段踝关节背屈和髋关节内外旋的峰值角速度更大。这些在长距离跑步过程中发生的运动学变化，可能为探索跑步损伤潜在成因提供具体的依据。

引言

跑步是全球最受欢迎的运动。跑步的人数众多，且每年都在大幅增加¹。已有研究表明，参与包括跑步在内的规律性锻炼有助于促进健康，降低心血管疾病风险，从而提高预期寿命^2,3,4。尽管跑步具有显著的健康益处，但多年来跑步相关损伤的发生率已从25%上升至83%^5,6。跑步存在一定的风险，尤其是对下肢，主要表现为肌肉骨骼损伤⁷。大多数常见的跑步相关损伤包括髌股疼痛、踝关节扭伤、胫骨应力性骨折和足底筋膜炎⁸。跑步损伤可由多种因素引起，例如不正确的足部着地模式、不合适的跑鞋选择以及其他个体生物力学因素⁹。例如，采用足跟先着地的跑步方式可能导致更大的旋前，并伴随足部内侧更高的足底压力，这可能增加跟腱病和髌股疼痛的风险¹⁰。此外，既往研究报道，膝关节内旋幅度较大与女性跑者的髂胫束综合征相关¹¹，尤其是在进行长距离跑步时更为明显。

动力学、运动学以及时空参数能够对步态生物力学提供精确分析，目前被认为是临床步态分析的重要参数¹²。长距离跑步后，垂直地面反作用力降低，而冲击加速度增大^13,14。此外，在肌肉疲劳状态下还观察到髋关节活动幅度增大、膝关节屈曲角度减小¹⁵，而步频增加可导致步幅缩短^13,16。

然而，由于大多数研究仅在跑步结束后测量生物力学参数的变化，跑步初期和末期下肢生物力学特征的改变尚未得到充分分析。此外，仅有少数研究采用标准实验室技术来评估长距离跑步对业余跑者步态生物力学变化的影响。导致跑步损伤的主要因素仍不明确。因此，为了揭示长距离跑步引起下肢损伤的潜在原因，本研究旨在比较业余跑者在跑步机上完成5 km跑步过程中，初始跑步（IR）阶段与末期跑步（TR）阶段下肢生物力学参数的变化。

方案

已从受试者处获得书面知情同意，测试程序经大学伦理委员会批准。所有参与者均被告知试验的要求和流程。

1. 实验室准备

1. 校准过程中，关闭灯光并移除其他可能产生反射的物体。确保八台相机已正确放置，并且视野清晰无反射。
2. 打开 Vicon Nexus 1.8.5 程序，然后初始化相机。在资源面板中选择系统 | 本地系统 | MX 相机，相机将启动。
   注意：在属性面板中需要调整参数。闪光强度的数值范围调整为 0.95–1，阈值的数值范围设置为 0.2–0.4。将灰度模式设为自动。最小圆形度比设置为 0.5，增益设为 1 倍（x1），最大斑点高度设为 50，并勾选启用 LED。
3. 将 T 形架置于捕捉区域中心，选中系统中的所有相机，并使用 2D 模式。确认 T 形架处于相机视野内且无干扰点。在工具栏中选择第一项系统准备。在 T 形架下拉列表中，选择5 标记杆与 T 形架校准对象。
4. 在系统准备工具面板中，点击屏蔽相机部分下的开始按钮。然后点击校准 MX 相机部分下的开始按钮。
   注意：当校准过程完成后，进度条将恢复至0%。
5. 将 T 形架置于相机中心，以建立坐标系原点。
6. 在工具面板中，点击设置容积原点部分下的开始按钮。
7. 将跑步机置于测试区域中心。八台相机分布在跑步机周围（图 1）。
8. 提前使用双面胶带在受试者身上粘贴共 22 个反射标记点（直径：14 mm）。

图1： 测试场地布局。 受试者在跑步机上跑步时，摄像头捕捉其下肢运动。 请点击此处查看此图的放大版本。

2. 受试者准备

1. 测试前，在实验室对受试者进行访谈，并简要说明实验流程。然后让参与者填写问卷，汇总问卷结果。
   1. 使用以下问题：
      1. 您每周跑步的频率是多少？
      2. 您已经持续跑步多少年了？
      3. 在过去六个月中，您是否遭受过下肢损伤或接受过下肢手术？
      4. 您每周跑步多少公里？
2. 采用以下纳入标准：所有参与者均为右腿优势腿，且在研究开始前六个月内无任何下肢损伤。所有参与者每周至少跑步15 km。
   注意：共选取10名健康的业余女性跑者（年龄：23.4±1.3岁；身高：160.7±3.8 cm；体重：50.3±2.3 kg；跑步年限：3.2±1.2年）。
   1. 对符合纳入标准的参与者获取书面知情同意书。
3. 要求参与者穿着统一的紧身裤和长裤。
4. 记录受试者的身高（mm）、体重（kg）、下肢长度（mm）、膝宽（mm）和踝宽（mm），用于统计模型分析。
5. 在受试者以下解剖位置放置16个反光标记点：髂前上棘、髂后上棘、大腿外侧中点、膝关节外侧、小腿外侧中点、外踝、第二跖骨头和跟骨。将第二跖骨头和跟骨的标记点放置于袜子和鞋子上对应的解剖位置。
6. 指导参与者穿着统一的运动跑鞋，并进行5分钟的慢跑和拉伸热身。

3. 静态校准

1. 单击工具栏上的 数据管理 按钮，选择 数据管理。单击工具栏上的 新建数据库选项卡，选择 位置，填写试验名称和 临床模板，然后单击 创建 按钮。
2. 在 打开数据库 窗口中，选择已创建的数据库名称。在打开的界面中，单击绿色的 新建患者分类 按钮、黄色的 新建患者 按钮以及灰色的 新建会话 按钮，以创建包括受试者类型、受试者名称和不同动作状态在内的实验信息。
   1. 返回到 Nexus 窗格，在左侧工具栏中单击 受试者 以创建 新建受试者 数据集，并选择试验模型。在 属性窗格 中填写所有人体测量数据：身高（mm）、体重（kg）、下肢长度（mm）、膝宽（mm）和踝宽（mm）。
3. 单击 进入实时模式 按钮，选择 水平分割 并选择 图形 以检查 轨迹 数量。
   注意：确保所有标记点在三维透视视图中均可见。这表示所有标记点均可被捕捉用于分析。
4. 准备捕捉静态模型。在 采集工具 窗格中，单击 主体采集 区域中的 开始 按钮。
   注意：在整个数据采集过程中，受试者应在采集区域内保持静止，以采集140–200帧图像。然后单击 停止 按钮。
5. 在透视窗格中查看采集的标记点。单击 工具 窗格中的 流程 按钮，选择 运行重建流程 以生成所采集标记点的三维图像。随后手动标注静态模型。完成识别后，保存并按 ESC 键退出。
6. 在工具栏中选择受试者准备和受试者校准。从下拉列表中选择 静态插件步态 选项。在 静态设置 窗格中选择 左脚 和 右脚，单击 开始 按钮并保存静态模型。

4. 动态试验

1. 完成静态数据采集后，在右侧工具栏中选择 采集。从上至下选择 试验类型 和 会话，并填写试验描述。
2. 要求受试者按以下方式在跑步机上跑步。
   1. 以 8 km/h 的速度步行 1 分钟进行热身。
   2. 要求受试者以 10 km/h 的速度在跑步机上跑步。在此速度下适应 4 分钟后，记录 40 秒的跑步数据。分别在 0.5 km 和 5 km 处采集运动学数据。
   3. 要求受试者佩戴心率监测器，以记录心率并在跑步过程中监测其疲劳状态。
3. 在 工具采集 窗格中，点击 开始 按钮。完成动态试验数据采集后，点击 停止 结束采集。

5. 后处理

1. 打开数据管理窗口，双击试验名称。点击工具栏中的运行重建流程和标签按钮，以重建标记点位置。
2. 在透视窗口中，移动时间轴上的蓝色三角形，以设置所需的时间范围。
3. 调整时间轴视图，使其仅显示所选范围，点击时间轴，然后点击缩放到感兴趣区域。
4. 此时选择标签按钮，以识别并检查标签点，步骤与静态识别过程相同。如有必要，补充一些未完整识别的点，并删除未标记的标记。
5. 在受试者校准面板中，选择动态插件步态。点击开始按钮以运行数据。将运动试验数据以 c3d 格式导出，用于后续处理。

6. 数据分析

1. 处理运动学数据。在导出关节角度数据之前，使用截止频率为 10 Hz（运动学）的四阶低通巴特沃斯滤波器对数据进行滤波。导出关节角度数据。
2. 计算下肢关节（髋关节、膝关节和踝关节）在三个平面（矢状面、冠状面和横断面）上一个支撑相期间的活动范围（ROM）、峰值角度和峰值角速度。

7. 统计分析

1. 采用配对样本T检验比较5公里跑初始阶段（IR）与终末阶段（TR）下肢运动学参数（峰值角度、关节活动范围ROM、峰值角速度）的差异。
2. 计算每位受试者在不同跑步距离下五次有效试验的均值与标准差，显著性水平设定为 p < 0.05。

结果

结果显示，在矢状面上，踝关节和髋关节的峰值角度无显著差异。与IR相比，TR时踝关节和膝关节在冠状面上的峰值角度显著增大。与IR相比，TR时髋关节内收角度更大。然而，TR时髋关节外展、踝关节内旋和膝关节内旋的峰值角度均小于IR（图2）。

在矢状面，与TR相比，IR时踝关节和膝关节的活动范围（ROM）显著增加。在冠状面，与IR相比，TR时髋关节的活动范围显著减小，而踝关节和膝关节的活动范围在TR中较IR增大。在水平面，TR跑步时膝关节的活动范围显著低于IR，但踝关节和髋关节的活动范围在两种条件下未见显著差异（图3）。

还评估了内旋（IR）与外旋（TR）之间峰值角速度的变化。在矢状面中，整个实验过程中髋关节和膝关节的峰值角速度均无显著差异。在踝关节背屈时，TR条件下的峰值角速度较大。在支撑相期间，TR条件下的髋关节外展和膝关节外展的峰值角速度较小。髋关节内外旋的峰值角速度在TR条件下增加。在整个跑动过程中，踝关节外...

讨论

本研究比较了长距离跑步对业余跑者下肢生物力学特征的影响。研究发现，跑步5 km后，踝关节外翻峰值角度和膝关节外展峰值角度均有所增加，这与先前的一项研究结果一致¹⁷。已有研究表明，过度的踝关节外翻及外翻速度是增加踝关节损伤风险的重要因素^18,19。在5 km跑步的TR阶段膝关节活动范围（ROM）增加并不令人意外，因为已有研究显示膝关节运动学参数会受到长距离跑步的影响^15,17。

同样，膝关节在水平面内的旋转角度范围有所减小。其中一个原因可能是跑者在TR²⁰时未出现疲劳。与IR相比，TR时髋关节内旋的峰值角度更大。既往研究表明，髋关节内旋角度增加可能导致胫骨应力性骨折²¹。另有报道指出，髋关节内旋的角速度与肌肉损...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
14 mm 直径被动式反光标记点	Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK		n=22
双面胶带	Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK		用于将标记点固定在皮肤上
心率传感器	Garmin, HRM3-SS, 中国		检测疲劳状态
运动捕捉相机	Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK		n=8
T型支架	Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK		-
跑步机	Smart Run, 中国		受试者在整个过程中于跑步机上跑步
有效加密狗	Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK		Vicon Nexus 1.4.116
Vicon 数据采集站 ADC	Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK		-