跑步时运动场地表面切换对下肢生物力学特征影响的研究

跑步时运动场地表面切换对下肢生物力学特征影响的研究

研究目的:通过改变跑步过程中运动表面切换顺序来探究常见的表面切换对下肢关节的影响,通过获取实验过程中的动力学数据和运动学数据进行分析,以此来了解不同运动表面切换时对人体下肢生物力学特征的影响。本研究结果期望能为损伤预防、跑步训练指导提供理论依据,达到预防损伤的目的;同时,为跑步者在户外环境中在不同运动表面上切换跑步时提供一定的参考和建议;期望为后续相关研究提供一个可参考的新思路。

研究方法:制备2种不同的运动表面板块组合成为跑道并铺设在测力台上,运动表面厚15mm,两者分别为塑胶、水泥。本研究从北京体育大学非体育类专业中招募11名普通在校男大学生,选取北京体育大学中国运动与健康研究院的一楼实验大厅为测试场地。

运动过程中通过同步使用三维测力台(Kistler9281CA,Switzerland,1000Hz)及8镜头的高速红外光点动作捕捉系统(Motion Analysis Raptor-4,USA,200Hz)采集4组运动表面切换下受试者跑步过程中的运动学及动力学数据。数据通过Motion Analysis自带的软件Cortex2.1.0.1103的Helen-Hayes模型对采集到的受试者标志点的三维坐标数据进行识别、建模、输出原始数据以及运用Microsoft Office Excel 2010等软件进行处理。

使用截断频率为12Hz的巴特沃斯(Butterworth)低通滤波对所有反光标志点的三位坐标进行平滑。数据经SPSS 20.0统计软件包进行处理,通过单因素重复测量方差分析(one-way repeated measures ANOVA)进行统计学分析。

统计的性水平定义为一类误差概率不大于0.05。研究结果:1)着地时刻:踝关节净力矩表现出统计学差异(p=0.038);2)离地时刻:踝关节角度(p=0.008)、膝

关节角度(p=0.005)、髋关节角度(p=0.033)和膝关节净力矩(p=0.021)表现出统计学差异;3)支撑阶段:踝关节净力矩最大值(p=0.001)、踝关节净力矩最小值(p=0.002)、膝关节净力矩最小值(p=0.010)和髋关节净力矩最大值(p=0.006)都表现出统计学差异;4)关节刚度:膝关节的关节刚度(p=0.001)和踝关节屈曲最大时刻的踝关节净力矩变化量(p=0.016)表现出统计学差异;5)支撑阶段地面反作用力最大值也表现出统计学差异(p=0.029)。

研究结论:1)运动表面发生切换时比运动表面不发生切换时更易引起膝关节的关节刚度的减小,会有增加跑步者在切换运动表面过程中产生下肢关节的运动损伤的风险的可能性,尤其是膝关节的损伤风险的可能性;2)通过对膝关节的关节刚度和踝关节的关节力矩变化量的综合分析得出起跑时运动表面的硬度情况也或许成为跑步过程中造成下肢损伤的另一影响因素,跑步时在不同运动表面上切换的地面反作用力呈现差异性,且同样表现为切换到水泥地面上的地面反作用力相对更高;本研究中表现为从水泥运动表面(较硬)切换到塑胶运动表面(较软)的时候会增加下肢的运动损伤风险,同时发生运动表面切换的组别的相关数据都与不切换的组别有显著差异,且呈现损伤风险增大的趋势;3)从相同的塑胶起跑或者是水泥起跑后切换到不同运动表面上时,表现出水泥表面的下肢关节屈曲角度和力矩变化更大,可以推论此时下肢关节产生损伤风险会更高;4)跑步时在不同运动表面的切换过程中,下肢关节角度和力矩等相关动力学指标的差异都非常明显。相较于从水泥表面切换到塑胶表面上跑步,从塑胶表面(较软)切换到水泥表面(较硬)上膝关节净力矩变化量、角度变化量更大,关节刚度也更大;踝关节净力矩变化量小、角度变化量大、关节刚度较小,可以推论此时会增加造成踝关节的损伤风险。