正向和背向跑步支撑阶段髌股关节压力的比较

    

    

    

    摘 要：为了进一步验证在相同的跑步速度下，正向和背向跑步支撑阶段髌股关节压力（PFJCF）大小，选择了8名健康的受试者在相同的速度下参与正向和背向跑步测试。采集跑步过程的运动学和动力学数据，采用逆向动力学和PFJCF相关计算方法，结果显示，正向跑步比背向跑步相对体重PFJCF值差异不显著，但正向跑步比背向跑步相对体重PFJCF值略大（（3.57±0.43） BW；（3.14±0.92）BW；P>0.01）。结论认为，在相同的跑步速度下，背向跑步可以用来作为减缓PFJCF的运动手段，可能归因于背向跑步可以适当减轻PFJCF值，由于PFJCF主要取决于膝关节肌力矩的大小，以及地面反作用力的大小。

    关 键 词：运动生物力学；髌股关节压力；背向跑步；正向跑步

    中图分类号：G804.6 文献标志码：A 文章编号：1006-7116（2015）05-0139-06

    Abstract： In order to further verify the magnitudes of patellofemoral joint compression forces （PFJCF） produced at the supporting stage of forward or backward running at the same speed， the author selected 8 healthy testees to participate in the test of forward and backward running at the same speed， collected kinematic and dynamic data of the running process， adopted inverse dynamic and PFJCF related calculation methods， and revealed the following findings： the difference between the ratio of PFJCF to body weight measured during forward running and the ratio of PFJCF to body weight measured during backward running was not significant， but the ratio of PFJCF to body weight measured during forward running was slightly greater than the ratio of PFJCF to body weight measured during backward running. （（3.57±0.43） BW； （3.14±0.92） BW； P>0.01）. The author concluded that at the same running speed， backward running can be used as an exercise means to alleviate PFJCF， probably because backward running can appropriately reduce PFJCF， since PFJCF is mainly determined by the magnitude of knee joint muscle torque， and the magnitude of ground reaction force.

    Key words： sports biomechanics；patellofemoral joint compression force；backward running；forward running

    跑步已经成为最普遍的体育运动项目之一[1]，跑步运动最简单、最方便，也最经济，因此，在过去几十年间，为了追求一种健康的生活方式，跑步的人数在逐年增加，越来越多的人选择通过跑步运动来锻炼身体以及控制体重。虽然跑步运动具有重要的健身价值，例如通过跑步可以降低心血管系统疾病风险等[2]。但是，跑步运动带来的损伤也不能忽视。据统计，跑步的运动损伤发生率在18.2%～92.4%之间[3-5]，或者1 000 h的跑步运动会有6.8～59 h的运动损伤[6-8]。髌股疼痛综合症是跑步运动损伤中比较普遍的运动损伤之一[9-10]，研究发现，有25%的运动者膝关节疼痛归因于髌股疼痛[11]，在马拉松以及超长距离的跑步项目，髌股疼痛综合症更是比较流行[9-10]。髌股疼痛患者超负荷的运动最终会造成髌股关节更严重的慢性损伤，例如骨关节炎[12]。通过体能康复训练进行的保守疗法对治疗髌股疼痛非常重要[13]。理想的体能康复训练会让患者机体恢复到以前的功能状态，张庭然[14]研究认为，背向行走练习可修改神经机制而有助于运动学习，这对受损的肌肉骨骼功能再教育是有益的。当前，在体能康复训练过程中，背向跑步逐渐成为正向跑步过渡阶段的一种训练手段，其可能机制为背向跑步与正向跑步髌股关节压力（Patella-Femoral Joint Compression Force，PFJCF）的差异。有研究认为，背向跑步支撑阶段PFJCF比正向跑步支撑阶段PFJCF要小，这对保护关节软骨的正常应力具有重要意义[15]，但是，该研究结果可能归因于研究者采用的背向跑步速度比正向跑步速度慢。另外一个研究发现，在相同且较慢的速度下，背向和正向跑步过程PFJCF大小没有区别[16]。迄今为止，正向和背向跑步支撑阶段PFJCF大小尚未有定论，本研究主要目的是探索在相同的跑步速度下背向和正向跑步支撑阶段PFJCF的大小，研究成果对了解PFJCF的生物力学机制以及采用背向跑步进行体能康复训练具有一定的理论价值。

    1 研究对象与方法

    1.1 研究对象

    北京体育大学8名健康的体育专业大学生为研究对象，受试者的基本情况：年龄（21.50±0.53）岁、身高（172.2±3.89） cm、体重（63.2±3.72） kg。受试者近期无膝关节伤病和疼痛且均没有受过专业的背向跑步训练。测试前，详细说明该实验的目的、注意事项以及可能出现的问题，受试者填写知情同意书，志愿按照实验要求配合工作人员进行测试。

    1.2 研究方法

    要求受试者在一条10 m长的跑道上进行正向和背向跑步，速度均为10 km/h（相当于2.77 m/s）。使用芬兰Photocells测速仪设定两台红外发光装置测试跑步速度，Photocells测速仪采用内置的红外光测量受试者的平均跑步速度，通过口头反馈使所有受试者均达到一致的目标速度10 km/h，取最接近目标速度的试跑数据作为研究内容。在测试前，先通过示范讲解动作，然后所有的受试者均给予充分的锻炼，使其自信进行背向跑步。运动学和动力学数据运用美国Motion动作捕捉及分析系统采集，通过8台Raptor-4数字动作捕捉镜头（Motion，美国）采集运动学数据，采集频率为200 Hz，运用MOTION配置软件分析逆向动力学数据，采用双面胶将反光标志点直接粘贴在皮肤上，Motion反光点标志贴放的参考模型采用Helen Hayes，运用Kistler测力台采集地面反作用力数据，采集频率为1 000 Hz，沿着跑步的方向为X轴的正方向，Y轴在水平面上垂直于X轴并指向左侧，Z轴正方向竖直向上。

    1.3 数据计算与处理

    膝关节角度定义为大腿坐标系和小腿坐标系之间的欧拉角，第一次转动围绕X轴，获得屈伸角。股四头肌肌腱力（Fq）通过下列公式计算[15]：Fq=Mk/0.049 m，其中，Fq是股四头肌肌腱力，Mk是膝关节肌力矩；PFJCF（FPFJC）主要是通过股四头肌肌腱力和髌腱与股四头肌肌腱夹角之间的关系来计算，主要通过下列公式计算：FPFJC=2Fα·sin（β/2），其中，髌腱与股四头肌腱夹角β是基于膝关节角度与髌股结构角度之间的关系计算[15]。PFJCF峰值（N）是指在正向或背向跑步的支撑阶段，PFJCF绝对值的最大值；PFJCF相对峰值（BW）是为了消除体重差异造成对PFJCF峰值的影响，同时，将重力的影响作用纳入到计算中，对PFJCF相对峰值进行量纲一化处理，对PFJCF相对峰值用体重倍率做标准化处理，即：PFJCF相对峰值（BW）=PFJCF峰值（N）÷9.8（N/kg）÷体重（kg），其中，BW不是物理量单位名称，仅表力的峰值与体重比值的量；膝关节肌力矩峰值（Nm）是指在正向或背向跑步的支撑阶段，人体膝关节所受拉力与拉力臂的乘积的峰值；膝关节肌力矩相对峰值（Nm/kg）是为了消除体重的差异对膝关节肌力矩峰值的影响，用膝关节肌力矩峰值除以体重，即：膝关节肌力矩相对峰值（Nm/kg）=膝关节肌力矩峰值（Nm）÷体重（kg））；触地瞬间和离地瞬间的膝关节角度均指髋关节与膝关节连线的延长线和膝关节与踝关节连线之间的夹角；膝关节的屈伸范围是指在正向或背向跑步支撑阶段，膝关节角度最大值与最小值之间的差。对所有运动学和动力学变量指标通过Origin8.0和Spss19.0软件进行常规统计学处理，对测试数据进行插值及归一化处理，求出各指标的平均数（ ）和标准差（s），显著性水平为0.05，正向和背向跑步过程PFJCF峰值（N）、PFJCF相对峰值（BW）、膝关节肌力矩峰值（Nm）、膝关节肌力矩相对峰值（Nm/kg）、触地瞬间膝关节角度（°）、离地瞬间膝关节角度（°）、膝关节屈伸范围（°）等指标的差异性检验采用配对样本的Wilcoxon符号秩和检验（Wilcoxon signed-rank test）。

    2 结果及分析

    表1是正向和背向跑步支撑阶段PFJCF相关变量表现特征，从表1中可以发现，正向跑步支撑阶段PFJCF峰值为（2 280.68±296.36） N，背向跑步支撑阶段PFJCF峰值为（2 011.57±597.32） N，虽然正向跑步比背向跑步支撑阶段PFJCF峰值大，但是两组PFJCF峰值的统计结果发现，正向和背向跑步过程PFJCF峰值差异不具有显著性（P=0.208）；为了消除体重对测量结果的影响，进一步计算出PFJCF相对峰值，结果发现，正向跑步支撑阶段PFJCF相对峰值为3.57±0.43，背向跑步支撑阶段PFJCF相对峰值为3.14±0.92，正向跑步支撑阶段PFJCF相对峰值仍然比背向跑步支撑阶段PFJCF相对峰值大，但二者的差异不具有显著性（P=0.208）；正向跑步膝关节肌力矩峰值为（136.87±16.35） Nm，背向跑步膝关节肌力矩峰值为（114.40±28.02） Nm，正向跑步的膝关节肌力矩峰值要比背向跑步膝关节肌力矩峰值大，但二者的差异不具有显著性（P=0.091）；正向跑步膝关节肌力矩相对值为（2.10±0.27） Nm/kg，背向跑步膝关节肌力矩相对值为（1.75±0.41） Nm/kg，正向跑步的膝关节肌力矩相对值要比背向跑步膝关节肌力矩相对值大，但二者的差异不具有显著性（P=0.063）；触地瞬间正向跑步膝关节角度为（6.13±3.21）°，背向跑步膝关节角度为（6.13±3.21）°，二者差异显著性（P=0.012）；离地瞬间正向跑步膝关节角度为（13.16±6.67）°，背向跑步膝关节角度为（6.73±3.89）°，二者差异具有显著性（P=0.036）；膝关节屈伸范围正向跑步为（29.15±4.31）°，背向跑步为（33.73±5.40）°，二者差异不具有显著性（P=0.093）。

    图1是正向和背向跑步支撑阶段PFJCF相关变量的动态变化图，其中，A和B是支撑阶段PFJCF相对值的动态变化图；C和D是支撑阶段膝关节肌力矩的动态变化图；E和F是支撑阶段膝关节角度的动态变化图。从图1A可以发现，正向跑步支撑阶段PFJCF相对值的动态变化呈现出单波峰态势，PFJCF相对值在支撑阶段逐渐增大，然后逐渐降低，PFJCF相对峰值出现的时机约在支撑阶段的40%左右，支撑阶段的70%左右，PFJCF相对值降低的趋势比较平缓；从图1B可以发现，背向跑步支撑阶段PFJCF相对值的动态变化同样呈现出单波峰态势，背向跑步支撑阶段PFJCF相对峰值出现的时机约在支撑阶段的60%左右；从图1C可以发现，正向跑步的膝关节肌力矩峰值出现的时机约在支撑阶段的40%左右；从图1D可以发现，背向跑步的膝关节肌力矩峰值出现的时机约在支撑阶段的60%左右；从图1E可以发现，正向跑步的膝关节最大屈曲角度出现的时机约在支撑阶段的40%左右；从图1F可以发现，背向跑步支撑阶段PFJCF峰值出现的时机约在支撑阶段的60%左右；同时，正向和背向跑步支撑阶段PFJCF峰值出现的时机均与膝关节肌力矩峰值出现的时机一致，并且与膝关节最大屈曲角度出现的时机趋于一致。

    3 讨论

    3.1 髌股疼痛综合症患者在体能康复过程采用背向跑步的可能原因

    髌股疼痛患者超负荷的运动最终会造成髌股关节更严重的慢性损伤，例如骨关节炎[12]等。对髌股疼痛综合症患者体能康复训练过程采用背向跑步的训练方式，有可能归因于背向跑步支撑阶段PFJCF要小于正向跑步支撑阶段。关于背向跑步对人体健康的研究发现，背向跑步可以增加肌肉活性[17]、增加膝关节伸肌力量[17-18]、减小PFJCF[15]。研究认为，通过保守疗法的康复训练对缓解和治疗髌股疼痛非常重要，理想的康复训练会让患者机体恢复到以前的功能状态[13]。在康复训练过程中，背向跑步已经成为从行走到正向跑步过度阶段的一种训练手段，Flynn[15]研究发现，在自由选择的速度下，背向跑步比正向跑步支撑阶段PFJCF小，并且伴随着股四头肌力量的强化，对具有PFJCF疼痛综合症的跑步者而言，背向跑步是比较好的康复手段；背向跑步比正向跑步的膝关节伸肌力矩要小，同时，背向和正向跑步膝关节屈膝角度峰值相似。但是，本研究在统计学a=0.05的显著性水平上并没有发现正向跑步和背向跑步支撑阶段PFJCF峰值之间的区别，即正向和背向跑步的训练效果一样，这与Sussman DH[16]的研究结果一致。本研究同时发现，正向跑步支撑阶段PFJCF峰值表现出大于背向跑步支撑阶段PFJCF峰值的趋势，该趋势与Flynn[15]的研究结果一致，并且PFJCF峰值与Sussman DH[16]的研究结果趋于一致。这在一定程度上也解释了髌股疼痛综合症患者在体能康复的过程首先采用背向跑步训练方式的原因。

    3.2 速度对正向和背向跑步支撑阶段髌股关节压力峰值的影响

    对正向和背向跑步支撑阶段PFJCF峰值的观点不统一，可能归因于研究者所选择的跑步速度不一致。事实上，随着跑步速度的增大，打击力峰值、垂直方向第2峰值、制动力峰值、加速力峰值以及三维方向力的波动范围也相应增大[19]，速度对PFJCF峰值可能存在影响。Sussman DH[16]比较了10名受试者在1.0 m/s速度下正向和背向跑步支撑阶段PFJCF大小，结果发现在该速度下，背向跑步和正向跑步过程PFJCF和膝关节伸肌力矩差异不具有显著性，在较慢的速度下，正向和背向跑步呈现出相似的PFJCF；本研究在Sussman DH[16]的研究基础上，将正向和背向跑步的速度增加到了2.78 m·s-1，在该速度下研究发现，正向和背向跑步仍然呈现出相似的PFJCF；但是，在Flynn[15]的研究中，受试者的正向和背向跑步速度均为自我选择的适宜速度，结果造成正向跑步支撑阶段PFJCF相对峰值大约为5.6±1.3，背向跑步支撑阶段PFJCF相对峰值大约为3.0±0.6；Scott和Winter[20]计算出了在3.5～5.3 m·s-1的速度下正向跑步支撑阶段PFJCF相对峰值约为7.0～11.1。由此可见，速度对PFJCF的计算结果影响很大。在较低的速度下，正向和背向跑步支撑阶段PFJCF峰值差异可能不具有显著性，但是，不排除在较高的速度下二者之间差异的存在，未来需要进一步探索在较高速度下正向和背向跑步支撑阶段PFJCF峰值的差异。

    3.3 正向和背向跑步支撑阶段髌股关节压力峰值的多重因素

    速度虽然对PFJCF的结果影响很大，但是，由于膝关节是人体最为复杂的关节之一，所以，PFJCF还可能会受到多重因素影响。膝关节的主要构成包括髌股关节和内外侧胫股关节。髌股关节指髌股关节面与股骨髁前面所组成的关节，它是构成膝关节的重要部分，主要由股四头肌、股四头肌腱、髌骨以及髌腱等结构组成，跑步的过程中在股四头肌等肌肉群的共同作用下，膝关节角度不断发生变化，髌股关节软骨与股骨关节面之间的接触区域存在着动态的变化过程，股四头肌不断的重复收缩增大了PFJCF，并最终导致了髌股疼痛综合症[21]。PFJCF大小与股四头肌腱力和髌腱力合力大小相等、方向相反。对于髌股疼痛患者，在运动过程中不断增大的PFJCF会加重髌股疼痛，因而下肢很难从事一些简单的运动，例如跑步、快走等运动。PFJCF可能会受到的多重影响因素主要包括：膝关节伸肌力矩、髌股力臂、股四头肌力量以及髌腱的力量等。股四头肌力量与膝关节伸肌力矩相关，髌腱力臂和髌腱力值取决于膝关节角度和股四头肌力量[22]。因此，正向和背向跑步支撑阶段PFJCF峰值差异取决于膝关节肌力矩峰值和膝关节角度。影响膝关节肌力矩的主要因素包括地面反作用力的大小、膝关节相对地面反作用力向量的位置以及下肢环节角加速度，未来需要进一步探索影响正向和背向跑步支撑阶段PFJCF峰值的多重因素。

    研究认为，在相同的跑步速度下，正向跑步比背向跑步支撑阶段PFJCF峰值略大，在一定程度上解释了髌股疼痛综合症患者在体能康复的过程首先采用背向跑步训练方式的原因，但是，PFJCF峰值差异在统计学上并不具有显著性。正向和背向跑步支撑阶段PFJCF峰值差异取决于地面反作用力的大小、膝关节相对地面反作用力向量的位置以及下肢环节角加速度等。在较低的速度下，PFJCF峰值差异不具有显著性，但是，不排除在较高的速度下二者之间差异的存在，未来需要进一步探索在不同速度下正向和背向跑步支撑阶段PFJCF峰值的差异。

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