摘 要：為了進(jìn)一步驗(yàn)證在相同的跑步速度下，正向和背向跑步支撐階段髕股關(guān)節(jié)壓力（PFJCF）大小，選擇了8名健康的受試者在相同的速度下參與正向和背向跑步測試。采集跑步過程的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，采用逆向動(dòng)力學(xué)和PFJCF相關(guān)計(jì)算方法，結(jié)果顯示，正向跑步比背向跑步相對體重PFJCF值差異不顯著，但正向跑步比背向跑步相對體重PFJCF值略大（（3.57±0.43） BW；（3.14±0.92）BW；P>0.01）。結(jié)論認(rèn)為，在相同的跑步速度下，背向跑步可以用來作為減緩PFJCF的運(yùn)動(dòng)手段，可能歸因于背向跑步可以適當(dāng)減輕PFJCF值，由于PFJCF主要取決于膝關(guān)節(jié)肌力矩的大小，以及地面反作用力的大小。

關(guān) 鍵 詞：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)；髕股關(guān)節(jié)壓力；背向跑步；正向跑步

中圖分類號：G804.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：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

跑步已經(jīng)成為最普遍的體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目之一[1]，跑步運(yùn)動(dòng)最簡單、最方便，也最經(jīng)濟(jì)，因此，在過去幾十年間，為了追求一種健康的生活方式，跑步的人數(shù)在逐年增加，越來越多的人選擇通過跑步運(yùn)動(dòng)來鍛煉身體以及控制體重。雖然跑步運(yùn)動(dòng)具有重要的健身價(jià)值，例如通過跑步可以降低心血管系統(tǒng)疾病風(fēng)險(xiǎn)等[2]。但是，跑步運(yùn)動(dòng)帶來的損傷也不能忽視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，跑步的運(yùn)動(dòng)損傷發(fā)生率在18.2%～92.4%之間[3-5]，或者1 000 h的跑步運(yùn)動(dòng)會有6.8～59 h的運(yùn)動(dòng)損傷[6-8]。髕股疼痛綜合癥是跑步運(yùn)動(dòng)損傷中比較普遍的運(yùn)動(dòng)損傷之一[9-10]，研究發(fā)現(xiàn)，有25%的運(yùn)動(dòng)者膝關(guān)節(jié)疼痛歸因于髕股疼痛[11]，在馬拉松以及超長距離的跑步項(xiàng)目，髕股疼痛綜合癥更是比較流行[9-10]。髕股疼痛患者超負(fù)荷的運(yùn)動(dòng)最終會造成髕股關(guān)節(jié)更嚴(yán)重的慢性損傷，例如骨關(guān)節(jié)炎[12]。通過體能康復(fù)訓(xùn)練進(jìn)行的保守療法對治療髕股疼痛非常重要[13]。理想的體能康復(fù)訓(xùn)練會讓患者機(jī)體恢復(fù)到以前的功能狀態(tài)，張庭然[14]研究認(rèn)為，背向行走練習(xí)可修改神經(jīng)機(jī)制而有助于運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)，這對受損的肌肉骨骼功能再教育是有益的。當(dāng)前，在體能康復(fù)訓(xùn)練過程中，背向跑步逐漸成為正向跑步過渡階段的一種訓(xùn)練手段，其可能機(jī)制為背向跑步與正向跑步髕股關(guān)節(jié)壓力（Patella-Femoral Joint Compression Force，PFJCF）的差異。有研究認(rèn)為，背向跑步支撐階段PFJCF比正向跑步支撐階段PFJCF要小，這對保護(hù)關(guān)節(jié)軟骨的正常應(yīng)力具有重要意義[15]，但是，該研究結(jié)果可能歸因于研究者采用的背向跑步速度比正向跑步速度慢。另外一個(gè)研究發(fā)現(xiàn)，在相同且較慢的速度下，背向和正向跑步過程PFJCF大小沒有區(qū)別[16]。迄今為止，正向和背向跑步支撐階段PFJCF大小尚未有定論，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撐階段PFJCF的大小，研究成果對了解PFJCF的生物力學(xué)機(jī)制以及采用背向跑步進(jìn)行體能康復(fù)訓(xùn)練具有一定的理論價(jià)值。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

北京體育大學(xué)8名健康的體育專業(yè)大學(xué)生為研究對象，受試者的基本情況：年齡（21.50±0.53）歲、身高（172.2±3.89） cm、體重（63.2±3.72） kg。受試者近期無膝關(guān)節(jié)傷病和疼痛且均沒有受過專業(yè)的背向跑步訓(xùn)練。測試前，詳細(xì)說明該實(shí)驗(yàn)的目的、注意事項(xiàng)以及可能出現(xiàn)的問題，受試者填寫知情同意書，志愿按照實(shí)驗(yàn)要求配合工作人員進(jìn)行測試。

1.2 研究方法

要求受試者在一條10 m長的跑道上進(jìn)行正向和背向跑步，速度均為10 km/h（相當(dāng)于2.77 m/s）。使用芬蘭Photocells測速儀設(shè)定兩臺紅外發(fā)光裝置測試跑步速度，Photocells測速儀采用內(nèi)置的紅外光測量受試者的平均跑步速度，通過口頭反饋使所有受試者均達(dá)到一致的目標(biāo)速度10 km/h，取最接近目標(biāo)速度的試跑數(shù)據(jù)作為研究內(nèi)容。在測試前，先通過示范講解動(dòng)作，然后所有的受試者均給予充分的鍛煉，使其自信進(jìn)行背向跑步。運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)運(yùn)用美國Motion動(dòng)作捕捉及分析系統(tǒng)采集，通過8臺Raptor-4數(shù)字動(dòng)作捕捉鏡頭（Motion，美國）采集運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，采集頻率為200 Hz，運(yùn)用MOTION配置軟件分析逆向動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，采用雙面膠將反光標(biāo)志點(diǎn)直接粘貼在皮膚上，Motion反光點(diǎn)標(biāo)志貼放的參考模型采用Helen Hayes，運(yùn)用Kistler測力臺采集地面反作用力數(shù)據(jù)，采集頻率為1 000 Hz，沿著跑步的方向?yàn)閄軸的正方向，Y軸在水平面上垂直于X軸并指向左側(cè)，Z軸正方向豎直向上。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算與處理

膝關(guān)節(jié)角度定義為大腿坐標(biāo)系和小腿坐標(biāo)系之間的歐拉角，第一次轉(zhuǎn)動(dòng)圍繞X軸，獲得屈伸角。股四頭肌肌腱力（Fq）通過下列公式計(jì)算[15]：Fq=Mk/0.049 m，其中，F(xiàn)q是股四頭肌肌腱力，Mk是膝關(guān)節(jié)肌力矩；PFJCF（FPFJC）主要是通過股四頭肌肌腱力和髕腱與股四頭肌肌腱夾角之間的關(guān)系來計(jì)算，主要通過下列公式計(jì)算：FPFJC=2Fα·sin（β/2），其中，髕腱與股四頭肌腱夾角β是基于膝關(guān)節(jié)角度與髕股結(jié)構(gòu)角度之間的關(guān)系計(jì)算[15]。PFJCF峰值（N）是指在正向或背向跑步的支撐階段，PFJCF絕對值的最大值；PFJCF相對峰值（BW）是為了消除體重差異造成對PFJCF峰值的影響，同時(shí)，將重力的影響作用納入到計(jì)算中，對PFJCF相對峰值進(jìn)行量綱一化處理，對PFJCF相對峰值用體重倍率做標(biāo)準(zhǔn)化處理，即：PFJCF相對峰值（BW）=PFJCF峰值（N）÷9.8（N/kg）÷體重（kg），其中，BW不是物理量單位名稱，僅表力的峰值與體重比值的量；膝關(guān)節(jié)肌力矩峰值（Nm）是指在正向或背向跑步的支撐階段，人體膝關(guān)節(jié)所受拉力與拉力臂的乘積的峰值；膝關(guān)節(jié)肌力矩相對峰值（Nm/kg）是為了消除體重的差異對膝關(guān)節(jié)肌力矩峰值的影響，用膝關(guān)節(jié)肌力矩峰值除以體重，即：膝關(guān)節(jié)肌力矩相對峰值（Nm/kg）=膝關(guān)節(jié)肌力矩峰值（Nm）÷體重（kg））；觸地瞬間和離地瞬間的膝關(guān)節(jié)角度均指髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)連線的延長線和膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)連線之間的夾角；膝關(guān)節(jié)的屈伸范圍是指在正向或背向跑步支撐階段，膝關(guān)節(jié)角度最大值與最小值之間的差。對所有運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)變量指標(biāo)通過Origin8.0和Spss19.0軟件進(jìn)行常規(guī)統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行插值及歸一化處理，求出各指標(biāo)的平均數(shù)（ ）和標(biāo)準(zhǔn)差（s），顯著性水平為0.05，正向和背向跑步過程PFJCF峰值（N）、PFJCF相對峰值（BW）、膝關(guān)節(jié)肌力矩峰值（Nm）、膝關(guān)節(jié)肌力矩相對峰值（Nm/kg）、觸地瞬間膝關(guān)節(jié)角度（°）、離地瞬間膝關(guān)節(jié)角度（°）、膝關(guān)節(jié)屈伸范圍（°）等指標(biāo)的差異性檢驗(yàn)采用配對樣本的Wilcoxon符號秩和檢驗(yàn)（Wilcoxon signed-rank test）。

2 結(jié)果及分析

表1是正向和背向跑步支撐階段PFJCF相關(guān)變量表現(xiàn)特征，從表1中可以發(fā)現(xiàn)，正向跑步支撐階段PFJCF峰值為（2 280.68±296.36） N，背向跑步支撐階段PFJCF峰值為（2 011.57±597.32） N，雖然正向跑步比背向跑步支撐階段PFJCF峰值大，但是兩組PFJCF峰值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，正向和背向跑步過程PFJCF峰值差異不具有顯著性（P=0.208）；為了消除體重對測量結(jié)果的影響，進(jìn)一步計(jì)算出PFJCF相對峰值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，正向跑步支撐階段PFJCF相對峰值為3.57±0.43，背向跑步支撐階段PFJCF相對峰值為3.14±0.92，正向跑步支撐階段PFJCF相對峰值仍然比背向跑步支撐階段PFJCF相對峰值大，但二者的差異不具有顯著性（P=0.208）；正向跑步膝關(guān)節(jié)肌力矩峰值為（136.87±16.35） Nm，背向跑步膝關(guān)節(jié)肌力矩峰值為（114.40±28.02） Nm，正向跑步的膝關(guān)節(jié)肌力矩峰值要比背向跑步膝關(guān)節(jié)肌力矩峰值大，但二者的差異不具有顯著性（P=0.091）；正向跑步膝關(guān)節(jié)肌力矩相對值為（2.10±0.27） Nm/kg，背向跑步膝關(guān)節(jié)肌力矩相對值為（1.75±0.41） Nm/kg，正向跑步的膝關(guān)節(jié)肌力矩相對值要比背向跑步膝關(guān)節(jié)肌力矩相對值大，但二者的差異不具有顯著性（P=0.063）；觸地瞬間正向跑步膝關(guān)節(jié)角度為（6.13±3.21）°，背向跑步膝關(guān)節(jié)角度為（6.13±3.21）°，二者差異顯著性（P=0.012）；離地瞬間正向跑步膝關(guān)節(jié)角度為（13.16±6.67）°，背向跑步膝關(guān)節(jié)角度為（6.73±3.89）°，二者差異具有顯著性（P=0.036）；膝關(guān)節(jié)屈伸范圍正向跑步為（29.15±4.31）°，背向跑步為（33.73±5.40）°，二者差異不具有顯著性（P=0.093）。

圖1是正向和背向跑步支撐階段PFJCF相關(guān)變量的動(dòng)態(tài)變化圖，其中，A和B是支撐階段PFJCF相對值的動(dòng)態(tài)變化圖；C和D是支撐階段膝關(guān)節(jié)肌力矩的動(dòng)態(tài)變化圖；E和F是支撐階段膝關(guān)節(jié)角度的動(dòng)態(tài)變化圖。從圖1A可以發(fā)現(xiàn)，正向跑步支撐階段PFJCF相對值的動(dòng)態(tài)變化呈現(xiàn)出單波峰態(tài)勢，PFJCF相對值在支撐階段逐漸增大，然后逐漸降低，PFJCF相對峰值出現(xiàn)的時(shí)機(jī)約在支撐階段的40%左右，支撐階段的70%左右，PFJCF相對值降低的趨勢比較平緩；從圖1B可以發(fā)現(xiàn)，背向跑步支撐階段PFJCF相對值的動(dòng)態(tài)變化同樣呈現(xiàn)出單波峰態(tài)勢，背向跑步支撐階段PFJCF相對峰值出現(xiàn)的時(shí)機(jī)約在支撐階段的60%左右；從圖1C可以發(fā)現(xiàn)，正向跑步的膝關(guān)節(jié)肌力矩峰值出現(xiàn)的時(shí)機(jī)約在支撐階段的40%左右；從圖1D可以發(fā)現(xiàn)，背向跑步的膝關(guān)節(jié)肌力矩峰值出現(xiàn)的時(shí)機(jī)約在支撐階段的60%左右；從圖1E可以發(fā)現(xiàn)，正向跑步的膝關(guān)節(jié)最大屈曲角度出現(xiàn)的時(shí)機(jī)約在支撐階段的40%左右；從圖1F可以發(fā)現(xiàn)，背向跑步支撐階段PFJCF峰值出現(xiàn)的時(shí)機(jī)約在支撐階段的60%左右；同時(shí)，正向和背向跑步支撐階段PFJCF峰值出現(xiàn)的時(shí)機(jī)均與膝關(guān)節(jié)肌力矩峰值出現(xiàn)的時(shí)機(jī)一致，并且與膝關(guān)節(jié)最大屈曲角度出現(xiàn)的時(shí)機(jī)趨于一致。

3 討論

3.1 髕股疼痛綜合癥患者在體能康復(fù)過程采用背向跑步的可能原因

髕股疼痛患者超負(fù)荷的運(yùn)動(dòng)最終會造成髕股關(guān)節(jié)更嚴(yán)重的慢性損傷，例如骨關(guān)節(jié)炎[12]等。對髕股疼痛綜合癥患者體能康復(fù)訓(xùn)練過程采用背向跑步的訓(xùn)練方式，有可能歸因于背向跑步支撐階段PFJCF要小于正向跑步支撐階段。關(guān)于背向跑步對人體健康的研究發(fā)現(xiàn)，背向跑步可以增加肌肉活性[17]、增加膝關(guān)節(jié)伸肌力量[17-18]、減小PFJCF[15]。研究認(rèn)為，通過保守療法的康復(fù)訓(xùn)練對緩解和治療髕股疼痛非常重要，理想的康復(fù)訓(xùn)練會讓患者機(jī)體恢復(fù)到以前的功能狀態(tài)[13]。在康復(fù)訓(xùn)練過程中，背向跑步已經(jīng)成為從行走到正向跑步過度階段的一種訓(xùn)練手段，F(xiàn)lynn[15]研究發(fā)現(xiàn)，在自由選擇的速度下，背向跑步比正向跑步支撐階段PFJCF小，并且伴隨著股四頭肌力量的強(qiáng)化，對具有PFJCF疼痛綜合癥的跑步者而言，背向跑步是比較好的康復(fù)手段；背向跑步比正向跑步的膝關(guān)節(jié)伸肌力矩要小，同時(shí)，背向和正向跑步膝關(guān)節(jié)屈膝角度峰值相似。但是，本研究在統(tǒng)計(jì)學(xué)a=0.05的顯著性水平上并沒有發(fā)現(xiàn)正向跑步和背向跑步支撐階段PFJCF峰值之間的區(qū)別，即正向和背向跑步的訓(xùn)練效果一樣，這與Sussman DH[16]的研究結(jié)果一致。本研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，正向跑步支撐階段PFJCF峰值表現(xiàn)出大于背向跑步支撐階段PFJCF峰值的趨勢，該趨勢與Flynn[15]的研究結(jié)果一致，并且PFJCF峰值與Sussman DH[16]的研究結(jié)果趨于一致。這在一定程度上也解釋了髕股疼痛綜合癥患者在體能康復(fù)的過程首先采用背向跑步訓(xùn)練方式的原因。

3.2 速度對正向和背向跑步支撐階段髕股關(guān)節(jié)壓力峰值的影響

對正向和背向跑步支撐階段PFJCF峰值的觀點(diǎn)不統(tǒng)一，可能歸因于研究者所選擇的跑步速度不一致。事實(shí)上，隨著跑步速度的增大，打擊力峰值、垂直方向第2峰值、制動(dòng)力峰值、加速力峰值以及三維方向力的波動(dòng)范圍也相應(yīng)增大[19]，速度對PFJCF峰值可能存在影響。Sussman DH[16]比較了10名受試者在1.0 m/s速度下正向和背向跑步支撐階段PFJCF大小，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在該速度下，背向跑步和正向跑步過程PFJCF和膝關(guān)節(jié)伸肌力矩差異不具有顯著性，在較慢的速度下，正向和背向跑步呈現(xiàn)出相似的PFJCF；本研究在Sussman DH[16]的研究基礎(chǔ)上，將正向和背向跑步的速度增加到了2.78 m·s-1，在該速度下研究發(fā)現(xiàn)，正向和背向跑步仍然呈現(xiàn)出相似的PFJCF；但是，在Flynn[15]的研究中，受試者的正向和背向跑步速度均為自我選擇的適宜速度，結(jié)果造成正向跑步支撐階段PFJCF相對峰值大約為5.6±1.3，背向跑步支撐階段PFJCF相對峰值大約為3.0±0.6；Scott和Winter[20]計(jì)算出了在3.5～5.3 m·s-1的速度下正向跑步支撐階段PFJCF相對峰值約為7.0～11.1。由此可見，速度對PFJCF的計(jì)算結(jié)果影響很大。在較低的速度下，正向和背向跑步支撐階段PFJCF峰值差異可能不具有顯著性，但是，不排除在較高的速度下二者之間差異的存在，未來需要進(jìn)一步探索在較高速度下正向和背向跑步支撐階段PFJCF峰值的差異。

3.3 正向和背向跑步支撐階段髕股關(guān)節(jié)壓力峰值的多重因素

速度雖然對PFJCF的結(jié)果影響很大，但是，由于膝關(guān)節(jié)是人體最為復(fù)雜的關(guān)節(jié)之一，所以，PFJCF還可能會受到多重因素影響。膝關(guān)節(jié)的主要構(gòu)成包括髕股關(guān)節(jié)和內(nèi)外側(cè)脛股關(guān)節(jié)。髕股關(guān)節(jié)指髕股關(guān)節(jié)面與股骨髁前面所組成的關(guān)節(jié)，它是構(gòu)成膝關(guān)節(jié)的重要部分，主要由股四頭肌、股四頭肌腱、髕骨以及髕腱等結(jié)構(gòu)組成，跑步的過程中在股四頭肌等肌肉群的共同作用下，膝關(guān)節(jié)角度不斷發(fā)生變化，髕股關(guān)節(jié)軟骨與股骨關(guān)節(jié)面之間的接觸區(qū)域存在著動(dòng)態(tài)的變化過程，股四頭肌不斷的重復(fù)收縮增大了PFJCF，并最終導(dǎo)致了髕股疼痛綜合癥[21]。PFJCF大小與股四頭肌腱力和髕腱力合力大小相等、方向相反。對于髕股疼痛患者，在運(yùn)動(dòng)過程中不斷增大的PFJCF會加重髕股疼痛，因而下肢很難從事一些簡單的運(yùn)動(dòng)，例如跑步、快走等運(yùn)動(dòng)。PFJCF可能會受到的多重影響因素主要包括：膝關(guān)節(jié)伸肌力矩、髕股力臂、股四頭肌力量以及髕腱的力量等。股四頭肌力量與膝關(guān)節(jié)伸肌力矩相關(guān)，髕腱力臂和髕腱力值取決于膝關(guān)節(jié)角度和股四頭肌力量[22]。因此，正向和背向跑步支撐階段PFJCF峰值差異取決于膝關(guān)節(jié)肌力矩峰值和膝關(guān)節(jié)角度。影響膝關(guān)節(jié)肌力矩的主要因素包括地面反作用力的大小、膝關(guān)節(jié)相對地面反作用力向量的位置以及下肢環(huán)節(jié)角加速度，未來需要進(jìn)一步探索影響正向和背向跑步支撐階段PFJCF峰值的多重因素。

研究認(rèn)為，在相同的跑步速度下，正向跑步比背向跑步支撐階段PFJCF峰值略大，在一定程度上解釋了髕股疼痛綜合癥患者在體能康復(fù)的過程首先采用背向跑步訓(xùn)練方式的原因，但是，PFJCF峰值差異在統(tǒng)計(jì)學(xué)上并不具有顯著性。正向和背向跑步支撐階段PFJCF峰值差異取決于地面反作用力的大小、膝關(guān)節(jié)相對地面反作用力向量的位置以及下肢環(huán)節(jié)角加速度等。在較低的速度下，PFJCF峰值差異不具有顯著性，但是，不排除在較高的速度下二者之間差異的存在，未來需要進(jìn)一步探索在不同速度下正向和背向跑步支撐階段PFJCF峰值的差異。

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