小腿惯性质量对短跑途中跑时下肢关节运动学与动力学的影响

杨 晨，于佳彬，孙宇亮，殷可意，王东海，庄 薇，刘 宇



小腿惯性质量对短跑途中跑时下肢关节运动学与动力学的影响

杨 晨1，于佳彬1，孙宇亮2，殷可意1，王东海1，庄 薇1，刘 宇1

目的：从运动学与动力学角度，考察小腿惯性质量的增加，即下肢负重对于短跑途中跑的改变，探索该训练方法对短跑生物力学特性的影响，从而为运动训练实践提供理论指导。方法：选取18名高水平男子短跑运动员作为研究对象，通过运用红外高速捕捉系统与测力系统对不同下肢负重(0%、10%、15%小腿质量)条件下的短跑途中跑动作进行测试与分析。结果：负重后的途中跑阶段，髋、踝关节屈伸运动范围减小。小腿质量15%的负重引起下肢3关节力矩与功率下降，离地时膝关节力矩升高，并且使得支撑期内踝关节吸收更多能量，摆动期内膝关节释放更多能量。结论：1)该种负重训练方法可能引发运动员技术动作特征的改变。2)下肢关节力矩、能量变化与负重位置有关，改变负重位置会导致不同关节力矩与功率的变化。应根据训练目的制定具体负重位置与质量的方案。

短跑；运动学；动力学；生物力学；关节能量贡献度

前言

在众多短跑的专项速度与力量训练中，抗阻跑训练将阻力负荷直接作用在肢体上的训练方法，得到了运动员与教练员的更多青睐[7,19]。近年来，已有大量研究证实，抗阻跑训练(resisted sprint training)对于提高运动员速度具有很大帮助[10,11,17,25,26]：Zafeiridis使用5 kg雪橇(towing a weighted sled)对11名男性受试者进行为期6周，每周3次的抗阻跑训练，发现6周后受试者0～10 m，0～20 m速度都出现显著提升[4]。Harrison和Bourke的研究也得到了类似的结论[14]。Clark的研究将大学曲棍球运动员分为3组：普通训练组、拖雪橇(towing a weighted sled)抗阻跑组以及负重背心抗阻跑组(weighted vest)，3组都进行每周2次，为期7周的训练，拖雪橇组重量为10%体重，负重背心组重量为18.5%体重。7周之后对比所有受试者18～55 m区间跑速，发现所有受试者跑速均有显著提高，然而组间的跑速并无差异[6]。但是，我们同样不能忽视这种训练方法可能存在的负面影响。短跑的途中跑阶段运动学参数的变化可能影响运动员的专项技术特征，甚至诱发运动损伤[11,22]。就此问题，2009年Bennett分析了8名运动员下肢负重短跑时髋、膝、踝3关节运动范围，结果显示负重之后并未出现显著性差异。因此他认为，这种下肢外加负荷的训练方法不会改变高水平短跑运动员技术动作。然而，受试者较少、数据指标离散程度很高等原因使得该研究还有较大提高空间[5]。

查阅相关文献可以发现，抗阻跑训练研究多集中在牵拉“降落伞”跑、牵拉重物跑、以及“负重背心”跑等方面，而对于下肢负重跑的研究凤毛麟角[8,13,23,24]。与此同时，国际上对于下肢负重动力学的研究多集中于能量消耗方面，并且大多是对下肢负重条件下走路的研究[18]。时至今日对于运动员下肢负重条件下短跑的动力学研究还从未有人进行分析，因此，该种训练方法对于运动员下肢动力学的改变我们无从知晓。

综上所述，为了探究下肢负重对于运动员短跑时技术动作以及下肢动力学的改变，本研究从运动学与动力学两个角度对小腿惯性质量增加时短跑途中跑阶段下肢的生物力学变化进行分析，评价下肢负重抗阻跑训练的利弊，最终为指导运动训练，预防运动损伤提供理论建议。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本实验选取18名男子短跑运动员作为研究对象，12人为上海体育学院短跑专项大学生，6人为清华大学短跑队队员。其中，健将级运动员4人，国家一级运动员3人，国家二级运动员11人。所有受试者于实验前接受问卷调查，确认之前24 h内未从事剧烈运动，且下肢半年内无明显损伤，解剖结构及机能正常，身体状况以及运动能力良好。

表1 本研究受试者基本情况一览表Table 1 Anthropometric Characteristics of Subjects

1.2 实验方法

1.2.1 实验仪器与场地设置

Vicon红外高速摄影系统(英国，Vicon公司)，12台MXT40摄像头，采样频率为200 Hz，软件版本为Vicon Nexus1.7.1，所用反光Marker球直径为14 mm。Kistler三维测力台(瑞士，Kistler公司)，型号9287B，面积600×900 mm2，最大侧向力和垂直力分别可达10 kN和20 kN，采样频率为1 000 Hz。通过数模转换器与Vicon系统连接并同步。测力台表面牢固地粘贴与跑道材质相同的塑胶垫，并安放于跑道测力台坑内。外加负荷为自制负重沙袋，沙袋使用韧性足够大的特制松紧带制成(图1)，沙袋外皮有拉链开口，内部使用小钢珠进行填充负荷，通过改变小钢珠的填充数量控制沙袋质量。使用胶布黏贴固定沙袋，通过多次预实验确保沙袋在运动员短跑时牢固可靠。在室内田径馆100 m跑道上为本次实验埋放3块Kistler测力台，第1块测力台起点处距离短跑起跑点40 m，确保运动员跑至测力台处已达到最大速度[2]。12台Vicon红外高速摄像镜头(型号MXT40)以测力台为中心围置在跑道两侧(图2)，标定空间大约10×2×2 m，确保能够采集运动员左腿支撑期与摆动期的完整步态周期，设定空间坐标原点位于第1块测力台角处。

1.2.2 实验流程

正式实验前，校准Vicon系统及测力台，确保3块测力台之间保持5 mm的空隙，测力台表面塑胶垫不相互依靠，不会导致水平方向力变化。之后进行拍摄范围三维空间的标定。同时根据受试者体重，基于郑秀媛2007年发表的中国成年人人体测量学数据，确定小腿质量与转动中心位置，根据小腿质量确定个性化的沙袋质量，将沙袋系于小腿矢状面内转动中心高度[3]。运动员充分热身之后安放marker球，位置如图3所示。

图1 自制负重沙袋图示Figure 1. Self-made Lower Extremity Loadings

图2 测试场地示意图Figure 2. The Setup Schematic of Testing Field

运动员起跑位置大约距离测力台40 m。运动员听从实验人员的口令，全力奔跑，通过Vicon三维拍摄区域，同时使用实验设备采集实验数据。要求受试者首先进行0%小腿质量负荷的最大速度跑，之后依次进行10%质量负荷与15%质量负荷的最大速度跑测试。每两次采集间隔足够长时间使得受试者充分恢复，每名受试者每种负荷测试采集一个有效数据。

1.2.3 数据采集与处理

根据Visual 3D软件建立骨架模型的要求，身体分为15个环节。身体重心根据每个环节的相对近端与远端的环节重心及环节测量学参数计算获得[15-16]。根据人体测量学数据髋关节的半径定义为 0.089 m，骨盆的深度定义为 0.144 m。运动学数据使用Butterworth数字滤波器进行低通滤波，截止频率设为13 Hz。地面反作用力使用Butterworth数字滤波器进行低通滤波，截止频率为72 Hz[20-21]。对于10%与15%负重条件下的数据，在Visual 3D中使用Segment Properties选项中的CUSTOM_SEG命令对模型进行小腿环节质量与转动惯量参数的修改，之后再进行计算。以左脚脚尖触地至左脚脚尖再次触地为一个完整的步态周期。支撑期为左脚脚尖接触测力台至该脚离开测力台，摆动期为左脚尖离开测力台至该脚再次着地。本实验选取左侧下肢一个完整步态周期内的数据进行计算与分析。选取的基本时空参数为：质心水平方向平均速度、步频、步长、复步时间、支撑期时间、摆动期时间。选取的运动学参数为：下肢3关节屈伸角度峰值、3关节屈伸运动范围。选取的动力学参数为：着地时刻3关节屈伸力矩、离地时刻3关节屈伸力矩、3关节屈伸力矩峰值、3关节能量吸收与释放贡献度。

对各参数按步态周期时间进行百分比标准化，关节力矩以人体质量进行标准化，本研究采用标准逆动力学方法计算下肢净关节力矩(net joint moment，NJM)，使用Darren J Stefanyshyn等人的方法[9]计算关节能量吸收与释放贡献度：

NJM与关节角速度之积为关节功率PH(t)=MH(t)·ωH(t)，关节功率的时间积分等于关节做功(WH)，分别对正功率与负功率阶段进行时间积分得到该阶段该关节处做正功总和与做负功总和。做正功即为该关节处释放能量，做负功即为该关节处吸收能量。某一阶段内，关节H所做的正功所占该阶段内髋、膝、踝所做正功之和的比例即为关节H释放能量的贡献度，关节H所做的负功所占该阶段内髋、膝、踝所做负功之和的比例即为关节H吸收能量的贡献度。下肢3关节屈伸角度的定义如图3所示：

图3 下肢3关节角度示意图Figure 3. Visualization of the Joint Angle Conventions Used for Data Analysis

1.2.4 统计学方法

2 研究结果

2.1 运动学结果

2.1.1 基础时空参数结果

受试者在3种负荷条件下的基础时空参数结果见表2。结果表明，增加负重后质心水平方向的平均速度出现了显著下降。10%负重条件下，受试者步长，步频均出现显著性下降，而15%条件下该差异不显著。支撑期时间出现上升，并且15%小腿质量负重条件下，该差异具有统计学意义。

表2 3种负荷条件下基本时空参数结果一览表Table 2 Spatial Temporal Parameters of the Subjects under Three Loading Conditions

2.1.2 下肢运动学结果

3种负荷条件下运动员途中跑的下肢运动学情况见表3。最大屈髋角度由于负重增加出现了显著下降，并且0%负重与10%、15%负重皆出现了显著性差异。最大踝跖屈角度由于负重增加也出现了下降，并且15%负重下与0%负重出现了显著性差异。活动度方面，髋关节屈伸范围由于负重增加出现了下降，并且无负重与10%、15%负重皆出现显著性差异。踝关节屈伸范围也出现了下降，15%条件下与无负重、10%负重出现显著性差异。

2.2 动力学结果

2.2.1 下肢3关节力矩与功率结果

力矩方面：负重增加之后，着地时刻的踝关节力矩出现了显著下降。离地时刻的髋关节力矩出现了显著下降。此外，伸膝力矩的第2峰值在负荷增加之后出现了下降。功率方面：只有髋关节最大向心功率在负重增加至15%小腿质量之后出现显著下降。踝关节最大向心功率在10%与15%负重条件下出现差异，负重增加至15%出现显著下降。

表3 3种负荷条件下下肢运动学结果一览表Table 3 Lower Extremity Kinematics Variables of Three Loading Conditions

表4 3种负荷条件下的动力学结果一览表Table 4 Lower Extremity Kinetics Variables of Three Loading Conditions

2.2.2 下肢3关节能量贡献度结果

表5 支撑期3种负荷条件下的3关节能量吸收与释放贡献度结果一览表Table 5 Stance Phase Relative Energy Absorbed and Generated Contribution of the Hip,Knee,Ankle Joint under Three Loading Conditions

图4 支撑期3关节能量吸收与释放贡献度示意图Figure 4. Stance Phase Relative Energy Absorbed and Generated Contribution under Three Loading Conditions

支撑期内，随着负重增加，髋关节吸收能量贡献度减小，踝关节吸收能量贡献度增大；而负重带来的能量产生改变主要在膝关节处，支撑期内膝关节释放能量的贡献度随负荷增加，先大幅减小后小幅度回升，总体来看，还是比无负重减小。

表6 摆动期3种负荷条件下的3关节能量吸收与释放贡献度结果一览表Table 6 Swing Phase Relative Energy Absorbed and Generated Contribution of the Hip,Knee,Ankle Joint under Three Loading Conditions

图5 摆动期3关节能量吸收与释放贡献度示意图Figure 5. Swing Phase Relative Energy Absorbed and Generated Contribution under Three Loading Conditions

而在摆动期内，髋、膝关节的能量释放的贡献度由于负重增加发生了显著改变。随着小腿负重的增加，髋、膝关节释放能量贡献度都显著增多。

3 讨论

众多短跑速度训练方法中，抗阻跑训练作为最广泛被教练员与运动员接受与采取的训练方法，一直以来都是体育科学与训练科学领域里的研究热点。相比拖雪橇以及降落伞抗阻跑训练会给运动员带来的躯干前倾角增大[4]，下肢外加负荷这种抗阻跑训练依照“相同动作，相同运动程序，轻微增加重量”的训练原则，其支持者认为，这种训练方法能够更加有针对性地提高运动员的下肢专项力量，从而提高运动成绩。然而，该训练方法有效性的科学理论支撑一直较为缺乏，肢体负重对于运动员下肢动力学的影响不得而知。因此，作为发展短跑运动员专项力量的常用训练方法，了解其对于下肢3大关节的动力学影响显得尤其重要。

本研究的结果显示，当小腿负重增加后，受试者步长、步频、步速均降低，并且10%负重条件下的步长与步频相较于无负重时具有显著性差异(表2)。添加负重之后，质心水平方向上的移动速度显著下降。速度的下降是由步长的下降与支撑期时间的延长造成的。从下肢运动学的角度来看(表3)，小腿负重对矢状面内3关节角度变化影响较大的是踝关节与髋关节。踝关节跖屈峰值角度在负重后减小，并且负重之后踝关节运动范围变小。然而，我们通过观察发现，该峰值跖屈角度出现在摆动期内，并且该角度变化较小，因此，相比踝关节，负重对于关节运动学更大的影响为髋关节角度。在髋关节处，脚尖离地之后髋关节伸展进行后摆。髋关节后摆达到伸髋角度峰值后，开始屈髋进行前摆，当屈髋角度达到峰值时，前摆结束。结果显示,由于负重增加了小腿质量，前摆结束时刻屈髋幅度显著减小。总体来说，负重对于关节角度的影响降低了摆动期内踝关节跖屈峰值角度与髋关节的屈髋峰值角度。由于这些峰值角度的变化，使得踝关节与髋关节的活动范围都有所降低。这样的结果与Bennett 2009年的结果出现了差异，这有可能是由于两个研究负重方式与质量不同造成的[5]。

本研究使用关节力矩、关节功率来描述特殊时刻的下肢各关节动力学情况，填补了下肢负重抗阻跑时下肢关节动力学的空白。除此之外，还选择了能量贡献度来探讨在一个步态周期之内负重对于下肢动力学的“合效应”以及能量分布的改变，以期更加准确地揭示该训练方法的生物力学机制。动力学结果显示，负重之后着地时刻的踝关节力矩、支撑期伸膝力矩第2峰值、离地时刻髋关节力矩以及髋关节向心功率峰值等全部出现显著性下降(表4)。髋、踝关节的变化可能与这两个关节的转动速度下降有关。在负重之后，复步时间变长，髋、踝关节运动范围变小，大致可以推断，关节转动速度会有所下降。与此同时，负重之后质心水平速度下降，这应该也是导致髋、踝关节力矩与功率下降的原因。2014年李晓霖对于拖拉阻力抗阻跑的研究中发现，负重之后质心水平速度下降会导致下肢3关节力矩与功率的下降[1]。这也证明了作者的推测。然而，在离地时刻，负重之后的膝关节力矩显著增大，作者推测，这应该与负重的位置有关。离地时刻膝关节处于屈膝状态，屈膝力矩使得膝关节在摆动初期进一步屈曲，“折叠”大腿与小腿。如果“折叠”幅度不够，会增大摆动半径。小腿负重之后，负重重力的作用使得“小腿”质量增大，为了达到同样的“折叠”效果，膝关节处需要产生更大力矩进行屈膝。

在本研究中，通过对3关节能量贡献度的分析，可以发现，支撑期最重要的能量吸收关节——踝关节，在负重之后吸收能量的贡献度上升，与此同时，髋关节吸收能量贡献度下降(图4)。说明了小腿的负重导致下肢3关节能量吸收分配发生变化，小腿处的负重使得踝关节在支撑期的缓冲阶段需要多吸收大约下肢4%的能量。而摆动期最重要的能量释放关节——髋关节，在负重之后释放能量的贡献度下降，然而，膝关节则需要释放更多能量来进行小腿负重之后的摆动(图5)。使用能量贡献度的方法能够让我们清楚分辨能量吸收与释放的位置与幅值[9]，同时也反映了一种训练对于关节周围肌肉力量的需求程度，关节贡献度大者即是训练的目标肌[12]。小腿的负重带来能量贡献度增加的关节，分别是支撑期内的踝关节与摆动期内的膝关节。这也提示，这种小腿负重的训练方法能够提高支撑期缓冲阶段踝关节肌肉力量与摆动期膝关节处肌肉力量。不难发现，是由于负重位置导致这样的结果，小腿处的负重主要效果作用于小腿两端的关节——踝关节与膝关节。这也说明了不同的负重位置直接决定了训练效果，如若负重改为系于大腿上，也许会带来不同的生物力学改变与训练效果，这也需要我们进一步研究。此外，需要说明的是，当负重增加时，支撑期踝关节能量吸收贡献度出现了先增高后小幅下降的情况，可是15%负重下该指标相比0%负重仍然出现增高，并且10%负重与15%负重之间并不存在显著性差异，说明负重增加之后，该指标整体趋势为增高。同时，这也说明了我们负重的选择仍然较小，如若选择更大的负重，也许会有差异更加显著的结果。

4 结论与建议

通过上述分析发现,小腿惯性质量的增加会引起短跑途中跑髋、踝关节屈伸运动范围的减小，提示这种负重训练方法有可能影响短跑运动员的途中跑技术动作。小腿质量15%的负重引起了髋、膝、踝3关节力矩与功率下降，然而，离地时刻膝关节力矩升高，并且使得支撑期内踝关节吸收更多能量，摆动期内膝关节释放更多能量。这样的结果与负重位置有关，不同负重位置会导致不同关节力矩与功率的改变，从而改变所训练的肌肉力量。

优秀短跑运动员一般拥有较为固定的适合该运动员自身的技术动作。如若发生改变，有可能会对运动表现造成不利影响。本研究对于运动学的研究结果显示，小腿负重有可能会影响运动员途中跑阶段技术动作。因此，针对高水平短跑运动员，应谨慎选取该抗阻训练方法。小腿负重相比其他抗阻跑训练方法，负重直接位于下肢，与运动结构相一致，更能针对性提高专项力量。但是，本研究结果显示，改变下肢负重位置与质量可能会带来不同的训练效果。在制定具体训练方案时，应结合训练目的来确定负重所在位置与外加负荷，从而更加贴切训练需要，提高运动员的运动表现。

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Effect of Leg Inertia Mass on Kinematics and Kinetics of Lower Limb Joint in Sprint

YANG Chen1,YU Jia-bin1,SUN Yu-liang2,YIN Ke-yi1, WANG Dong-hai1,ZHUANG Wei1,LIU Yu1

Objective:From the perspective of kinematics and dynamics,this paper investigates the increasing of leg inertia mass,namely weight-loading of lower limb on changing of sprint,explores the influence of training method on biomechanical characteristics of sprint,and provides theoretical guidance for sports training practice.Method:18 male sprinters were recruited and required to sprint with different lower extremities loading conditions (0%,10%,15% of the leg mass).The data was collected using high speed infrared motion capture system and force plates.Results:There were significant decreases in the ranges of motion of hip and ankle joints when the loads increased.15% of the leg mass loading made the joints torque and power decrease significantly,while the torque of knee significantly increased at the toe-off moment.In addition,the ankle absorbed more energy during the stance phase as well as the knee generated more energy during the swing phase.Conclusions:1) This training method might cause changes of elite sprinters’ techniques.2) The changes of the joints torque and power attribute to the location of the loadings.The changes might happen to other joints if we change the location of the loadings.Training programs should be based on personal training purposes.

sprint;kinematics;kinetics;biomechanics;jointenergycontribution

2016-01-21；

2016-04-22

国家自然科学基金项目(30871210,11372194)；上海体育学院研究生国境外访学项目(stfx20150201)。

杨晨(1991-)，男，河南洛阳人，在读硕士研究生，主要研究方向为运动生物力学； E-mail：7252yca@gmail.com ；刘宇(1959-)，男，河北张家口人，教授，博士，主要研究方向为运动生物力学理论与方法、体育工程，E-mail：yuliu@sus.edu.cn。

1.上海体育学院 运动健身科技省部共建教育部重点实验室，上海200438； 2.陕西师范大学，陕西 西安 710119 1.Shanghai University of Sport,Shanghai 200438,China;2.Shaanxi Normal University,Xi’an 710119,China.

G804.6

A

10.16469/j.css.201605006