不同坡度跑对下肢关节生物力学影响的研究进展

赵亚萍 陈卓 刘世超

(西北师范大学体育学院 甘肃兰州 730070)

不同坡度跑对下肢关节做功及损伤程度不同，坡度是影响关节承受负荷的重要因素［1］。据统计，2019年在我国共举办马拉松及相关路跑赛事1 828场，累计参赛712.56万人次［2］。目前关于该领域的研究主要聚焦于水平路面，究其原因可能是当下主流的跑步项目大多为公路赛。短距离10km 跑、山地越野跑、马拉松等项目对跑者的心理和生理都提出极高的要求，但这也正是其魅力所在［3］。跑步期间下肢关节承受的垂直力可能高达自身体重的3 倍左右［4］。异常外力对人体器官和组织的力学负荷会增加跑者骨骼变形的概率和运动损伤状况的发生，特别是膝关节和踝关节处较为多见。

坡度的改变，会显著改变跑步过程中的生物力学参数和做功模式，人体对跑步坡度改变的生物力学适应主要体现在下肢三关节协调控制策略的改变。在训练实践中，能否对特定下肢关节进行专项强化训练，优化下肢关节肌肉能量输出占比，进而提高特定坡度条件下的运动表现，对于提高运动员比赛成绩至关重要（见图1）。

图1 不同坡度跑对下肢生物力学参数的影响

1 不同坡度跑对下肢关节的运动学影响

不同坡度跑的运动学差异主要体现在步态的时空参数、下肢关节角度和重心垂直位移方面。Okudaira等人［5-6］比较了13 名短跑运动员在水平和上坡条件下的下肢关节运动学和重心能量学。研究发现，支撑期不受坡度的影响，与水平跑相比，上坡跑期间下肢步态参数的腾空期和步长明显缩短；减少了重心负功，并增加了重心正功；且上坡跑时踝关节屈曲程度更大、膝关节和髋关节角度及伸展角度更大；在上坡跑支撑期结束时，髋关节外展角度更大，骨盆摆动腿一侧抬高更多［4］。此外，还发现上坡跑更倾向于使用前脚掌脚着地模式，以此来增加上坡跑的速度。

1.1 上坡跑对下肢关节运动学影响

不同坡度条件下，步频和步长的改变是为了更好地应对环境变化后的生物力学适应。上坡跑时步频的增加和步长的缩短，可减少跑步过程中髋、膝关节的工作负担，并有可能预防常见的跑步相关伤害。GianLuca 等人［7］通过对跑步机坡度进行调节，对19 名有跑步机使用经验的受试者在0°、±5°、±10°的坡面上对时空参数进行研究，发现随跑步机坡度的增加，步频逐渐增加，步长缩短，着地指数增加；张支梅等人［8］在对不同高度的研究中，也得出了相同的结论。

控制步长和步频会对下肢关节能量吸收和冲击衰减产生显著影响［9］。Heiderscheit等人［10］研究了在水平跑过程中，下肢踝、膝、髋关节因步频变化对下肢关节负荷承载和受伤风险的影响，发现步频增加时膝关节和髋关节机械能吸收较少，步频减少时，下肢三关节能量吸收会显著增加，而且制动力、重心垂直位移、步长和膝关节屈曲角度峰值会随步频增加而减少。此外，Snyder等人［11］研究了步频变化对下肢关节能量消耗产生的影响，发现缩短步长会减少膝关节在所有坡度上的吸收能量，增加步长会导致膝关节更大的能量吸收。因此，可以发现步长和步频的变化对膝关节的能量吸收影响较为显著，缩短步长可以降低所有坡度的膝关节吸收能量，在一定程度上也可降低损伤风险。

上坡跑期间通过增加踝、膝、髋关节的屈曲角度，活动范围及身体前倾角度和矢状面活动度，对提高身体稳定性和最大跑速有积极影响。Swanson 等人［12］研究并记录了12 名男性运动员在跑步机上以3°为倾斜角的上坡关节运动学，发现与水平跑相比，上坡跑双支撑阶段的下肢三关节屈曲角度显著增大，踝关节着地初期背屈增加。此外，上坡跑时推动力大于制动力，且跖屈角度增大。在对膝关节伸展范围的比较中，发现上坡跑时膝关节的伸展活动范围比水平跑时更大。因此，调整身体重心，增加关节活动度，可以作为上坡跑期间提升最大跑速的有效方式。

在对最优坡度的探寻中，结果存在一定争议。罗炯等人［13］研究了36 名北京体育大学大一体育教育专业男生在0°、±3°、±4°等坡度上的运动学特征，表明3°坡角是运动训练的最佳阈值。而Dewolf［14］在对10名健康休闲跑者在0°、±3°、±6°、±9°等坡度的能量消耗研究中，发现6°下坡跑碰撞能量损失较小，且在这个坡度阈值时，跑步的代谢能消耗较少。因此，在对此问题的研究中，结果存在分歧，仍需进一步地系统研究。

1.2 下坡跑对下肢关节运动学影响

下坡跑时腾空期增加，支撑期、着地指数减少，能量吸收与膝关节屈曲角度也会随坡度的下降而增加。Vincent 等人［15］研究了下坡跑过程中步频对下肢关节生物力学负荷能量做功的最优状态，发现步频在±5%范围时，可将能量消耗、关节载荷及冲击衰减降到最低。Baggaley 等人［16］在对步长与不同坡度跑过程中能量吸收与冲击力关系的研究中，发现缩短步长可以降低膝关节在各个坡度上的能量吸收，而增加步长会吸收更大的能量。冲击衰减会在步长较长时最大，在步长较短时较小。因此，下坡跑时由于坡度下降和惯性的作用，身体会通过增加步长和减少步频的方式适应坡度的变化，与此同时，膝关节处能量吸收和载荷率的增加也预示着损伤风险的增加。

下坡跑过程中，下肢关节角度变化表现为踝关节跖屈、膝关节、髋关节均出现更大的伸展角度。Mizrahi等人［17］在对14名男性受试者水平跑、4°下坡跑运动学的研究中发现，下坡跑膝关节的伸展角度比水平跑大很多，且在下坡跑时，膝关节的缓冲屈曲角度明显增大。Gianluca等人［18］研究也得出了相同的结论。

探究因坡度改变对下肢关节影响较小的最优坡度，结果仍存在争议。Snyder 等人［11］对15 名运动员在7 个坡度上下坡跑的机械能的研究中，发现9°下坡跑时，下肢各关节的能量吸收与生成达到最佳坡度阈值。罗炯等人发现，不论是上坡跑，还是下坡跑，3°倾斜角是最佳跑步坡度阈值。Panulo 等人［19］指出，在6°下坡跑时，各关节的能量吸收和生成碰撞角能量损失较小，此时能量代谢也最少。

下坡跑能显著提升最大跑速，这种提升是通过增加步长实现的。相较于水平跑，下坡跑的运动学参数表现为步长增大、步频减小、腾空期增加，下肢关节伸展角度增大且制动力增加。以此来缓解因坡度变化对下肢产生冲击力的影响，并对提升最大跑速有积极意义。

2 不同坡度跑对下肢关节的动力学影响

相较于水平跑，上坡跑、下坡跑期间会改变垂直地面反作用力、下肢关节力矩、功率、关节做功以及足着地模式等下肢动力学参数。Park 等人［20］在对15 名男性跑者在0°、-6°、-9° 3 个坡度上的连续10 个完整步态进行研究后，表明随坡度增加，下肢各关节均做负功，且膝关节做负功显著大于踝关节与髋关节，这将有助于髋关节最大限度地伸展。Wells 等人［21］对18 名男性马拉松运动员在0°、2°、7° 3个坡度的下肢三关节动力学参数研究中，发现上坡跑期间，地面反作用力峰值是随坡度增加而增加的。

不同足着地模式会改变关节和软组织承受的负荷，关节承受负荷的大小与损伤风险呈正相关［22］。上坡跑主要采用中足到前足过渡的着地模式，下坡跑主要采用前足着地模式。Farris等人［23］研究了10名受试者在5 个坡度上的着地模式，发现水平跑与下坡跑在初始着地时，多数人采用后足着地模式，当坡度上升到6°时，有少数受试者采用前脚掌着地模式，而坡度达到9°时，10名受试者均采用前脚掌着地模式。因此，在不同坡度跑的过程中，受试者可通过改变足着地模式的方式来获得更经济的力学表现，不仅可以最大限度地减少疲劳程度，而且还对提升运动表现有积极意义。

研究不同坡度对下肢关节地面反作用力，对探寻各关节在不同坡度跑时关节贡献度有重要意义。Roberts 等人［24］对15 名女子长跑运动员在0°、-5°、-10°、-15° 4 种坡度上的下坡跑下肢关节动力学变化做了研究，发现下坡跑时冲击力及关节载荷会随坡度下降而增加。Devita［25］研究了10 名受试者在7 个坡度的上、下坡跑的垂直地面反作用力，发现与水平跑相比，下坡跑时冲击力、制动力峰值显著增大，上坡跑时地面反作用力、推进力峰值增大，下坡跑则相反。因此，通过改变做功模式的方式来克服自身体重与空气阻力，对提高最大跑速有积极影响。

坡度的改变对下肢关节力矩、功率及关节做功影响显著［26］。Winter［27］等人研究了11名跑者在水平路面慢跑时，下肢关节产生的关节力和关节做功情况，发现在双足支撑阶段，伸肌是下肢关节力的总力矩模式，腾空期的关节力主要来源于屈肌，以此来获得更大的步长。Robert 等人［24］研究了4 名男性受试者在0°、6°、12° 3个坡度上坡跑的地面反作用力，发现几乎所有的关节做功量与坡度增加幅度成正比。Jonh等人［28］研究了13 名成年人在10°上坡和下坡跑时的关节功率，发现下坡跑时关节主要做负功吸收能量，上坡跑时关节主要做正功产生能量，而且下坡跑时主要做负功的是膝关节，其次是踝关节和髋关节，上坡跑则正好相反。上述研究表明，跑步坡度的适度变化对下肢三关节动力学影响较小，上坡跑主要做正功且髋关节贡献度较高；下坡跑主要做负功且膝关节的贡献度较高，关节贡献度增加的同时，关节损伤风险也在增加。

3 不同坡度跑对运动损伤的影响

跑步过程中需要足够的关节刚度来优化肌肉做功模式，最大程度降低肌肉骨骼损伤风险［29］。腿刚度与水平跑过程中的时空参数密切相关，垂直刚度与坡度变化时下肢关节的时空适应性显著相关。当前，还有不少教练员和社会体育指导员会建议跑者通过穿跑鞋和佩戴保护措施的方式来缓解户外复杂环境跑过程中对关节的损伤程度。Lussiana 等人［30］通过对比传统鞋和五趾鞋在7 个坡度上的运动学参数，发现受试者穿两种鞋时，步频和关节刚度都随坡度的增加而增大，垂直刚度不会因鞋类变化而改变，而是随坡度增加而增加，腿刚度也不会因坡度的改变而受影响［31］。因此，坡度变化才是影响腿刚度和关节损伤程度的关键因素，鞋类不会对垂直刚度和腿刚度产生显著影响。

过量的腿刚度可能增加持续骨骼损伤的风险，而不足的腿刚度可能增加软组织损伤的发生率。下坡跑时膝关节贡献度、刚度、冲击负荷较水平比上坡跑时更高，因此，下坡跑时膝关节出现损伤的概率较高。Lima等人［32］研究了肌肉预激活对减轻肌肉损伤与跑步经济性之间的关系，结果发现，肌肉预激活可以减轻运动引起的肌肉损伤，但不会减弱下坡跑的经济性变化。因此，在治疗坡度变化对关节的损伤时，重点要关注与解决的，还是关节载荷的问题。

4 结论与展望

4.1 结论

坡度的高低不仅会影响跑步期间所消耗的能量，而且在不同坡度跑时，关节做功也会随坡度的变化而变化。相较于水平跑，上坡跑、下坡跑时相对坡度若超过最佳坡度阈值，则下肢关节运动学、动力学参数会发生显著改变。研究发现，不同坡度跑时主要的关节做功与能量分配不同，主要体现在水平跑时由踝关节主导，上坡跑时髋关节主导及下坡跑时的膝关节主导。不仅如此，垂直刚度也会随坡度的增加而增加，下坡跑时膝关节刚度、冲击力峰值增大，其次是髋关节，也就意味着下坡跑时，膝关节承受的载荷远超于自身体重且运动损伤风险的概率增加，针对不同坡度跑对关节损伤的程度及预防方法没有给予科学、统一的建议，未来还有待进一步系统研究。

4.2 展望

研究发现，女性由于生理特殊性，运动时运动风险会明显高于男性，因此，在以后的研究中要重视性别差异在不同坡度跑时的关节做功及下肢关节生物力学影响。

下坡跑时，由于膝关节和髋关节的伸展度更大，会对运动员的最大跑速产生积极影响，所以有些教练员会增加队员的下坡跑练习，但由于关节贡献度及关节刚度显著增大，会对膝关节造成不同程度的运动损伤。面对这种双难选择，在未来的研究中，还需要针对不同人群和最佳坡度阈值进行系统研究。