米奕翔 郝卫亚 胡水清 王向东 苑廷刚 王清

国家体育总局体育科学研究所（北京100061）

跑步是最常见的健身项目之一，可能会带来肌肉骨骼系统损伤[1]。膝关节是最容易受伤的部位，与其相关的髌股关节痛综合征（patellar femoral pain syndrome，PFPS）和髂胫束综合征（iliotibial band friction syndrome，ITBFS）则是最常见的跑步损伤，二者的损伤率分别达到16.5%和8.40%[1]。跑步损伤率与性别有关，女性跑步者损伤率显著高于男性[2]。有研究报道，女性PFPS 和ITBFS损伤率是男性的2倍[2]。跑步损伤率的性别差异与男女之间跑步的运动学和动力学的不同有关[3-6]。有研究认为，额状面和水平面内的髋关节内收、内旋角度和膝关节外展角度差异导致女性跑步者损伤率更高，但这些研究很少关注矢状面内跑步动作的性别差异[4-7]。然而，近些年采用机器学习和数据发掘等新技术分析跑步模式（running pattern）的研究显示，男女跑步动作在矢状面内也存在差异[8-11]。例如，Clermont 等[11]用支持向量机（support vector machine，SVM）技术，发现跑步时身体重心部位的三维加速度存在性别差异。再如，Nigg[8]采用主成分（principal component analysis，PCA）和SVM 方法分析发现，跑步时足部着地和离地瞬时矢状面和冠状面运动学指标的主成分（principal component，PA）存在性别差异。Phinyomark等[9]同样采用PCA和SVM方法发现，青年跑步者足部着地和离地瞬时膝和踝关节在矢状面内主成分存在差异。值得注意的是，在采用传统运动学分析方法的文献中[4-7]，鲜有发现矢状面内存在性别差异，而且测试对象都较少，大约在20～50 名之间；相反，在发现矢状面内运动学指标存在性别差异的文献中[8-11]，都采用了机器学习和数据发掘等新技术，进行这些新技术处理分析必须有足够的数据量（即样本量和每个样本的采集数据量），所以测试对象都较多，大约在50～300 名之间。最近，Bazuelo-Ruiz 等[12]采用传统的运动学分析方法对57名跑步者的研究显示，足部着地和离地时膝和踝关节角度在矢状面内存在性别差异。所以，可能由于测试对象数目较少，导致大多数采用传统运动学分析方法的研究很少发现矢状面内跑步动作存在性别差异[4-7]。因此，需要收集较大样本量测试对象，探讨不同性别之间的跑步动作在矢状面里是否存在差异。

跑步动作中着地方式和速度都是影响跑步生物力学的重要因素[13-17]。跑步时速度、下肢关节角度、身体负载等指标都与着地方式有关。早先人类较多采用前足着地（fore-foot strike，FFS）或者平足着地（midfoot strike，MFS）方式，较少采用后足着地（rear-foot strike，RFS）方式[16]。FFS或MFS跑步可以更好地减少足部支撑阶段的地面冲击力[16]。除了着地方式外，跑步速度也是一个重要因素。Petersen 等[11]发现，随着跑步速度提高，踝关节的跖屈力矩增加比膝关节伸展力矩增加更快，提示跑步速度过快不利于预防胫骨后肌痛。尽管跑步着地方式和跑步速度都是跑步生物力学的重要研究内容，但目前仍然缺乏有关男女跑步者着地方式、不同速度下男女跑步者跑步动作是否存在差异的系统性研究。

本研究旨在探讨不同性别跑步运动员的运动学特征，进一步分析跑步速度和着地方式因素对不同性别跑步运动员运动学的影响，为增进理解不同性别跑步者损伤率的差异提供新的依据。

1 对象与方法

1.1 测试对象

测试对象为随机募集的某体育大学42 名男性和34 名女性大学生，年龄19～24 岁，跑步2～15年（平均5.72 ± 2.34年），每周平均跑步锻炼5 次，累计11 h（表1）。所有受试者在过去3 个月里没有任何运动损伤。

表1 受试者基本情况（±s）

表1 受试者基本情况（±s）

性别n女 男34 42年龄（岁）21.64 ± 1.37 22.07 ± 1.30身高（cm）166.38 ± 4.44 177.90 ± 6.21体重（kg）55.28 ± 5.09 67.70 ± 8.93

1.2 测试方案

受试者在实验前都被告知实验目的和过程，并且签署志愿书。受试者在实验前先在跑步机上行走和跑步大约3 min，热身并熟悉不同速度下跑步情况。之后更换黑色紧身服，穿着鞋码大小适合的某品牌跑步鞋，并在左腿外侧髋关节、膝关节、踝关节和鞋前后分别粘贴直径为1 cm的荧光反射点，以便进行大腿、小腿、足和鞋底在矢状面上的运动测试。完成实验准备后，受试者开始在跑步机（h/p Cosmos Mercury 4.0，德国）上分别进行10 km/h（2.78 m/s）和15 km/h（4.17 m/s）的跑步测试。跑步机速度由工作人员控制，速度依次分别缓慢增加到10 km/h和15 km/h，每个速度保持大约8 s 以便进行数据采集。采用高速摄像机（MC，500 Hz，1280*1024，德国）垂直方向拍摄跑步动作。摄像机距离跑步机约10 m，主轴高度约为1.2 m。

1.3 数据处理与统计

采用Peak Motus 9.0 软件解析跑步视频动作，定义矢状面内髋、膝、踝和足底角度，髋和膝关节屈曲、踝关节跖屈为正值（+），相应的髋和膝关节伸展、踝关节背屈为负值（—）（图1）。对于每名受试者，选取每个跑步速度时3 个步态周期（从左足着地时刻开始到左足下次着地定义为一个步态周期）进行解析、低通滤波（Butterworth，50 Hz）后获得标志点坐标。考虑到高速摄像系统的拍摄频率为500 Hz，本研究采用截断频率为50 Hz的低通滤波。通过观察视频触地时刻足部触地位置，以及计算的鞋底与水平面夹角（以下简称鞋角）大小确定受试者的着地方式。当后足跟先着地，鞋角为负，并且幅度大于1°时为RFS，其他为MFS 或者FFS[18]。这里考虑到MFS和FFS都是跖骨先着地，把二者合并为FFS[17]。

通过观察高速摄像视频中足部与跑台接触瞬时计算步态周期时间和支撑（着地）时间。最后计算步态周期时间、着地时间、步幅、关节角度和角速度等指标，并进行3 步的平均处理，作为该受试者的相应指标。步幅通过跑步速度（m/s）乘以步态周期时间（s）计算。

图1 下肢髋（α）、膝（β）、踝（γ）和鞋角（δ）关节角度示意图

利用SPSS 13.0 软件对相关指标进行混合设计三因素方差分析，对比各指标中性别（组间）、着地方式（组间）和跑步速度（组内）等因素的差异（P＜0.05）。在发现因素之间存在交互作用后，则进行进一步的简单效应检验。例如，若发现某指标中性别与速度因素发生交互作用后，则分别对两种跑步速度（10 km/h 和15 km/h）时男女之间的该指标进行独立样本t检验。数据采用平均值±均方差表示，显著性水平为P＜0.05。

2 结果

2.1 着地方式

分析结果发现，76%女性和64%男性为RFS 着地，24%女性和36%男性为FFS着地。

2.2 时空指标

与男性受试者相比，女性的支撑时间和步态周期时间都显著低于男性（P＜0.05）；RFS 受试者的支撑时间显著大于FFS（P＜0.01）；随着速度增加，支撑时间和步态周期时间都显著减小，但步幅显著增加（P＜0.01）（表2）。支撑时间和步态周期时间指标中，速度、着地方式和性别三因素之间无交互作用。然而，在步态周期步幅指标中，性别与速度存在交互作用（P＜0.05）。进一步统计分析表明，在10 km/h 跑步速度下男女间步幅无差异（P＞0.05）；但15 km/h时男女之间步幅有显著差异（P＜0.01）。

表2 步态周期时空指标比较

2.3 足部触地瞬时姿态

在足部触地瞬时，男女之间髋、膝、踝和鞋角都无显著差异（P＞0.05）；但是不同着地方式时，髋、踝和鞋角都存在显著差异（P＜0.05，P＜0.01），而膝关节角度无差异（P＞0.05）；不同速度时，髋、膝和鞋角存在显著差异（P＜0.01），但踝关节角度无差异（P＞0.05）（表3）。与10 km/h 相比，15 km/h 的触地瞬时髋和膝关节屈曲角度更大，但踝关节角度无变化。RFS 受试者触地瞬时存在4°～5°的背屈，而FFS 几乎不存在背屈或者跖屈（表3）。

此外，在鞋角指标中，着地方式与速度两因素间存在着交互作用（P＜0.05）（表3）。进一步统计分析表明，对于RFS受试者，15 km/h速度下的鞋角比10 km/h时的更大（P＜0.01），但对于FFS不存在这种差异。

表3 足部触地瞬时髋、膝、踝和鞋角比较（°）

2.4 足部离地瞬时姿态

在足部离地瞬时，与男性相比，女性的髋关节向后伸展角度更大（P＜0.01），膝关节屈曲角度更小（P＜0.05）；不同着地方式对踝关节和鞋角也都有影响（P＜0.05，P＜0.01），离地瞬时RFS比FFS踝关节跖曲角度更小；而速度则对所有角度都有影响，15 km/h 比10 km/h的离地瞬时髋关节向后伸展更多（P＜0.01）、膝关节屈曲更多（P＜0.05），踝关节则跖屈更大（P＜0.05）（表4）。

与触地瞬时一样，在离地瞬时鞋角指标中，着地方式与速度两因素也存在交互作用（P＜0.05）（表4）。进一步统计分析表明，在15 km/h 时，RFS 受试者的鞋角显著低于FFS受试者（P＜0.01），但10 km/h时二者无差异（P＞0.05）。

表4 足部离地瞬时髋、膝、踝和鞋角比较（°）

2.5 支撑阶段最大角速度

支撑阶段女性受试者的踝和鞋角最大角速度都显著大于男性（P＜0.05，P＜0.01），女性踝关节最大角速度比男性高约13%，而鞋角的最大角速度高约8%；随着跑步速度增加，踝和鞋角最大角速度也显著增加（P＜0.01）；但着地方式对踝和鞋角最大角速度没有影响（P＞0.05）（表5）。与10 km/h 相比，15 km/h 的踝和鞋角最大角速度分别高34%和36%。

表5 支撑阶段最大角速度比较（°/s）

2.6 步态周期过程角位移和角速度动态变化

在整个步态周期过程中，不同速度下男女髋、膝、踝和鞋角的角位移和角速度呈现相似的变化曲线（图2，图3）。对比可看出，在15 km/h时，女性髋关节屈伸范围最大；而膝、踝和鞋角运动范围随着跑步速度增加而增大，性别差异不明显（图2）。比较髋、膝和踝关节的角速度屈伸变化范围可看出，15 km/h 时女性最大，依次为15 km/h 男性、10km/h 女性、10km/h 男性；但男女之间的鞋角角速度差异较小，随着速度增加而相应增大（图3）。

从图3可看出，髋关节和膝关节都在摆动期角速度达到峰值，而踝关节在着地期达峰值（表5）。在10 km/h时，髋关节前屈角速度于64.4%步态瞬时达峰值，男女分别为245.6 °/s 和293.0 °/s；而膝关节的屈曲角速度大约于52.2%步态瞬时达峰值，男女分别为414.0 °/s 和455.5 °/s；膝关节的伸展角速度大约于86.2%步态瞬时达峰值，男女分别为-519.0 °/s 和-556.3 °/s。在15km/h 时，髋关节前屈角速度于64.6%步态瞬时达峰值，男女分别为397.4 °/s和430.7 °/s；而膝关节的屈曲角速度大约于49.2%步态瞬时达峰值，男女分别为544.1 °/s 和595.3 °/s；膝关节的伸展角速度大约于85.2%步态瞬时达峰值，男女分别为-661.6 °/s和-701.2 °/s。

图2 步态周期过程中不同速度条件下男女两组髋、膝、踝和鞋角（平均值）变化曲线

图3 步态周期过程中不同速度条件下男女两组髋、膝、踝和鞋角（平均值）角速度变化曲线

3 讨论

本研究通过对76名男、女大学生跑步时下肢运动学进行测试分析，旨在寻找男女跑步损伤率差异的生物力学因素。结果表明，男女跑步者跑步动作存在显著差异，主要表现在着地方式、步频和步幅、支撑阶段时间、离地瞬时髋和膝关节角度以及踝关节角速度等指标都存在显著性差异，提示跑步动作的性别差异可能是损伤率不同的一个原因。此外，跑步速度增加将对跑步动作产生影响，跑步速度变化会导致除了足部触地瞬时踝关节角度外的其他所有角度和角速度改变。

跑步生物力学通过对人体跑步过程中的运动特征和作用于人体的力进行研究，旨在提高运动成绩，探讨预测跑步损伤的生物力学参数，揭示跑步相关的运动损伤机理，进而采取相应的预防措施[1，19]。跑步损伤的生物力学因素包括力（动力学）和运动模式（运动学），跑步过程中承受过大的力或者异常的运动模式（步态）都可能增加损伤危险性[19]。多数研究认为，额状面和水平面内的髋关节和膝关节差异导致女性跑步者损伤率更高。Malinzak 等[4]对11 名男性和9 名女性跑步时的三维运动学分析表明，在支撑阶段，女性比男性膝关节的屈曲角度更小、外展角度更大，认为女性跑步时存在不同的运动控制策略。Ferber 等[3]对比20 名女性和20 名男性受试者在跑步时的三维运动学指标，发现女性受试者髋关节内收和内旋角度、膝关节外展角度更大。Almonroeder 和Benson[6]同样报道女性受试者跑步时髋关节内收和内旋角度比男性受试者更大。Chumanov 等[5]对34 名男女跑步受试者步行和跑步时三维运动学分析发现，女性受试者在非矢状面内的运动范围比男性更大，髋关节内旋和内收角度更大。只有两项研究是关于男女跑步者在矢状面的运动学差异[7，20]。Sinclair等[7]对比12名男性和12名女性以4.0 m/s跑步时动力学和运动学差异，未发现男女之间存在动力学差异；在矢状面内，女性髋关节屈曲角度在触地和离地瞬时与男性有差异。Harrison 等[20]在研究52 名不同性别和年龄受试者的跑步生物力学时发现，年轻女性组与年老男性组的触地瞬时膝关节和足关节角度存在显著性差异。本研究则发现男女受试者在不同跑步速度条件下，离地瞬时矢状面内髋、膝关节角度和踝关节最大角速度等运动指标都存在性别差异；本研究还发现，在较低跑步速度（10 km/h）时，男女步幅无显著差异，但在较高跑步速度（15 km/h）时则存在非常显著差异。以往对比性别跑步动作差异时，较少有研究发现矢状面内关节角度存在差异，可能因为受试对象较少和测试的跑步速度单一，导致很难发现显著性差异。本研究认为，在探讨跑步生物力学时，应当全面分析下肢三维运动，在额状面、水平面和矢状面内综合分析髋、膝和踝关节的运动学特征。

髌股关节痛综合征（PFPS）是由于反复过度使用引起髌股关节承受的压力增高而导致髌骨周围疼痛[21]。在膝关节屈伸过程中，髌骨在股骨滑车里上下移动时受到压力作用，压力随着屈曲角度增大而增加[21]。本研究结果发现，着地时刻膝关节角度男女之间无差异，但离地时刻女性跑步者屈曲角度更小（表3、表4）。在整个跑步过程中，女性跑步者的髋、膝关节运动范围和角速度都大于男性，该结果提示女性跑步者髌骨关节所承受的应力大于男性（图2、图3）。此外，在以15km/h 速度跑步时，女性的步幅低于男性（表2），这意味着完成同样跑步距离时女性需要更多的步态周期和髌股关节磨损次数。因此，PFPS损伤率的性别差异可能与男女下肢矢状面动作差异和步频、步幅有关。髂胫束综合征（ITBFS）是跑步损伤中仅次于PFPS 的损伤[2]。在跑步的步态周期中，膝关节在屈曲过程中，髂胫束与股骨外上髁发生摩擦，长期反复作用导致ITBFS 的发生[21]。如前所述，女性以15 km/h速度跑步时步幅比男性低，会导致步态周期和髂胫束与股骨外上髁发生摩擦次数增加，这自然会引起女性ITBFS的发生率提高。

自Lieberman 等[16]在《Nature》上发表有关跑步生物力学研究的论文以来，有关跑步着地方式优劣的讨论一直是热门话题。有学者认为，与RFS 相比，FFS 或者MFS 跑步具有3 个优势：（1）更加经济；（2）可以减少地面垂直反作用力（GRF）及其增长率；（3）可以降低跑步损伤率[17]。因此，人们试图通过改变跑步着地方式，降低特定跑步损伤（例如胫骨疲劳损伤、PFPS）的相关生物力学指标[18，22，23]。在跑步中，股骨和胫骨应力性骨折在女性中发生率更高[2]。而股骨和胫骨应力大小与下肢所承受的垂直地面反作用力（GRF）有关[17]，损伤率的性别差异可能由于男女跑步着地方式使用率不同所引起。应力性骨折与GRF频谱中10～20 Hz成分有关，而RFS 的GRF 中10～20 Hz 成分比FFS 相应要高[17]。本研究76名受试者中，76%的女性为RFS，而男性只有64%，提示更多女性承受着10～20 Hz成分的负荷。因此，跑步着地方式分布的差异可能是男女下肢骨骼应力性骨折损伤率差异的一个因素。

除了跑步着地方式外，跑步速度也是跑步生物力学的重要因素[1，24，25]。随着跑步速度增加，下肢刚度逐步增加，但不同关节呈现不同变化，踝关节刚度在一定速度范围内并不变化，快速跑步（6.5 m/s）时下肢刚度主要取决于膝关节[25]。Petersen 等[13]和Orendurff等[24]报道，跑步速度增加还会导致矢状面内的膝和踝关节负荷增加；随着跑步速度的增加，矢状面内的髋、膝和踝关节角度呈现显著变化；该结果与本研究结果相吻合。Kipp 等[14]报道，随着跑步速度增加，支撑时间减少，这也与本研究结果吻合。支撑时间减少，意味着地面反作用力增加率更高，损伤危险性自然增加。因此，Petersen 等[14]认为，适当降低跑步速度有利于避免腿后部或足底疼痛。此外，本研究所有76 名跑步者在10 km/h 时的支撑时间占总步态周期时间的38%，而15 km/h 时为32%。这意味着随着跑步速度增加，下肢负荷增加，损伤危险性也自然增大。

本研究结果显示，女性受试者的步态周期时间低于男性，表明女性的步频（1/步态周期时间）比男性更高（表2）。本研究结果还显示，性别与速度呈现交互作用；虽然男女之间身高有显著差异，但是男女受试者10 km/h 的步幅分别是1.96 m 和1.93 m，二者无显著性差异；而在15 km/h时则为2.78 m和2.69 m，二者具有非常显著性差异（表2）。该结果提示，男女两性之间在应对跑步速度增加时，呈现出不同的运动策略。Orendurff等[24]也曾报道，跑步速度影响下肢运动学和动力学，可能在较小速度范围内存在不同的环节动力学策略。该研究跑步速度为2.6 m/s～3.7 m/s，正好与本研究跑步速度（2.78 m/s和4.17 m/s）相近，但该研究仅有12名（6男6女）受试者，未分析性别间的差异[24]。

本文研究实验设计和测试指标选择方面都存在一些局限性。首先，本研究采用了二维运动学方法，测量分析了受试者在矢状面内下肢关节角度变化，未采用三维运动学方法。本研究采用二维方法一方面为了简化研究，另一方面考虑到在临床上矢状面内角度更易于接受[20]，并且矢状面内的运动学指标可以较好地预测动力学指标[24，25]。其次，本文研究指标未涉及到地面反作用力、关节力矩等动力学指标，也未引入反映跑步时下肢肌肉活动情况的表面肌电指标。再次，本研究受试者都是健康大学生跑步练习者，研究并未针对特定类型（如髌骨关节痛或者膝关节炎等）或者特定跑步项目（如马拉松或者1000米跑等）的跑步损伤。最后，尽管跑步机跑步也是广泛应用的健身方法，但本研究在跑步机上实验测试的结论是否可以适用于地面还有待进一步证实。

寻找运动损伤影响因素，阐明损伤机理对于损伤预防至关重要[19]。与以往研究不同的是，本研究通过测试分析较多数目的受试者，发现不同跑步速度的跑步动作，在矢状面内存在较大的性别差异，该结果为进一步研究跑步损伤的性别差异提供了新线索。本研究认为，可能不存在所谓的“最优跑步动作”，各种跑步动作都可能带来相应的损伤，应当进一步开展有关特定损伤类别与跑步动作之间的关联性研究。其次，也应当基于生物力学规律，研发更为精准化的跑步鞋，设计出针对不同性别、预防不同损伤类别的跑步鞋[25-27]。最后，应当针对不同性别跑步者，开展有关跑步技术和控制运动剂量（频次+距离）的研究，为科学预防跑步损伤提供更多依据。

4 总结

本研究结果表明，男女跑步动作存在较大差异。与男性相比，更多女性大学生采用RFS方式；女性的步频更高、步幅更小，支撑阶段时间更短；离地瞬时髋关节向后伸展角度更大，膝关节屈曲角度更小，踝关节跖屈角速度更大。本研究结果提示，跑步损伤率的性别差异可能与男女之间不同的着地方式使用率，不同的步频、步幅、步速，不同的下肢关节在矢状面内的角度和角速度差异有关。同时，男女跑步者髋、膝和踝关节最大角速度发生时间无明显差异，髋和膝关节的角速度峰值都发生在腿部腾空阶段、而踝关节的峰值发生在着地阶段。