杨蕾 李萌 刘晔 侍书琼

摘      要：采用连续小波变换分析跑步支撑相地面反作用力的时频分布特点，结合下肢刚度和下肢肌肉激活水平，探讨不同着地方式跑步时着地缓冲的神经肌肉调谐。分别采集前足（FFS）、全足（MFS）和后足（RFS）3种着地方式跑步时地面反作用力和下肢肌肉表面肌电信号。结果显示，FFS支撑相的最大小波功率和小波功率总和明显高于MFS和RFS（P<0.05）。支撑相前20%阶段，FFS表现出明显较小的最大伪频率（PFmax），且PFmax出现时间也明显较晚。此外，MFS的下肢刚度明显较高（P<0.05），FFS的下肢肌肉激活水平均较高。研究表明，跑者通过改变着地方式可调整着地时的冲击频率，与MFS和RFS相比FFS的冲击频率和下肢刚度均较小，不利于下肢弹性能的储存和利用，加上较高的下肢肌肉激活水平，易引起机体疲劳。

关  键  词：运动生物力学;跑步;小波变换;神经肌肉调谐规律

中图分类号：G804.6    文献标志码：A    文章编号：1006-7116（2022）03-0132-07

The neuromuscular tuning law under different foot strike landing of running

——A time frequency analysis of ground reaction force

IEONG Loi，LI Meng，LIU Ye，SHI Shuqiong

（Key Laboratory of Ministry of Education，Beijing Sport University，Beijing 100084，China）

Abstract： A continuous wavelet transform analysis was used for characterizing and manipulating the ground reaction whose statistics vary in time during the running stance phases and to investigate the neuromuscular tuning law by considering the lower limb stiffness and the activation degree of lower extremity muscles. 17 healthy males ran at forefoot （FFS）， mid-foot （MFS） and rearfoot strikes using natural stride speed， and ground reaction forces and lower extremity muscle surface EMG were assessed during stance. The results showed that the maximum signal power （Pmax） and the sum of signal power are significantly higher in the stance of FFS than in MFS and RFS （P<0.05）. In the early 20% of stance， the FFS exhibited a significantly less maximum pseudo-frequency （PFmax）， and the PFmax also appeared significantly later. In addition， MFS exhibited significantly stiffer lower limb stiffness （P<0.05）， while FFS had higher levels of lower extremity muscle activation in both. In conclusion， it is possible for runners to adjust the impact frequency by changing footstrike landing， FFS has a lower impact frequency and lower limb stiffness compared with MFS and RFS， which is not conducive to storage and utilization of lower limb elastic energy， and the higher level of lower extremity muscle activation easily led to fatigue.

Keywords： sports biomechanics;running;wavelet transform;neuromuscular tuning law

跑步是大眾健身中最常见的减脂、减压和促进心肺健康的运动之一，但也易于发生损伤。据统计，跑步健身爱好者和专项运动员发生损伤的概率分别为37%～56%和85%[1]。根据跑步者足与地面接触瞬间时位置可将跑步着地方式分为前足（FFS，forefoot strike）、全足（MFS，mid-foot strike）和后足（RFS，rearfoot strike）3种方式，目前关于3种着地方式与损伤间的关系仍存在争议。跑步时所受冲击力被认为是评价损伤风险的一个重要指标。然而，相关流行病学及系统性分析研究中并未发现着地方式与损伤发生率间存在相关[2]。因此，采用传统的对地面反作用力（GRF，ground reaction force）进行时域分析来研究冲击力对人体跑步时的影响可能存在缺陷[3]。傅立叶变换（Fourier Transform，FT）可将垂直地面作用力（VGRF，vertical ground reaction force）的时域表达转换为频域表达。跑步支撑相的力-时曲线（即时域）一般会出现2个峰，一为着地冲击力（系下肢与地面的碰撞力），二为主动力（系肢体主动运动产生的力）。Gruber[4]发现采用FFS和MFS跑步的力-时曲线中没有观察到明显的着地冲击力，但将VGRF时域表达转换为频域表达时发现，人体也受到10～20 Hz的冲击频率，同时其振幅较RFS小且认为是其冲击力和冲击力的负载率较低所致。Shorten[5]也表示，FFS仅表现出一个峰值力可能是由于肢体的最大减速发生较晚，冲击力叠加在主动力上导致的。由此可见，不同着地姿势可能会表现出不同的冲击频率特征，而目前国内外关于此视角下的研究较为少见。

FT的基（是指张成空间里的一个线性无关向量集，而该空间的任意向量都能表达为基向量的线性组合）由一组不同频率且正交的单频弦波信号所构成，属周期性，使其可无限大的延长时间范围，这将导致FT缺失每个基在相应信号出现的时间点，即通过FT仅能获得跑步过程中的频率范围。但是，连续小波变换（continuous wavelet transform，CWT）的基则是由一组既代表频率又代表位置的基所构成，这样既可保持时间，也可保持频率的分辨率。故本研究将通过对VGRF进行CWT，旨在从时频域角度下分析比较3种着地方式跑步的频率与其对应的时间特征。

当人体受到冲击时，下肢刚度和肌肉激活情况被认为是可反映神经肌肉调谐的重要参考指标。下肢刚度指把下肢的骨骼、关节和肌肉等看作一个弹簧-质量系统时，身体所受的VGRF与下肢形变量的比值。跑步时采用不同着地方式，其相应的下肢动作策略会引起肌肉、肌腱和关节囊中肌梭和腱梭本体感受器激发的神经肌肉调节反射作用，进而表现出不同下肢刚度以调整运动时所受的冲击及其影响[6]。在拉长-缩短循环的动作过程中，适宜的下肢刚度意味着下肢具有较好弹性能储存和再利用能力[7]，即较高的下肢刚度会表现出较佳的爆发力。然而，下肢刚度也不是越高越好，过高的下肢刚度可能会增加下肢骨骼和关节损伤的风险;相反，下肢刚度过小也可能会造成关节运动幅度过大，并增加软组织受伤的风险[7]。

此外，不同着地方式跑步会表现出VGRF不同的时域特征，加之不同程度着地冲击力和主动力，也必然会引起下肢肌肉激活程度的不同。有研究指出，习惯于RFS的跑者在采用FFS跑步时，胫骨前肌在触地前和支撑相的肌肉激活程度明显较其采用RFS时小，腓肠肌激活程度则较RFS大[8]。Jennifer等[9]研究也发现，习惯于FFS跑者的胫骨前肌在触地前的肌肉激活程度较习惯于RFS的跑者小，腓肠肌激活程度则较习惯于RFS的跑者大，而在触地初期习惯于FFS与RFS跑步的胫骨前肌和腓肠肌的激活程度无明显差异。然而，关于采用不同着地姿势跑步时产生的时频特征是否与肌肉调谐存在某种关系，则未见报道。

综上所述，本研究旨在通过CWT分析FFS、MFS和RFS 3种着地方式跑步过程中垂直地面反作力的时频特征，并结合下肢刚度和下肢肌肉激活水平，进一步探讨不同着地方式跑步着地缓冲时神经肌肉调谐规律，为广大跑步者采用适合的着地姿势提供参考依据，并为预防可能因着地方式而导致的运动损伤提供理论和实践依据。

1  研究对象与方法

1.1  实验对象

选取某高校健康男大学生17名，无专项运动训练经历，下肢关节肌肉在3个月内没有发生运动损伤，各个关节活动度正常，近期无大负荷运动，测试前一天休息良好，自愿参与本实验并保证完成。筛选后最终受试者为16名，年龄（21.33±0.91）岁、身高（176.87±6.34）cm、体重（76.15±13.46）kg。

1.2  实验方法

实验对象热身完毕后，采用自然步频在指定跑道上分别进行FFS、MFS和RFS 3种着地方式跑步，采用测速仪（Smartspeed，Fusion Sport）进行跑速监测，使跑步速度控制在1.4～1.6 m/s之间。

测试前将测力台（KISTLER-3D，采样频率为1 000 Hz）平放于地板上，并在测力台的两端铺上延长步道，以记录跑步时支撑相的GRF情况。同时，采用Trigno™无线肌肉运动信息采集系统（DELSYS Trigno Wireless EMG System，采样频率为2 000 Hz），采集实验对象右足（实验对象的优势侧均为右侧）的股外侧肌（VL，vestus lateralis）、股内侧肌（VM，vestus medials）、股直股（RF，rectus femoris）、胫骨前肌（TA，tibials anterior）、腓肠肌外侧头（GL，gastrocnemius lateralis）和腓肠肌内侧头（GM，gastrocnemius medials）的肌电活动情况，并通过同步触发盒与测力台同时进行采集。

测试前，实验对象需要换上统一运动鞋袜和运动短裤，并进行去脂贴肌电传感器，随后分别采用FFS、MFS和RFS进行跑步练习，最终能以最自然的方式在跑道上跑步。根据测力台位置与每位实验对象步幅调整起跑位置，使实验对象在相对自然状态下跑过测力台时，其右足刚好踩到测力台上，避免出现刻意踩上测力台的情况，如出现则重新调整起跑位置并再次测量。同时用摄像机（采样频率为60 Hz）记录跑步时足着地过程。每位实验对象在进行测试时，3种着地方式顺序随机进行，避免由于测试顺序对实验数据造成影响，每个跑步方式均进行3次有效测试。

1.3  数据分析

1）地面反作用力的频域分析。

使用MATLAB（Mathworks，Inc.，Natick，MA）对垂直地面反作用力进行连续小波变换（CWT）。CWT是对输入信号与母小波进行内积，而母小波长度有限且有特定周期和频率特性。母小波可通过调整缩放因子大小来改变其频率。当缩放因子取值较大时频率解像度高，对应低频，但时间的解像度则较低;相反，当缩放因子取值较小时频率解像度低，对应高频，而时间的解像度则较高。然而，每一个缩放因子代表的是一个频率区域，而不是某一特定频率[4]。由于两者间存在一个不精确的线性关系，因此用伪频率来表示CWT缩放因子对应的频率。经过CWT计算后可获得每个时刻下所对应缩放因子的小波系数（信号功率），小波系数较高意味着原始信號与特定缩放因子的小波相似度越高。

本研究采用墨西哥小帽母小波对VGRF进行CWT，缩放因子为1-256（即伪频率为0.97～250 Hz）[4]。因小波系数为正表示缩放因子与原始信号间呈正相关关系，故只考虑系数为正的值并忽略小于200的小波系数。同时，对CWT后的VGRF进行时间标准化处理。本研究将分析比较3种着地方式跑步时整个触地期的最大信号功率（Pmax）和信号功率总和（Psum）。此外，还比较支撑相前20%和25%阶段的8～50 Hz的Pmax、Psum、最大信号功率对应的伪频率（PFmax）和支撑相时刻（Smax）。最近研究指出跑步冲击阶段的最大频率可达35 Hz以上[10]，且采用FFS跑步时冲击频率可低至8 Hz[11]，因此将冲击阶段的频率范围设定为8～50 Hz。

2）下肢刚度。

在实验对象的髂前上棘贴上标志点，以记录在跑步过程中下肢运动链在垂直地面方向上的位移情况。根据下肢垂直刚度计算公式：K=Fmax÷∆y（K为下肢垂直刚度，Fmax为最大垂直地面反作用力，∆y为下肢链的最大垂直位移），来计算跑步时整个支撑相的下肢垂直刚度，然后取平均值。

3）生物电数据（EMG）。

所有肌电数据均在Delsys的EMG分析软件下处理，采用带通滤波（Band-Pass filter）对非肌电信号进行过滤，滤波频率为10～450 Hz，再将肌电讯号进行全波整流翻正。随后，对EMG信号进行均方根振幅（RMS）处理，窗口宽度为50 ms。所选取的肌肉在整个支撑相的EMG幅值均根据该肌肉在支撑相的最大EMG值进行标准化处理，同时整个支撑相EMG变化状态对应时间根据从足触地至足离地的时间进行标准化处理。此外，分别记录3种着地跑步方式下VL、VM、RF、TA、GL和GM整个支撑相的平均RMS，同时取平均值。

1.4  数据统计

实验数据均采用SPSS 18.0进行统计学处理，实验结果均用平均数±标准差表示。采用单因素重复测量方差分析和事后多重比较法检验不同着地方式下Pmax、Psum、PFmax、Smax、下肢刚度和EMG的差异性，统计结果均表示为P<0.05具有统计学显著差异。

2  结果

支撑相FFS的最大小波功率和小波功率总和明显高于MFS和RFS（P<0.05），MFS与RFS间无明显差异;FFS的最大垂直地面峰值力明显高于MFS和RFS（P<0.05），MFS与RFS间无明显差异（见表1）。

在支撑相前20%阶段（见表2），3种不同着地姿势下跑步的Pmax未表现出明显差异，FFS的Psum明显低于RFS;FFS的PFmax也明显较小，MFS明显小于RFS;PFmax出现的时间（即Smax），表现为FFS明显较MFS和RFS晚。在支撑相前25%阶段（见表3），3种不同着地姿势下跑步的Pmax和Psum未表现出明显差异;FFS的PFmax明显较RFS小，其Smax也明显较RFS晚出现。

在下肢刚度方面，MFS明显较FFS和RFS高（P<0.05），FFS与RFS间无明显差异（如图1所示）。

从下肢肌肉激活情况看（见图2），GL、TA、VL和VM的平均RMS在3种不同着地方式下均未表现出明显差异，但从趋势上发现FFS下肢肌肉的RMS均较高。MFS的GM平均RMS明显较RFS高（P<0.05），FFS的VL平均RMS明显较MFS高（P<0.05）。

支撑相0～17%阶段，RFS的GM激活水平明显低于FFS和MFS（P<0.05），而RFS的TA激活水平则明显高于FFS和MFS（P<0.05）。此外，FFS的RF激活水平明显低于MFS（P<0.05）。支撑相33%～50%阶段，RFS的GL激活水平明显高于MFS（P<0.05），GM的激活水平MFS明显高于FFS（P<0.05）;FFS的VL激活水平明显高于MFS和RFS（P<0.05）;VM激活水平RFS明显高于FFS（P&lt;0.05）。支撑相50%～83%阶段，RFS的TA激活水平明显低于FFS和MFS（P<0.05）（见图3）。

3  结果分析

3.1  3种着地方式下跑步的频域特征

本研究通过对VGRF进行CWT后的时频分析发现，3种着地姿势下跑步支撑相的前20%和25%阶段Pmax无明显差异，其对应的PFmax和Smax则表现出明显差异。

通过时域分析发现FFS表现出明显较大的VGRF，而RFS的VGRF则较小且呈现出双峰现象[12-13]，其第一峰值力（着地冲击力）均比FFS和MFS的要大[12]。通过频域分析则发现3种着地姿势在冲击阶段均存在8～20 Hz的冲击频率，在8～50 Hz的伪频率下，FFS在支撑相前20%阶段的PFmax明显较MFS和RFS小，在支撑相前25%阶段也明显较RFS小。此外，支撑相前20%阶段FFS的Smax明显较MFS和RFS晚，支撑相前25%阶段也较RFS晚[4]。提示，通过改变跑步着地方式可改变冲击力水平和冲击频率。此外，FFS在支撑相初期也受到8～20 Hz的冲击频率，但其PFmax则明显较MFS和RFS小且出现晚，使得采用FFS跑步时冲击力的小波与主动力的小波发生叠加几率较高，可能导致FFS在时域上仅出现一个峰值力，以上结果支持前人的研究结论[4-5]。因此，本研究认为如仅对跑步的VGRF作时域分析来评价某一跑步姿势所受的损伤风险程度具有一定的局限性，提示研究者在今后需进一步考虑跑步的VGRF时频综合特征。

FFS支撑相的Pmax和Psum均明显较MFS和RFS高，其支撑相前20%阶段的Psum也明显较RFS高。然而这些小波功率特征是否会对应不同的损伤风险，有待进一步研究。此外，值得注意的是使用CWT所对应的伪频率指的是一个频率范围，非某一特定频率，使采用CWT计算出的功率和伪频率也会存在一定的冲击力和主动力重叠现象。

3.2  3种着地方式下跑步的神经肌肉调谐

人类下肢软组织的固有频率范围约为10～50 Hz[14]，因此在跑步时有引起软组织共振的潜在风险。然而，人体通过增加肌肉激活程度可增加阻力以避免软组织发生共振，此现象称为“肌肉调谐”。本研究结果显示，RFS具有明显较FFS高输入頻率的同时，TA和RF在支撑相前17%阶段也表现出明显较FFS高的肌肉激活程度（见图3），结果支持肌肉激活程度会随输入频率的增加而增加，通过调谐来降低软组织的损伤风险。随后，TA和RF在FFS的RMS水平开始增加并高于RFS，这可能是FFS的PFmax出现时刻相对较晚而导致，同时可能也增加了FFS的冲击力与主动力发生重叠的机率。GM的RMS情况则相反，即支撑初期的RMS表现为FFS明显较RFS高，至支撑中期则表现为RFS明显较FFS高的现象，这与前人研究结果相同[15-16]。该研究认为，这是由于FFS跑步主要通过跖屈肌的离心收缩来缓冲冲击力所导致的。这提示，足与地面碰撞后是由骨、关节和肌肉共同作用来缓冲的，面对不同的冲击力和频率，下肢肌肉在应对较高频率冲击时，会通过增加肌肉激活程度来进行缓冲。

此外，软组织出现共振也许对人类的拉长-缩短周期式运动是有利的。Robertson等[17]的一项离体研究发现，当输入频率接近软组织的固有频率时，共振作用会使肌肉-肌腱复合体（MTU，muscle-tenson unit）表现出较高的弹性能储存和利用能力，因此提出MTU的“共振调谐”效应。这项研究指出，当输入频率接近固有频率时MTU可产生较大的力，而输入频率过大和过小时均表现出较小的力。本研究的时频分析结果显示，FFS支撑相前20%和25%阶段的冲击频率均是最小的。下肢刚度指的是身体所受的垂直地面反作用力和下肢形变的比值，人体的下肢刚度会受到许多因素的影响，如骨骼、肌肉、肌腱和韧带等。人体的肌肉和关节囊中分布了丰富的本体感受器（肌梭和腱梭），当人体姿势发生变化时会刺激肌梭和腱梭，通过神经肌肉系统的调节后即会表现出相应的下肢刚度，可反映下肢肌肉的弹性能量储存和利用。以往研究表明，下肢刚度会根据运动需要而发生相应变化，如频率、速度、运动经济性等[18]。本研究结果也发现，采用FFS跑步表现出较小的下肢刚度，二者结果同时指向采用FFS跑步可能具有较弱的下肢肌肉弹性能储存和利用能力。人体软组织的固有频率虽在一定范围内是可调控的，但输入频率并不是越大越好。Robertson等[17]指出当输入频率大于固有频率时，MTU的弹性能在转换时会损失一部分能量，导致输出力的下降。虽然本研究选取的缩放因子较大，导致在高频率上的解晰度较小，但仍然可观察到RFS在支撑前20%阶段的PFmax较大，较容易产生大于软组织固有频率的输入频率，可能导致RFS的弹性能储存和利用能力较小。今后研究可针对不同着地方式下跑步的能量转换情况作深入探讨。除此之外，MFS和RFS产生的较大着地冲击力对人体骨骼健康可能是有利的。有研究指出，骨组织在受到适当刺激时对骨骼是具有促进作用的，然而其适宜刺激范围至今未有相关报道，也有待进一步研究[19]。

对于长跑运动员来说，较好的下肢肌肉弹性能储存和利用能力，有利于把身体或肢体的能量储存至肌腱并随后作用于身体或肢体，以节省其运动时的能量消耗。Gruber等[20]分别比较FFS和RFS在跑步机上进行跑速为3.0、3.5和4.0 m/s时的能量消耗和耗氧量发现，采用RFS跑步具有较好的经济性。本研究对不同着地方式跑步时下肢肌肉激活情况的结果也显示，采用RFS时支撑相的GM、GL、TA、RF、VL和VM均表现出较小的平均肌肉激活水平，RFS的GM平均激活水平明显较MFS小，FFS的RF平均激活水平明显较MFS大。较高的肌肉激活程度，意味着能产生较大的肌肉收缩力并较容易引起肌肉疲劳[9]。结合下肢肌肉激活情况，也进一步支持Robertson等提出的“共振调谐”效应，即适当频率的共振可促进弹性能的储存和利用并获得能量节省效益。本研究选用的跑速慢于前人研究，所以关于不同跑速是否会导致不同着地姿势与能量消耗间的差异关系，也需进一步研究来加以证实。

4  结论

本研究通过结合跑步时的沖击频率、下肢刚度和肌肉激活情况来比较不同着地方式的着地缓冲特征发现，跑者通过改变着地方式可调整着地时的冲击频率，在跑速为1.4～1.6 m/s时与MFS和RFS相比，FFS的冲击频率和下肢刚度均较小，不利于下肢弹性能的储存和利用，而且其较高的下肢肌肉激活水平易引起疲劳。因此，本研究不建议长跑爱好者采用FFS。此外，建议研究者在研究冲击力对人体影响时，可把冲击力的时频特征也考虑其中。

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