高 雅，戴劍松

跑步的下肢關節(jié)運動學特征研究綜述

高 雅，戴劍松

南京體育學院運動健康學院，江蘇 南京，210014。

采用系統(tǒng)文獻綜述法，對下肢各關節(jié)運動特征的研究進行綜合。通過檢索國內外數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)目前國內在跑步運動的生物力學方面研究較少，一些文獻僅對下肢解剖學特征和損傷之間的關系進行了簡單的闡述和分析。而國外對跑步運動技術的生物力學研究相對較多，對由跑步引起的運動性損傷的下肢運動學研究也較為深入。

運動學；關節(jié)角度；運動損傷

運動生物力學是生物力學的一個重要分支，是研究體育運動中人體機械運動規(guī)律的科學。運用生物力學的相關原理來研究跑步時，其目的就是要合理的掌握跑步技術，降低跑步運動所帶來的受傷風險。目前，關于跑步生物力學的測量參數(shù)可以劃分為運動學參數(shù)、動力學參數(shù)和生物學參數(shù)。其中，運動學參數(shù)的測量包含運動的時間特征、空間特征和周期的劃分，如關節(jié)角度、重心速度、關節(jié)角速度、運動軌跡等。運動學僅分析物體的速度、位置等隨時間變化的規(guī)律，并不會涉及導致人體位置和運動狀態(tài)發(fā)生改變的原因。運動學是研究跑步生物力學的基礎，例如，通過運動學的分析研究，可以為單個跑步周期的下肢運動提供一個合理的關節(jié)運動模式。跑步過程中下肢的運動主要是關于髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)的彎曲和伸展等諸多生物力學運動特征的變化，這些都可以通過測量其運動學參數(shù)對跑步過程中的技術動作進行研究分析。深入探討人體跑步時下肢關節(jié)的運動學特點，可以較為全面的了解跑步運動過程中的技術特點，對于改善跑者跑步技術并降低跑步所帶來的損傷都是十分重要的。

1 髖關節(jié)運動

1.1 髖關節(jié)運動解剖特征

髖關節(jié)（hip joint）是由股骨頭和髖臼組成，屬于多軸的球窩關節(jié)，它是全身最大且最穩(wěn)固的關節(jié)。髖關節(jié)可以作三個軸的屈、伸、展、收、旋內、旋外以及環(huán)轉運動。由于股骨頭深藏于髖臼窩內，關節(jié)囊相對緊張而堅韌，又受多條韌帶限制，其各個軸上的運動幅度遠不及同為球窩關節(jié)的肩關節(jié)。髖關節(jié)具有較大的穩(wěn)固性，以適應其承重并完成下肢的走、跑、跳等功能。在矢狀面上，髖關節(jié)可以完成屈、伸運動，屈曲活動范圍在0°-140°，伸展活動范圍在0°-15°；在額狀面上，髖關節(jié)可以完成內收、外展運動，內收活動范圍在0°-25°，外展活動范圍稍大在0°-30°；在水平面上，髖關節(jié)可以完成內旋、外旋運動，而內旋和外旋的活動角度范圍在髖關節(jié)的不同屈曲角度下并不相同，當髖關節(jié)屈曲時內旋最大可以達到70°，外旋最大可以達到90°，當髖關節(jié)屈曲角度變小甚至伸直時，因受軟組織的限制，髖關節(jié)的內旋和外旋角度自然減小。

1.2 髖關節(jié)運動學研究

在腳即將著地時，髖關節(jié)的屈曲角度大約在25°-30°，當人體重心超過支撐面時，伴隨著膝關節(jié)和踝關節(jié)的伸展，髖關節(jié)會逐步打開。在前腳掌離地瞬間，大腿與地面的夾角將增大22°，此時的髖關節(jié)角度會增大20°，跑步的速度越快，后蹬的力量就越強，髖關節(jié)的角度還會增大5°以上。

人體在運動時，髖關節(jié)的屈曲角度會對肌肉的募集產生一定的影響，一些學者對側臥位時髖關節(jié)的屈曲角度與臀中肌的激活程度之間的關系依舊持不同看法。在Michael等人[1]的研究中，受試者做蚌式運動練習時，當髖關節(jié)的屈曲角度為30°和60°時能夠使臀中肌獲得中等程度的激活。而有研究者表示髖關節(jié)的屈曲角度并不能對臀中肌的激活程度產生影響，但隨著髖關節(jié)屈曲角度的增加會導致闊筋膜張肌的激活程度明顯降低，最后結果表明，在髖關節(jié)處于屈曲角度和外展角度的同時能夠使臀中肌獲得更好程度的激活并使得闊筋膜張肌的激活程度降低[2]。其他研究報告表明，當髖關節(jié)處于外旋角度時做髖關節(jié)外展運動練習能夠更大程度的激活闊筋膜張肌，而當髖關節(jié)處于內旋角度時做髖關節(jié)外展運動練習則會使臀中肌的激活程度得到顯著的提高[3]。

一些運動損傷的研究也涉及到髖關節(jié)的運動，有研究認為膝關節(jié)損傷可能有近端來源，如果近端關節(jié)不夠穩(wěn)定，可能會造成下肢髖關節(jié)內收更多，進而導致膝關節(jié)外翻角度增加，最終增加跑者下肢損傷的風險。有研究報告，在支撐階段髖關節(jié)的過度內收和內旋可能會潛在影響整個下肢的運動學，髖關節(jié)的內收、內旋角度與膝關節(jié)損傷具有一定相關性[4,5]，并且這種情況更加傾向于女性群體[6]。髖關節(jié)的過度內收可能會增大跑步時支撐相髂脛束的張力，在重復的跑動中，這種增大的拉力有可能會導致髂脛束受損[5]。髖關節(jié)的角度變化與膝關節(jié)的角度變化是分不開的，兩者之間經常做補償性的支持。髖關節(jié)的過度內收和內旋會導致膝關節(jié)中心相對于足內移，由于足固定在地面，膝關節(jié)的內移又會造成脛骨的外展、足的旋前，最終發(fā)生動態(tài)膝關節(jié)外翻。Powers[7]的研究報告了在有膝前痛的跑者中，髖關節(jié)的內收角度過大可能會導致動態(tài)Q角（膝關節(jié)外翻角度）增加，造成髕股關節(jié)壓力增大。相關研究也已經表明髖關節(jié)內收是導致動態(tài)膝關節(jié)過度外翻的主要因素，髖關節(jié)的過度內收還會牽拉限制膝關節(jié)外翻的軟組織（如前交叉韌帶、內側髕韌帶等）[8]。

2 膝關節(jié)運動

2.1 膝關節(jié)運動解剖特征

膝關節(jié)（knee joint）是人體最大最復雜的關節(jié)。它既是滑車關節(jié)又是橢圓關節(jié)。膝關節(jié)是由股脛關節(jié)和股髕關節(jié)構成。股脛關節(jié)由股骨的內、外側髁分別與脛骨的內、外側髁相對而成，構成橢圓關節(jié)。股髕關節(jié)由股骨的髕面與髕骨關節(jié)面相接而成，構成滑車關節(jié)。膝關節(jié)原本只能做屈伸動作，但是由于膝關節(jié)關節(jié)結構的特殊性和關節(jié)附近軟組織的特性，也可以在一定的角度范圍內完成內收、外展以及內旋、外旋的運動。在矢狀面上，膝關節(jié)的屈曲活動范圍是最大的，能夠達到0°-140°。在額狀面上，伸膝時脛側副韌帶和腓側副韌帶會變得緊張，屈膝時會松弛，因而當膝關節(jié)完全伸直時，在額狀面上基本沒有活動度；當膝關節(jié)屈曲到30°時，外展角度和內收角度較小，角度總共平均在11°左右。人在跑步時，整個支撐時期的膝關節(jié)在矢狀面上的活動范圍為40°，在額狀面上的活動范圍為30°，在水平面上的活動范圍為90°，股外側肌、股中間肌和股內側肌是控制膝關節(jié)屈伸的主要肌肉，主要肌肉力量不足會影響膝關節(jié)的機能，矢狀面的屈伸運動占據(jù)主導地位。

2.2 膝關節(jié)運動學研究

在跑步運動研究中，膝關節(jié)的活動范圍是非常重點的內容，有研究發(fā)現(xiàn)，跑者在跑步時落地模式不同，相應膝關節(jié)角度在觸地時刻的變化是不同的。比起用腳后跟著地的跑者，用腳前掌著地的跑者存在膝關節(jié)更加屈曲的狀態(tài)，小腿更加垂直，而用腳后跟著地的跑者在觸地時被觀察到膝關節(jié)的關節(jié)角度較小[9]。

一些與赤足跑者相關的研究發(fā)現(xiàn)，當腳著地時，赤足跑者的膝關節(jié)屈曲角度比著鞋跑者的膝關節(jié)屈曲角度更大，而赤足跑者的膝關節(jié)最大屈曲角度偏小[10]。另外，還有研究報告了人體疲勞導致體能下降時，膝關節(jié)在著地時出現(xiàn)了關節(jié)角度變化增大的情況，這是由于彎曲的膝關節(jié)能夠承受并抵抗外部沖擊力的原因[11]。

關于跑步經濟性，也有相關研究表明，在跑者蹬離地面瞬間膝關節(jié)更大的屈曲角度能夠有效的改善跑步經濟性[12]。因為，較大的膝關節(jié)屈曲角度能夠減少之后在擺動階段將要完成的更大屈曲時所消耗的能量，從而降低下肢轉動慣量，而且膝關節(jié)較大的屈曲角度能夠使得腿部的伸肌群處在更好的初始長度和發(fā)力位置，得到更好的地面反作用力臂與肌腱力臂之比，以此增強蹬地力量[13]。

膝關節(jié)是人體下肢承受身體緩沖最多的關節(jié)之一，關于跑步運動損傷的研究中顯示了最常見的損傷部位都來自膝關節(jié)。一項研究表明，過度的膝關節(jié)內旋可能會導致髂脛束扭力的增加[5]。不同學者在對矢狀面上的膝關節(jié)屈曲角度的研究中，仍存在著不同看法。在跑步過程中，有研究表明膝關節(jié)屈曲角度的減小是由于髕股關節(jié)反作用力的增加而引起的伸膝肌群動員時刻延長所導致的。Lenhart等人[14]則認為在矢狀面上，增大的膝關節(jié)屈曲角度增加了膝關節(jié)伸肌群的動員時刻，這與落地時更高的髕股關節(jié)壓力存在一定的相關性。在Dierks等人[15]的研究中報告了膝前痛的長跑愛好者表現(xiàn)出更小的膝關節(jié)最大屈曲角度。而在Kulmala等人[16]的研究中則表示健康的腳前掌著地（前足）跑者在跑步的支撐相時表現(xiàn)出更小的膝關節(jié)最大屈曲角度，降低了16%的髕股關節(jié)接觸力，從而減少了髕股關節(jié)壓力。

3 踝關節(jié)運動

3.1 踝關節(jié)運動解剖特征

踝關節(jié)（ankle joint）又稱距小腿關節(jié)，由脛骨下端、腓骨下端和距骨滑車構成，近似單軸的屈戌關節(jié)，在足背屈或跖屈時，其旋轉軸是可變的。踝關節(jié)能在矢狀面做背屈（伸）和跖屈（屈）的運動，距骨滑車前寬后窄，當背屈時，較寬的滑車前部嵌入關節(jié)窩內，踝關節(jié)較穩(wěn)定。當跖屈時，由于較窄的滑車后部進入關節(jié)窩內，足可以做輕微的側方向運動，關節(jié)不夠穩(wěn)定，因此，踝關節(jié)的扭傷多發(fā)生在跖屈的狀態(tài)。踝關節(jié)最大的活動范圍是矢狀面的背屈和跖屈運動，額狀面的內翻和外翻，及水平面的內旋和外旋的運動幅度都相對較小。

3.2 踝關節(jié)運動學研究

不同的著地方式對踝關節(jié)的運動狀態(tài)有很大影響。在慢跑過程中，不論是專業(yè)運動員，還是大眾跑者，大部分人都習慣采用腳后跟先著地的方式。在腳著地瞬間，踝關節(jié)角度大約為90°，緊接著踝關節(jié)會出現(xiàn)約5°的跖屈，此時膝關節(jié)屈曲，小腿相對于足繼續(xù)向前移動，踝關節(jié)背屈大約為20°。在支撐階段的中期，踝關節(jié)繼續(xù)到達最大背屈，同時膝關節(jié)呈現(xiàn)最大屈曲角度。在腳蹬離地面后，踝關節(jié)會出現(xiàn)最大的跖屈角度，大約為70°。

對于跑者而言，踝關節(jié)的過度外翻可能會增加其在跑步過程中的受傷風險。有相關研究表明，將踝關節(jié)有損傷的跑者與踝關節(jié)沒有損傷的跑者進行比較，踝關節(jié)有傷跑者的踝關節(jié)外翻角度要多出 2°到4°。但是，在有踝關節(jié)過度外翻的跑者之中，有大約一半的跑者并沒有體現(xiàn)出會因為踝關節(jié)的過度外翻而導致下肢損傷[17]。還有研究發(fā)現(xiàn)，兩名受試者的踝關節(jié)外翻角度相同且均為20°，其中一名受試者的脛骨內旋角度為3°，另一名受試者的脛骨內旋角度為13°，研究結果表示踝關節(jié)的外翻角度相同并不一定會使脛骨的內旋角度相同，而后者有可能是導致下肢膝關節(jié)損傷的主要因素[18]。

不同學者在對踝關節(jié)背屈和下肢力線及損傷相關性的研究中，同樣持有不同看法。之前通常認為，當踝關節(jié)背屈受限時，會導致近端關節(jié)（如膝關節(jié)）在矢狀面上的活動度減小[19]。有研究顯示，當踝關節(jié)背屈受限時，膝關節(jié)和踝關節(jié)的運動學具有潛在關系，如膝關節(jié)的內移可能會增加ACL損傷的風險[20]。在跑步支撐階段的中期，當踝關節(jié)背屈受限時，脛骨相對于距骨的活動會受到影響，從而發(fā)生距下關節(jié)的旋前代償，且與膝前痛的損傷相關[21]。但Dill等人[22]發(fā)現(xiàn)，在單腿蹲和過頂蹲中，更大負重的踝背屈角度會出現(xiàn)更大的膝關節(jié)屈曲，在單腿蹲中還會出現(xiàn)更大的膝關節(jié)內翻，而在單腿蹲、過頂蹲和跳躍落地的測試中，無負重的被動踝關節(jié)背屈時，踝關節(jié)和膝關節(jié)的運動學沒有顯著相關性。

Kuhman和Paquette等研究者[23]對比分析了有損傷和無損傷的大學生越野跑選手的運動學指標，研究結果顯示，二者的踝關節(jié)背屈角度并沒有顯著差異。在一項研究中，研究者要求受試者穿著三種后跟外側傾角不同的跑鞋（一種后跟外側沒有傾角；另一種后跟外側傾角為16°；還有一種后跟外側傾角為負且有弧度）進行跑步測試，研究結果表明，在跑步的支撐階段，踝關節(jié)的外翻角度會隨著跑鞋外側傾角的減小而減小，而跑鞋外側傾角的變化并不會改變受試者觸地之前踝關節(jié)和膝關節(jié)的三維角度[24]。在Nicolas[25]的研究中，對跑者著鞋跑步與赤足跑步的運動學指標進行了比較，發(fā)現(xiàn)赤足跑者在支撐階段的踝關節(jié)背屈角度變大，膝關節(jié)屈曲角度變小。

Roberts和Birch[26]兩位學者在他們的研究中，對受試者穿著MBT鞋和赤足時在觸地緩沖時刻的踝關節(jié)運動學指標進行了比較，研究結果顯示，受試者穿著MBT鞋在觸地時刻的踝關節(jié)背屈角度和踝關節(jié)外翻角度明顯要大于赤足情況時。應該注意的是，這項研究大部分是對受試者在行走情況下進行的運動學參數(shù)的測量。（MBT鞋是瑞士公司制作的一種功能鞋，它的中底構造與一般鞋不同，中底的后半部分呈圓弧形且后跟較軟，這樣的構造會使人在腳后跟著地時以“滾動”的形式前進。）

4 結 論

在跑步的過程中，人體各關節(jié)會受到不同肌肉拉力的影響進而發(fā)生轉動，促使環(huán)節(jié)運動。因而，通過對關節(jié)角度的測量與分析，可以更加清晰地展現(xiàn)出運動學的變化特征。人體重心在保持輕微起伏的同時，膝關節(jié)、髖關節(jié)等下肢關節(jié)應當具有適當?shù)那顒臃秶ｅe誤的跑步動作模式通常與下肢關節(jié)活動范圍異常等因素引起的下肢動力鏈排列的失衡和紊亂有關。下肢各關節(jié)的角度、關節(jié)的位置都應當保持很好的排列順序，這樣在足落地的過程中，下肢在承受地面作用力時，才能夠獲得最佳的緩沖和力的傳遞。因此，在對跑步關節(jié)變化的研究中，多以跑步時下肢關節(jié)的運動學特征為主要研究內容。

[1] Richard W Willy, Irene S Davis. The effect of a hip-strengthening program on mechanics during running and during a single-leg squat[J]. Journal of Orthopaedic & Sports Physical Therapy, 2011, 41(09): 625~32.

[2] H Fujisawa,H Suzuki,E Yamaguchi,et al. Hip Muscle Activity during IsometricContraction of Hip Abduction[J]. Journal of Physical Therapy Science, 2014, 26(02): 187.

[3] J. M. Mcbeth,J. E. Earl-Boehm,S. C. Cobb,et al. Hip muscle activity during 3 side-lying hip-strengthening exercises in distance runners[J]. Journal of Athletic Training, 2012, 47(01): 15.

[4] Noehren B, Pohl M B, Sanchez Z, et al. Proximal and distal kinematics in female runners with patellofemoral pain[J]. Clin Biomech (Bristol, Avon), 2012, 27(04): 366~371.

[5] Noehren B, Davis I, Hamill J. ASB clinical biomechanics award winner 2006 prospective study of the biomechanical factors associated with iliotibial band syndrome[J]. Clin Biomech (Bristol, Avon), 2007, 22(09): 951~956.

[6] Ferber R, Davis I M, Williams D S, 3rd. Gender differences in lower extremity mechanics during running[J]. Clin Biomech (Bristol, Avon), 2003, 18(04): 350~357.

[7] Powers C M. The influence of abnormal hip mechanics on knee injury: a biomechanical perspective[J]. J Orthop Sports Phys Ther, 2010, 40(02): 42~51.

[8] Willson J D, Davis I S. Utility of the frontal plane projection angle in females with patellofemoral pain[J]. J Orthop Sports Phys Ther, 2008, 38(10): 606~615.

[9] H.Gruber A,A.Boyer K,R.Derrick T,et al.Impact shock frequency components and attenuation in rearfoot and forefoot running[J]. Journal of Sport and Health Science 3(2014):113~121.

[10] Bonacci, J., et al., Running in a minimalist and lightweight shoe is not the same as running barefoot: a biomechanical study[J]. Br J Sports Med, 2013. 47(06): p. 387~92.

[11] TR D, D D, SP. M.Impacts and kinematic adjustments during an exhaustive run[J]. Medicine & Science in Sports & Exercise, 2002, 34(06): 998~1002.

[12] Moore I S, Jones A, Dixon S. The pursuit of improved running performance: Can changes in cushioning and somatosensory feedback influence running economy and injury risk?[J]. Footwear Science, 2014, 6(01): 1~11.

[13] Rassier D E, Macintosh B R, Herzog W. Length dependence of active force production in skeletal muscle[J]. Journal of Applied Physiology, 1999, 86(05): 1445~1457.

[14] Lenhart R L, Thelen D G, Wille C M, et al. Increasing running step rate reduces patellofemoral joint forces[J]. Med Sci Sports Exerc, 2014, 46(03): 557~564.

[15] Dierks T A, Manal K T, Hamill J, et al. Lower extremity kinematics in runners with patellofemoral pain during a prolonged run[J]. Med Sci Sports Exerc, 2011, 43(04): 693~700.

[16] Kulmala J P, Avela J, Pasanen K, et al. Forefoot strikers exhibit lower running-induced knee loading than rearfoot strikers[J]. Med Sci Sports Exerc, 2013,45(12): 2306~2313.

[17] Nigg B, Hintermann B. Biomechanics of the Ankle Joint Complex and the Shoe[J]. 2002.

[18] Nigg B M, Bahlsen H A. Influence of Heel Flare and Midsole Construction on Pronation, Supination, and Impact Forces for Heel-Toe Running[J]. International Journal of Sport Biomechanics 1988; (No.3): 205.

[19] Blackburn J T, Padua D A. Influence of trunk flexion on hip and knee joint kinematics during a controlled drop landing[J]. Clin Biomech (Bristol, Avon), 2008, 23(03): 313~319.

[20] Macrum E, Bell D R, Boling M, et al. Effect of limiting ankle-dorsiflexion range of motion on lower extremity kinematics and muscle-activation patterns during a squat[J]. J Sport Rehabil, 2012, 21(02): 144~150.

[21] Barton C J, Levinger P, Menz H B, et al. Kinematic gait characteristics associated with patellofemoral pain syndrome: a systematic review[J]. Gait Posture, 2009, 30(04): 405~416.

[22] Dill K E, Begalle R L, Frank B S, et al. Altered knee and ankle kinematics during squatting in those with limited weight-bearing-lunge ankle-dorsiflexion range of motion[J]. J Athl Train, 2014, 49(6): 723~732.

[23] Kuhman D J, Paquette M R, Peel S A, et al. Comparison of ankle kinematics and ground reaction forces between prospectively injured and uninjured collegiate cross country runners[J]. Hum Mov Sci, 2016, 47:9~15.

[24] Benno M N, M M. The influence of lateral heel flare of running shoes on pronation and impact forces[J]. Medicine and science in sports and exercise 1987; (No.3): 294.

[25] Nicolas Chambona b, Nicolas D, Nils G, Eric B, Guillaume R. Is midsole thickness a key parameter for the running pattern?[J]. Gait & posture 2014; (No.1): 58~63.

[26] Roberts S, Birch I, Otter S. Comparison of ankle and subtalar joint complex range of motion during barefoot walking and walking in Masai Barefoot Technology sandals[J]. Journal of foot and ankle research 2011; 4(01).

A Review of Kinematic Characteristics of Lower Limb Joints in Running

GAO Ya, DAI Jiansong

School of Sports Health, Nanjing Sport Institute, Nanjing Jiangsu, 210014, China.

The systematic literature review method is used to synthesize the motion characteristics of the lower joints of running limbs. By searching domestic and foreign databases, it is found that there is currently little research on the biomechanics of running sports in China, and some literatures only briefly explain and analyze the relationship between the anatomical characteristics of the lower limbs and injuries. There are relatively many biomechanical studies on running sports in foreign countries, and lower limb kinematics research on sports injuries caused by running is also more in-depth.

Kinematics; Joint angle; Sports injury

1007―6891（2020）03―0057―04

10.13932/j.cnki.sctykx.2020.03.14

G804.22

A

2020-03-02