跑步中不同運動表面對下肢沖擊和足底壓力特征的影響

傅維杰， 劉 宇， 李 路， 趙國云

（上海體育學院運動健身科技省部共建教育部重點實驗室，上海200438）

跑步中不同運動表面對下肢沖擊和足底壓力特征的影響

傅維杰， 劉 宇， 李 路， 趙國云

（上海體育學院運動健身科技省部共建教育部重點實驗室，上海200438）

利用足底壓力系統與加速度計，采集跑步愛好者在室外水泥地、草地、標準塑膠跑道和室內具有不同緩沖性能的跑步機上跑步時下肢脛骨加速度及足底壓力數據。結果顯示：在水泥地、塑膠跑道、不帶緩沖跑步機上，脛骨加速度峰值、足底壓力峰值（及出現時間）、壓力—積分特征、最大壓力分布差異均不明顯；相比水泥地，草地和帶緩沖跑步機均能減小觸地時部分壓力峰值，但其余沖擊特征，如脛骨處加速度峰值及最大壓力分布差異不大。提示：跑步觸地時運動表面與下肢沖擊之間可能并不存在必然聯系，人體通過自身的調節可以影響不同運動表面對足部的負荷效果。

跑步；運動表面；脛骨加速度；足底壓力；壓力分布

Author's addressKey Laboratory of Exercise and Health Sciences of M inistry of Education，Shanghai University of Sport，Shanghai200438，China

跑步是一項深受廣大體育愛好者喜愛的運動項目。據統計，我國擁有超過2億的體育人口，他們參與最多的運動項目就是跑步［1］；但正是這群跑步者，承受著每年37%～56%的損傷發生率［2］。過去的研究［3］認為：著地時人體下肢所承受的2～3倍于自身體重的沖擊力是引起上述運動損傷的主要原因。反復的沖擊會導致運動員在長期跑步過程中產生過度使用性傷害（overuse injuries）［4-5］，同時較硬的運動表面（或場地）對該沖擊損傷的發展起到了推波助瀾的作用［6］。據此，為了減少跑步過程中的沖擊負荷，研究者們［7-8］提出運動表面的“緩沖避震”，并希望能夠借此預防沖擊傷害；然而，目前國外針對不同表面與沖擊力關系的研究結果并不一致，并致使運動表面、沖擊特征以及運動損傷三者之間的關系遲遲未被建立［9-12］，而與之對應的國內相關研究仍未見系統報道。

本研究通過采集跑步者在5種常見運動表面——水泥地、草地、塑膠跑道、跑步機（有或無緩沖墊）跑步時下肢脛骨加速度和足底壓力數據，探討不同運動表面對人體沖擊特征的影響，為跑步中的運動損傷機制和運動表面的防護設計提供相關的理論依據。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象 選取上海體育學院運動科學學院男生13名（表1），均有長期跑步健身史，其每周的平均跑步距離約為20 km。同時，受試者在進行本項測試之前確定其下肢和足部半年內無明顯損傷，解剖結構和機能正常，身體狀況良好，并于實驗前自愿簽訂知情同意書。

表1 受試者基本信息Table 1 Basic Information of Subjects

1.2 研究方法

1.2.1 測試儀器 采用德國Medilogic Insole Measurement鞋墊式足底壓力測試系統測試足底壓力。所采用壓力鞋墊的大小根據受試者的鞋碼分別選擇39～40碼和43～44碼，厚度為1.2 mm，由64個矩陣分布的共225個0.6×0.4 cm壓力傳感器組成（圖1），壓力范圍為0～64 N/cm2，最高采樣率為300 Hz。同時采用德國Biovision公司的雙軸加速度計（biaxial accelerometer）測量脛骨（圖1脛骨結節處）受沖擊時的加速度信號，范圍為±50 g（g=9.81 m/s），頻寬為DC至1 000 Hz，尺寸為14×9×5mm，質量為4 g。本實驗的采樣頻率為1 200 Hz。

圖1 鞋墊壓力傳感器組成、足底區域劃分（左）和加速度計安放位置（右）情況Figure 1. Composition of Insole Pressure Sensor，Region Division of Plantar（Left）and the Placement of Accelerometer（Right）

1.2.2 測試的運動表面 室外測試：共3種表面，分別為水泥地、草地、標準塑膠跑道。

室內測試：某品牌A型跑步機，PVC跑帶，無緩沖功能，速度范圍為1～14 km/h；某品牌B型跑步機，PVC跑帶+硅膠緩沖墊，具有一定緩沖功能，速度范圍為1～14 km/h。

選取國際材料試驗協會（現美國材料與試驗協會，ASTM）運動表面測試的指標之一，即球體回彈（ball rebound）作為運動表面軟硬度的簡易參考指標（ASTM F2117-2010）。具體采用標準籃球（7號，氣壓為0.06 MPa）從2 m高度自由落體5次后的平均回彈高度代表運動表面的參考硬度（表2）。其參考值大小分別為：水泥地＞塑膠跑道＞A型跑步機＞B型跑步機＞草地。

表2 不同運動表面測試的球體回彈高度Table 2 The Rebound Height from Five Different Surfaces during Surface Ball Rebound Testing

此外，實驗對象穿著同一型號的國產普通平底橡膠鞋，從而最大程度地減少運動鞋表面在本實驗中的干預因素。

1.2.3 實驗步驟 室內測試：讓受試者分別在實驗室內的2臺跑步機上以12 km/h速度慢跑，采集穩定后共10個復步（stride）的足底壓力信號，同時利用機械節拍器記錄踏步節拍。在實驗過程中，將壓力鞋墊平整地置于鞋內，采集的脛骨加速度和足底壓力數據實時地傳送到筆記本電腦中。

室外測試：受試者根據室內測試時節拍器所記錄的節拍（控制步頻），在水泥地、草地、塑膠跑道上完成3組15 m跑（即3×15 m），采集途中跑共10個復步的脛骨加速度和足底壓力信號的同時記錄每組所用的時間。

1.2.4 數據處理分析 加速度信號由Dasylab 7.0采集并處理，同時足底壓力數據采用配套軟件Medilogic 4.4完成。本研究在E.L.Bontrager等［13］有關鞋墊區域設置的基礎上，針對動作特點和壓力鞋墊自身的構造特征，把足底劃分為足前區（forefoot）、足中區（midfoot）、足跟區（heel）以及內外兩側（medial&lateral）共5個區域進行足底壓強特征值分析（圖1）。

1.2.5 主要觀察指標 由于慢跑時足底壓力會在運動員著地初期出現第1個峰值（first peak，FP），接著在蹬伸中后期同樣出現第2個峰值（second peak，SP）；因此本研究根據足底壓力雙波峰［14］的表現特點，將整個足接觸地面的過程（contact phase）劃分為著地期（touch-down，TD）和蹬伸期（toe-off，TO）2個階段進行探討（圖2）。獲取主要參數包括：各表面平均跑速；著地初期加速度峰值；足底壓力峰值（著地和蹬伸，通過計算足底共64個矩陣內的總壓強值，并除以足底總面積獲得）；平均壓力峰值（著地期內，通過計算足底共64個矩陣內的總壓強值，并除以有效足底受壓面積獲得）；一個步幅（step）觸地時間（contact time）；第1峰值內壓力—時間積分（FPTI）以及整個階段壓力—時間積分（PTI）。

圖2 一個步幅的足底壓力—時間曲線Figure 2. The Insole Pressure-Time Curve during the Stance Phase of Running

1.3 統計學分析 C.F.Munro等［15］發現，對于一組跑步者來說，其左右腳的非對稱性是很難確定的；因此，在本研究中，受試者的左右腳足底壓力的實驗數據均被考慮在內。所得數據用平均值±標準差表示，并利用SPSS 11.0統計軟件對不同運動表面的加速度峰值和足底壓力數據進行ANOVA方差檢驗，顯著性水平設為α=0.05。

2 研究結果

2.1 加速度（沖擊）峰值特征比較 由圖3可知，跑步過程中的每次觸地均會造成脛骨加速度達到一個明顯的峰值（沖擊）；然而，5種運動表面對于該加速度峰值并未引起顯著變化，其脛骨最大加速度范圍在10.26～12.42 g（表3）。換言之，本研究所采用的運動表面并未明顯改變慢跑過程中地面對人體下肢的沖擊負荷。

2.2 足底壓力峰值特征比較 從表4中可知，水泥地、塑膠跑道和A型跑步機在跑速、觸地時間和著地/蹬伸期足底壓力峰值的表現并不存在顯著性差異；但對于草地而言，著地期的平均壓力峰值顯著小于水泥地。同時，對于 B型跑步機，即具有硅膠緩沖墊的PVC表面，著地期第1壓力峰值（FP）以及平均壓力峰值相比水泥地同樣明顯減小（P＜0.05）。

相似的結果也出現在體重標準化后壓力—時間積分的表現（表5）。整個觸地階段各表面的壓力—積分（PTI）未出現顯著性差異，但對于第1峰值內的壓力—時間積分（FPTI），B型跑步機相比水泥地更?。≒＜0.05）。同時，其余4種表面之間的FPTI并無明顯差別，表明加有緩沖墊的B型跑步機在一段時間內足底壓力沖擊的積累量，相比其他表面表現出更好的結果。

圖3 受試者在草地跑步時脛骨加速度隨時間變化曲線Figure 3. The Tibia Acceleration-Time Curve from a Subject during Running on the Grass

表3 著地初期不同運動表面的加速度峰值比較Table 3 Com parison of Different Surfaces in Peak Acceleration of Shank at Touchdown Phase

表4 各運動表面跑速、觸地時間和足底壓力峰值比較Table 4 Com parison of Different Surfaces in Running Velocity，Contact Time，and Peak Plantar Pressure

表5 各運動表面經過體重標準化后壓力—時間積分比較 （N/cm2）×ms/kgTable 5 Comparison of Different Surfaces in the Characteristics of Pressure-Time Integral

從總體來看，水泥地、塑膠跑道和A型跑步機3種運動表面的足底壓力峰值特征表現均接近，但草地以及加緩沖墊的B型跑步機的FP、平均壓力峰值和FPTI值產生了部分差異。

2.3 著地期足底壓力分布特征比較 在足部著地前期，5種運動表面在足前區、足中區、足外側以及足內側區域的壓力峰值均無顯著性變化。同時，各種表面的足跟區均會出現一個明顯的峰值，峰值的大小為0.161～0.173 N/kg×cm2（圖4）。此外，只有B型跑步機足后跟的壓力相比水泥地存在顯著性差異（P＜0.05），減小約了7%左右的峰值壓力，其余4種運動表面之間無明顯差別。

圖4 著地期5種運動表面足底各區域壓力峰值比較Figure 4. Comparison of Different Surfaces in Peak Pressure Distribution at Touchdown Phase

3 討論

3.1 運動表面、沖擊力和足底壓力特征的關系 在本次實驗中，所有受試者的跑速基本控制在3～3.5 m/s且無顯著性差異，因此排除了跑速對于沖擊峰值和足底壓力特征的影響。無論從加速度峰值、足底壓力峰值、出現時間還是壓力分布特征來看，在整個著地和蹬伸過程中，5種不同運動表面的差異均不大，只有草地以及B型跑步機相比水泥地面，在著地初期的壓力峰值特征出現了部分差異。

M.Fransen等［16］曾指出，隨著速度的增加，跑步的步態會變得愈發協調一致，而必要的附加速度能夠提高穩定步態的重復頻率。當速度恒定時，步態參數測量結果便無多大差別。S.J.Dixon等［17］在對水泥地、草地和塑膠跑道3種表面的跑步沖擊進行比較時發現，它們產生的地面反作用力大小相似，這與本實驗中以上3種表面的數據結果基本一致；同時他們總結到某些運動員能夠通過肢體運動學（kinematic）的調節維持相似的足底沖擊。事實上，即使在水泥地上跑步，也可以通過膝關節的彎曲減少下肢剛度，從而調節硬地表面施予下肢的沖擊?，F階段部分學者把上述變化稱為運動學適應現象（kinematic adaptation phenomenon）。更有研究者［18］認為，跑步者會根據運動表面硬度的感知判斷，下意識地調整其自身肢體的剛度。B.M.Nigg［19］也曾經指出，運動員們會根據地表的不同改變其運動方式，并且所作的調節可能都是相似的。D.P.Ferris等［20］同樣也觀察到了這一點：跑步者調整其下肢剛度其實是為了達到一種連貫有效垂直剛度（effective vertical stiffness）（此硬度包括地面硬度和腿剛度）。無論是什么場地，運動員對于其垂直剛度的適當控制能產生一種穩定的重心垂直位移方式。

在本次實驗中，筆者并未發現不同運動表面對受試者下肢沖擊（脛骨加速度）峰值和足底壓力有多大差別，同時它們的壓力特征變化也無明顯差異，說明受試者在接觸不同運動表面時其重心的垂直加速度變化基本無區別，表現為著地速度的高度一致（表4）。盡管本次實驗不包括運動學或人體剛度方面的測試，但從前人的研究中推測，受試者很有可能通過改變以上這些因素適應不同的運動表面［17-18］。

跑步時人們能夠改變腿剛度而使身體在不同的場地上保持相似的步頻、地面接觸時間以及地面沖擊力峰值［21］。當遇到較舒適的表面時，跑步者需要增加其腿部剛度；而當遇到硬地時，便會減少腿部剛度。當運動員在較軟場地上跑步時，其腿部剛度不斷增加，當接觸地面時其下肢姿勢相對比較硬（stiff）［22］，同時產生較低水平的肌力和關節力矩；反之，當其在硬地面上跑步時，下肢屈曲會相對明顯。S.J.Dixon等［17］發現，在不同的場地上下肢會出現一個較小的角度（＜7°）變化，但就是這個角度可能也會對其地面反作用力的力臂、肌腱及韌帶產生很大的影響。綜上所述，有關運動表面、沖擊以及損傷之間的關系，我們是否可以這么理解：在短距離跑步時，無論是選擇在硬地還是在較軟地上都會有損傷的危險。同時，個體都有自己獨特的身體結構和力學特性，這些因素與他們所處的環境互相作用。比如在不疲勞的狀態下跑步者可能更易于通過改變下肢肌—骨系統的功能（如運動學調節等）適應（adjust）不同表面的場地。

3.2 影響實驗的因素及不足 跑步機自身存在不可避免的限制，例如有限的跑帶寬度、下肢對于跑帶傳送速度的適應性和跑步機本身受到沖擊后的不穩定等等。即使筆者在實驗前讓受試者熟悉2款跑步機，這些因素仍會對跑步者的姿態和模式造成影響，從而引起跑步機與其他運動表面之間在足底壓力等方面的差異［23］。在解讀本實驗的結果時，需要考慮到上述因素。

此外，由于實驗設備的限制，本研究只是根據國際材料試驗協會的標準（ASTM F2117-2010），通過球體回彈高度作為各種運動表面的硬度參考，暫無法獲取其具體硬度參數。希望在將來的研究中，在精確量化表面硬度的基礎上，對運動表面和下肢所受沖擊負荷的具體關系問題上進行更深一步的探索。

4 結論

在整個慢跑的著地過程中，跑步者在水泥地、塑膠跑道、A型跑步機（不帶緩沖）3種不同運動表面上，脛骨加速度峰值、足底壓力峰值（及出現時間）、壓力—積分特征、最大壓力分布方面差異均不明顯。相比水泥地，草地和B型跑步機（帶緩沖）均能減小觸地時部分壓力峰值，但其余沖擊特征，如脛骨處加速度峰值及最大壓力分布差異不大。提示：跑步觸地時運動表面與下肢沖擊之間可能并不存在必然聯系，人體通過自身調節可以影響不同運動表面對足部的負荷效果。

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The Effect of Sports Surface on Tibia Im pact andCharacteristics of Plantar Pressure in Jogging

∥FU Weijie，LIU Yu，LILu，ZHAO Guoyun

The study employed the foot pressure system and accelerometer to record and analyze the plantar pressure and impact data during running on five different surfaces：concrete，grass，synthetic track，and two treadm ill surfaces（with or w ithout a cushioning underlay）.The results indicates that there was no significant difference in themaximum tibia acceleration，maximum plantar pressure（time of occurrence），the characteristics of pressure-time and peak pressure distribution for the concrete，synthetic，and treadmill（w ithouta cushioning underlay）surfaces. Compared w ith jogging on the concrete surface，however，jogging on natural grass and the treadm ill w ith a cushioning underlay can significantly reduce the peak pressure，but did not influence the restof impact characteristics（i.e.tibia impactand distributions of peak pressure）.These findings indicate that there may be no inevitable relationships between the surface and the lower-limbimpact during running.The human body may change the impact induced by different surfaces，through kinematic adaptation or adjustments.

running；sports surface；tibia acceleration；plantar pressure；pressure distribution

G804.6

A

1000 -5498（2013）05 -0089 -06

2013 -02 -27；

2013 -05 -10

國家自然科學基金資助項目（11302131）；教育部博士點基金資助項目（20123156120003）；上海高校青年教師培養資助計劃項目（ZZsty12002）

傅維杰（1983 -），男，浙江嘉善人，上海體育學院博士；Tel：（021）51253239，E- mail：fuweijie315@ 163.com

劉宇（1959 -），男，河北張家口人，上海體育學院教授，博士生導師；Tel：（021）51253571，E- mail：yuliu @sus.edu.cn