失重條件下運動生物力學特征:系統綜述及薈萃分析

王林杰， 戴小倩， 李文炯， 李志利， 劉書娟， 張劍鋒， 汪 毅，2， 強 靜，孔方舟， 王惠娟， 王顏晴

(1.中國航天員科研訓練中心， 北京 100094； 2.北京體育大學， 北京 100083)

1 引言

長期空間飛行期間，航天員將經歷一系列生理響應變化，包括體液頭向分布、心血管功能失調、肌肉萎縮以及骨質丟失等。 飛行實踐已經證明，6 個月長期飛行，航天員運動心肺功能降低約17%，跖屈肌肌肉體積降低8.8%～15.9%，神經肌肉活動降低35% ～40%，最大等長肌力降低17%，每月骨質丟失達1.5%～2%[1-2]。

運動鍛煉是長期飛行的重要防護方法，而跑步作為全身運動的耐力鍛煉形式，可增強運動心肺功能，提供骨骼維持強度所需的沖擊力，調用全身肌肉參與運動[3]，是失重生理效應防護的重要方法。 1 G 跑步時，骨骼必須承受體重以及作用于骨骼上的肌肉牽拉力量，肌肉作用力矩為肌肉力量乘以杠桿臂，因此，相對于特定骨骼，肌肉力量作用比體重的影響更為重要[1]。 通過跑步時足底作用力以及關節角度，可分析失重條件下骨和相關作用肌肉的作用負荷，精細評估失重條件下運動鍛煉的骨肌防護效果。

目前失重條件下運動生物力學的研究結果樣本量較少，在軌檢測設備條件要求高、飛行實驗條件復雜，具體結果存在較大異質性，但是關于失重運動生物力學變化趨勢較為一致，如足底作用力降低，束縛系統加載力負荷與足底作用力有關。但從這些零星的研究中無法了解失重運動生物力學的具體變化。

本文通過薈萃分析方法，從相關失重運動生物力學角度對有關足底作用力以及運動學關節角度在1 G 運動情況下的變化進行了分析，以期為后續開展失重狀態下運動鍛煉動作分析及防護效果評估提供參考。

2 方法

2.1 文獻搜索

英文文獻檢索PubMed、 Science Direct、Springer link、 Web of Science、 SAGE journal、Scopus、Psy INFO、Elsevier、 ProQuest 碩博士論文全文數據庫、 Google Scholar、 NASA technique server 等數據庫， 以“biomechanics、 treadmill、running、ground reaction force (GRF)、joint angle”為關鍵詞，聯合“weightlessness、microgravity、space flight”進行檢索。 中文文獻主要檢索了萬方醫學數據庫、CNKI 數據庫，檢索詞為“生物力學、跑步、足底作用力、關節角度聯合微重力、失重、空間飛行”。

2.2 文獻納入和排除標準

納入薈萃分析研究的標準為:①微重力下運動生物力學實驗研究，包含有拋物線飛行、長期空間飛行和短期空間飛行的實驗結果，排除地面模擬失重相關研究結果；②微重力下運動外加力負荷為50%～90%體重(BW)的數據納入分析，極低外加力負荷的數據不納入，線性回歸分析時除外；③微重力下運動生物力學與運動速度有關，將文獻報道數據分為走和跑，其中走的數據速度為1.34 m/s 或1.38 m/s，跑的速度為3.13 m/s 或3.89 m/s，對于大于3.85 m/s的相關數據，以個例數據為主，未納入；線性回歸分析時納入全部速度數據(1.11 ～ 5.79 m/s)；④純理論和文獻綜述類文章未納入分析；⑤報道足底作用力和跑步關節角度的文獻納入分析，其中關節角度進行角度轉換，統一了關節角度測量體系(圖1)，其他運動生物力學指標，因文獻均只有1 篇，未納入分析；⑥研究對象為人，動物實驗未納入。

圖1 人體動力學分析標記點及使用的關節角度定義Fig.1 Marker positions and joint angle definitions

2.3 數據提取和薈萃分析

數據提取主要由1 名研究人員完成，納入數據包括作者、發表年份、樣本量、足底作用力、關節角度、關節重心移動角度、運動速度和外加載荷。 其中結果變量，如足底作用力(GRF)、關節角度、關節重心移動角度等指標，根據實驗條件，錄入地面1 G 和0 G(拋物線飛行或空間飛行)生物力學檢測的均值、標準差及參與人數。采用Review Manager 5.3 (Nordic Cochrane Center， Copenhagen， Denmark) 軟件進行薈萃分析，通過1 G 和0 G 下GRF 和關節角度均值和標準差，計算標準均值差異，含95%置信限。

匯總數據的統計學異質性水平采用卡方和I2統計(異質性定義為P< 0.05)。I2檢驗主要反映了效應量的真實變異在總變異中所占的比重，將25%、50%、75%的I2值作為異質性低、中、高的界限，I2< 25%，采用固定效應模型進行分析，其他情況采用隨機效應模型進行分析。 匯總數據計算效果可根據Z值的大小分為大(Z≥1.20)、中(0.60 ≤Z≤1.19)或小(Z≤0.59)3 級。

對0 G 下運動GRF 的全部數據，包括運動速度(m/s)、優化后的力加載負荷(%BW)作為Modulator，采用Comprehensive Meta-analysis 3.0進行了分析，對跑步速度和外加力負荷與足底作用力之間的關系進行了薈萃線性回歸分析。

3 結果

3.1 文獻檢索情況

共檢索文獻318 篇，其中重復54 篇，與航天生物力學研究有關文獻157 篇，按照納入標準，最終10 篇文獻滿足要求納入分析，詳見表1。

表1 文獻納入情況Table 1 Information about included references

0 G 下行走運動學研究有2 篇文獻研究，但其中一篇比較的是模擬失重與拋物線飛行產生真實失重下跑步生物力學研究結果，因此薈萃分析結果以DeWitt 等[7]2006 年的結果為主。 0 G 下跑步運動學數據納入了Everett(2009 年) 和Schaffner(2005 年)2 篇文獻的數據，Everett 的關節角度定義與其他文獻稍有差異，尤其髖關節角度沒有與軀干相對比，而是與水平線相對比，因此髖關節角度結果未納入分析；膝和踝關節角度測量的是腳著地即刻的角度，其他文章測量的均是步態過程中最大的屈或伸角度，因此該文數據結果未納入分析。

3.2 足底作用力

3.2.1 1 G 和0 G 足底作用力變化

研究表明，1 G 和0 G 下跑臺跑步足底作用力具有明顯差異(P< 0.0001)。 0 G 行走時相對于1 G 足底作用力降低0.17 BW(P＝0.05)，0 G跑步時相對于1 G 足底作用力降低0.56 BW(P＝0.002)。 總體來說0 G 下運動相對于1 G 運動足底作用力降低0.35 BW(圖2)。 跑步的足底作用力降低大于行走。

圖2 1 G 和0 G 運動足底作用力的森林圖[4-13]Fig.2 Forest plot of locomotion ground reaction force difference between 1 G and 0 G[4-13]

3.2.2 0 G 足底作用力變化與跑步速度的回歸分析

速度與0 G 足底作用力的回歸分析顯示(圖3(a))，隨速度的增加(1.11～5.79 m/s)，足底作用力增大，二者相關關系顯著(P< 0.0001)，相關關系為:GRF ＝0.9332 + 0.108 ×speed。

圖3 0 G 運動足底作用力與速度(a)和外加力負載(b)的隨機效應薈萃線性回歸結果Fig.3 Random-effects meta-regression of speed (a)， EL(b) and GRF during running or walking in 0 G

3.2.3 0 G 足底作用力變化與外部力加載負荷的回歸分析

外部力加載負荷(external load， EL)與0 G足底作用力的回歸分析顯示(圖3(b))，隨外部力加載負荷的增加(35%～100%BW)，足底作用力增大，二者相關關系顯著(P< 0.014)，相關關系為:GRF ＝0.2715 + 0.0138 × EL。

3.3 跑步運動學參數

3.3.1 髖關節角度

1) 髖關節屈峰值角度。 總體上1 G 和0 G下步態髖關節屈的角度沒有顯著差異，亞組分析表明0 G 下跑步髖關節屈曲峰值角度相比于1 G平均減少11.19°(P＝0.03)。

2) 髖關節伸峰值角度。 亞組分析表明，0 G下跑步時髖關節伸峰值角度相對于1 G 跑步平均減少12.59°(P＝0.004)，在行走時1 G 和0 G 髖關節伸峰值角度沒有顯著差異，但從數值上看，0 G 下髖關節伸展峰值角度可見減少4.22°(P＝0.38)。 總體上0 G下運動髖關節伸的峰值角度相對于1 G 運動平均減少8.61°，達到顯著差異(P＝0.04)。

3) 髖關節活動范圍。 總體上，髖關節活動范圍在1 G 和0 G 下行走和跑步沒有顯著差異。

3.3.2 膝關節角度

1) 膝關節屈峰值角度。 亞組分析表明，行走時膝關節屈峰值角度0 G 較1 G 增加8.79°(P＝0.04)；跑步時膝關節屈曲峰值角度0 G 較1 G 增加7.03° (P< 0.0001)。 總體上，0 G 下運動膝關節屈曲峰值角度相對于1 G 下運動增加7.37°(P< 0.00001)。

2) 膝關節伸峰值角度。 總體和亞組分析表明，0 G 下跑步機運動的膝關節伸峰值角度與1 G沒有顯著差異。

3) 膝關節活動范圍。 總體和亞組分析表明，0 G 和1 G 跑步機運動膝關節活動范圍沒有顯著差異。

3.3.3 踝關節角度

1) 踝關節背屈峰值角度。 總體和亞組分析表明，1 G 和0 G 下跑步機運動踝關節背屈角度沒有顯著差異。

2) 踝關節跖屈峰值角度。 亞組分析表明，0 G 下行走時踝關節跖屈峰值角度相對于1 G 增加5.95°(P＝0.02)，0 G 下跑步時踝關節跖屈峰值角度與1 G 跑步無顯著差異；總體上，1 G 和0 G運動跖屈峰值角度沒有顯著差異。

3) 踝關節活動范圍。 亞組分析表明，在0 G下低速行走時踝關節活動范圍相對于1 G行走增加8.35° (P＝0.0009)，0 G 下跑步時踝關節活動范圍相對于1 G 無顯著差異，平均略有降低2.65°。 總體上，1 G 和0 G 運動踝關節活動范圍沒有顯著差異。

4 討論

從薈萃分析的總體結果來看，0 G 下行走或跑步足底作用力相對于1 G 降低，且跑步條件下足底作用力降低更大。 0 G 下跑步足底作用力與跑步速度呈線性相關，與外部力加載負荷大小呈線性相關，但速度每增加1 m/s，對足底作用力增加的效果與力加載每增加10% BW 的作用接近。0 G 下行走運動學變化大于跑步時的運動學關節角度變化。

4.1 足底作用力

航天飛行期間，航天員跑步鍛煉只能采用跑步機進行，因此需要掌握跑步機跑步的技巧。 跑步機跑步生物力學特性還受到對跑步機的熟悉程度/舒適度了解情況、跑帶尺寸、跑步時的視覺焦點位置、感知差異、跑帶表面硬度以及跑臺驅動模式的影響[14-15]。 無坡度跑步時，地面場地跑步和跑步機跑步關節運動學和地面反作用力大致相似，各關節運動差異顯著[16]，但差異均不大于3°[17]。

失重條件與地面條件跑臺跑步最大的不同在于失重條件下有著束縛加載系統的限制，同時空間飛行中，跑臺采用彈簧阻尼器與隔振系統來減輕跑臺機沖擊載荷對空間站運行軌道的影響，但隔振系統又會使跑臺產生輕微的左右搖擺和上下擺動，對人體的跑步姿態產生影響。 太空跑臺跑帶的尺寸較窄較短，限制了步幅；由于安裝空間局限，導致跑步時的視覺無較遠視點[18]；對跑步速度感知與地面存在差異，這些都對跑步生物力學特性產生了較大影響。

空間站不同的跑臺產品對跑步生物力學影響也不同，具體指標差異見表2。 如國際空間站早期開展的跑步運動生物力學分析研究是依托TVIS(跑臺振動隔離系統)跑臺進行的，而2009年空間站安裝了新的T2 跑臺。 TVIS 跑臺生物力學實驗研究結果發現，5.5 mph(mileperhour)跑速下，增加束縛加載負荷，下肢負荷可從1.35 BW增加到1.71 BW，大約增加了21%；而一名受試者跑速從5.5 mph增加到8 mph，下肢負荷只增加了6%，認為針對TVIS 跑臺提高足底作用力，增加力加載負荷比增加跑速更為有效。 De Witt 等[6]采用T2 跑臺進行的研究認為0 G 下增加跑步速度可以在一定程度彌補跑步峰值沖擊力和推進力的降低，束縛加載負荷不可能通過增加跑步速度來代償，建議在制定訓練計劃時如采用較高的加載負荷，應考慮同時設計較高跑速。

表2 NASA 和俄羅斯在軌跑臺相關參數差異[9，19-20]Table 2 Specification of NASA and Russian in-orbit treadmill[9，19-20]

本文的薈萃分析發現，航天飛行中足底作用力在行走時較地面降低0.17 BW，而在跑步時則降低0.56 BW，降低是行走時的3 倍。 根據薈萃線性回歸分析的結果，速度每增加1 m/s，則足底作用力增加0.108 BW，力負荷每增加10% BW，則足底作用力增加0.138 BW。 從上述結果可見，飛行中為增加足底作用力，維持對骨的沖擊力，可根據情況選擇增加外加力負荷或者增加跑步速度，對于跑步速度無法增加的航天員，可選擇增加外加力負荷；而無法耐受外加力負荷對肩腰束縛影響的航天員，在需確保防護效果的條件下，可使用逐步增加跑步速度的策略。

NASA2005 失重飛機跑臺生物力學研究中[13]，給出了一定速度下，足底作用力與外加力負荷的關系，即在1.54 m/s 速度下，峰值GRF ＝0.20 + 0.0108 × EL；在3.60 m/s 速度下，峰值GRF ＝0.58 + 0.0153 × EL；采用多參數回歸進行分析的結果為:峰值GRF ＝0.75 + 1.29 × EL-0.7 × (運動參數)，在1.54 m/s 時運動參數為1，在3.60 m/s 時運動參數為0。 從該研究結果看，外加負荷的作用結果與本薈萃分析結果相似，但該峰值GRF 的增加與跑步速度有關，但運動參數的作用與外加負荷的作用似乎相反，而且速度越低，足底作用力相互抵銷的作用越大，較高的速度可以減少這種消減作用。 因此外加負荷和提高速度對于增加足底作用力的效果較好。

跑步的著地方式主要有3 種，即后腳著地，中足著地和前腳著地。 據報道，89%的跑步者著地方式均是后腳先著地。 與后腳著地方式相比，前腳著地方式是以足底和膝蓋彎曲更多的姿態著地的，后腳著地則表現出更高的垂直沖擊力[21]；前腳著地的跑步者在擺動末期脛骨前肌活動減少，腓腸肌內側頭和外側頭活動增強[22]。 前中足著地過程中，為了使下肢更好地適應跖屈的足部沖擊，跖屈組織產生了較大的力量衰減，使得遠側(腳踝處)沖擊衰減更大，從而降低了近側(即膝蓋和臀部)的沖擊，減少了這些部位的損傷風險，但這種風險的降低可能被跟腱和腓腸肌結構損傷風險的增加所抵消[23-24]。

對長期飛行期間跑步生物力學研究足底作用力曲線的分析表明，航天飛行期間對T2 跑臺進行研究，航天員以后腳著地為主[6]；使用BD-1 跑臺在拋物線飛行期間的實驗可見，航天員在行走時以后腳著地為主，而跑步速度8 km/h 以上時以前足著地為主[7]；俄羅斯航天員在軌飛行測試前足著地和后腳著地的情況均存在[8]。 航天員選擇前足著地，與跑臺本身特性有關，如BD-1 跑臺，受試者如果向前邁得太遠，可能向前翻滾，為了最大程度地使用跑面，前腳著地可以方便腳跟踏在跑板上。 Heise 等[25]研究發現，跑步觸地時刻身體姿態可以評價接近40%的跑步經濟性，同時74% ～ 90%VO2max下長時間運動，不會改變運動經濟性[26]。 跑步過程中肌肉疲勞、肌肉功能降低、熱應激伴隨體溫升高、兒茶酚胺水平增高、呼吸肌活動增加、過度通氣等均會造成氧耗量需求增加，跑步經濟性降低[27]。 航天飛行中肌萎縮導致的肌肉功能下降等會降低跑步經濟性，控制觸地方式，提高跑步經濟性，可改善運動疲勞情況。

4.2 跑步運動學

跑步的步態周期分為4 個時相:站姿時相(腳后跟著地到腳尖離地)、第1 個騰空時相(腳尖離地到另一腳腳后跟著地)、擺動時相(另一只腳腳后跟著地到另一腳腳尖離地)和第2 次騰空時相(另一腳腳尖離地到腳后跟著地)。

研究表明，跑步時下肢節段和關節角度隨速度而變化，腳著地前隨著跑步速度增加髖關節屈時大腿的最大角度變得更屈曲；跑臺跑步3.4 m/s 時為20.8°，而在5.0 m/時為30°。 腳離地時，髖關節伸，大腿角度為負值，范圍從3.57 m/s時的-24.0°到8 ～ 9 m/s 時的-29° ～ -32°。 腳著地時膝關節不完全伸展的角度范圍為21° ～ 30°，腳離地時膝關節屈曲角度在3.4 ～ 7.5 m/s 時范圍在38° ～ 50°。 踝關節背屈角度在腳觸地時在84° ～ 101°，而腳離地時踝關節跖屈的角度在3.6 m/s 時為75°。 關節角度變化與速度、與受試者的選取有一定相關性[28]。

失重條件下骨骼肌肉系統的變化與老齡化相似，與近端肌肉相比，遠端肌肉(如小腿肌肉)的無力在更大程度上影響了老年跑步者的步態模式。 與年輕跑步者相比，老年跑步者在跑步過程中表現出顯著的踝關節柔韌性降低和踝關節跖屈和背屈降低；髂脛束繃緊度增加，髖關節內收-外展降低；出現更大的膝關節外旋和踝關節外展，垂直足底作用力主峰和水平足底作用力推進峰有所降低；足底作用力最大負荷率增加，減震能力較差；軀干偏移總體減少，腰椎活動范圍縮小，軀干和脊柱結構硬度增加，軀干的活動度降低，可導致肌肉骨骼損傷，如出現腰痛[29]。 航天飛行中除上述生物力學改變外，脊柱因失重而誘發的失穩，著束縛系統導致的軀干受壓、扭轉受限等均會影響跑步運動學特征。

從本文薈萃分析的關節角度變化可以看出，相對于1 G 行走，0 G 下行走時踝關節背屈峰值角度沒有顯著變化，膝關節屈曲峰值角度增加8.79°，髖關節屈峰值角度沒有顯著變化；踝關節跖屈峰值角度增加5.95°，膝關節伸峰值角度沒有顯著變化，髖關節伸峰值角度無顯著變化。 這些均表明0 G 行走著地時膝關節角度增加，向前的推動力降低。

相對于1 G 跑步時，0 G 跑步踝關節跖屈、膝關節伸峰值角度無明顯差異，髖關節伸的峰值角度減小12.59°；著地時踝關節背屈峰值角度相對1 G 無明顯變化，膝關節屈的峰值角度相對于1 G增加7.03°，髖關節屈峰值角度減少11.19°。 可見跑步著地時，膝、髖關節更加僵直，可能與軀干前傾及著束縛系統有關。

Silder 等[30]發現相比于不負重跑步，相同速度負重跑步時志愿者下肢僵硬度增加，站姿時相髖屈、膝屈、踝背屈角度增加，觸地時刻髖關節、膝關節屈曲角度增加，Kabbaligere 等[31]研究發現減重條件下行走下肢各節段運動學特征發生變化，Jackson 等[32]也分析飛行中航天員由于不需要控制對抗重力的身體平衡，下肢的僵硬度可能增加，飛行后的步態分析也發現了下肢僵硬度的凈增加。 因此0 G 下行走和跑步時出現的下肢節段步態特征變化可能與失重狀態以及著束縛系統外加力負荷作用有關。

4.3 局限性

失重狀態下運動生物力學變化的研究工作受限于飛行資源限制，一方面樣本量少，另一方面研究結果報道主要集中在NASA 的相關研究工作，且生物力學研究工作夾雜在設備建立、束縛系統評價、測試方法確定等相關內容，文獻報道少，結果較零散，同時存在同一實驗結果中抽取部分數據報道的情況，使薈萃分析結果的準確性受到了一定影響。 因0 G 運動過程中肌電記錄文獻少(只有1 篇)，且數據為圖形，不易統計整理，故文中未對肌電結果進行薈萃分析，因此0 G 下運動生物力學改變對骨肌系統的影響只能從運動學關節角度的變化來加以判斷。

5 結論

0 G 下跑步足底作用力下降大于行走，總體足底作用力在0 G 下平均降低0.35 BW；足底作用力大小與跑步速度、外加力負荷呈正相關，在4 ～ 20 km/h速度范圍內，速度每增加1 m/s，足底作用力的增加與外加力負荷每增加10% BW的增加近似。 0 G 下運動關節變得僵直，可能與失重狀態以及著束縛系統存在外部力加載有關。