不同着地方式跑步的神经肌肉调谐规律

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

跑步是大众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号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。