运动表面材料差异对跑步不同落地模式人群下肢神经肌肉控制及运动生物力学的影响

Runners experience repetitive impact forces two to three times their body weight during distance running. Repetitive and periodic impact forces are one of the most important risk factors in the running injuries of the lower extremity. The material characteristics of sports surfaces influence the biomechanics and neuromuscular control of the lower extremities of runners; thus, sport performance and impact-related injury can be altered systematically. This study aims to investigate the interaction effects of running surfaces and running landing patterns on impact force, stiffness, joint biomechanics, and muscle activated patterns in the lower extremity by collecting kinematics, kinetics, and EMG data during aboveground running. The findings of this study will be used to 1) elucidate the relationship between running surfaces and running landing patterns, 2) establish advanced mechanisms for the effects of sports surfaces on the biomechanic changes of the lower extremity, 3) optimize the musculoskeletal functions of the lower extremities of runners with different running landing patterns, and 3) provide theoretical basis and technological support to injury prevention, fitness training, and running surface design.

在中长跑运动中，人体将反复承受2-3倍体重的力量的冲击，人体下肢所承受的反复过度、周期性的被动冲击，是诱发跑步下肢运动损伤的重要因素。跑步运动表面材料特征的差异将会影响下肢运动的神经肌肉控制和运动生物力学特征，进而会影响运动表现及运动损伤的发生。.本研究拟通过同步采集受试者在不同材料运动表面跑步过程中的人体下肢运动学、动力学、足底压力及表面肌电信号，探讨不同落地模式跑步人群在不同运动表面跑步时下肢冲击力、刚度、关节三维生物力学及主要肌群的神经肌肉控制特征。进而探讨人体神经肌肉系统在外界跑步运动表面环境变化时通过肌肉的预激活与后激活调节对不同特征跑步人群下肢生物力学因素的影响，以及这些因素之间的相互关系。从而更深层次的理解跑步特征不同的人群在不同运动表面跑步时，人体适应的机制，进而可以有针对性在预防跑步中的运动损伤、指导运动健身及为运动表面设计提供理论技术支持。

在跑步运动中，人体要反复承受大约相当于2-3倍人体体重的地面冲击力。跑步路面和落地模式是跑步运动损伤的潜在风险因素，人体神经肌肉控制系统可以根据落地模式和路面的不同调控人体下肢肌-骨系统，影响冲击力的传导，并最终影响运动表现和运动损伤的发生。本研究通过收集不同落地模式跑步者在不同路面跑步时下肢的运动学、动力学、足底压力和肌电信号，探索：（1）不同材料运动表面跑步时，人体下肢运动生物力学特征；（2）探讨神经肌肉调控对跑步者在不同运动表面跑步时，对人体的下肢运动学、动力学的调控机制；（3）研究不同跑步落地模式的受试者在不同运动表面跑步时，上述生物力学参数的变化规律。本研究主要发现（1）路面不同影响不同落地模式跑步者的踝关节和膝关节受力有类似的影响，不同落地模式落地跑者在不同地面跑步时，在较硬路面在踝关节跖屈力矩较大，伸膝力矩较小，踝关节承受较大负荷，刚度较大；在较软地面的峰值踝关节跖屈力矩较小，力向上传导，作用于膝关节，导致伸膝力矩增加，膝关节刚度增加；（2）落地模式影响下肢的运动学与动力学，非后足落地模式具有较大触地时踝跖屈角度，踝内翻和外翻角速度，有较大的踝跖屈力矩和较大水平方向的冲击力，后足落地模式具有较小的屈膝角度和较大的伸膝力矩。非后足落地跑步者在跑步支撑相具有较小的踝关节刚度和较大的膝关节刚度。结论：不同落地模式跑步者在不同路面以相同速度跑步时，神经肌肉控制系统会调整人体下肢肌-骨系统，采取不同的跑步策略改善落地冲击，下肢各关节运动学会出现相应的变化和承受不同的负荷。总体而言，在较硬路面跑步踝关节承受负荷较大，在前足跑步者中表现更为明显；对于后足跑步者，在较软路面跑步，膝关节将承受更大负荷。这些发现提示运动表面和跑步落地模式可以交互影响跑步下肢的运动生物力学，造成潜在跑步运动损伤部位和风险的差异。这些研究发现可以为运动损伤预防、运动训练和运动表面设计提供有力证据支持。