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性别对大学生休闲跑者5公里跑步计时赛后下肢运动学影响的比较分析
【字体: 大 中 小 】 时间:2025年02月13日 来源:Scientific Reports 3.8
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跑步作为一项简单且实用的运动,被全球数百万人用于改善身体成分、促进肌肉骨骼健康、心血管健康以及心理健康。然而,其较高的肌肉骨骼损伤风险不容忽视。流行病学调查显示,跑步损伤率在 19% - 79% 之间,持续性损伤是人们停止跑步的常见原因。大多数跑步相关损伤(RRIs)为下肢过度使用损伤,如胫骨内侧应力综合征、髌股疼痛综合征、髂胫束综合征、胫骨应力性骨折和足底筋膜炎等。
北京师范大学体育与运动学院的研究人员在Scientific Reports期刊上发表了题为 “Comparative analysis of the effects of gender on lower extremity kinematics following a 5 km running time trial in collegiate recreational runners” 的论文。该研究聚焦于不同性别大学生休闲跑者在 5 公里跑步时间试验后的下肢运动学特征差异,对于深入理解跑步运动中的性别差异、预防跑步相关损伤具有重要意义。
跑步作为一项简单且实用的运动,被全球数百万人用于改善身体成分、促进肌肉骨骼健康、心血管健康以及心理健康。然而,其较高的肌肉骨骼损伤风险不容忽视。流行病学调查显示,跑步损伤率在 19% - 79% 之间,持续性损伤是人们停止跑步的常见原因。大多数跑步相关损伤(RRIs)为下肢过度使用损伤,如胫骨内侧应力综合征、髌股疼痛综合征、髂胫束综合征、胫骨应力性骨折和足底筋膜炎等。
生物力学特征在增加 RRIs 风险方面影响显著,且 RRIs 的发生率与性别相关,女性跑者受伤率明显高于男性。已有研究表明,性别差异导致的跑步运动学差异与 RRIs 发生率有关,如男女在髋部和膝部的峰值内收角、峰值内旋角和峰值外展角存在差异,女性在跑步时的峰值外部膝外翻和髋部内旋明显大于男性。此外,随着跑步时间延长,下肢运动学发生显著变化,可能增加 RRIs 风险。但目前对于 5 公里跑步时间试验后可能导致疲劳的跑步运动学变化,尤其是性别差异方面的研究存在空白,且针对性别差异的预防损伤训练也有限。
通过 G*POWER 3.1 软件进行先验功效分析,确定最小样本量为 24。为提高统计效力并检测潜在性别差异,研究招募了 30 名参与者,其中男性 15 名(平均年龄 20.33±1.84 岁,身高 174.67±6.54cm,体重 64.23±3.85kg),女性 15 名(平均年龄 20.73±1.67 岁,身高 161.93±2.71cm,体重 53.42±3.47kg)。所有参与者均为后脚着地跑者,测试前 3 个月内无受伤史,每周至少跑步 20km。参与前,参与者需完成书面知情同意书和健康史筛查,研究方案经北京师范大学体育与运动学院伦理委员会批准(IRB 批准号:TY2023101002)。
下肢运动学通过惯性测量单元(IMU)系统测量,该系统(STT 系统,西班牙巴斯克地区)包含七个 IMU,用于跟踪三维运动。时空参数采用 Garmin HRM - RUN 心率监测器收集,参与者跑步时佩戴在胸部,其可靠性已在先前研究中得到验证。
研究在北师大体育科学研究实验室进行。首先对 46 名参与者进行健康史筛查和心肺运动测试(CPET),使用 Cosmed K5 在跑步机上进行渐进负荷测试,直至参与者力竭,依据测试结果选取 30 名峰值摄氧量()相似的休闲跑者(男性 15 名,女性 15 名)。
在收集下肢运动学数据前,用粘性尼龙带将七个 IMU 分别固定在骶骨、大腿、小腿和脚的两侧。定义好各关节角度,进行站立校准试验确定节段坐标系和关节轴。参与者以 4±0.3m/s 的速度在 30m 跑道上跑步,通过光电细胞监测速度,每个参与者收集三次成功试验数据。之后,参与者进行 5 公里跑步时间试验,鼓励全力奔跑,跑步过程中佩戴 Garmin HRM - RUN 收集心率和时空参数,完成后返回实验室进行第二次运动学测试,测试过程与第一次相同。
IMU 系统传感器信号收集的实时运动学数据无线传输至 iSen 3.06 软件,在软件的空间三维坐标系中定义坐标轴,将运动学数据导出为 CSV 格式文件,分析 10 个连续步态周期,选取参与者优势腿数据。Garmin HRM - RUN 收集的时空参数直接传输至 Garmin Connect 软件。
采用 Kolmogorov - Smirnov 检验和 Levene 检验分别测试连续数据的正态性和方差齐性,对不符合正态分布的数据进行转换。运动学特征采用双向方差分析,时空参数采用独立样本 t 检验,显著性水平设定为,使用 SPSS 21.0 软件进行统计分析。
男女参与者在年龄、BMI 和方面无显著差异,但男性身高更高、体重更重。在标准 400m 跑道上完成 5 公里跑步时间试验,男女所需时间无显著差异(男性 1437.4±84s,女性 1441.7±86s),跑步时平均心率也无显著差异(男性 167.93±14.74bpm/min,女性 166.07±10.19bpm/min)。
独立样本 t 检验结果显示,女性跑者平均步频显著高于男性(),而在步长、垂直振荡、垂直比和接触时间方面无显著差异。
双向方差分析表明,性别和时间对峰值膝内旋角有显著交互作用()。男性跑者跑步后峰值踝外翻角速度显著高于跑步前()。
对比男女两组,跑步前女性在峰值膝屈曲角、峰值髋屈曲速度、峰值膝屈曲速度、峰值髋外展速度和峰值膝内旋速度上显著高于男性,峰值踝背屈角显著低于男性;跑步后,女性在上述多数角度和速度上(除峰值踝背屈角)仍显著高于男性,且峰值膝内旋角显著增加。
研究结果部分支持了研究假设,即女性跑者在 5 公里跑步时间试验后,膝关节在横断面上的峰值角度显著增加,表明长时间跑步对休闲跑者下肢运动学存在性别特异性影响。
此次研究中,两组跑者完成跑步试验时间相近,从平均心率可看出一定疲劳程度。疲劳会改变跑步运动学,女性跑者跑步后峰值膝内旋角显著增加,与先前部分研究结果相似,但本研究首次揭示了跑步疲劳前后运动学的性别差异。有研究表明,峰值膝内旋角增加与髂胫束综合征风险相关,本研究中男女跑者峰值踝内旋速度变化趋势不同,虽受样本量影响结果稳健性,但对理解性别特异性运动学差异有重要意义。
在时空参数方面,女性 5 公里跑步时平均步频显著高于男性。考虑到女性肌肉力量相对较弱,更高步频可能是女性为减少髋膝关节负荷、优化能量消耗和预防 RRIs 的适应性机制,但目前关于时空参数性别特异性的研究有限,需进一步探索。
本研究存在一定局限性。样本仅包含大学生休闲跑者,研究结果外推受限;未收集下肢肌肉力量数据,难以深入建立疲劳与运动学的关系;仅评估了下肢运动学峰值,应关注站立相或步态的所有连续值。未来研究可针对这些不足展开。
总体而言,该研究揭示了大学生休闲跑者在 5 公里跑步时间试验后的下肢运动学性别特异性特征,尤其是女性跑者跑步后峰值膝内旋角的显著增加,为后续深入研究性别特异性运动学模型、预防跑步相关损伤提供了重要的理论依据,有助于制定更具针对性的运动训练和损伤预防策略。
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