跑步机平台下人体运动参数分析|跑步机对人体有伤害吗

　　摘要：一直以来受实验器械的限制，不能精确的获取人体运动的数据，而人在跑步机跑台的上运动，因其参照物不同极容易破坏人体长期在平地上跑步的所建立的自然平衡，造成运动者的损伤。通过运动捕捉仪的高速摄像头获取人体在一个步态周期下膝关节及踝关节角度、角速度等数据并对实验数据进行图表分析，最后得出人体在跑台跑步的不利因素。
　　关键词：运动捕捉；运动分析；生物力学；运动损伤
　　0 引言
　　人在地面上运动是以地面或者地面上的物体作为参照物的，而在跑步机上运动是以跑步机的跑带作为参照物的，并不是以地面或者跑台作为运动参照物。因而，在跑步机上的运动并非是人体自然的一种运动状态，人自然跑时的瞬时速度并不是固定的，身体重心的速度有它自己的自由选择性。而在跑步机上跑步由于固定了人的运动速度，打破了人体特有的速度平衡，这种平衡不仅仅是横轴方向上的，而且还有纵轴方向上的，当这些长久以来建立的自然速度平衡遭到破坏，人体的运动就发生了质的变化。在本文中，将在跑步机上的跑步运动简称为跑台跑，在平地上的跑步运动简称为平地跑。通过实验数据比较分析平地跑与跑台跑时步态周期、膝关节及踝关节角度、角速度的异同。
　　受试者在平地上的跑步动作的实验过程中，由于动作捕捉范围的限制，仅能够捕捉到1～2个完整的步态周期。因而通过多次的动作捕捉，选取数据最为完善的一组数据中的一个步态周期作为和跑台上的跑步步态进行对比。通过计算，可以得知受试者1号、2号在平地上跑速接近5km/h，故选取跑台上速度为5km/h时的跑步数据来和平地上的数据进行比较：3号在平地上跑速较为接近6km/h，故选取跑台上速度为6km/h时的跑步数据来和平地上的数据进行比较。
　　1 实验方法
　　1.1实验对象
　　本文实验对象选择三位，无足部疾病及足部损伤，足部解剖结构和机能一切正常，身体状况运动能力良好的在校学生。受试者人体主要尺寸基本情况如表1。
　　1.2实验设备
　　实验以采集受试者在跑步机上的跑步步态为主要目的，实验需要两种实验设备，一个是供受试者进行实验的跑步机，另一个是采集数据的系统。本实验采用的实验设备为：Vicon MX动作捕捉系统、好家庭牌FMLTI503电动跑步机。
　　1.3实验数据处理
　　动作捕捉实验完成后，经过Vicon IQ软件的处理获得一系列c3d格式的文件。将c3d文件导人后期处理软件Polygon软件，将实验者身上的所有41个Maker点的坐标数据通过文本格式文件导出，最后利用MatLab 7.0软件获得受试者相关关节的图形曲线信息。
　　2 跑步运动参数分析
　　2.1平地与水平跑台跑步态周期的比较
　　通过捕捉数据计算，1号和2号受试者无论在跑台上还是在平地上以5km/h速度跑时，步态周期都在0.80±0.10s范围内，计算从足尖着地到足尖离地的时间，平地跑时。每个步态周期中足尖着地到足尖离地时经历了60±8帧，时间为（60±8）×0.005s=（0.30±0.04）s，而跑台跑时。每个步态周期中足尖着地到足尖离地时经历了76±5帧，时间为（76±5）×0.005s=（0.38±0.02）s；3号受试者在跑台上和在平地上以6km/h速度跑时，步态周期在0.790±0.10s范围内，计算从足尖着地到足尖离地的时间，在平地跑时，每个步态周期中足尖着地到足尖离地时经历了60±8帧，时间为（56±6）×0.005s=（0.28±0.03）s，而在跑台上跑时，每个步态周期中足尖着地到足尖离地时经历了70±5帧，时间为（70±5）×0.005s=（0.35±0.025）s。
　　通过以上比较。可以得出这么一个结论：在一个步态周期中。平地跑有更多的摆动时间，更长的摆动距离，更短的支撑时间和更长的摆动时间。
　　2.2跑膝关节运动的比较
　　由于篇幅问题，本文只列出1号受试者以5km/h的速度在跑台水平、平地条件下跑时膝关节角度θk、角速度ωk随时间变化曲线图，详见图1～2；
　　表2为三位受试者在足尖着地、足尖离地时刻膝关节角度θk、角速度ωk值。
　　表2中相关参数介绍：
　　θk1：足尖着地瞬时膝关节角度；
　　ωk1：足尖着地瞬时膝关节角速度；
　　θk2：步态由着地阶段过渡到蹬地阶段膝关节瞬时角度；
　　ωk2：步态由着地阶段过渡到蹬地阶段膝关节瞬时角速度；
　　θk3：足尖离地瞬时膝关节角度；
　　ωk3：足尖离地瞬时膝关节角速度。
　　足尖落地阶段，从表2中可以看出，在着地时刻，跑台水平时的膝关节角度与平地跑时差别不大，但角速度除1号受试者外，角速度却大于平地跑时的角速度。分析图1～2，从足尖着地瞬间到足尖开始离地阶段，平地跑时膝关节角度的变化幅度明显小于跑台跑时的变化幅度，在这阶段，跑台跑时膝关节角速度的变化曲线较平地跑时陡峭，而且变化幅度大。
　　足尖离地阶段，从表2中可以看出，在离地时刻，三位受试者水平跑台跑时的膝关节角度以及角速度都明显大于平地跑时。结合表2分析三位受试者变化曲线图，从足尖开始离地到完全离地的这个蹬地阶段，平地跑时膝关节角度的变化幅度（θk3-θk2）明显小于跑台跑时的变化幅度，跑台上变化较陡，平地上变化平缓，说明跑台跑时膝关节角度变化快，通过分析角速度变化曲线更加能够证明这一点。对比这一阶段的角速度随时间变化曲线，三位受试者跑台跑时的角速度变化幅度大，变化坡度大，即此阶段的角速度曲线的斜率大，而其斜率即为角加速度值，说明在蹬地阶段，同一跑步速度情况下，跑台跑时受试者膝关节角加速度比平地跑时的大，因而膝关节受到的反作用力也大。 　　足尖离地后。步态周期进入摆动相，由于摆动相并没有和地面接触。所以此时膝关节不受地面的反作用力。但由于平地跑时有更多的摆动时间，因而在足尖落地前受试者能够有足够的时间去调整膝关节的角度，能够更好地进入下一个步态。跑台跑时。不仅跑步范围有限，而且调整时间短，因而必然容易对足尖着地产生较为不利的影响。
　　因而，跑台跑时膝关节调节是一个被动的过程，而且调整时间短，足落地范围小，膝关节角度、角速度变化大，因而膝关节受到较大的冲击峰值，而冲击峰值是造成运动损伤的主要因素。同样在足尖落地阶段，跑台跑时膝关节角度、角速度有着较大的变化幅度，角速度、角加速度大，因而膝关节需要承受的地面反作用力也大。当膝关节完全伸直或接近伸直的时候，而重量又恰恰压在下肢上，两侧韧带和交叉韧带就会同时拉紧，两侧半月板的前面被夹在胫骨踝与股骨踝之间，在这个阶段膝关节遭受损伤的可能非常大。通过两种条件下足尖着地和蹬地阶段角度、角速度的比较，可以判断：在跑台上运动时膝关节受到损伤的可能性较大。
　　2.3踝关节运动的比较
　　由于篇幅问题，本文只列出1号受试者以5km/h的速度在跑台水平、平地条件下跑时踝关节角度θA、角速度ωA随时间变化曲线图，详见图3～4；表3为三位受试者在足尖着地、足尖离地时刻踝关节角度θA、角速度ωA值。
　　表3中相关参数介绍：
　　θA1：足尖着地瞬时踝关节角度；
　　ωA1：足尖着地瞬时踝关节角速度；
　　θA2：步态由着地阶段过渡到蹬地阶段踝关节瞬时角度；
　　ωA2：步态由着地阶段过渡到蹬地阶段踝关节瞬时角速度；
　　θA3：足尖离地瞬时踝关节角度；
　　ωA3：足尖离地瞬时踝关节角速度。
　　由表3可知，在足尖着地阶段，三位受试者在水平跑台跑和平地跑时θA1、θA2位值大小相差不大，跑台跑的值较平地跑时相对会大2°～4°，二者差值（θA1-θA2）即着地阶段踝关节做曲运动时的角度值，跑台跑时的差值比平地跑时的差值大得多；在足尖离地阶段，三位受试者在水平跑台跑和平地跑时的θA3值差值在5°～8°之间，因而在足尖离地阶段，踝关节做伸运动的角度大小为（θA3-θA2），同样跑台跑时的值大。
　　由图3～4可知，踝关节角度值由θA1变化到θA2时，三位受试者跑台跑时的曲线斜率较平地跑时陡，踝关节角度变化快，同样角速度由ωA1减小到ωA2时，跑台跑时踝关节角速度变化曲率陡；通过表3，计算出差值1为（ωA2-ωA1）、差值2为（ωA3-ωA2），差值1以及差值2在跑台跑时的值远大于平地跑时的差值，两者在一个步态周期内角度变化所用时间差别不大，因而在足尖着地阶段、足尖离地阶段跑台跑时的角速度差值大，斜率大，进而可知踝关节角加速度大。由于足部在支撑阶段都受到地面的反作用力，角度越大，受到的反作用力越大，因而跑台跑时踝关节受到的冲击也比平地上大。
　　在步态进入摆动相后，不论平地跑还是水平跑台跑。踝关节角度变化趋于平缓，角速度在一定范围内波动，无太大的变化，由于在摆动阶段踝关节不会受到地面反作用力的冲击。在这阶段主要就是调整角度、角速度以最佳状态进入下一个步态，但相比而言，跑台跑较平地跑摆动时间小，调整时间必然也短，因而对下一个步态足尖着地产生不利影响。
　　通过以上的比较，跑台跑时，由于运动范围的限制，踝关节在足尖落地阶段要进行比平地跑时作出更大调整，此时足对小腿作内旋运动，即足底在此时需要向内侧尽量转动才能保证踝关节在运动时不至于离开跑带范围，而在落地阶段跑台跑时踝关节角度、角速度、角加速度比平地跑时大；跑台跑较平地跑而言。足尖落地时踝关节能够进行的缓冲小，踝关节变化角速度大，而踝关节需要承受全身重量，因而跑台跑时踝关节受到较大的冲击，较容易发生内翻性损伤。内翻是指足底向内侧转动，内翻纯粹是跗骨间关节的运动。
　　3 结语
　　本文通过分析比较三位受试者平地跑与水平跑台跑时膝关节和踝关节角度、角速度的变化曲线得到以下结论：
　　（1）跑台跑是一个被动调节过程，在这个过程中，踝关节比平地跑时的变化更大，需要更加努力参与足的活动范围以及身体平衡的调节，跑台跑没有平地跑时的流畅和自然。
　　（2）由于跑台跑是一个被动调节的过程，因而人在这个过程中，由于平衡身体调节的需要，人对跑步速度的控制大大增加，从而失去了平地上较为平缓的从缓冲最大值开始到蹬地最大值之间的时间平衡。
　　（3）以同样的速度在跑台上跑和在平地跑时，跑台跑时膝关节受到的冲击显然大得多，可以判断跑台跑时膝关节受到损伤的可能性较大。
　　（4）以同样的速度进行跑台跑和平地跑。在跑台跑时踝关节受到较大的冲击，较容易发生内翻性损伤。

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