跑台和地面上跑动时的生物力学分析

摘 要： 旨在通过比较跑台上和平地上不同速度跑时人体运动的运动学和表面肌电参数的异同 ，为使跑台更好地应用于健身、训练和康复理疗等方面提供参考和建议。采集并比较了12名 男生以三种不同速度跑时的运动学和肌电数据。结果发现与地面上跑相比，在跑台上跑步时 步频增加、步长变短、步态周期缩短、腾空时间变长。在跑台上跑时，环节角度和肌电信号 随速度增加而变化的趋势与在地面跑不同。在跑台上慢跑时躯干的起伏程度比地面上大，而 常速和快速跑时，躯干较地面跑时直立，起伏程度也较小。建议在以后的研究中如果要在跑 台上进行运动学、表面肌电测试时，其所得结果应用于平地运动时应慎重。

关键词：地面；跑台；运动学；表面肌电

中图分类号：G804.63 文献标识码：A 文章编 号：1007-3612(2011)11-0055-04

Biomechanical Analysis of Treadmill and Ontheground Running

ZHANG Meizhen，QU Feng

(Beijing Sport University，Beijing 100084，China)

Abstract: The purpose was to compare the difference of kinematic and surface electromyogra phy (EMG) parameters between treadmill and Ontheground running.The results may be helpful for providing advices and suggestions on the application of trea dmill in bodybuilding，training or rehabilitation.The study compared the kinem atic and EMG parameters of 12 male adults at three running pared wit h running on the ground，subjects showed a faster cadence，shorter stride length ，shorter stride cycle and longer swing duration at three running speeds on trea dmill.There were some differences about the joint range of motion and EMG.At the slow speed running on treadmill，the ROM of the trunk was the biggest，but at the other speeds it was erecter and the fluctuation was smaller.It suggests that the researchers shall be prudent when they apply the conclusions drawn fro m the kinematic and EMG test on the treadmill in the exercises on the ground.

Key words: ontheground; treadmill; kinematic; electromyography

跑台不但一直是室内健身和康复训练的必备器材，还一直作为研究人体跑步相关问题的 实验设备。这主要是由于跑台可以允许在一个较小的范围内进行运动，同时跑台还可以控制 活动强度以及环境因素，更为重要的是可以满足实验过程中所需要的其他一些监控设备的使 用。本文旨在通过比较地面和跑台跑步时运动学和表面肌电参数的异同，以此为更好地将跑 台应用于健身、训练和康复理疗等方面提出理论依据和建议。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象 本研究受试者为12名有一定运动训练经历的男性大学生。受试者近半年内无下肢损伤， 且近期没有在跑台上跑步训练的经历。受试者基本情况见表1。表1 受试者基本情况统计年龄/岁身高/c m体重/kg 每周运动训练时间/h20.9±1.4177.8±4.568.1±5.56.7±2.9 1.2 测试方法 受试者分别在跑台和地面上进行三种速度的跑步测试。本研究应用Newtest Powertimer 激光测速系统，对在地面跑步时的速度进行测量与控制。速度的控制范围为：慢速(2.5±0 .2)m/s；常速(3.25±0.2)m/s；快速(4±0.2)m/s。受试者在跑台上跑动的速度根据地 面跑步的速度进行设定。在跑步过程中，将7个红外反光点固定在受试者的左/右肩峰和左/ 右股骨大转子，以及优势侧的肘关节、膝关节和踝关节的骨性标志点上，并应用6个摄像头 的Qualisys-MCU500红外光点高速运动捕捉系统以200帧/s的拍摄速度获得受试者跑动过程 中至少三个连续复步的三维运动轨迹。同时使用MegaWin600016导表面肌电数据采集系统获 取下肢主要肌肉在跑步过程中的肌电信号。肌电数据的采集频率为1 000 Hz/导。表面电极 分别固定在优势腿侧胫骨前肌、腓肠肌内侧头、股直肌、股二头肌和竖脊肌的肌腹。肌电信 号与运动学数据同步采集。

1.3 数据的处理与分析 本研究的运动学指标包括时空参数和环节角度参数。应用Qualisys运动分析系统中的软 件得到各标识点三维坐标，并使用Qtools对原始坐标数据文件进行平滑与计算。运动学数据 平滑采用低通滤波方法，截断频率为8Hz。所有肌电信号经过翻正处理，其分析指标 为每块 测试肌肉在一个复步周期内的持续时间百分比、均方根振幅峰值及平均肌电信号大小，并用 Origin 8.0软件进行制图。利用Spss13.0进行地面和跑台间步态参数的双尾配对样本T 检 验，三种不同速度间进行单因素方差分析(One-way ANOVA Tukey’s post hoc)。

2 结果与分析

2.1 运动学

2.1.1 时空参数分析 由表2可以看出，在跑台上跑步时步频增加、步长变短、步态周期缩短、腾空时间百分 比增加，且与地面相比具有极显著性差异(P

2.1.2 关节角度 表3显示了各环节角度的最大值，图1为最小 值 。从表4可以看出以不同速度在地面和跑台上跑步时各环节运动幅度的差异。图2则提供了在 一个复步周期内关节角度的变化情况。

2.1.2.1 肩关节 在地面上跑步时，肩关节在足离地时刻前摆幅度随着跑速的增加而增加，而且在着地前 摆动角度达到最大，慢速运动时最大肩角达到46.7°，而常速和快速运动时最大肩角分别 为 50.2°和54.5°，且快速和慢速之间具有显著性差异(p

2.1.2.3 膝关节 在地面上跑时，膝关节在腾空阶段的最小屈曲角度慢跑时为101.1°，而常速和快速跑 时该角度明显减小，分别为83.9°和65.9°，且均与慢速跑时具有极显著性差异(p

图2 横坐标为三种速度下周期百分比，纵坐标为肩、髋、

膝和躯干的平均运动幅度。(a)为地面，(b)为跑台。

垂直线表示足着地时刻。 2.1.2.4 躯干 在地面上跑步时，三个速度间躯干倾斜角差异较大，但在一个步态周期中的变化趋势基 本一致。随着速度的增加，躯干前倾程度明显增大，躯干起伏也随之增加，由慢速运动时躯 干运动幅度为3.1°，分别增加到常跑和快速跑时的4.5°和5.7°，且常速和快速与慢速 相 比均具有极显著性差异(p

2.2 肌电数据分析

2.2.1 持续时间百分比 受试者在跑台上进行不同速度跑步时，胫骨前肌、腓肠肌、股直肌和股二头肌肌肉的持 续时间百分比地面上相同速度下大。在慢速运动时腓肠肌和股直肌的持续时间百分比在地面 和跑台之间具有显著性差异(p

2.2.2 均方根振幅 随着速度的增加，在跑台上和地面上肌电信号的均方根振幅最大值和均值均表现为增加 的趋势，这与Jennifer R［1］(2005)等的研究结果一致。慢速跑步时，受试者在跑 台上跑时表现出胫骨前肌和腓肠肌肌电信号减小，而其他肌肉则增加。表6 肌肉肌电信号大小x±s(n=12)肌肉名称速度 均值/μV•s-1地面 跑台峰值/μV地面 跑台胫骨前肌慢速113±45104±59566±269502±233常速138±46116±59690±260585±284快速155±58135±69804±337648±330腓肠肌内侧头慢速264±129181±56961±339742±224常速285±152*192±55*1 064±519782±222快速250±57220±731 000±192*867±197*股直肌慢速95±41112±56441±189514±220常速117±52123±61548±233519±246快速160±84*113±47*670±302*482±200*股二头肌慢速149±64173±89654±329*834±435*常速164±79192±103659±260772±381快速226±89229±140939±379857±445竖脊肌慢速76±3189±32352±133393±115常速100±3298±30425±151462±185快速131±32*104±37*569±136493±170 这与Jennifer R［1］(2005) 和Murray［2］(1985) 对健康成年人在地面和跑 台上行走运动 时肌电分析基本一致。另外在Jennifer R［1］(2005)研究中还提出：运动时远端肌 肉如胫骨前肌、腓肠肌内侧在跑台上增大，这与本文的研究结果不同。有研究认为一般2.2 m/s是走与跑的一个自然过渡，本研究中慢速为2.5 m/s，肌电信号的变化在一定程度上与 行走时肌电变 化类似。但是由于行走与跑步运动形式不同，所以参与工作的肌肉不同，从而研究结果在一 定程度上存在不同之处。在跑台上慢速跑步时，远端肌肉肌电活动的减小可能是由于受试者 在跑台上慢跑时足以一种更平的姿势着地，而这样胫骨前肌伸足作用相对减小。

股二头肌肌 电信号的增加与髋、膝关节运动幅度增加有关。背部肌肉肌电信号的增加与躯干前倾程度增 大有关，脊柱的屈曲和骨盆的运动需要动用臀大肌、竖脊肌等肌肉，所以表现为肌电信号增 加的趋势。 在跑台上常速运动时，肢体的平均运动幅度与地面运动时二者间差异不大。受试者在跑 台上运动时肩关节的伸展幅度较地面上大，可以认为在跑台上常速跑时，人体上肢的肌肉动 用有所增加，相对而言，这时动用的下肢肌肉有所减小或者较地面运动时变化不大，从而协 助人体完成整个运动过程。受试者快速运动时，跑台上各个环节的运动幅度有所下降，相应 地所需要的肌肉活动也减少。

3 结论与建议

3.1 结论 1）与地面跑相比，以三种不同速度在跑台上跑步时，步频增加、步长变短、步 态周期缩短、腾空时间百分比增加、支撑时间百分比减小。2）以不同速度在地面和跑台上跑步时，人体环节运动幅度变化趋势不同。慢速跑步时，跑 台上人体环节的运动幅度与地面跑相比有增加的趋势，快速跑时则相反。而常速运动时，地 面和跑台上环节变化趋势基本一致。3）在跑台上慢跑时躯干的起伏程度比地面上大，而在跑台常速和快速运动时，躯干的前倾 较地面上运动时减小，肢体较直立，同时运动幅度也较小。4）慢速运动时，跑台上受试者远端肌肉活动较地面跑时小，而近端肌肉肌电活动大。在跑 台上常速和快速跑时，肌肉肌电活动较地面跑时小。

3.2 建议 在实际的应用过程中，把跑台上进行实验所得到的结果直接应用到平地运动过程时应慎 重。在应用跑台进行健身、研究、训练和康复理疗等方面，可根据不同的目的，适当调整人 体在跑台上的运动速度以及在跑台上运动时的姿势，如躯干的前倾。

参考文献：

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