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研究目的:人体在跑、跳着地过程中下肢所承受的反复冲击是诱发如扭伤、骨裂/骨折、膝关节内紊乱等急性损伤或应力性骨折、髌骨劳损等过用性损伤的主要原因。有超过74%的长跑跑者都采用后跟触地的模式,而后跟触地模式较高的着地冲击和过高的负载率是下肢损伤的高风险因素,使得损伤发生率居高不下。有研究表明,当跑者处于疲劳状态时,特别是在运动后期疲劳发生时,下肢缓冲冲击的能力降低,负载率增加,从而导致损伤发生的几率升高。因此本研究重点探讨在疲劳进程的不同阶段(疲劳前、疲劳中前期、疲劳中后期和疲劳后),疲劳因素对着地冲击和下肢三关节(髋、膝、踝)的生物力学特征差异,包括地面反作用力、最大/平均负载率、制动力、蹬伸力以及髋、膝、踝三关节力矩和功率。研究方法:招募8名健康男性跑步爱好者(年龄:22.8±2.1 yrs,身高:178.1±4.3cm,71.9±8.0kg,周跑量:15.2±3.2km,疲劳干预时间:22.4.±8.9min),且触地方式为后跟触地。在下肢骨性标志点粘贴42个Marker点,用以定义骨盆、下肢和足踝。采用10个Vicon红外摄像头(采样频率:100Hz)和Bertec三维测力跑台(采样频率:1000Hz),每隔2分钟采集8名跑步爱好者在疲劳干预过程中的15秒地面反作用力数据以及标记点轨迹。受试者需穿着缓冲跑鞋(NikeAirZoomPegasus34)在三维测力跑台以恒速12km/h跑到疲劳。达到疲劳的标准为RPE自感疲劳量表≥17或心率大于当下年龄最大心率的90%。地面反作用力采用Butterworth二阶双向低通滤波,截止频率为50 Hz,选取触地阶段的第一峰值(BW)及其到达时间(s)、第二峰值及其到达时间以及最大负载率(BW·s-1)和平均负载率、X轴方向上的制动力和X轴前后方向的推进力。运动学采用Butterworth二阶双向低通滤波,截止频率为14Hz,选取参数为髋膝踝三关节触地角度(θ)、最大角度(θmax)、触地角速度峰值(ω0)和蹬伸角速度峰值(ωp)。在V3D v5软件中利用逆向动力学计算下肢髋、膝、踝关节由肌肉产生的净力矩,选取各关节蹬伸力矩(N·m·kg-1)峰值和功率(W·kg-1)峰值。整个干预过程按照时间百分比均分为四个阶段,即疲劳前、疲劳中前期(第1/3阶段)、疲劳中后期(第2/3阶段)和疲劳后,计算每个阶段截取优势腿连续完整10步的平均值,比较受试者疲劳过程中四个时刻的着地冲击和下肢三关节触地角度、最大角度、角速度、关节力矩和功率的特征。采用配对样本T检验分析比较时间因素(疲劳各个阶段)对冲击力学、运动学以及动力学等的影响,显著性水平α设为0.05。研究结果:1)对于地面反作用力,在疲劳干预过程中,平均负载率在疲劳前后显著性增加(P=0.04),从整个过程来看,与疲劳前相比,疲劳中前期和疲劳后的第一峰值(1.88 vs 1.73 vs 1.88 BW)、最大负载率(117.2 vs 110.7 vs 120.34 BW·s-1)、第二峰值(2.51 vs 2.46 vs 2.53 BW)呈现出先下降后上升的趋势。2)对于运动学,在疲劳进程中,与疲劳前相比,踝触地角度在疲劳后减小(P=0.106),踝蹬伸角速度峰值在疲劳后显著增加(P=0.04),髋膝关节触地角度、最大角度、触地角速度峰值和蹬伸角速度峰值在四个阶段没有显著性差异,但是从整个过程来看,髋关节推进期角速度峰值呈现出上升(71.68 vs 90.88 vs 93.98 vs 97.14°/s)趋势。3)对于动力学,在疲劳干预过程中,髋、膝、踝峰值力矩和髋膝峰值功率均没有显著性差异,但是从疲劳过程观察,踝关节功率在四个时刻呈现出持续下降(15.96 vs 14.20 vs 13.85 vs 13.51 W·kg-1)趋势,而与之对应的,髋关节功率在四个时刻呈现出持续上升(6.52 vs 7.18 vs 7.82 vs 8.05 W·kg-1)趋势。研究结论:在跑步疲劳过程中,疲劳因素对跑步冲击有显著性影响,即平均负载率在疲劳后显著性增加,表明在疲劳进展中,特别是在运动后期,随着平均负载率的增加,人体下肢缓冲冲击的能力逐渐减弱,这可能导致跑步损伤的风险增加。另外,在疲劳过程中,踝关节功率峰值逐渐减小,髋关节推进期功率峰值逐渐提高,提示可能在疲劳后髋关节伸髋功率增加代偿踝关节功率的减少,以维持运动强度和身体姿态。因此,对于非专业跑者而言,需更加关注跑步时疲劳对下肢的影响,尤其是在运动后期,以预防或减小跑步损伤。