基于多惯性测量单元与统计参数映射的男性业余跑者全程马拉松疲劳相关步态模式识别研究

《Sports Medicine - Open》：Identifying Fatigue-Related Gait Patterns Using Multiple Inertial Measurement Units and Statistical Parametric Mapping: A Continuous Analysis of an Outdoor Full Marathon in Male Recreational Runners

本研究针对长跑疲劳易引发跑步相关损伤的难题，通过多惯性测量单元(IMU)连续监测23名男性业余跑者户外全程马拉松中的下肢生物力学变化。采用统计非参数映射(SnPM)分析发现，35公里后出现速度下降(1.13 km/h)和支撑时间延长(0.009 s)，足部推进期外侧加速度增加0.28 g(p<0.01)，骨盆在40公里处前向加速度显著增强。揭示了从远端到近端的代偿机制，为马拉松训练和损伤预防提供了重要生物力学依据。

　　

在全民健身热潮席卷全球的当下，跑步以其简单易行、成本低廉的特点成为最受欢迎的运动方式之一。然而光鲜背后隐藏着严峻的现实——超过40%的长跑爱好者饱受运动损伤困扰，从足底筋膜炎到髂胫束综合征，这些伤病不仅阻碍运动表现，更严重影响生活质量。究其根源，持续跑步引发的神经肌肉疲劳会破坏跑者固有的最优步态模式，从而增加损伤风险。

以往研究多局限于实验室跑步机环境，采用5-10公里的短距离方案，难以真实模拟户外马拉松的疲劳累积过程。更关键的是，传统研究仅对比疲劳前后离散时间点的数据，无法捕捉全程连续变化规律。正是这些局限促使香港理工大学研究团队开展创新性探索，在《Sports Medicine - Open》发表题为“Identifying Fatigue-Related Gait Patterns Using Multiple Inertial Measurement Units and Statistical Parametric Mapping: A Continuous Analysis of an Outdoor Full Marathon in Male Recreational Runners”的突破性研究。

研究团队巧妙运用可穿戴传感器技术，在真实马拉松环境中部署多惯性测量单元(IMU)系统。三个IMU传感器分别固定于右足后跟、右小腿和骨盆区域，以120 Hz采样频率连续记录三维线性加速度和角速度数据。通过定制化MATLAB算法处理原始数据，计算自由加速度(α_free)=传感器加速度(α_sensor)-重力分量，并采用四元数进行三维旋转描述。特别值得关注的是，研究引入统计非参数映射(SnPM)这一先进统计方法，首次实现对完整支撑期连续数据的假设检验，克服了传统离散点分析的局限性。

主要技术方法概述

研究招募23名男性业余跑者完成户外马拉松，在右足后跟、小腿和骨盆固定IMU传感器持续采集运动学数据。采用统计非参数映射(SnPM)分析全程9个时间点(基线、5-40公里每5公里)的支撑期三维加速度和角速度，通过定制MATLAB算法处理步态事件和自由加速度计算。

速度与时间参数变化

数据分析显示，男性业余跑者在35公里后出现显著性能下降。跑步速度从基线14.04 km/h降至40公里处12.87 km/h(p<0.001)，降幅达1.13 km/h。同时支撑时间从0.229 s延长至0.238 s(p<0.001)，步态时间从0.659 s增加至0.673 s(p<0.05)。这些时序参数变化标志着神经肌肉疲劳的客观表现。

后足运动学特征

后足在推进期表现出明显的横向偏移趋势。内侧-外侧加速度在85%支撑期从基线0.11 g内侧方向转变为40公里处0.39 g外侧方向(p<0.01)。更值得关注的是，后足外旋速度在推进期持续增强，70%支撑期从20°/s增至48°/s(p<0.01)，提示跑者可能通过远端策略维持平衡稳定性。同时，后足前向加速度在推进期(65-81%支撑期)显著降低，而上-下加速度在负重接受期和推进期多个阶段出现下降。

小腿运动学适应

小腿前倾角速度在负重接受期(2-6%和11-46%支撑期)显著下降(p<0.01)，表明疲劳状态下下肢通过增加刚度机制维持运动效率。与前足类似，小腿内侧-外侧加速度在推进期呈现明显外侧化趋势，85%支撑期从-0.54 g变为0.23 g(p<0.01)。前向加速度在推进早期(59-86%支撑期)显著降低，而上-下加速度在负重接受晚期和推进早期明显减弱。

骨盆动力学转变

骨盆动力学变化呈现出独特的时空特征。仅在40公里处，骨盆前向加速度在推进中期(68-75%支撑期)出现显著增强(p<0.01)，从0.07 g后向转变为0.06 g前向加速度。这种阶段性变化表明，当远端肌群严重疲劳时，近端骨盆区域开始承担更多推进功能，体现了从远端到近端的动力代偿机制。

研究结论深刻揭示了马拉松跑步中神经肌肉疲劳的渐进性影响机制。后足推进期外旋速度增加可能与代偿性膝内旋相关，作为一种远端策略维持横向平衡；小腿负重反应期前倾速度降低反映了下肢刚度增强机制；而骨盆在极度疲劳状态下的前向加速度提升，标志着推进动力从踝关节向髋关节的重新分配。这些发现不仅证实了35公里以上长距离方案对诱发真实疲劳模式的重要性，更为针对性训练提供了科学依据——加强跖屈肌群(如腓肠肌和比目鱼肌)和髋外展肌(如臀中肌)可能有效提升运动表现并降低损伤风险。

这项研究的创新之处在于首次将连续监测、全程距离和完整步态期分析相结合，构建了真实环境下疲劳步态研究的方法论框架。通过多IMU传感器系统和SnPM统计方法的协同应用，为未来运动生物力学研究提供了可借鉴的范式，对理解长跑损伤机制和制定预防策略具有重要临床意义。