《Journal of Biomechanics》：Effects of speed, load, and surface on tibial bending moment and stress
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本研究评估了运动速度、身体负重和表面对胫骨应力与弯曲的影响。14名休闲跑者在平坦和不平整表面上以慢跑（3.0 m/s）和快跑（4.5 m/s）速度进行运动，分别在有和没有15 kg身体负重条件下，对胫骨弯矩进行了量化。研究人员量化了前后方向（AP）、内外侧方向
本研究评估了运动速度、身体负重和表面对胫骨应力与弯曲的影响。14名休闲跑者在平坦和不平整表面上以慢跑（3.0 m/s）和快跑（4.5 m/s）速度进行运动，分别在有和没有15 kg身体负重条件下，对胫骨弯矩进行了量化。研究人员量化了前后方向（AP）、内外侧方向（ML）及合成胫骨应力和弯矩的峰值与均值，并对其进行三因素重复测量方差分析（ANOVA），同时对应力和弯矩波形进行统计参数映射（SPM）三因素方差分析。在快跑过程中，AP和合成胫骨弯矩及应力的均值与峰值均增加（所有：p ≤ 0.009），所有应力和弯矩波形在支撑期0至11%和70至100%区间内增大（所有：p ≤ 0.031）。在15 kg负重条件下，AP和合成胫骨弯矩及应力的均值与峰值均增加（所有：p ≤ 0.008），所有弯矩和应力波形在支撑期13至36%和95至100%区间内增大（所有：p ≤ 0.043）。在不平整表面上，受试者AP和合成胫骨弯矩及应力的均值与峰值均降低（所有：p ≤ 0.010），所有弯矩和应力波形在支撑期0至13%、18至20%和69至86%区间内减小（所有：p ≤ 0.033）。较快的跑步速度和较重的负重可能增加胫骨应力性骨折的风险，而不规则不平整表面的穿越导致胫骨应力显著降低，可能不会以类似方式增加损伤风险。
胫骨应力性骨折是常见的、破坏性的过度使用性肌肉骨骼损伤，影响近20%的军人和休闲运动员，常导致其职业生涯中断。应力性骨折的病因是多因素的，但被广泛认为是一种机械驱动的过度使用性损伤。例如，当施加过度骨应力导致损伤积累超过修复速率时，即发生胫骨应力性骨折。这些损伤通常源于身体活动的突然增加，此时个体缺乏足够的恢复或休息来适应新的 elevated 骨应力，如军事训练开始或每周跑步里程的快速增加。导致过度骨损伤和最终应力性损伤的胫骨应力一般认为源于改变的、潜在危险的下肢生物力学，但具体而言是胫骨弯曲。事实上，合成胫骨弯曲据称使骨骼向后和内侧方向弯曲，负责70%–80%的胫骨应力。考虑到胫骨弯曲归因于内部（即肌肉和相关关节力矩）和外部（即关节反作用力）力，增加这些力的运动可能导致更大的合成胫骨弯曲。军事训练和休闲跑步中常见的运动因素，如身体负重和/或速度变化，据报道会增加内部和外部胫骨力和弯曲。但其他军事训练和休闲跑步中常见的运动因素，如表面，可能改变步幅并改变胫骨应力性骨折风险，目前尚未完全了解。
运动速度影响合成胫骨弯曲。随着速度的每次增量增加，个体产生更大的内部和外部胫骨力。具体而言，当速度从慢跑（约2.2–2.6 m/s）增加到快跑（约3.3–4.4 m/s）时，个体增加踝部肌肉力量并产生更大的踝关节屈曲峰值力矩。较快的运动速度还导致更大的垂直地面反作用力和踝关节反作用力。这些随速度增加而增大的内部（肌肉力和关节力矩）和外部（关节反作用力）踝部力可能产生更多的合成胫骨弯曲并升高骨应力。事实上，据报道，当速度从3.0 m/s增加到3.5 m/s时，个体胫骨峰值应力（前部和后部）和合成胫骨弯曲分别增加6%至7%和7%至8%。在较快速度下观察到的较大胫骨峰值应力估计会使应力性骨折风险增加7%，这可能归因于较快速度下产生的较大胫骨弯曲。
增加身体负重也会增加合成胫骨弯曲。具体而言，20%体重的身体负重（13.6 kg）在慢跑和快跑期间使合成胫骨弯曲增加约7%。负重条件下观察到的较大胫骨弯曲可能归因于内部和外部胫骨力的同时增加。当携带身体负重行走和跑步时，个体踝部肌肉力量增加高达35%，踝关节屈曲峰值力矩增加10%至14%。携带重负荷（11–35 kg）跑步也会引起更大的外部胫骨力，包括垂直地面反作用力峰值增加7%–10%和踝关节反作用力增加约10%。军事人员训练时常携带的15 kg负重可能通过改变胫骨弯曲的大小和时间来导致其高损伤率。尽管先前的工作主要关注胫骨弯曲峰值，但骨损伤积累是速率依赖性的，评估整个支撑期的胫骨弯曲是必要的。例如，评估平均胫骨弯曲或支撑期弯曲波形可能更好地反映累积负荷，揭示与过度使用性损伤相关的时间差异，而这些差异在离散峰值测量中不明显。统计参数映射（SPM）和其他波形方法可以识别在运动阶段中被离散分析可能忽略的生物力学差异，并可能为与过度使用发展相关的胫骨负荷提供额外见解。
在军事训练或休闲跑步中，个体常穿越不同的表面，这会产生下肢生物力学调整，可能改变损伤风险。例如，穿越具有挑战性的不平整表面会降低个体的步幅长度，部分通过限制向前推进力和对踝部肌肉力量及关节屈曲力矩的需求。事实上，在不平整表面上跑步时，踝部肌肉力量峰值和踝关节屈曲力矩均降低10%。考虑到内部肌肉力据称是胫骨弯曲的最大贡献者，踝部力和关节力矩的降低可能减少不平整表面上的合成胫骨弯曲。尽管穿越军事训练和休闲跑步中常见的不平整表面可能降低踝关节动力学，但尚不清楚是否同时发生胫骨弯曲的减少。基于此，本研究确定了不平整地形对合成胫骨弯曲的影响，以及胫骨弯曲对不平整地形上增加速度和额外负重的反应是否不同。研究人员假设：（1）与平坦表面相比，不平整表面运动时合成胫骨弯曲较低；（2）不平整表面上运动速度和身体负重引起的合成胫骨弯曲增加小于平坦表面。
研究人员招募了14名受试者，因为已发表的胫骨内外侧弯矩数据的功效分析表明该样本超过了在α水平0.05下达到80%统计功效所需的受试者数量。纳入标准：受试者年龄18至40岁，休闲活跃（体力活动准备问卷得分高于560），自我报告能够安全跑步并携带高达75磅的身体负重。排除标准：当前或近期（6个月）下肢和背部损伤或疼痛、下肢和背部手术史、已知怀孕和/或神经系统疾病。测试前，当地机构审查委员会提供了研究批准，每位受试者提供了书面知情同意。
测试分两次进行。每次测试中，受试者佩戴不同的身体负重（0 kg和15 kg）。每种负重条件下，受试者穿着氨纶衬衫和短裤及自己的磨合跑鞋。15 kg条件中，受试者添加可调节负重背心以施加所需负荷。测试前，称量背心以确保负荷在目标值的2%以内。测试前，使用随机数生成器随机分配每位受试者的条件测试顺序。测试间隔至少24小时以减少疲劳效应。
每次测试中，记录三维下肢生物力学数据，受试者在两种表面（平坦和不平整）上以慢跑（3.0 m/s ± 5%）和快跑（4.5 m/s ± 5%）任务运动。每个任务中，十台高速光学相机（240 Hz）和单个地面力台（2400 Hz）同步采集下肢运动和地面反作用力数据。两套红外计时门相隔两米置于运动捕捉区域内记录受试者速度。受试者在两种不同表面上执行每个任务：平坦表面由“正常”刨花板构成，不平整表面由随机排列攀岩节点的木板构成以模拟当地跑步小径。测试期间，两种表面均通过地板安装金属框架固定在力台上。受试者每个任务执行三次成功试验。成功试验要求受试者以所需速度±5%范围内慢跑或快跑，并以优势肢体接触力台（即表面）。失败试验后，受试者接受口头指导以增加或降低速度。测试前，通过询问受试者用哪只脚踢球确定优势肢体，并提供短暂熟悉期以确保其能舒适地以所需速度跑步。为限制疲劳影响，测试期间提供充足休息和水。为避免偏差，使用拉丁方设计在数据采集前随机分配任务和表面测试顺序。
测试期间，从34个反光标记和四个虚拟标记的三维坐标量化下肢（髋、膝、踝）生物力学。反光标记物理固定于特定解剖标志，每个虚拟标记在全球坐标系中数字化于特定解剖标志后，每位受试者站立于解剖位置进行静态记录。静态记录用于在Visual3D中创建受试者特异性运动学模型，由骨盆和双侧足、小腿和大腿节段组成，具有27个自由度。
每个成功的慢跑和快跑试验，同步标记和GRF数据使用四阶低通Butterworth滤波器在12 Hz下滤波。使用Visual 3D，滤波后的标记轨迹和GRF数据通过常规逆动力学分析获得下肢关节力矩和反作用力。生物力学数据从支撑期0%至100%（定义为足跟着地至足尖离地）归一化，并以1%增量重采样（N = 101）。
滤波数据导出至OpenSim， musculoskeletal模型根据每位受试者静态记录的标记位置进行缩放。然后，在每个时间点执行逆动力学和静态优化，以估计跨越胫骨远端三分之一的九块肌肉的内部肌肉力。使用默认OpenSim静态优化，包括肌肉力生成能力与主动力-长度和力-速度关系相结合，通过最小化肌肉激活平方和约束于从逆动力学获得的矢状面关节力矩来估计个体肌肉力。
使用从Visual 3D逆动力学分析获得的下肢关节力矩和反作用力以及从OpenSim获得的内部肌肉力，自定义Matlab代码用于根据Franklyn等人（2008）将胫骨建模为空心椭圆梁来估计胫骨弯矩。前后方向（AP）和内外侧方向（ML）弯矩围绕胫骨远端横截面形心通过组合内部肌肉和外部关节力矩贡献来估计。内部肌肉贡献通过将每块肌肉力乘以其相应的模型推导的围绕胫骨形心的力臂来计算。膝关节力矩和反作用力被包括以考虑腓肠肌贡献，因为腓肠肌跨越胫骨横截面但起源于股骨。
胫骨使用Franklyn等人（2008）的外部和内部皮质尺寸建模为空心椭圆。AP和ML弯曲应力使用弯曲方程计算，其中弯矩乘以从形心到相关皮质周边的距离并除以围绕相应弯曲轴的面积惯性矩。合成弯矩和应力计算为AP和ML分量平方和的平方根。
AP、ML和合成弯矩及应力的均值和峰值提交统计分析。每个因变量在每种条件下三次成功试验中平均。然后提交三因素重复测量方差分析以检验速度（慢跑vs快跑）、表面（平坦vs岩石）和负重（0 kg vs 15 kg）的主效应和交互作用。显著交互作用提交简单效应分析，成对比较使用Bonferroni校正。Shapiro-Wilks检验评估所有数据的正态性，所有因变量适合参数分析。统计分析使用SPSS（v28）进行，α水平0.05。
AP、ML和合成胫骨应力和弯曲波形提交统计参数映射（SPM）分析。具体而言，使用三因素重复测量SPM方差分析确定速度、负重和表面的主效应和交互效应。如果标量输出统计量在支撑期任何点超过显著性临界阈值，则识别超阈值，并使用随机场理论计算相关p值。当发现聚类时，使用后续SPM{t}检验（p < 0.05）确定每个主效应或交互作用内的具体变化。所有SPM分析在MATLAB中使用自定义代码和开源spm1d包的功能运行。
### 3. 结果
均值和峰值胫骨弯矩和应力呈现于Fig. 1、Fig. 2和Table 2、Table 3。支撑期合成胫骨弯矩和应力呈现于Fig. 3。
未观察到显著交互作用，以下仅呈现主效应。与慢跑相比，快跑期间AP和合成胫骨弯矩及应力的均值和峰值增加（所有：p ≤ 0.009）；与0 kg负重相比，15 kg负重下增加（所有：p ≤ 0.008）；但与平坦表面相比，不平整表面上降低（所有：p ≤ 0.010）。ML胫骨弯矩和应力的均值与峰值均未受速度、负重或表面影响（p > 0.05）。
与慢跑相比，快跑期间AP、ML和合成弯矩及应力波形在支撑期0至11%和70至100%区间内较大（所有：p ≤ 0.031）。类似地，携带15 kg负重时，所有弯矩和应力波形在支撑期13至36%和95至100%区间内增加（所有：p ≤ 0.043）。然而，在不平整表面上穿越时，所有弯矩和应力波形在支撑期0至13%、18至20%和69至86%区间内较小（所有：p ≤ 0.033）。
### 4. 讨论
本研究考察了平坦和不平整表面上负重慢跑和快跑期间的合成胫骨应力和弯曲。与假设部分一致，穿越不平整表面导致AP和合成胫骨应力和弯矩的均值和峰值显著降低，但较快速度和额外负重引起的AP和合成胫骨应力和弯曲增加在不平整表面上并未减小。
较快的跑步速度增加了胫骨应力和弯曲。有趣的是，快跑使AP和合成方向的胫骨应力和弯曲均值和峰值增加高达15%。随着运动速度的每次增加（如从走到慢跑或从慢跑到快跑），个体踝关节屈曲峰值力矩增加24%。由于内部肌肉力，如踝关节力矩和肌肉力，主要在矢状面作用并且是胫骨应力和弯曲的最大贡献者，踝关节屈曲力矩的大幅增加可能促成当前观察到的快跑期间AP和合成胫骨应力和弯曲的显著上升。考虑到据报道运动速度每增加1 m/s导致胫骨峰值应变增加9%，当前快跑期间1.5 m/s的速度增加可能伴随胫骨峰值应变的大幅（>12%）增加，可能达到引发导致过度使用性损伤的损伤的幅度。尽管较高速度下胫骨应力和弯曲升高与先前工作一致，但当前的增加大于先前报道（12–15% vs 8%）。这种差异可能源于当前受试者比先前测试者跑得快18%（4.5 m/s vs 3.8 m/s）。鉴于胫骨负荷的很大比例（43%至64%）据称由个体解剖结构和运动模式解释，当前受试者在快跑期间采取约4°更明显的后足着地（尽管不显著）可能减弱胫骨应力和弯曲的进一步增加，因为这先前与降低胫骨负荷相关。但与先前工作一致，快跑还导致支撑期大部分区间（0–11%和70–100%）胫骨弯曲显著增加。重要的是，这些弯曲的大幅增加发生在承重和推进步态阶段，此时机械需求增加可能使胫骨最容易受损。长时间暴露于升高的胫骨应力和弯曲可能增加损伤积累和应力性骨折风险。然而，需要进一步研究以确定当胫骨弯曲与胫骨负荷期重合时损伤积累是否放大。
携带身体负重的运动任务也可能增加胫骨应力和弯曲。与先前工作一致，15 kg身体负重使AP和合成胫骨应力和弯曲的峰值和均值分别增加约10%和14%，增加发生在支撑期13至36%和95至100%。这些发现与先前证明身体负重在模拟负重行走和跑步中升高胫骨峰值和累积应力和应变的 work 一致。考虑到携带身体负重时踝关节反作用力和力矩通常增加7–24%，观察到的负重下胫骨应力和弯曲增加可能归因于携带负重行走、慢跑和跑步时更大的踝部肌肉力。然而，有些出乎意料的是，添加负重并未在较快运动速度下进一步增加胫骨应力和弯曲。较快速度和较重负重均据报道增加内部（踝关节力矩和肌肉力）和外部（垂直GRF和关节反作用力）胫骨力。因此，理论上可以假定同时添加负重和速度会加剧胫骨应力和弯曲。然而，当前受试者在慢跑和快跑负重期间表现出相似（8–10%）的胫骨应力和弯曲增加。虽然速度和负重缺乏叠加效应的原因尚不立即明显，但负重携带期间下肢生物力学或肌肉激活的变化可能减轻胫骨应力的增加。在当前研究中，个体在身体负重下增加地面接触时间并表现出更明显的后足着地，这可能有助于分散和降低胫骨弯曲和应力峰值；而个体在负重携带期间也经常僵直下肢（腿和关节）和/或增加对近端髋部肌肉的依赖以维持稳定性和提供向前推进。这些适应，无论是较长的接触时间还是僵直的肢体，可能减少对踝部肌肉的依赖，并赋予个体减弱当前观察到的胫骨应力和弯曲进一步增加的能力。
在不平整表面上运动可能不会增加胫骨应力和损伤风险。事实上，在不平整表面上，受试者在支撑期的多个阶段（0–13%、18–20%、69–86%）表现出应力和弯曲峰值和均值降低29%和21%。考虑到据报道在类似不规则表面上跑步时踝关节力矩和肌肉活动降低10%至13%，较小的内部力可能促成当前在不平整表面上观察到的应力和弯曲峰值降低。为安全穿越不规则或不平整表面，个体将肌肉力产生从踝部向近端重新分配至髋和膝。这种重新分配可能通过僵直踝部和稳定地面接触来增加个体在不平整表面上的稳定性（当平衡和本体感觉受到挑战时），但无意中降低了胫骨应力和弯曲。除踝部僵直外，据报道穿越不平整表面会增加地面接触时间。尽管较长的接触时间可能允许内部踝部力（即肌肉和关节）在较长时间内作用于胫骨，使胫骨力重新分配从而降低胫骨应力和弯曲，但当前受试者并未在不平整表面上增加接触时间。考虑到踝部肌肉力是骨折发展中骨应力的最大贡献者，观察到的在不平整表面上胫骨应力和弯曲降低可能归因于较小的踝部肌肉力而非步态时空参数的变化。无论如何，未来工作应量化不同幅度和空间分布的表面高度、坡度、顺应性和不规则性 across 不平整地形的胫骨应力和弯曲，以更好地代表自然地形的变异性，并确定观察到的降低是否转化为累积胫骨负荷和过度使用性损伤风险的有意义减少。
本研究可能受限于受试者的体能和缺乏先前负重携带经验。纳入标准要求潜在受试者体力活跃（PAR-Q大于560），但先前负重携带经验不是必需的。因此，受试者体能或活动水平可能不能代表军事人员，因为军事人员通常非常活跃并携带身体负重。这种差异可能影响下肢生物力学并因此影响胫骨应力和弯曲。但据研究人员所知，负重携带经验先前未被记录为影响类似慢跑或快跑任务中的下肢生物力学。本研究的另一个局限性是胫骨弯曲模型。尽管这是计算胫骨弯曲的常用模型，但使用尸体数据估计胫骨几何形状和静态优化量化肌肉力可能不能准确代表个体变异性。尽管如此，先前工作已表明尸体测量和静态优化均提供可靠的骨几何形状和肌肉力估计。
总之，较快的跑步速度和较重的负重可能增加胫骨应力性骨折的风险。运动速度和身体负重的每次增量增加均导致胫骨应力和弯矩的大幅显著增加。然而，穿越不规则不平整表面可能不会导致类似的损伤风险增加，因为受试者在不平整表面上表现出胫骨应力和弯曲显著降低5%–9%。
