长时间负重行军对有经验军事人员步态、生理及神经肌肉表现的影响

《Sport Sciences for Health》：Effects of prolonged load carriage on gait, physiological and neuromuscular performance in experienced military personnel

　　

摘要

背景：负重行军已被广泛研究；然而，针对有经验士兵在长时间军事负重行军后的步态和跳跃表现评估较少受到关注。

目的：本研究旨在探究有经验军事人员长时间模拟负重行军相关的神经肌肉、生理及步态变化。16名男性士兵在跑步机上完成了12公里、30公斤负荷的模拟军事行军。通过地面反作用力(GRF)测量，在任务前后评估了步态和垂直跳跃特征。在行军开始和结束时采集了心率(HR)、骨盆加速度计数据以及Borg自觉疲劳评分(RPE)。

结果：长时间负重行军后下肢机械性能下降，表现为步态推进力降低（第二峰值力：1.17 ± 0.05 vs 1.14 ± 0.05%体重，p=0.009, d=0.88；推进力：0.25 ± 0.02 vs 0.24 ± 0.01%体重，p=0.043, d=0.64）以及离心制动阶段跳跃功率下降（?21.6 ± 4.5 vs ?19.6 ± 4.5 瓦/公斤，p=0.008, d=0.91），同时向心跳跃功率增加（49.4 ± 5.8 vs 51.0 ± 6.5 瓦/公斤，p=0.008, d=0.92）。步频降低（112.1 ± 5.81 vs 109.4 ± 5.74 步/分钟，p=0.043, d=0.64），心率储备升高（26.0 ± 6.8 vs 36.9 ± 7.5%，p=0.006, r=0.82），RPE升高（2.7 ± 0.7 vs 5.0 ± 0.7，p<0.001, r=0.86），表明存在神经肌肉和生理性疲劳。

结论：这种综合性研究方法凸显了负重行军的多维需求，并强调了制定专项训练策略以减轻疲劳和提高军事表现的必要性。

论文解读：长时间负重行军对有经验军事人员步态、生理及神经肌肉表现的多维影响

一、研究背景与目的

负重行军是众多军事角色中的关键任务要求，对军人的力量和耐力提出了严峻挑战。尽管负重任务在军事行动中具有高度职业相关性，但现有研究对长时间负重（超过10公里）后生物力学变化和运动表现的探究仍然不足，尤其缺乏针对有经验士兵的综合评估。既往研究表明，负重行军会改变步态生物力学特征，包括增加躯干屈曲、头部前伸姿势及下肢活动范围。然而，部分研究报告了膝关节伸肌力矩降低和膝、躯干等速峰值伸肌扭矩下降等现象，这些适应性改变可能增加疲劳相关损伤的风险。Orr等人对高职业暴露于负重行军士兵的调查显示，34%的士兵在其职业生涯中经历过负重相关的损伤。另外，既往研究多集中于非军事人群或新兵，限制了对有经验军人的普适性——经验丰富的人员可能采用不同的负重策略、表现出较低的生理应激，并具有任务特异性适应。因此，研究人员开展本研究旨在同时描摹有经验军事人员长时间模拟负重行军相关的神经肌肉、生理及步态变化，以期为训练策略的制定和损伤风险的降低提供理论依据。

二、研究方法概述

本研究招募了16名来自巴西陆军体能训练中心的男性军事人员，平均年龄28.4±2.8岁，平均军龄8.3±1.5年，预估最大摄氧量(\(\dot{V}\)O_2max)为59.4±3.8 ml·kg^?1·min^?1。所有参与者在单次实验室访视中完成实验。研究采用前瞻性样本量计算，以第二主动峰值力(SPF)作为主要结局指标，最少需14名参与者，实际纳入16名。实验流程包括：静息心率采集、5分钟中等强度自行车热身、裸足体重测量、步行道步态测试（含两个嵌入式测力台，采样频率1 kHz）、最大反向运动跳跃(CMJ)测试，随后在跑步机上完成12公里、30公斤负荷的模拟军事行军（速度5 km/h，持续约2.5小时），行军结束后立即进行任务后步态和跳跃测试。负重装备包括军服、模拟武器、头盔、背包和靴子，总计30 kg。步态和跳跃的GRF数据经Butterworth滤波器滤波并归一化至体重；骨盆加速度数据通过智能手机内置三轴加速度计采集（采样频率50 Hz），计算步频和加速度均方根(RMS)；心率以心率储备百分比(%HRR)表示，RPE采用0–10级改良Borg量表。统计学分析采用配对t检验或Wilcoxon符号秩检验，并通过Benjamini-Hochberg错误发现率校正多重比较，效应量以Cohen's d或Wilcoxon r表示；波形数据采用统计参数映射(SPM)进行非参数配对分析。

三、研究结果

1. 步态表现变化：离散参数分析显示，负重行军后步态SPF（1.17±0.05 vs 1.14±0.05%体重，p=0.009, d=0.88）和推进力（0.25±0.02 vs 0.24±0.01%体重，p=0.043, d=0.64）显著降低。SPM波形分析进一步揭示，任务后步态GRF波形在支撑期早期（垂直方向0–18%支撑期，前后方向1–13%，内外方向1–4%）较任务前增加，而在摆动前期（垂直方向72–100%支撑期，前后方向81–97%，内外方向76–93%）出现力的降低，表明负重行军后步态推进力受损。

2. 垂直跳跃表现变化：负重行军后，CMJ衍生指标显示跳跃力降低（PF_jump），离心峰值功率（Pw_Ecc）显著下降（?21.6±4.5 vs ?19.6±4.5瓦/公斤，p=0.008, d=0.91），而向心峰值功率（Pw_Conc）显著增加（49.4±5.8 vs 51.0±6.5瓦/公斤，p=0.008, d=0.92），力的发展速率（RFD）下降。SPM分析显示，下肢COM速度在接触阶段48–58%和67–78%时段降低，跳跃功率吸收（负功率）减少，而正向功率输出在88–94%接触阶段增加。尽管跳跃功率和力的相关指标发生变化，但跳跃高度在任务前后无显著差异。

3. 加速度计与生理指标变化：行军结束时，步频较开始时显著降低（112.1±5.81 vs 109.4±5.74步/分钟，p=0.043, d=0.64）；%HRR从26.0±6.8%升高至36.9±7.5%（p=0.006, r=0.82），RPE从2.7±0.7升高至5.0±0.7（p<0.001, r=0.86），表明心血管需求增加和自觉疲劳加重。骨盆加速度RMS在三个方向均无统计学显著变化。

4. 蜘蛛图综合展示：蜘蛛图直观描绘了任务前后各变量的整体反应概貌，发现后半段的推进力相关步态变量（SPF、LR、PF、MLF）、跳跃变量（PF_jump、PW_Ecc、RFD）及加速度变量（RMSml、步频）下降，而步态制动变量（BF）、跳跃变量（Pw_Conc、TPF、RSImod）、加速度变量（RMScc、RMSap）及生理感知变量（%HRR、RPE）上升，印证了负重行军多维度的疲劳反应特征。

四、讨论与结论总结

讨论部分指出，负重行军后步态GRF波形在支撑早期的增加提示冲击力增大，这类高冲击力波形变化与损伤风险相关，而离散GRF参数未能检测到这一改变，体现了波形分析的重要价值。SPF降低可能反映跖屈肌疲劳导致的推进力减弱，此发现与既往研究中腓骨长肌平均频率下降的报道一致，而跖屈肌疲劳已被认为与胫骨和跖骨应力性骨折相关。CMJ跳跃高度未变但力和功率指标变化的现象，说明CMJ力-时间变量提供了超越跳跃高度本身的额外监测信息，有助于更加敏感地追踪神经肌肉疲劳状态。步频降低被解释为训练有素士兵对疲劳和外加负荷的适应性调整，而%HRR上漂和RPE增加则反映了心血管需求的累积。

研究结论为：训练有素的军事人员在长时间负重行军后表现出步态推进GRF下降及推进力减弱；离心峰值功率、RFD和峰值力的降低提示下肢机械性能和疲劳耐受能力受损；%HRR和RPE的升高表明任务结束时心血管需求增大。蜘蛛图从描述层面整合了上述反应概貌，显示负重行军同时影响步态、跳跃、加速度测量指标以及生理和感知变量。这些发现凸显了负重行军的多维需求，支持制定针对性训练策略以减轻疲劳相关效应并提升军事表现。