冲刺跑中支撑中期瞬时识别方法：健全运动员与下肢截肢运动员的比较评估及生物力学意义

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Midstance instant identification methods in sprinting: comparative assessment and biomechanical implications in able-bodied athletes and athletes with lower limb-amputation

　　

引言：支撑中期是跑步中的关键瞬时，标志制动相向推进相的过渡。尽管其对稳定性与力传递具有重要意义，但目前缺乏支撑中期瞬时的标准识别方法，导致数据解释不一致。本研究旨在系统比较不同的支撑中期瞬时识别方法，并阐明这些方法如何影响健全短跑运动员与下肢截肢短跑运动员躯干及下肢运动学。 方法：22名健全运动员、4名单侧经胫骨截肢运动员与4名单侧经股骨截肢运动员在装备测力平台的跑道上完成两次最大强度60米冲刺。采用10台红外相机与9块嵌入式测力平台记录运动学与动力学数据。研究考量七种方法，包括运动学方法与动力学方法。提取各方法识别瞬时处的躯干、大腿、小腿节段矢状面绝对角度及髋、膝、踝关节角度。基于数据正态性，采用单因素重复测量方差分析或Friedman检验评估不同方法间的时间差异及对应身体姿态差异，并以理论支撑中点（50%）为参照，必要时进行Bonferroni事后比较。 结果：在健全与下肢截肢运动员中，各方法识别的支撑中期瞬时均一致早于支撑相时间中点。运动学方法一致性有限，在支撑相内识别出的瞬时各不相同，其与动力学方法的吻合仅部分成立且取决于识别方法与运动员分组。因此，不同方法识别的支撑中期对应支撑相内不同的身体姿态，导致节段与关节角度出现显著差异，可能引致对冲刺跑生物力学的不同解释。 讨论：由于本结果表明方法表现可能因健全运动员、经胫骨截肢运动员与经股骨截肢运动员而异，研究人员与从业者应谨慎选择方法、明确披露所选方法并确保其一致应用。

研究背景与立项依据

跑步由交替的支撑相与摆动相构成，支撑中期的瞬时（midstance instant）被定义为制动相向推进相过渡的关键事件，此时人体质心（center of mass）越过支撑肢上方狭小支撑基底，对维持稳定性至关重要。然而该瞬时在文献中缺乏统一且情境特异的操作定义：步行中曾被定义为“相位”，跑步中或被视作支撑相理论中点（50% stance），或被教练以二维视频“教练之眼”按对侧小腿（contralateral shank）平行于地面、大转子（greater trochanter, GT）垂直对齐外踝（lateral malleolus, LM）等运动学线索判定，亦常被等同于垂直地面反作用力（vertical ground reaction force, GRF_V）峰值或水平地面反作用力（horizontal GRF, GRF_H）过零。在下肢截肢（lower-limb amputation）使用跑步专用假肢（running-specific prostheses, RSPs）的运动员中，定义同样混乱，如GT垂直投影对齐假肢膝关节中心（K）等。方法不统一导致教练、临床医师与研究人员沟通歧义，使技术反馈与假肢对线（alignment）调校基于不同瞬时，故亟需系统比较。

研究人员以横断面设计，在意大利帕多瓦Palaindoor认证室内田径馆的60米装备化跑道，纳入22名健全（able-bodied, AB）短跑者（100米最好成绩<12.5秒）、4名单侧经胫骨截肢（PTTA, T64类）与4名单侧经股骨截肢（PTFA, T63类）高水平短跑者（100米最好成绩<15秒），采集两次站立式起跑最大强度60米冲刺。采用Vicon Valkyrie十相机立体光测系统（250赫兹）与九块AMTI测力平台（1500赫兹）获取矢状面运动学与动力学；按国际生物力学学会建议定义节段（躯干C7-骶中点、大腿GT-股骨外上髁、小腿腓骨头-LM等）与关节角，假肢侧依截肢平面调整标志点（如PTFA大腿GT-插座外侧远端点、小腿K-夹钳中心）。比较七种方法：时态法（50% stance）、运动学法（对侧小腿水平HCS、GT水平坐标等VMH/FDL、GT水平坐标等LM/K）、动力学法（GT水平坐标等压力中心center of pressure CoP、GRF_H=0、max{GRF_V}），统计采用Shapiro-Wilk正态性检验后行重复测量ANOVA或Friedman检验及Bonferroni事后比较，并计算相对中位绝对偏差（rMAD）与组内相关系数（ICC）。

主要技术方法概括

研究人员构建含AB、PTTA、PTFA三组冲刺队列，于装备测力平台跑道用红外光测系统（250赫兹）与嵌入力台（1500赫兹）同步采矢状面运动学与地面反力；依截肢层面重定义假肢侧节段标志，用Butterworth低通滤波（标记10赫兹、GRF 100赫兹）处理；以足触地（foot-strike, FS）与离地（foot-off, FO）划分支撑相，用七种时态/运动学/动力学法定位支撑中期瞬时，提取节段绝对角与关节相对角，借重复测量ANOVA或Friedman检验加Bonferroni比较时间偏移与姿态差异，并以rMAD与ICC量化变异及一致度。

研究结果

3.1 健全运动员：重复测量ANOVA显示七法在支撑相百分比（F=50.59, η_p²=0.71）及躯干、大腿、小腿绝对角与髋膝踝相对角均存显著差（p<0.001）。各法识别瞬时均早于50% stance；运动学法（尤其GT-LM）偏早（15.8%–30.6% stance），动力学法GRF_H=0与GT-CoP较接近，HCS与二者无差但变异性最高；GT-VMH部分贴合max{GRF_V}。ICC显示躯干与膝角跨法一致度可接受，踝角中等，支撑百分比及大腿、小腿、髋角较差。

3.2 经胫骨截肢运动员：患侧（AL）除躯干与膝角外，支撑百分比及大腿、小腿、髋角跨法差异显著（Friedman p≤0.010）；健侧（UL）所有参数均差异显著。HCS在两名受试者UL未出现所需姿态故剔除。动力学三法在AL彼此较一致；GT-VMH在UL贴合max{GRF_V}但不贴合GRF_H=0；GT-FDL作AL替代表现可行，rMAD低于PTFA。

3.3 经股骨截肢运动员：AL仅躯干角不受方法影响，余支撑百分比、大腿小腿绝对角、髋膝角均显著差；UL所有时态与运动学参数跨法均差。AL动力学三法一致性相对较高；GT-K法在AL变异性低且与GRF_H=0、max{GRF_V}贴合，优于GT-LM与HCS（HCS在UL不适用）。

讨论与结论翻译

讨论指出，动力学法中仅GRF_H=0与max{GRF_V}有有限文献支持，缺力台时从业者依赖视觉/运动学线索但强算子依赖；动能转换与运动学姿态在冲刺中不必然重合。主要发现：AB与截肢者健侧各动力学法彼此时间不同；假肢侧因垂直GRF降低与制动/推进冲量重分布，三动力学法反而更一致。运动学法一致性有限，识别的是不同生物力学事件而非同一瞬时，其与动力学法部分吻合且依群体而异。50% stance在所有群体中均晚于其余各法，用作参照会引入系统时间偏倚。GT-VMH在AB组部分贴合动力学法，在PTTA健侧贴max{GRF_V}，在PTFA呈相反趋势，故效度依截肢平面而异；GT-FDL可作PTTA假肢侧替代，GT-K为PTFA假肢侧更稳健替代。GT-LM在AB中极早且运动学迥异；HCS虽与部分动力学法无统计差但变异性最高且在PTTA两名UL不出现目标姿态，鲁棒性差。AB组ICC表明法间一致度仅躯干/膝角较好，踝角中等，支撑百分比与大腿/小腿/髋角差。

结论（译）：支撑中期可用动力学或运动学法识别，所测方法在时间定位与所得身体姿态上差异显著，不可互换；须单一方法一贯使用以保障解释可靠。因各法表现随运动员群体变，选法应依研究对象而定。实践上，倚重运动学法的教练从业者：GT-VMH适于AB及PTTA/PTFA健侧，GT-FDL与GT-K分别更适PTTA与PTFA假肢侧；HCS与GT-LM因高变异或系统时间偏倚须慎用。该研究发表于《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》。