《Journal of Biomechanics》：Knee and hip joint dynamics differ between sprinting and Nordic hamstring exercises
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本研究通过对比分析14名运动员在短跑（4-8m/s）和Nordic股四头肌练习（NHE）中的生物力学参数，发现短跑全程使BFLH肌腱单元长度（p<0.001）和速度（p<0.001）显著高于NHE。膝关节屈曲力矩方面，NHE峰值小于6m/s短跑（p<0.001），但负功率产生时间差异导致NHE在6m/s以下短跑中负工作更大，而7.5m/s以上则更小。研究揭示了两种训练模式在肌腱力学特性及关节负荷时空分布上的显著差异。
Kristen Steudel | Nico Haralabidis | Reed Gurchiek | Jennifer Hicks | Scott Delp
斯坦福大学机械工程系，美国斯坦福94305
摘要
短跑和北欧式腘绳肌锻炼（NHE）是常用的训练方式，旨在降低腘绳肌受伤的风险，但两者在生物力学要求上的差异尚不明确。我们进行了一项探索性分析，比较了短跑和NHE过程中膝关节和髋关节的运动学和动力学特征，以及股二头肌长头（BFLH）肌腱单元的长度和速度。我们收集了14名运动员（8名男性，6名女性）在跑步（速度为4-8米/秒）和进行NHE时的运动捕捉和力量数据。利用这些实验数据以及肌肉骨骼建模，我们计算了所有跑步速度和NHE过程中的关节运动学和动力学参数，并估算了BFLH肌腱单元的长度和速度。结果显示，在所有跑步速度下，短跑时BFLH的长度和伸长速度均显著高于NHE（p<0.001）。NHE要求运动员产生的膝关节屈曲力矩较小（p<0.001），而膝关节屈曲功率则低于所有跑步速度的5%（p<0.001）。然而，每次NHE的持续时间大约是短跑过程中BFLH伸长阶段的60倍，因此在跑步速度为6米/秒及以下时，NHE产生的膝关节负功更大（p<0.001），而在7.5米/秒及以上时则较小（p<0.001）。本研究的结果为比较短跑和NHE的生物力学要求提供了必要的定量信息。
引言
腘绳肌拉伤是高速跑步运动中最常见的损伤类型，占足球运动中所有损伤的12%（Ekstrand等人，2011年），澳式足球中的16.5%（Orchard等人，2013年），以及田径项目中的17.1%（Edouard等人，2016年）。这些损伤主要影响股二头肌长头（BFLH）（在足球中占69%至84%[Askling等人，2013年；Ekstrand等人，2016a]，在田径项目中占75%[Malliaropoulos等人，2010年]）。腘绳肌拉伤会导致运动员平均失去18至22天的训练和比赛时间（Ekstrand等人，2016a），从而影响个人和团队的表现（H?gglund等人，2013年）。此外，受伤运动员在回归赛场后的表现也可能受到影响（Ekstrand等人，2016b），并且其复发率在足球中为13-18%（Ekstrand等人，2016a；Ekstrand等人，2016b），澳式足球中为26%（Orchard等人，2013年），田径项目中为13.9%（Malliaropoulos等人，2011年）。因此，许多研究致力于探讨导致腘绳肌拉伤的机制并开发预防策略。
腘绳肌拉伤通常发生在摆动后阶段（Kenneally-Dabrowski等人，2019年），此时腘绳肌处于高度激活状态，承受较大的负功，并产生较大的力量和伸长位移（Chumanov等人，2011年；Chumanov等人，2007年；Schache等人，2012年；Yu等人，2008年）。包括短跑和北欧式腘绳肌锻炼（NHE）在内的腘绳肌训练计划旨在通过刺激肌肉肥大、肌束伸长（串联增加肌节）和增加生理横截面积（并联增加肌节）来提高肌肉应对这些负荷的能力（Butterfield等人，2005年；Hinks等人，2022年；Kruse等人，2021年；Proske等人，2004年）。研究表明，NHE能够减少腘绳肌拉伤的发生（Petersen等人，2011年；van der Horst等人，2015年），增加BFLH肌束长度和腘绳肌力量（Andrews等人，2024年；Pincheira等人，2022a；Ripley等人，2023年），以及增加生理横截面积（Seymore等人，2017年）。高速跑步训练也有助于预防损伤（Malone等人，2017年），增加BFLH肌束长度（Ripley等人，2023年）并提高腘绳肌力量（Freeman等人，2019年；Ripley等人，2023年）。一项比较研究发现，NHE在类似于短跑峰值激活角度时能够引发较高的腘绳肌激活（van den Tillaar等人，2017年）。然而，高速跑步和NHE之间的机械负荷差异尚未得到充分研究。
高速跑步和NHE的力学特征有所不同。在摆动后阶段，膝关节伸展速度和髋关节屈曲速度超过800°/秒（Johnson和Buckley，2001年）。相比之下，NHE过程中膝关节的伸展速度约为15°/秒，而髋关节屈曲速度基本保持不变（Andrews等人，2024年；Pincheira等人，2022b）。尽管不同研究使用肌肉骨骼建模方法量化了高速跑步（Chumanov等人，2011年；Chumanov等人，2007年；Schache等人，2012年）和NHE（Li和Liu，2023年；Pincheira等人，2022b）的关节角度、关节力矩、BFLH肌腱单元长度和肌肉力量，但由于建模方法和参与者的差异，这些结果难以直接比较。因此，需要使用相同的肌肉骨骼建模方法和参与者来直接对比这两种训练方式的机械负荷。
本研究的目的是探索性地比较不同跑步速度与NHE的生物力学要求。我们收集了在4至8米/秒速度下跑步和进行NHE的运动员的运动捕捉数据，并利用肌肉骨骼建模来量化生物力学参数。我们分析了膝关节和髋关节的屈曲-伸展角度，以及BFLH肌腱单元的长度和伸长速度。同时，我们还计算了两种训练方式的膝关节和髋关节的屈曲-伸展力矩、功率和功，以便进行更全面的比较。对于跑步，我们在BFLH肌腱单元达到最大拉伸、力量和负功率时的飞行阶段进行了分析（Schache等人，2012年）。
参与者
14名运动员（8名男性，6名女性；年龄：26±5岁；体重：71.3±11.1千克；身高：1.75±0.08米）自愿参与了这项研究。参与者报告有定期参加体育活动的经历（如美式足球、田径和足球）。已获得参与者的书面知情同意，并获得了斯坦福大学机构审查委员会（IRB-67713）对研究方案的伦理批准。
结果
在所有跑步速度下，膝关节从飞行阶段的约0%伸展到75%后开始屈曲，而髋关节则先屈曲后伸展（图1A和B）。在NHE过程中，膝关节缓慢伸展，髋关节在整个重复动作中缓慢屈曲，特别是在最后10%的时间内膝关节伸展速度明显加快。在4米/秒的速度下，BFLH肌腱单元的伸长持续时间为0.08±0.01秒；在8米/秒的速度下，伸长持续时间为0.06±0.01秒。
讨论
本研究比较了高速跑步和NHE的机械负荷。短跑所需的膝关节屈曲力矩和负功率高于NHE。此外，短跑时BFLH肌腱单元的长度和伸长速度也高于NHE。然而，NHE的持续时间几乎是短跑过程中BFLH肌腱单元伸长阶段的70倍。
作者贡献声明
Kristen Steudel：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、软件使用、方法论设计、研究实施、资金筹集、数据分析、概念构思。
Nicos Haralabidis：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、软件使用、方法论设计、研究实施、数据分析、概念构思。
Reed Gurchiek：撰写 – 审稿与编辑、方法论设计、研究实施、概念构思。
Jennifer Hicks：
资助
本研究得到了美国国家科学基金会、Joe和Clara Tsai基金会（通过Wu Tsai人类表现联盟）以及斯坦福大学科学与工程研究生奖学金的支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢Julie Muccini、Julie Kolesar、Tian Tan和Sam Hamner在数据收集过程中的支持。同时感谢Max Andrews和Glen Lichtwark在本研究中的协助，以及Dawit Lee和Jeff Stribling在电路技术方面的专业帮助，以及Alex Gonzalez在统计分析方面的支持。
