人类跟腱（Achilles tendon, AT）在行走和跑步过程中的机械负荷和弹性势能

这篇文献是一篇原创研究报告，题为"Quantifying mechanical loading and elastic strain energy of the human Achilles tendon during walking and running"，作者是Mohamadreza Kharazi, Sebastian Bohm, Christos Theodorakis, Falk Mersmann和Adamantios Arampatzis。研究发表在《Scientific Reports》2021年第11卷上。

研究背景与目的：

• 跟腱在行走、跑步、跳跃和骑自行车等功能性任务中发挥重要作用，其长度变化对于理解肌肉与跟腱之间的相互作用至关重要。

• 跟腱能够适应外部机械负荷，通过增加其刚度、弹性模量和尺寸来维持肌肉-跟腱单元的功能完整性。

• 研究旨在评估在行走和跑步过程中跟腱的机械负荷和应变能量，并探讨这些因素如何影响跟腱的适应性。

研究方法与实验设计：

• 参与者 ：11名成年志愿者（平均年龄29岁，平均身高177厘米，平均体重74公斤）。

• 实验设置 ：参与者在跑步机上以1.4米/秒的速度行走，以及以2.5米/秒和3.5米/秒的速度跑步。

• 数据收集 ：使用运动捕捉系统和超声成像技术来测量跟腱长度、皮肤与骨头之间的位移，以及肌腱肌腹连接处（MTJ）的位置。

• 肌电图（EMG） ： 记录了胫骨前肌（TA）、腓肠肌内侧头（GM）和比目鱼肌（Sol）的肌电活动 。

• 力量-长度曲线 ：通过最大自愿等长收缩（MVC）实验来确定跟腱的力量-长度关系，并据此计算行走和跑步期间的跟腱力和应变能。

主要发现：

注：跟腱应变（Achilles tendon strain）是指跟腱在受到外力作用时发生的形变，即跟腱长度的变化与其原始长度的比值。它是衡量跟腱在运动过程中承受机械负荷的一个指标。

跟腱应变的意义：

• 运动功能 ：跟腱应变是评估跟腱在行走、跑步、跳跃等运动中功能状态的重要参数。跟腱作为肌肉与骨骼之间的连接组织，其应变能力影响着肌肉-肌腱单元的效能。

• 适应性变化 ：跟腱的应变能力可以随着运动训练或长期运动习惯而发生适应性变化。例如，长期进行跑步等冲击性运动的个体可能会发展出更高的跟腱应变能力。

• 损伤风险 ： 过度的跟腱应变可能增加肌腱损伤的风险，如肌腱炎或部分撕裂。因此，监测跟腱应变对于预防运动损伤具有重要意义。

• 康复评估 ：在运动员受伤后的康复过程中，跟腱应变的测量可以帮助评估康复进度和肌腱功能的恢复情况。

1. 跟腱应变和力量的影响 ：研究发现跟腱的最大应变和力量受到速度的影响，但变化幅度不足以作为跟腱适应的有效刺激。

2. 弹性能量回弹 ：在行走和跑步的推进阶段，观察到重要的跟腱能量回弹，这有助于提高运动效率。

3. 支撑阶段初期的能量回弹 ： 在跑步的支撑阶段初期（触地后70-77毫秒）观察到弹性能量的回弹，这可能对跑步效率具有功能性意义 。

4. 肌电图（EMG）活动 ：在不同步态速度下， 腓肠肌内侧头（GM）和比目鱼肌（Sol）的EMG活动有显著差异 ，而胫骨前肌（TA）的EMG活动在步态速度之间没有显著差异。

5. 跟腱长度测量 ：研究开发了一种新的测量方法，考虑了跟腱的曲线路径形状、肌腱肌腹连接处（MTJ）到皮肤表面的投影，以及皮肤相对于跟骨的位移。

6. 跟腱应变和力量的测量 ：使用二次函数拟合实验测量的跟腱力-长度曲线，来计算行走和跑步期间的跟腱力和应变能。

结论：

1. 适应性变化的不足 ： 跟腱在行走和跑步过程中的机械负荷低于先前报道，不足以引发跟腱机械属性的适应性变化 。

2. 跑步效率的潜在影响 ：在跑步支撑阶段初期观察到的弹性能量回弹可能对跑步效率有重要影响，尽管其确切的功能性后果尚不清楚。

3. 测量方法的重要性 ：考虑跟腱的曲线路径形状、MTJ的投影以及皮肤相对于骨头的位移对于准确测量跟腱长度至关重要。

4. 运动模式对跟腱负荷的影响 ：不同的运动模式（行走与跑步）对跟腱的机械负荷有不同的影响，这可能与肌肉活动和运动动力学有关。

1. 运动速度 ：跑步通常比行走产生更大的跟腱负荷。随着速度的增加，跟腱需要承受更大的力量和更长的拉伸，以适应更快的动作。

2. 运动类型 ：不同运动类型（如篮球、足球、网球等）对跟腱的负荷不同。例如，需要频繁跳跃和快速变向的运动可能会对跟腱产生更高的负荷。

3. 运动技巧 ：运动技巧，如跑步时的脚部着地方式（前脚掌着地、脚跟着地或中脚掌着地），会影响跟腱的负荷。例如，前脚掌着地可能减少跟腱的拉伸，而脚跟着地可能增加拉伸。

4. 肌肉活动 ：肌肉活动模式，特别是腓肠肌的活动，会影响跟腱的负荷。肌肉的激活程度和时机可以改变跟腱所受的力量和应变。

5. 运动表面 ：在不同表面上运动，如草地、硬地或沙滩，会对跟腱产生不同的负荷。柔软的表面可能提供更多的缓冲，而硬地则可能导致更大的冲击负荷。

6. 运动装备 ：穿着不同类型的鞋子，特别是运动鞋的缓震性能，可以影响跟腱的负荷。专业的运动鞋设计可以减少对跟腱的冲击。

7. 训练强度和量 ：训练的强度和量是影响跟腱负荷的重要因素。过度训练可能导致跟腱过度负荷，增加受伤风险。

8. 个体差异 ：不同个体的生物力学特征、身体结构和肌肉力量等都会影响跟腱在运动中的负荷。例如，腿长、跟腱长度和肌肉力量的不同都会影响负荷分布。

9. 运动经验 ：经验丰富的运动员可能由于更好的技术、身体适应性和运动习惯，对跟腱的负荷有更有效的管理。

10. 运动准备 ：适当的热身和拉伸可以减少运动开始时跟腱的负荷，降低受伤风险。

    
    

图1: 实验设置用于确定步态期间跟腱(AT)长度

• 描述 ：展示了实验的三个主要部分：使用反射标记来重建跟腱的曲线路径形状，超声成像技术用于确定肌腱肌腹连接处(MTJ)的位置，以及测量皮肤相对于跟骨的位移。

• 组成 ：包括皮肤上的反射标记、超声探头的位置、标记三脚架、以及用于测量的装置。

图2: 自动化算法与手动跟踪的MTJ位移比较

• 描述 ：展示了在步行、慢速跑和快速跑过程中，使用自行开发的半自动算法跟踪MTJ位移与手动跟踪的比较。

• 组成 ：包括三个子图，分别对应不同步态速度下的比较结果，以及标准误差的可视化。

图3: 皮肤到骨骼位移和MTJ投影对AT长度测量的影响

• 描述 ：展示了在步行和跑步过程中，皮肤到骨骼位移和MTJ投影对AT长度测量的影响。

• 组成 ：包括两行图像，第一行显示皮肤到骨骼位移对AT长度的影响，第二行显示MTJ投影的影响。图中可能使用颜色编码或线条粗细来表示显著性水平。

图4: 步行和跑步期间的AT应变、力量、应变能量以及肌肉的EMG活动

• 描述 ：展示了在步行(1.4 m/s)、慢速跑(2.5 m/s)和快速跑(3.5 m/s)期间，AT的应变、力量、应变能量以及GM、Sol和TA肌肉的EMG活动。

• 组成 ：曲线图显示了步态周期内这些参数的变化，以及标准误差的可视化。图中可能使用不同的线条样式或颜色来区分不同的变量。

表1: 步行和跑步期间的支撑和摆动阶段持续时间及步态频率

• 描述 ：提供了步行和两种跑步速度下的支撑时间、摆动时间以及步态频率的平均值和标准差。

• 组成 ：表格列出了不同步态速度下的数据，并可能包括显著性标记，以指示与快速跑步相比的显著差异。

表2: 皮肤到骨骼位移和MTJ投影对AT长度测量误差的贡献

• 描述 ：展示了步行、慢速跑和快速跑期间，皮肤到骨骼位移和MTJ投影对AT长度测量误差的平均根均方误差（RMSE）。

• 组成 ：表格列出了不同步态速度下误差贡献的数值，可能包括显著性水平的标记。

表3: 步行和跑步期间AT的峰值应变、力量、应变能量以及肌肉最大EMG活动

• 描述 ：提供了步行和两种跑步速度下AT的峰值应变、力量、应变能量，以及在推进阶段和支撑阶段初期的弹性应变能量回弹的数据。

• 组成 ：表格列出了不同步态速度下的峰值数据，并可能包括显著性水平的标记，以指示不同跑步速度之间的差异。

  
  

文献通过综合实验数据和分析，提供了对跟腱在运动中行为的深入理解，并为运动医学和康复领域提供了有价值的见解。