区分跑步落地模式的足触地角标准：基于ROC曲线和约登指数的验证研究

【摘要】：研究背景:足触地角(Foot strike angle,FSA)是指跑步时足落地瞬间足底与地面之间的夹角,常用于区分前足、中足、后足落地模式。准确区分这3种跑步落地模式对步态训练及跑步运动损伤预防有重要意义,是当前研究的热点。但是,现有基于FSA区分跑步落地模式的标准参差不齐,而且,已发表研究中采用的FSA标准或基于小样本计算得到,或未做信效度分析。另外,跑者的跑步经验也会影响FSA,进而可能影响区分跑步落地模式的FSA标准。因此,本研究的目的是:重新定义区分3种跑步落地模式的FSA标准并探讨FSA标准是否因跑者的跑步经验而改变。研究方法:三组被试(经验跑者15人、新手跑者14人和非跑者14人)均用舒适速度在测力跑台上完成4次3 min跑测试:首次测试不作任何干预以获取被试惯用跑步落地模式;剩余3次测试被试随机顺序选择用前、中或后足落地模式。3个反光标记球分别贴于被试右侧跑鞋的鞋跟、第2跖趾关节和鞋尖处,利用三维动作捕捉系统和测力系统记录每次测试最后30 s反光标记球和足底压力中心(COP)的运动轨迹,进而计算FSA和触地指数(Strike index,SI)。以SI为金标准,两次利用接收者操作特征(ROC)曲线和约登指数(YI)定义区分3种跑步落地模式的最佳FSA标准,并比较3组被试之间的差异。研究结果:3.1 FSA和SI的关系本研究累计记录并分析7359步,其中,经验跑者2625步,新手跑者2504步,非跑者2230步。回归分析显示,SI能较好地预测FSA:FSA=0.31*SI+18.57,R2=0.74(所有被试);FSA=0.33*SI+19.06,R2=0.80(经验跑者);FSA=0.32*SI+19.13,R2=0.75(新手跑者);FSA=0.28*SI+17.23,R2=0.65(非跑者)。与现有研究结论一致,我们也发现,FSA与SI呈线性相关:SI越大,FSA越小。这可能是因为,虽然SI和FSA的计算方法不一样(SI通过计算COP相对足跟的位置得到;FSA通过计算足底相对地面的空间位置得到),但两者都与足踝关节的运动密切相关:当足踝背伸时,COP更靠近足跟区域;当足踝跖屈时,COP则向前脚掌部位移动。3.2区分3种跑步落地模式的FSA标准依据SI这一金标准,在跑步测试中,经验跑者、新手跑者和非跑者以中足落地的步数分别为:791步、1000步和667步。根据ROC曲线及YI,整合所有被试的FSA和SI数据,计算得到的FSA标准为:-0.8°-7.4°;依次对3个不同组别进行分析,得到的FSA标准分别为:-1.0°-7.3°(经验跑者),-1.9°-8.9°(新手跑者)和-1.2°-7.4°(非跑者)。FSA标准在3组被试之间的差异较小(2°),可能提示:FSA标准几乎不受跑者的跑步经验影响。理论上,FSA0°为后足落地,FSA=0°为中足落地,FSA0°为前足落地。本研究基于大样本数据计算得到的FSA标准为-0.8°-7.4°,明显不同于现有研究中采用的标准,如,-1.6°-8.0°,-0.3°-5.6°,-1.0°-1.0°,-8.0°-0°。我们的FSA标准,尤其是新手跑者(-1.9°-8.9°),与Altman等采用的标准(-1.6°-8.0°)接近。这可能归因于相近的被试特征:新手跑者的跑龄和周跑量分别为1.3±0.6years和8.8±4.8km;Altman等招募的20名业余跑者的周跑量为20.7±13.0min。我们还发现,经验跑者(-1.0°-7.3°)和非跑者(-1.2°-7.4°)的FSA标准比Altman等采用的标准更窄。Altman等基于小样本(共9步:6步穿鞋跑;3步赤足跑)计算得到FSA标准,可能不能反映总体样本的实际分布;其它文献中采用的FSA标准未做信效度验证;本研究中,每个组的中足落地步数都超过650步,合计达2458步,能反映总体样本分布,具有代表性,基于此,我们认为,本研究中计算得到的FSA标准更科学,参考和应用价值更高。研究结论:本研究招募的被试涵盖不同跑步经验的跑者(非跑者、新手和经验跑者),能较好地代表整体跑步人群,通过记录的大样本跑步数据并结合运用分类模型统计分析方法(ROC曲线及YI),重新定义了区分3种跑步落地模式的FSA标准。此新标准不受跑者的经验影响,建议学者将来采用此新的FSA标准(-0.8°-7.4°)来区分前足、中足和后足落地模式。