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影響跑步經濟性的生理學和生物力學因素

時間:2020-03-27 來源:中國組織工程研究 作者:李天義,徐琳,徐盛嘉 本文字數:17163字

  摘    要: 背景:跑步經濟性被認為是反映耐力運動員尤其是長跑運動員性能的重要指標,通常定義為在給定速度下跑步的能量需求,表示為給定速度下的攝氧量。目的:綜述現有的影響跑步性能的生理學與生物力學因素。方法:以“running economy,physiological factors,biomechanical and neuromuscular characteristics,spatiotemporal factors,lower Limb kinematic factors,kinetic factors,nutritional interventions”為檢索詞,檢索Pub Med數據庫(1960至2018年)中與跑步性能、急性或慢性干預措施和其他影響因素等相關的內容。結果與結論:共得到113篇文獻,根據納入排除標準,對其中58篇文獻進行分析。(1)目前證據表明心肺功能、肌纖維類型、肌肉力量、腿部剛度等生理因素與跑步經濟性的改善有關,而跑步者的體溫變化和彈性勢能與跑步經濟性的關系目前沒有統一結論;(2)有利于改善跑步經濟性的生物力學因素是步幅頻率或長度、垂直振蕩、下肢慣性力矩、腳趾離地時腿部伸展以及手臂擺動,而足部與地面的接觸時間、軀干傾斜等因素與跑步經濟性之間呈現出不一致的關系;(3)其他的影響因素中,高海拔適應可改善跑步經濟性;伸展性和靈活性與跑步經濟性之間的關系仍待確定;一些營養干預也受到關注,最明顯的是膳食硝酸鹽;(4)盡管該文章已經總結了影響跑步經濟性的大部分因素,但未來可以專注于研究個體跑步者,以便確定跑步者的結構和功能能力如何影響跑步經濟性,以及后續表現和運動傷害的情況。

  關鍵詞: 跑步經濟性的測量與表達; 代謝效率; 神經肌肉反應; 牽拉-縮短周期; 肢體動力學;

  Abstract: BACKGROUND: Running economy is considered as an important indicator of the performance of endurance athletes, especially long-distance runners. It is usually defined as the energy demand of running at a given speed, and expressed as the oxygen intake at a given speed. OBJECTIVE: To review the existing physiological and biomechanical factors affecting the running economy of runners. METHODS: With “running economy, physiological factors, biomechanical and neuromuscular characteristics, spatiotemporal factors, lower limb kinematic factors, kinetic factors, nutritional interventions” as search terms, PubMed database(1960-2018) was searched to include literatures related to running performance, acute or chronic interventions, and other influencing factors. RESULTS AND CONCLUSION: A total of 113 literatures were obtained. According to the inclusion and exclusion criteria, 58 literatures were analyzed. Current evidence shows that cardiopulmonary function, muscle fiber type, muscle strength, leg stiffness and other physiological factors are related to the improvement of running economy. However, there is no unified conclusion on the relationship between the temperature change of runners and the elastic potential energy and running economy. The biomechanical factors that are beneficial to improve running economy include stride frequency or length, vertical oscillation, lower limb moment of inertia, leg extension when toes are off the ground, and arm swing. However, the contact time between the feet and the ground, trunk inclination and other factors are inconsistent with running economy. Among other influencing factors, high-altitude adaptation can improve running economy; the relationship between extensibility and flexibility and running economy remains to be determined. Some nutritional interventions are also of concern, most notably dietary nitrates. Although most of the factors affecting running economy have been summarized in this paper, future studies can focus on individual runners in order to determine how the athlete's structure and functional abilities affect running economy, as well as subsequent performance and athletic injuries.

  Keyword: measurement and expression of running economy; metabolic efficiency; neuromuscular response; stretch-shorten cycle; limb dynamics;

  文章特點—

  (1)綜合了目前量化測量跑步經濟性的標準方法及其數據的規范表達;

  (3)從生理學因素與生物力學因素2個角度總結了與跑步經濟性之間的相互關系;

  (3)高海拔訓練、補充硝酸鹽進行營養干預等其他影響因素可以改善跑步的經濟性。
 

影響跑步經濟性的生理學和生物力學因素
 

  文題釋義:

  跑步經濟性:是與運動成績具有高度相關的評測指標,通過檢驗跑步速度與能量消耗之間的關系,來體現運動員有氧代謝能力的一種指標,跑步經濟性的單位與最大攝氧量類似,是m L/(kg·min)。

  最大攝氧量:人體在進行有大量肌肉群參與且長時間的劇烈運動時,當心肺功能和肌肉利用氧的能力達到人體極限水平時,單位時間內(每分鐘)所能攝取的氧量稱為最大攝氧量,其單位為m L/(kg·min)。

圖1 相似最大攝氧量的2名跑步者的跑步經濟性

  0、引言Introduction

  對于競爭激烈的跑步者來說,競爭性距離跑的目標是在最短時間內跑完給定距離,或者至少比對手跑的更快。因此,只有理解影響跑步性能的決定因素,才能取得更好的跑步成績。現已確定了幾種生理決定因素,其中包括最大攝氧量(VO2 max)[1]、乳酸閾[2]、跑步經濟性[3]。最大攝氧量和乳酸閾這2種決定跑步性能的因素已被廣泛研究;然而關于跑步經濟性的研究卻開展較少,直到20世紀70年代,學者們才開始意識到它的重要性。

  在給定運行速度下的穩態攝氧量(VO2)通常被稱為跑步經濟性[3,4],反映了跑步者在恒定的最大速度下跑步時的能量需求。在相同的穩態速度下,經濟性較好的跑步者比經濟性較差的跑步者消耗更少的氧氣。研究表明,在經過長期訓練并且擁有相似最大攝氧量的跑步者中[5],跑步經濟性的變化可能高達30%[5],同時跑步經濟性也被證明是耐力跑能力表現的一個有效的預測因子,見圖1,尤其是對于擁有相似的最大攝氧量的運動員[6]。

  圖1 相似最大攝氧量的2名跑步者的跑步經濟性
圖1 相似最大攝氧量的2名跑步者的跑步經濟性

  通常認為測量跑步經濟性較為簡單,但實際上涉及到許多影響因素。SAUNDERS等[4]提出了影響跑步經濟性的決定因素有訓練因素、環境因素、運動生理學因素、人體測量學因素和運動生物力學因素等。CONLEY等[7]認為可以通過增強代謝效率、心肺效率、生物力學、神經肌肉反應和適應性來改善個體的跑步經濟性,其中提高代謝效率是指運用可利用的能量來促進最佳性能[4,5],增強心肺效率是指與氧氣運輸和利用相關過程的工作量減少,而神經肌肉反應和生物力學特征是指神經肌肉和肌肉骨骼系統之間的相互作用,以及它們將輸出功率轉換為位置移動的能力和與之相關的表現。此外遺傳因素無疑也是影響跑步經濟性的主要因素,但目前與跑步經濟性相關的特定基因型的研究有限[8]。該文章將這些可以影響跑步者跑步經濟性的因素重新總結分類,分為生理學因素和生物力學因素2大類。生理學因素包括:代謝效率、心肺效率以及神經肌肉反應;生物力學因素包括內部因素(時空因素、下肢生物力學因素、軀干與上肢生物力學因素)與外部因素(鞋面、跑步地面)。此外,這些因素可通過各種訓練方式進行修改,所以嘗試提出一些提高跑步經濟性的策略。該綜述的目的是規范跑步經濟性的測量方法,總結影響跑步經濟性的生理學因素、生物力學因素及其他因素。

  1 、資料和方法Data and methods

  1.1、 資料來源

  以“running economy,physiological factors,biomechanical and neuromuscular characteristics,spatiotemporal factors,lower Limb kinematic factors,kinetic factors,nutritional interventions”為檢索詞,檢索PubMed數據庫(1960至2018年)中與跑步性能、急性或慢性干預措施和其他影響因素等相關的內容。

  1.2 、入選標準

  1.2.1 、納入標準

  (1)中英文期刊論文和會議論文;(2)研究內容與跑步經濟性有關;(3)可獲得全文的文獻;(4)同類型的文獻納入證據等級高的文獻。

  1.2.2、 排除標準

  相關性較小的研究和重復性研究。

  1.3 、質量評估

  在數據檢索的基礎上,通過閱讀摘要或全文的方式篩選具有較強相關性和權威性的文獻。

  1.4、 數據的提取

  共得到113篇文獻,根據納入排除標準,對其中58篇文獻進行分析,所有納入文獻質量較高,在跑步經濟性研究方面具有代表性和先進性。

  2 、結果Results

  2.1 、跑步經濟性的測量方法

  跑步經濟性由給定運行速度下所需的能量決定,并表示為給定運行速度下的次最大攝氧量[3,4,5],該值反映了跑步時的代謝、心肺、生物力學和神經肌肉反應等。因此,跑步經濟性的測量可能是有缺陷的,因為它由多個變量確定,這些變量可能是基于攝氧量,也可能不是基于攝氧量。在對跑步經濟性概念有基本了解的情況下,就能描述與特定跑步速度相關的穩態攝氧量,并提供了一種方法來比較個體與他人之間、不同條件下個體自身之間的經濟性。

  2.1.1 、跑步經濟性的測量

  量化測量跑步經濟性的標準方法是在跑步機上以各種恒定速度運行時測量跑步者的穩態攝氧量,且持續足夠長的時間以達到生理穩態。通常如果跑步機運行速度低于乳酸閾時,研究中使用的持續運行時間為3-15 min[9],同時通過考慮其他生理參數來驗證是否達到穩態條件,如檢驗血乳酸濃度是否與基線水平相似,并且呼吸商(RER)<1[3]。傳統上,個體之間跑步經濟性的比較通過在給定相同的運行速度下每分鐘每千克體質量的攝氧量[m L/(kg·min)],或表達為每千克體質量運行1 km的總攝氧量[m L/(kg·min)][10]。最常用的參考速度是16 km/h(268 m/min=4.47 m/s),表示每跑1 km用時3 min 44 s,在其他研究中也采用從12-21 km/h不等的速度[3,4]。然而,簡單地測量給定速度下的攝氧量來評估跑步經濟性的方法并沒有考慮到不同速度下基質使用的差異,因此一些研究將跑步經濟性表明為熱量單位成本[kcal/(kg·km)][11]。

  2.1.2 、規范數據表達

  從迄今為止的研究來看,由于運動方案、氣體分析設備、數據處理技術和最大有氧能力的差異,很難準確地將跑步經濟性劃分為差、良好和優秀3個等級。在承認這些潛在局限性的前提下,對現有文獻中不同水準跑步者在16 km/h速度下運行的穩態攝氧量值進行分析,發現在16 km/h運行速度下最低的穩態攝氧量屬于一個東非跑者,數值為39.0 mL/(kg·min),其完成1 500 m僅需3 min 35 s,但他的最大攝氧量僅為63[mL/(kg·min)[10]。跑步經濟性相對于最大攝氧量稱為相對強度,這是一個重要的概念,因為訓練有素的跑步者都表現出與他們各自最大攝氧量幾乎相等的百分比,這取決于跑步的距離[12]。

  2.1.3 、跑步經濟測量的可靠性

  由于在實際的場地上運行(即在訓練和比賽期間)難以獲得代謝數據,因此跑步經濟性的測量通常在實驗室中的跑步機上進行,并使用各種氣體分析系統(即呼吸分析儀)進行分析[13]。然而在實驗室測試期間排除了空氣和風阻力的干擾,所以將在跑步機上得到的數據轉移到實際場地上時需要謹慎[4,5]。具體而言,可能會發現實際場地上隨著速度的增加,空氣和風阻力的影響變得更明顯[5]。此外,在跑步機上跑步的技術不同于在地面上跑步,其中腿部肌肉被更大程度地使用以產生向前推進的水平和垂直力。盡管跑步機可產生輕微傾斜的梯度(-1%)用于增加補償性的能量需求,但綜合上述原因,實驗室跑步機測試期間收集的數據可能低估了地面運行期間的真實能量需求[14]。近年來研究者比較了跑步機與室外田徑場地帶來的不同的生理適應,發現二者存在很強的相關性,為跑步機在訓練與測量中的可靠性提供了強有力的證據[14]。

  2.2 、影響跑步經濟性的生理學因素

  改善跑步經濟可能是由于肌肉氧化能力的提高,運動單位補充模式的相關變化,相同運動強度下通氣量、心率的降低和跑步技術的改進。在訓練之后,與碳水化合物作為基質的代謝相比,脂肪代謝再合成ATP需要更多氧氣。目前研究發現跑步經濟與肌肉彈性可能相關,實驗室最近的觀察結果表明在16.0 km/h速度下運行的氧氣成本與26名國際男性長跑運動員的下肢靈活性(通過坐姿伸展進行測量)呈負相關,即“僵硬”的跑步者更為經濟[15]。導致這些結果的一種解釋是在牽拉-縮短活動的向心階段硬度更高的肌肉和肌腱能夠更好地儲存彈性能量,并且這種儲存的能量可以在跑步時釋放出來,從而降低了運動的氧氣成本[15]。

  2.2.1 、代謝和心肺效率

  在改善跑步經濟性的背景下,代謝和心肺呼吸效率是指在給定的工作輸出下更好地使用氧氣,增加能量產生的過程,其中心肺功能(心率、每分鐘通氣量)、體溫調節(核心溫度)和基質代謝(肌肉收縮效率、線粒體效率)的波動與跑步經濟性的變化有關[16]。

  (1)心肺功能:PATE等[17]提出,心肺功能測量值(心率、每分鐘通氣量)的變化是導致次最大和最大運動期間跑步經濟性變化的部分原因。THOMAS等[18]發現在訓練有素的女性跑步者的5 km比賽中,肺通氣量的變化與需氧量的變化之間存在相關性(r=0.79,P<0.05)。研究還發現跑步經濟性的改善和肺通氣量的減少之間存在相關性(r=0.77,P<0.000 1)。與先前的研究類似,每分鐘通氣量的增加是與跑步經濟性增加相關的唯一量度(r=0.64,P<0.05)。雖然這2個變量在幾項研究中本身并不意味著因果關系,然而隨著訓練引起的每分鐘通氣量減少,呼吸成本隨之降低,表明通氣適應可能確實在改善跑步經濟性中起作用。

  (2)核心溫度:關于核心溫度和跑步經濟性關系之間的研究并沒有統一的結論。在一些研究中,較高的核心溫度導致在高熱條件給定速度下的穩態攝氧量增加[19],其原因可能是循環增強、汗液蒸發、肺通氣量和氧化磷酸化效率降低導致代謝需求增加[19]。GRIMBY[20]發現核心溫度增加1.3℃會使穩態攝氧量增加5.5%。相比之下,其他研究結果表明在高溫運動期間并沒有發生變化或穩態攝氧量減少[21],這表明更高的核心溫度增強了肌肉的機械效率,其程度等于或大于循環增強、汗液蒸發、肺通氣量和氧化磷酸化效率降低的程度。

  2.2.2 、肌纖維類型

  研究表明,人類存在一系列肌纖維類型,并且各自都表現出它們自己的代謝特征。實際上,肌纖維的結構和組成似乎影響跑步經濟性[22]。ⅡA型肌纖維比ⅡX型肌纖維更具氧化性,并且具有與Ⅰ型纖維更相似的功能特性。因此,ⅡA型纖維的增加導致肌肉氧化能力增強,并且有助于改善跑步經濟性。雖然沒有研究肌纖維類型與跑步經濟性之間的遺傳性聯系,但運動員可能會根據其Ⅰ型和Ⅱ型肌纖維的組成而表現出不同的經濟性[22]。

  2.2.3 、神經肌肉反應

  神經肌肉反應也是跑步經濟性的重要方面。神經肌肉系統之間的相互作用是所有運動的基礎,此系統有效地將心肺呼吸能力轉化為力學并表現為運動能力。現代研究表明,有氧因子并不是影響耐力表現的唯一變量。GREEN等[23]認為機械收縮時的任何失效都可能妨礙氧氣的充分利用,這表明在某些情況下使用氧氣的能力可能不是限制耐力性能的最重要因素。基本上神經肌肉反應可以分為2類:改善跑步運動的神經信號和運動編程、改善肌肉力量。

  (1)神經信號和運動編程:高性能跑步是一種技巧,需要精確計算身體的幾乎所有主要的肌肉和關節,才能在移動中轉換肌肉力量,需要練習以提高活動的效率。運動學習研究表明,任務的持續練習可以更加熟練地控制運動,其內在原因是肌肉活動的幅度和持續時間減少,肌肉共激活降低,運動變異性減少[24]。近期證據表明,休閑跑步者與訓練有素的跑步者相比,表現出更大的個體差異(即步幅之間的差異)、更大的種群差異(即運動員之間肌肉補充的差異)、更廣泛和更多變的肌肉共激活,肌肉活動持續時間更長[25]。一些研究發現訓練可以引起跑步經濟性的積極變化。跑步似乎會引起對運動編程和運動募集的適應,這對于良好的跑步經濟性來說至關重要。BONACCI等[26]主張訓練后對運動募集的適應性是一種學習效果。學習特定的肌肉招募模式,這種模式通過提高任務效率(例如提高生物力學和神經肌肉效率),從而提高運動成績。

  (2)肌肉力量:有人提出,耐力表現不僅可能受到有氧能力的限制,還可能受到與神經肌肉系統的“肌肉力量”因素的限制。同樣,在擁有相似的最大攝氧量的高強度訓練耐力跑步者的同質分組中,10 km和5 km跑步速度更快的運動員顯示出更高的相對肌肉預激活。此外,在恒速運行期間,跑步經濟性與站立期平均接觸時間之間存在顯著相關性,表明肌肉力量在確定訓練有素跑者的跑步性能中起重要作用[27]。

  2.2.4、 腿部剛度

  較短的站立接觸時間和更大的肌肉預激活可能代表腿部肌肉剛度的增加,從而導致從制動階段到地面接觸的推進階段可以更快過渡。DALLEAU等[28]通過證明跑步經濟性與推進腿的剛度相關,突出了神經肌肉因素的重要性,增大腿部的剛度能改善跑步經濟性。ARAMPATZIS等[29]證實了這一發現,在3組共28名長跑運動員中,最經濟的跑步者具有最高的肌腱剛度。肌肉共激活能調節跑步期間的腿部剛度,并且可以通過儲存的彈性能量來改變跑步經濟性,并沒有額外的代謝成本。增加的肌腱剛度表明能量儲存的增加和運動時下肢肌肉輸出的重新分布,這可能導致跑步經濟性的改善。研究還顯示肌腱單位的剛度隨著跑步速度的增加而增加。

  2.2.5、 牽拉-縮短周期

  KYROLAINEN等[30]發現隨著跑步速度的增加,肌肉預激活和地面反作用力以及力的生成速率也隨之增加。預激活肌肉是牽拉-縮短周期的重要功能。牽拉-縮短周期是在高速離心收縮之后緊接高速向心收縮的組合。牽拉-縮短周期的肌肉功能增強了向心收縮,同時預激活肌肉活動的增加被認為是一種承受更高的沖擊負荷[30]。最近的一項研究表明,離心收縮與向心收縮時股外側肌活動的比例越大,能獲得更好的跑步經濟[31]。

  2.2.6 、彈性儲能

  離心收縮與向心收縮之間的平衡可能會影響跑步經濟性,因為存儲彈性能量的離心收縮比釋放能量的向心收縮成本更低[32]。有證據表明,跑步時的機械效率遠超肌肉將化學能轉化為動能的效率[32]。因此,在跑步的離心收縮期間存儲的彈性能量在隨后的同心收縮期間被釋放,對跑步時向前推進作出重大貢獻。可惜目前沒有數據可以量化這2種收縮的相對能量成本,也沒有設計出一種方法來區分離心收縮和肌腱拉伸[32]。

  2.3 、總結影響跑步經濟性的生物力學因素

  一些可改變的生物力學因素可能會影響跑步經濟性,這些生物力學因素可以分為內部或外部2種因素。內在因素是指個人身體上的生物力學因素,可以進一步分為時空因素(與步態周期變化或階段有關的參數,例如與地面的接觸時間和步幅);運動學因素(運動模式,如下肢關節角度);動力學因素(增加運動的力,如地面反作用力)。涉及的外在因素包括鞋與地面的相互作用(包括鞋類和跑步表面)。

  2.3.1、時空因素

  步幅頻率和步幅長度是相互依賴的,如果運行速度恒定,增加步幅長度或步幅頻率將導致另一個參數的減少。跑步者似乎自然地選擇經濟上最佳的(或非常接近最佳的)步幅頻率或步幅長度,這種先天潛意識的運行生物力學調整被稱為自我優化。研究發現,訓練有素的跑步者計算出的最佳步幅頻率或步幅長度平均比他們的首選頻率快3%或長度短3%。這些結果表明,有一個最佳的步幅“范圍”,訓練有素的跑步者可以在不損害其跑步經濟性的情況下采用。與非疲勞狀態相比,在疲勞狀態下訓練有素的跑步者會降低他們的步幅頻率,并產生一個新的優選步幅頻率,類似于在疲勞狀態下達到的最佳步幅頻率。這些結果意味著訓練有素的跑步者可以動態地自我優化跑步生物力學,從而影響生理狀態。對于新手跑步者,目前建議更多關注跑步者的步幅參數(步幅頻率和步幅長度)以優化運動技術并最終提高性能[33]。

  與步幅頻率和步幅長度類似,垂直振蕩也是影響跑步經濟性的時空因素之一。研究表明,降低垂直振蕩可以略微改善跑步經濟性,但前提是身體質心的(Co M)絕對高度不變[34]。通過降低和支撐體質量相關的代謝成本,減少垂直位移可能會改善跑步經濟性[34]。此外,它可以使跑步者更有機械效率,因為身體質心的位移減少會降低機械能成本。從跑步者的性別來看,女性跑步者的垂直擺動幅度低于男性,但關于女性是否比男性更經濟,研究結果之間存在矛盾[35]。ERIKSSON等[36]論證了利用視覺和聽覺反饋可以成功降低垂直振蕩,跑步者發現改變垂直振蕩比改變步頻更自然。這意味著研究人員沒有嘗試確定跑步者是否具有最佳的垂直振蕩幅度,或者是否僅僅通過降低他們的垂直振蕩來提高跑步經濟性。

  足部與地面接觸的時間與其跑步經濟性之間的聯系尚不明確。一些研究未能發現地面接觸時間與跑步經濟性之間的任何關系[37],一些研究發現更好的跑步經濟性與較長的地面接觸時間有關,而另一些發現則與之相反[38]。有人建議足部與地面接觸的時間短會導致代謝成本升高,因為需要力量的快速產生,這意味著募集了代謝成本高的快速肌肉纖維。同時較長的地面接觸時間也可能會導致較高的代謝成本,因為力的緩慢產生意味著跑步者減速時制動階段會更長[38]。雖然這2種觀點似乎都有道理,但最近SANTOS-CONCEJERO等[38]發現相同速度下優秀運動員與地面接觸的時間縮短了約10.0%,同時氧氣消耗也降低8.9%。

  2.3.2 、下肢動力學因素

  在交叉比較研究中,一些運動參數被認為與較好的跑步經濟性有關:較大的跖屈速度、較大的初始接觸時水平腳跟速度、較大的大腿與垂直方向的最大伸展角、大的膝蓋伸展角、較小的站立時膝關節的活動范圍、較小的制動時髖部彎曲度、較小的髖關節在制動時的屈曲峰值、較小的膝關節在擺動時的屈曲速度、站姿時更大的背屈幅度和更快的背屈速度、更大的初始接觸時角度[39]。在個體內的比較發現,較晚出現的背屈峰值、在初始接觸時較慢的外翻速度和更少的膝關節屈曲都與改善的跑步經濟性相關[39]。

  從交叉和個體內比較研究中得到一項擁有強有力證據支持對跑步經濟性有利的運動學變量是腳趾離開時較小的腿部延伸。有證據表明,當跑步者離開地面時可以通過減少跖骨彎曲或減少膝關節伸展來達到這個目的,見圖2[40]。髖部伸展也可能起到一定作用,但研究通常集中在膝關節和踝關節角度上。更少的腿伸展可以產生更大的推進力,MOORE等[39]提出通過潛在地允許腿伸肌在力-長度曲線上以更有利的位置操作,并獲得更高的齒輪比率(地面反作用力(GRF)力矩臂與肌肉-肌腱力矩臂)。這2種策略都可以最大限度地提高推進力。先前的研究表明,腿轉動慣量的降低,降低了腿在擺動階段的機械需求,也降低了步行的代謝需求。因此,在跑步時可能存在類似的關系,但這需要進一步研究。

  圖2 測量腳趾離地時矢狀面的膝蓋角度和踝部角度的差異
圖2 測量腳趾離地時矢狀面的膝蓋角度和踝部角度的差異

  圖注:左圖指的是跑步者基線水平,右圖指的是跑步者10周訓練后的水平[40]

  足部著地模式被認為是影響跑步經濟性的一個可修改的因素,一些研究人員認為最經濟的著地模式是前腳著地[40],然而結果顯示在慢速、中等速度和快速跑步時后足和中足著地沒有差異。另一些研究表明在低速跑步時后腳著地要比中腳著地更經濟[41]。根據目前的文獻,足部著地對跑步經濟性的影響似乎可以忽略不計,只有習慣性的后足著地才有可能通過改變足部著地模式而使跑步經濟性惡化。

  2.3.3、 軀干和上肢動力學因素

  與下肢生物力學相比,跑步經濟性與軀干生物力學和上肢生物力學之間的關系往往被忽視。在跑步過程中擺動臂起著重要的作用,因為它有助于減小垂直振蕩,反向作用下肢的垂直角動量,并最大限度地減少頭部、肩部和軀干的旋轉[42]。通過將手放在頭頂上來消除手臂擺動可能損害跑步經濟性[42],而將手放在背后或抱在胸前卻沒有一致的結果[42]。然而,沒有證據表明個體可以通過改變手臂運動學來改善跑步經濟性,從而改善跑步表現。根據目前的證據,鼓勵個體在跑步時保持自然的手臂擺動。

  根據WILLIAMS等[43]的發現,有人提出在跑步期間前傾軀干可以改善跑步經濟性。然而,也有研究表明前傾軀干對跑步經濟性有害。此發現也可能是其他原因導致的,如生物力學變化可能是由于2種情況之間的運行時間差異導致的肌肉疲勞產生,這意味著肌肉疲勞可能導致穩態攝氧量增加。

  對于女性跑步者,乳房運動學也有可能影響跑步經濟性和跑步生物力學。有證據表明,乳房運動學可以影響運動動力學[44],通過乳房支撐和下肢生物力學,特別是膝關節角度和步長的變化影響軀干傾斜。但也有學者發現跑步經濟性并不存在性別差異,高水平耐力跑者卻比休閑耐力跑者表現出更好的經濟性[45]。

  2.3.4、 鞋與地面的相互作用因素

  穿著傳統的跑步運動鞋跑步與赤腳跑步或穿著輕便的運動鞋相比是對改善跑步經濟性不利的,因為增加了鞋的質量。最近分析表明,小于440 g(每雙)的鞋質量是不影響跑步經濟的,但大于440 g的鞋會對跑步經濟性有負面影響[46]。然而,由于使用的評價方法不同,關于鞋的質量對跑步經濟性影響的證據是模棱兩可的。其他鞋的特性,如剛度、舒適度和緩沖,可能會影響跑步經濟性。換鞋也可以改變腳下的緩沖水平,FREDERICK等[47]提出了“緩沖成本”假設,指出在跑步時積極緩沖身體可能會產生更高的代謝成本。因此,具有有限緩沖或無緩沖(例如赤腳)的鞋將導致個體必須使用下肢肌肉來主動緩沖身體并導致攝氧量的增加。FRANZ等[48]提供了一些支持這一觀點的證據,他們發現穿著質量增加的鞋子跑步時比赤腳跑步需要更少的代謝能量。因此,即使增加的鞋質量相似,在沒有緩沖的情況下跑步比有緩沖的情況下跑步有更高的代謝需求。

  此外,對于良好的跑步經濟性,似乎存在“最佳”緩沖表面。赤足跑步時,10 mm的緩沖表面對跑步經濟性而言,比沒有緩沖表面或20 mm的緩沖表面更有益[49]。在考慮自然跑步的地形環境時,PINNINGTON等[50]發現在草地上跑步引起的攝氧量比在沙地上運行時低。這可能是由于沙子的阻尼效應,導致在站姿期間完成的機械功增加。因此,在吸收能量較小的表面上跑步時將改善跑步者的跑步經濟性。

  2.4 、其他影響跑步經濟性的因素

  除了上述的影響跑步經濟性的生理學或生物力學因素之外,還有其他的一些因素也可以影響跑步經濟性。對海拔高度產生高原適應的結果可以改善氧的輸送和利用,潛在的改善跑步經濟性。其他的因素,如拉伸和靈活性的發展,似乎有一個最佳的靈活性要求,以最大限度地防止運動傷害。一些營養干預也受到關注,如膳食硝酸鹽對減少運動期間的氧氣需求有明顯影響。

  2.4.1 、海拔高度

  許多運動員會進行某種形式的高原訓練,以獲得生理適應和跑步性能上的微小改善。最近一項Meta分析結果表明,對高訓練強度和中訓練強度的運動員使用自然和人工海拔暴露的不同方案后,其性能提升了1%-4%[51]。性能的改善主要歸因于血液學參數的增加導致最大有氧能力的增加[52]。

  有人提出高海拔暴露后跑步經濟性改善差異的機制與缺氧暴露后血紅蛋白質量和濃度變化的差異有關。雖然用于增加總血紅蛋白質量的缺氧情況目前已明確,但這不適用于跑步經濟性。BURTSCHER等[53]研究在5周的時間內缺氧暴露的持續時間僅為30 h,這不足以顯著增加總血紅蛋白質量,但足以改善跑步經濟性。作者確實報告了血紅蛋白濃度和血細胞比容的小幅增加,與跑步經濟性的改善密切相關。LEVINE等[52]報道適度訓練的中等海拔(2 500 m)和低海拔(1 250 m)訓練的跑步者在返回海平面后,增加紅細胞量(9%)以及改善最大攝氧量(平均5%)和跑步經濟性(2%-5%)。文獻表明跑步者的海拔暴露對跑步經濟性沒有不利影響,并且有充分證據表明它可能導致跑步經濟性在回到海平面上時的改善。許多在高海拔暴露后未發現跑步經濟性改善的研究是在接近競賽季節時進行的,這強調了時間和訓練階段對跑步經濟性高度暴露有效性的重要性。

  2.4.2 、伸展性和靈活性

  關于拉伸或靈活性對跑步經濟性的影響似乎存在相反的研究結果。一些研究人員已經確定了靈活性和跑步經濟性之間的反比關系;也就是說,較低的靈活性與更好的跑步經濟性相關[54]。GLEIM等[54]在3-12 km/h的速度范圍內對100名男性和女性受試者進行軀干和下肢柔韌性測試,發現那些在測試中表現出較低靈活性的人更為經濟。具體而言,在足部與地面接觸時身體軀干和臀部區域的橫向和前部平面的不靈活性可以穩定骨盆,減少過度的運動范圍和較高的代謝并穩定肌肉[54]。此外,研究表明具有較強或較硬肌肉結構的跑步者在其下肢存儲更多的彈性能量,導致次最大跑動速度下的穩態攝氧量較低[54]。相比之下,其他研究未能支持反向關系的存在,反駁了靈活性是距離運行性能的重要組成部分[55]。改善髖部柔韌性、肌筋膜平衡和由于伸展引起的骨盆對稱性被認為可以增強神經肌肉的平衡和收縮,從而導致攝氧量的降低和跑步經濟性的改善。這些結果證實了一般的觀點,即為了獲得最佳的運行性能,需要提高靈活性。

  2.4.3、 營養干預

  一些營養干預因為在運動中減少跑步者的有氧需求而受到關注,其中最顯著的是膳食硝酸鹽。現已知可以通過飲食方式增加硝酸鹽(NO3-)和亞硝酸鹽(NO2-)的組織濃度。綠葉蔬菜,如生菜、菠菜、芹菜和甜菜根特別富含硝酸鹽。膳食硝酸鹽補充劑的使用,增加了循環血漿亞硝酸鹽并且因此降低NO-濃度以降低運動的氧需求(即提高代謝效率和跑步經濟性)[56]。

  雖然迄今為止只有一項研究表明補充硝酸鹽后的跑步經濟性水平有所提高[57],但有報道稱其他幾種運動包括騎自行車、步行等對氧的需求有所降低[57],工作效率提高。BAILEY等[56]研究中添加硝酸鹽后穩態攝氧量下降幅度約為5%,持續3-6 d。在急性硝酸鹽補充后也有類似的穩態攝氧量減少的報道。VANHATALO等[58]報告了甜菜根汁攝入僅2.5 h后,穩態攝氧量明顯減少。

  雖然膳食硝酸鹽似乎是一種有前景的增效助劑,但還需要進一步研究,以確定其對訓練程度不同的長跑運動員和不同比賽項目的影響范圍。未來的研究還應該檢查使用其他營養干預來增強跑步經濟性的功效。

  3、 結論Discussion

  跑步經濟性是一個多因素概念,代表了跑步過程中代謝、心肺、生物力學和神經肌肉效率的總和。該文章總結了目前可靠的跑步經濟性測量方法,以及影響跑步經濟性的生理學、生物力學和其他因素。影響跑步經濟性的生理學因素,如增強心肺功能、增加機體內Ⅰ型肌纖維占比、更合適的肌肉力量、增加大腿剛度、增加牽拉-縮短周期及股外側肌活動等都與改善跑步經濟性相關,而跑步者的核心溫度、彈性儲能轉化的相對成本等因素與跑步經濟性之間的關系仍有待探究。有利于跑步經濟性的生物力學因素:跑步者自然選擇的步幅頻率或長度、身體質心絕對高度不變的情況下降低垂直振蕩、減小下肢慣性力矩、腳趾離地時較小的腿部伸展、保持手臂擺動以及擁有最佳“緩沖表面”的鞋等,然而足與地面的接觸時間、軀干傾斜角度等其他生物力學因素則與改善跑步經濟性之間呈現出不一致的關系。此外還可通過高海拔訓練、補充硝酸鹽進行營養干預等其他影響因素來改善跑步經濟性,而伸展性或靈活性對跑步經濟性的影響卻存在模棱兩可的結果。

  盡管該文章已經總結了影響跑步經濟性的大部分因素,但當前證據表明制定經濟的跑步方式有其局限性和不可復制性。因此未來研究可以更專注于個體跑者,便于確定運動員機體的結構和功能是如何影響跑步經濟性,以及后續表現和運動傷害等情況。

  作者貢獻:李天義、徐盛嘉負責綜述構思設計,李天義負責文章寫作校對,徐琳、徐盛嘉參與文獻收集、分析總結,徐盛嘉負責項目指導。全體作者都閱讀并同意最終的文本。

  經費支持:該文章接受了“全軍軍事類研究生資助課題(2016JY374)”的資助。所有作者聲明,經費支持沒有影響文章觀點和對研究數據客觀結果的統計分析及其報道。

  利益沖突:文章的全部作者聲明,在課題研究和文章撰寫過程不存在利益沖突。

  寫作指南:該研究遵守《系統綜述和薈萃分析報告規范》(PRISMA指南)。

  文章查重:文章出版前已經過專業反剽竊文獻檢測系統進行3次查重。

  文章外審:文章經小同行外審專家雙盲外審,同行評議認為文章符合期刊發稿宗旨。

  文章版權:文章出版前雜志已與全體作者授權人簽署了版權相關協議。

  開放獲取聲明:這是一篇開放獲取文章,根據《知識共享許可協議》“署名-非商業性使用-相同方式共享4.0”條款,在合理引用的情況下,允許他人以非商業性目的基于原文內容編輯、調整和擴展,同時允許任何用戶閱讀、下載、拷貝、傳遞、打印、檢索、超級鏈接該文獻,并為之建立索引,用作軟件的輸入數據或其它任何合法用途。

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