2.1  不同着地方式下幼儿的年龄分布特征  图2为3-6岁幼儿着地方式的年龄分布比例图。由图可知：3个年龄组中，3种跑步着地方式都存在；3岁组全足着地比例为47.8%，前足着地比例为8.7%，足跟着地比例为43.5%；4岁组中全足着地比例为29.2%，前足着地比例为20.8%，足跟着地比例为50%；5岁组全足着地比例为37.0%，前足着地比例为29.6%，足跟着地比例为33.4%。可以看出，全足着地比例3岁组最高，前足着地比例3岁组最低，随年龄增长而升高，足跟着地比例5岁组最低。

2.2  跑步时间参数  如表5所示，3种着地方式在时间参数方面的差异主要体现在蹬伸时间上，足跟着地幼儿的蹬伸时间大于前足着地幼儿(P < 0.01)和全足着地幼儿(P < 0.05)。

2.3  跑步支撑期时空参数  见表6。

表6显示，在着地时刻，前足着地者踝屈曲角度大于足跟着地者(P < 0.01)和全足着地者(P < 0.05)，全足着地者踝屈曲角度大于足跟着地者(P < 0.05)。足跟着地者髋关节内收-外展角度显著大于前足着地者(P < 0.01)和全足着地者(P < 0.05)。足跟着地者最大髋内收-外展角度大于前足着地者(P < 0.01)和全足着地者(P < 0.01)。足跟着地者髋内收-外展的关节变化量大于前足着地者(P < 0.01)和全足着地者(P < 0.05)。前足着地者踝屈伸最小值大于足跟着地者(P < 0.05)。足跟着地者最大髋内收-外展角速度大于前足着地者(P < 0.05)，足跟着地者最大膝内收-外展角速度大于前足着地者(P < 0.01)和全足着地者(P < 0.05)。

2.4  跑步支撑期地面反作用力峰值  图3为选取的1名幼儿跑步支撑期垂直地面反作用力与体质量归一化的曲线图，A、B、C分别对应的是足跟着地、前足着地和全足着地幼儿的数据。从图中可明显的看出足跟着地和全足着地跑步者均具有明显的2峰值1谷值的曲线特征，而前足着地者只有1个峰值。表7为幼儿跑步支撑期3种着地方式垂直地面反作用力峰值，各个峰值的均值之间均无显著性差异。

2.5  支撑期下肢最大肌肉力值  表8中为幼儿跑步支撑期3种着地方式下肢最大肌肉力值。其中，前足着地跑步者的腓骨短肌、腓骨长肌、第三腓骨肌的肌力大于足跟着地跑步者(P < 0.01)，全足着地跑步者的腓骨短肌、腓骨长肌、第三腓骨肌的肌力大于足跟着地跑步者(P < 0.05)。足跟着地跑步者的股中间肌、股外侧肌下束、股外侧肌上束、股内侧肌下束、股内侧肌上束、股内侧肌中束均大于前足着地(P < 0.01)和全足着地跑步者(P < 0.05)。

近年来，跑步作为一项经济便利的体育活动形式，深受大众的追捧和喜爱。不可避免的是，跑步存在诸多伤病风险，长跑运动员的年损伤率高达56%^[1]，因此如何避免跑步损伤成为学者研究的重点^[2]。长期研究显示，由跑步而导致的关节肌肉过度使用的伤害性风险与足部撞击地面的冲击力有着密切关系^[3-4]。近几年，学者对跑步着地方式的研究越来越感兴趣，先前的研究也提出了着地方式与下肢损伤的关系^[5]。一篇基于知识图谱软件分析跑步的研究中发现，近几年关于跑步研究的重点为：基本步态、肌肉力学性质、着地模式、髌股关节疼痛综合征、不同鞋履跑的特点等方面，而不同鞋履和着地方式已成为研究热点和未来的研究趋势^[6]。

跑步过程中主要有3种着地模式：①足跟着地(fore foot strike，FFS)：跟骨先接触地面；②全足着地(mid foot strike，MFS)：全脚掌着地，即足跟与前足同时接触地面；③前足着地(rear foot strike，RFS)：前足部首先接触地面^[7-9]。因过度使用而产生伤害的跑步者可以采用前足着地方式以减少损伤的发生^[10]，与足跟着地相比，前足着地的损伤风险降低^[11]。近几年，学者们研究的关注点从运动学差异转移到更深入的动力学差异，集中于不同着地模式下关节力矩以及肌肉活动方面的研究。关节力矩作为一个更直接的衡量标准，用来解释地面反作用力带给人体的负荷。在肌肉活动方面，前足着地者在后期摆动阶段内外侧腓肠肌具有明显的肌肉活动^[12]。足跟着地者比起前足着地发现更多的胫骨前肌活动^[13]。在着地初期，成年人能够通过中枢神经肌肉系统调整策略来维持地面反作用力的相对恒定，可以降低跑步开始时冲击力对人体的影响^[14]，在着地之前的 50 ms内通过肌肉激活、关节运动、腿部刚度的调整以及整个腿部运动的预备机制，最小化预期冲击的振动^[15]。而幼儿还处于生长发育阶段，神经肌肉控制能力较弱，不能达到与成人相同的神经肌肉调节模式。

跑步动作在Seefeldt的动作熟练度发展金字塔模型中被视为所有高级和复杂动作的基础之一，它也是3-6岁幼儿日常生活中最常用和喜欢的运动方式，如果幼儿没有掌握好基础的运动技能，那他们在成年期完成复杂动作的能力将会降低^[16]。许多幼儿参加有组织的体力活动时，例如耐力跑比赛，会导致损伤，这可能与足部接触地面时的生物力学特征有关^[17]。一项研究对比了幼儿与成年人跑动的差异特征，发现幼儿和成年人使用不同的策略来调节身体动量，成年人表现出更稳定的力学策略^[18]。长期研究显示，幼儿与成年人跑步的生物力学特征存在差异^[19]。那么幼儿在跑步过程中是否也存在与成年人相似的3种着地模式？如果存在，3种着地方式下，幼儿具有哪些生物力学特征？幼儿与成年人是否存在相同的运动学和动力学特征？这些问题有待进一步探究。因此，本文运用生物力学方法探究幼儿在跑步过程中，不同着地方式下的运动学和动力学指标的差异，为幼儿正确的跑步着地方式提供科学依据。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

1.1  设计  幼儿跑步着地方式的生物力学分析。

1.2  时间及地点  试验于2019年4月开始，为期18 d，在北京市海淀区某公立幼儿园中进行，将仪器设备全部搬入幼儿园中进行试验操作。

1.3  对象  在北京市海淀区某公立幼儿园大、中、小班中随机抽取幼儿74名，其中男生36名，女生38名，文中并未对幼儿信息进行分性别的统计。试验前向受试者父母详细解释并签署知情同意书。试验方案符合北京师范大学的相关伦理要求。

入选标准：受试者有良好的理解能力，身体健康，没有身体发育障碍疾病，运动功能正常。

按年龄将74名幼儿分为3岁组(3≤X<4)、4岁组(4≤X<5)、5岁组(5≤X<6)。受试者年龄=测试当天的实际年龄-出生日期。受试者基本情况见表1，不同年龄受试者的身高和体质量差异均有非常显著性意义(P < 0.01)，体质量指数(BMI)差异无显著性意义(P > 0.05)。文中仅对5岁组幼儿数据进行着地方式的划分，是因为5岁组跑步发展水平较稳定，3种着地方式下的幼儿数量也较平均，便于对比和统计学分析。而3岁组和4岁组的幼儿，由于发展水平的不同，有的着地方式还没有发展完善，因此不利于统计分析和比较。通过录像解析与测力台力值曲线筛选出5岁组3种着地模式的跑步者，分别为足跟着地者(n=9)、前足着地者(n=8)、全足着地者(n=10)。表2所示为5岁组不同着地方式幼儿的身高、体质量和体质量指数值，它们之间均不具有显著性差异。

1.4  方法

1.4.1  测试流程  测试分为两部分，第一部分为录像分析测试，第二部分为动作捕捉测试。整个测试在幼儿园进行，将2台Kistler三维测力台放置场地中心，周围环形放置8个高速红外摄像头，从起始点到结束点为8 m的距离。三维测力台系统和动作捕捉系统能实现动作的同步测试。测试前使用三维标定框架对测试场地进行扫描，以排除其他反光标识物对测试过程的干扰。测试人员均为运动人体科学与体育教育专业研究生，熟练掌握解剖知识及如何带领幼儿进行运动的方法。

测试前对受试者进行身高、体质量、骨盆宽、膝宽，踝宽、大腿长和小腿长等身体形态指标的测试，作为仿真建模数据的应用。随后为受试者穿上干净且紧身的测试服装，由一名测试人员向幼儿讲解跑步动作要领并发出指令引导幼儿进行跑步动作，另一名测试人员在旁边保护以防止幼儿摔倒。测试时让幼儿在统一的起点和终点开始和结束跑步动作。以幼儿的右脚完整踏在测力台上为一次有效的数据，如果右脚未能完整踏在测力台或右脚同时踏在两块测力台都视为无效数据。幼儿以自己舒适的速度进行跑步测试，选取其中3次有效数据保存。测试完毕后在幼儿皮肤直接接触反光点处用酒精棉球进行擦拭消毒。形态学指标见表3，不同着地方式下，幼儿的腿长、大腿长、小腿长、骨盆宽、膝宽和踝宽均不具有显著性差异。

1.4.2  录像分析法  对测试过程中的幼儿进行录像，将搜集到的74名幼儿跑步动作利用视觉确定的方法，依据不同着地方式划分。研究显示FSP(foot strike pattern)利用视觉确定的方法已经用于其他的很多研究，它对于跑步着地方式的评估是实用的^[20]。

1.4.3  红外动作捕捉测试  使用意大利的BTS SMART DX 600(Elite，Bioengineering Technology and Systems，Milano，Italy)红外线光学动作捕捉分析系统和8台高速摄像机进行运动学的三维拍摄，最大摄取频率为1 000 Hz，分辨率为640 dpi×480 dpi，精度在4 m×3 m×3 m的空间下小于0.2×10^-3 m。整个跑步过程经过2台瑞士 KISTLER公司生产的Kistler三维测力台(型号：kistler928E)，尺寸为0.6 m×  0.4 m×0.2 m，采样频率为250 Hz，静态检测误差小于0.5%，能实现三维力学数据的实时采集和显示。运动学数据的处理在配套软件BTS Analyzer中进行，将运动学数据进行平滑处理。跑步时间参数、关节角度、测力台XYZ方向的数据通过模板运行来导出。

1.4.4  仿真与建模计算  选取Anybody人体标准下肢模型采集幼儿跑步过程中运动学和动力学数据。Anybody软件是由丹麦奥尔堡大学开发的计算机辅助人类工效学和生物力学分析软件，本文采用Anybody5.2版本进行数据处理和分析。它有自带的人体模型库，可以针对不同尺寸的身体生成相应的骨骼肌肉模型，调用系统内置或自定义的缩放准则函数，对系统中的默认模型(25 bones and 500 muscles)进行缩放^[21]。模型标记点(Marker)点的位置见表4。大体步骤为：①将捕捉到的红外数据在BTS Tracker软件中进行连点，随后在BTS Analyzer软件中进行数据的平滑处理；②将数据以C3D的格式导出软件，并导入Anybody 5.2软件中，将每个幼儿的身高、体质量、大腿长、小腿长和骨盆宽等主要形态学指标，输入软件的脚本文件Trial  specific Date. any-Loaded中，建立每个幼儿的个性化模型；③C3D文件中的标记点驱动所对应的人体骨骼系统，仿真的幼儿模型即被驱动起来。将光标放在运动学的程序后面，输入“1”，程序开始运行。运行完毕后在动力学程序后面输入“1”，将运动学程序改为“0”。所有程序运行完毕后，呈现出关节力、力矩、肌肉力等指标。软件中编程语言命名“1”为运行指令，“0”为禁止指令。由此得到幼儿右腿完全踏在测力台时，3个方向的测力台数据和下肢肌肉的最大应力值，将力值和肌肉力值分别与体质量进行标准化处理。在典型的人体逆向动力学分析中，骨骼和肌肉系统都会有冗余的问题，即驱动关节运动所必须的肌肉的数量要小于实际建立的肌肉模型数量^[22]。利用Anybody系统提供的最优化方案可以解决肌肉募集冗余的问题^[23]。图1中的A、B、C、D分别对应幼儿跑步着地瞬间、支撑前期、支撑后期和离地瞬间骨肌模型的仿真图片，仿真过程为右腿支撑期即右脚着地到右脚离地的过程。

1.5  测试指标

1.5.1  运动学指标  ①时间参数：步态周期时间、支撑期时间、摆动期时间、缓冲时间、蹬伸时间、冲击力时刻、冲击力时刻占支撑期的百分比、推动力时刻、推动力时刻占支撑期百分比；②时空参数：下肢髋、膝、踝着地关节角度(θ₀)、离地关节角度(θ₁)、支撑期最大关节角度(θ_max)、最小关节角度(θ_min)、关节角度变化量(∆_θ)、最大关节角速度(ω_max)、最小关节角速度(ω_min)。

1.5.2  动力学指标  ①冲击力峰值(F₁)、推动力峰值(F₂)；②支撑期阶段下肢主要肌肉最大值(M_max)。

1.6  统计学分析  采用SPSS 19.0对实验数据进行分析处理。计算各指标的平均值和标准差，以x(_)±s的形式表示；采用单因素方差分析中的LSD法进行检验，以P < 0.05表示差异有显著性意义。

跑步的着地方式一直是跑步过程中的研究重点，近年来很多学者研究了成人不同着地模式人体下肢运动特点，主要目的在于探究何种方式能够减少损伤，使跑步更具有经济性。该文以幼儿3种着地方式为主要研究对象，旨在揭示幼儿不同着地模式下肢主要关节肌肉的运动特征，分析不同跑步着地方式对幼儿生长发育的影响，为促进幼儿学习跑步动作提供科学指导。

3.1  依据录像结果分析特征  该文通过录像分析法按年龄对74名3-6岁幼儿的跑步着地方式进行统计整理，发现3种着地方式在3个年龄组都存在。幼儿前足着地的比例3岁组最低，并随年龄增长呈上升趋势。以往的研究显示，在人体跑步时，前足着地是减小损伤和更优的跑步方式^[24-25]。在TGMD-3儿童动作发展量表评分细则中，前足着地也被认为是发展水平较高的跑步方式^[26]。随年龄增长，幼儿跑步发展水平呈增长的趋势，这一结果符合幼儿的动作发展特征。而全足着地方式，3岁组幼儿比例最高的原因可能是：全足着地也就是全脚掌着地，在这种着地方式下，幼儿足部接触地面的面积最大，有利于幼儿维持稳定性，防止摔倒。研究显示，人体在行走过程中，接触面积越大人体越稳定^[27]。幼儿由于正处于生长发育阶段，各项身体功能还没有发展完善，年龄越小的幼儿越需要更大的接触面积来维持身体稳定性。

3.2  依据时间参数分析特征  该研究显示，足跟着地者和全足着地者的垂直地面反作用力呈现出2个峰值1个谷值的特征，第1个峰值力称为冲击力峰值，指的是足着地后发生在支撑期前10%内，不超过30 ms的局部最大力峰值，它出现的时间，称为冲击力时刻；第2个峰值称为推动力峰值^[28]，3种着地方式下都会出现，它出现的时间称为推动力时刻。3种跑步着地方式的差异主要体现在蹬伸的时间上，足跟着地幼儿的蹬伸期时间最长，明显大于前足着地幼儿和全足着地幼儿，说明足跟着地的幼儿有更多的时间进行蹬伸，利于跑步的腾空和前进。研究显示，在成年人中，前足着地者和足跟着地者在缓冲时间、蹬伸时间和支撑时间都具有明显差异，足跟着地者的缓冲时间更长^[29]。不同着地方式的幼儿时间参数差异不如成年人明显。

3.3  依据时空参数分析特征  该文中3种着地方式主要是足跟着地者与前足着地者和全足着地者的差异。在着地时刻的踝关节屈曲角度方面，前足着地者显著大于足跟和全足着地者，这与成年人体现出相同的特征：前足着地者踝关节产生跖屈运动，而足跟着地者产生背屈^[30]。前足着地比起足跟着地者在着地时刻具有更多的踝关节跖屈并且小腿更加垂直^[31]。幼儿的膝关节和髋关节屈曲角度没有显著性的差异，KULMALA等^[32]研究结果证明了2个角度在不同着地方式下没有明显的差异性；但也有研究显示，前足着地者的着地点往往在膝关节的后方，因此着地时刻膝关节更加屈曲^[33]。髋关节较大的屈曲角度能够更好的缓冲，增加下肢的依从性，从而代偿踝关节在着地时刻的跖屈^[12]。3种着地方式下，着地时刻髋关节有更多的额状面运动。支撑阶段，足跟着地者踝关节背屈角度显著小于前足着地者，这说明足跟着地的幼儿可以在支撑末期获得更大的背屈角度，在踝关节处能够获得更大的蹬伸力量。有成人数据，与前足着地者相比，足跟着地者在矢状面上有较大的膝关节变化量和较大的髋关节变化量^[34]。本文数据中，并没有显示出相同的规律。成年人出现的原因是步长不同造成的，而相同年龄不同着地方式幼儿的步长并没有显著性差异。下肢三关节的矢状面屈伸角速度的增大有利于动作的向前推进，而额状面内收-外展角速度的增大主要有利于身体维持稳定^[35]。幼儿为避免摔倒，可能会优先考虑维持身体稳定而将身体向前推进的任务置于稳定之后^[36]。文中数据显示，矢状面最大关节角速度均无显著性差异，额状面特征均为髋关节和膝关节的关节角速度足跟着地者显著大于前足着地者，说明足跟着地者需要更多的额状面的关节运动来维持运动中的稳定。

3.4  依据动力学结果分析特征  文章结果显示，足跟着地者和全足着地者的垂直地面反作用力出2个峰值——冲击力和推动力峰值，而前足着地者仅出现1个推动力峰值。两种着地方式下，冲击力出现顺序和占比没有显著性的差异，在5.68 ms左右出现，在支撑期的2.26%左右。3种着地模式下足跟着地跑步者的推动力峰值出现时刻最早，其次为前足着地跑步者，但三者没有明显的时间先后的差异，大约出现在89.04 ms，为支撑期的33.93%附近。对人体来说，适当的冲击力刺激有助于提高骨密度以及骨骼的完整性^[37]。但是，过高的冲击力则会造成损伤。成年人的数据显示，足跟着地者着地以后会迅速出现一个1.5-2.5倍体质量的冲击力峰值，随后出现的峰值是体质量的2.0-2.5倍^[38]。文中数据在范围值以下，这是由于幼儿还未发育成熟，在测力台数据上显示出和成年人的差异。

3.5  依据仿真建模结果分析特征  文中利用仿真算法计算出下肢26块肌肉的肌肉力值，主要出现显著性差异的肌肉为踝关节跖屈肌和股四头肌。腓骨长肌、腓骨短肌为小腿外侧肌肉，它们均表现出前足和全足着地者大于足跟着地者。胫骨前肌在小腿前侧，表现出足跟>前足>全足的特征。第三腓骨肌位于趾长伸肌的外侧面，起点在腓骨前下端，止点位于第5跖骨底，是踝关节的一块伸肌(背屈肌)。前足和全足着地者大于足跟着地者。前足着地者能够动用更多的小腿肌力，有利于更大程度的缓冲，而足跟着地者能够动用更多的股四头肌肌力。研究显示，成年人足跟着地者和前足着地者最大的区别在踝关节跖屈肌肉力，表现为前足着地主要的跖屈肌：腓肠肌、比目鱼肌和腓骨肌肌力大于足跟着地者^[39]。本文中内侧腓肠肌和比目鱼肌肌力各组没有显著性差异，并且标准差较大，这可能是由于幼儿年龄较小，肌肉发育不完全，个体差异性较大。

3.6  研究的不足之处  ①研究对象仅选用5岁组，不够全面，后续研究可以增大年龄段；②对着地方式研究的试验对象人数较少；③可以进行青少年、成年人着地方式的实验测量，与幼儿数据进行对比，以发现幼儿着地方式的成熟时间。

3.7  结论及建议 

3.7.1  结论 

(1)在3-6岁阶段，幼儿多采用足跟或全足着地方式进行奔跑。幼儿前足着地的比例3岁组最低，并随年龄增长呈上升趋势。幼儿全足着地的比例3岁组最高，因为幼儿有较大的接触面积，有利于幼儿维持稳定性，防止摔倒。

(2)前足着地者比起足跟着地者在着地时刻具有更多的踝关节跖屈，髋关节和膝关节的缓冲能力还没有发展完善，足跟着地者能够动用更多髋关节和膝关节额状面的运动来维持人体运动中的稳定。

(3)前足和全足着地者能有更大的跖屈肌力和胫骨前肌肌力，而足跟着地者动用更多的第三腓骨肌和股四头肌肌力。

3.7.2  建议  长期研究显示，前足着地方式是减少损伤的策略。但3-6岁幼儿处于生长发育阶段，身体的缓冲机制和各项指标还没有发育成熟，因此与成年人呈现出差异。在幼儿阶段，足跟着地有利于蹬伸，也能够动用更多膝关节和髋关节额状面的运动维持稳定。可以让年龄较小的幼儿在跑步的时候足跟或全足着地，发育成熟后再逐渐引导他们向前足着地发展。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

文题释义：

跑：跑是双脚交替接触地面的周期性运动，但跑有一个双脚都离开地面的腾空期。幼儿在 1 岁多开始学习跑步，最初是走跑结合的移动方式，由于身体发育不完善，下肢力量弱，平衡能力差，容易摔倒；到 2.5岁，幼儿跑步的腾空阶段明显；到 6岁，早期跑步的特点基本消失。

着地方式：指的是人体在跑步着地阶段足部接触地面的方式，一般分为3种方式：分别为足跟着地(fore foot strike)，跟骨先接触地面；全足着地(mid foot strike)，全脚掌着地，即足跟与前足同时接触地面；前足着地(rear foot strike)：前足部首先接触地面。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

Anybody软件是由丹麦奥尔堡大学开发的计算机辅助人类工效学和生物力学分析软件，本文采用Anybody5.2版本进行数据处理和分析。它有自带的人体模型库，可以针对不同尺寸的身体生成相应的骨骼肌肉模型，调用系统内置或自定义的缩放准则函数，对系统中的默认模型(25 bones and 500 muscles)进行缩放。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程