從生物力學角度看，下臺階時下肢各關節的運動幅度、關節負荷以及肌肉活動等均與在平地上行走有差異。下臺階過程中，膝關節作為起主要承重和緩沖作用的關節，會承受更大的負荷，更容易造成損傷的發生。故對下臺階時膝關節動力學和運動學參數進行研究，為預防運動損傷和指導健身提供依據是很有必要的。

有關上下臺階時動力學參數有大量的研究。耐力性運動如自行車、登山、上下臺階等運動時，膝關節受到的壓力遠大于平地上行走時所承受的力，由于膝關節長期承受較大的負荷而最終造成膝關節的慢性勞損或者骨關節病，從而影響健身者的生活質量。故研究上下臺階時膝關節所承受的壓力對于預防骨關節病、膝關節假肢、矯形器和膝關節置換具有很重要的意義。

Paul研究了慢速行走、快速行走、上樓梯、下樓梯時的膝關節上的受力，分別為2.7BW、4.3BW、4.4BW和4.9BW。Komistek等發現不同形式下臺階時膝關節的力矩有差異，膝關節屈伸力矩、內外翻力矩以及股四頭肌收縮強度均按正面一腳一階、正面兩腳一階、橫面兩腳一階、斜面兩腳一階的順序逐漸減小。研究不同速度下臺階時膝關節受力大小的變化，以及以不同方式下臺階時膝關節受力方式的差異，對于防治長期因較大壓力或不良力線而導致的骨關節炎等具有重要的意義。

許多運動學方面的研究表明，上下臺階時膝關節的運動幅度較平地上行走大很多。Hoffman等人的研究顯示，上下樓梯時膝關節屈曲達830，較平地上行走時多將近120，膝關節內的壓力會隨著屈曲角度的增加而增加，髕骨所受到的壓力亦會增加，這會增加髕骨橫斷的風險。

故研究不同速度下臺階時膝關節角度和角速度等運動學指標的變化，對于有效減少膝關節損傷具有一定的指導價值。

膝關節的健康問題困擾著許多人，大多數的中老年人均出現過不同程度的膝關節疼痛。據統計，50歲以上的人群中，50%患有骨關節病，65歲以上的人群中，90%的女性和80%的男性患有此病。目前，隨著經濟的發展，生活水平的日漸提高，骨性關節病也開始趨向低齡化，越來越多的人將會受到骨性關節病的困擾。所以對上下臺階時膝關節的生物力學參數進行分析，用于指導科學健身，減少運動損傷的發生是有必要的。

1、研究方法

2.1測試臺階

本實驗采用自制木質臺階，共5層，每一級臺階的規格為：長90cm、寬28cm、高18cm（見圖1）。

1.2受試者

10名在校男大學生，未進行過系統的體育鍛煉，近期無下肢損傷，實驗前48h內未從事劇烈運動（見表1）。

1.3數據采集與處理

受試者著泳褲，貼反光標志點。通過三維測力臺（Kistler9281CA，Switzerland，1000Hz）、8鏡頭紅外高速運動捕捉系統（MotionAnalysisRaptor-4，USA，200Hz）同步采集運動學和動力學數據。受試者跟隨節拍器的節奏，分別以48步/分、60步/分、72步/分、84步/分、96步/分、108步/分、慢速跑、中速跑、快速跑（3種跑速為自覺速度），共9種速度下臺階。最后一步落在測力臺上。在每種速度下，左右腳各采集3次有效數據。

1.3.1標志點的名稱與位置

采用海倫海耶斯模型，在受試者身上貼19個反光標志點。采集的所有標志點三維坐標采用Butterworth低通濾波法進行平滑，截斷頻率為10Hz。根據標志點坐標建立大腿坐標系、小腿坐標系、足坐標系，其中髖關節中心根據Bell的研究計算，膝關節的轉動中心為股骨內外側髁中心，踝關節轉動中心為內外踝中心。采用歐拉角的方法計算膝關節的三維角度。標志點位置如表2。

1.3.2統計分析

不同速度間的參數采用單因素重復測量方差分析（one-wayrepeatedmeasuresANOVA）進行比較，后續兩兩比較采用LSD法。同一速度，左右側間的參數采用配對T檢驗進行比較。顯著性水平定為一類誤差概率不大于0.05。

2、結果與分析

2.1不同速度膝關節峰值力的比較

2.1.1不同速度膝關節垂直方向峰值力的比較

如表3所示，隨著下臺階速度的增大，膝關節垂直方向的峰值力不斷增加。當以快速跑的速度下臺階時，左膝關節所受的峰值力為2.12BW，與前面的各速度下臺階時膝關節所受峰值力相比顯著增大。當以中跑速度下臺階時，右膝關節所受峰值力為2.13BW，相比較于前面各速度下臺階時膝關節所受的峰值力增加有顯著性差異。以快跑的速度進行下臺階時，膝關節所受峰值力均大于2倍的體重，這與前人所做的研究相符合。隨著下臺階速度增加，膝關節受到的垂直方向的峰值力不斷增加，并且峰值力的作用時間會隨著速度的增加而減小，當碰撞力發生在的50Ins內時，骨骼肌肉系統來不及產生反應，吸收碰撞力，從而對人體造成傷害，這樣膝關節關節腔內的組織因為無法吸收所受到的較大的撞擊力和擠壓力，所以比較容易造成膝關節內半月板、關節面軟骨的磨損和破裂。長期可能會導致半月板的剝脫，最終形成關節鼠，由于關節鼠的存在會導致膝關節的絞索感，影響健身者的生活質量。此外，還有可能造成膝關節腔內滑膜、滑囊等軟組織的急性和慢性炎癥，影響健身者的生活質量。

受試者以不斷增大的速度下臺階，84步/分時膝關節所受壓力的峰值力小于72步/分時膝關節所受壓力的峰值力。造成該現象的原因可能是由于個別受試者的異常數據，因為72步/分時膝關節所受壓力的峰值力的標準差較大。但個別受試者的數據對于傷病等的防治有重要意義，所以需要對造成該差異的原因，進一步研究和探討。

但由于人體在進行下臺階運動時，左右腿的速度基本一致，所以在指導運動時，應以中跑的速度進行，這樣不會因為膝關節所受的著地時刻的峰值力太大而引起損傷，又能獲得較好的運動效益。

2.1.2不同速度膝關節前后方向峰值力的比較

表4中的峰值力為Y軸所受的峰值力，Y軸為膝關節所承受的前后方向的力。如表4所示，隨著下臺階速度的增加，膝關節所受的前后方向的峰值力逐漸的增加。當以快跑的速度下臺階時，左膝關節所受的前后方向的峰值力為0.89BW.,相比較于以前面各速度下臺階時膝關節所受的峰值力顯著增大。當以慢跑速度下臺階時，膝關節所受的前后方向的峰值力為0.56BW,相比較于以前面各速度下臺階時膝關節所受的標準峰值力增加亦具有顯著性差異。

下臺階時，股骨和脛骨不僅繞著膝關節的X軸（左右方向）做屈伸運動，膝關節屈曲時，股骨還會在脛骨平臺上沿Y軸向前滑動。隨著下臺階速度的增加，膝關節所受的前后方向的峰值力不斷增加，使股骨向前的滑動趨勢增大。為了防止股骨過度前移，需要膝關節內前交叉韌帶來維持穩定。Y軸方向的力增加使得防止股骨前移的前交叉韌帶的負荷增加。長期較大或頻繁的負荷施加在前交叉韌帶上，可能造成前交叉韌帶的拉傷或者斷裂。有研究表明一旦前交叉韌帶損傷，該患者罹患骨關節炎的風險顯著增大，這主要是由于前交叉韌帶斷裂后，關節內所承受的壓力和運動軌跡的變化而引起的。這樣會嚴重影響健身者的生活質量。

此外，隨著下臺階速度的增加，膝關節所受前后方向的力不斷增加，股骨前移的趨勢不斷增加，股四頭肌需要強力收縮來阻止該趨勢。但是股四頭肌收縮力的增加，會使得施加在髕骨表面的壓力增加，長期有可能會導致髕骨的橫斷，或者髕骨軟化癥。

為了預防前交叉韌帶和髕骨的損傷，在進行指導訓練時，應以慢速跑的速度下臺階，這不僅可以獲得較好的運動效益，并且膝關節著地時的峰值力不會太大，從而避免了膝關節在運動中可能造成的損傷。

由表3、表4可以看出，以同一速度下臺階時，左右膝關節所承受的同一方向上的峰值力，多為右膝關節大于左膝關節。但使用SPSS13.0對數據進行配對T檢驗，無顯著性差異。造成該現象的主要原因是本實驗受試者的優勢腿均為右腿，由于長期慣用右腿，所以右側腿的肌力均較強，在完成站立、支撐等動作時優勢腿承擔較多的體重，所以多為右側的峰值力大。同時也在提醒我們右側膝關節損傷的風險較左側膝關節大，應注意防護。

2.2不同速度膝關節垂直方向峰值力時刻膝關節角度比較

2.2.1不同速度膝關節垂直方向峰值力時刻膝關節屈曲角度的比較

從表5可以看出，隨著下臺階速度的增加，膝關節達到峰值力時刻的膝關節屈曲角度呈現不斷地增加的趨勢。

當以中速跑的速度下臺階時，左膝關節達到垂直方向峰值力時刻的膝關節的屈曲角度為18.91°，較前面各速度膝關節達峰值力時刻的膝關節屈曲角度顯著增大。當以快速跑的速度下臺階時，右膝關節達到垂直方向峰值力時刻的膝關節的屈曲角度為27.81°，較前面各速度膝關節達峰值力時刻的膝關節角度顯著增大。

對下臺階運動進行動作階段劃分，可將其分為：支撐相和擺動相。此處所研究的膝關節屈曲角度為由支撐相開始逐漸進入擺動相，膝關節由伸展位開始屈曲，膝關節所屈過的角度。隨著下臺階速度的不斷增加，膝關節達峰值力時刻的屈曲角度也在不斷地增加。對膝關節所受的合力進行正交分解，膝關節所受到的水平方向的分力會不斷增加，在一定程度上增加了施加在髕骨上的壓力。加之，隨著下臺階速度的增加，膝關節所受的峰值力合力亦不斷增加。兩重因素共同造成髕骨受到的水平方向的力增加。長期則會增加髕骨勞損,髕骨軟化等疲勞性損傷的發生幾率。

3、結論與建議

3.1結論

隨著下臺階速度的增加，膝關節所承受的負荷在增加。膝關節屈曲幅度隨著下臺階速度的增加而增加。同一速度下臺階時，右膝關節負荷大于左膝關節，但不具備統計學差異。

3.2建議

日常下臺階時，最好不要超過慢跑的速度，這樣對于膝關節所造成的壓力不會太大。下臺階時，右膝關節所承受的壓力較左膝關節大，所以應加強對右膝關節的防護。