跑鞋跟掌落差對跑步時著地方式和髕股關節應力負荷的影響

張馬森 崔婧 周興龍 劉卉

1 北京體育大學運動人體科學學院（北京 100084）

2 北京體育大學中國運動與健康研究院（北京 100084）

髕股關節痛（patellofemoral joint pain）指髕后或髕周的彌漫性疼痛，是跑步運動中最常見的下肢損傷之一。上下樓梯、下蹲和跑步等增加髕股關節應力的活動會加重這一疼痛[1，2]。雖然有規律的跑步運動能夠改善心血管和呼吸機能，提高身體素質，但每年有19%～79%的跑步者也遭受著跑步相關損傷的困擾[3]，其中髕股關節痛發病率占跑步損傷的18%～33%[4]。髕股關節痛易復發，嚴重影響患者的身體活動和生活質量，并增加患者發生膝骨性關節炎的風險[2，5，6]。跑步中髕股關節接觸應力過大可能是髕股關節痛的直接原因或潛在機制，這與髕股關節軟骨磨損和軟骨下骨代謝活動增加有關[1，2，7，8]。應力被定義為單位接觸面積的壓力，因此髕股關節壓力的減小和髕股關節接觸面積的增加均有利于預防和緩解髕股關節痛。

跑鞋跟掌落差可能是影響髕股關節應力負荷的因素之一[9，10]。跟掌落差指的是跑鞋后跟高度和前掌高度的差值，目前市面銷售跑鞋的跟掌落差從0～15mm不等。研究表明，在相同跑速下穿著零落差跑鞋更傾向于中足著地，且表現為跟掌落差和著地瞬間足地角（足底長軸與地面的夾角）正相關[11，12]，與跟掌落差較高的跑鞋相比，支撐期伸膝力矩降低[9]。膝關節屈曲角度在0～60°范圍內，髕股關節接觸面積會隨著膝關節屈曲角度增加而增加[13]。髕股關節壓力會隨著膝關節伸膝力矩降低而降低，同時受到膝關節屈曲角度的影響[14-16]。一項前瞻性研究表明，穿著零落差跑鞋時膝關節損傷率顯著低于穿著跟掌落差較高的跑鞋[17]，但該研究并未探索下肢關節力學數據與損傷率的關系，也沒有針對髕股關節痛進行分析。

因此，本研究以跑鞋跟掌落差為自變量，以跑步著地瞬間足地角、膝關節屈曲角度、踝關節跖屈角度、支撐期髕股關節應力峰值、應力沖量和髕股關節應力峰值時刻的相關指標為因變量，探究穿著不同跟掌落差的跑鞋對著地方式和髕股關節應力負荷的影響，為預防跑步造成的髕股關節損傷提供思路。本研究假設：與跟掌落差較高的跑鞋相比，穿著零落差跑鞋時足地角降低；垂直地面反作用力降低；支撐期髕股關節應力峰值和應力沖量降低；髕股關節應力峰值時刻的膝關節屈曲角度、伸膝力矩、股四頭肌肌力、髕股關節壓力降低。

1 研究方法

1.1 受試者

本研究選取18 名男性跑者作為受試者，年齡23.24 ± 1.68 歲，身高1.71 ± 0.04 m，體重65.10 ±3.94 kg，鞋碼41碼。所有受試者每周跑量均大于20 km，沒有受過專業跑步訓練，且半年內無明顯下肢損傷。受試者在測試前被告知研究目的和注意事項，并填寫知情同意書，自愿按照要求進行測試。

1.2 測試鞋

基于前人文獻研究[18，19]和市場調研，一般跑鞋的跟掌落差為0～15 mm。委托某體育用品公司研發中心設計制作4雙跑鞋，鞋碼為41碼，中底材料為橡塑發泡材料（ethylene-vinyl acetate copolymer，EVA）。前掌測量點位于跖趾關節處，高度一致為12 mm，鞋跟測量點位于足跟中部對應處，高度分別為12 mm、17 mm、22 mm、27 mm，獲得跟掌落差分別為0 mm、5 mm、10 mm、15 mm，編號為D0、D5、D10、D15，4 雙測試鞋除跟掌落差不同外，其他結構形態完全一致（圖1）。

圖1 測試鞋示意圖（從左至右依次為D0、D5、D10、D15）

1.3 數據采集

首先，受試者進行5分鐘熱身跑，以更好地適應測試鞋和目標跑速，然后更換統一的緊身短褲，由同一名專業實驗人員在相應位置粘貼反光marker 點（左/右髂前上棘，髂后上棘中點，左/右大腿前側，左/右股骨外側髁，左/右股骨內側髁，左/右脛骨粗隆，左/右腓骨外髁，左/右脛骨內髁，左/右足尖，左/右足跟）。

正式測試時，受試者按照拉丁方順序穿著跑鞋，在一條長15 m 的跑道上完成測試，目標跑速為4 m/s[20，21]。使用便攜式測速系統（NewtestPower Timer，Finland）監控跑速，通過口頭反饋使受試者速度控制在規定跑速±5%以內。跑道中間設置三維測力臺（Kistler 9281CA，Switzerland），以采集受試者跑步支撐期的地面反作用力數據，采集頻率為1000 Hz[22]。受試者在規定跑速范圍內，無任何步伐調整并以右腳完整踩在測力臺上為一次有效數據，每名受試者每雙鞋采集3 次有效數據，結果取3次平均值。應用8臺Raptor-4鏡頭的紅外高速運動捕捉系統（Motion Analysis Corp，USA）采集受試者穿著不同鞋跑步的三維運動學數據，采集頻率為200 Hz[22]。運動學和動力學數據的采集由Motion Analysis系統同步觸發。

1.4 數據處理

使用Cortex2.6軟件收集處理原始數據。所有標志點的三維坐標采用Butterworth 低通濾波法進行平滑，截斷頻率為12 Hz[23]。根據標志點坐標建立大腿坐標系、小腿坐標系和足坐標系，大腿坐標系由股骨內外側髁點及髖關節中心點確定，髖關節中心點根據Bell 等的研究數據[24]和左/右髂前上棘、髂后上棘中點的坐標確定，小腿坐標系由外踝點、內踝點及膝關節中心點確定，足坐標系由踝關節中心點、足跟點及足尖點確定。膝關節轉動中心為股骨內、外側髁中點，踝關節轉動中心為內、外踝中點。膝關節、踝關節角度定義為相鄰環節坐標系間的歐拉角。膝關節屈伸力矩通過逆動力學方法計算獲得。

髕股關節應力及相關指標參考文獻[14，22-26]中的髕股關節生物力學模型計算獲得，髕股關節壓力與股四頭肌肌力之間的系數、髕股關節接觸面積依據Van等、Powers 等使用的模擬回歸方程得到[13，14]。該模型已經被用于探究性別、老齡化、赤足跑、穿著極簡鞋和穿戴護具等對髕股關節負荷的影響[10，15，21，25-28]；Nunes 等系統回顧了髕股關節應力的常用計算方法后，也推薦了該方法[29]，具體如下：

1）股四頭肌肌力的計算：

式中，Fp為髕股關節壓力（N），K為髕股關節壓力與股四頭肌肌力之間的系數，表示為矢狀面膝關節角度θ的函數[14]。

3）髕股關節應力及應力沖量的計算：

式中，IP為髕股關節應力沖量（MPa·s），dt為支撐期時間，Sp為髕股關節應力（MPa），CA為髕骨與股骨的接觸面積（mm2），表示為矢狀面膝關節角度θ的函數，根據前人文獻中膝關節屈曲角度（0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°）對應的接觸面積（83、140、227、236、325、211、199 mm2，7組）進行4階多項式擬合得到[13]。

本研究中足地角指的是著地瞬間足尖點、足跟點連線與地面的夾角，并根據足地角確定著地方式，其中足地角＞8°為后足著地，－1.6°＜足地角＜8°為中足著地，足地角＜－1.6°為前足著地[30]。關節力以人體質量進行標準化，膝關節屈曲角度、伸膝力矩、髕股關節壓力、應力按支撐相進行歸一化處理。

1.5 統計學分析

各樣本數據的正態分布和球形度假設用Shapiroe-Wilk 和Mauchly-Sphericity 進行檢驗。采用單因素重復測量方差分析對比跑鞋跟掌落差對著地瞬間各指標、髕股關節應力峰值時刻各指標的影響。P＜0.05 表示主效應有顯著性，P＜0.008 表示事后檢驗有顯著性，統計分析使用SPSS 20.0（IBM，Armonk，USA）完成。

2 結果

跑鞋跟掌落差對著地瞬間足地角有顯著影響（P=0.008，表1），對著地瞬間膝關節屈曲角度、踝關節跖屈角度的影響不顯著（P=0.607，P=0.382）。后繼檢驗結果表明，與D5、D10跑鞋相比，穿著D0跑鞋時足地角顯著減?。≒=0.004、P=0.001），但與D15 跑鞋相比差異不顯著（P=0.031）。觀察受試者數據發現，3 名受試者穿著D0 跑鞋時足地角＜8°。除D0 跑鞋外，穿著其他3 雙測試鞋時足地角沒有表現出顯著差異（P＞0.05）。

表1 著地瞬間各指標比較

跑鞋跟掌落差對垂直地面反作用力第1峰值和第2 峰值均無影響（P=0.933，P=0.506，表2），在整個支撐期，穿著不同跟掌落差跑鞋的地面反作用力動態曲線相似（圖2）。

表2 垂直地面反作用力峰值比較

跑鞋跟掌落差對髕股關節應力峰值有顯著影響（P＜0.001，表3）。后繼檢驗結果表明，與D10、D15跑鞋相比，穿著D0 跑鞋時髕股關節應力峰值顯著降低（P＜0.001、P=0.003），降幅超過13.3%，但與D5跑鞋相比差異不顯著（P=0.146）。除D0跑鞋外，穿著其他3雙測試鞋時髕股關節應力峰值沒有表現出顯著差異（P＞0.05）。整個支撐階段中后期，穿著D0跑鞋時髕股關節應力的動態曲線始終低于穿著跟掌落差較高的跑鞋（圖2）。

跑鞋跟掌落差對髕股關節應力沖量有顯著影響（P＜0.001，圖3）。后繼檢驗結果表明，與D5、D10、D15跑鞋相比，穿著D0跑鞋時髕股關節應力沖量顯著降低（P=0.003、P＜0.001、P=0.005），降幅超過18.3%。除D0跑鞋外，穿著其他3 雙測試鞋時髕股關節應力沖量沒有表現出顯著差異（P＞0.05）。

圖3 髕股關節應力沖量比較

跑鞋跟掌落差對髕股關節應力峰值時刻的膝關節屈曲角度有顯著影響（P=0.008，表3）。后繼檢驗結果表明，與D5、D10跑鞋相比，穿著D0鞋跑步時膝關節屈曲角度顯著降低（P=0.003、P=0.003），降幅超過5.0%，但與D15 跑鞋相比差異不顯著（P=0.082）。跑鞋跟掌落差對髕股關節應力峰值時刻的伸膝力矩有顯著影響（P=0.001）。后繼檢驗結果表明，與D10 跑鞋相比，穿著D0 鞋跑步時伸膝力矩降低13.0%（P=0.002），但與D5、D15 跑鞋相比差異不顯著（P=0.055，P=0.019）。跑鞋跟掌落差對髕股關節應力峰值時刻的股四頭肌肌力有顯著影響（P＜0.001）。后繼檢驗結果表明，與D10、D15 跑鞋相比，穿著D0 鞋跑步時股四頭肌肌力顯著降低（P＜0.001、P=0.004），降幅超過12.3%，但與D5 跑鞋相比差異不顯著（P=0.031）。跑鞋跟掌落差對髕股關節應力峰值時刻的髕股關節壓力有顯著影響（P＜0.001）。后繼檢驗結果表明，與D10、D15跑鞋相比，穿著D0 鞋跑步時髕股關節壓力顯著降低（P＜0.001、P=0.003），降幅超過13.9%，但與D5跑鞋相比差異不顯著（P=0.021）。除D0跑鞋外，穿著其他3雙測試鞋時膝關節屈曲角度、伸膝力矩、股四頭肌肌力、髕股關節壓力沒有表現出顯著差異（P＞0.05）。上述各參數在支撐期的動態曲線與髕股關節應力曲線相似（圖2）。

圖2 垂直地面反作用力、膝關節屈曲角度、伸膝力矩、髕股關節壓力和應力動態曲線

表3 髕股關節應力峰值時刻各指標的比較

3 討論

本研究結果支持穿著零落差跑鞋時足地角降低的研究假設。結果表明，與跟掌落差較高的跑鞋相比，穿著零落差跑鞋著地瞬間的足地角降低5.7°，其中3名受試者轉變為中足著地策略。Besson 等[9]對跑鞋跟掌落差的生物力學研究得出了相同的結果，即穿著零落差或低落差的跑鞋使得著地位置向前足移動，但跑步者的著地方式不會轉變為前足著地，更多的是過渡為中足著地或仍然維持后足著地方式[9，28，31]。長期穿著零落差或低落差的極簡鞋后，著地方式向中足和前足著地方式過渡，尤其是結合跑姿訓練后，著地方式向前足著地轉變更加明顯[31-33]。哈佛大學Liberman 教授[34]也認為現代跑鞋的鞋跟較高是跑步者普遍采用后足著地策略的主要原因，而穿著零落差跑鞋時，沒有鞋跟減震材料的緩沖，跑步者傾向于采用中足著地的軟著陸（soft landing）策略。大多數學者也推薦中足著地的跑步技術，因為足地角降低使得伸膝力矩和髕股關節壓力降低，進而可能降低諸如髕股關節痛、膝骨性關節炎等跑步相關損傷的發生率[35-37]。一項前瞻性研究表明，習慣后足著地的跑步者發生應力損傷的風險比習慣中足著地的跑步者高出近1 倍[36]。本研究中受試者穿15 mm 落差跑鞋時足地角平均值與穿5 mm 落差跑鞋時很接近，但與穿零落差跑鞋時的足地角無顯著差異。觀察受試者數據可以發現，15 mm 落差跑鞋對著地瞬間足地角影響的趨勢不一致。受試者對每雙鞋的適應時間有限，而穿15 mm 落差跑鞋可能需要更長時間適應以產生更自然的著地方式。本研究中除零落差跑鞋外，穿著其他3 雙測試鞋時足地角沒有表現出顯著差異，提示小幅度降低跟掌落差對著地方式的影響有限。

本研究結果不支持穿著零落差跑鞋時垂直地面反作用力降低的研究假設。結果表明，穿著不同跟掌落差的跑鞋時垂直地面反作用力第1 峰值和第2 峰值均未表現出顯著差異。傳統觀點認為，跑鞋后跟的緩沖材料能夠降低跑步時的地面反作用力，對下肢起到緩沖和保護作用，因而穿著跟掌落差較高的跑鞋對降低下肢負荷是有利的。但是穿著跟掌落差較高的跑鞋著地瞬間具有較大的足地角，足地角增加時地面反作用力也相應增加[38]。跑鞋緩沖結構和足地角增加這兩個因素對地面反作用力的影響可能互相抵消，使得地面反作用力沒有表現出顯著差異。

本研究結果支持穿著零落差跑鞋時髕股關節應力和應力沖量降低的研究假設。結果表明，與跟掌落差較高的跑鞋相比，穿著零落差跑鞋時髕股關節應力峰值降幅超過13.3%，應力沖量降幅超過18.3%。以往類似研究更多地測試極簡鞋和傳統跑鞋，來探討跟掌落差對下肢生物力學特征的影響[21]。Sinclair[21]的研究表明，與傳統跑鞋相比，赤足跑和穿著極簡鞋跑步時髕股關節應力峰值分別降低10.1%和9.0%，但也有研究發現穿著極簡鞋并未引起膝關節負荷降低[39]。極簡鞋不僅具有較小的跟掌落差，還具有輕量化、高彎折等特點，同時缺乏緩沖減震材料以及對足部的保護作用[10]。在研究中改變跟掌落差的同時保證跑鞋其他結構完全一致，才能明確跑鞋跟掌落差對髕股關節應力負荷的影響特征，進而為跑鞋設計提供準確依據。本研究嚴格控制了除跟掌落差以外跑鞋的其他結構，發現髕股關節應力負荷的改變與跟掌落差改變有關。因此，跑鞋跟掌落差是影響髕股關節應力負荷的關鍵因素之一。本研究中除零落差跑鞋外，穿著其他3 雙測試鞋時髕股關節應力峰值沒有表現出顯著差異，提示小幅度降低跟掌落差對髕股關節應力負荷的影響有限。

本研究結果支持穿著零落差跑鞋時髕股關節應力峰值時刻的相關指標降低的研究假設。結果表明，在髕股關節應力峰值時刻，穿著零落差跑鞋時膝關節屈曲角度、伸膝力矩、股四頭肌肌力和髕股關節壓力均顯著降低。髕股關節應力是單位接觸面積的壓力，主要受到髕股關節壓力和髕股關節接觸面積的影響。穿著零落差跑鞋時髕股關節接觸面積變化幅度較小，但髕股關節壓力降低13.9%，提示跑步時髕股關節壓力降低是應力降低的主要原因，而髕股關節接觸面積對應力的影響較小。Bonacci 等[26，39]也發現，與穿著傳統跑鞋相比，赤足跑時髕股關節接觸面積無明顯變化，但髕股關節壓力降低，髕股關節應力也隨之降低。作為股四頭肌和髕腱共同作用于髕骨的反作用力，髕股關節壓力的降低主要由足地角減小和伸膝力矩降低引起。一方面，穿著零落差跑鞋時傾向于中足著地，跑步者采用軟著陸（soft landing）的策略緩沖部分沖擊力，支撐腿的位置距離重心的垂直投影點更近，進而減小股四頭肌力臂，降低伸膝力矩和髕股關節壓力。對跑步時不同著地方式的生物力學研究也表明，中足著地或前足著地伴隨著髕股關節壓力、應力降低[38]。另一方面，與跟掌落差較高的跑鞋相比，穿著零落差跑鞋時伸膝力矩顯著降低，必然會減弱股四頭肌活動，降低髕股關節壓力[9，40]。Sinclair 等[21]研究也表明，相對于傳統跑鞋，由于跟掌落差減小等原因，赤足跑和穿著極簡鞋跑步時髕股關節壓力分別降低22.4%和16.6%?？傊?，穿著零落差跑鞋在一定程度上使跑步者著地方式由后足著地向中足著地過渡，同時支撐期膝關節角度減小，進而降低了伸膝力矩、髕股關節壓力和應力。

本研究結果對髕股關節痛的預防和康復治療有重要意義。跑步損傷的流行病學研究表明，髕骨軟骨承受過大的應力負荷是導致髕股關節痛的潛在機制[1]，髕股關節痛患者比普通人承受更大的髕股關節應力[41]，女性跑者承受更大的髕股關節應力負荷，導致患髕股關節痛的風險大于男性跑者[25]，因此降低髕股關節應力及相關指標被認為是預防和緩解髕股關節痛的有效手段。有學者認為，關節負荷降低10%才有臨床意義，能減輕下肢損傷關節的疼痛感，髕股關節應力每降低1 MPa，髕股關節痛就會隨之減少56%[15，42]。本研究結果表明，與10 mm落差跑鞋相比，穿著零落差跑鞋時髕股關節應力峰值和應力沖量分別降低3.09 MPa（16.2%）和0.39 MPa·s（25.2%），即髕股關節受到的瞬時沖擊和累計效應均降低，進而可能降低損傷風險。Malisoux等[17]進行為期6個月的前瞻性研究，結果表明，穿著零落差跑鞋時膝關節損傷占跑步相關損傷的比例（15.2%）顯著低于穿著10 mm落差跑鞋（28.8%），與本研究結果吻合。因此建議有髕股關節傷病經歷的跑步者穿著零落差跑鞋運動，髕股關節痛患者適宜穿著零落差鞋進行康復訓練。

本研究存在一定的局限性。首先，基于前人的生物力學模型方法計算髕股關節負荷，這些計算結果未考慮受試者個性化的問題，但本研究采用重復測量的組內實驗設計，因此不影響研究結論[26]，今后可采用平面正交熒光成像技術測量每名受試者的髕股關節接觸面積，以提高應力計算的精度。其次，除跟掌落差外，鞋底厚度、硬度等其他結構改變也會影響跑步時下肢生物力學特征[43，44]，進而影響髕股關節應力負荷，今后應進一步研究鞋底其他結構改變對跑步時下肢負荷的影響，以及鞋底各結構改變對下肢負荷影響的交互效應。最后，受試者為健康男性跑者，而髕股關節應力負荷存在性別差異[25，45]，今后應進一步將研究對象擴大至女性跑者和髕股關節痛患者。

4 結論與建議

與跟掌落差較高的跑鞋相比，穿著零落差跑鞋會降低著地瞬間足地角，降低支撐期髕股關節應力峰值和應力沖量，進而有效改善髕股關節負荷，為降低髕股關節損傷風險提供可能。從預防膝關節損傷和髕股關節痛的角度出發，不建議長時間穿著跟掌落差較高的跑鞋跑步。