跑步不同落地模式的运动生物学分析

　　摘    要：　跑步落地模式作为影响跑步下肢运动生物力学和运动损伤的重要因素之一, 近年引起研究者的关注。本文总结了不同跑步落地模式对人体下肢的运动学、动力学、肌肉激活以及运动损伤的影响。目前研究发现不同的跑步落地模式在下肢运动学、动力学和肌肉激活上存在差异, 但多为矢状面上的二维研究, 对于合并冠状面、水平面的三维运动学、动力学的研究较少。而且, 目前针对跑步不同落地模式肌肉激活的研究相对有限, 对于转变落地模式的生物力学机制还不够清楚, 需要更进一步研究。

　　关键词：　跑步落地模式; 下肢运动生物力学; 运动损伤;
 

　　跑步是一种涉及人体不同关节和不同身体部分的整合运动[1]。在跑步过程中, 跑步者需要通过神经肌肉来控制有关关节的运动以及协调这些关节运动之间的关系, 获得最大的跑步效率。

　　足是跑步者在跑步过程中唯一与地面接触, 进行初步缓冲, 并直接提供动力的身体部分, 所以足在跑步技术中起着特殊作用, 特别是在接触地面的过程中[2]。在中长跑运动中, 人体要承受大约相当于两到三倍人体体重的地面反作用力 (ground reaction force, GRF) , 跑步者将反复承受这种力量的冲击[3]。

　　根据足的落地模式 (foot strike pattern) , 跑步者的跑步模式主要可分为3种:后足落地模式 (rearfoot strike, RFS) 、中足落地模 (mid foot strike, MFS) 式和前足落地模式 (forefoot strike, FFS) 。后足落地模式是足跟初始接触地面, 超过85%的跑步者使用后足落地模式[2,4]。其余的跑步者使用的是中足落地模式和前足落地模式。中足落地模式是足跟和跖骨几乎同时初始接触地面, 前足落地模式是跖骨初始接触地面[2,3,5]。由于采用中足落地和前足落地模式的跑步者较少, 所以在研究时, 一般将两者都作为前足落地模式来进行研究, 这时所谓的前足落地指的是足接触地面位置在踝关节的前方[2,3,4]。

　　众多的因素可以影响到落地模式, 包括跑鞋类型、跑步速度、跑步路面等。比如, 上坡跑时, 跑步者趋向于前足落地模式, 而在下坡路面跑步时, 趋向于后足落地模式[6,7]。已有研究表明, 跑步者落地模式的区别可能会影响跑步中冲击力的传导和引起下肢运动生物力学的改变, 进而可能会造成跑步运动损伤发生的部位和发生率不同[8]。

　　1、 不同落地模式的运动学

　　根据足与地面接触的情况, 跑步的步态周期可以被划分为支撑期、摆动期和腾空期。与步行相比, 跑步的特点在于有更快的速度和腾空期。在跑步的步态周期里, 存在两个腾空期, 即双足同时不接触地面的时期。跑步支撑期的前半段与力量的吸收 (旋前) 有关, 而支撑期的后半段负责推进 (旋后) 。支撑期又可以分为初始接触到支撑中期到脚趾离地。跑步的摆动期可以分为摆动初期和摆动末期[9]。

　　一些研究对前足落地模式和后足落地模式的时空参数的区别进行了调查。跑步速度相同时, 前足落地的跑步者有更短的步长、更高的步频和更短的接触地面时间[10,11,12]。此时采用前足落地模式的跑步者膝关节屈曲较大, 缩短跑步者的步长[3,11,13]。对于采用前足落地模式的跑步者, 更短的步长可以减少初始接触地面时的冲击负荷, 跑步者在接触地面时踝关节有更大的跖屈[14], 对应着增加了步频[15]。增加的步频使每一步支撑期变短[10,13,14,16,17,18]。

　　在足初始接触地面时, 采用前足落地模式的跑步者的踝关节轻微跖屈, 采用后足落地模式的跑步者的踝关节轻微背屈[10,13,14,16,17,18,19]。在初始接触地面后, 采用后足落地模式的跑步者的踝关节有一个快速的跖屈[15,20,21,22,23,24,25]。相比之下, 采用前足落地模式的跑步者, 在初始接触地面后踝关节出现背屈[3,14,26,27,28,29]。

　　踝关节在不同落地模式中的运动学变化是导致膝关节和髋关节运动学变化的重要原因之一[11]。当跑步者采用前足落地模式时, 踝关节接触地面时跖屈, 落地时踝关节更直接地落在身体重心的下方[3,11,30]。

　　与采用前足落地模式的跑步者相比, 采用后足落地模式的跑步者在矢状面上有较小的踝关节背屈活动度, 较大的膝关节活动度和较大的髋关节活动度[31]。在前足落地模式中更大的踝关节背屈活动度被认为与前交叉韧带负荷的降低有关, 前足落地模式跑步者的前交叉韧带损伤风险可能因此会降低[32]。但也有研究显示, 在控制步频时, 前足落地模式和后足落地模式在膝关节活动度上无显着差异[33]。

　　在后足落地模式中膝关节有较大的活动度, 有可能是在采用后足落地模式时, 步长较长导致踝关节活动度降低和继而膝关节活动度增加的结果[34]。与此相反, 采用前足落地模式的跑步者展现出更短的步长, 可能导致更大的踝关节活动度以及膝关节活动度的降低[35]。

　　另外有研究发现, 在相同距离的条件下, 与采用前足落地模式的跑步者相比, 采用后足落地模式的跑步者存在更大的腰椎活动范围[36]。在完成相同距离跑步时, 采用后足落地模式的跑步者平均速度较慢[37]。

　　2、 不同落地模式的动力学

　　一些研究调查了前足落地模式和后足落地模式的动力学特征。与前足落地模式相比, 后足落地模式会产生更高的减震[36]和更高的冲击瞬态 (impact transient) [36]。后足落地模式存在的一个冲击瞬态, 被定义为在支撑期初始的50 ms, 垂直方向地面反作用力出现的一个尖峰[3]。在后足落地模式中出现的冲击瞬态被认为有重要的临床意义[3]。

　　前足落地模式有更高的最大峰值力, 后足落地模式有更高的负荷比率[38]。后足落地模式有更高的垂直方向的负荷比率可能是由于后足落地在初始接触地面时出现的冲击瞬态[3,38,39]。前足落地模式有更高的垂直方向的最大峰值力, 可能是因为前足落地模式的接触地面时间短[38]。

　　一项关于前足落地模式和后足落地模式的三维生物力学分析显示, 无论是前足落地模式还是后足落地模式, 垂直方向上的最大峰值力 (maximun peak force) 和负荷比率显着高于前后方向或者内外方向[40]。在垂直方向上, 相较后足落地模式, 前足落地模式存在更大的髋关节、膝关节和踝关节的最大峰值力, 更小的髋关节、膝关节和踝关节的负荷比率。对于前足落地模式, 前后方向上的最大峰值力和负荷比率在膝关节较低, 但在髋关节和踝关节较高[40]。这可能是由于前足落地模式使踝关节有较高的关节压力造成的[18,41]。

　　前足落地模式的跑步者有更高的踝关节背屈力矩[27,41,42]。由于前足落地模式的落地会导致更短的步长[43,44], 因此足的落地会更接近身体的重心位置, 这有效减少了地面反作用力到髋关节、膝关节和踝关节的力臂, 从而减小了关节力矩[34]。研究也支持这一证据, 前足落地模式跑步者, 前后方向和内外方向上的最大峰值接触力在膝关节较低, 这也决定了与后足落地模式相比, 前足落地模式的髌股关节的接触力更小[45,46]。

　　更详细的有关跑步模式对下肢关节力矩影响的研究发现, 后足落地模式存在支撑期早期外部峰值踝关节力矩 (external ankle moments) 和膝关节屈曲力矩增加, 支撑期中后期外部峰值踝关节力矩降低。而前足落地模式会导致在支撑期中后期的外部峰值踝关节背屈力矩增加[31,41,46]。外部踝关节力矩增加与支撑期吸收阶段踝关节能量吸收有关[3]。这些力矩值的变化与踝关节肌肉激活的变化有关。对于采用前足落地模式的跑步者, 腓肠肌和比目鱼肌产生一个内部踝关节跖屈力矩 (internal plantarflexion moment) 来对抗外部踝关节背屈力矩的增加[46]。同样, 对于采用后足落地模式的跑步者, 外部踝关节跖屈力矩的增加需要跑步者的胫骨前肌产生一个内部踝关节背屈力矩[46]。

　　3、 不同落地模式的肌肉激活

　　一项研究表明, 在初始接触地面前激活踝关节跖屈肌肉 (腓肠肌) 的时间上, 采用前足落地模式的跑步者比采用后足落地模式的跑步者早11%激活, 并且在支撑期的激活时间上, 比采用后足落地模式的跑步者长10%[19]。踝关节跖屈肌肉在接触地面前的预激活, 可以增加跟腱的张力, 进而吸收接触地面时的冲击[13,15,47]。踝关节跖屈肌肉更早地被激活不仅可以跖屈踝关节为接触地面做准备, 还可以增加支撑期开始阶段踝关节周围结构储存弹性能量的能力[3,12,26,48]。在足初始接触地面之前, 腓肠肌被激活, 产生肌肉收缩。对于采用前足落地模式的跑步者, 落地时受到的力会立刻受到更早、更长时间激活的腓肠肌的对抗, 这会帮助稳定踝关节, 并且使跟腱负荷率平稳[49]。

　　前足落地模式和后足落地模式在跑步支撑期的能量吸收机制有所不同[18,50]。对于后足落地模式, 通过足底筋膜的松弛和足踝周围的结构一起实现对能量的吸收, 并将力传递到近端骨骼, 这个过程由胫骨前肌的离心收缩控制足底筋膜协助[3,18,51]。接下来胫骨外旋, 腓肠肌内侧头激活联合跖趾关节伸展, 启动绞盘机制 (windlass mechanism) , 拉紧足底筋膜和足踝使足蹬地推进[3,27,52,53,54]。前足落地模式则是通过足底筋膜和下肢关节伸肌的离心收缩来实现能量吸收[18,50]。前足落地模式需要一个更硬的足踝[3,18], 因此它需要足的纵弓和足底筋膜具有一定张力。另外, 吸收的能量会在接下来推进的阶段使用, 通过拉长收缩机制, 增加在跑步中肌肉肌腱单元的机械效率。

　　一项对比了前足落地模式和后足落地模式肌肉活动的研究显示, 与后足落地模式相比, 前足落地模式的胫骨前肌的肌肉活动更低, 而腓肠肌内侧头的肌肉活动更高[55]。另外, 最近一项研究显示, 对于后足落地模式, 胫骨前肌存在更多的肌肉活动, 而对于前足落地模式, 腓肠肌和比目鱼肌存在更多的肌肉活动[56]。

　　4、 不同落地模式和运动损伤

　　有研究显示, 每年跑步者跑步损伤的发生率在30%到75%之间[57,58]。有一半的跑步者在发生骨骼肌肉损伤后, 有50%再次受伤的几率[59]。

　　引起跑步损伤的因素是多方面的, 包括内在因素和外在因素。内在因素包括人体生物力学的异常, 之前的损伤病史、性别、身体质量指数 (BMI) ;外在因素包括跑鞋的类型、灵活性、核心力量或者训练强度[57,58,60,61,62,63,64,65]。由于足是跑步者在跑步过程中唯一与地面接触, 并直接提供动力的身体部分, 所以跑步过程中足的落地模式至关重要。如上所述, 跑步落地模式会影响跑步中冲击力的传导和下肢生物力学的改变, 进而造成运动损伤发生部位和发生率的不同[8]。

　　一项在2012年完成的研究发现, 习惯后足落地模式跑步者的反复压力损伤发生率比习惯中足落地模式和前足落地模式的跑步者高2.5倍[8]。即使身体可以适应这种压力, 但是超过组织极限的重复性压力也会使运动员处于一种过度损伤的风险中[66]。但是也有研究认为在前足落地模式上, 垂直方向的地面反作用力增加, 可能使跑步者处于更高的过度使用损伤的风险中[66]。这一研究结果是基于另一种研究假设, 即更高的垂直方向的地面反作用力与更高的过度使用损伤风险密切相关[3]。一项回顾性研究表明, 对于越野跑跑步者, 前足落地模式比后足落地模式的损伤率低[8]。

　　一项关于前足落地模式和后足落地模式的3D生物力学分析表明, 前足落地模式更适合于膝关节在前后轴上不稳定的跑步者, 后足落地模式更适合于踝关节不稳定的跑步者。由于前足落地模式在膝关节有更低的髌股关节接触力, 所以它被更多地推荐给有不稳定前交叉韧带、膝关节前侧疼痛和膝关节软骨退化的跑步者[40]。

　　5、 转变落地模式对下肢生物力学以及运动损伤的影响

　　尽管75%到99%的跑步者使用后足落地模式[2,67,68], 但很多研究者依旧提倡跑步者使用更向前的落地模式。

　　中足落地模式和前足落地模式的跑步者, 支撑期没有后足落地模式支撑期出现的峰值冲击, 所以, 当跑步者从后足落地模式转为前足落地模式时, 可以减轻跑步者髌骨和股骨的压力, 缓解胫前应力综合征[69]。

　　与前足落地模式相比, 后足落地模式的跑步者由于吸收力的区域不同, 有更高的损伤率。一项调查显示, 使用前足落地模式的跑步者踝关节吸收更多的力, 膝关节吸收更少的力[70]。使用后足落地模式的跑步者相反, 其膝关节吸收更多的力, 而踝关节吸收更少的力。因此, 推荐有膝关节疼痛的跑步者采用前足落地模式[40]。

　　很多研究已经证实, 选择后足落地模式或者中足落地模式并不能改变接触过程中的总力, 它只是将力传递到不同的关节和肌肉:中足落地模式和前足落地模式在足弓和小腿吸收力量, 而后足落地模式则在膝关节和膝关节周围的肌肉吸收更多的力量。所以, 选择一项落地模式, 并不会改变接触地面产生的总力, 它只是改变了身体吸收力量的位置。转变落地模式时需要考虑构建合适的肌肉激活模式来使运动损伤风险最小化[19]。

　　受到前足落地模式在职业跑步者中十分流行的影响, 大部分业余跑步者将习惯的后足落地模式转为前足落地模式[2,67,68]。当习惯后足落地模式的跑步者, 被训练转为前足落地模式时, 可以观察到, 这些跑步者有能力复制出前足落地模式在矢状面上应有的力学机制。当他们转为前足落地模式时, 总的正平均功率和负平均功率分别增长了17%和9%。这种增长可能与肌肉增加做功有关, 这可能会降低跑步成绩[41]。

　　当习惯后足落地模式的跑步者转为前足落地模式时, 腓肠肌和比目鱼肌肌肉力量的薄弱会增加跑步者的损伤风险。当习惯前足落地模式的跑步者转为后足落地模式时, 胫骨前肌肌肉力量的薄弱会增加跑步者的损伤风险[31]。研究表明, 采用后足落地模式跑步者的小腿肌肉会限制他们适应前足落地模式[27]。在适应前足落地模式的过程中, 跑步者要经历明显的小腿肌肉疲劳和延迟性肌肉酸痛[41]。因此是否转变落地模式, 取决于哪个关节正在承担着过度的负荷。

　　研究表明, 采用前足落地模式的跑步者会对踝关节额外增加约1.3倍体重的负荷[42], 这意味着从后足落地模式转变为前足落地模式的跑步者, 必须考虑踝关节的一些损伤因素。比如跑步者必须提前增加踝关节的灵活度来适应前足落地模式所必要的活动度。如果跑步者不具备足够的踝关节活动度, 那么重复的应力可能会导致损伤[66]和前交叉韧带的问题[32]。而后足落地模式更高的瞬时和平均负荷比率可能导致胫骨应力性骨折[71]。

　　6、 小结

　　以往研究表明前足落地模式和后足落地模式在下肢运动学、动力学和肌肉激活上存在差异, 不同的跑步落地模式会影响运动损伤的发生率及损伤发生部位。然而, 对于不同跑步落地模式的下肢运动学、动力学的研究多为矢状面上的二维研究, 对于合并冠状面、水平面的三维运动学、动力学的研究较少。有研究发现, 在跑步过程中, 尤其是采用前足落地模式时, 会产生相当大的横向剪切应力, 可能进一步增加跑步损伤风险[39]。因此, 在矢状面研究得到的结论需要更多的三维平面的研究支持。

　　而且, 目前针对跑步不同落地模式肌肉活动的研究相对有限, 对于转变落地模式的生物力学机制还不够清楚, 需要更进一步的研究。

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