裸足與著鞋下跑步生物力學(xué)及損傷特征的研究現(xiàn)狀

郝 琦，李建設(shè)，2，顧耀東

裸足與著鞋下跑步生物力學(xué)及損傷特征的研究現(xiàn)狀

郝 琦1，李建設(shè)1，2，顧耀東1

研究已證實(shí)跑步有很多益處，包括增強(qiáng)心血管機(jī)能，促進(jìn)身體和心理健康。但是，有太多的損傷與跑步相關(guān)，在當(dāng)今裸足跑或者是穿“裸足”鞋跑步的流行趨勢(shì)下，總結(jié)了大量高水平研究論文，其目的是通過運(yùn)動(dòng)學(xué)測量，能量消耗和生物力學(xué)來比較穿鞋和裸足跑步者的相似處和差異性，深入探究跑步步態(tài)學(xué)，并為因跑步導(dǎo)致肌肉骨骼損傷的病人了解跑步生物力學(xué)原理并制定合理訓(xùn)練計(jì)劃。

跑；裸足；生物力學(xué)；沖擊力；運(yùn)動(dòng)損傷

1 前言

由跑步帶來的益處包括增強(qiáng)心血管機(jī)能、緩解心理壓力、促進(jìn)身心健康，并有一定娛樂性［15，30］。然而，同時(shí)也有大量與跑步相關(guān)的危險(xiǎn)存在，經(jīng)常是由不恰當(dāng)?shù)男舆x擇和穿著、錯(cuò)誤訓(xùn)練或者是因較大下肢沖擊力引起的肌肉骨骼損傷造成［5］。最初，人們一直都是裸足或者穿著支撐度低的鞋具（如皮鞋或涼鞋）跑步［8］，直到1970年現(xiàn)代跑鞋的發(fā)明。從那以后，運(yùn)動(dòng)鞋一直經(jīng)歷著變革。然而，當(dāng)前的趨勢(shì)是又回歸為運(yùn)動(dòng)員穿著最小支撐度跑鞋（或“裸足式”跑鞋）進(jìn)行前足式落地跑步（如Vibram Fivefingers，New Balance Minimus，Nike Free等）。現(xiàn)在或許還過早去準(zhǔn)確預(yù)測這種跑步趨勢(shì)會(huì)對(duì)與肌肉骨骼等相關(guān)的損傷帶來什么樣的影響；但對(duì)于我們的身體來說，裸足狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)是正常的。

本研究目的是總結(jié)穿鞋和不穿鞋（裸足和最低程度支撐鞋具）跑步者之間生物力學(xué)變化及與跑步相關(guān)的肌肉骨骼損傷特征，幫助、指導(dǎo)體育科研人員更好地處理數(shù)據(jù)并將跑步建議傳授給那些希望避免肌肉骨骼損傷的跑步者們。

2 穿鞋和裸足跑生物力學(xué)特征

目前，雖然跑鞋技術(shù)日趨先進(jìn)，但每年平均10個(gè)跑步者中有6個(gè)會(huì)被測出損傷。Lieberman等人指出，當(dāng)代跑鞋由于其較大、呈喇叭形，高跟、僵硬的鞋底和堅(jiān)硬的足弓支撐部位促使形成后跟—前掌的跑步類型，這些有一定高度的緩沖性能跑鞋也限制了本體感覺［3，36］。兩項(xiàng)研究表明，跑鞋會(huì)增加跑步過程中腳踝扭傷的風(fēng)險(xiǎn)性，本體感覺或者是軀體感覺的變?nèi)酰?2］，或者高跟引起杠桿臂增加（距下關(guān)節(jié)力矩的作用結(jié)果）［46］?，F(xiàn)在沒有證據(jù)支持當(dāng)前這種鞋子設(shè)計(jì)的做法，即提高帶有緩沖鞋跟和針對(duì)旋前肌的旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的跑鞋功能來防止運(yùn)動(dòng)損傷［43］；然而，一雙不適當(dāng)跑鞋是具有潛在損傷性的，尤其對(duì)于老年跑步者［37］。

患有慢性足底筋膜炎（≥6個(gè)月）的21個(gè)受試者實(shí)施了一項(xiàng)長達(dá)12周的多元運(yùn)動(dòng)處方，穿著鞋子類型有彈性中底“裸足”跑鞋（Nike Free 5.0圖1）和傳統(tǒng)跑鞋［44］。Nike Free系列為通過增加分割式塊狀設(shè)計(jì)以增大鞋底自由度的功能性“裸足”跑鞋代表之一。跟蹤6個(gè)月后，兩組受試者的疼痛減輕結(jié)果是相似的，但是，通過研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)跑鞋組相比，“裸足”跑鞋組整體疼痛水平降低。與傳統(tǒng)跑鞋相比，“裸足”跑鞋在實(shí)施這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)處方后可能更早地減輕了足底疼痛，這可能是由于很多的現(xiàn)代跑鞋有堅(jiān)硬的鞋底和足弓支撐部位，這會(huì)潛在地促使足內(nèi)肌功能減弱和足弓力量的減?。?6］。已有研究稱，這些因素導(dǎo)致了對(duì)于足底筋膜的過度需求和促使足旋轉(zhuǎn)過大，這會(huì)導(dǎo)致或拖延足底筋膜炎的康復(fù)。此時(shí)需要重點(diǎn)注意，盡管有越來越多的研究支持著這些與傳統(tǒng)跑鞋相關(guān)的消極暗示，要被跑步者、研究者們完全接受還是需要較長一段時(shí)間。

圖1 Nike free 5.0跑鞋結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1. Nike Free 5.0Running Shoes Structure

到目前為止，也沒有研究直接去評(píng)價(jià)與后跟著地相比，前足或中足著地類型對(duì)于防止跑步損傷的有效性。也缺少在裸足、“裸足”跑鞋和穿普通鞋跑步者之間其損傷率的評(píng)價(jià)比較。盡管有對(duì)比性損傷數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)，大量的文章還是表明，穿傳統(tǒng)跑鞋可能優(yōu)勢(shì)不大，甚至可能有不利的影響［9，47］；然而，裸足跑或者穿“裸足”跑鞋也并不是無損傷風(fēng)險(xiǎn)性的，如“裸足”跑鞋或者裸足跑可能會(huì)加快某些骨骼（籽骨、跖骨）應(yīng)力性骨折、跖骨痛和脂肪墊綜合征的損傷［48］。隨著“裸足”跑鞋的使用繼續(xù)變得更為普遍，將可能開始涉及到跑步損傷的某些前足觸地（前觸）跑和中足觸地（中觸）跑的研究興起。另外，跑步的地面上有石頭、玻璃碎片、鐵釘和公路碎片或者是未整修過的跑道都不適合裸足跑［47］，并且，在未整修或者是不規(guī)則表面上跑步也可能需要更大的運(yùn)動(dòng)范圍，尤其是腳和踝關(guān)節(jié)。

盡管裸足跑或前足跑可能會(huì)減少重復(fù)性壓力損傷的風(fēng)險(xiǎn)性，如脛骨內(nèi)側(cè)壓力癥候群或脛骨疼痛；但理論上，它會(huì)增加相關(guān)跟腱損傷的風(fēng)險(xiǎn)性［1］。裸足跑和穿“裸足”跑鞋，同時(shí)還有前足和中足著地跑類型都不是可以解決所有跑步損傷的萬靈藥。征求關(guān)于跑步類型轉(zhuǎn)換意見的當(dāng)事人群，即從后跟觸地（后觸）到前足或者“中觸”轉(zhuǎn)換，需注意要慢慢地進(jìn)展從而避免下肢酸痛或損傷。要考慮到所有跑步者的個(gè)體差異性；如一個(gè)研究報(bào)告的案例：一個(gè)“前觸”跑步者患有脛骨疼痛，在物理治療師改善了其觸地類型即“后觸”后就改善了很多［12］。

Squadrone和Gallozzi對(duì)比了有經(jīng)驗(yàn)的裸足跑步者在裸足、穿Vibram五趾（VF，圖2）鞋和傳統(tǒng)跑鞋時(shí)的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的參數(shù)變化［47］。VF為模擬足部解剖外形的“裸足”跑鞋代表之一。VF跑與裸足跑相比，會(huì)引起步幅增加，跖骨頭下方的壓力增大，峰值推動(dòng)力升高和步頻減小。為了減少足跟下方的局部壓力［47，16］，裸足跑步者在腳著地時(shí)傾向于積極的采用一種平坦的腳放置方式。關(guān)于動(dòng)力學(xué)參數(shù)，與傳統(tǒng)跑鞋相比，在裸足跑和VF跑時(shí)后跟、中足和大拇趾下方的局部峰值壓力是明顯較低的。較特殊的是，與裸足跑相比，VF跑在腳趾下方的峰值壓力是明顯較高的。跑步時(shí)穿VF模仿了裸足跑并且改變了跑步類型，VF極其像裸足跑；然而，VF的時(shí)空參數(shù)與裸足跑相比，更加符合常規(guī)跑鞋［47］，不過，其動(dòng)力學(xué)參數(shù)存在差異，在重力承接期，垂直方向的地面作用力（GRF）在VF跑時(shí)與常規(guī)跑鞋相比是明顯較低的，分別是1.59體重倍數(shù)（BW）和1.72B W。這更加貼近于裸足跑，其垂直方向GRF是1.62BW。

圖2 Vibram五趾鞋構(gòu)造示意圖Figure 2. Vibram Five Fingers Shoes Structure

與常規(guī)跑鞋相比，最大耗氧量在VF跑時(shí)是明顯降低的。盡管跑步經(jīng)濟(jì)性在穿鞋和裸足之間的差異并不具有顯著性差異［47］；裸足跑還是稍微的更加具有能源效率的［47，17］。關(guān)于運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，運(yùn)動(dòng)的總計(jì)范圍是具有顯著性差異的，與常規(guī)跑鞋相比，VF跑在踝關(guān)節(jié)處出現(xiàn)更大的關(guān)節(jié)偏移，但是，在膝關(guān)節(jié)處沒有顯著性差異。與常規(guī)穿鞋跑步者相比，裸足跑步者的跖屈度增大，步頻顯著性增加并且步幅和接觸時(shí)間都顯著性減?。?6］。與VF和裸足跑相比，穿著常規(guī)跑鞋的受試者傾向于在落地時(shí)背屈更明顯。因此與裸足或VF跑相比，穿鞋跑步者的沖擊力是明顯更高的［47］。De Wit等人［16］研究報(bào)告指出，受訓(xùn)練的受試者分別在7.8、10.0和12.3mile／h的裸足跑時(shí)，其內(nèi)側(cè)面觸地時(shí)具有更大的膝關(guān)節(jié)彎曲角度。當(dāng)腳接觸地面時(shí)，踝、膝和臀部的角度（腿部幾何）影響了腿部剛度，由于相對(duì)于關(guān)節(jié)的地面作用力向量的對(duì)齊發(fā)生了改變，在抵消地面反作用力時(shí)，這也影響了肌肉—肌腱長度和所需要的肌肉活動(dòng)水平［6，21］。Hennig等人的研究報(bào)告指出，當(dāng)跑步者在穿著較硬鞋底的鞋跑步時(shí)，會(huì)試圖改變他們的著地方式來減輕下肢沖擊力［31］。一項(xiàng)研究表明，與穿鞋跑步者相比，裸足跑步者在通過跑步支撐期時(shí)表現(xiàn)出更大的腿部僵硬度［17］。

穿鞋跑步者通常跑步時(shí)采用足跟到腳趾的步態(tài)方式，然而，裸足或者最小化支撐跑步者傾向于一種腳趾到足跟的步態(tài)跑步形式。裸足跑步者更傾向于在矢狀面進(jìn)行足底觸地，伴有更大程度的踝關(guān)節(jié)跖屈［36］和膝關(guān)節(jié)屈曲［16］。盡管有這些很大的差異，當(dāng)將裸足與穿鞋跑相比時(shí)，在冠狀面和水平面上的運(yùn)動(dòng)可能并不具有顯著性差異。一項(xiàng)研究表明，在穿鞋和不穿鞋跑步的受試者之間，其脛、跟骨的骨運(yùn)動(dòng)是不具有顯著性差異的，其平均結(jié)果是低于2°，然而，這在受試者之間的差異高達(dá)10°［49］。

3 沖擊力引起的損傷

跑步是最具有潛在損傷性的，這是由于當(dāng)腳接觸地面時(shí)足部最大的沖擊（合成地面作用力）都被傳至下肢動(dòng)力鏈上。在跑步過程中，有3種主要的足觸地形式：1）后跟著地－跟骨首先接觸地面；2）中足著地－足后部和前足同時(shí)接觸地面；3）前足著地－前足先落在地面上之后是后跟［36］。裸足跑步者通常用他們的前足著地，很少用他們的中足和足后跟；然而，有一些裸足或穿“裸足”鞋的跑步者們是用他們的足后跟落地的。相反的，穿鞋跑步者通常是足后跟落地，現(xiàn)代跑鞋的高減震性能也使得這種落地形式更容易［36］；然而，這種足初始觸地的變化形式是受包括跑速在內(nèi)的多種因素影響的［17］。

短跑運(yùn)動(dòng)員用前足落地，然而，穿鞋的長距離跑運(yùn)動(dòng)員（75%～90%）通常用足后跟落地［36，32］。后跟落地的跑步者必須連續(xù)吸收高達(dá)3倍BW沖擊力［35］。這些高沖擊力將會(huì)快速的傳至下肢動(dòng)力鏈，并且可能與跑步相關(guān)損傷的高發(fā)病率有關(guān)，如脛骨應(yīng)力性骨折（壓縮損傷）和足底筋膜炎（拉伸損傷）［40］。任何形式的跑步都比行走要產(chǎn)生更大的GRF或者沖擊力。垂直方向的GRF在跑速增加到最大速度的大約60%時(shí)就呈直線型增長，最大速度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的力值點(diǎn)最高。在穿鞋慢跑或跑步時(shí)，垂直方向的GRF可能達(dá)到自身體重的2～3倍。在相同速度下，慢跑（3.3～6.7mile／h）產(chǎn)生垂直方向的GRF比行走高1.6倍，因此，慢跑與行走相比，屬于潛在性更具損傷的活動(dòng)［35］。GRF的大小受很多變化因素影響，包括跑步形式（足后跟、中足或前足觸地）、速度、步幅、慢跑對(duì)比跑步、鞋具、地面和跑步表面的傾斜度［4］。

Cavanagh和Lafortune對(duì)“后觸”或者“中觸”的穿鞋跑步者們進(jìn)行了力的組成成分的分析。在這項(xiàng)研究中，平均年齡在24歲的17名受試者參與了測試，包括10名男性和7名女性。其中，12名受試者是業(yè)余跑步者，剩下5名是專業(yè)隊(duì)運(yùn)動(dòng)員。他們發(fā)現(xiàn)了相似的垂直方向GRF，分別是：“后觸”跑為2.8BW和“中觸”跑是2.7BW；然而，與“中觸”跑不同，在“后觸”的支撐期有兩個(gè)沖擊力峰值而不是一個(gè)?！昂笥|”的第一個(gè)峰值（2.2BW）在負(fù)荷變化期的初始觸地即刻，隨著沖擊力峰值的出現(xiàn)而形成，重力承接之后是第2個(gè)峰值（2.8BW），發(fā)生在支撐中期，被稱作推力峰值［35，13］。Lieberman等人也報(bào)告出相似的結(jié)論，他們將來自美國的慣常穿鞋成年跑步者和裸足成年跑步者其“后觸”跑和“前觸”跑的過程進(jìn)行了對(duì)比［36］。穿鞋和不穿鞋的“后觸”跑都產(chǎn)生一個(gè)雙側(cè)峰值的垂直GRF或一個(gè)沖擊力轉(zhuǎn)化，然而，不穿鞋的趾－踵－趾的“前觸”跑形式不會(huì)產(chǎn)生沖擊力轉(zhuǎn)化（一個(gè)平滑的單一峰值，圖3）。

在跑步過程中所產(chǎn)生的GRF沖擊部分主要是由于起始觸地時(shí)后腿的快速減速引起的［10］。中樞神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)通過肌肉協(xié)調(diào)來相對(duì)穩(wěn)定地維持GRF而忽略其單一穩(wěn)固性。在機(jī)械腿模型的實(shí)驗(yàn)中，隨著鞋硬度的增加，GRF也增加。但是，在實(shí)際人類跑步者中，GRF是不變的，原因是身體有能力可以預(yù)測到GRF輸入信號(hào)，因此，通過調(diào)節(jié)肌肉活動(dòng)來補(bǔ)償鞋子硬度帶來的變化。當(dāng)跑步在穩(wěn)定速度下，沖擊前的50ms范圍內(nèi)的肌肉活動(dòng)就會(huì)作為一種預(yù)備機(jī)制，通過產(chǎn)生關(guān)節(jié)或腿的僵硬和／或腿各部分的活動(dòng)使預(yù)期沖擊將產(chǎn)生的震動(dòng)達(dá)到最小化［39］。隨著跑速的增加，沖擊能量也在增加。與節(jié)約能源規(guī)則相一致，快速時(shí)引起的肌肉活動(dòng)增加使軟組織群的硬度增加從而減緩震動(dòng)頻率［11］。這些理論表明，機(jī)體嘗試通過一種調(diào)節(jié)肌肉收縮的中樞神經(jīng)系統(tǒng)將這些震動(dòng)減小到最小化，為了在下一個(gè)跑步步態(tài)中使沖擊力保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平或頻率上。這些理論將會(huì)被繼續(xù)研究下去，可能未來的軟組織震動(dòng)研究將會(huì)使研究者們?nèi)ピu(píng)估個(gè)體跑步者們的自身共振頻率，來幫助提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)水平，更改跑步類型，調(diào)整跑鞋，將損傷最小化。

4 關(guān)節(jié)功能制約因素

除了跑步者的弓形腿外，其他涉及到生物力學(xué)機(jī)能障礙的髖部區(qū)域已經(jīng)歸因于行走和跑步相關(guān)聯(lián)的損傷。已有研究指出，由于髖部肌肉功能減弱而引起的髖部異常動(dòng)力學(xué)會(huì)使髖部過度內(nèi)旋或內(nèi)收，這會(huì)導(dǎo)致或引起常見的跑步損傷，例如髖臼盂唇?。?］、髂脛束摩擦綜合征［22］、髕股關(guān)節(jié)綜合癥［18］、慢性踝關(guān)節(jié)扭傷［27］，甚至于腰痛［14］。

在這些疾病中，髕股關(guān)節(jié)疼痛綜合癥是最常見的，在所有跑步引起的損傷中占大約20%［51］。髖外轉(zhuǎn)和外部大轉(zhuǎn)子功能減弱是與髕股關(guān)節(jié)綜合癥、髂脛束綜合征和非接觸式前十字交叉韌帶損傷相關(guān)聯(lián)的［23，33］。在支撐期的前半階段，髖外展和外部轉(zhuǎn)子的向心功能是分別控制髖關(guān)節(jié)內(nèi)收和內(nèi)旋的［34］。與正常無癥狀跑步者相比，患有髕股關(guān)節(jié)疼痛綜合癥的人其髖部外展肌功能較弱［19］。當(dāng)跑步者在長時(shí)間跑快結(jié)束時(shí)進(jìn)入全力跑狀態(tài)，這種減弱表現(xiàn)更為明顯。由于不穿鞋或者穿“裸足”鞋的跑步者在重力承接期運(yùn)用了一個(gè)無跟落地方式，穿鞋跑步者的這些運(yùn)動(dòng)和肌肉功能障礙與其相比就更加普遍。

圖3 穿鞋與不穿鞋跑步不同落地類型的地面作用力曲線圖Figure 3. The Ground Reaction Force of Different Striker Types in Shod and Unshod Running

足后跟外翻增加也與膝內(nèi)彎和外側(cè)髕骨力的矢量值增加相關(guān)聯(lián)。大量研究已經(jīng)證實(shí)了在膝內(nèi)彎和低足弓腳之間存在一種聯(lián)系［41，38］。盡管已經(jīng)推測出足內(nèi)部肌群由于鞋子的過度穿著而出現(xiàn)勞損，足弓支撐或足底筋膜變硬導(dǎo)致內(nèi)側(cè)縱弓的旋前增加和塌陷［36］，但目前沒有證據(jù)去支持這一理論。到目前為止，沒有研究指出穿鞋與不穿鞋跑步者其足部肌肉力量存在任何差異性。已經(jīng)指出，在功能性活動(dòng)如下臺(tái)階活動(dòng)和向下跳到地面時(shí)，踝關(guān)節(jié)背屈受限會(huì)引起距下關(guān)節(jié)內(nèi)旋增加、膝內(nèi)翻增加和下肢運(yùn)動(dòng)類型改變［2］。研究發(fā)現(xiàn)，在女性向下跳到地面時(shí)，動(dòng)態(tài)膝內(nèi)翻增加與髖關(guān)節(jié)外旋和踝關(guān)節(jié)背屈受限是有關(guān)聯(lián)的［45，50］。此外，額狀面上動(dòng)態(tài)膝內(nèi)翻增加與需要踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)同時(shí)屈曲的活動(dòng)有關(guān)［45］。

5 跑步界面硬度因素

跑步過程中，運(yùn)動(dòng)員的腳所要接觸的界面類型也會(huì)影響作用于人體的GRF和肌肉活動(dòng)。需要注意一個(gè)常見的誤解，即與損傷相關(guān)的沖擊力是在堅(jiān)硬、不符合規(guī)定的地面上跑步而導(dǎo)致的結(jié)果。穿鞋跑步者通常會(huì)調(diào)節(jié)他們的“腿部剛度”，這樣，不管在硬或軟的地面上都能得到大小差不多的沖擊力［20］。裸足跑步者也會(huì)調(diào)節(jié)他們的腿部剛度，但是，會(huì)由于不同的雙足著地方式而在稍微不同的形式和強(qiáng)度下發(fā)動(dòng)肌肉。腿部剛度是在地面接觸過程中最大力值和最大腿部壓縮值之間的比率。在跑步過程中，腿部剛度隨著抬高高度的增加而減小。這使得跑步者在不平坦地面上跑步時(shí)，不需要集中注意于地面的不規(guī)則就可以保持穩(wěn)定性［28］。

即使堅(jiān)硬的表面與其他更符合規(guī)定的跑步界面相比，存在有潛在的高沖擊力；跑步者會(huì)下意識(shí)的調(diào)節(jié)他們的下肢剛度為了保持垂直方向的剛度是一致的。跑步者在堅(jiān)硬界面上通過減少剛度來調(diào)節(jié)，在符合規(guī)定的界面上就增加剛度［24］。跑步者在遇到一個(gè)新的界面時(shí)會(huì)用第一步來快速調(diào)節(jié)他們的腿部剛度，如從一個(gè)軟表面到硬表面的轉(zhuǎn)換［25］。垂直方向的剛度是由腿和表面硬度構(gòu)成的［52］。通過減少腿部剛度，跑步者可以保持一定的剛度去抵消增加的界面硬度［50］。人體調(diào)整腿部剛度為了在不同的界面上保持相同的步頻、接觸時(shí)間和峰值地面作用力［50，51］；然而，這些調(diào)整可能會(huì)使跑步者處于損傷風(fēng)險(xiǎn)之中［52］。對(duì)于相對(duì)體型腳較小的跑步者，需要做出較大的腿部剛度調(diào)整［24］。腿部剛度調(diào)整也伴隨著運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的調(diào)整。Tillman等人發(fā)現(xiàn)，在不同的跑步界面（瀝青、混凝土、草地和人工合成軌道）之中，鞋子的作用力沒有顯著性差異［52］。

這些研究與Dixon等人是相一致的，他們指出3種合成的跑步界面上的沖擊力是相似的。這種相似的跑步?jīng)_擊力是通過動(dòng)態(tài)調(diào)整維持的，包括改變膝蓋彎曲形式，改變腿部剛度去彌補(bǔ)高硬度跑步界面帶來的改變［20］。當(dāng)在一個(gè)符合規(guī)定的界面上跑步時(shí)，跑步者在觸地時(shí)將會(huì)采用一種腿部更舒展姿勢(shì)［26］。盡管這些下肢關(guān)節(jié)角度發(fā)生的改變是相對(duì)小的（＜7°）；然而，即使是小角度的改變都會(huì)影響肌肉力量［52］。在不符合規(guī)定的界面上跑步不會(huì)使穿鞋跑步者受到增加的沖擊力，這是由于有補(bǔ)償性的生物力學(xué)改變；然而，這些關(guān)節(jié)力矩和肌肉力量（動(dòng)態(tài)力量）尤其是肌肉骨骼系統(tǒng)發(fā)生的改變會(huì)潛在地導(dǎo)致扭傷和拉傷。沖擊力是一種碰撞力，然而，動(dòng)態(tài)力產(chǎn)生于肌肉收縮。跑步者也可以在跑步時(shí)通過改變腳著地的生物力學(xué)來改變力量。即使在不符合規(guī)定的、堅(jiān)硬的界面上，前足或中足的內(nèi)側(cè)接觸也可以產(chǎn)生相對(duì)較低的碰撞力，這樣才會(huì)產(chǎn)生較小的動(dòng)態(tài)力［36］。

與跑步方向平行的小道坡面或者是公路的傾斜面也會(huì)改變關(guān)節(jié)反應(yīng)力、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍、肌肉長度－張力需求和肌肉收縮強(qiáng)度的類型。運(yùn)動(dòng)科學(xué)家們使用GRF數(shù)據(jù)去測試沖擊力和負(fù)荷比率，為了研究制動(dòng)和推進(jìn)，并且計(jì)算肌肉力量［29］。Gottschall和Kram［29］將上坡（＋3°，＋6°，＋9°傾斜）跑和下坡（－3°，－6°，－9°傾斜）跑過程中的GRF進(jìn)行量化。當(dāng)與水平面穿鞋跑進(jìn)行對(duì)比時(shí)，峰值沖擊力數(shù)據(jù)在下坡跑時(shí)明顯較大，在上坡跑時(shí)明顯較小。所有“后觸”的受試者進(jìn)行了3種下坡傾斜面跑、水平面跑和＋3°上坡跑。所有的“中觸”受試者進(jìn)行了＋9°的上坡跑。峰值沖擊力和負(fù)荷率在－9°的下坡跑時(shí)最高，在＋9°的上坡跑時(shí)最低。綜合來說，隨著雙腳著地，GRF通過跑步者身體而轉(zhuǎn)化。為了將垂直方向的GRF盡量減小，人體會(huì)通過改變肌肉活動(dòng)和關(guān)節(jié)角度來改變腿部剛度，來保持在不同的跑步界面上沖擊力是相對(duì)一樣的，從而將損傷降到最小。下肢關(guān)節(jié)屈曲增加需要更大的肌肉活動(dòng)和疲勞，并會(huì)改變關(guān)節(jié)作用力，這會(huì)潛在的導(dǎo)致?lián)p傷。盡管有很多跑步教練鼓勵(lì)跑步者在各種各樣的界面上進(jìn)行訓(xùn)練，但逐漸的改變跑步界面從而讓身體可以適應(yīng)是更明智的。

6 結(jié)論

裸足和穿鞋跑之間主要的差異在于，裸足跑時(shí)，初始觸地是發(fā)生在前足或中足而非足后跟上。盡管“裸足”跑鞋與裸足跑具有相似的特質(zhì)，但是，“裸足”跑鞋在跑步者的腳與跑步界面之間提供了一層很薄的保護(hù)面。忽略一些不利的因素，跑鞋在某一些下肢連鎖病癥和異常環(huán)境中扮演了一種保護(hù)性角色，同時(shí)，能提供一種正確的矯形。對(duì)于不同條件下跑步步態(tài)的全面而深刻理解，有助于相關(guān)跑步損失的防止和恰當(dāng)治療。到目前為止，沒有任何科學(xué)證據(jù)可以直接將跑鞋與損傷相聯(lián)系，相反，也沒有證據(jù)證明“裸足”（最小化支撐）跑鞋或者裸足跑可以防止損傷或者提高跑步運(yùn)動(dòng)水平。研究者會(huì)繼續(xù)評(píng)估跑步步態(tài)，同時(shí)，還會(huì)延續(xù)損傷的跑步者訓(xùn)練方案。隨著對(duì)跑步中步態(tài)及其損傷生物力學(xué)的更為明確的理解，理療師在康復(fù)這些由于跑步導(dǎo)致的肌肉骨骼損傷的病人時(shí)，將能夠更好地確診錯(cuò)誤并且制定出有科學(xué)水平的治療計(jì)劃。

［1］顧耀東，李建設(shè)，陸毅琛，等.提踵狀態(tài)下足縱弓應(yīng)力分布有限元分析［J］.體育科學(xué)，2005，25（11）：85-87.

［2］顧耀東，李建設(shè)，曾衍鈞.內(nèi)翻式落地足跖骨力學(xué)反應(yīng)研究［J］.體育科研，2009，30（2）：61-63.

［3］李建設(shè)，顧耀東.有限元法在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究中的應(yīng)用進(jìn)展［J］.體育科學(xué)，2006，26（7）：60-62.

［4］李建設(shè)，顧耀東，陸毅琛，等.運(yùn)動(dòng)鞋核心技術(shù)的生物力學(xué)研究［J］.體育科學(xué)，2009，29（5）：40-49.

［5］吳劍，李建設(shè).青年女性穿不同鞋行走時(shí)步態(tài)的動(dòng)力學(xué)研究［J］.北京體育大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，27（4）：486-488.

［6］AGARWAL G C，GOTTLIEB G L.Oscillation of the human ankle joint in response to applied sinusoidal torque on the foot［J］.J Phy，1977，268（1）：151-176.

［7］AUSTIN A B，SOUZA R B，MEYER J L，et al.Identification of abnormal hip motion associated with acetabular labral pathology［J］.J Orthop Sports Phy Ther，2008，38（9）：558-565.

［8］BRAMBLE D M，LIEBERMAN D E.Endurance running and the evolution of Homo［J］.Nature，2004，432（7015）：345-352.

［9］BISHOP M，F(xiàn)IOLKOWSKI P，CONRAD B.Athletic footwear，leg stiffness，and running kinematics［J］.J Athl Train，2006，41（4）：387-392.

［10］BOYER K A，NIGG B M.Quantification of the input signal for soft tissue vibration during running［J］.J Biomech，2007，40（8）：1877-1880.

［11］BOYER K A，NIGG B M.Muscle activity in the leg is tuned in response to impact force characteristics［J］.J Biom，2004，37（10）：1583-1588.

［12］CIBULKA M T，SINACORE D R，MUELLER M J.Shin splints and forefoot contact running-a case-report［J］.J Orthop Sports Phy Ther，1994，20（2）：98-102.

［13］CAVANAGH P R，LAFORTUNE M A.Ground reaction forces in distance running［J］.J Biom，1980，13（5）：397-406.

［14］CHILDS J D，F(xiàn)RITZ J M，F(xiàn)LYNN T W，et al.A clinical prediction rule to identify patients with low back painmost likely to benefit from spinal manipulation：a validation study［J］.Ann Int Med，2004，141（12）：920-928.

［15］DUGAN S A，BHAT K P.Biomechanics and analysis of running gait［J］.Phy Med Reha Clin N Am，2005，16（3）：603-621.

［16］DE WIT B，DE CLERCQ D，AERTS P.Biomechanical analysis of the stance phase during barefoot and shod running［J］.J Biom，2000，33（3）：269-278.

［17］DIVERT C，MORNIEUX G，BAUR H，et al.Mechanical comparison of barefoot and shod running［J］.Int J Sports Med，2005，26（7）：593-598.

［18］DIERKS T A，MANAL K T，HAMILL J，et al.Proximal and distal influences on hip and knee kinematics in runners with patello femoral pain during aprolonged run［J］.J Orthop Sports Phy Ther，2008，38（8）：448-456.

［19］DIVERT C，MORNIEUX G，F(xiàn)REYCHAT P，et al.Barefootshod running differences：shoe or mass effect［J］.Int J Sports Med，2008，29（6）：512-518.

［20］DIXON S J，COLLOP A C，BATT M E.Surface effects on ground reaction forces and lower extremity kinematics in running［J］.Med Sci Sports Exe，2000，32（11）：1919-1926.

［21］FARLEY C T，HOUDIJK H H，VAN STRIEN C，et al.Mechanism of leg stiffness adjustment for hopping on surfaces of different stiffnesses［J］.J App Phy，1998，85（3）：1044-1055.

［22］FERBER R，NOEHREN B，HAMILL J，et al.Competitive female runners with a history of iliotibial band syndrome demonstrate atypical hip and knee kinematics［J］.J Orthop Sports Phy Ther，2010，40（2）：52-58.

［23］FREDERICSON M，COOKINGHAM C L，CHAUDHARI A M，et al.Hip abductor weakness in distance runners with iliotibial band syndrome［J］.Clin J Sport Med，2000，10（3）：169-175.

［24］FERRIS D P，LOUIE M，F(xiàn)ARLEY C T.Running in the real world：adjusting leg stiffness for different surfaces［J］.Proc Royal Soc B：Bio S，1998，265（1400）：989-994.

［25］FERRIS D P，LIANG K，F(xiàn)ARLEY C T.Runners adjust leg stiffness for their first step on a new running surface［J］.J Biom，1999，32（8）：787-794.

［26］FARLEY C T，GONZALEZ O.Leg stiffness and stride frequency in human running［J］.J Biomech，1996，29（2）：181-186.

［27］GRIBBLE P A，HERTEL J.Effect of hip and ankle muscle fatigue on unipedal postural control［J］.J Elec Kin，2004，14（6）：641-646.

［28］GRIMMER S，ERNST M，GUNTHER M，et al.Running on uneven ground：leg adjustment to vertical steps and self-stability［J］.J Exp Biom，2008，211（18）：2989-3000.

［29］GOTTSCHALL J S，KRAM R.Ground reaction forces during downhill and uphill running［J］.J Biom，2005，38（3）：445-452.

［30］HAFSTAD A D，BOARDMAN N，LUND J，et al.Exercise-induced increase in Cardiac efficiency：the impact of intensity［J］.Circulation，2009，120（18）：S880.

［31］HENNIG E M，VALIANT G A，LIU Q.Biomechanical variables and the perception of cushioning for running in various types of footwear［J］.J Appl Biom，1996，12（2）：143-150.

［32］HASEGAWA H，YAMAUCHI T，KRAEMER W J.Foot strike patterns of runners at the 15-km point during an elitelevel half marathon［J］.J Str Conditioning Res，2007，21（3）：888-893.

［33］HEWETT T E，MYER G D，F(xiàn)ORD K R，et al.Biomechanical measures of neuromuscular control and valgus loading of the knee predict anterior cruciate ligament injury risk in female athletes：aprospective study［J］.Am J Sports Med，2005，33（4）：492-501.

［34］IRELAND M L，WILLSON J D，BALLANTYNE B T，et al.Hip strength in females with and without patello femoral pain［J］.J Orthop Sports Phy Ther，2003，33（11）：671-676.

［35］KELLER T S，WEISBERGER A M，RAY J L，et al.Relationship between vertical ground reaction force and speed during walking，slow jogging，and running［J］.Clin Biom，1996，11（5）：253-259.

［36］LIEBERMAN D E，VENKADESAN M，WERBEL W A，et al.Foot strike patterns and collision forces in habitually barefoot versus shod runners［J］.Nature，2010，463（7280）：531-535.

［37］MCWHORTER J W，WALLMANN H，LANDERS M，et al.The effects of walking，running，and shoe size on foot volumetrics［J］.Phy Ther Sport，2003，4（2）：87-92.

［38］MCCLAY I，MANAL K.A comparison of three-dimensional lower extremity kinematics during running between excessive pronators and normals［J］.Clin Biom，1998，13（3）：195-203.

［39］NIGG B M.The role of impact forces and foot pronation：a new paradigm［J］.Clin Sports Med，2001，11（1）：2-9.

［40］POHL M B，HAMILL J，DAVIS I S.Biomechanical and Anatomic factors associated with a history of plantar fasciitis in female runners［J］.Clin J Sport Med，2009，19（5）：372-376.

［41］POWERS C M.The influence of altered lower-extremity kinematics on patello femoral joint dysfunction：a theoretical perspective［J］.J Orthop Sports Phy Ther，2003，33（11）：639-646.

［42］ROBBINS S，WAKED E，RAPPEL R.Ankle taping improves proprioception before and after exercise in young men［J］.Br J Sports Med，1995，29（4）：242-247.

［43］RICHARDS C E，MAGIN P J，CALLISTER R.Is your prescription of distance running shoes evidence-based［J］.Br J Sports Med，2009，43（3）：159-162.

［44］RYAN M，F(xiàn)RASER S，MCDONALD K，et al.Examining the degree of pain reduction using a multielement exercise model with a conventional training shoe versus an ultraflexible training shoe for treating plantar fasciitis［J］.Phy Sports M，2009，37（4）：68-74.

［45］RABIN A，KOZOL Z.Measures of range of motion and strength among healthy women with differing quality of lower extremity movement during the lateral step-down test［J］.J Orth Sports Phy Ther，2010，40（12）：792-800.

［46］STACOFF A，STEGER J，STUSSI E，et al.Lateral stability in sideward cutting movements［J］.Med Sci Sports Exe，1996，28（3）：350-358.

［47］SQUADRONE R，GALLOZZI C.Biomechanical and physiological comparison of barefoot and two shod conditions in experienced barefoot runners［J］.J Sports Med Phy Fit，2009，49（1）：6-13.

［48］SHAKOOR N，BLOCK J A.Walking barefoot decreases loading on the lower extremity joints in knee osteoarthritis［J］.Arthr Rheumatism，2006，54（9）：2923-2927.

［49］STACOFF A，NIGG B M，REINSCHMIDT C，et al.Tibiocalcaneal kinematics of barefoot versus shod running［J］.J Biom，2000，33（11）：1387-1395.

［50］SIGWARD S M，OTA S，POWERS C M.Predictors of frontal plane knee excursion during a drop land in young female soccer players［J］.J Orthop Sports Phy Ther，2008，38（11）：661-667.

［51］VAN GENT R N，SIEM D，VAN MIDDELKOOP M，et al.Incidence and determinants of lower extremity running injuries in long distance runners：a systematic submitted for publication［J］.Brit J Sports Med，2007，41（8）：469-480.

［52］ZADPOOR A A，NIKOOYAN A A.Modeling muscle activity to study the effects of footwear on the impact forces and vibrations of the human body during running［J］.J Biom，2010，43（2）：186-193.

Research Trend of Running Biomechanics and Injury Characteristic between Shod and Unshod Condition

HAO Qi1，LI Jian-she1，2，GU Yao-dong1

It has been proved that running has a lot of benefits，such as enhancing cardiovascular function，physical and mental health.However，there are too much injuries associated with running.In today＇s bare foot running，or wearing‘barefoot’shoes running trends，this paper summarizes a large number of high level research papers in order to compare similarities and differences of shoes and barefoot runners by kinematic measurements，energy and biomechanics，deeply studies the running gait knowledge，and helps the patients with musculoskeletal injuries to understand the running biomechanics better，thus makes rational training plans.

running；barefoot；biomechanics；impulse；sportsinjury

G804.6

A

1000-677X（2012）07-0091-07

2012-03-22；

2012-05-22

安踏（中國）有限公司資助項(xiàng)目（HS11085）；寧波大學(xué)研究生優(yōu)秀學(xué)位論文培育基金項(xiàng)目（PY20110007）。

郝琦（1988-），女，山東臨沂人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué)，Tel：（0574）87609369，E-mail：haoqily＠hotmail.com；李建設(shè)（1957-），男，山東鄒城人，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué)，Tel：（0571）83871068，E-mail：lijianshe＠nbu.edu.cn；顧耀東（1981-），男，浙江寧波人，副教授，主要研究方向?yàn)轶w育工程，Tel：（0574）87609369，E-mail：guyaodong＠hotmail.com。

1.寧波大學(xué)體育學(xué)院，浙江寧波315211；2.浙江體育職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州311231

1.Ningbo University，Ningbo 315211，China；2.Zhejiang College of Sports，Hangzhou 311231，China.