跑步落地模式對(duì)運(yùn)動(dòng)損傷及下肢運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的影響研究進(jìn)展

姜嘉懌 王琳

上海體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)科學(xué)學(xué)院（200438）

跑步是一種涉及人體不同關(guān)節(jié)和不同身體部分的整合運(yùn)動(dòng)[1]。在跑步過程中，跑步者需要通過神經(jīng)肌肉來(lái)控制有關(guān)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)以及協(xié)調(diào)這些關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，獲得最大的跑步效率。

足是跑步者在跑步過程中唯一與地面接觸，進(jìn)行初步緩沖，并直接提供動(dòng)力的身體部分，所以足在跑步技術(shù)中起著特殊作用，特別是在接觸地面的過程中[2]。在中長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)中，人體要承受大約相當(dāng)于兩到三倍人體體重的地面反作用力（ground reaction force，GRF），跑步者將反復(fù)承受這種力量的沖擊[3]。

根據(jù)足的落地模式（foot strike pattern），跑步者的跑步模式主要可分為3種：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，F(xiàn)FS）。后足落地模式是足跟初始接觸地面，超過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幾乎同時(shí)初始接觸地面，前足落地模式是跖骨初始接觸地面[2，3，5]。由于采用中足落地和前足落地模式的跑步者較少，所以在研究時(shí)，一般將兩者都作為前足落地模式來(lái)進(jìn)行研究，這時(shí)所謂的前足落地指的是足接觸地面位置在踝關(guān)節(jié)的前方[2-4]。

眾多的因素可以影響到落地模式，包括跑鞋類型、跑步速度、跑步路面等。比如，上坡跑時(shí)，跑步者趨向于前足落地模式，而在下坡路面跑步時(shí)，趨向于后足落地模式[6，7]。已有研究表明，跑步者落地模式的區(qū)別可能會(huì)影響跑步中沖擊力的傳導(dǎo)和引起下肢運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的改變，進(jìn)而可能會(huì)造成跑步運(yùn)動(dòng)損傷發(fā)生的部位和發(fā)生率不同[8]。

1 不同落地模式的運(yùn)動(dòng)學(xué)

根據(jù)足與地面接觸的情況，跑步的步態(tài)周期可以被劃分為支撐期、擺動(dòng)期和騰空期。與步行相比，跑步的特點(diǎn)在于有更快的速度和騰空期。在跑步的步態(tài)周期里，存在兩個(gè)騰空期，即雙足同時(shí)不接觸地面的時(shí)期。跑步支撐期的前半段與力量的吸收（旋前）有關(guān)，而支撐期的后半段負(fù)責(zé)推進(jìn)（旋后）。支撐期又可以分為初始接觸到支撐中期到腳趾離地。跑步的擺動(dòng)期可以分為擺動(dòng)初期和擺動(dòng)末期[9]。

一些研究對(duì)前足落地模式和后足落地模式的時(shí)空參數(shù)的區(qū)別進(jìn)行了調(diào)查。跑步速度相同時(shí)，前足落地的跑步者有更短的步長(zhǎng)、更高的步頻和更短的接觸地面時(shí)間[10-12]。此時(shí)采用前足落地模式的跑步者膝關(guān)節(jié)屈曲較大，縮短跑步者的步長(zhǎng)[3，11，13]。對(duì)于采用前足落地模式的跑步者，更短的步長(zhǎng)可以減少初始接觸地面時(shí)的沖擊負(fù)荷，跑步者在接觸地面時(shí)踝關(guān)節(jié)有更大的跖屈[14]，對(duì)應(yīng)著增加了步頻[15]。增加的步頻使每一步支撐期變短[10，13，14，16-18]。

在足初始接觸地面時(shí)，采用前足落地模式的跑步者的踝關(guān)節(jié)輕微跖屈，采用后足落地模式的跑步者的踝關(guān)節(jié)輕微背屈[10，13，14，16-19]。在初始接觸地面后，采用后足落地模式的跑步者的踝關(guān)節(jié)有一個(gè)快速的跖屈[15，20-25]。相比之下，采用前足落地模式的跑步者，在初始接觸地面后踝關(guān)節(jié)出現(xiàn)背屈[3，14，26-29]。

踝關(guān)節(jié)在不同落地模式中的運(yùn)動(dòng)學(xué)變化是導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)變化的重要原因之一[11]。當(dāng)跑步者采用前足落地模式時(shí)，踝關(guān)節(jié)接觸地面時(shí)跖屈，落地時(shí)踝關(guān)節(jié)更直接地落在身體重心的下方[3，11，30]。

與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狀面上有較小的踝關(guān)節(jié)背屈活動(dòng)度，較大的膝關(guān)節(jié)活動(dòng)度和較大的髖關(guān)節(jié)活動(dòng)度[31]。在前足落地模式中更大的踝關(guān)節(jié)背屈活動(dòng)度被認(rèn)為與前交叉韌帶負(fù)荷的降低有關(guān)，前足落地模式跑步者的前交叉韌帶損傷風(fēng)險(xiǎn)可能因此會(huì)降低[32]。但也有研究顯示，在控制步頻時(shí)，前足落地模式和后足落地模式在膝關(guān)節(jié)活動(dòng)度上無(wú)顯著差異[33]。

在后足落地模式中膝關(guān)節(jié)有較大的活動(dòng)度，有可能是在采用后足落地模式時(shí)，步長(zhǎng)較長(zhǎng)導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)活動(dòng)度降低和繼而膝關(guān)節(jié)活動(dòng)度增加的結(jié)果[34]。與此相反，采用前足落地模式的跑步者展現(xiàn)出更短的步長(zhǎng)，可能導(dǎo)致更大的踝關(guān)節(jié)活動(dòng)度以及膝關(guān)節(jié)活動(dòng)度的降低[35]。

另外有研究發(fā)現(xiàn)，在相同距離的條件下，與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動(dòng)范圍[36]。在完成相同距離跑步時(shí)，采用后足落地模式的跑步者平均速度較慢[37]。

2 不同落地模式的動(dòng)力學(xué)

一些研究調(diào)查了前足落地模式和后足落地模式的動(dòng)力學(xué)特征。與前足落地模式相比，后足落地模式會(huì)產(chǎn)生更高的減震[36]和更高的沖擊瞬態(tài)（impact tran?sient）[36]。后足落地模式存在的一個(gè)沖擊瞬態(tài)，被定義為在支撐期初始的50 ms，垂直方向地面反作用力出現(xiàn)的一個(gè)尖峰[3]。在后足落地模式中出現(xiàn)的沖擊瞬態(tài)被認(rèn)為有重要的臨床意義[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負(fù)荷比率[38]。后足落地模式有更高的垂直方向的負(fù)荷比率可能是由于后足落地在初始接觸地面時(shí)出現(xiàn)的沖擊瞬態(tài)[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?yàn)榍白懵涞啬Ｊ降慕佑|地面時(shí)間短[38]。

一項(xiàng)關(guān)于前足落地模式和后足落地模式的三維生物力學(xué)分析顯示，無(wú)論是前足落地模式還是后足落地模式，垂直方向上的最大峰值力（maximun peak force）和負(fù)荷比率顯著高于前后方向或者內(nèi)外方向[40]。在垂直方向上，相較后足落地模式，前足落地模式存在更大的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的最大峰值力，更小的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的負(fù)荷比率。對(duì)于前足落地模式，前后方向上的最大峰值力和負(fù)荷比率在膝關(guān)節(jié)較低，但在髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)較高[40]。這可能是由于前足落地模式使踝關(guān)節(jié)有較高的關(guān)節(jié)壓力造成的[18，41]。

前足落地模式的跑步者有更高的踝關(guān)節(jié)背屈力矩[27，41，42]。由于前足落地模式的落地會(huì)導(dǎo)致更短的步長(zhǎng)[43，44]，因此足的落地會(huì)更接近身體的重心位置，這有效減少了地面反作用力到髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的力臂，從而減小了關(guān)節(jié)力矩[34]。研究也支持這一證據(jù)，前足落地模式跑步者，前后方向和內(nèi)外方向上的最大峰值接觸力在膝關(guān)節(jié)較低，這也決定了與后足落地模式相比，前足落地模式的髕股關(guān)節(jié)的接觸力更小[45，46]。

更詳細(xì)的有關(guān)跑步模式對(duì)下肢關(guān)節(jié)力矩影響的研究發(fā)現(xiàn)，后足落地模式存在支撐期早期外部峰值踝關(guān)節(jié)力矩（external ankle moments）和膝關(guān)節(jié)屈曲力矩增加，支撐期中后期外部峰值踝關(guān)節(jié)力矩降低。而前足落地模式會(huì)導(dǎo)致在支撐期中后期的外部峰值踝關(guān)節(jié)背屈力矩增加[31，41，46]。外部踝關(guān)節(jié)力矩增加與支撐期吸收階段踝關(guān)節(jié)能量吸收有關(guān)[3]。這些力矩值的變化與踝關(guān)節(jié)肌肉激活的變化有關(guān)。對(duì)于采用前足落地模式的跑步者，腓腸肌和比目魚肌產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部踝關(guān)節(jié)跖屈力矩（internal plantarflexion moment）來(lái)對(duì)抗外部踝關(guān)節(jié)背屈力矩的增加[46]。同樣，對(duì)于采用后足落地模式的跑步者，外部踝關(guān)節(jié)跖屈力矩的增加需要跑步者的脛骨前肌產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部踝關(guān)節(jié)背屈力矩[46]。

3 不同落地模式的肌肉激活

一項(xiàng)研究表明，在初始接觸地面前激活踝關(guān)節(jié)跖屈肌肉（腓腸?。┑臅r(shí)間上，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，并且在支撐期的激活時(shí)間上，比采用后足落地模式的跑步者長(zhǎng)10%[19]。踝關(guān)節(jié)跖屈肌肉在接觸地面前的預(yù)激活，可以增加跟腱的張力，進(jìn)而吸收接觸地面時(shí)的沖擊[13，15，47]。踝關(guān)節(jié)跖屈肌肉更早地被激活不僅可以跖屈踝關(guān)節(jié)為接觸地面做準(zhǔn)備，還可以增加支撐期開始階段踝關(guān)節(jié)周圍結(jié)構(gòu)儲(chǔ)存彈性能量的能力[3，12，26，48]。在足初始接觸地面之前，腓腸肌被激活，產(chǎn)生肌肉收縮。對(duì)于采用前足落地模式的跑步者，落地時(shí)受到的力會(huì)立刻受到更早、更長(zhǎng)時(shí)間激活的腓腸肌的對(duì)抗，這會(huì)幫助穩(wěn)定踝關(guān)節(jié)，并且使跟腱負(fù)荷率平穩(wěn)[49]。

前足落地模式和后足落地模式在跑步支撐期的能量吸收機(jī)制有所不同[18，50]。對(duì)于后足落地模式，通過足底筋膜的松弛和足踝周圍的結(jié)構(gòu)一起實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的吸收，并將力傳遞到近端骨骼，這個(gè)過程由脛骨前肌的離心收縮控制足底筋膜協(xié)助[3，18，51]。接下來(lái)脛骨外旋，腓腸肌內(nèi)側(cè)頭激活聯(lián)合跖趾關(guān)節(jié)伸展，啟動(dòng)絞盤機(jī)制（windlass mechanism），拉緊足底筋膜和足踝使足蹬地推進(jìn)[3，27，52-54]。前足落地模式則是通過足底筋膜和下肢關(guān)節(jié)伸肌的離心收縮來(lái)實(shí)現(xiàn)能量吸收[18，50]。前足落地模式需要一個(gè)更硬的足踝[3，18]，因此它需要足的縱弓和足底筋膜具有一定張力。另外，吸收的能量會(huì)在接下來(lái)推進(jìn)的階段使用，通過拉長(zhǎng)收縮機(jī)制，增加在跑步中肌肉肌腱單元的機(jī)械效率。

一項(xiàng)對(duì)比了前足落地模式和后足落地模式肌肉活動(dòng)的研究顯示，與后足落地模式相比，前足落地模式的脛骨前肌的肌肉活動(dòng)更低，而腓腸肌內(nèi)側(cè)頭的肌肉活動(dòng)更高[55]。另外，最近一項(xiàng)研究顯示，對(duì)于后足落地模式，脛骨前肌存在更多的肌肉活動(dòng)，而對(duì)于前足落地模式，腓腸肌和比目魚肌存在更多的肌肉活動(dòng)[56]。

4 不同落地模式和運(yùn)動(dòng)損傷

有研究顯示，每年跑步者跑步損傷的發(fā)生率在30%到75%之間[57，58]。有一半的跑步者在發(fā)生骨骼肌肉損傷后，有50%再次受傷的幾率[59]。

引起跑步損傷的因素是多方面的，包括內(nèi)在因素和外在因素。內(nèi)在因素包括人體生物力學(xué)的異常，之前的損傷病史、性別、身體質(zhì)量指數(shù)（BMI）；外在因素包括跑鞋的類型、靈活性、核心力量或者訓(xùn)練強(qiáng)度[57，58，60-65]。由于足是跑步者在跑步過程中唯一與地面接觸，并直接提供動(dòng)力的身體部分，所以跑步過程中足的落地模式至關(guān)重要。如上所述，跑步落地模式會(huì)影響跑步中沖擊力的傳導(dǎo)和下肢生物力學(xué)的改變，進(jìn)而造成運(yùn)動(dòng)損傷發(fā)生部位和發(fā)生率的不同[8]。

一項(xiàng)在2012年完成的研究發(fā)現(xiàn)，習(xí)慣后足落地模式跑步者的反復(fù)壓力損傷發(fā)生率比習(xí)慣中足落地模式和前足落地模式的跑步者高2.5倍[8]。即使身體可以適應(yīng)這種壓力，但是超過組織極限的重復(fù)性壓力也會(huì)使運(yùn)動(dòng)員處于一種過度損傷的風(fēng)險(xiǎn)中[66]。但是也有研究認(rèn)為在前足落地模式上，垂直方向的地面反作用力增加，可能使跑步者處于更高的過度使用損傷的風(fēng)險(xiǎn)中[66]。這一研究結(jié)果是基于另一種研究假設(shè)，即更高的垂直方向的地面反作用力與更高的過度使用損傷風(fēng)險(xiǎn)密切相關(guān)[3]。一項(xiàng)回顧性研究表明，對(duì)于越野跑跑步者，前足落地模式比后足落地模式的損傷率低[8]。

一項(xiàng)關(guān)于前足落地模式和后足落地模式的3D生物力學(xué)分析表明，前足落地模式更適合于膝關(guān)節(jié)在前后軸上不穩(wěn)定的跑步者，后足落地模式更適合于踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定的跑步者。由于前足落地模式在膝關(guān)節(jié)有更低的髕股關(guān)節(jié)接觸力，所以它被更多地推薦給有不穩(wěn)定前交叉韌帶、膝關(guān)節(jié)前側(cè)疼痛和膝關(guān)節(jié)軟骨退化的跑步者[40]。

5 轉(zhuǎn)變落地模式對(duì)下肢生物力學(xué)以及運(yùn)動(dòng)損傷的影響

盡管75%到99%的跑步者使用后足落地模式[2，67，68]，但很多研究者依舊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，支撐期沒有后足落地模式支撐期出現(xiàn)的峰值沖擊，所以，當(dāng)跑步者從后足落地模式轉(zhuǎn)為前足落地模式時(shí)，可以減輕跑步者髕骨和股骨的壓力，緩解脛前應(yīng)力綜合征[69]。

與前足落地模式相比，后足落地模式的跑步者由于吸收力的區(qū)域不同，有更高的損傷率。一項(xiàng)調(diào)查顯示，使用前足落地模式的跑步者踝關(guān)節(jié)吸收更多的力，膝關(guān)節(jié)吸收更少的力[70]。使用后足落地模式的跑步者相反，其膝關(guān)節(jié)吸收更多的力，而踝關(guān)節(jié)吸收更少的力。因此，推薦有膝關(guān)節(jié)疼痛的跑步者采用前足落地模式[40]。

很多研究已經(jīng)證實(shí)，選擇后足落地模式或者中足落地模式并不能改變接觸過程中的總力，它只是將力傳遞到不同的關(guān)節(jié)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，而后足落地模式則在膝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)周圍的肌肉吸收更多的力量。所以，選擇一項(xiàng)落地模式，并不會(huì)改變接觸地面產(chǎn)生的總力，它只是改變了身體吸收力量的位置。轉(zhuǎn)變落地模式時(shí)需要考慮構(gòu)建合適的肌肉激活模式來(lái)使運(yùn)動(dòng)損傷風(fēng)險(xiǎn)最小化[19]。

受到前足落地模式在職業(yè)跑步者中十分流行的影響，大部分業(yè)余跑步者將習(xí)慣的后足落地模式轉(zhuǎn)為前足落地模式[2，67，68]。當(dāng)習(xí)慣后足落地模式的跑步者，被訓(xùn)練轉(zhuǎn)為前足落地模式時(shí)，可以觀察到，這些跑步者有能力復(fù)制出前足落地模式在矢狀面上應(yīng)有的力學(xué)機(jī)制。當(dāng)他們轉(zhuǎn)為前足落地模式時(shí)，總的正平均功率和負(fù)平均功率分別增長(zhǎng)了17%和9%。這種增長(zhǎng)可能與肌肉增加做功有關(guān)，這可能會(huì)降低跑步成績(jī)[41]。

當(dāng)習(xí)慣后足落地模式的跑步者轉(zhuǎn)為前足落地模式時(shí)，腓腸肌和比目魚肌肌肉力量的薄弱會(huì)增加跑步者的損傷風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)習(xí)慣前足落地模式的跑步者轉(zhuǎn)為后足落地模式時(shí)，脛骨前肌肌肉力量的薄弱會(huì)增加跑步者的損傷風(fēng)險(xiǎn)[31]。研究表明，采用后足落地模式跑步者的小腿肌肉會(huì)限制他們適應(yīng)前足落地模式[27]。在適應(yīng)前足落地模式的過程中，跑步者要經(jīng)歷明顯的小腿肌肉疲勞和延遲性肌肉酸痛[41]。因此是否轉(zhuǎn)變落地模式，取決于哪個(gè)關(guān)節(jié)正在承擔(dān)著過度的負(fù)荷。

研究表明，采用前足落地模式的跑步者會(huì)對(duì)踝關(guān)節(jié)額外增加約1.3倍體重的負(fù)荷[42]，這意味著從后足落地模式轉(zhuǎn)變?yōu)榍白懵涞啬Ｊ降呐懿秸撸仨毧紤]踝關(guān)節(jié)的一些損傷因素。比如跑步者必須提前增加踝關(guān)節(jié)的靈活度來(lái)適應(yīng)前足落地模式所必要的活動(dòng)度。如果跑步者不具備足夠的踝關(guān)節(jié)活動(dòng)度，那么重復(fù)的應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致?lián)p傷[66]和前交叉韌帶的問題[32]。而后足落地模式更高的瞬時(shí)和平均負(fù)荷比率可能導(dǎo)致脛骨應(yīng)力性骨折[71]。

6 小結(jié)

以往研究表明前足落地模式和后足落地模式在下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和肌肉激活上存在差異，不同的跑步落地模式會(huì)影響運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生率及損傷發(fā)生部位。然而，對(duì)于不同跑步落地模式的下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的研究多為矢狀面上的二維研究，對(duì)于合并冠狀面、水平面的三維運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的研究較少。有研究發(fā)現(xiàn)，在跑步過程中，尤其是采用前足落地模式時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的橫向剪切應(yīng)力，可能進(jìn)一步增加跑步損傷風(fēng)險(xiǎn)[39]。因此，在矢狀面研究得到的結(jié)論需要更多的三維平面的研究支持。

而且，目前針對(duì)跑步不同落地模式肌肉活動(dòng)的研究相對(duì)有限，對(duì)于轉(zhuǎn)變落地模式的生物力學(xué)機(jī)制還不夠清楚，需要更進(jìn)一步的研究。