跑步運(yùn)動中觸地模式對跟腱生物力學(xué)影響的研究進(jìn)展

謝彥彤，趙一瑾，黃國志，曾 慶，詹曉佳

(南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，廣州510280)

跑步運(yùn)動作為一種經(jīng)濟(jì)、有效的鍛煉方式在世界范圍內(nèi)廣泛流行。由于跑步運(yùn)動的重復(fù)性，與跑步相關(guān)的運(yùn)動損傷比較普遍，許多跑者都遭受著傷病的困擾，超過30%的跑者在1年內(nèi)因跑步運(yùn)動而受傷，新手跑者的受傷率更高[1-3]。其中大多數(shù)損傷被認(rèn)為是組織的重復(fù)負(fù)荷與適應(yīng)能力之間存在不平衡所致的過度使用損傷[4]。跟腱損傷是最常見的跑步相關(guān)損傷之一，每年有10.2%的跑者會發(fā)生跟腱損傷[5]。跟腱是具有特殊的、機(jī)械特性的敏感組織，能夠響應(yīng)和適應(yīng)肌肉傳遞的負(fù)荷，是連接足跟與足跖屈肌的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，主要承擔(dān)運(yùn)動時腓腸肌和比目魚肌收縮力的傳遞，是下肢在進(jìn)行跑步、跳躍動作時有效完成力與能量儲存和釋放的關(guān)鍵部位[6]。同時，跟腱也是最常見的肌腱超負(fù)荷損傷部位，在跑步時，跟腱重復(fù)地承受著相當(dāng)于跑步者體重3～5倍的負(fù)荷，最高可傳遞8倍于體重的壓力[7-9]。跟腱損傷可引起疼痛、腫脹等癥狀，甚至導(dǎo)致運(yùn)動障礙，影響患者的正常生活[10]。近年來對跑步相關(guān)跟腱損傷的研究逐漸增多，相關(guān)研究提示，跑步過程中不同的觸地模式會對跟腱的生物力學(xué)產(chǎn)生不同的影響，這可能與跑步相關(guān)的跟腱損傷存在關(guān)聯(lián)[11-13]。不同跑步觸地模式中跟腱生物力學(xué)的改變可能對其功能表現(xiàn)和損傷傾向具有重要意義，現(xiàn)就跑步運(yùn)動中不同的跑步觸地模式對跟腱生物力學(xué)的影響予以綜述。

1 跑步運(yùn)動中觸地模式的分類及影響因素

1.1跑步中觸地模式的分類 足觸地模式是根據(jù)足或鞋與地面接觸時所采用的部位劃分的。跑步運(yùn)動中的觸地模式主要分為3種：后足觸地模式，足跟先觸地，是最常見的觸地模式，在穿傳統(tǒng)跑鞋的業(yè)余跑者中有高達(dá)95%的人采用后足觸地的跑步模式[14]；中足觸地模式，足跟和腳掌同時接觸地面；前足觸地模式，前腳掌先于足跟接觸地面[15]。另一種更精確的測量足部觸地模式的方法是通過測量足部初觸地時壓力中心的位置進(jìn)行判斷的，觸地指數(shù)即壓力中心位置占足部長度的百分比，當(dāng)觸地指數(shù)為0%～33%時為后足觸地模式，當(dāng)觸地指數(shù)為34%～67%時為中足觸地模式，當(dāng)觸地指數(shù)為68%～100%時為前足觸地模式[16]。由于采用中足觸地及前足觸地模式的跑者相對較少，因此在部分研究中常將中足觸地歸為前足觸地模式進(jìn)行研究，此時的前足觸地模式即指足部接觸地面的位置在踝關(guān)節(jié)前方[17-19]。

1.2跑步中觸地模式的影響因素 在跑步過程中，觸地模式受多種因素的影響，主要包括歩頻、穿鞋類型、地面坡度、疲勞程度等。Allen等[20]的研究觀察了40位習(xí)慣后足觸地的跑者在跑步機(jī)上以不同歩頻跑動時的觸地情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)歩頻較初始自然歩頻提高>10%時，跑者的觸地模式可轉(zhuǎn)變?yōu)榉呛笞阌|地模式。有系統(tǒng)性綜述研究表明，相較于穿跑鞋的跑者，裸足跑者更傾向采用前足或中足觸地模式[21]。另外，還有研究發(fā)現(xiàn)，習(xí)慣前足觸地的跑者在長時間的跑步過程中會由于疲勞而逐漸向中足觸地模式過渡[22]。

2 跟腱的結(jié)構(gòu)、組成與生物力學(xué)特性

2.1跟腱的結(jié)構(gòu)、組成 跟腱的結(jié)構(gòu)與組成決定了其功能和性質(zhì)。跟腱是腓腸肌和比目魚肌的肌腹下端移行的腱性結(jié)構(gòu)，長度約為15 cm，止于跟骨結(jié)節(jié)，止點上方2～6 cm處血管分布相對稀疏，易發(fā)生腱性結(jié)構(gòu)缺血退變，跟腱的撕裂、斷裂等損傷大多發(fā)生于此段。跟腱由少量細(xì)胞和大量細(xì)胞外基質(zhì)構(gòu)成，膠原纖維在跟腱內(nèi)含量豐富，粗細(xì)均勻，排列整齊，與肌腱長軸平行，具有高度的抗張能力，是傳導(dǎo)應(yīng)力的主要結(jié)構(gòu)。跟腱的膠原纖維由Ⅰ型、Ⅲ型和Ⅴ型膠原組成，其中Ⅰ型膠原約占跟腱干重的60%，占總膠原量的95%，Ⅲ型和Ⅴ型膠原含量相對較少[23-24]。

2.2跟腱的生物力學(xué)特性 跟腱是一種黏彈性結(jié)構(gòu)，具有蠕變(跟腱受到恒定外力時，跟腱的形變隨著時間的延長而增大)、應(yīng)力松弛(將肌腱固定在一定的形變之下，內(nèi)部達(dá)到一定的應(yīng)力，隨著時間的延長，應(yīng)力逐漸減小)等黏彈性特征。縱向膠原纖維是成熟肌腱組織的主要承重成分。肌腱纖維可承受50～100 N/mm2的應(yīng)力，在無負(fù)荷狀態(tài)下，肌腱膠原纖維呈輕度波浪狀；當(dāng)負(fù)載時，膠原纖維變直，卷曲幅度和頻率降低，并變得更整齊；拉伸至總長度的2%時，膠原纖維的波紋消失；當(dāng)被拉伸至總長度的4%時，膠原纖維不會產(chǎn)生微斷裂，而當(dāng)繼續(xù)被牽拉超過總長度的4%時，膠原纖維就會滑行過度，使交聯(lián)斷裂，發(fā)生纖維微斷裂；如果再進(jìn)一步施加應(yīng)力，膠原纖維就會撕裂[25-26]。在運(yùn)動過程中，肌腱可通過改變其組成和力學(xué)性能來適應(yīng)機(jī)械負(fù)荷，跟腱能承受的最大應(yīng)力是由跟腱的橫截面積決定的，跟腱通過增厚來適應(yīng)負(fù)荷的增加，表現(xiàn)為跟腱橫截面積的增大，但這與跟腱疾病的病理性肥厚不同。Hullfis等[27]研究發(fā)現(xiàn)，大學(xué)生長跑運(yùn)動員組的跟腱厚度較健康對照組大。

3 跑步運(yùn)動中各種觸地模式對跟腱生物力學(xué)的影響

在跑步時，下肢肌肉在觸地前會被預(yù)激活，而后迅速進(jìn)入離心收縮，緊接著進(jìn)入向心收縮。前足觸地模式的跑者足與地面接觸的時間通常少于后足觸地模式的跑者[28]。在后足觸地模式中，觸地時足通常落在膝蓋和臀部的前方，膝蓋相對伸展，踝關(guān)節(jié)相對背屈、輕微外展，跟腱延長；當(dāng)跑者的腳掌在開始觸地后，膝關(guān)節(jié)屈曲，隨著踝外翻，腳掌迅速彎曲，踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)變成跖屈，伸膝的肌肉通過做離心運(yùn)動來克服地面的反作用力。一般而言，采用后足觸地模式跑者的步幅較大，重心在垂直方向的位移變化顯著，在支撐期前10%～12%會出現(xiàn)地面反作用力的峰值[29]。與之相反，采用前足觸地模式的跑者膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)更容易彎曲，通常在第4或第5跖骨處與地面接觸，跑者在短時間的沖擊中同時做足的外翻和背屈，使踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)有更高的順應(yīng)性。前足觸地模式使足與地面接觸面積減小了25%～63%，垂直反作用力峰值減小了15%～33%；與后足觸地模式相比，前足觸地模式會在踝關(guān)節(jié)周圍產(chǎn)生更大的跖屈內(nèi)力矩以對抗背屈外力矩，這使跖屈肌能夠更有效地儲存和釋放能量；同時，踝背跖角度的顯著增加也使前足觸地模式跑者在支撐相前期跟腱受到的機(jī)械應(yīng)力大于后足觸地跑者[30-34]。在后足觸地模式中，觸地時和支撐相均會出現(xiàn)地面垂直反作用力的峰值，而前足觸地模式中僅在觸地時出現(xiàn)1個峰值[31]。在中足觸地模式中，關(guān)節(jié)、肌肉的運(yùn)動在運(yùn)動學(xué)方面的表現(xiàn)一般是中等的[22，35-36]。

Huang等[37]對19位健康跑者進(jìn)行了12次步態(tài)調(diào)整試驗，進(jìn)行了包括3種觸地模式(后足、中足和前足)，2種步頻(自然歩頻和自然歩頻增加10%)以及2種軀干前傾姿勢(自然姿勢和自然姿勢前傾增加10°)的調(diào)整，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前足觸地結(jié)合步頻增加時沖擊載荷率最低，后足觸地結(jié)合軀干前傾模式時沖擊載荷率最高。有一項研究采集了40位休閑跑者在4種速度和3種穿鞋模式下跑步時的下肢肌肉肌電圖，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用前足觸地模式的跑者比后足觸地模式的跑者初始接觸地面前激活踝腓腸肌的時間提前了11%，持續(xù)時間延長了10%[38]。較早地激活腓腸肌不僅可以使踝關(guān)節(jié)屈曲為落地做好準(zhǔn)備，還可以提高被動結(jié)構(gòu)(如跟腱)在支撐早期儲存彈性能量的能力。腓腸肌的預(yù)激活也通過在觸地前拉伸跟腱來增加小腿彈性組織的即時存儲能力。在觸地前如果跟腱處于緊張狀態(tài)，觸地時的力量會使跟腱得到更大的拉伸，從而使彈性得到更大的儲存，增加跟腱和腱膜結(jié)締組織中彈性能量的儲存[31，39-40]。Lyght等[11]的研究納入了19位女性跑者，通過測量、計算后足觸地和前足觸地模式在不同歩頻下跑動時跟腱的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率等生物力學(xué)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在女性后足觸地模式下跑動時，跟腱的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變速率峰值會更低，同時無論足的觸地模式如何，當(dāng)步頻高于自然歩頻的5%時，跟腱應(yīng)力和應(yīng)變峰值均會降低。另外，有一項研究招募了30位習(xí)慣后足觸地的男性業(yè)余跑者，將其隨機(jī)分為前足觸地訓(xùn)練組和極簡跑鞋組，其中前足觸地訓(xùn)練組穿著極簡跑鞋進(jìn)行12周中等強(qiáng)度的自選速度的前足觸地跑步訓(xùn)練，極簡跑鞋組則采用自然的后足觸地模式訓(xùn)練，研究結(jié)束后發(fā)現(xiàn)兩組跑者跟腱的應(yīng)力、應(yīng)變均有增加，而跟腱的橫截面積無明顯改變；但兩組在12 km/h(±5%)速度下跑步時的跟腱應(yīng)力峰值顯著增加，且前足觸地訓(xùn)練組這一變化更加顯著[12]。然而，另一項針對41位訓(xùn)練有素的男性長跑運(yùn)動員參與的研究發(fā)現(xiàn)，前足、中足和后足觸地模式的跑者的跟腱橫截面積并無顯著的差異[30]。

4 跑步觸地模式與跟腱運(yùn)動損傷的關(guān)系

基于目前的研究結(jié)果，跑步過程中的觸地模式與跑步相關(guān)跟腱損傷關(guān)系的結(jié)論仍存在矛盾。采用前足觸地模式的跑者踝關(guān)節(jié)被屈的角度更小。一項前瞻性研究招募了69位男軍官學(xué)員進(jìn)行了為期6周的基本軍事訓(xùn)練，并進(jìn)行人體學(xué)特征、等速踝關(guān)節(jié)肌力、踝關(guān)節(jié)活動度和跟腱硬度等指標(biāo)的測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)踝背屈偏移量可能是跟腱過度使用損傷的重要預(yù)測因素[41]。Wei等[42]觀測了78位男性跑者的觸地模式和足底負(fù)荷情況，認(rèn)為非后足觸地模式跑者在跑步時前足承受負(fù)荷高，代償性地使跟腱負(fù)荷率增加了15%，同時每一步的沖量增加了11%，這可能與跟腱的代償性損傷有關(guān)。另外一項納入了35位女性跑者的跟腱橫參數(shù)的斷面研究發(fā)現(xiàn)，盡管非后足觸地模式下的跟腱負(fù)荷較高，但習(xí)慣非后足觸地跑者的跟腱橫截面積并無顯著增大，這可能增加了跟腱相關(guān)損傷的風(fēng)險[43]。然而，Warr等[44]針對341位美國男性軍人跑步觸地模式的研究發(fā)現(xiàn)，在采用3種不同跑步觸地模式的男性軍人中，運(yùn)動量基本相同的情況下，下肢跑步相關(guān)損傷的發(fā)生率并無顯著差異。另一項納入了某高校越野跑52位長跑運(yùn)動員的回顧性研究發(fā)現(xiàn)，74%的跑者每年都曾經(jīng)歷中度或重度的跟腱損傷，但跟腱損傷的發(fā)生率在習(xí)慣前足觸地和后足觸地的跑者間無顯著差異[45]。專業(yè)的跑者在日常訓(xùn)練中除了進(jìn)行跑步訓(xùn)練外，還會進(jìn)行跟腱離心訓(xùn)練及跟腱重復(fù)負(fù)重訓(xùn)練以增強(qiáng)跟腱剛度和橫截面積，這可能在一定程度上增強(qiáng)了跟腱在觸地過程中對負(fù)荷的適應(yīng)能力，從而降低了跟腱損傷的發(fā)生率。在不同的觸地模式中，跑步中前足觸地模式下跟腱受到的機(jī)械應(yīng)力會更多，而后足觸地模式可降低跟腱的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變速率，但觸地時受到的垂直反作用力更高，而這些生物力學(xué)上的不同是否與跟腱損傷有必然聯(lián)系，目前的研究尚未得出確切的結(jié)論。

5 小 結(jié)

目前尚無明確的證據(jù)表明特定的觸地模式與跑步相關(guān)的跟腱損傷有關(guān)，且研究存在較多局限性：研究多為在室內(nèi)跑步機(jī)上進(jìn)行的小樣本研究，且受試者間的基本資料差異較大；跟腱的生物力學(xué)特性受到多種因素影響，現(xiàn)有研究未能消除這些混雜因素影響；觸地時足部翻轉(zhuǎn)角度及橫向切力等其他維度對跟腱生物力學(xué)影響的研究較少；觸地模式與跟腱損傷關(guān)系的研究多為回顧性研究，跟腱損傷的判定主要為醫(yī)學(xué)診斷，一些癥狀輕、持續(xù)短的跟腱損傷被忽略，以致影響研究結(jié)果。在未來的研究中，科研工作者應(yīng)擴(kuò)大樣本量、完善試驗設(shè)計、增加觀察指標(biāo)，進(jìn)一步明確跑步觸地模式對跟腱生物力學(xué)及跟腱損傷的影響，為跑者選擇合適的觸地模式提供依據(jù)，降低跑步相關(guān)跟腱損傷的發(fā)生率。