不同著地方式對跑步支撐期下肢生物力學特征的影響

張瑞全

（滁州城市職業(yè)學院，安徽 滁州 239000）

一、資料與方法

（一）一般資料

跑步時通常有三種不同的著地方式：腳尖著地（forefoot strike，FFS）、前腳掌著地（midfoot strike，MFS）和腳跟著地（heelfoot strike，HFS）。在無外力干擾的情況下，人在地球表面主要受到兩種力的作用，一種是由于地球引力而產生的重力，一種就是來自于地面的反作用力。如若把人看成一個整體來說，這些力的作用是垂直與地面的，但是人體也可以看成由很多零件組成的，骨骼承受的力作用并不明顯，各種力的作用主要明顯的體現在人體關節(jié)處。由于人處于不斷的運動之中，關節(jié)承受的力因活動而不再是簡單的垂直向上向下，形成了各種拉伸力、壓迫力、剪切力或各種復合力。因而跑步時不同的著地方式對人體下肢有不同的影響。早期人們普遍認為腳后跟著地的跑步方式是最正確的跑步方式，實際調查表明確實是跑步時腳跟著地的人占絕對性壓倒優(yōu)勢，占80%。腳尖著地最少占8%，前腳掌著地的占比居中。支持腳后跟落地的人群甚至杜撰了一系列完整的理論，認為腳后跟因為有肉因而有更好的緩沖作用。其實不然，腳底部位的脂肪厚度基本是一致的，并沒有什么明顯區(qū)別。人們對腳跟著地方式的熱愛來自于生活中走路喜歡用腳跟著地，這也得益于我們穿的鞋子通常對腳后跟起到了很好的保護作用。拋去鞋子的作用采用宏觀醫(yī)學和生物力學的視角來看，結果會有顯著的不同。

（二）研究方法

采用征集志愿者方式進行實驗研究，實驗分為兩項，一項運用測重力設備進行測試研究受試者體重與落地時所受的反作用力（Ground Reaction Force，簡稱GRF）的關系。一項研究地面反作用力對整個下肢關節(jié)的整體影響。

1、運用測重力設備進行測試研究受試者體重與落地時所受的反作用力（Ground Reaction Force，簡稱GRF）的關系。為了更加直觀真實的發(fā)現不同著地方式對跑步支撐期下肢生物力學特征的影響，我們分別做了三組實驗。第一組實驗，我們征集了30名受試者，近1年均無下肢損傷病史，10人為一組分別運用不同的著地方式進行跑步運動，運用測重力設備進行測試研究受試者體重與落地時所受的反作用力（Ground Reaction Force，簡稱 GRF）的關系。

2、研究地面反作用力對整個下肢關節(jié)的整體影響 在采集相關反作用數據研究的基礎上，為了進一步研究地面反作用力對整個下肢關節(jié)的整體影響，我們采用8鏡頭紅外高速運動捕捉系統(Motion Analysis Raptor-4,USA,200Hz)及三維測力臺(Kistler 9281CA,Switzerland,1000Hz)同步采集了受試者跑步步態(tài)運動學和動力學數據,進行相關的下肢生物力學研究。由于腳尖著地方式主要應用于短跑運動員，并不適合長期使用也不符合大眾健身的需要，我們這次實驗只針對前腳掌著地方式和足跟類著地方式進行，分別采用獨立樣本T檢驗和配對T檢驗進行對比分析，統計分析的顯著性標準定為一類誤差概率不大于0.05。

二、結果

（一）運用測重力設備進行測試研究受試者體重與落地時所受的反作用力 （Ground Reaction Force，簡稱GRF）的關系。實驗結果如下圖:

A1組是由采用腳尖著地跑步方式的受試人群組成，從實驗數據來看腳尖落地時間較短，落地90m左右地面對身體造成的沖擊力最大，整個曲線近似拋物線趨勢，只有一個小高峰。

A2組是由采用前腳掌著地跑步方式的受試人群組成，從實驗數據來看落地時間較腳尖著地方式所用的時間長長，線型也是近似拋物線形式，只有一個峰值且峰值與A1組近似，但整體趨勢較A1組緩和。

A2組是由采用前腳掌著地跑步方式的受試人群組成，從實驗數據來看落地時間與前腳掌著地方式所用時間近似，整體線型起伏較大，有兩個高峰值，第一高峰趨勢陡峭，下降后回升較緩。

三組實驗人員均在統一實驗場地進行測驗，足型標準且無外穿鞋襪，最大程度上排除了外來因素的干擾。由上述三圖實驗數據我們可以直觀明顯地看到三種不同著地方式對人體產生的反作用力的差異?？v軸表示地面反作用力的大小，它和體重是倍數關系。三組實驗人員在跑步過程中地面對腳產生的反作用力都至少是自身的兩倍體重。橫軸表示的時間以毫秒為單位，在跑步過程中著地的時間，雖因人而異或因速而變化，但大多人會在300毫秒之內（大約1/3秒）。腳尖著地方式因為在跑步過程中腳跟永不落地，也就是我們常說的踮腳跑，著地時間明顯縮短，在200毫秒之內，因而短跑運動員跑步姿勢一般都是典型的腳尖著地。圖三與圖二相較，曲線描繪出了從腳后跟著地至腳掌離開面過程中地面反作用力的變化。第一個峰值我們也稱為被動峰值，是由于腳后跟接觸地面的瞬間沖擊，地面給人身的反作用力，沖擊力峰值基本上能夠反映出此時地面對腳和小腿沖擊力并不弱，已經達到接近人體體重2.2倍的沖力。第二個峰值我們也成為主動峰值，一般出現在著地過程的中間時刻，此時沖擊力主要來自腳支撐身體的重量。很明顯第二次沖擊力峰值比第一次大，時間長，這是很典型的現象[2]。但是就沖擊力對人體的傷害而言，被動峰值點由于時間緊湊對人體的傷害往往比主動峰值還要大，這就好比人們平時說的緩沖前與緩沖后的區(qū)別。

（二）研究地面反作用力對整個下肢關節(jié)的整體影響結果

由此我們得出結論，（1）習慣足跟著地者跑步時下肢動作與習慣前腳掌著地者有一定差異。例如,習慣足跟著地者著地后髖關節(jié)運動和膝關節(jié)緩沖幅度更大,著地后地面垂直反作用力加載率更大,同時膝關節(jié)負荷也較大,但髖關節(jié)和踝關節(jié)負荷較小。（2）習慣足跟著地者即刻轉變?yōu)榍澳_掌著地后,與習慣前腳掌著地者的動作存在差異。例如髖關節(jié)運動幅度依然較大,著地時膝關節(jié)屈角較大,但著地后地面垂直反作用力加載率更低,髖、膝、踝三關節(jié)負荷均更小。（3）足跟著地即刻轉變?yōu)榍澳_掌著地后,髖關節(jié)與膝關節(jié)負荷減少,但是踝關節(jié)負荷增加。

三、討論

（一）垂直沖擊力與跑步損傷發(fā)生率關系

結合兩項實驗證明前腳掌著地方式中第一次沖擊力峰值的消失，是由于前腳掌著地方式，通過足弓、跟腱和小腿肌肉代替腳跟吸收了沖擊力。下肢更多是隨著前腳掌著地而緩沖，不是直接的硬碰硬，使垂直沖擊速率變的緩和。這與傳聞恰好相反，腳前掌落地比足跟落地更具有緩沖作用。研究顯示，高的垂直沖擊速率與下肢應力性骨折有一定的聯系。研究結果也的確顯示了垂直沖擊力峰值越高、垂直沖擊速率越大，跑步損傷發(fā)生率越高。因此降低垂直沖擊速率，也就是說學會緩沖，可以預防跑步損傷。這就是為什么高水平中長跑運動員所采用的動作技術會要求運動員在著地后，膝關節(jié)要積極下壓，目的就是要增加緩沖。所以如果在沒有任何保護的前提下，用足跟著地方式進行跑步訓練無疑會對身體造成嚴重損傷，這好比赤手空拳打向墻面，拳頭會很快停下來，產生非常大的沖擊力，你的手會感到疼痛，甚至骨折。如果你帶上一副拳擊手套，用同樣的力打擊墻面，手套里面緩沖墊會緩沖沖擊力并在這段時間分散沖擊力，所以，你不會受傷并且手沒有骨折的危險。覺得足跟跑步舒服應該是發(fā)明鞋子后文明世界的產物。

另外即刻轉變習慣性著地方式后，由于之前習慣性原因和關節(jié)肌肉的習慣性契合，使得著地方式對下肢生物力學的影響有所偏差。因而要糾正跑步著地方式，即興無目的地自發(fā)改變是盲目的，沒有效果甚至是有害的。因為從生物力學分析角度來看，前腳掌著地方式的確比足跟落地方式有更好的緩沖作用，但這僅僅是從外力而言，從內力而言（內力主要是肌肉收縮力），前腳掌著地大大增肌了小腿、足底等部位肌肉等軟組織的緊張度，因為只有這些部位緊張收縮才能緩沖地面作用力，而習慣足跟落地的人群平時得不到很好的相應肌肉鍛煉，當前腳掌著地時就感覺小腿足底十分疲勞，當我們用前腳掌著地奔跑時，小腿的肌肉、跟腱、足底腱膜此時發(fā)揮了較大的緩沖作用，換言之同時也增加了小腿三頭肌、跟腱、足底腱膜的拉應力，甚至會引發(fā)小腿脛骨應力綜合征、跟腱炎、足底筋膜炎等問題。所以對于中足寬大，足弓正常，小腿柔韌性良好，改變著地方式可以一試，或許可以解決膝痛問題。而對于那些患有跟腱炎，足底筋膜炎的跑友而言，前腳掌著地只會加重你的傷病。

（二）著地方式對人體下肢生物力學的影響

關于正規(guī)的跑步姿勢實際上早有研究，就是著名的pose跑步法。為了提高訓練的效果和實驗的準確性，我們聘請了專業(yè)的健身教練對習慣足跟跑的實驗人員進行了專門的指導訓練。與習慣前腳掌著地者相比,習慣足跟著地者在經過一個月的POSE跑法訓練后,著地時下肢動作更加接近習慣前腳掌著地者的跑步特征,但髖關節(jié)和膝關節(jié)受力的加載率降低。這個實驗表明POSE跑法的訓練可以使習慣足跟著地者成為前腳掌著地的跑步者,同時在跑步時還能進一步降低髖關節(jié)和膝關節(jié)的負荷。對于學不會前腳掌著地跑步姿勢的人員和本身患有足底筋膜損傷的人員，健身教練給出建議，可以改變步頻，或者是減小每步的幅度，如果步數小的話，腳跟著地方式本身是沒有問題的，就如同我們平時走路更習慣于腳跟走路，卻很少有人因為走路而引起下肢損傷。對于健身教練提出的建議我們也做了相關實驗。

實驗結果表明減小步幅對保護我們的膝關節(jié)和髖關節(jié)也有明顯的優(yōu)勢。對此我們分析，著地方式對人體下肢生物力學的影響關鍵是看跑步時我們的重心位置，要想保護我們的下肢不受損傷，關鍵是要使腳接觸地面時的位置應當在身體重心的正下方（或者說基本在臀部正下方）。當著地位置過于靠前，超過身體重心，膝蓋被迫伸直，才會導致更大的垂直沖擊速率，更大的垂直沖擊速率迫使身體在短時間內吸收更大的來自地面的反作用力，也就是說迫使骨骼、肌腱、肌肉非常快的吸收地面的反作用力，這樣就會增加損傷的可能性。最佳的步頻是在每分鐘180—190步之間，如果你的步頻170以下，可能就是跨大步，而跑步者自身無法覺察。所以使用節(jié)拍器，來調整跑步者的步頻很有必要，讓步頻加快，步幅縮小，有助于讓你的著地點不會偏離重心太遠，這樣就可以有效減少地面的垂直沖擊速率。由此看來腳跟著地與膝傷沒有必然聯系，但是腳跟著地容易產生一種錯誤跑姿——甩腿跑，這會導致在腳著地時膝蓋過直，著地點在身體重心的之前，這不僅產生了剎車效果，還使得著地瞬間沖擊直接作用于膝蓋，導致膝蓋受到沖擊力。越野跑名將杰里科和塔拉烏拉馬的跑者（原住民天生善跑者）?？幢荣惪梢园l(fā)現杰里科和塔拉烏拉馬的跑者著地方式是不同的，杰里科腳尖向上（腳跟著地），塔拉烏拉馬的跑者腳尖向下（前腳掌著地）。但有研究者研究發(fā)現兩者的跑步都非常有效率，他們的共同點是前腿觸擊地面都在臀部的正下方，此時他們的垂直沖擊速率最小。有趣的是杰里科（腳后跟著地）穿著跑鞋，而塔拉烏拉馬人穿著涼鞋。造成相關跑步損傷并不是由腳跟著地引起的，而是因為跨大步（跨大步引起腳跟著地，而腳跟著地不一定是跨大步的）。同樣跑步姿勢的情況下，選擇適當的跑鞋更能保護腳跟著地者的下肢。

綜上我們總結出，足跟跑更容易對下肢造成損傷，轉換跑步著地方式要循序漸進，pose跑步法能夠很好的糾正著地方式，減少下肢損傷。在足跟著地方式不能選用的情況下，無論前腳掌著地，還是腳跟著地都是可以的，重要的是在于腳著地時位置應當在臀部的下方，且落地較為輕盈。前腳掌落地著地方式自然而然帶動身體前傾，腿后拉，重心前移，可以自動減少沖擊。腳跟著地方式80%會造成跨大步，腿前伸，重心后傾加重膝關節(jié)損傷。針對糾正腳跟著地跑姿問題，建議不要選用后跟帶氣墊的鞋子，雖然目的在于緩沖地面對我們的沖擊力，但這樣會加重我們對用腳跟先著地方式的依賴。[4]剛開始跑步時就要注重跑姿，應用pose跑步法，剛開始參加鍛煉的朋友，由于小腿肌肉不夠強壯，可以先跑一段再走一段，逐漸由全腳滾動式著地過渡到全腳掌著地。在慢速跑步情況下，可以適當選用足跟著地方式；在快速跑步中，中足著地能更加避免下肢損傷（中速跑步頻步幅往往加大）。