步頻和步長的改變對下肢生物力學(xué)的影響研究進展

上海體育學(xué)院，運動健身科技省部共建教育部重點實驗室（上海200438）

跑步已成為我國目前參與度最高的運動項目之一。數(shù)據(jù)顯示我國2013～2018年舉辦的馬拉松賽事由39場增至1287場，參賽人次由75萬增至536 萬[1]。然而，與全民跑步熱潮空前高漲相對應(yīng)的，卻是跑步損傷發(fā)生率的居高不下。最新研究表明，跑步受傷風(fēng)險比其它類型的有氧運動如游泳和自行車等都要高[2]。每年有27%～70%的跑者經(jīng)受諸如膝關(guān)節(jié)炎等跑步損傷；63%的跑者在其跑步生涯中有過下肢損傷史；23%的跑者遭受了持續(xù)時間超過6個月的損傷（如髕股關(guān)節(jié)疼痛等）[3]。

跑步損傷多為過勞性損傷（overuse injuries），其原因大致可歸為三類：訓(xùn)練、解剖結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)因素。在生物力學(xué)因素中，沖擊力和負載率與過勞性損傷有著密切關(guān)系。已有研究發(fā)現(xiàn)，相比于健康跑者，有應(yīng)力骨折史的跑者具有更大的垂直負載率[4]；此外，諸如足底筋膜炎[5]、髕股關(guān)節(jié)疼痛[6]以及慢性疲勞性筋膜室綜合征[7]中也有沖擊負荷過大的現(xiàn)象。沖擊力主要受速度[8]、跑鞋/表面[9]、坡度[10]、跑姿[11]、步長[12]、步頻[13]等的影響。步頻和步長是跑步中兩個重要的參數(shù)，步頻指單位時間內(nèi)的步數(shù)，一般用步/分鐘來表示；而步長指同一只腳兩次連續(xù)觸地之間的距離，一般用米表示[14]。近些年來，隨著“裸足”運動的興起[15，16]和極簡跑鞋的流行[11]，針對通過改變步頻、步長進行跑姿訓(xùn)練（gait retraining）的研究日漸增多，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在恒定速度下增加步頻或減少步長可以降低沖擊力[13]，并對下肢運動學(xué)[17]、動力學(xué)[18]以及肌肉活化[19]等產(chǎn)生顯著作用。

由此可見，步頻/步長調(diào)整可引起相關(guān)力學(xué)參數(shù)的變化，進而對跑步損傷風(fēng)險產(chǎn)生影響。但目前鮮有針對步頻/步長對下肢生物力學(xué)影響及其與跑步損傷關(guān)系的全面綜述。本研究通過對國內(nèi)外有關(guān)步頻/步長對下肢生物力學(xué)影響的研究進行系統(tǒng)回顧，一方面探討步頻和步長的即刻改變對下肢跑步運動學(xué)、動力學(xué)以及肌電等的影響，另一方面，剖析長時間步頻和步長干預(yù)訓(xùn)練的生物力學(xué)適應(yīng)機制，歸納跑姿訓(xùn)練（步頻/步長訓(xùn)練）在當前國內(nèi)外生物力學(xué)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，以期為降低跑步受傷風(fēng)險以及損傷康復(fù)提供參考。

1 文獻檢索和梳理方法

1.1 文獻檢索策略

本研究檢索的英文數(shù)據(jù)庫為PubMed、Web of Science和EBSCO 等，時間為1985年1月1日～2018年12月31日，檢索的英文關(guān)鍵詞為“running”AND“step rate” OR “step frequency” OR “stride rate” OR“stride frequency”O(jiān)R“cadence”O(jiān)R“step length”O(jiān)R“stride length”；檢索的中文數(shù)據(jù)庫為中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)庫和維普期刊等，時間為1985年1月1日～2018年12月31日，檢索的中文關(guān)鍵詞為“跑（跑步）”并含“步頻”或含“步長”或含“步幅”。檢索設(shè)定為題目、摘要及關(guān)鍵詞。

1.2 文獻剔除標準

依據(jù)上述關(guān)鍵詞，對中英文數(shù)據(jù)庫進行檢索，剔除重復(fù)文獻后共獲得英文文獻3579篇，獲得中文文獻1008篇。對所得的文獻按照以下標準進行剔除：1）綜述、評論以及會議文章；2）個案研究文章；3）研究走、原地跑或短跑的文章；4）研究方法中未包含步頻或者步長改變的文章；4）評價參數(shù)未納入下肢運動學(xué)或動力學(xué)的文章。依照上述標準剔除相關(guān)文獻后共獲得中、英文文獻51篇。

1.3 文獻最終納入標準

按照以下標準對上述文獻進行最終篩選：1）慢跑或長跑；2）步頻或步長改變；3）下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)；4）運動學(xué)；5）動力學(xué)；6）肌電。經(jīng)過最終篩選確認和系統(tǒng)整理得到英文文獻39篇，其中步頻/步長即刻改變相關(guān)研究33篇，步頻/步長長期干預(yù)訓(xùn)練相關(guān)研究6篇。

2 步頻/步長改變對下肢生物力學(xué)的即刻影響（Acute effects）

研究發(fā)現(xiàn)，在恒定速度下即刻改變步頻和步長可以引起跑步相關(guān)運動學(xué)、動力學(xué)和肌電的變化（見表1）。恒定速度下，步頻和步長呈負相關(guān)關(guān)系，即步頻增加則步長減少，反之亦然。所以，即刻增加步頻和縮短步長能觀察到類似的結(jié)果。下文中涉及步頻/步長的改變均是在恒定速度下進行的研究。

2.1 沖擊特征

研究表明，即刻改變步頻和步長會導(dǎo)致跑步動力學(xué)相關(guān)參數(shù)的變化。沖擊力是影響跑步損傷最重要的因素之一，在后跟著地的跑步姿勢中，常用沖擊峰值來表征沖擊力的大小，其值隨步頻的增加而降低[13]，隨步長的增加而增加[20]。但在足中著地和前掌著地的跑步姿勢中，往往觀察不到?jīng)_擊峰值，所以現(xiàn)階段，除了沖擊峰值，垂直負載率也作為評價跑步?jīng)_擊的重要參數(shù)之一。類似地，負載率的大小也隨步頻的增加而降低[13]。另外，前后方向的地面反作用力也受步頻和步長的影響，制動力峰值隨步長增加而增加[18]，同樣地，Lieberman 等[21]發(fā)現(xiàn)制動力隨著步頻的增加而降低，另一研究還發(fā)現(xiàn)制動沖量隨步頻增加而降低[22]。制動力的降低意味著跑步中受到的阻力減少，人體克服阻力做功也相應(yīng)減少，這對提高跑步經(jīng)濟性有積極作用。

加速度是表征力變化的一個參數(shù)，其值大小受步頻和步長的影響。Clarke等[23]發(fā)現(xiàn)步頻增加5%和10%后，小腿加速度峰值顯著降低；另一研究在步頻增加10%和20%后也觀察到了相同的結(jié)果[24]。沖擊力衰減是跑步中身體與地面接觸，吸收沖擊能量并降低沖擊波振幅的一個過程[25]。沖擊力衰減隨步長的降低而降低[26，27]，而下肢髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)吸收的能量隨步頻的增加而降低[22]。加速度、沖擊力衰減和關(guān)節(jié)能量吸收均隨步頻的增加或步長的減少而降低，三者都與跑步過程中的沖擊特征有著直接或間接的聯(lián)系，這也從側(cè)面說明了步頻增加或步長縮短可以減小跑步?jīng)_擊。

2.2 運動學(xué)

有研究發(fā)現(xiàn)觸地時間以及跑步過程中下肢各關(guān)節(jié)角度受步頻和步長的影響。觸地時間指一個跑步周期中支撐期的時間，是跑步彈簧-質(zhì)量模型中的一個重要參數(shù)[28]，并與下肢剛度有著密切聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)觸地時間隨著步頻的增加顯著性縮短[29]，這對提高跑步效率有積極作用。脛骨應(yīng)力骨折是常見的跑步損傷之一，有研究發(fā)現(xiàn)有脛骨應(yīng)力骨折史的跑者具有更大的峰值髖內(nèi)收角[30]；現(xiàn)階段研究表明髖內(nèi)收角隨步頻的增加而顯著性減小[22，31]，同時也隨步長的縮短而顯著性減小[32][20]，這提示增加步頻可能在一定程度上降低脛骨應(yīng)力骨折風(fēng)險。另外，Edwards 等[33]通過模型計算直接觀察到，步長減少10%可以降低3%～6%應(yīng)力骨折風(fēng)險，這也間接證明了提高步頻可以降低應(yīng)力骨折風(fēng)險。此外，步頻增加10%，觸地時屈髖角度顯著性減小，支撐期峰值屈髖、屈膝、膝外展以及足背屈角度也顯著性減小[34-36]。而步長減小10%，骨盆前傾角度顯著性減小，峰值伸髖角度顯著性增加[17]。其中由步頻和步長改變引起的足背屈角的變化有可能使跑者的著地方式發(fā)生轉(zhuǎn)變。Allen 等[37]觀察了40名后跟著地跑者在步頻增加5%、10%以及15%后的著地姿勢，發(fā)現(xiàn)有17.5%的跑者在步頻增加10%后轉(zhuǎn)變?yōu)榉呛蟾刈藙?，步頻增加15%后有30%的跑者轉(zhuǎn)變?yōu)榉呛蟾刈藙荨?/p>

2.3 關(guān)節(jié)力學(xué)

膝關(guān)節(jié)由髕股關(guān)節(jié)和脛股關(guān)節(jié)組成，是人體最復(fù)雜的關(guān)節(jié)之一，也是跑步損傷頻發(fā)的部位，步頻和步長改變能顯著影響膝關(guān)節(jié)力學(xué)特征?？傮w上，膝關(guān)節(jié)峰值力矩隨步頻的增加或步長的縮短而降低[18]。一些學(xué)者通過模型計算發(fā)現(xiàn)，步頻增加10%后，髕股關(guān)節(jié)峰值接觸力和接觸壓力顯著性降低[35，38]。另一研究發(fā)現(xiàn)步頻增加7.5%后，脛股關(guān)節(jié)峰值接觸壓力顯著性降低[39]。同樣地，步長縮短10%后，髕股關(guān)節(jié)峰值力和壓力以及每公里髕股關(guān)節(jié)力和壓力均顯著性降低[12，40]，脛股關(guān)節(jié)上也觀察到了類似的結(jié)果[41]。另外，Bowersock等[42]以前交叉韌帶重建術(shù)后患者為研究對象，發(fā)現(xiàn)在步長縮短后，其髕股關(guān)節(jié)和脛股關(guān)節(jié)峰值接觸力、沖量以及每公里沖量都顯著性降低。上述研究發(fā)現(xiàn)，步頻增加或者步長縮短可以顯著性降低膝關(guān)節(jié)力和壓力，這可為膝關(guān)節(jié)損傷的預(yù)防和康復(fù)提供參考。

足是跑步中人體唯一與地面直接作用的部位，該區(qū)域的壓力大小及其分布特點對多種損傷尤其是足底筋膜炎有重要影響。步頻增加后，足底力和壓力總體呈下降趨勢，但各研究由于選擇的步頻調(diào)整范圍不同，觀察到了足底不同部位力和壓力的變化。其中Wellenkotter等[43]觀察到了跖骨區(qū)域峰值力和壓力的降低，而Gerrard 等[44]則發(fā)現(xiàn)了足后部和足中部峰值力以及足后部峰值壓力的降低。步長調(diào)整后也有類似的發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)irminger 等[45]通過有限元模擬發(fā)現(xiàn)，步長縮短10%，第四跖骨應(yīng)變顯著性降低4.2%。跟腱是人體得以自由跑跳的一個重要部位，自然步頻的改變也會影響跟腱的應(yīng)力和應(yīng)變，Lyght 等[46]計算發(fā)現(xiàn)，步頻增加5%，跟腱的峰值應(yīng)力和應(yīng)變顯著性降低。同樣，髖關(guān)節(jié)也受步頻和步長的影響，其峰值內(nèi)收力矩和內(nèi)旋力矩隨步頻的增加而顯著性降低[22]。

步頻和步長改變后，肌骨系統(tǒng)彈簧-質(zhì)量模型中的力學(xué)參數(shù)即下肢剛度會發(fā)生改變。觸地時間是決定下肢剛度的一個重要因素，降低觸地時間可以顯著性增大下肢剛度[29]。Morin 等[29]發(fā)現(xiàn)步頻增加后，觸地時間顯著性縮短，計算得出的下肢剛度顯著性增加。另外，同樣有學(xué)者發(fā)現(xiàn)下肢剛度隨步頻增加而增加[47，48]。

2.4 肌力與肌電學(xué)

研究表明，跑步相關(guān)肌肉力量可以通過下肢肌骨模型計算得出，Lenhart等[35，49]計算發(fā)現(xiàn)步頻增加10%，擺動階段屈髖肌群、腘繩肌以及伸髖肌群的峰值力顯著性增加，而支撐初期臀部肌肉以及梨狀肌峰值力和做功顯著性降低。這些結(jié)果可為臨床工作人員針對跑步損傷開具運動處方或制訂干預(yù)訓(xùn)練計劃提供參考。

肌電圖是表征運動中肌肉活躍度的一個重要參數(shù)，步頻改變后，各肌肉的激活程度同樣會產(chǎn)生適應(yīng)性變化。Masumoto 等[50]發(fā)現(xiàn)步頻增加10%后，股直肌和股二頭肌活躍度增強，步頻降低10%后股直肌和脛骨前肌活躍度增強。另外，Chumanov 等[19]發(fā)現(xiàn)步頻增加10%后，擺動末期股直肌、臀大肌、臀中肌以及腓腸肌內(nèi)側(cè)頭活躍度增強，而臀大肌和臀中肌活躍度增強，提示可以將增加步頻作為一種治療膝前痛的干預(yù)訓(xùn)練方法。

上述研究中，步頻或步長都是在自選步頻/步長的基礎(chǔ)上進行調(diào)整，調(diào)整的范圍在±5%～±30%之間。這些研究表明步頻或步長的改變對跑步運動學(xué)、動力學(xué)以及肌電學(xué)都產(chǎn)生了顯著性影響，尤其是與跑步損傷密切相關(guān)的參數(shù)如沖擊峰值、負載率、膝關(guān)節(jié)接觸壓力以及髖內(nèi)收角等，都隨著步頻的增加或步長的減小而顯著性降低。這提示步頻的增加或步長的減小可以降低跑步相關(guān)損傷的風(fēng)險，也為將增加步頻或減小步長作為一種治療跑步相關(guān)損傷的訓(xùn)練手段提供了理論依據(jù)。

表1 步頻/步長即刻改變對下肢生物力學(xué)的影響

（續(xù)表1）

3 步頻/步長改變對下肢生物力學(xué)的長期效果（Long-term effects）

近些年來，隨著極簡跑鞋的發(fā)展，步態(tài)再訓(xùn)練逐漸增多。研究發(fā)現(xiàn)，將改變步頻和步長作為一種干預(yù)訓(xùn)練方式進行再訓(xùn)練后，可以觀察到運動學(xué)和動力學(xué)相關(guān)參數(shù)的顯著性變化（見表2）。

3.1 運動學(xué)

研究顯示，步頻和步長再訓(xùn)練會對運動學(xué)產(chǎn)生一定影響。Hafer 等[51]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過6 周步頻再訓(xùn)練（步頻增加10%）后觸地時踝背屈角以及峰值髖內(nèi)收角顯著性減小。類似地，另一研究也發(fā)現(xiàn)峰值髖內(nèi)收角在8次步頻再訓(xùn)練（步頻增加7.5%）后也顯著性減小[52]。此外，也有研究以受傷跑者為研究對象，Neal 等[53]對患有髕股關(guān)節(jié)疼痛癥的跑者進行為期6 周的步頻再訓(xùn)練（步頻增加7.5%），結(jié)果顯示訓(xùn)練后峰值屈膝角、峰值髖內(nèi)收角以及峰值髖內(nèi)旋角顯著性減小。其中訓(xùn)練后峰值髖內(nèi)收角的減小提示此訓(xùn)練方式可以降低跑者患脛骨應(yīng)力骨折的風(fēng)險[30]。

3.2 動力學(xué)

與即刻改變步頻和步長結(jié)果類似，步頻和步長再訓(xùn)練后也會引起沖擊特征和關(guān)節(jié)力學(xué)等的變化。Willy等[52]將30名高沖擊力跑者（瞬時負載率≥85倍體重/秒）隨機分為訓(xùn)練組和對照組，訓(xùn)練組進行8次步頻再訓(xùn)練（步頻增加7.5%），結(jié)果發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練組在訓(xùn)練后以及訓(xùn)練后一個月的瞬時和平均負載率顯著性降低。同樣地，Hafer[51]等選取了6名后跟著地的低步頻（150～170步/分鐘）跑者，對其進行為期6周的步頻再訓(xùn)練（步頻+10%），發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練后跑者步頻增加了2.4%，并且負載率顯著性降低。上述兩項研究均發(fā)現(xiàn)步頻再訓(xùn)練后負載率顯著性降低，這說明步頻再訓(xùn)練能顯著性改善跑步的沖擊特征。另外有研究將改變跑步姿勢和增加步頻結(jié)合，作為一種新的再訓(xùn)練方法。Warne[54]等對兩組跑者同時進行6 周的前掌跑加增加步頻的訓(xùn)練，一組穿著極簡鞋，另一組穿著普通跑鞋，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩組跑者的沖擊峰值均顯著性減小。類似地，該學(xué)者以相同的方式對兩組跑者進行4 周訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練后兩組跑者的最大足底壓力均顯著性降低[55]。有研究發(fā)現(xiàn)足底壓力隨步頻的增加顯著性降低[44]，所以在Warne的研究中究竟是前掌跑還是增加步頻對足底壓力降低貢獻更大還需要進一步探討。另外，Willy 等[56]還發(fā)現(xiàn)跑者增加10%步頻進行8次訓(xùn)練后，脛股關(guān)節(jié)總的以及內(nèi)側(cè)的峰值接觸力分別降低了7.6%和8.2%，另外脛股關(guān)節(jié)總的以及內(nèi)側(cè)的峰值接觸力沖量都降低了10.6%。

上述研究主要發(fā)現(xiàn)增加步頻干預(yù)訓(xùn)練后，跑步?jīng)_擊特征得到改善，部分關(guān)節(jié)力學(xué)參數(shù)值顯著性降低，另外一些關(guān)節(jié)角度參數(shù)如髖內(nèi)收角等也顯著性降低，這說明步頻和步長再訓(xùn)練能起到降低跑步損傷風(fēng)險的作用。但是目前，有關(guān)步頻和步長再訓(xùn)練的研究總體較少，而且主要都是通過播放一定頻率的音頻來改變步頻，沒有將直接改變步長作為干預(yù)方式的研究；此外，幾乎所有研究都未涉及肌電的評價，后續(xù)有待更多研究就此進行深入探討。

表2 步頻和步長再訓(xùn)練對下肢生物力學(xué)的影響

4 總結(jié)

步頻和步長作為跑步中最重要的兩個參數(shù)，在恒定速度下兩者呈負相關(guān)關(guān)系，改變其中任何一個，就能引起跑步中下肢生物力學(xué)參數(shù)的變化。短時間改變步頻和步長以及步頻和步長的長期干預(yù)訓(xùn)練后能得到類似變化結(jié)果，即增加步頻或縮短步長后，與跑步損傷相關(guān)的參數(shù)如地面反作用力峰值、負載率、膝關(guān)節(jié)接觸力、足底壓力以及髖內(nèi)收角等顯著降低，提示增加步頻或者縮短步長能降低跑步相關(guān)損傷風(fēng)險，可以為應(yīng)力骨折、髕股關(guān)節(jié)疼痛以及足底筋膜炎等跑步損傷的預(yù)防與康復(fù)提供參考。現(xiàn)階段的研究中能顯著引起下肢生物力學(xué)改變的步頻最小變化量為5%～10%。目前步頻/步長干預(yù)訓(xùn)練的研究存在著受試者數(shù)量較少、干預(yù)訓(xùn)練時間較短及評價參數(shù)欠缺等不足，如何使步頻/步長在一個較優(yōu)范圍、如何評價步頻/步長改變的累積效應(yīng)以及如何更合理地安排步頻/步長干預(yù)訓(xùn)練從而進一步避免可能的跑步損傷，均有待進一步深入研究。