不同足落地模式跑者在不同路面跑步時足底壓力特征

魏震 李靜先 王琳

1 上海體育學院運動科學學院（上海200438）

2 渥太華大學健康學院人體運動科學系

盡管跑步運動有眾多益處，但研究發(fā)現(xiàn)每年跑步損傷發(fā)生率高達79.3%[1-3]。目前關于跑步損傷的可能原因中，跑步落地模式[4-6]和跑步路面類型[7-8]逐漸成為研究熱點。

跑步落地模式由跑步者足初始接觸地面時足底壓力中心（centre of pressure，COP）在足底的位置所決定[9]，COP 在全足長后1/3 則為后足落地模式（rearfoot strike，RFS），中1/3則為中足落地模式（midfoot strike，MFS），前1/3 則為前足落地模式（forefoot strike，F(xiàn)FS）。研究發(fā)現(xiàn)盡管FFS 在跑步者中比例較低，僅占2%[10]，但此模式相對于RFS跑步時下肢有更低的地面沖擊力和負荷率[11]，運動損傷風險較小。目前對FFS 的研究中，受試者大多并非習慣FFS，而是由習慣RFS 跑者經(jīng)過步態(tài)再訓練轉變?yōu)镕FS 進行研究[11-13]。盡管跑者可通過下肢運動學和動力學調整，暫時轉變足落地模式，但有部分研究認為RFS 跑者下肢已經(jīng)形成固定的運動模式，其并不能代表習慣FFS 跑者足底壓力的變化[5-7]，因此習慣FFS 跑者跑步時的足底壓力還有待于進一步證實。

此外，不同跑步路面的硬度和地面摩擦系數(shù)不同，也會造成足底壓力有一定差異[7，14-15]。Wang等[16]研究發(fā)現(xiàn)，相較于混凝土路面，在草地上跑步時前足有更長的接觸時間，中足外側和前足峰值受力相對較小。Hong等[15]研究也提出相較于混凝土和草皮路面，在跑步機上跑步有更低的足底壓力，并建議使用跑步機進行早期康復。盡管如此，F(xiàn)u 等[14]針對混凝土、草皮、塑膠跑道和跑步機[有或無乙烯-醋酸乙烯酯共聚物緩沖墊（ethylene vinyl acetate，EVA）] 等5種路面研究得出不同結論，該研究認為，盡管跑步路面地面硬度差異較大，但是跑步者可能通過下肢髖、膝、踝運動學和動力學的調整以適應不同路面，使得在不同路面跑步時足底壓力無顯著差異。因此，針對不同硬度地面，由于研究方法學上的差異，研究結果還未得到一致性結論。

綜上，跑步落地模式和跑步路面不同對足底壓力的分布均有一定影響，但不同習慣落地模式在不同路面上跑步時足底壓力的差異還未可知。因此，本研究探討不同習慣落地模式跑者在不同硬度路面跑步時足底壓力的差異，為跑步者選擇不同落地模式和跑步路面提供參考，為常見跑步損傷的預防提供證據(jù)支持。

1 對象與方法

1.1 研究對象

本研究共納入78名男性業(yè)余跑步愛好者，其中41名為習慣后足跑者（年齡24.2 ± 2.5 歲，身高171.8 ±5.7 cm，體重68.4 ± 10.2 kg，跑齡3.1 ± 1.8年），37名為習慣非后足跑者（年齡27.9 ± 6.2 歲，身高173.0 ±4.2 cm，體重68.3 ± 9.4 kg，跑齡5.0 ± 4.2年）。所有受試者均為右利腿，每周跑步里程10～15 km，且半年內無下肢骨骼肌肉系統(tǒng)損傷。本實驗通過本單位倫理委員會批準，所有受試者均簽署知情同意書。

1.2 研究方法

首先，對受試者身高、體重進行測量，然后讓受試者在跑步機上以舒適的速度熱身5 min，待受試者適應測試跑鞋（歐洲鞋碼41～43，ASICS SORTIEMAGIC RP 4 TMM467.0790，Japan）和不同跑步路面后測試正式開始。研究通過足初始接觸地面時COP在足底的位置確認跑者足落地模式，由于前足和中足落地模式跑者比例較少[10]，因此將其合并為非后足落地模式（non-rearfoot strike，NRFS）進行研究。

測試跑道長15 m、寬1 m，測試區(qū)域為跑道中間3 m。為比較不同硬度路面上足底壓力的差異，隨機鋪設以下4種路面：混凝土、人造草皮、合成橡膠、EVA泡沫地面。其中草皮、合成橡膠和EVA 路面厚度均為2 cm，混凝土地面為普通地磚，厚度1 cm。為避免測試路面與地板之間的摩擦，鋪一層厚度為1.6 mm的聚氯乙烯墊。光電計時系統(tǒng)（WittySEM，Microgate，Italy）記錄跑者在測試區(qū)域的跑步速度，高速攝像機（Motion Pro X-4，Integrated Design Tools Inc.USA）確定跑步者右足落在測試區(qū)域，采樣頻率為100 Hz。采用Pe?dar足底壓力系統(tǒng)（Novel，Munich，Germany）收集測試區(qū)域內右足落地時的足底壓力，采樣頻率為100 Hz。鞋墊共有99 個壓力傳感器，與固定在腰部的Pedar 信號接收盒進行連接，每次測試前均使用標準的設備進行校正[6]。受試者右足需要落在測試區(qū)域且速度控制在3.33 m/s（± 5%）范圍內[17]，每個路面采集3條成功的數(shù)據(jù)用作進一步分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計學分析

采用Pedar系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進一步處理，根據(jù)研究目的將全足分為9 個區(qū)域[6]，見圖1。研究指標包括右足落地期間全足及9 個分區(qū)峰值壓力（maximum force，MF）、壓力時間積分（force-time-integral，F(xiàn)TI）、峰值壓強（peak pressure，PP）、壓強時間積分（pressure-timeintegral，PTI）和接觸面積（contact area，CA），其中MF和FTI根據(jù)受試者體重進行標準化。

圖1 足底壓力分區(qū)

使用SPSS 22.0 對數(shù)據(jù)進行處理，所有指標以均值± 標準差（±s）表示，統(tǒng)計學采用重復測量的雙因素方差分析（two-way ANOVA with repeated mea?sures），考察足落地模式和跑步路面兩個因素對上述變量的交互作用及主效應。Bonferroni 矯正用于事后多重比較，顯著性水平設為P<0.05。

2 結果

結果顯示，不同落地模式和跑步地面在MF、FTI均無顯著的交互作用。主效應結果顯示全足、后足和中足RFS 跑 者MF 和FTI 均 顯著 大于NRFS 跑 者（P<0.001），其 余腳趾部MF 顯 著大于NRFS 跑者（P<0.001）。NRFS 跑者MF 在前足內側（F=5.86，P=0.018，ES=0.07），F(xiàn)TI在前足區(qū)域顯著大于RFS跑者。不同路面結果顯示，EVA路面前足中部和外側MF顯著小于其他3 種路面（P<0.001），前足中部、外側和中足區(qū)域FTI也顯著小于其他3種路面（P<0.001），見表1。

表1 不同跑步落地模式跑者在不同路面跑步時足底峰值壓力（MF）和壓力時間積分（FTI）比較

PP 在足跟區(qū)域，PTI 在前足外側區(qū)域跑步路面和足落地模式有顯著交互作用（P<0.05），進一步分析顯示，NRFS 跑者在EVA 路面足跟區(qū)域PP 顯著較低。對于不同落地模式，主效應結果顯示，足跟和中足區(qū)域RFS 跑者PP 和PTI 顯著大于NRFS 跑者（P<0.001），前足區(qū)域NRFS 跑者PP 和PTI 均顯著大于RFS 跑者（P<0.05）。不同路面結果顯示，EVA路面在全足和前足區(qū)域PP 和PTI 均顯著小于其他3 種路面（P<0.001），且對于PP，在足跟外側EVA顯著小于混凝土（P=0.016，95%CI=3.89-56.38）和橡膠（P=0.007，95%CI=5.22-47.91）；中足外側EVA 顯著小于橡膠（P=0.008，95%CI=1.31-13.02），見表2。

表2 不同跑步落地模式跑者在不同路面跑步時足底峰值壓強（PP）和壓強時間積分（PTI）比較

CA 在落地模式和跑步路面均無顯著的交互作用（P>0.05）。主效應結果顯示全足、后足、中足、腳趾部RFS 跑者CA 顯著大于NRFS 跑者（P<0.001）。對于不同路面，EVA 路面在中足內側顯著大于混凝土（P=0.008，95%CI=0.22-2.19）和草皮（P=0.014，95%CI=0.10-1.30），前足內側EVA 顯著大于混凝土（P=0.011，95%CI=0.03-0.39），見表3。

表3 不同跑步落地模式跑者在不同路面跑步時足底接觸面積（CA）的比較（cm2）

3 討論

本研究主要探討不同習慣落地模式在不同路面跑步時足底壓力的差異。結果發(fā)現(xiàn)，跑步路面和足落地模式僅PP 在足跟，PTI 在前足外側有明顯的交互作用。RFS 跑者足底壓力主要集中在足跟和中足區(qū)域，NRFS 跑者足底壓力主要集中在前足尤其是內側區(qū)域。相較于其它3 種路面，EVA 路面在前足有較低的MF，足弓區(qū)域CA較大。

本研究結果顯示，MF在跑步路面和落地模式無顯著的交互作用，主效應顯示RFS跑者全足MF顯著大于NRFS 跑者。此結果與Kernozek 等[13，18]研究不盡相同，該研究將習慣RFS 跑者足底壓力與受試者轉變?yōu)镹RFS跑步時足底壓力進行對比，發(fā)現(xiàn)兩種落地模式全足MF 無顯著差異。有研究認為跑者雖可以通過運動學的適應短時間內轉變足落地模式[19]，但習慣NRFS跑者下肢已經(jīng)形成固定的運動模式和肌肉力量，因此結果的不同可能是由于下肢不同的生物力學差異所致。Almeida 等[20]研究也提出，運動再訓練雖可以轉變足落地模式，但為了預防跑步相關損傷，跑者需要幾個月時間去適應新的落地模式。足底分區(qū)數(shù)據(jù)顯示，RFS 跑者在足跟和中足區(qū)域MF 比NRFS 跑者高87.6%和27.3%，與Daoud 等[21-23]的研究結果一致，其發(fā)現(xiàn)習慣RFS跑者在足跟初始接觸地面時地面反作用力時間曲線比NRFS 跑者多一個沖擊峰值[20，24]；Kelly 等[25]研究也提出RFS跑者步長比NRFS跑者長，因此與地面接觸的沖擊時間相對較長。額外的沖擊峰值和較長的沖擊時間可能導致RFS跑者足跟落地時的沖擊力沿著脛骨向上傳遞，進而導致膝關節(jié)損傷的發(fā)生[26-27]。由于NRFS跑者足落地時踝關節(jié)處于跖屈狀態(tài)，因此足跟和小腿三頭肌的離心收縮會對地面沖擊力產(chǎn)生一定代償[28-29]，使足跟區(qū)域壓力較小。盡管如此，NRFS跑者前足尤其內側區(qū)域先接觸地面，較高的負荷可能與跖骨的應力性骨折有關[30]。此外，Almonroeder等[11]研究發(fā)現(xiàn)，NRFS跑者落地時跟腱的負荷率會增加15%，因此NRFS跑者長期跑步可能造成后期小腿三頭肌的疲勞性損傷和跟腱炎[12，20，31]。

本研究結果顯示，對于不同跑步路面，不同落地模式跑者全足MF在4種路面無顯著差異，但EVA路面在前足中部，前足外側MF顯著小于其它3種路面。由于不同路面硬度不同，路面之間MF結果的相似可能是由于不同落地模式跑者在足接觸地面時適當調節(jié)髖、膝、踝關節(jié)的角度所致[19]。Fu等[14，16，32]的研究也認為，跑步者會通過自身運動學和動力學調整，使用不同的代償機制適應不同硬度的地面，從而預防運動損傷的發(fā)生。盡管EVA路面在前足區(qū)域足底壓力顯著小于其他3種路面，但由于EVA路面硬度較低，足落地時在EVA路面會發(fā)生較大的形變，跑者為了獲得足夠的力量進入騰空期，在EVA 路面產(chǎn)生形變的同時也會進行下肢運動學調整。因此，相較于其他路面，在EVA路面上跑步時發(fā)生跖骨應力性骨折的概率可能也較低[33-34]。

跑步路面和落地模式在足跟區(qū)域PP 有明顯的交互作用，進一步分析發(fā)現(xiàn)NRFS 跑者在EVA 路面足跟區(qū)域PP顯著較低。Kernozek等[13]的研究發(fā)現(xiàn)，NRFS跑者全足PP較大，而本研究結果則顯示不同落地模式全足PP 無顯著差異。這種不一致的原因可能是：Kerno?zek等研究中受試者為習慣RFS所轉變的，而轉變落地模式后的NRFS 與習慣NRFS 下肢肌肉力量有較大區(qū)別[35]。Ferris 等[36]的研究支持上述推測，該研究認為跑步過程中足固有肌對跖骨的支撐對運動損傷的預防有重要作用。此外，本研究結果顯示，NRFS跑者全足MF和CA 均小于RFS 跑者，全足PP 的相同也可能是由于跑者通過下肢MF 和CA 調節(jié)所致。足底分區(qū)結果顯示，NRFS跑者前足區(qū)域PP顯著大于RFS跑者，此結果與Kernozek等[13]研究結果一致，該研究發(fā)現(xiàn)NRFS跑者在前足內側PP 比RFS 跑者高38.3%。Munro 等[37]也證實NRFS與地面接觸時間較短，地面反作用力短時間內上升到峰值，前足所受的負荷率較大，而較高的前足壓強可能導致后期跖骨的壓力性骨折[38]。

本研究結果顯示，EVA 路面在全足、足跟外側、中足外側、前足區(qū)域PP顯著小于其他3種路面，本結果與Wang 等研究類似[15-16]，該研究顯示全足和前足區(qū)域PP在混凝土路面顯著大于草皮路面。雖然本研究路面為EVA 路面，但其硬度和草地硬度均小于混凝土[39]。此外，由于本研究使用草皮為人造草皮，可能與自然草皮有一定差異。有研究證實人造草皮上地面峰值沖擊力較大，其運動損傷發(fā)生率顯著大于自然草皮[40-41]。因此，在自然草皮上跑步者足底壓力特征還需進一步研究。

足底CA是研究者根據(jù)研究目的而設定的，盡管本研究足底分區(qū)與Kernozek 等[13，18]研究類似，但在全足CA 結果有一定差別，Kernozek等認為其兩項研究結果的差異是由測試用鞋不同（極簡跑鞋vs.標準緩沖跑鞋）所致的。本研究推測另一重要因素是NRFS 足底壓力數(shù)據(jù)是由習慣RFS跑者短暫轉變足落地模式所致。由于足底壓力為足底MF 和CA 的比值，本研究中RFS 跑者足底MF 和CA 均顯著高于NRFS，因此PP 在兩種落地模式之間結果類似，這一結果提示跑者可能會通過下肢運動學的調整，改變足底接觸面積，以避免運動損傷的發(fā)生[21，42-43]。

值得注意的是，不同路面CA結果顯示中足內側和前足內側EVA路面足底CA均顯著大于其他3種路面，即足弓高度會顯著下降[44]。較大的CA 也支持本研究EVA 路面足底PP 顯著較小的研究結果。本研究結果與Fu等[14]的研究結果不盡相同，其原因可能是Fu等研究足底分區(qū)與本研究不同，且跑步機與地面跑步下肢生物力學機制也有一定差異。本研究結果顯示在EVA路面上跑步時內側縱弓區(qū)域有更大的CA，猜測其可能是由于EVA 路面相對較軟所致，因此足初始接觸地面時形變較大，內側縱弓下降較多以儲存更多的能量為后期騰空做準備，但長期如此可能會造成足弓高度下降、扁平足，甚至發(fā)生運動損傷。Fukano等[45]的研究也發(fā)現(xiàn)馬拉松跑步后跑者足弓高度顯著下降，并建議跑者休息1周使足舟骨高度恢復。此外，Perkins等[46]研究證實跑步時足弓高度的降低與足底筋膜炎的發(fā)生有一定關系。Chen等[47]針對不同落地模式下足弓高度研究提出，相較于RFS 跑者，NRFS 跑者跑步時足弓高度會降低9.12%。因此，跑步者在EVA 等相對較軟的路面上跑步時應注意防止內側縱弓高度降低，以及足底筋膜炎的發(fā)生。

4 結論

跑步落地模式和跑步路面雖作為兩個常見因素與運動損傷的發(fā)生有關，但兩者之間并無明顯的交互作用。不同路面后足落地跑者在足跟和中足較高的壓力可能沿著脛骨傳遞到膝關節(jié)使其承受較大負荷。非后足落地跑者雖全足底壓力較小，但其足底壓力主要集中在前足內側區(qū)域。EVA路面雖在前足有較低的峰值壓力，但由于其硬度較小，跑步時內側縱弓高度會顯著降低。因此，跑者應根據(jù)自身情況合理選擇跑步路面和足落地模式，以避免運動損傷的發(fā)生。