跑鞋跟掌落差對(duì)跑步時(shí)著地方式和髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力負(fù)荷的影響

張馬森 崔婧 周興龍 劉卉

1 北京體育大學(xué)運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)學(xué)院（北京 100084）

2 北京體育大學(xué)中國(guó)運(yùn)動(dòng)與健康研究院（北京 100084）

髕股關(guān)節(jié)痛（patellofemoral joint pain）指髕后或髕周的彌漫性疼痛，是跑步運(yùn)動(dòng)中最常見的下肢損傷之一。上下樓梯、下蹲和跑步等增加髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力的活動(dòng)會(huì)加重這一疼痛[1，2]。雖然有規(guī)律的跑步運(yùn)動(dòng)能夠改善心血管和呼吸機(jī)能，提高身體素質(zhì)，但每年有19%～79%的跑步者也遭受著跑步相關(guān)損傷的困擾[3]，其中髕股關(guān)節(jié)痛發(fā)病率占跑步損傷的18%～33%[4]。髕股關(guān)節(jié)痛易復(fù)發(fā)，嚴(yán)重影響患者的身體活動(dòng)和生活質(zhì)量，并增加患者發(fā)生膝骨性關(guān)節(jié)炎的風(fēng)險(xiǎn)[2，5，6]。跑步中髕股關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力過大可能是髕股關(guān)節(jié)痛的直接原因或潛在機(jī)制，這與髕股關(guān)節(jié)軟骨磨損和軟骨下骨代謝活動(dòng)增加有關(guān)[1，2，7，8]。應(yīng)力被定義為單位接觸面積的壓力，因此髕股關(guān)節(jié)壓力的減小和髕股關(guān)節(jié)接觸面積的增加均有利于預(yù)防和緩解髕股關(guān)節(jié)痛。

跑鞋跟掌落差可能是影響髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力負(fù)荷的因素之一[9，10]。跟掌落差指的是跑鞋后跟高度和前掌高度的差值，目前市面銷售跑鞋的跟掌落差從0～15mm不等。研究表明，在相同跑速下穿著零落差跑鞋更傾向于中足著地，且表現(xiàn)為跟掌落差和著地瞬間足地角（足底長(zhǎng)軸與地面的夾角）正相關(guān)[11，12]，與跟掌落差較高的跑鞋相比，支撐期伸膝力矩降低[9]。膝關(guān)節(jié)屈曲角度在0～60°范圍內(nèi)，髕股關(guān)節(jié)接觸面積會(huì)隨著膝關(guān)節(jié)屈曲角度增加而增加[13]。髕股關(guān)節(jié)壓力會(huì)隨著膝關(guān)節(jié)伸膝力矩降低而降低，同時(shí)受到膝關(guān)節(jié)屈曲角度的影響[14-16]。一項(xiàng)前瞻性研究表明，穿著零落差跑鞋時(shí)膝關(guān)節(jié)損傷率顯著低于穿著跟掌落差較高的跑鞋[17]，但該研究并未探索下肢關(guān)節(jié)力學(xué)數(shù)據(jù)與損傷率的關(guān)系，也沒有針對(duì)髕股關(guān)節(jié)痛進(jìn)行分析。

因此，本研究以跑鞋跟掌落差為自變量，以跑步著地瞬間足地角、膝關(guān)節(jié)屈曲角度、踝關(guān)節(jié)跖屈角度、支撐期髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值、應(yīng)力沖量和髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值時(shí)刻的相關(guān)指標(biāo)為因變量，探究穿著不同跟掌落差的跑鞋對(duì)著地方式和髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力負(fù)荷的影響，為預(yù)防跑步造成的髕股關(guān)節(jié)損傷提供思路。本研究假設(shè)：與跟掌落差較高的跑鞋相比，穿著零落差跑鞋時(shí)足地角降低；垂直地面反作用力降低；支撐期髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值和應(yīng)力沖量降低；髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值時(shí)刻的膝關(guān)節(jié)屈曲角度、伸膝力矩、股四頭肌肌力、髕股關(guān)節(jié)壓力降低。

1 研究方法

1.1 受試者

本研究選取18 名男性跑者作為受試者，年齡23.24 ± 1.68 歲，身高1.71 ± 0.04 m，體重65.10 ±3.94 kg，鞋碼41碼。所有受試者每周跑量均大于20 km，沒有受過專業(yè)跑步訓(xùn)練，且半年內(nèi)無明顯下肢損傷。受試者在測(cè)試前被告知研究目的和注意事項(xiàng)，并填寫知情同意書，自愿按照要求進(jìn)行測(cè)試。

1.2 測(cè)試鞋

基于前人文獻(xiàn)研究[18，19]和市場(chǎng)調(diào)研，一般跑鞋的跟掌落差為0～15 mm。委托某體育用品公司研發(fā)中心設(shè)計(jì)制作4雙跑鞋，鞋碼為41碼，中底材料為橡塑發(fā)泡材料（ethylene-vinyl acetate copolymer，EVA）。前掌測(cè)量點(diǎn)位于跖趾關(guān)節(jié)處，高度一致為12 mm，鞋跟測(cè)量點(diǎn)位于足跟中部對(duì)應(yīng)處，高度分別為12 mm、17 mm、22 mm、27 mm，獲得跟掌落差分別為0 mm、5 mm、10 mm、15 mm，編號(hào)為D0、D5、D10、D15，4 雙測(cè)試鞋除跟掌落差不同外，其他結(jié)構(gòu)形態(tài)完全一致（圖1）。

圖1 測(cè)試鞋示意圖（從左至右依次為D0、D5、D10、D15）

1.3 數(shù)據(jù)采集

首先，受試者進(jìn)行5分鐘熱身跑，以更好地適應(yīng)測(cè)試鞋和目標(biāo)跑速，然后更換統(tǒng)一的緊身短褲，由同一名專業(yè)實(shí)驗(yàn)人員在相應(yīng)位置粘貼反光marker 點(diǎn)（左/右髂前上棘，髂后上棘中點(diǎn)，左/右大腿前側(cè)，左/右股骨外側(cè)髁，左/右股骨內(nèi)側(cè)髁，左/右脛骨粗隆，左/右腓骨外髁，左/右脛骨內(nèi)髁，左/右足尖，左/右足跟）。

正式測(cè)試時(shí)，受試者按照拉丁方順序穿著跑鞋，在一條長(zhǎng)15 m 的跑道上完成測(cè)試，目標(biāo)跑速為4 m/s[20，21]。使用便攜式測(cè)速系統(tǒng)（NewtestPower Timer，F(xiàn)inland）監(jiān)控跑速，通過口頭反饋使受試者速度控制在規(guī)定跑速±5%以內(nèi)。跑道中間設(shè)置三維測(cè)力臺(tái)（Kistler 9281CA，Switzerland），以采集受試者跑步支撐期的地面反作用力數(shù)據(jù)，采集頻率為1000 Hz[22]。受試者在規(guī)定跑速范圍內(nèi)，無任何步伐調(diào)整并以右腳完整踩在測(cè)力臺(tái)上為一次有效數(shù)據(jù)，每名受試者每雙鞋采集3 次有效數(shù)據(jù)，結(jié)果取3次平均值。應(yīng)用8臺(tái)Raptor-4鏡頭的紅外高速運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)（Motion Analysis Corp，USA）采集受試者穿著不同鞋跑步的三維運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，采集頻率為200 Hz[22]。運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的采集由Motion Analysis系統(tǒng)同步觸發(fā)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Cortex2.6軟件收集處理原始數(shù)據(jù)。所有標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)采用Butterworth 低通濾波法進(jìn)行平滑，截?cái)囝l率為12 Hz[23]。根據(jù)標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)建立大腿坐標(biāo)系、小腿坐標(biāo)系和足坐標(biāo)系，大腿坐標(biāo)系由股骨內(nèi)外側(cè)髁點(diǎn)及髖關(guān)節(jié)中心點(diǎn)確定，髖關(guān)節(jié)中心點(diǎn)根據(jù)Bell 等的研究數(shù)據(jù)[24]和左/右髂前上棘、髂后上棘中點(diǎn)的坐標(biāo)確定，小腿坐標(biāo)系由外踝點(diǎn)、內(nèi)踝點(diǎn)及膝關(guān)節(jié)中心點(diǎn)確定，足坐標(biāo)系由踝關(guān)節(jié)中心點(diǎn)、足跟點(diǎn)及足尖點(diǎn)確定。膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心為股骨內(nèi)、外側(cè)髁中點(diǎn)，踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心為內(nèi)、外踝中點(diǎn)。膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)角度定義為相鄰環(huán)節(jié)坐標(biāo)系間的歐拉角。膝關(guān)節(jié)屈伸力矩通過逆動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算獲得。

髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力及相關(guān)指標(biāo)參考文獻(xiàn)[14，22-26]中的髕股關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型計(jì)算獲得，髕股關(guān)節(jié)壓力與股四頭肌肌力之間的系數(shù)、髕股關(guān)節(jié)接觸面積依據(jù)Van等、Powers 等使用的模擬回歸方程得到[13，14]。該模型已經(jīng)被用于探究性別、老齡化、赤足跑、穿著極簡(jiǎn)鞋和穿戴護(hù)具等對(duì)髕股關(guān)節(jié)負(fù)荷的影響[10，15，21，25-28]；Nunes 等系統(tǒng)回顧了髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力的常用計(jì)算方法后，也推薦了該方法[29]，具體如下：

1）股四頭肌肌力的計(jì)算：

式中，F(xiàn)p為髕股關(guān)節(jié)壓力（N），K為髕股關(guān)節(jié)壓力與股四頭肌肌力之間的系數(shù)，表示為矢狀面膝關(guān)節(jié)角度θ的函數(shù)[14]。

3）髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力及應(yīng)力沖量的計(jì)算：

式中，IP為髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力沖量（MPa·s），dt為支撐期時(shí)間，Sp為髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力（MPa），CA為髕骨與股骨的接觸面積（mm2），表示為矢狀面膝關(guān)節(jié)角度θ的函數(shù)，根據(jù)前人文獻(xiàn)中膝關(guān)節(jié)屈曲角度（0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°）對(duì)應(yīng)的接觸面積（83、140、227、236、325、211、199 mm2，7組）進(jìn)行4階多項(xiàng)式擬合得到[13]。

本研究中足地角指的是著地瞬間足尖點(diǎn)、足跟點(diǎn)連線與地面的夾角，并根據(jù)足地角確定著地方式，其中足地角＞8°為后足著地，－1.6°＜足地角＜8°為中足著地，足地角＜－1.6°為前足著地[30]。關(guān)節(jié)力以人體質(zhì)量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，膝關(guān)節(jié)屈曲角度、伸膝力矩、髕股關(guān)節(jié)壓力、應(yīng)力按支撐相進(jìn)行歸一化處理。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

各樣本數(shù)據(jù)的正態(tài)分布和球形度假設(shè)用Shapiroe-Wilk 和Mauchly-Sphericity 進(jìn)行檢驗(yàn)。采用單因素重復(fù)測(cè)量方差分析對(duì)比跑鞋跟掌落差對(duì)著地瞬間各指標(biāo)、髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值時(shí)刻各指標(biāo)的影響。P＜0.05 表示主效應(yīng)有顯著性，P＜0.008 表示事后檢驗(yàn)有顯著性，統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS 20.0（IBM，Armonk，USA）完成。

2 結(jié)果

跑鞋跟掌落差對(duì)著地瞬間足地角有顯著影響（P=0.008，表1），對(duì)著地瞬間膝關(guān)節(jié)屈曲角度、踝關(guān)節(jié)跖屈角度的影響不顯著（P=0.607，P=0.382）。后繼檢驗(yàn)結(jié)果表明，與D5、D10跑鞋相比，穿著D0跑鞋時(shí)足地角顯著減?。≒=0.004、P=0.001），但與D15 跑鞋相比差異不顯著（P=0.031）。觀察受試者數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，3 名受試者穿著D0 跑鞋時(shí)足地角＜8°。除D0 跑鞋外，穿著其他3 雙測(cè)試鞋時(shí)足地角沒有表現(xiàn)出顯著差異（P＞0.05）。

表1 著地瞬間各指標(biāo)比較

跑鞋跟掌落差對(duì)垂直地面反作用力第1峰值和第2 峰值均無影響（P=0.933，P=0.506，表2），在整個(gè)支撐期，穿著不同跟掌落差跑鞋的地面反作用力動(dòng)態(tài)曲線相似（圖2）。

表2 垂直地面反作用力峰值比較

跑鞋跟掌落差對(duì)髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值有顯著影響（P＜0.001，表3）。后繼檢驗(yàn)結(jié)果表明，與D10、D15跑鞋相比，穿著D0 跑鞋時(shí)髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值顯著降低（P＜0.001、P=0.003），降幅超過13.3%，但與D5跑鞋相比差異不顯著（P=0.146）。除D0跑鞋外，穿著其他3雙測(cè)試鞋時(shí)髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值沒有表現(xiàn)出顯著差異（P＞0.05）。整個(gè)支撐階段中后期，穿著D0跑鞋時(shí)髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力的動(dòng)態(tài)曲線始終低于穿著跟掌落差較高的跑鞋（圖2）。

跑鞋跟掌落差對(duì)髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力沖量有顯著影響（P＜0.001，圖3）。后繼檢驗(yàn)結(jié)果表明，與D5、D10、D15跑鞋相比，穿著D0跑鞋時(shí)髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力沖量顯著降低（P=0.003、P＜0.001、P=0.005），降幅超過18.3%。除D0跑鞋外，穿著其他3 雙測(cè)試鞋時(shí)髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力沖量沒有表現(xiàn)出顯著差異（P＞0.05）。

圖3 髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力沖量比較

跑鞋跟掌落差對(duì)髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值時(shí)刻的膝關(guān)節(jié)屈曲角度有顯著影響（P=0.008，表3）。后繼檢驗(yàn)結(jié)果表明，與D5、D10跑鞋相比，穿著D0鞋跑步時(shí)膝關(guān)節(jié)屈曲角度顯著降低（P=0.003、P=0.003），降幅超過5.0%，但與D15 跑鞋相比差異不顯著（P=0.082）。跑鞋跟掌落差對(duì)髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值時(shí)刻的伸膝力矩有顯著影響（P=0.001）。后繼檢驗(yàn)結(jié)果表明，與D10 跑鞋相比，穿著D0 鞋跑步時(shí)伸膝力矩降低13.0%（P=0.002），但與D5、D15 跑鞋相比差異不顯著（P=0.055，P=0.019）。跑鞋跟掌落差對(duì)髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值時(shí)刻的股四頭肌肌力有顯著影響（P＜0.001）。后繼檢驗(yàn)結(jié)果表明，與D10、D15 跑鞋相比，穿著D0 鞋跑步時(shí)股四頭肌肌力顯著降低（P＜0.001、P=0.004），降幅超過12.3%，但與D5 跑鞋相比差異不顯著（P=0.031）。跑鞋跟掌落差對(duì)髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值時(shí)刻的髕股關(guān)節(jié)壓力有顯著影響（P＜0.001）。后繼檢驗(yàn)結(jié)果表明，與D10、D15跑鞋相比，穿著D0 鞋跑步時(shí)髕股關(guān)節(jié)壓力顯著降低（P＜0.001、P=0.003），降幅超過13.9%，但與D5跑鞋相比差異不顯著（P=0.021）。除D0跑鞋外，穿著其他3雙測(cè)試鞋時(shí)膝關(guān)節(jié)屈曲角度、伸膝力矩、股四頭肌肌力、髕股關(guān)節(jié)壓力沒有表現(xiàn)出顯著差異（P＞0.05）。上述各參數(shù)在支撐期的動(dòng)態(tài)曲線與髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力曲線相似（圖2）。

圖2 垂直地面反作用力、膝關(guān)節(jié)屈曲角度、伸膝力矩、髕股關(guān)節(jié)壓力和應(yīng)力動(dòng)態(tài)曲線

表3 髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值時(shí)刻各指標(biāo)的比較

3 討論

本研究結(jié)果支持穿著零落差跑鞋時(shí)足地角降低的研究假設(shè)。結(jié)果表明，與跟掌落差較高的跑鞋相比，穿著零落差跑鞋著地瞬間的足地角降低5.7°，其中3名受試者轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶阒夭呗?。Besson 等[9]對(duì)跑鞋跟掌落差的生物力學(xué)研究得出了相同的結(jié)果，即穿著零落差或低落差的跑鞋使得著地位置向前足移動(dòng)，但跑步者的著地方式不會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榍白阒?，更多的是過渡為中足著地或仍然維持后足著地方式[9，28，31]。長(zhǎng)期穿著零落差或低落差的極簡(jiǎn)鞋后，著地方式向中足和前足著地方式過渡，尤其是結(jié)合跑姿訓(xùn)練后，著地方式向前足著地轉(zhuǎn)變更加明顯[31-33]。哈佛大學(xué)Liberman 教授[34]也認(rèn)為現(xiàn)代跑鞋的鞋跟較高是跑步者普遍采用后足著地策略的主要原因，而穿著零落差跑鞋時(shí)，沒有鞋跟減震材料的緩沖，跑步者傾向于采用中足著地的軟著陸（soft landing）策略。大多數(shù)學(xué)者也推薦中足著地的跑步技術(shù)，因?yàn)樽愕亟墙档褪沟蒙煜チ睾腕x股關(guān)節(jié)壓力降低，進(jìn)而可能降低諸如髕股關(guān)節(jié)痛、膝骨性關(guān)節(jié)炎等跑步相關(guān)損傷的發(fā)生率[35-37]。一項(xiàng)前瞻性研究表明，習(xí)慣后足著地的跑步者發(fā)生應(yīng)力損傷的風(fēng)險(xiǎn)比習(xí)慣中足著地的跑步者高出近1 倍[36]。本研究中受試者穿15 mm 落差跑鞋時(shí)足地角平均值與穿5 mm 落差跑鞋時(shí)很接近，但與穿零落差跑鞋時(shí)的足地角無顯著差異。觀察受試者數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，15 mm 落差跑鞋對(duì)著地瞬間足地角影響的趨勢(shì)不一致。受試者對(duì)每雙鞋的適應(yīng)時(shí)間有限，而穿15 mm 落差跑鞋可能需要更長(zhǎng)時(shí)間適應(yīng)以產(chǎn)生更自然的著地方式。本研究中除零落差跑鞋外，穿著其他3 雙測(cè)試鞋時(shí)足地角沒有表現(xiàn)出顯著差異，提示小幅度降低跟掌落差對(duì)著地方式的影響有限。

本研究結(jié)果不支持穿著零落差跑鞋時(shí)垂直地面反作用力降低的研究假設(shè)。結(jié)果表明，穿著不同跟掌落差的跑鞋時(shí)垂直地面反作用力第1 峰值和第2 峰值均未表現(xiàn)出顯著差異。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，跑鞋后跟的緩沖材料能夠降低跑步時(shí)的地面反作用力，對(duì)下肢起到緩沖和保護(hù)作用，因而穿著跟掌落差較高的跑鞋對(duì)降低下肢負(fù)荷是有利的。但是穿著跟掌落差較高的跑鞋著地瞬間具有較大的足地角，足地角增加時(shí)地面反作用力也相應(yīng)增加[38]。跑鞋緩沖結(jié)構(gòu)和足地角增加這兩個(gè)因素對(duì)地面反作用力的影響可能互相抵消，使得地面反作用力沒有表現(xiàn)出顯著差異。

本研究結(jié)果支持穿著零落差跑鞋時(shí)髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力和應(yīng)力沖量降低的研究假設(shè)。結(jié)果表明，與跟掌落差較高的跑鞋相比，穿著零落差跑鞋時(shí)髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值降幅超過13.3%，應(yīng)力沖量降幅超過18.3%。以往類似研究更多地測(cè)試極簡(jiǎn)鞋和傳統(tǒng)跑鞋，來探討跟掌落差對(duì)下肢生物力學(xué)特征的影響[21]。Sinclair[21]的研究表明，與傳統(tǒng)跑鞋相比，赤足跑和穿著極簡(jiǎn)鞋跑步時(shí)髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值分別降低10.1%和9.0%，但也有研究發(fā)現(xiàn)穿著極簡(jiǎn)鞋并未引起膝關(guān)節(jié)負(fù)荷降低[39]。極簡(jiǎn)鞋不僅具有較小的跟掌落差，還具有輕量化、高彎折等特點(diǎn)，同時(shí)缺乏緩沖減震材料以及對(duì)足部的保護(hù)作用[10]。在研究中改變跟掌落差的同時(shí)保證跑鞋其他結(jié)構(gòu)完全一致，才能明確跑鞋跟掌落差對(duì)髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力負(fù)荷的影響特征，進(jìn)而為跑鞋設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確依據(jù)。本研究嚴(yán)格控制了除跟掌落差以外跑鞋的其他結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力負(fù)荷的改變與跟掌落差改變有關(guān)。因此，跑鞋跟掌落差是影響髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力負(fù)荷的關(guān)鍵因素之一。本研究中除零落差跑鞋外，穿著其他3 雙測(cè)試鞋時(shí)髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值沒有表現(xiàn)出顯著差異，提示小幅度降低跟掌落差對(duì)髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力負(fù)荷的影響有限。

本研究結(jié)果支持穿著零落差跑鞋時(shí)髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值時(shí)刻的相關(guān)指標(biāo)降低的研究假設(shè)。結(jié)果表明，在髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值時(shí)刻，穿著零落差跑鞋時(shí)膝關(guān)節(jié)屈曲角度、伸膝力矩、股四頭肌肌力和髕股關(guān)節(jié)壓力均顯著降低。髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力是單位接觸面積的壓力，主要受到髕股關(guān)節(jié)壓力和髕股關(guān)節(jié)接觸面積的影響。穿著零落差跑鞋時(shí)髕股關(guān)節(jié)接觸面積變化幅度較小，但髕股關(guān)節(jié)壓力降低13.9%，提示跑步時(shí)髕股關(guān)節(jié)壓力降低是應(yīng)力降低的主要原因，而髕股關(guān)節(jié)接觸面積對(duì)應(yīng)力的影響較小。Bonacci 等[26，39]也發(fā)現(xiàn)，與穿著傳統(tǒng)跑鞋相比，赤足跑時(shí)髕股關(guān)節(jié)接觸面積無明顯變化，但髕股關(guān)節(jié)壓力降低，髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力也隨之降低。作為股四頭肌和髕腱共同作用于髕骨的反作用力，髕股關(guān)節(jié)壓力的降低主要由足地角減小和伸膝力矩降低引起。一方面，穿著零落差跑鞋時(shí)傾向于中足著地，跑步者采用軟著陸（soft landing）的策略緩沖部分沖擊力，支撐腿的位置距離重心的垂直投影點(diǎn)更近，進(jìn)而減小股四頭肌力臂，降低伸膝力矩和髕股關(guān)節(jié)壓力。對(duì)跑步時(shí)不同著地方式的生物力學(xué)研究也表明，中足著地或前足著地伴隨著髕股關(guān)節(jié)壓力、應(yīng)力降低[38]。另一方面，與跟掌落差較高的跑鞋相比，穿著零落差跑鞋時(shí)伸膝力矩顯著降低，必然會(huì)減弱股四頭肌活動(dòng)，降低髕股關(guān)節(jié)壓力[9，40]。Sinclair 等[21]研究也表明，相對(duì)于傳統(tǒng)跑鞋，由于跟掌落差減小等原因，赤足跑和穿著極簡(jiǎn)鞋跑步時(shí)髕股關(guān)節(jié)壓力分別降低22.4%和16.6%?？傊?，穿著零落差跑鞋在一定程度上使跑步者著地方式由后足著地向中足著地過渡，同時(shí)支撐期膝關(guān)節(jié)角度減小，進(jìn)而降低了伸膝力矩、髕股關(guān)節(jié)壓力和應(yīng)力。

本研究結(jié)果對(duì)髕股關(guān)節(jié)痛的預(yù)防和康復(fù)治療有重要意義。跑步損傷的流行病學(xué)研究表明，髕骨軟骨承受過大的應(yīng)力負(fù)荷是導(dǎo)致髕股關(guān)節(jié)痛的潛在機(jī)制[1]，髕股關(guān)節(jié)痛患者比普通人承受更大的髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力[41]，女性跑者承受更大的髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力負(fù)荷，導(dǎo)致患髕股關(guān)節(jié)痛的風(fēng)險(xiǎn)大于男性跑者[25]，因此降低髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力及相關(guān)指標(biāo)被認(rèn)為是預(yù)防和緩解髕股關(guān)節(jié)痛的有效手段。有學(xué)者認(rèn)為，關(guān)節(jié)負(fù)荷降低10%才有臨床意義，能減輕下肢損傷關(guān)節(jié)的疼痛感，髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力每降低1 MPa，髕股關(guān)節(jié)痛就會(huì)隨之減少56%[15，42]。本研究結(jié)果表明，與10 mm落差跑鞋相比，穿著零落差跑鞋時(shí)髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值和應(yīng)力沖量分別降低3.09 MPa（16.2%）和0.39 MPa·s（25.2%），即髕股關(guān)節(jié)受到的瞬時(shí)沖擊和累計(jì)效應(yīng)均降低，進(jìn)而可能降低損傷風(fēng)險(xiǎn)。Malisoux等[17]進(jìn)行為期6個(gè)月的前瞻性研究，結(jié)果表明，穿著零落差跑鞋時(shí)膝關(guān)節(jié)損傷占跑步相關(guān)損傷的比例（15.2%）顯著低于穿著10 mm落差跑鞋（28.8%），與本研究結(jié)果吻合。因此建議有髕股關(guān)節(jié)傷病經(jīng)歷的跑步者穿著零落差跑鞋運(yùn)動(dòng)，髕股關(guān)節(jié)痛患者適宜穿著零落差鞋進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

本研究存在一定的局限性。首先，基于前人的生物力學(xué)模型方法計(jì)算髕股關(guān)節(jié)負(fù)荷，這些計(jì)算結(jié)果未考慮受試者個(gè)性化的問題，但本研究采用重復(fù)測(cè)量的組內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，因此不影響研究結(jié)論[26]，今后可采用平面正交熒光成像技術(shù)測(cè)量每名受試者的髕股關(guān)節(jié)接觸面積，以提高應(yīng)力計(jì)算的精度。其次，除跟掌落差外，鞋底厚度、硬度等其他結(jié)構(gòu)改變也會(huì)影響跑步時(shí)下肢生物力學(xué)特征[43，44]，進(jìn)而影響髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力負(fù)荷，今后應(yīng)進(jìn)一步研究鞋底其他結(jié)構(gòu)改變對(duì)跑步時(shí)下肢負(fù)荷的影響，以及鞋底各結(jié)構(gòu)改變對(duì)下肢負(fù)荷影響的交互效應(yīng)。最后，受試者為健康男性跑者，而髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力負(fù)荷存在性別差異[25，45]，今后應(yīng)進(jìn)一步將研究對(duì)象擴(kuò)大至女性跑者和髕股關(guān)節(jié)痛患者。

4 結(jié)論與建議

與跟掌落差較高的跑鞋相比，穿著零落差跑鞋會(huì)降低著地瞬間足地角，降低支撐期髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值和應(yīng)力沖量，進(jìn)而有效改善髕股關(guān)節(jié)負(fù)荷，為降低髕股關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險(xiǎn)提供可能。從預(yù)防膝關(guān)節(jié)損傷和髕股關(guān)節(jié)痛的角度出發(fā)，不建議長(zhǎng)時(shí)間穿著跟掌落差較高的跑鞋跑步。