跑鞋抗彎剛度調(diào)整對(duì)下肢生物力學(xué)表現(xiàn)及跑步經(jīng)濟(jì)性的影響研究

孫 冬，宋 楊，全文靜，李建設(shè)，顧耀東

近年來，隨著全民健身被納入國家戰(zhàn)略，跑步熱潮逐漸興起，越來越多的運(yùn)動(dòng)人群將跑步作為其首選運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)鞋核心科技的進(jìn)步與生物力學(xué)研究息息相關(guān)，運(yùn)動(dòng)鞋材料決定性能，結(jié)構(gòu)決定功能，無論是材料創(chuàng)新還是結(jié)構(gòu)改良都必須符合人體運(yùn)動(dòng)需求，遵循人體運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)原理（李建設(shè)等，2009；梅齊昌等，2015）。對(duì)于長跑運(yùn)動(dòng)而言，選擇一雙合適的跑鞋對(duì)運(yùn)動(dòng)員提升長跑生物力學(xué)表現(xiàn)和跑步經(jīng)濟(jì)性（running economy，RE）十分關(guān)鍵（顧耀東等，2019；郝琦等，2012）。

跑鞋縱向抗彎剛度（longitudinal bending stiffness，LBS）是鞋具設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。LBS的調(diào)整與跖趾關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能高度相關(guān)，鞋具LBS與耐力運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)聯(lián)系緊密，同時(shí)也被證實(shí)與高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)如沖刺跑、變向跑等運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)有密切聯(lián)系（萬祥林 等，2013；Roy et al.，2006；Stefanyshyn et al.，2016）。研究發(fā)現(xiàn)，在長跑和沖刺跑支撐末期，跖趾關(guān)節(jié)主要做負(fù)功，吸收能量，做負(fù)功與正功的比例可達(dá)到70∶1，這與跖趾關(guān)節(jié)在支撐末期的背屈程度過大密切相關(guān)（Stefanyshyn et al.，1997）。 Stefanyshyn等（2000）推測通過提高跑鞋LBS，降低跖趾關(guān)節(jié)在蹬伸階段的背屈活動(dòng)度可能有利于降低跑步跖趾關(guān)節(jié)處的能量損耗，從而提升運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。后續(xù)研究在一定程度上證實(shí)了這一論點(diǎn)，85%的短跑運(yùn)動(dòng)員穿著一定范圍內(nèi)的較高LBS鞋具，其運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)均有一定程度的提升（Stefanyshyn et al.，2004）。Wannop等（2017）發(fā)現(xiàn)，提高跑鞋LBS可以提高沖刺跑前10 m加速階段的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。同時(shí)Enders等（2015）發(fā)現(xiàn)，鞋具LBS提高可有效降低運(yùn)動(dòng)員在跳躍和變向運(yùn)動(dòng)中的氧氣消耗。研究表明，以4 m/s配速跑步時(shí)，跖趾關(guān)節(jié)的屈伸角度以及關(guān)節(jié)功率隨著跑鞋LBS的增加而逐漸減小，同時(shí)跖趾關(guān)節(jié)處做負(fù)功的程度降低，損失的能量也相應(yīng)減少（Cigoja et al.，2019）。類似的結(jié)果也出現(xiàn)在跳躍類項(xiàng)目測試中，Stefanyshyn等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，通過增加鞋具LBS可以減小垂直全力反向跳過程中跖趾關(guān)節(jié)約36%的能量損失，并能提高約1.7 cm的縱跳高度。跑鞋LBS調(diào)整能有效影響跑步生物力學(xué)參數(shù)，從而影響跑步運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)和跑步經(jīng)濟(jì)性。Hoogkamer等（2018）發(fā)現(xiàn)，隨著跑鞋質(zhì)量的下降，鞋底材料的能量回歸表現(xiàn)提升以及抗彎剛度增加能夠有效降低長跑氧耗量，提高跑步經(jīng)濟(jì)性。還有研究發(fā)現(xiàn)，跑鞋LBS提升可提高跑步支撐期峰值垂直地面反作用力（ground reaction forces，GRF），使觸地時(shí)間延長，步頻下降，此外，跑步垂直GRF沖量降低，下肢垂直剛度增加可能對(duì)提升跑步經(jīng)濟(jì)性有一定幫助（Moore，2016）。跑鞋LBS的提升引起跑步蹬離期GRF在足底作用點(diǎn)的前移，導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)GRF力臂的有效延長以及踝關(guān)節(jié)杠桿比例（gearing ratio）增大，從而提高踝關(guān)節(jié)蹬離階段的跖屈力矩并降低跖屈角速度，而這正可能是提高跑步運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)并降低能量消耗的生物力學(xué)機(jī)制（Willwacher et al.，2014）。

恒定跑速下，下肢各關(guān)節(jié)的做功總量在不同鞋具條件下一致，跑鞋LBS的提升可能導(dǎo)致跖趾關(guān)節(jié)處能量損耗降低，帶來下肢其他關(guān)節(jié)能量學(xué)代償性調(diào)整，但調(diào)整的程度及其生物力學(xué)機(jī)制目前尚不清楚。同時(shí)，跑鞋LBS的調(diào)整致使跖趾關(guān)節(jié)處能量損耗改變能否影響跑步經(jīng)濟(jì)性尚不明確；鞋具LBS增大能否提高跑步整體表現(xiàn)和跑步經(jīng)濟(jì)性及其相關(guān)的生物力學(xué)機(jī)制還不明晰。分析跑鞋LBS改變導(dǎo)致的跑步生物力學(xué)響應(yīng)，有助于進(jìn)一步理解跑步運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)及跑步經(jīng)濟(jì)性調(diào)整的生物力學(xué)機(jī)制。綜上，本研究旨在分析跑鞋LBS的改變對(duì)下肢生物力學(xué)功能調(diào)整及跑步經(jīng)濟(jì)性的影響。研究假設(shè)：隨著跑鞋LBS的提升，跑步支撐期的跖趾關(guān)節(jié)背屈活動(dòng)度和能量損耗降低，下肢關(guān)節(jié)做功向遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)（包括踝關(guān)節(jié)和跖趾關(guān)節(jié)）分散，同時(shí)跑步經(jīng)濟(jì)性提高，跑步運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)隨著跑鞋LBS的增加可得到進(jìn)一步提升。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

篩選15名健康成年男性馬拉松跑者為受試者［年齡：（24.1±2.1）歲；身高：（174.0±3.3）cm；體質(zhì)量：（63.4±1.6）kg；BMI指數(shù)：（21.8±2.6）kg/m2］；鞋碼為 40～43歐碼（40歐碼2人，41歐碼5人，42歐碼6人，43歐碼2人）；跑步方式均為后跟著地，優(yōu)勢側(cè)均為右側(cè)。本研究受試者均為國家二級(jí)及以上運(yùn)動(dòng)員，具有長跑經(jīng)歷，每周跑步距離不少于30 km，全程馬拉松成績在3.5 h以內(nèi)。所有受試者身體機(jī)能狀態(tài)良好，實(shí)驗(yàn)前30天無下肢損傷，為避免疲勞因素影響，要求實(shí)驗(yàn)前24 h內(nèi)不從事劇烈活動(dòng)。測試前所有受試者均了解研究目的、實(shí)驗(yàn)要求和過程以及具體步驟，自愿參與本次測試，并簽署知情同意書。

1.2 跑鞋設(shè)計(jì)

本研究選取安踏（中國）有限公司生產(chǎn)的“飛影”跑鞋作為原型用鞋，使用電子壓力試驗(yàn)機(jī)（E3000，英斯特朗公司，美國）對(duì)跑鞋前掌部位進(jìn)行LBS機(jī)械測試，測得該原型跑鞋的LBS為0.06 Nm/deg，作為本研究低LBS的對(duì)照跑鞋（LLBS）。在原型跑鞋的基礎(chǔ)上，通過在鞋墊和中底之間添加0.9 mm的碳板作為本研究高LBS的實(shí)驗(yàn)跑鞋（HLBS），保持碳板形狀與鞋墊完全一致，忽略碳板質(zhì)量因素對(duì)跑鞋和跑步經(jīng)濟(jì)性的影響。通過電子壓力試驗(yàn)機(jī)再次測試得到添加碳板后跑鞋LBS為0.32 Nm/deg。該原型跑鞋的單只質(zhì)量為280 g，鞋中底材料為聚氨基甲酸酯（PU）。前掌厚度為26.2 mm，后跟厚度為37.1 mm（圖1）。

圖1 跑鞋立體解剖視圖及碳板位置關(guān)系（a）與跑鞋LBS測量原理示意圖（b）Figure 1.Sketch Map of Stereoscopic Anatomical View of the Running Shoes（a）and the Position of Carbon Fiber Plate with Test of LBS in Shoes（b）

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

1.3.1 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)測試

采用八攝像頭VICON三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)（Oxford Metrics Ltd.，英國）同步AMTI三維測力臺(tái)（Watertown，美國）采集受試者實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下分別穿著不添加碳板的LLBS對(duì)照跑鞋和添加碳板的HLBS實(shí)驗(yàn)跑鞋進(jìn)行控制跑速測試，使用測速計(jì)時(shí)門（Smartspeed，F(xiàn)usion Sport International，Coopers Plains，澳大利亞）對(duì)15名受試者的跑速進(jìn)行監(jiān)控，跑速為4 m/s，取設(shè)定跑速5%誤差范圍內(nèi)的速度為有效跑速（Flores et al.，2019）。實(shí)驗(yàn)開始前，受試者在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行充分的熱身準(zhǔn)備活動(dòng)和環(huán)境適應(yīng)。隨后受試者簽署知情同意書，測量身高、體質(zhì)量、腿長、膝寬、踝寬等人體測量學(xué)參數(shù)，用于后續(xù)個(gè)體化人體建模參數(shù)的輸入與設(shè)置。25個(gè)反光標(biāo)記點(diǎn)（直徑14 mm）分別黏貼于受試者骶髂關(guān)節(jié)中心（SACR）、左右側(cè)髂前上棘（LASI，RASI）、左 右 側(cè) 髂 嵴（LPP，RPP）、左 右 大 轉(zhuǎn) 子（LTROC，RTROC）、優(yōu)勢側(cè)下肢追蹤點(diǎn)（S1，S2，S3，S4）、內(nèi)外側(cè)膝關(guān)節(jié)中心（RMK，RLK）、小腿追蹤點(diǎn)（ST1，ST2，ST3，ST4）、內(nèi)外側(cè)踝尖（RMA，RLA）、足跟追蹤點(diǎn)（SH1，SH2，SH3）、大腳趾（RTOE）、第一跖骨頭（RM1）、第五跖骨頭（RM5）。VICON下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)采樣頻率為200 Hz，下肢反光標(biāo)記點(diǎn)粘貼情況如圖2所示（梅齊昌等，2019；孫冬等，2018）。要求受試者優(yōu)勢側(cè)下肢的足完全踏在測力臺(tái)范圍內(nèi)，采集完整穩(wěn)定的支撐期運(yùn)動(dòng)學(xué)與GRF同步數(shù)據(jù)，AMTI三維測力臺(tái)采樣頻率設(shè)定為1 000 Hz，每名受試者隨機(jī)穿著LLBS與HLBS跑鞋實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下分別采集10組有效數(shù)據(jù)，每完成5組測試后受試者休息5 min，同時(shí)結(jié)合主觀疲勞測試量表（Ratings of Perceived Exertion，RPE）觀察受試者疲勞程度，在主觀疲勞量表得分超過12分后暫停測試，休息10 min，充分消除疲勞因素影響。

圖2 下肢反光標(biāo)記點(diǎn)粘貼位置示意圖Figure 2.The Lower Extremity Marker Set

1.3.2 跑步經(jīng)濟(jì)性測試

該部分測試在室內(nèi)高速跑臺(tái)（Cosmos，Pulsar 3P，德國）上進(jìn)行，采用FitMate EMD?氣體代謝分析儀（Cosmed，意大利）收集并分析受試者跑步過程中的氧氣攝入量，使用Polar心率帶實(shí)時(shí)監(jiān)測跑者心率變化。使用RPE量表以及心率指標(biāo)評(píng)估受試者跑步過程中的疲勞程度。受試者首先佩戴氧氣功能面罩和心率帶以自身適應(yīng)跑速熱身3～5 min，隨后啟動(dòng)儀器，開始以6 km/h的速度快走，并以每2 min增加1 km/h逐漸轉(zhuǎn)換為跑步，每2 min的后10 s由測試人員通過RPE量表詢問受試者的主觀感受并觀察實(shí)時(shí)心率變化，將受試者主觀RPE得分達(dá)到13分時(shí)所對(duì)應(yīng)的速度作為穩(wěn)態(tài)跑速，保持穩(wěn)態(tài)速度直到受試者主觀RPE值達(dá)到19分并同時(shí)滿足達(dá)到預(yù)期最大心率（220-年齡）時(shí)判定其疲勞，氧耗測試延長記錄10 s，隨后停止運(yùn)動(dòng)，記錄該過程的氧氣消耗總量（Barnes et al.，2015）。在整個(gè)跑臺(tái)測試過程中，設(shè)置跑臺(tái)坡度為1%模擬戶外跑步狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)期間嚴(yán)格控制溫度、濕度等環(huán)境因素。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行階段，嚴(yán)格控制外界干擾因素的影響，實(shí)時(shí)監(jiān)測受試者的身體狀態(tài)和恢復(fù)情況，提示受試者采用前后統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)方式，排除實(shí)驗(yàn)過程中可能干擾受試者的因素。

1.4 數(shù)據(jù)篩選與分析

運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)測試部分主要分析受試者優(yōu)勢側(cè)下肢在跑步支撐期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。對(duì)采集的支撐期反光標(biāo)記點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)及GRF數(shù)據(jù)采用Butterworth零滯后四階低通濾波，截止頻率分別設(shè)置為10 Hz和50 Hz，以消除高頻噪聲，避免數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯的濾波失真。采用Visual3D（v6 Professional，C-Motion，美國）三維步態(tài)/體態(tài)分析軟件內(nèi)置的逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)（inverse kinematics）與逆向動(dòng)力學(xué)（inverse dynamics）模塊計(jì)算優(yōu)勢側(cè)下肢髖、膝、踝以及跖趾關(guān)節(jié)矢狀面角度/（°）、關(guān)節(jié)角速度/［（°）·s-1］以及關(guān)節(jié)力矩/（Nm·kg-1）參數(shù)；通過關(guān)節(jié)力矩與關(guān)節(jié)角速度的乘積獲取關(guān)節(jié)功率/（W·kg-1）；通過關(guān)節(jié)功率曲線與時(shí)間軸的包絡(luò)積分獲取關(guān)節(jié)做功/（J·kg-1）；關(guān)節(jié)做正功和負(fù)功定義與關(guān)節(jié)功率一致，即定義坐標(biāo)系橫軸以上的部分為釋放能量，關(guān)節(jié)做正功（positive work）；坐標(biāo)系橫軸以下的部分為吸收能量，關(guān)節(jié)做負(fù)功（negative work）（張希妮等，2017）。動(dòng)力學(xué)指標(biāo)包括力矩、功率、做功（能量）等均使用受試者體質(zhì)量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，對(duì)支撐期時(shí)間進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理為0%～100%共計(jì)101個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（梅齊昌等，2015）。跖趾關(guān)節(jié)軸為第一跖骨頭與第五跖骨頭連線，跖趾關(guān)節(jié)中心為第一跖骨頭標(biāo)記點(diǎn)與第五跖骨頭標(biāo)記點(diǎn)連線的中點(diǎn)，跖趾關(guān)節(jié)的GRF力臂為力的作用點(diǎn)到跖趾關(guān)節(jié)軸的垂直距離（Day et al.，2019；Hoogkamer et al.，2019；Stefanyshyn et al.，1997）。綜上，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)測試部分篩選的參數(shù)包括：支撐期髖、膝、踝以及跖趾關(guān)節(jié)矢狀面關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)力矩、關(guān)節(jié)功率及關(guān)節(jié)做功（即關(guān)節(jié)能量學(xué)特征）。本研究的跑步經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)使用每分鐘單位體質(zhì)量對(duì)應(yīng)的氧氣消耗量/（mL·kg-1·min-1）表示。記錄每位受試者氧耗及心率測試開始時(shí)刻到受試者疲勞后設(shè)備停止測試時(shí)刻所用時(shí)長，對(duì)跑臺(tái)能量代謝測試耗時(shí)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，測試并計(jì)算受試者分別穿著LLBS和HLBS鞋具在0%（初始狀態(tài)）、20%、40%、60%、80%和100%跑步支撐期時(shí)刻對(duì)應(yīng)的氧耗情況，同步記錄受試者心率變化，以反映跑步跑步經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)（Oh et al.，2017）。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

本研究統(tǒng)計(jì)學(xué)分析均通過Matlab R2018a軟件（The MathWorks，美國）完成。首先使用Shapiro-Wilk方法對(duì)因變量的正態(tài)性進(jìn)行檢驗(yàn)。如果Shapiro-Wilk檢驗(yàn)為正態(tài)分布，則進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，如不服從正態(tài)分布則進(jìn)行非參數(shù)Wilcoxon秩檢驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)分析受試者隨機(jī)穿著LLBS和HLBS跑鞋跑步測試中優(yōu)勢側(cè)下肢支撐期的相關(guān)數(shù)據(jù)，主要包括下肢關(guān)節(jié)角度、下肢關(guān)節(jié)力矩、下肢關(guān)節(jié)功率、下肢關(guān)節(jié)能量學(xué)以及跑步經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，顯著性水平均設(shè)定在0.05。

2 研究結(jié)果

2.1 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)測試結(jié)果

經(jīng)Shapiro-Wilk檢驗(yàn)，下肢關(guān)節(jié)角度、力矩、功率及能量學(xué)等指標(biāo)均服從正態(tài)分布。統(tǒng)計(jì)受試者優(yōu)勢側(cè)足踏上測力臺(tái)到離開測力臺(tái)的時(shí)間范圍確定為支撐期時(shí)間（stance time）。隨著跑鞋LBS的提升，支撐期時(shí)間顯著降低，穿著LLBS跑鞋的支撐期時(shí)間為（0.267±0.017）s，穿著HLBS跑鞋的支撐期時(shí)間為（0.252±0.014）s。在下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)方面，除跖趾關(guān)節(jié)外，髖、膝、踝關(guān)節(jié)支撐期矢狀面的角度變化及關(guān)節(jié)活動(dòng)度在2種LBS鞋具條件下均無顯著性差異。隨著跑鞋LBS的提升，跖趾關(guān)節(jié)背屈程度顯著下降，表現(xiàn)為穿著HLBS跑鞋跖趾關(guān)節(jié)支撐期的峰值背屈角度為28.7°±3.9°，穿著LLBS跑鞋為33.1°±4.5°，P=0.001。同時(shí)，隨著跑鞋LBS的提升，跖趾關(guān)節(jié)支撐后期由背屈過渡到跖屈的觸發(fā)時(shí)間顯著提前，穿著HLBS跑鞋跖趾關(guān)節(jié)跖屈觸發(fā)時(shí)間在支撐期占比為86.42%±3.85%，穿著LLBS跑鞋占比為93.28%±4.94%，P＜0.001。動(dòng)力學(xué)參數(shù)的顯著性改變主要體現(xiàn)在穿著2種LBS鞋具條件下膝關(guān)節(jié)及跖趾關(guān)節(jié)力矩，功率及能量學(xué)指標(biāo)。關(guān)節(jié)力矩方面，穿著LLBS跑鞋的峰值伸膝力矩［（2.12±0.25）Nm/kg］顯著高于HLBS跑鞋［（1.99±0.22）Nm/kg，P=0.011］；穿著HLBS跑鞋的跖趾關(guān)節(jié)峰值跖屈力矩［（0.27±0.07）Nm/kg］則顯著高于 LLBS跑鞋［（0.21±0.11）Nm/kg，P＜0.001］。在關(guān)節(jié)功率方面，穿著HLBS跑鞋的跖趾關(guān)節(jié)峰值負(fù)功功率［（2.77±0.42）W/kg］顯著低于LLBS跑鞋［（3.53±0.55）W/kg，P=0.001］；相反，HLBS跑鞋的跖趾關(guān)節(jié)峰值正功功率［（0.97±0.22）W/kg］顯著高于LLBS跑鞋［（0.42±0.14）W/kg，P＜0.001；圖3］。

圖3 LLBS及HLBS鞋具條件下肢各關(guān)節(jié)支撐期矢狀面關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)力矩及關(guān)節(jié)功率變化情況Figure 3.The Variation of Lower Extremity Sagittal Plane Joint Angles，Moments and Power during Stance Phase under LLBS and HLBS Conditions

實(shí)驗(yàn)室恒定跑速下，穿著LLBS和HLBS跑鞋下肢關(guān)節(jié)做正功及負(fù)功總量無顯著性差異，經(jīng)與受試者體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化后，穿著LLBS跑鞋下肢各關(guān)節(jié)正負(fù)功總量為（3.04±0.44）J/kg，穿著HLBS跑鞋下肢各關(guān)節(jié)正負(fù)功總量為（3.03±0.38）J/kg（表1）。進(jìn)一步計(jì)算下肢各關(guān)節(jié)的做功貢獻(xiàn)占比（各關(guān)節(jié)做功/下肢關(guān)節(jié)總功×100%），穿著HLBS跑鞋跖趾關(guān)節(jié)正功占比為1.45%±0.67%，穿著LLBS跑鞋跖趾關(guān)節(jié)正功占比顯著降低（0.69%±0.26%）。穿著HLBS跑鞋跖趾關(guān)節(jié)負(fù)功占比為1.66%±0.31%，穿著LLBS跑鞋跖趾關(guān)節(jié)負(fù)功占比為1.42%±0.28%。穿著HLBS跑鞋膝關(guān)節(jié)正功占比（16.91%±4.83%）相比于LLBS跑鞋顯著降低（19.28%±4.26%，P=0.022）。恒定跑速下，相比于穿著較低抗彎剛度的LLBS跑鞋，較高抗彎剛度的HLBS跑鞋能夠增加跖趾關(guān)節(jié)做正功比例，并降低做負(fù)功比例，同時(shí)相應(yīng)地降低膝關(guān)節(jié)做正功比例。從以上結(jié)果可發(fā)現(xiàn)穿著HLBS跑鞋時(shí)的下肢做正功由膝關(guān)節(jié)向跖趾關(guān)節(jié)分散和轉(zhuǎn)移。

表1 LLBS及HLBS鞋具條件下肢髖、膝、踝以及跖趾關(guān)節(jié)做正功及做負(fù)功的關(guān)節(jié)能量學(xué)參數(shù)Table 1 Positive and Negative Lower Limb Joint Work for the Metatarsophalangeal，Ankle，Knee，and Hip Joints under LLBS and HLBS Conditions M±SD，J·kg-1

2.2 跑步經(jīng)濟(jì)性測試結(jié)果

受試者分別穿著LLBS與HLBS跑鞋在跑臺(tái)進(jìn)行遞增速度跑步疲勞測試，同步采集受試者氧氣消耗和心率變化（圖4）。在整個(gè)跑臺(tái)跑步疲勞周期內(nèi)（100%），受試者穿著LLBS和HLBS跑鞋的心率變化無顯著差異，但從整個(gè)周期范圍看，穿著HLBS跑鞋在20%時(shí)間點(diǎn)的心率值略高于LLBS跑鞋，后續(xù)時(shí)間點(diǎn)的心率值略低于LLBS跑鞋（圖4a）。穿著HLBS跑鞋僅在80%時(shí)間點(diǎn)的氧氣消耗量顯著降低，相較于LLBS跑鞋，跑步經(jīng)濟(jì)性顯著提升（P＜0.05）。在整個(gè)跑臺(tái)跑步至疲勞周期內(nèi)，穿著HLBS跑鞋的平均跑步經(jīng)濟(jì)性值為（32.3±4.2）mL·kg-1·min-1，穿著 LLBS跑鞋的平均跑步經(jīng)濟(jì)性值為（33.9±4.6）mL·kg-1·min-1，總體跑步經(jīng)濟(jì)性差異不具有顯著性。

圖4 穿著LLBS及HLBS跑鞋跑步疲勞測試的心率及跑步經(jīng)濟(jì)性變化情況Figure 4.Variation of Heart Rate and Running Economy during Running Fatigue Test with LLBS and HLBS Shoes

3 討論

本研究旨在探究調(diào)整跑鞋LBS對(duì)下肢生物力學(xué)表現(xiàn)及跑步經(jīng)濟(jì)性的影響。選取下肢生物力學(xué)指標(biāo)包含髖、膝、踝及跖趾關(guān)節(jié)在4 m/s跑速下的矢狀面關(guān)節(jié)角度、力矩、功率及能量學(xué)特征。鞋底添加碳板后，跑鞋LBS顯著提升，下肢生物力學(xué)參數(shù)也表現(xiàn)出相應(yīng)的調(diào)整策略。在運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)方面，隨著跑鞋LBS的提升，跖趾關(guān)節(jié)屈曲活動(dòng)顯著受限是較容易理解的。運(yùn)動(dòng)學(xué)測試結(jié)果結(jié)合下肢環(huán)節(jié)慣性參數(shù)和GRF特征，通過逆向動(dòng)力學(xué)算法計(jì)算得出關(guān)節(jié)力矩、功率及能量學(xué)參數(shù)反映下肢各關(guān)節(jié)在2種不同LBS鞋具條件下的力學(xué)表現(xiàn)和做功特征。

結(jié)合上述測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)恒定跑速下，跑鞋LBS調(diào)整對(duì)下肢關(guān)節(jié)做功總量無顯著影響，但顯著影響了下肢各關(guān)節(jié)的做功分布。主要體現(xiàn)在以相同速度跑步時(shí)，跑者穿著HLBS跑鞋時(shí)跖趾關(guān)節(jié)做正功（釋放能量）增大，膝關(guān)節(jié)做正功減?。慌c之相反，穿著HLBS跑鞋時(shí)跖趾關(guān)節(jié)做負(fù)功（吸收能量）減小，膝關(guān)節(jié)做負(fù)功增大，髖關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)的做功及能量學(xué)表現(xiàn)未見顯著調(diào)整。綜上可推測，隨著跑鞋LBS的提升，下肢做正功由近端關(guān)節(jié)（膝關(guān)節(jié)）向遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)（跖趾關(guān)節(jié)）調(diào)整分布。跑步經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)由單位時(shí)間單位體重的氧氣消耗量表示，經(jīng)跑臺(tái)跑步疲勞測試，兩種LBS跑鞋的總體跑步經(jīng)濟(jì)性未見顯著改變，對(duì)測試時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)化后，發(fā)現(xiàn)僅在80%時(shí)刻處，受試者穿著HLBS跑鞋的氧耗量下降，跑步經(jīng)濟(jì)性出現(xiàn)顯著提升。

根據(jù)上述測試結(jié)果，推測跖趾關(guān)節(jié)做功及能量學(xué)隨著跑鞋LBS調(diào)整而改變的潛在機(jī)制主要有以下2點(diǎn)：1）從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度而言，穿著HLBS跑鞋時(shí)跖趾關(guān)節(jié)跖屈觸發(fā)時(shí)刻顯著早于LLBS跑鞋，跖屈做正功的時(shí)刻提前，做正功的時(shí)間延長；2）從動(dòng)力學(xué)角度而言，穿著HLBS跑鞋的跖屈力矩顯著增大。跖屈力矩的增大和跖屈觸發(fā)時(shí)間的提前導(dǎo)致關(guān)節(jié)做正功功率的增大，功率增大和做功時(shí)間延長最終導(dǎo)致穿著較高LBS跑鞋在跖趾關(guān)節(jié)處做正功增加，即釋放能量增多。探究較高LBS條件下跖趾關(guān)節(jié)跖屈力矩提升的原因，可能是由于肌肉力量提升，但肌力的提升會(huì)導(dǎo)致肌肉做功增加，對(duì)應(yīng)的氧耗量也相應(yīng)提升（Biewener et al.，2000），這與本研究發(fā)現(xiàn)的2種LBS條件下，跑鞋總體跑步經(jīng)濟(jì)性無顯著差異，并且在80%時(shí)刻

前人研究也佐證了在一定范圍內(nèi)，跑鞋LBS的提升可能有助于提高跑步經(jīng)濟(jì)性這一觀點(diǎn)。Roy等（2006）研究分析了18名受試者分別穿著LBS為18 N/mm、38 N/mm和45 N/mm的跑鞋進(jìn)行次最大攝氧量強(qiáng)度跑步，平均跑速為3.7 m/s，跑步經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)同樣采用受試者在穩(wěn)態(tài)速度下單位時(shí)間單位體重的氧氣消耗量表示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，38 N/mm和45 N/mm條件下跑步經(jīng)濟(jì)性顯著提升，其中38 N/mm對(duì)應(yīng)的跑步經(jīng)濟(jì)性最高。因此推測較高LBS跑鞋跖趾關(guān)節(jié)跖屈力矩的提升并非是由于肌肉力量的增加或肌肉做功的增大而導(dǎo)致。對(duì)跖趾關(guān)節(jié)跖屈力矩提升的另一個(gè)可能解釋是跑鞋內(nèi)置碳板隨著跖趾關(guān)節(jié)屈曲會(huì)儲(chǔ)存部分彈性勢能，并在跖趾關(guān)節(jié)跖屈階段釋放彈性勢能給予能量反饋（Cigoja et al.，2019；Nigg et al.，1992）。需要注意的是，能量回饋的時(shí)機(jī)，位置和頻率都是影響能量反饋有效性的重要因素，通過本研究方法，無法得出碳板能量回饋的時(shí)機(jī)和頻率信息。但通過研究測試得到的部分生物力學(xué)指標(biāo)，例如跖趾關(guān)節(jié)峰值跖屈力矩以及做正功功率的提升可以推測碳板的能量回饋位置位于前足，碳板能量回饋的時(shí)機(jī)和頻率還需要進(jìn)一步研究確定（Nigg et al.，2000）。

前人研究推測跑鞋LBS調(diào)整影響下肢生物力學(xué)特征和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的機(jī)制有以下2個(gè)方面：1）影響下肢能量吸收及能量回饋；2）降低下肢能量損耗。下肢能量損耗降低意味著關(guān)節(jié)做負(fù)功程度降低，肌肉離心收縮做功降低，能耗也隨之減小，長距離耐力運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)得到提升（Oh et al.，2017；Roy et al.，2006）。本研究發(fā)現(xiàn)，穿著HLBS跑鞋跑步時(shí)的跖趾關(guān)節(jié)做負(fù)功相比于LLBS跑鞋顯著降低，這可能會(huì)在一定程度上提升運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，同時(shí)對(duì)研究發(fā)現(xiàn)的穿著HLBS跑鞋時(shí)跑步經(jīng)濟(jì)性得到提高提供解釋依據(jù)。Hoogkamer等（2019）研究未發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)做功在不同LBS跑鞋下出現(xiàn)調(diào)整，但發(fā)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)能量學(xué)特征出現(xiàn)顯著差異。推測可能由于上述研究中高LBS跑鞋的抗彎剛度僅為低LBS跑鞋的2倍，而本研究使用的HLBS跑鞋抗彎剛度則為LLBS跑鞋的5倍以上。

有研究發(fā)現(xiàn)，長距離跑到達(dá)疲勞狀態(tài)后，下肢關(guān)節(jié)做正功會(huì)向近端關(guān)節(jié)重新分布，近端關(guān)節(jié)做正功比例增加可能是關(guān)節(jié)周圍的大肌肉群做功增加的結(jié)果，研究證實(shí)大肌群做功特點(diǎn)為能量存儲(chǔ)和反饋效率低于小肌群，在募集相同肌肉力的情況下需要消耗的能量較多（Sanno et al.，2018）。因此跑步至疲勞狀態(tài)后，消耗能量增多，跑步經(jīng)濟(jì)性會(huì)隨之下降。研究提示，長距離跑步至疲勞狀態(tài)下肢近端關(guān)節(jié)以及關(guān)節(jié)周圍大肌群等做功的增加會(huì)導(dǎo)致能量消耗上升，不利于提高跑步經(jīng)濟(jì)性。因此，通過調(diào)整跑鞋LBS重新分布下肢各關(guān)節(jié)做功，可能對(duì)跑步運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)及跑步經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生有利影響?；诒狙芯繙y試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)通過增加跑鞋LBS，能夠調(diào)整下肢關(guān)節(jié)做功分布，一方面增加跖趾關(guān)節(jié)做正功的比例，減小跖趾關(guān)節(jié)處的能量損失，另一方面降低膝關(guān)節(jié)做正功的幅度，使下肢關(guān)節(jié)做功由近端關(guān)節(jié)向遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)分散。同時(shí)本研究發(fā)現(xiàn)，跑鞋LBS提高能夠降低跑步接近疲勞狀態(tài)（80%時(shí)刻）的氧氣消耗量，提升跑步經(jīng)濟(jì)性（Flores et al.，2019）。依據(jù)本研究結(jié)果推測，增加跑鞋LBS能夠?qū)ε懿奖憩F(xiàn)的提高產(chǎn)生積極影響，但鑒于影響跑步運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的因素較為復(fù)雜，跖趾關(guān)節(jié)作為支撐末期的最后施力關(guān)節(jié)，與運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)和下肢其他各關(guān)節(jié)力學(xué)特征之間的內(nèi)在聯(lián)系尚未完全建立（Oh et al.，2017；Stefanyshyn et al.，2016）。此外，由于跑者的個(gè)體差異性（subject-specific），對(duì)跑鞋LBS可能產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)策略的適應(yīng)和代償性調(diào)整，例如，有研究發(fā)現(xiàn)跑鞋LBS增加可能導(dǎo)致身體重心在支撐足轉(zhuǎn)移過程中阻力增加，延長支撐期時(shí)間，降低運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)（Tinoco et al.，2010）。因此，通過增加鞋具LBS減小跖趾關(guān)節(jié)能量損耗促進(jìn)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的生物力學(xué)機(jī)制還需要深入研究。

本研究同時(shí)還存在一些局限與不足，主要包含以下2點(diǎn)：1）忽略了足部小環(huán)節(jié)的慣性參數(shù)，沒有將GRF按照足部小環(huán)節(jié)進(jìn)行比例分配，跖趾關(guān)節(jié)GRF矩的計(jì)算從足底壓力中心前移超過跖趾關(guān)節(jié)軸開始，之前的部分設(shè)置為 0（萬祥林 等，2013；Hoogkamer et al.，2018；Stefanyshyn et al.，1997）。有研究驗(yàn)證采用該方法會(huì)導(dǎo)致計(jì)算得出的跖趾關(guān)節(jié)跖屈力矩高出正常值約17%，同時(shí)該計(jì)算方法僅影響跖趾關(guān)節(jié)做負(fù)功功率的準(zhǔn)確性，而不影響做正功功率（Bruening et al.，2018）。2）添加碳板提高了跑鞋LBS，同時(shí)每只跑鞋質(zhì)量也增加約25 g，為排除其他干擾因素，本研究并未考慮鞋具質(zhì)量對(duì)下肢生物力學(xué)及跑步經(jīng)濟(jì)性的影響。但有報(bào)道發(fā)現(xiàn)，鞋具質(zhì)量的增加會(huì)導(dǎo)致下肢做功總量的增加和跑步經(jīng)濟(jì)性的下降，跑鞋質(zhì)量每增加100 g/雙，會(huì)導(dǎo)致氧耗量提升約1%（Franz et al.，2012；Fuller et al.，2015）。但由于本研究并未發(fā)現(xiàn)碳板質(zhì)量增加導(dǎo)致下肢做功總量的改變和跑步經(jīng)濟(jì)性的降低，因此碳板質(zhì)量因素在本研究中可以忽略不計(jì)。

4 總結(jié)

跑鞋LBS的提升能夠影響跑步下肢生物力學(xué)特征及跑步經(jīng)濟(jì)性，具體表現(xiàn)在，下肢關(guān)節(jié)做正功隨著跑鞋LBS的增加從近端關(guān)節(jié)即膝關(guān)節(jié)向遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)即跖趾關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)移分布。跖趾關(guān)節(jié)在HLBS跑鞋條件下做正功比例顯著升高，做負(fù)功比例顯著降低，跖趾關(guān)節(jié)能量反饋效率提高。推測其潛在機(jī)制可能是由于碳板在蹬離階段釋放部分彈性勢能，增加跖趾關(guān)節(jié)跖屈力矩，提前觸發(fā)支撐期跖趾關(guān)節(jié)由背屈向跖屈階段過渡，延長跖屈做正功時(shí)長，最終導(dǎo)致跖趾關(guān)節(jié)在高LBS鞋具情況下做正功增加。跑者穿著HLBS跑鞋在接近疲勞狀態(tài)下氧耗量下降，跑步經(jīng)濟(jì)性提升，推測可能是由于下肢做功向遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)分布從而降低近端關(guān)節(jié)周圍大肌肉群做功，降低大肌肉群氧耗量。提示，深入探討鞋具抗彎性能與跖趾關(guān)節(jié)等小關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)功能與生物力學(xué)特征，以及跑步經(jīng)濟(jì)性等生理學(xué)特征可能對(duì)鞋具LBS的優(yōu)化和個(gè)性化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。