12周跑姿再训练对髌股关节受力特征影响的研究

王宝峰，杨 洋，王俊清，孙晓乐，张希妮，傅维杰

跑步是大众健身最流行和常见的运动方式。2010 年以来，我国无论是马拉松赛事的举办场次还是参与人员的数量都呈现大幅提升的趋势[1]。随着参加人数的增多，跑者的损伤问题也得到了研究者的关注。有研究报道，与跑步相关的损伤在体育活动导致的损伤中占比40%[2]，其中膝关节损伤占比最高约为28%，而髌股关节疼痛综合征（Patellofemoral joint pain syn‐thesis，PFPS）在具体的损伤病例中占17%[3]。

目前认为导致PFPS 的主要原因有髌股关节压力大、劳损、外伤、股四头肌弹性衰退、髌骨活动受限、髌股外侧支撑带挛缩等[4]。非手术治疗方式主要是通过针对股四头肌、股内侧斜肌、臀肌的肌力训练来矫正髌骨的运行轨迹，以及通过电疗等理疗方式消除膝关节内炎症来缓解髌股关节疼痛[5]。上述治疗方式作用于PFPS 发生后缺乏预防手段，且单一肌肉的力量训练也难以起到较好的临床效果[5]。同时跑步导致PFPS 主要是由跑步触地动作引起的髌股关节间应力增大和下肢肌肉力不足等内力的交互综合作用引起，因此，仅针对膝关节周围肌肉力量加强的治疗方式可能忽略髌股关节应力增大这一重要因素。

跑者根据触地方式可分为后跟触地跑者（rearfoot strik‐ers，RFS）、全掌触地跑者（midfoot strikers，MFS）、前掌触地跑者（forefoot strikers，FFS）[6]。习惯穿缓冲鞋的跑者大约有75%是RFS[7]。前人研究发现FFS 与RFS 相比，具有较低垂直负载率[8-9]，可能会减少跑步相关损伤的发生率[10]。同时有研究者[11]发现女性跑者中FFS 相较于RFS 具有更低的伸膝力矩、髌股关节力（patellofemoral joint contact force ，PFCF）及髌股关节应力（patellofemoral joint stress ，PFS），可能有助于降低PFPS 的发生率。目前针对跑姿的研究对象主要为自然FFS 和RFS，通过两者之间生物力学指标的横向对比或者即刻改变其跑姿的纵向对比来分析两种跑姿的不同。而对于通过跑姿再训练改变跑姿的跑者的髌股关节生物力学相关研究值得深入研究。

综上，本研究通过比较12周跑姿再训练前后膝关节矢状面角度、膝关节矢状面力矩、力臂、髌股关节力、髌股关节应力的变化，深入理解12周跑姿再训练对于跑姿转换的作用以及跑姿转换后髌股关节的力学特性，以期为减少跑者发生髌股关节疼痛综合征提供可能的预防手段。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

招募男性受试者30 人，使用随机数函数“Rand（）”生成每位受试者对应一位“0~1”之间的随机数[12]（如0.606 213 85），根据升序排序将受试者分为实验组和对照组，各15人。招募标准为后跟触地跑者，习惯穿缓冲鞋。近1 个月内，周跑量维持在20 km 以上，同时期望在随后的12 周内维持此训练量。实验前3个月内没有明显的下肢损伤。

1.2 实验仪器

1.2.1 Kistler 三维测力台 使用瑞士生产的Kistler（9287B）三维测力台，尺寸为90 cm×60 cm×10 cm，采样频率为1 000 Hz。

1.2.2 Vicon 红外高速三维运动捕捉系统 10 台Vicon 三维红外摄像头（型号：T40）采集跑步时受试者身上标志点的运动轨迹。采样频率为100 Hz。

1.2.3 光栅计时系统 实验中的速度由Witty-Manua（l意大利，Microgate）光栅测速仪进行控制。

1.2.4 实验用鞋 统一使用无缓冲材料的INOV-8 Bare-XF 210 V2 极简鞋（见图1）。该鞋前后跟落差（heel-toe drop）与鞋底厚度分别为0和3 mm，平均重量为227 g。

图1 极简鞋Figure1 Minimalist Shoe

1.2.5 Podoon 压感智能鞋垫 该智能鞋垫内分布有0.2 mm 柔性薄膜压力传感器共3 个，与手机应用Podoon 配合可对受试者的跑姿进行监测。

1.3 测试流程

测试前：受试者登记基本信息，在了解实验流程后签署《知情同意书》，更换统一实验服装并以12 km/h 的速度进行5 min热身活动。随后受试者休息5 min 同时更换极简鞋。随后实验人员在受试者的骨盆与下肢的骨性标志粘贴marker 球，marker球的位置为髂前上棘、髂脊上缘等共36个点[13]。拍摄受试者站立静态模型。

测试时：要求受试者自选跑姿并以12 km/h（±5%）的速度通过跑道，同步采集受试者优势侧（根据踢球法判定踢球距离更远的一侧为优势侧[14]）的marker球轨迹和地面反作用力等信号，共采集3次成功踏上测力台的有效数据。

1.4 训练干预方案

实验组：要求受试者在跑姿再训练时穿着极简鞋，采用前掌跑姿（前掌跖球部触地[15]）以中等强度自选速度进行跑步。通过Podoon 压感智能鞋垫配套手机应用Podoon 所提供的声效反馈获知实验组受试者跑姿是否为前掌触地。对照组：要求受试者着极简鞋，以现有的跑姿进行跑步训练。速度同样为中等强度自选速度，训练时长同实验组。

干预周期为12 周，每周3 次，每次训练时长为5~48 min，随训练的进程阶梯式递增（见表1）。受试者在训练以外的时间可穿着习惯的跑鞋进行跑步。在训练期间，保证两组人之间互不知情。整个干预周期内禁止受试者参加相关赛事。训练方案仅替代跑量的一部分，每周跑步总距离保持不变。另外，指导受试者进行力量训练以加强足部和下肢肌群的功能，从而使下肢适应改变跑姿可能带来的负荷[16]。

表1 12周跑姿再训练方案Table1 12-week Gait Retraining Protocol

受试者需如实记录训练情况。实验组和对照组分别记录训练开始、结束时间、地点、跑量及损伤情况。此外实验组还需额外记录前掌跑开始、结束时间及跑量。实验人员通过随机抽查（要求受试者告知实验人员每次训练开始的时间、地点）、Podoon 云端数据与训练日志进行比对来确定受试者的训练情况。

1.5 数据处理与计算

本实验研究跑步的支撑阶段（触地瞬间至脚尖离地）。运动学与地面反作用力等数据均通过Visual 3D 三维步态/体态分析软件（版本：3.21.0）进行处理与分析。运动学的截止频率设为7 Hz[14]。

目前国内外关于动态条件下的PFS计算主要采用生物力学模型的方法[17]。本研究引用BRESSEL 等[18]的髌股关节力计算模型与VANNATTA 等人[19]所得髌骨与股骨的接触面积的回归方程以计算髌股关节应力，具体如下。

1.5.1 股四头肌肌力计算FQ(θi) = MEXT(θi)/LA(θi)，式中FQ（股四头肌肌力，MEXT为伸膝力矩（N·m）；LA 为股四头肌有效力臂（m）；θi为膝关节矢状面屈伸角度（见图2）[20]。

图2 髌股关节隔离体及角度定义Figure2 Free-body Diagram of the Patella and the Definition of Angle

力臂LA（m）：股四头肌有效力臂为矢状面膝关节角度的函数[18]。

1.5.2 髌股关节力计算FPF = 2FQSIN(β/2)，其中β= 30.46 +0.53∙θi；FPF为髌股关节力；β为股四头肌肌力线与髌韧带拉力线之间的夹角（见图2）[18]。

1.5.3 髌股关节应力计算 髌骨与股骨之间的接触面积（mm2）为膝关节屈曲角度的函数[19]。SPFCA=0.07810.06763×θi+151.75，式中SPFCA代表髌骨与股骨之间的接触面积。PPFS=FPF/SPFCA(θi)，式中PPFS代表髌股关节应力。

1.6 统计方法

本研究使用配对样本T检验对受试者基本信息进行检验，采用重复测量双因素方差（two-way repeated measures ANOVA，SPSS 21.0），以观察自变量（组别×时间）对伸膝力矩、膝关节角度、髌股关节力、髌股关节应力等参数的影响。对于有交互作用的参数，组内采用配对样本T检验，组间采用独立样本T检验，显著性水平α设为0.05。

2 结果

2.1 受试者流失情况

本研究共招募男性受试者30 人（对照组n=15，实验组n=15）。实验过程中共流失13 人，流失原因包括：有1 人在训练前发现为非后跟触地；1 人因左侧膝盖持续疼痛（旧伤）退出，1 人因右侧踝关节急性扭伤（走楼梯踏空所致）退出；2 人因训练日志与Podoon 应用云端数据无法匹配被剔除，3人Podoon 应用数据无法查看并失去联系；5 人因个人原因直接退出或训练中断达1周以上。本研究最终共17（对照组n=8，实验组n=9）人符合测试标准，纳入结果统计（见表2）。在实验组9 人中有7 人转换为前掌触地模式，转换率为78%。

表2 受试者基本信息一览表（n=17）Table2 List of subject basic information（n=17）

2.2 膝关节角度和力矩

12周的跑姿再训练后，在12 km/h（±5%）速度下跑步时对照组的伸膝力矩峰值、最大屈曲角度均未产生具有统计学差异的改变（见表3）。在实验组中，训练后的膝关节最大角度未发现改变，但伸膝力矩峰值显著降低13.8%（P=0.017），如图3右所示。

图3 12周跑姿训练对膝关节矢状面角度、标准化力矩的影响Figure3 Effect of 12-week Running Gait Training on the Knee Extensor Moment and Knee Flexion Angle

2.3 髌股关节力和应力

12 周的跑姿再训练后，对照组的髌股关节力峰值、髌股关节应力峰值均未产生具有统计学差异的改变（见表3）。实验组中，训练后的髌股关节力峰值同样未发现显著性改变，但髌股关节应力峰值显著降低13.3%（P=0.018），如图4右所示。

表3 膝关节矢状面力矩峰值、角度、髌股关节力、应力Table3 Mean（SD）Kinematic，Kinetic for the Experimental Group and Control Group

图4 12周跑姿训练对髌股关节力、髌股关节应力的影响Figure4 Effect of 12-week Running Gait Training on Patellofemo‐ral Joint Contact Force and Patellofemoral Joint Stress

3 讨 论

本研究的主要目的是探究12 周跑姿再训练对髌股关节力学特征的影响，以期能够为预防髌股关节疼痛综合征提供一种有效的手段。本研究发现：通过跑姿转换配合穿着极简鞋训练12 周后，伸膝力矩峰值、髌股关节应力峰值显著降低；而在仅穿着极简鞋的对照组中则未发现显著性改变。

经过12 周跑姿再训练后，实验组9 人中有7 人转换为FFS跑姿，转换率为78%。由此推测，12 周跑姿再训练使跑者有足够的时间进行姿态控制学习[21]，进而转换着地方式。在本次实验中共有2 人因发生损伤退出，对照组和实验组各1 人。前者损伤原因为旧伤复发引起膝关节疼痛，后者因下楼梯时踏空导致踝关节扭伤，二者损伤原因均与干预方案无关。在类似的研究中，MCCARTHY等人[22]实验组15人中有2人（13%）因训练发生损伤；WARNE等人[16]实验组14人中有2人（14%）腘绳肌与腓肠肌发生损伤，有7 人报告小腿三头肌疼痛并因此导致训练时长减少。前者与本研究同样采用了极简鞋条件进行干预训练，不同的是该研究虽告知受试者穿着极简鞋时继续保持后跟着地姿态以及较大的步长可能会导致疼痛，但并未制定方案帮助受试者进行主动的跑姿转换训练；后者研究仅在6 周的干预时间中将跑姿训练时间增加到40 min，本研究干预方案设计为第8周达到40 min且在后4周每周跑姿训练时长仅增加2 min。主动转换跑姿、较长的干预时间以及跑姿训练时长较小的递增幅度可能是在本研究中实验组未出现损伤或小腿肌肉酸痛的原因，提示本实验的干预方案相较前人是一种相对更安全的转换跑姿的训练方案。

针对髌股关节受力特征，实验组在跑姿再训练后髌股关节应力（PFS）峰值降低了13.3%。类似的，在J.P.KULMALA 等人[11]的研究中发现女性自然FFS 相较于RFS 峰值PFS 下降15%。同样的，实验组在跑姿再训练后伸膝力矩峰值显著降低13.8%。M.O.ALMEIDA 等人[8]、D.KUHMAN 等人[9]、DOS SAN‐TOS 等人[12]在针对跑姿改变膝关节生物力学的研究中也发现FFS与RFS相比具有较低的伸膝力矩峰值。以上改变均未在对照组中发现，由此推测RFS 通过跑姿再训练主动改变着地策略转换为FFS 能够在保证跑速不改变的条件下（12 km/h±5%）降低伸膝力矩，减小髌股关节应力。究其原因，PFS 由PFCF/SPFCF计算得到，在SPFCF的计算函数中唯一的变量是膝关节屈曲角度。而在本研究中跑姿再训练后的膝关节矢状面屈曲角度未发现显著性改变，因此训练前后SPFCF无统计学差异。同理，β 角、LA均未发现显著性的改变。提示，实验组峰值PFS 降低的主要原因可以归结为伸膝力矩峰值的降低。进一步，T.C.LIAO 等人[23]基于有限元模型研究有髌股关节疼痛的和无疼痛的业余跑者之间的髌股关节应力，发现有疼痛跑者的髌股关节应力峰值比无疼痛跑者的大，认为膝关节力矩可以作为髌股关节应力的预测因子之一。前人研究证明FFS与RFS相比具有更低的垂直地反力[24-25]，同时前掌跑姿具有更大的踝关节范围[9]且能够增强跟腱力学性质，提高跟腱承受载荷能力从而使得FFS 在跑步的冲击阶段小腿三头肌发挥更大的作用[26]。更低的垂直地反力以及FFS 踝关节承担更多的负荷[27]，可能是导致伸膝力矩峰值降低的原因。

髌股关节疼痛是跑者最为常见的过劳性损伤[28]，并且长期髌股关节疼痛可能会增加患髌股关节炎的几率[29]。同时有研究证实髌股关节应力增大是引发髌股关疼痛的主要诱因之一，髌股关节应力的增加导致软骨变性进而有可能引起髌股关节疼痛综合征。总体而言，本研究发现跑姿再训练配合极简鞋能够降低跑者的峰值PFS，且实验组在干预训练中没有因训练因素发生损伤。由此说明本研究的跑姿再训练方案可能有效预防跑者因跑步导致的髌股关节应力过大而引起髌股关节疼痛，同时为减轻患者髌股关节疼痛提供可能的手段。

本研究所采用的跑姿再训练方案虽然总体有效且相对安全，但鉴于存在一定流失，最后纳入的被试样本量相对较少。此外，使用极简鞋的目的是为了更好地引导受试者转变为FFS，为了保证与训练因素一致在测试中也采用了极简鞋，那么在受试者重新穿着缓冲鞋后跑姿再训练的效果是否仍然存在、能否长期存在仍需进一步探究。

4 结 论

本研究结果表明，仅使用极简鞋进行跑步训练不能显著改变跑步过程中的髌股关节力及应力，但12周的跑姿再训练结合极简鞋能够使后跟跑姿跑者转变为前掌跑姿，在相同跑速下使伸膝力矩、髌股关节应力降低。提示12周跑姿再训练能有效减少髌股关节的负荷，进而为减少由跑步引起髌股关节疼痛综合征的发生率提供可能。