不同足落地模式跑者在不同路面跑步时足底压力特征

魏震 李静先 王琳

1 上海体育学院运动科学学院（上海200438）

2 渥太华大学健康学院人体运动科学系

尽管跑步运动有众多益处，但研究发现每年跑步损伤发生率高达79.3%[1-3]。目前关于跑步损伤的可能原因中，跑步落地模式[4-6]和跑步路面类型[7-8]逐渐成为研究热点。

跑步落地模式由跑步者足初始接触地面时足底压力中心（centre of pressure，COP）在足底的位置所决定[9]，COP 在全足长后1/3 则为后足落地模式（rearfoot strike，RFS），中1/3则为中足落地模式（midfoot strike，MFS），前1/3 则为前足落地模式（forefoot strike，FFS）。研究发现尽管FFS 在跑步者中比例较低，仅占2%[10]，但此模式相对于RFS跑步时下肢有更低的地面冲击力和负荷率[11]，运动损伤风险较小。目前对FFS 的研究中，受试者大多并非习惯FFS，而是由习惯RFS 跑者经过步态再训练转变为FFS 进行研究[11-13]。尽管跑者可通过下肢运动学和动力学调整，暂时转变足落地模式，但有部分研究认为RFS 跑者下肢已经形成固定的运动模式，其并不能代表习惯FFS 跑者足底压力的变化[5-7]，因此习惯FFS 跑者跑步时的足底压力还有待于进一步证实。

此外，不同跑步路面的硬度和地面摩擦系数不同，也会造成足底压力有一定差异[7，14-15]。Wang等[16]研究发现，相较于混凝土路面，在草地上跑步时前足有更长的接触时间，中足外侧和前足峰值受力相对较小。Hong等[15]研究也提出相较于混凝土和草皮路面，在跑步机上跑步有更低的足底压力，并建议使用跑步机进行早期康复。尽管如此，Fu 等[14]针对混凝土、草皮、塑胶跑道和跑步机[有或无乙烯-醋酸乙烯酯共聚物缓冲垫（ethylene vinyl acetate，EVA）] 等5种路面研究得出不同结论，该研究认为，尽管跑步路面地面硬度差异较大，但是跑步者可能通过下肢髋、膝、踝运动学和动力学的调整以适应不同路面，使得在不同路面跑步时足底压力无显著差异。因此，针对不同硬度地面，由于研究方法学上的差异，研究结果还未得到一致性结论。

综上，跑步落地模式和跑步路面不同对足底压力的分布均有一定影响，但不同习惯落地模式在不同路面上跑步时足底压力的差异还未可知。因此，本研究探讨不同习惯落地模式跑者在不同硬度路面跑步时足底压力的差异，为跑步者选择不同落地模式和跑步路面提供参考，为常见跑步损伤的预防提供证据支持。

1 对象与方法

1.1 研究对象

本研究共纳入78名男性业余跑步爱好者，其中41名为习惯后足跑者（年龄24.2 ± 2.5 岁，身高171.8 ±5.7 cm，体重68.4 ± 10.2 kg，跑龄3.1 ± 1.8年），37名为习惯非后足跑者（年龄27.9 ± 6.2 岁，身高173.0 ±4.2 cm，体重68.3 ± 9.4 kg，跑龄5.0 ± 4.2年）。所有受试者均为右利腿，每周跑步里程10～15 km，且半年内无下肢骨骼肌肉系统损伤。本实验通过本单位伦理委员会批准，所有受试者均签署知情同意书。

1.2 研究方法

首先，对受试者身高、体重进行测量，然后让受试者在跑步机上以舒适的速度热身5 min，待受试者适应测试跑鞋（欧洲鞋码41～43，ASICS SORTIEMAGIC RP 4 TMM467.0790，Japan）和不同跑步路面后测试正式开始。研究通过足初始接触地面时COP在足底的位置确认跑者足落地模式，由于前足和中足落地模式跑者比例较少[10]，因此将其合并为非后足落地模式（non-rearfoot strike，NRFS）进行研究。

测试跑道长15 m、宽1 m，测试区域为跑道中间3 m。为比较不同硬度路面上足底压力的差异，随机铺设以下4种路面：混凝土、人造草皮、合成橡胶、EVA泡沫地面。其中草皮、合成橡胶和EVA 路面厚度均为2 cm，混凝土地面为普通地砖，厚度1 cm。为避免测试路面与地板之间的摩擦，铺一层厚度为1.6 mm的聚氯乙烯垫。光电计时系统（WittySEM，Microgate，Italy）记录跑者在测试区域的跑步速度，高速摄像机（Motion Pro X-4，Integrated Design Tools Inc.USA）确定跑步者右足落在测试区域，采样频率为100 Hz。采用Pe⁃dar足底压力系统（Novel，Munich，Germany）收集测试区域内右足落地时的足底压力，采样频率为100 Hz。鞋垫共有99 个压力传感器，与固定在腰部的Pedar 信号接收盒进行连接，每次测试前均使用标准的设备进行校正[6]。受试者右足需要落在测试区域且速度控制在3.33 m/s（± 5%）范围内[17]，每个路面采集3条成功的数据用作进一步分析。

1.3 数据处理与统计学分析

采用Pedar系统对数据进一步处理，根据研究目的将全足分为9 个区域[6]，见图1。研究指标包括右足落地期间全足及9 个分区峰值压力（maximum force，MF）、压力时间积分（force-time-integral，FTI）、峰值压强（peak pressure，PP）、压强时间积分（pressure-timeintegral，PTI）和接触面积（contact area，CA），其中MF和FTI根据受试者体重进行标准化。

图1 足底压力分区

使用SPSS 22.0 对数据进行处理，所有指标以均值± 标准差（±s）表示，统计学采用重复测量的双因素方差分析（two-way ANOVA with repeated mea⁃sures），考察足落地模式和跑步路面两个因素对上述变量的交互作用及主效应。Bonferroni 矫正用于事后多重比较，显著性水平设为P<0.05。

2 结果

结果显示，不同落地模式和跑步地面在MF、FTI均无显著的交互作用。主效应结果显示全足、后足和中足RFS 跑 者MF 和FTI 均 显著 大于NRFS 跑 者（P<0.001），其 余脚趾部MF 显 著大于NRFS 跑者（P<0.001）。NRFS 跑者MF 在前足内侧（F=5.86，P=0.018，ES=0.07），FTI在前足区域显著大于RFS跑者。不同路面结果显示，EVA路面前足中部和外侧MF显著小于其他3 种路面（P<0.001），前足中部、外侧和中足区域FTI也显著小于其他3种路面（P<0.001），见表1。

表1 不同跑步落地模式跑者在不同路面跑步时足底峰值压力（MF）和压力时间积分（FTI）比较

PP 在足跟区域，PTI 在前足外侧区域跑步路面和足落地模式有显著交互作用（P<0.05），进一步分析显示，NRFS 跑者在EVA 路面足跟区域PP 显著较低。对于不同落地模式，主效应结果显示，足跟和中足区域RFS 跑者PP 和PTI 显著大于NRFS 跑者（P<0.001），前足区域NRFS 跑者PP 和PTI 均显著大于RFS 跑者（P<0.05）。不同路面结果显示，EVA路面在全足和前足区域PP 和PTI 均显著小于其他3 种路面（P<0.001），且对于PP，在足跟外侧EVA显著小于混凝土（P=0.016，95%CI=3.89-56.38）和橡胶（P=0.007，95%CI=5.22-47.91）；中足外侧EVA 显著小于橡胶（P=0.008，95%CI=1.31-13.02），见表2。

表2 不同跑步落地模式跑者在不同路面跑步时足底峰值压强（PP）和压强时间积分（PTI）比较

CA 在落地模式和跑步路面均无显著的交互作用（P>0.05）。主效应结果显示全足、后足、中足、脚趾部RFS 跑者CA 显著大于NRFS 跑者（P<0.001）。对于不同路面，EVA 路面在中足内侧显著大于混凝土（P=0.008，95%CI=0.22-2.19）和草皮（P=0.014，95%CI=0.10-1.30），前足内侧EVA 显著大于混凝土（P=0.011，95%CI=0.03-0.39），见表3。

表3 不同跑步落地模式跑者在不同路面跑步时足底接触面积（CA）的比较（cm2）

3 讨论

本研究主要探讨不同习惯落地模式在不同路面跑步时足底压力的差异。结果发现，跑步路面和足落地模式仅PP 在足跟，PTI 在前足外侧有明显的交互作用。RFS 跑者足底压力主要集中在足跟和中足区域，NRFS 跑者足底压力主要集中在前足尤其是内侧区域。相较于其它3 种路面，EVA 路面在前足有较低的MF，足弓区域CA较大。

本研究结果显示，MF在跑步路面和落地模式无显著的交互作用，主效应显示RFS跑者全足MF显著大于NRFS 跑者。此结果与Kernozek 等[13，18]研究不尽相同，该研究将习惯RFS 跑者足底压力与受试者转变为NRFS跑步时足底压力进行对比，发现两种落地模式全足MF 无显著差异。有研究认为跑者虽可以通过运动学的适应短时间内转变足落地模式[19]，但习惯NRFS跑者下肢已经形成固定的运动模式和肌肉力量，因此结果的不同可能是由于下肢不同的生物力学差异所致。Almeida 等[20]研究也提出，运动再训练虽可以转变足落地模式，但为了预防跑步相关损伤，跑者需要几个月时间去适应新的落地模式。足底分区数据显示，RFS 跑者在足跟和中足区域MF 比NRFS 跑者高87.6%和27.3%，与Daoud 等[21-23]的研究结果一致，其发现习惯RFS跑者在足跟初始接触地面时地面反作用力时间曲线比NRFS 跑者多一个冲击峰值[20，24]；Kelly 等[25]研究也提出RFS跑者步长比NRFS跑者长，因此与地面接触的冲击时间相对较长。额外的冲击峰值和较长的冲击时间可能导致RFS跑者足跟落地时的冲击力沿着胫骨向上传递，进而导致膝关节损伤的发生[26-27]。由于NRFS跑者足落地时踝关节处于跖屈状态，因此足跟和小腿三头肌的离心收缩会对地面冲击力产生一定代偿[28-29]，使足跟区域压力较小。尽管如此，NRFS跑者前足尤其内侧区域先接触地面，较高的负荷可能与跖骨的应力性骨折有关[30]。此外，Almonroeder等[11]研究发现，NRFS跑者落地时跟腱的负荷率会增加15%，因此NRFS跑者长期跑步可能造成后期小腿三头肌的疲劳性损伤和跟腱炎[12，20，31]。

本研究结果显示，对于不同跑步路面，不同落地模式跑者全足MF在4种路面无显著差异，但EVA路面在前足中部，前足外侧MF显著小于其它3种路面。由于不同路面硬度不同，路面之间MF结果的相似可能是由于不同落地模式跑者在足接触地面时适当调节髋、膝、踝关节的角度所致[19]。Fu等[14，16，32]的研究也认为，跑步者会通过自身运动学和动力学调整，使用不同的代偿机制适应不同硬度的地面，从而预防运动损伤的发生。尽管EVA路面在前足区域足底压力显著小于其他3种路面，但由于EVA路面硬度较低，足落地时在EVA路面会发生较大的形变，跑者为了获得足够的力量进入腾空期，在EVA 路面产生形变的同时也会进行下肢运动学调整。因此，相较于其他路面，在EVA路面上跑步时发生跖骨应力性骨折的概率可能也较低[33-34]。

跑步路面和落地模式在足跟区域PP 有明显的交互作用，进一步分析发现NRFS 跑者在EVA 路面足跟区域PP显著较低。Kernozek等[13]的研究发现，NRFS跑者全足PP较大，而本研究结果则显示不同落地模式全足PP 无显著差异。这种不一致的原因可能是：Kerno⁃zek等研究中受试者为习惯RFS所转变的，而转变落地模式后的NRFS 与习惯NRFS 下肢肌肉力量有较大区别[35]。Ferris 等[36]的研究支持上述推测，该研究认为跑步过程中足固有肌对跖骨的支撑对运动损伤的预防有重要作用。此外，本研究结果显示，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过下肢MF 和CA 调节所致。足底分区结果显示，NRFS跑者前足区域PP显著大于RFS跑者，此结果与Kernozek等[13]研究结果一致，该研究发现NRFS跑者在前足内侧PP 比RFS 跑者高38.3%。Munro 等[37]也证实NRFS与地面接触时间较短，地面反作用力短时间内上升到峰值，前足所受的负荷率较大，而较高的前足压强可能导致后期跖骨的压力性骨折[38]。

本研究结果显示，EVA 路面在全足、足跟外侧、中足外侧、前足区域PP显著小于其他3种路面，本结果与Wang 等研究类似[15-16]，该研究显示全足和前足区域PP在混凝土路面显著大于草皮路面。虽然本研究路面为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为人造草皮，可能与自然草皮有一定差异。有研究证实人造草皮上地面峰值冲击力较大，其运动损伤发生率显著大于自然草皮[40-41]。因此，在自然草皮上跑步者足底压力特征还需进一步研究。

足底CA是研究者根据研究目的而设定的，尽管本研究足底分区与Kernozek 等[13，18]研究类似，但在全足CA 结果有一定差别，Kernozek等认为其两项研究结果的差异是由测试用鞋不同（极简跑鞋vs.标准缓冲跑鞋）所致的。本研究推测另一重要因素是NRFS 足底压力数据是由习惯RFS跑者短暂转变足落地模式所致。由于足底压力为足底MF 和CA 的比值，本研究中RFS 跑者足底MF 和CA 均显著高于NRFS，因此PP 在两种落地模式之间结果类似，这一结果提示跑者可能会通过下肢运动学的调整，改变足底接触面积，以避免运动损伤的发生[21，42-43]。

值得注意的是，不同路面CA结果显示中足内侧和前足内侧EVA路面足底CA均显著大于其他3种路面，即足弓高度会显著下降[44]。较大的CA 也支持本研究EVA 路面足底PP 显著较小的研究结果。本研究结果与Fu等[14]的研究结果不尽相同，其原因可能是Fu等研究足底分区与本研究不同，且跑步机与地面跑步下肢生物力学机制也有一定差异。本研究结果显示在EVA路面上跑步时内侧纵弓区域有更大的CA，猜测其可能是由于EVA 路面相对较软所致，因此足初始接触地面时形变较大，内侧纵弓下降较多以储存更多的能量为后期腾空做准备，但长期如此可能会造成足弓高度下降、扁平足，甚至发生运动损伤。Fukano等[45]的研究也发现马拉松跑步后跑者足弓高度显著下降，并建议跑者休息1周使足舟骨高度恢复。此外，Perkins等[46]研究证实跑步时足弓高度的降低与足底筋膜炎的发生有一定关系。Chen等[47]针对不同落地模式下足弓高度研究提出，相较于RFS 跑者，NRFS 跑者跑步时足弓高度会降低9.12%。因此，跑步者在EVA 等相对较软的路面上跑步时应注意防止内侧纵弓高度降低，以及足底筋膜炎的发生。

4 结论

跑步落地模式和跑步路面虽作为两个常见因素与运动损伤的发生有关，但两者之间并无明显的交互作用。不同路面后足落地跑者在足跟和中足较高的压力可能沿着胫骨传递到膝关节使其承受较大负荷。非后足落地跑者虽全足底压力较小，但其足底压力主要集中在前足内侧区域。EVA路面虽在前足有较低的峰值压力，但由于其硬度较小，跑步时内侧纵弓高度会显著降低。因此，跑者应根据自身情况合理选择跑步路面和足落地模式，以避免运动损伤的发生。