跑鞋跟掌落差对跑步时着地方式和髌股关节应力负荷的影响

张马森 崔婧 周兴龙 刘卉

1 北京体育大学运动人体科学学院（北京 100084）

2 北京体育大学中国运动与健康研究院（北京 100084）

髌股关节痛（patellofemoral joint pain）指髌后或髌周的弥漫性疼痛，是跑步运动中最常见的下肢损伤之一。上下楼梯、下蹲和跑步等增加髌股关节应力的活动会加重这一疼痛[1，2]。虽然有规律的跑步运动能够改善心血管和呼吸机能，提高身体素质，但每年有19%～79%的跑步者也遭受着跑步相关损伤的困扰[3]，其中髌股关节痛发病率占跑步损伤的18%～33%[4]。髌股关节痛易复发，严重影响患者的身体活动和生活质量，并增加患者发生膝骨性关节炎的风险[2，5，6]。跑步中髌股关节接触应力过大可能是髌股关节痛的直接原因或潜在机制，这与髌股关节软骨磨损和软骨下骨代谢活动增加有关[1，2，7，8]。应力被定义为单位接触面积的压力，因此髌股关节压力的减小和髌股关节接触面积的增加均有利于预防和缓解髌股关节痛。

跑鞋跟掌落差可能是影响髌股关节应力负荷的因素之一[9，10]。跟掌落差指的是跑鞋后跟高度和前掌高度的差值，目前市面销售跑鞋的跟掌落差从0～15mm不等。研究表明，在相同跑速下穿着零落差跑鞋更倾向于中足着地，且表现为跟掌落差和着地瞬间足地角（足底长轴与地面的夹角）正相关[11，12]，与跟掌落差较高的跑鞋相比，支撑期伸膝力矩降低[9]。膝关节屈曲角度在0～60°范围内，髌股关节接触面积会随着膝关节屈曲角度增加而增加[13]。髌股关节压力会随着膝关节伸膝力矩降低而降低，同时受到膝关节屈曲角度的影响[14-16]。一项前瞻性研究表明，穿着零落差跑鞋时膝关节损伤率显著低于穿着跟掌落差较高的跑鞋[17]，但该研究并未探索下肢关节力学数据与损伤率的关系，也没有针对髌股关节痛进行分析。

因此，本研究以跑鞋跟掌落差为自变量，以跑步着地瞬间足地角、膝关节屈曲角度、踝关节跖屈角度、支撑期髌股关节应力峰值、应力冲量和髌股关节应力峰值时刻的相关指标为因变量，探究穿着不同跟掌落差的跑鞋对着地方式和髌股关节应力负荷的影响，为预防跑步造成的髌股关节损伤提供思路。本研究假设：与跟掌落差较高的跑鞋相比，穿着零落差跑鞋时足地角降低；垂直地面反作用力降低；支撑期髌股关节应力峰值和应力冲量降低；髌股关节应力峰值时刻的膝关节屈曲角度、伸膝力矩、股四头肌肌力、髌股关节压力降低。

1 研究方法

1.1 受试者

本研究选取18 名男性跑者作为受试者，年龄23.24 ± 1.68 岁，身高1.71 ± 0.04 m，体重65.10 ±3.94 kg，鞋码41码。所有受试者每周跑量均大于20 km，没有受过专业跑步训练，且半年内无明显下肢损伤。受试者在测试前被告知研究目的和注意事项，并填写知情同意书，自愿按照要求进行测试。

1.2 测试鞋

基于前人文献研究[18，19]和市场调研，一般跑鞋的跟掌落差为0～15 mm。委托某体育用品公司研发中心设计制作4双跑鞋，鞋码为41码，中底材料为橡塑发泡材料（ethylene-vinyl acetate copolymer，EVA）。前掌测量点位于跖趾关节处，高度一致为12 mm，鞋跟测量点位于足跟中部对应处，高度分别为12 mm、17 mm、22 mm、27 mm，获得跟掌落差分别为0 mm、5 mm、10 mm、15 mm，编号为D0、D5、D10、D15，4 双测试鞋除跟掌落差不同外，其他结构形态完全一致（图1）。

图1 测试鞋示意图（从左至右依次为D0、D5、D10、D15）

1.3 数据采集

首先，受试者进行5分钟热身跑，以更好地适应测试鞋和目标跑速，然后更换统一的紧身短裤，由同一名专业实验人员在相应位置粘贴反光marker 点（左/右髂前上棘，髂后上棘中点，左/右大腿前侧，左/右股骨外侧髁，左/右股骨内侧髁，左/右胫骨粗隆，左/右腓骨外髁，左/右胫骨内髁，左/右足尖，左/右足跟）。

正式测试时，受试者按照拉丁方顺序穿着跑鞋，在一条长15 m 的跑道上完成测试，目标跑速为4 m/s[20，21]。使用便携式测速系统（NewtestPower Timer，Finland）监控跑速，通过口头反馈使受试者速度控制在规定跑速±5%以内。跑道中间设置三维测力台（Kistler 9281CA，Switzerland），以采集受试者跑步支撑期的地面反作用力数据，采集频率为1000 Hz[22]。受试者在规定跑速范围内，无任何步伐调整并以右脚完整踩在测力台上为一次有效数据，每名受试者每双鞋采集3 次有效数据，结果取3次平均值。应用8台Raptor-4镜头的红外高速运动捕捉系统（Motion Analysis Corp，USA）采集受试者穿着不同鞋跑步的三维运动学数据，采集频率为200 Hz[22]。运动学和动力学数据的采集由Motion Analysis系统同步触发。

1.4 数据处理

使用Cortex2.6软件收集处理原始数据。所有标志点的三维坐标采用Butterworth 低通滤波法进行平滑，截断频率为12 Hz[23]。根据标志点坐标建立大腿坐标系、小腿坐标系和足坐标系，大腿坐标系由股骨内外侧髁点及髋关节中心点确定，髋关节中心点根据Bell 等的研究数据[24]和左/右髂前上棘、髂后上棘中点的坐标确定，小腿坐标系由外踝点、内踝点及膝关节中心点确定，足坐标系由踝关节中心点、足跟点及足尖点确定。膝关节转动中心为股骨内、外侧髁中点，踝关节转动中心为内、外踝中点。膝关节、踝关节角度定义为相邻环节坐标系间的欧拉角。膝关节屈伸力矩通过逆动力学方法计算获得。

髌股关节应力及相关指标参考文献[14，22-26]中的髌股关节生物力学模型计算获得，髌股关节压力与股四头肌肌力之间的系数、髌股关节接触面积依据Van等、Powers 等使用的模拟回归方程得到[13，14]。该模型已经被用于探究性别、老龄化、赤足跑、穿着极简鞋和穿戴护具等对髌股关节负荷的影响[10，15，21，25-28]；Nunes 等系统回顾了髌股关节应力的常用计算方法后，也推荐了该方法[29]，具体如下：

1）股四头肌肌力的计算：

式中，Fp为髌股关节压力（N），K为髌股关节压力与股四头肌肌力之间的系数，表示为矢状面膝关节角度θ的函数[14]。

3）髌股关节应力及应力冲量的计算：

式中，IP为髌股关节应力冲量（MPa·s），dt为支撑期时间，Sp为髌股关节应力（MPa），CA为髌骨与股骨的接触面积（mm2），表示为矢状面膝关节角度θ的函数，根据前人文献中膝关节屈曲角度（0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°）对应的接触面积（83、140、227、236、325、211、199 mm2，7组）进行4阶多项式拟合得到[13]。

本研究中足地角指的是着地瞬间足尖点、足跟点连线与地面的夹角，并根据足地角确定着地方式，其中足地角＞8°为后足着地，－1.6°＜足地角＜8°为中足着地，足地角＜－1.6°为前足着地[30]。关节力以人体质量进行标准化，膝关节屈曲角度、伸膝力矩、髌股关节压力、应力按支撑相进行归一化处理。

1.5 统计学分析

各样本数据的正态分布和球形度假设用Shapiroe-Wilk 和Mauchly-Sphericity 进行检验。采用单因素重复测量方差分析对比跑鞋跟掌落差对着地瞬间各指标、髌股关节应力峰值时刻各指标的影响。P＜0.05 表示主效应有显著性，P＜0.008 表示事后检验有显著性，统计分析使用SPSS 20.0（IBM，Armonk，USA）完成。

2 结果

跑鞋跟掌落差对着地瞬间足地角有显著影响（P=0.008，表1），对着地瞬间膝关节屈曲角度、踝关节跖屈角度的影响不显著（P=0.607，P=0.382）。后继检验结果表明，与D5、D10跑鞋相比，穿着D0跑鞋时足地角显著减小（P=0.004、P=0.001），但与D15 跑鞋相比差异不显著（P=0.031）。观察受试者数据发现，3 名受试者穿着D0 跑鞋时足地角＜8°。除D0 跑鞋外，穿着其他3 双测试鞋时足地角没有表现出显著差异（P＞0.05）。

表1 着地瞬间各指标比较

跑鞋跟掌落差对垂直地面反作用力第1峰值和第2 峰值均无影响（P=0.933，P=0.506，表2），在整个支撑期，穿着不同跟掌落差跑鞋的地面反作用力动态曲线相似（图2）。

表2 垂直地面反作用力峰值比较

跑鞋跟掌落差对髌股关节应力峰值有显著影响（P＜0.001，表3）。后继检验结果表明，与D10、D15跑鞋相比，穿着D0 跑鞋时髌股关节应力峰值显著降低（P＜0.001、P=0.003），降幅超过13.3%，但与D5跑鞋相比差异不显著（P=0.146）。除D0跑鞋外，穿着其他3双测试鞋时髌股关节应力峰值没有表现出显著差异（P＞0.05）。整个支撑阶段中后期，穿着D0跑鞋时髌股关节应力的动态曲线始终低于穿着跟掌落差较高的跑鞋（图2）。

跑鞋跟掌落差对髌股关节应力冲量有显著影响（P＜0.001，图3）。后继检验结果表明，与D5、D10、D15跑鞋相比，穿着D0跑鞋时髌股关节应力冲量显著降低（P=0.003、P＜0.001、P=0.005），降幅超过18.3%。除D0跑鞋外，穿着其他3 双测试鞋时髌股关节应力冲量没有表现出显著差异（P＞0.05）。

图3 髌股关节应力冲量比较

跑鞋跟掌落差对髌股关节应力峰值时刻的膝关节屈曲角度有显著影响（P=0.008，表3）。后继检验结果表明，与D5、D10跑鞋相比，穿着D0鞋跑步时膝关节屈曲角度显著降低（P=0.003、P=0.003），降幅超过5.0%，但与D15 跑鞋相比差异不显著（P=0.082）。跑鞋跟掌落差对髌股关节应力峰值时刻的伸膝力矩有显著影响（P=0.001）。后继检验结果表明，与D10 跑鞋相比，穿着D0 鞋跑步时伸膝力矩降低13.0%（P=0.002），但与D5、D15 跑鞋相比差异不显著（P=0.055，P=0.019）。跑鞋跟掌落差对髌股关节应力峰值时刻的股四头肌肌力有显著影响（P＜0.001）。后继检验结果表明，与D10、D15 跑鞋相比，穿着D0 鞋跑步时股四头肌肌力显著降低（P＜0.001、P=0.004），降幅超过12.3%，但与D5 跑鞋相比差异不显著（P=0.031）。跑鞋跟掌落差对髌股关节应力峰值时刻的髌股关节压力有显著影响（P＜0.001）。后继检验结果表明，与D10、D15跑鞋相比，穿着D0 鞋跑步时髌股关节压力显著降低（P＜0.001、P=0.003），降幅超过13.9%，但与D5跑鞋相比差异不显著（P=0.021）。除D0跑鞋外，穿着其他3双测试鞋时膝关节屈曲角度、伸膝力矩、股四头肌肌力、髌股关节压力没有表现出显著差异（P＞0.05）。上述各参数在支撑期的动态曲线与髌股关节应力曲线相似（图2）。

图2 垂直地面反作用力、膝关节屈曲角度、伸膝力矩、髌股关节压力和应力动态曲线

表3 髌股关节应力峰值时刻各指标的比较

3 讨论

本研究结果支持穿着零落差跑鞋时足地角降低的研究假设。结果表明，与跟掌落差较高的跑鞋相比，穿着零落差跑鞋着地瞬间的足地角降低5.7°，其中3名受试者转变为中足着地策略。Besson 等[9]对跑鞋跟掌落差的生物力学研究得出了相同的结果，即穿着零落差或低落差的跑鞋使得着地位置向前足移动，但跑步者的着地方式不会转变为前足着地，更多的是过渡为中足着地或仍然维持后足着地方式[9，28，31]。长期穿着零落差或低落差的极简鞋后，着地方式向中足和前足着地方式过渡，尤其是结合跑姿训练后，着地方式向前足着地转变更加明显[31-33]。哈佛大学Liberman 教授[34]也认为现代跑鞋的鞋跟较高是跑步者普遍采用后足着地策略的主要原因，而穿着零落差跑鞋时，没有鞋跟减震材料的缓冲，跑步者倾向于采用中足着地的软着陆（soft landing）策略。大多数学者也推荐中足着地的跑步技术，因为足地角降低使得伸膝力矩和髌股关节压力降低，进而可能降低诸如髌股关节痛、膝骨性关节炎等跑步相关损伤的发生率[35-37]。一项前瞻性研究表明，习惯后足着地的跑步者发生应力损伤的风险比习惯中足着地的跑步者高出近1 倍[36]。本研究中受试者穿15 mm 落差跑鞋时足地角平均值与穿5 mm 落差跑鞋时很接近，但与穿零落差跑鞋时的足地角无显著差异。观察受试者数据可以发现，15 mm 落差跑鞋对着地瞬间足地角影响的趋势不一致。受试者对每双鞋的适应时间有限，而穿15 mm 落差跑鞋可能需要更长时间适应以产生更自然的着地方式。本研究中除零落差跑鞋外，穿着其他3 双测试鞋时足地角没有表现出显著差异，提示小幅度降低跟掌落差对着地方式的影响有限。

本研究结果不支持穿着零落差跑鞋时垂直地面反作用力降低的研究假设。结果表明，穿着不同跟掌落差的跑鞋时垂直地面反作用力第1 峰值和第2 峰值均未表现出显著差异。传统观点认为，跑鞋后跟的缓冲材料能够降低跑步时的地面反作用力，对下肢起到缓冲和保护作用，因而穿着跟掌落差较高的跑鞋对降低下肢负荷是有利的。但是穿着跟掌落差较高的跑鞋着地瞬间具有较大的足地角，足地角增加时地面反作用力也相应增加[38]。跑鞋缓冲结构和足地角增加这两个因素对地面反作用力的影响可能互相抵消，使得地面反作用力没有表现出显著差异。

本研究结果支持穿着零落差跑鞋时髌股关节应力和应力冲量降低的研究假设。结果表明，与跟掌落差较高的跑鞋相比，穿着零落差跑鞋时髌股关节应力峰值降幅超过13.3%，应力冲量降幅超过18.3%。以往类似研究更多地测试极简鞋和传统跑鞋，来探讨跟掌落差对下肢生物力学特征的影响[21]。Sinclair[21]的研究表明，与传统跑鞋相比，赤足跑和穿着极简鞋跑步时髌股关节应力峰值分别降低10.1%和9.0%，但也有研究发现穿着极简鞋并未引起膝关节负荷降低[39]。极简鞋不仅具有较小的跟掌落差，还具有轻量化、高弯折等特点，同时缺乏缓冲减震材料以及对足部的保护作用[10]。在研究中改变跟掌落差的同时保证跑鞋其他结构完全一致，才能明确跑鞋跟掌落差对髌股关节应力负荷的影响特征，进而为跑鞋设计提供准确依据。本研究严格控制了除跟掌落差以外跑鞋的其他结构，发现髌股关节应力负荷的改变与跟掌落差改变有关。因此，跑鞋跟掌落差是影响髌股关节应力负荷的关键因素之一。本研究中除零落差跑鞋外，穿着其他3 双测试鞋时髌股关节应力峰值没有表现出显著差异，提示小幅度降低跟掌落差对髌股关节应力负荷的影响有限。

本研究结果支持穿着零落差跑鞋时髌股关节应力峰值时刻的相关指标降低的研究假设。结果表明，在髌股关节应力峰值时刻，穿着零落差跑鞋时膝关节屈曲角度、伸膝力矩、股四头肌肌力和髌股关节压力均显著降低。髌股关节应力是单位接触面积的压力，主要受到髌股关节压力和髌股关节接触面积的影响。穿着零落差跑鞋时髌股关节接触面积变化幅度较小，但髌股关节压力降低13.9%，提示跑步时髌股关节压力降低是应力降低的主要原因，而髌股关节接触面积对应力的影响较小。Bonacci 等[26，39]也发现，与穿着传统跑鞋相比，赤足跑时髌股关节接触面积无明显变化，但髌股关节压力降低，髌股关节应力也随之降低。作为股四头肌和髌腱共同作用于髌骨的反作用力，髌股关节压力的降低主要由足地角减小和伸膝力矩降低引起。一方面，穿着零落差跑鞋时倾向于中足着地，跑步者采用软着陆（soft landing）的策略缓冲部分冲击力，支撑腿的位置距离重心的垂直投影点更近，进而减小股四头肌力臂，降低伸膝力矩和髌股关节压力。对跑步时不同着地方式的生物力学研究也表明，中足着地或前足着地伴随着髌股关节压力、应力降低[38]。另一方面，与跟掌落差较高的跑鞋相比，穿着零落差跑鞋时伸膝力矩显著降低，必然会减弱股四头肌活动，降低髌股关节压力[9，40]。Sinclair 等[21]研究也表明，相对于传统跑鞋，由于跟掌落差减小等原因，赤足跑和穿着极简鞋跑步时髌股关节压力分别降低22.4%和16.6%。总之，穿着零落差跑鞋在一定程度上使跑步者着地方式由后足着地向中足着地过渡，同时支撑期膝关节角度减小，进而降低了伸膝力矩、髌股关节压力和应力。

本研究结果对髌股关节痛的预防和康复治疗有重要意义。跑步损伤的流行病学研究表明，髌骨软骨承受过大的应力负荷是导致髌股关节痛的潜在机制[1]，髌股关节痛患者比普通人承受更大的髌股关节应力[41]，女性跑者承受更大的髌股关节应力负荷，导致患髌股关节痛的风险大于男性跑者[25]，因此降低髌股关节应力及相关指标被认为是预防和缓解髌股关节痛的有效手段。有学者认为，关节负荷降低10%才有临床意义，能减轻下肢损伤关节的疼痛感，髌股关节应力每降低1 MPa，髌股关节痛就会随之减少56%[15，42]。本研究结果表明，与10 mm落差跑鞋相比，穿着零落差跑鞋时髌股关节应力峰值和应力冲量分别降低3.09 MPa（16.2%）和0.39 MPa·s（25.2%），即髌股关节受到的瞬时冲击和累计效应均降低，进而可能降低损伤风险。Malisoux等[17]进行为期6个月的前瞻性研究，结果表明，穿着零落差跑鞋时膝关节损伤占跑步相关损伤的比例（15.2%）显著低于穿着10 mm落差跑鞋（28.8%），与本研究结果吻合。因此建议有髌股关节伤病经历的跑步者穿着零落差跑鞋运动，髌股关节痛患者适宜穿着零落差鞋进行康复训练。

本研究存在一定的局限性。首先，基于前人的生物力学模型方法计算髌股关节负荷，这些计算结果未考虑受试者个性化的问题，但本研究采用重复测量的组内实验设计，因此不影响研究结论[26]，今后可采用平面正交荧光成像技术测量每名受试者的髌股关节接触面积，以提高应力计算的精度。其次，除跟掌落差外，鞋底厚度、硬度等其他结构改变也会影响跑步时下肢生物力学特征[43，44]，进而影响髌股关节应力负荷，今后应进一步研究鞋底其他结构改变对跑步时下肢负荷的影响，以及鞋底各结构改变对下肢负荷影响的交互效应。最后，受试者为健康男性跑者，而髌股关节应力负荷存在性别差异[25，45]，今后应进一步将研究对象扩大至女性跑者和髌股关节痛患者。

4 结论与建议

与跟掌落差较高的跑鞋相比，穿着零落差跑鞋会降低着地瞬间足地角，降低支撑期髌股关节应力峰值和应力冲量，进而有效改善髌股关节负荷，为降低髌股关节损伤风险提供可能。从预防膝关节损伤和髌股关节痛的角度出发，不建议长时间穿着跟掌落差较高的跑鞋跑步。