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跑步時髕股關節的生物力學特征及跑鞋的影響

時間:2020-03-27 來源:體育學刊 作者:楊宸灝,楊洋,張希妮, 本文字數:9806字

  摘    要: 聚焦跑步時髕股關節生物力學特征,探究穿著不同極簡指數(MI)跑鞋對髕股關節接觸力、應力等的即刻影響。選取15名習慣后跟著地的健康男性跑者,分別穿著兩種MI跑鞋(MI 86%極簡跑鞋和MI26%緩沖跑鞋),使用Vicon紅外運動捕捉系統、Kistler三維測力臺同步采集3.33m/s(速度變化范圍±5%)跑速下的膝、踝關節運動學和地面反作用力,通過逆向動力學等計算股四頭肌肌力、髕股關節接觸力、髕股關節接觸面積以及髕股關節接觸應力。結果顯示:兩種跑鞋條件下的沖擊力峰值和蹬地力峰值均無明顯差異。與緩沖跑鞋相比,穿著極簡跑鞋跑步時,膝關節最大屈曲角度顯著降低(P<0.01);髕股關節接觸面積顯著減小(P<0.01);膝關節伸肌峰值力矩顯著下降(P<0.01);髕股關節接觸力和應力峰值均顯著減小(P<0.05)。研究表明,相比緩沖跑鞋,穿著極簡跑鞋在未影響觸地后沖擊力峰值的同時,通過降低伸膝力矩大幅度減少髕股關節接觸力(下降17.02%)、降低髕股關節接觸應力,從而有效改善支撐期髕股關節負荷,為進一步減小髕股關節疼痛綜合征風險提供可能。

  關鍵詞: 運動生物力學; 髕股關節; 髕股關節疼痛綜合征; 髕股關節應力; 運動鞋;

  Abstract: In order to study the biomechanical characteristics of the patellofemoral joint during running, and to probe into the instant effects of running shoes with different minimalist indexes on the contact force and stress etc of the patellofemoral joint, the authors selected 15 healthy male runners who were used to heel landing, respectively wearing running shoes with two minimalist indexes(minimalist running shoes with a minimalist index of 85%, and cushioned running shoes with a minimalist index of 26%), used the Vicon infrared motion capture system and Kistler 3D force platform to simultaneously acquire the kinematic data of the knee and ankle joint and ground reaction forces under a running speed of 3.33 m/s(speed varying range: ±5%), and calculated quadriceps strength, patellofemoral joint contact force, patellofemoral joint contact area, and patellofemoral joint contact stress by means of reverse dynamics etc. The results show the followings: the peak impact forces and peak ground hitting forces under the conditions of the two types of running shoes had no significant differences; as compared to cushioned running shoes, when running with minimalist running shoes: 1) the maximum flexion angle of the knee joint decreased significantly(P<0.01); 2) the knee joint contact area decreased significantly(P<0.01); 3) the peak torque of the knee joint extensor decreased significantly(P<0.01); 4) the peak values of the patellofemoral joint contact force and stress decreased significantly(P<0.05). This study indicates that as compared to cushioned running shoes, wearing minimalist running shoes significantly decreases patellofemoral joint contact force(by 17.02%) and reduces patellofemoral joint contact stress by reducing knee joint extensor torque, while not affecting the peak impact force after ground contracting, thus effectively improving patellofemoral joint loads in the supporting period, and providing a possibility to further reduce the risk of patellofemoral joint pain syndrome.

  Keyword: sports biomechanics; patellofemoral joint; patellofemoral joint pain syndrome; patellofemoral joint stress; sports shoes;

  隨著人民生活水平不斷提高,《“健康中國2030”規劃綱要》頒發實施,標志著全民健身時代的到來。數以億計公民參與到體育運動中來,跑步則是其中最受熱捧的一項運動[1]。近幾年馬拉松賽事數量以及參與人數持續走高,隨著跑步熱潮的到來隨之而來的損傷不可避免。最近的統計表明,膝關節疼痛依然是跑步中最常見的損傷:在參加上海國際馬拉松800名跑者的調查中[2],膝關節損傷的總發病率高達23%。Taunton等[3]對2 002名跑步損傷患者的調查發現,過勞性損傷——髕股關節疼痛綜合征(patellofemoral joint pain syndrome,PFPS)的發病率最高,為16.5%,而髕股關節應力(patellofemoral joint stress,PFJS)增大是重要的致病因素之一[4]。膝關節結構復雜,周圍肌肉軟組織共同維持髕骨的穩定性,而任何力學的改變均有可能使髕股關節周圍受力分配產生改變。研究指出,具有髕股關節痛的患者具有不同跑步生物力學特征[5]。所以,跑步時膝關節力矩以及髕股關節接觸力和應力的改變可能影響PFPS的發病率。相應地,過勞損傷的機理是由于肌肉與骨骼重復高負荷工作的累積效應[6],這就意味著若是膝關節負荷有一定程度的降低,則長時間跑步對膝關節累積效應可能將大大減小。

  隨著科技的不斷發展,各種新材料與新設計運用于運動鞋特別是中底結構之中,并聲稱能夠減小對下肢的負荷。誠然,不同運動鞋的特殊力學結構可改變人體的受力特點。對于健康跑者,穿著不同運動鞋能影響步頻、觸地角度、垂直負載率、關節受力等下肢生物力學特征[7]。而近年來裸足跑逐漸流行,諸多跑者選擇能夠達到仿裸足效果的極簡跑鞋,實際上這種運動鞋沒有太多的緩沖結構,僅起到基本保護作用。大量研究已經證明極簡跑鞋能改變下肢著地姿態,但主要集中在足踝關節的適應上,如觸地時足與地面夾角改變、觸地方式更趨向于前掌觸地以及踝關節的肌肉和韌帶適應性變化,如小腿三頭肌和跟腱[8,9,10,11]。目前針對膝關節負荷的研究則相對較少,進而限制了理解運動鞋與膝關節,特別是與髕股關節受力特征之間的關系。因此,本研究聚焦跑步時髕股關節的生物力學特征,探究穿著不同極簡指數[12](minimalist index,MI)跑鞋(MI 86%極簡跑鞋和MI 26%緩沖跑鞋)對髕股關節接觸力(patellofemoral contact force,PFCF)、應力(PFJS)等的即刻影響,以期通過改變跑鞋條件來降低PFPS的發病風險。
 

跑步時髕股關節的生物力學特征及跑鞋的影響
 

  1 、研究對象與方法

  1.1 、研究對象

  實驗招募受試者15名,受試者均為健康男性業余跑者(年齡(31.4±6.6)歲、身高(174.7±6.3)cm、體質量(73.2±9.8)kg、平均周跑量(30.6±9.5)km),近一個月內周跑量均大于20 km,跑姿均為后跟著地。另外,所有跑者均習慣穿著具有緩沖功能的運動鞋,并且沒有裸足跑或穿著其他特殊運動鞋的經歷(如五指鞋、極簡跑鞋、比賽用釘鞋等)。實驗開始之前,為確保受試者3個月之內沒有骨骼肌肉損傷病史,每名受試者都需要自愿填寫基本信息問卷并簽訂知情同意書。

  1.2 、研究方法

  1)、運動鞋選取。

  Esculier等[12]為跑鞋的簡易程度制定了標準,提出MI以區分不同跑鞋的極簡程度。根據指南,通過質量、鞋跟厚度、前掌與后跟落差、輔助穩定結構、柔韌性5個方面評分對跑鞋MI進行計算。其中,輔助穩定結構包括:多密度中底、中底熱塑材料、硬質后跟、足弓支持結構內底、鞋面中部收緊支持結構、中底外擴結構;柔韌性包括卷曲柔韌性與扭轉柔韌性。MI越高則反映跑鞋的簡易程度越高。

  本實驗中,極簡跑鞋使用INOV-8 Bare-XF 210 V2系列,該運動鞋的外底采用Inov公司專利黏性橡膠,厚度約3 mm,無任何中底緩沖結構。鞋面為網狀合成材料,輕盈透氣且貼合腳面,利于跑步時腳趾的運動。該鞋前掌、后跟落差為0 mm,42碼質量為227 g,MI=86%。緩沖跑鞋使用Nike Air Zoom Pegasus 34輕質運動鞋,該運動鞋的中底采用EVA泡棉并在前掌和后跟中設置有Zoom Air氣墊,鞋前掌與后跟的落差為7mm,42碼質量為285 g,MI=26%。跑者穿著兩種運動鞋時襪子均穿著Nike Dri-FIT運動襪,以排除其他足底緩沖條件帶來的干擾。兩種實驗跑鞋具體MI對比如表1所示。

  表1 兩種跑鞋規格和極簡指數比較
表1 兩種跑鞋規格和極簡指數比較

  1)4種輔助穩定結構為:多密度中底、硬質后跟、鞋面中部收緊支持結構、中底外擴結構;2)MI=子評分和×4×100%

  2)實驗儀器。

  (1)瑞士生產Kistler三維測力臺2臺,型號9287B,90 cm×60 cm×10 cm,外置信號放大器。該測力臺可測量跑步時三維地面反作用力(ground reaction force,GRF)。本研究使用的采樣頻率為1 000 Hz(見圖1)。

  (2)英國產VICON三維高速紅外攝像捕捉系統。本研究使用10臺三維紅外攝像頭(型號T40)同步記錄受試者下肢髖、膝、踝3關節骨性標志處的反光球軌跡(見圖1),用于計算運動學參數。本研究使用的采樣頻率為100 Hz并與測力臺同步采集。

  (3)跑速測量采用意大利Micro gate公司生產的Witty-Manual光柵測速系統。光柵計時起點與終點距離4 m,跨越測力臺區域(見圖1)。

  圖1 實驗環境及紅外反光球的放置位置
圖1 實驗環境及紅外反光球的放置位置

  3)實驗流程。

  首先,受試者了解實驗流程并簽署相關問卷與知情同意書。更換統一的運動服裝后,在骨盆和下肢關節骨性標志點設置反光marker球。跑步實驗前受試者穿著實驗用鞋以自選跑速在跑步機上進行5 min熱身跑,之后進行1 min的3.33 m/s實驗跑速適應。準備活動完成后,受試者根據生成的隨機表穿著極簡跑鞋與緩沖跑鞋中的一種,以目標速度跑過4 m長的實驗跑道,之后換另一雙鞋完成相同測試。跑道中設置有兩塊Kistler測力臺,并由光柵測速系統測量其跑速。滿足以下3種情況時,視為一次成功實驗:(1)通過測速區間速度為3.33 m/s(速度變化范圍±5%);(2)測得受試者優勢腿后跟觸地到離地整個過程均在同一塊測力臺上;(3)運動鞋觸地采集GRF過程中與臺面無相對滑動。2種鞋各成功采集3次數據并用其平均值進行后續數據分析。

  1.3、 參數計算與統計學方法

  1)評價參數與計算方法。

  一般通過膝關節伸肌力矩峰值、髕股關節接觸力(PFCF)和髕股關節應力(PFJS)峰值的大小來評估跑步時膝關節負荷[13,14,15]。本研究使用采集的地面反作用力與反光球軌跡數據在Visual 3D v3軟件中建立三維模型,以計算跑者觸地階段垂直GRF的沖擊力和蹬地力、膝關節力矩等動力學參數,以及膝關節屈曲角度θ、踝關節角度和足與地面的夾角等運動學參數,并根據足觸地角度確定跑者觸地方式。支撐期的相關參數進行時間上的標準化(0~100%),并以平均值繪制成曲線,比較整個支撐期不同極簡指數跑鞋條件下膝關節各力學參數的變化差異情況。另外,PFCF、PFJS以及相關參數通過參考文獻[13,15]進行計算,具體方法如下:

  “髕股關節接觸面積(SPFCA,單位:mm2)為矢狀面膝關節角度函數:

  其中,qi為膝關節矢狀面屈曲角度。”

  股四頭肌有效力臂(LA,單位:m)為矢狀面膝關節角度函數:

  股四頭肌肌力(FQ,單位:N):

  其中,MEXT為膝關節伸膝力矩(單位:N·m)。

  髕股關節接觸力(FPF,單位:N):

  FPF=2FQ·Sin(β/2)

  其中,β=(30.46±0.53)·qi,β(單位:(°)為股四頭肌肌力線與髕韌帶拉力線之間的夾角(見圖2)。

  髕股關節接觸應力(PPFJS,單位:Mpa):

  PPFJS=FPF/SPFCA(iq)

  圖2 髕股關節受力示意圖1)
圖2 髕股關節受力示意圖1)

  1)FQ為股四頭肌肌力(單位:N);FPF(N)為髕股關節接觸力(PFCF);FP為髕韌帶拉力線;β(單位:(°))為股四頭肌肌力線與髕韌帶拉力線之間的夾角;θ(單位:(°))為膝關節屈曲角度。

  2)統計學方法。

  所有數據使用SPSS 25.0統計學軟件,使用配對樣本T檢驗比較同一受試者分別穿著兩種跑鞋下各參數差異水平,顯著性水平α=0.05。

  2、 結果與分析

  2.1、 地面反作用力

  所有跑者穿著兩種運動鞋的垂直地面反作用力(v GRF)均具有2個峰值。如表2所示,無論穿著極簡跑鞋還是緩沖跑鞋,支撐期v GRF的沖擊力峰值(即第1峰值FP)和蹬地力峰值(即第二峰值SP)均無明顯差異(P>0.05)。

  表2 使用不同鞋類支撐期膝、踝關節矢狀面力學參數
表2 使用不同鞋類支撐期膝、踝關節矢狀面力學參數

  1)vGRF的第1峰值(FP)、第2峰值(SP)以及髕股關節接觸力均經過體重標準化(Body Weight,BW)處理

  2.2、 運動學

  如表3所示,穿著2種鞋時足與地面的夾角均為正值,說明跑者均采用后跟觸地跑姿,并且觸地時刻膝關節與踝關節角度無統計學差異(P>0.05),但穿著極簡跑鞋時足與地面夾角顯著降低35.6%(P<0.05)。穿著極簡跑鞋時,支撐期膝關節最大屈曲角度以及髕股關節接觸面積峰值均顯著低于緩沖跑鞋(P<0.01)(見表2),其中膝關節屈曲角度峰值降低6.5%,髕股關節接觸面積峰值減小5.4%。并且穿著極簡跑鞋時整個支撐期間,膝關節屈曲角度曲線在支撐中后期多低于緩沖跑鞋(見圖3 A)。

  表3 使用不同鞋類觸地時刻膝、踝關節矢狀面運動學參數
表3 使用不同鞋類觸地時刻膝、踝關節矢狀面運動學參數

  2.3、 動力學

  穿著極簡跑鞋時伸膝力矩峰值、髕股關節接觸力、髕股關節接觸應力峰值均顯著小于穿著緩沖跑鞋(P<0.05)(見表2)。其中:伸膝力矩峰值降低12.3%,髕股關節接觸力降低17.0%,髕股關節接觸應力峰值降低10.4%。與膝關節屈曲角度曲線一致,在穿著極簡跑鞋時整個支撐中后階段,上述反映膝關節負荷的曲線均多低于穿著緩沖跑鞋(見圖3B、C、D)。

  圖3 支撐期不同鞋條件下膝關節角度、伸膝力矩、髕股關節接觸力、應力對比1)
圖3 支撐期不同鞋條件下膝關節角度、伸膝力矩、髕股關節接觸力、應力對比1)

  1)P<0.05

  3、 討論

  本研究的目的是探究穿著不同極簡指數跑鞋對髕股關節生物力學的即刻影響,以期通過直接更換跑鞋降低膝關節負荷、減少PFPS的風險。傳統觀念認為,跑鞋的緩沖結構能降低跑步時的沖擊力,對下肢起到緩沖和保護作用。而本研究觀察到,與穿著極簡跑鞋相比,穿著緩沖跑鞋并未改變觸地后的沖擊力大小,且未影響觸地時刻踝與膝關節的屈伸角度。相反,在支撐期的過渡階段和蹬地階段(20%~100%),穿著極簡跑鞋通過改變屈膝范圍、伸膝力矩等參數有效降低髕股關節接觸力及應力,而PFPS癥狀產生的機制正是髕股關節承受過于頻繁的高負荷[14,16,17]。因此,本研究結果推測跑者穿著高MI極簡跑鞋可能對降低PFPS風險有益。

  上述發現與前人的部分研究[6,18,19]一致,Sinclair與Esculier等[7,8]認為穿著極簡跑鞋改變了下肢策略,即步頻更高,觸地時刻足與地面夾角更低,膝關節屈曲峰值和關節活動范圍(range of motion,ROM)降低。此外,本研究中跑者穿著極簡跑鞋跑步支撐期間,雖然根據屈膝角度與髕股關節接觸面積函數,膝關節的ROM降低使得髕股關節接觸面積降低,這對降低髕股關節接觸應力是不利的。然而,另一方面,跑者穿著極簡跑鞋在蹬地期表現出更小的伸膝力矩,使得髕股關節接觸力大幅減小,最終使髕股關節接觸應力顯著下降10.4%。進一步探究極簡跑鞋對跑步支撐期髕股關節接觸應力、應力特點發現:在支撐期0~20%階段,不同跑鞋條件曲線基本重合,而極簡跑鞋帶來的改變約出現在支撐期20%時間點之后。首先,支撐期前20%為沖擊階段,此階段下肢承受觸地帶來的沖擊,vGRF達到第一峰值,即沖擊力峰值。本實驗結果顯示,不論是緩沖階段沖擊力峰值還是蹬地階段峰值,緩沖跑鞋與極簡跑鞋并無顯著差異。同時,沖擊階段僅占整個支撐期的1/4,而本研究認為穿著極簡跑鞋在時間占比更多的過渡階段和蹬地階段(20%~100%)展現出較低的膝關節負荷可能更有價值。近年來支持裸足跑的學者們認為,跑鞋并不是簡單地減小沖量、降低沖擊階段負載率和過濾高頻沖擊信號,而是對下肢提供不同的感覺輸入從而產生不同的肢體應答,改變下肢策略[20,21,22]。正如本實驗中穿著極簡跑鞋時最大屈膝角度減小、伸膝力矩下降等在較長時間占比的非沖擊階段的主動改變,提示這對降低髕股關節負荷的重要性。

  基于對極簡跑鞋進行的分級[12],本研究對比了MI86%極簡跑鞋與MI26%緩沖跑鞋,以期進一步探究膝關節負荷及下肢生物力學特征與MI的關系。Esculier等[7]對不同MI鞋進行了對比,發現當運動鞋的極簡指數越高時,觸地時足與地面角度越小、髕股關節接觸力峰值越小。此外,Sinclair等[8]對比了極簡跑鞋、緩沖跑鞋與極緩沖跑鞋(maximalist shoes)對膝關節生物力學的影響,同樣發現穿著極簡跑鞋時膝關節ROM減小,但在穿著極緩沖跑鞋時髕股關節負荷參數比其他2種跑鞋情況更大。上述結論與本實驗的結果相似:MI低的跑鞋盡管中底更厚,卻不會降低髕股關節負荷。與之相反,越強緩沖帶來的感覺輸入會造成屈膝角度更大、伸膝力矩更大的下肢運動控制策略,反而可能會增加膝關節負荷和PFPS的發病風險。

  在本研究之前的同類研究中,招募受試者時并沒有對其跑步時著地模式進行限制,也沒有排除受試者先前是否有穿著極簡跑鞋的習慣[20]。而事實上在長距離跑者中,大約70%以上的跑者均采用后跟著地模式[23,24]。Horvais等[25]發現在跑者更換極簡跑鞋的適應過程中,后跟跑者會趨向足中或前掌著地模式(midfoot or forefoot strike pattern)。本研究中垂直GRF均呈現兩個峰值,并且著地時足與地面的夾角為正值,說明跑者穿著極簡跑鞋后仍然為后跟著地[26]。但值得注意的是,穿著極簡跑鞋后足與地面的夾角減少35.6%。此外,穿著極簡跑鞋在堅硬地面上采用后跟著地模式會導致足跟疼痛,跑者會主動嘗試使用足中或前掌著地模式來避免疼痛[27],諸多原因導致從穿緩沖跑鞋過渡到穿極簡跑鞋時觸地模式會發生變化。而眾多研究已經發現,前掌著地模式亦能有效降低髕股關節接觸力與應力,也能起到降低膝關節負荷、減少PFPS疼痛的作用[6,28,29]。因此,分析改穿高MI極簡跑鞋帶來的后續效應仍然有待豐富。

  另外,更換為高MI極簡跑鞋需要一個適應過程[30]。穿著極簡跑鞋類似裸足跑,對足底屈肌群的力量和功能有一定要求[31]。Lieberman等[32]認為足在上萬年的進化過程中,其功能均是為了適應裸足走或跑這一特征,且人類最近百年才開始穿著具有緩沖作用的鞋。足部結構的生物力學特點可能未完全適應現在的緩沖跑鞋,而長期穿著緩沖跑鞋的跑者,其足部肌肉又不能滿足或適應即刻穿著極簡跑鞋時的肌力要求,導致足底肌肉易疲勞甚至過勞性損傷。其次,極簡跑鞋促使跑者著地模式趨于向前掌改變,而前掌著地模式跑步時對小腿三頭肌肌力的要求更高。因此,在更換為高MI極簡跑鞋的過程中,建議跑者基于以前的跑量,采用替換方式逐漸增加穿著極簡跑鞋跑步的時間,從而逐漸提升相關肌肉力量以及下肢與足部的適應能力。

  基于實驗結果,本研究發現后跟著地時穿著不同極簡指數跑鞋對髕股關節受力特征存在差異,具體表現為:相比緩沖跑鞋,穿著極簡跑鞋在未影響觸地后沖擊力峰值的同時,通過降低伸膝力矩大幅度減少髕股關節接觸力(下降17.02%)、降低髕股關節接觸應力,從而有效改善支撐期髕股關節負荷,為進一步減小髕股關節疼痛綜合征風險提供可能。

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