摘要
目的 探讨在相同跑速下穿着不同落差跑鞋对下肢关节负荷的影响,为跑鞋设计和跑步者选购跑鞋提供依据。方法 18名男性跑步者分别穿着零落差和10 mm落差跑鞋以(4.0±0.2) m/s速度完成测试,使用红外高速运动捕捉系统和三维测力台同步采集下肢运动学参数和地面反作用力(ground reaction force, GRF)。使用统计参数映射法(statistical parameter mapping,SPM)分析跑鞋跟掌落差对支撑期垂直GRF、下肢关节三维力矩的影响。结果 跑鞋跟掌落差对垂直GRF无影响,对下肢关节部分力矩-时间序列影响显著。与穿着零落差跑鞋相比,穿着10 mm落差跑鞋在27%~38%支撑期髋关节内旋力矩增加,在47%~75%支撑期膝关节伸展力矩增加,在16%~33%、25%~30%、12%~25%支撑期踝关节跖屈力矩、外翻力矩和外旋力矩降低。结论 与穿着零落差跑鞋相比,穿着10 mm落差跑鞋在支撑前期髋关节负荷增加,踝关节负荷降低,在支撑中期膝关节负荷增加。建议跑步者结合自身特点及跑鞋跟掌落差对下肢关节负荷特征的影响,选择适合自己的跑鞋。
关键词:
统计参数映射
跟掌落差
地面反作用力
下肢关节负荷
运动生物力学
跑步是最流行的健身项目,能有效改善心血管机能和身体素质,但跑步相关的损伤率居高不下 。有研究统计,每年高达79%跑者遭受跑步相关损伤的困扰,其中46%跑者损伤易复发 。跑步损伤多为过劳损伤,即由肌肉骨骼系统重复高负荷工作的累计效应导致 。如果能降低下肢关节负荷,则长时间跑步对下肢关节的累计负荷效应将大大降低,进而有效降低下肢损伤率。为了预防跑步相关损伤,不仅要关注跑步者的人群特征、训练强度等,还需要考虑跑鞋的结构特点 。跑鞋跟掌落差(鞋跟高度和前掌高度的差值)可能是影响下肢关节负荷和下肢损伤率的重要因素。现代跑鞋的跟掌落差多集中在10 mm左右。研究表明,在相同跑速下,穿着高落差跑鞋时更倾向于足跟先着地,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 。与前足着地相比,足跟着地会增加地面冲击力,进而增加下肢关节负荷 。一项前瞻性研究表明,与零落差跑鞋相比,穿着高落差跑鞋时膝关节损伤率较高,足踝损伤率较低 。但是,目前尚不了解跑鞋跟掌落差对下肢关节负荷的影响,还不能判断跑鞋跟掌落差影响下肢损伤的机制,也就无法进一步对跑鞋的设计和选购提供理论依据。
在进行跑鞋功能评价的研究时,传统统计方法忽略了样本有序性,可能产生偏倚,而统计参数映射法(statistical parameter mapping,SPM)基于时空平滑及标准化后数据的检验,能够克服数据提取的偏倚,实现对一维连续性数据的统计分析 [10-12] 。本文采用配对样本 t 检验和SPM分析跑鞋跟掌落差对支撑期垂直地面反作用力(ground reaction force,GRF)、下肢关节三维力矩峰值和时间序列的影响,为跑鞋的设计、选购以及下肢损伤的预防提供支持。本研究进行如下假设:① 与零落差跑鞋相比,穿着10 mm落差跑鞋时支撑期垂直GRF峰值降低,某些阶段的垂直GRF降低;② 支撑期髋、膝关节力矩峰值增加,某些阶段的髋、膝关节力矩增加;③ 支撑期踝关节力矩峰值降低,某些阶段的踝关节力矩降低。
选取18名男性跑步爱好者为受试者,年龄(23.2±1.7) 岁,身高(1.71±0.04) m,体重(65.1±3.9) kg。所有受试者周跑量均大于20 km,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,填写知情同意书,并自愿按照要求进行测试。
委托某体育用品公司研发中心设计制作2双跑鞋,鞋码为41码,中底材料为橡塑发泡材料(ethylene-vinyl acetate copolymer,EVA)。零落差跑鞋的前掌、鞋跟高度均为12 mm,10 mm落差跑鞋的前掌、鞋跟高度分别为12、22 mm。两双跑鞋除跟掌落差不同外,其他结构形态完全一致(见 图1 )。
首先,受试者进行5 min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标志点(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) [13-14] 。正式测试时,受试者站在距离测力台10 m位置起跑,以(4.0±0.2) m/s跑速完成测试。受试者以规定跑速、无明显步伐调整,并以右脚完整地踩在测力台上为1次有效数据 。每双鞋采集3次有效数据,结果取3次平均值。
使用8镜头的红外高速运动捕捉系统(Motion Analysis 公司, 美国)采集受试者穿着不同鞋跑步时的三维运动学数据,采集频率为200 Hz。使用三维测力台系统(Kistler Instrument AG公司, 瑞士)同步采集GRF数据,采集频率为1 kHz。使用便携式测速系统(Newtest 公司, 芬兰)监控跑速。大地坐标系 x 轴指向前进方向, y 轴指向跑道左侧, z 轴垂直指向上方。运动学和动力学数据采集由Motion Analysis系统同步触发。
使用Cortex 2.6软件收集处理三维坐标数据。所有标志点的三维坐标采用Butterworth低通滤波法平滑,截断频率为12 Hz。骨盆、 大腿、小腿和足部坐标系建立参照文献[13]的研究。髋关节中心点根据Bell等 研究数据和左/右髂前上棘、髂后上棘中点的坐标确定。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。髋、膝、踝关节角度定义为相邻环节坐标系间的欧拉角。髋、膝和踝关节三维力矩通过逆动力学方法计算获得 [13,16] 。人体惯性参数采用Leva修正后的Zatsiorsky-Seluyanovs人体惯性参数 。
本文着重分析跑步支撑期(足跟着地到足尖离地)下肢关节负荷相关的生物力学指标。垂直GRF、下肢关节三维力矩按跑步支撑期进行归一化处理,并以平均值绘制成曲线,比较整个支撑期下肢关节负荷相关指标的变化差异。
采用配对样本 t 检验分析跑鞋跟掌落差对步长、步频、足地角、垂直GRF峰值、下肢关节三维力矩峰值的影响。计算两组差异的Cohen’s d 效果量,其标准为:效果大( d ≥0.80)、效果中(0.80> d ≥0.50)和效果小(0.50> d ≥0.20)。采用SPM分析跑鞋跟掌落差对支撑期垂直GRF、下肢关节三维力矩-时间序列的影响。统计显著性水平设为 P <0 . 05。 t 检验和SPM分别使用SPSS 20.0(IBM公司,美国)和MATLAB R2016a(MathWorks公司,美国)完成。
t 检验结果表明,跑鞋跟掌落差对步长、步频无影响,对足地角影响显著。与零落差跑鞋相比,穿着10 mm落差跑鞋时足地角显著增加5.7°±3.2°( P <0.001,Cohen’s d =0.97),见 表1
表1 穿着不同落差跑鞋时步态参数及垂直地面反作用力比较
t 检验和SPM结果表明,跑鞋跟掌落差对垂直GRF两个峰值及时间序列均无影响(见 表1 、 图2 )。
t 检验结果表明,与零落差跑鞋相比,穿着10 mm落差跑鞋时髋关节三维力矩峰值无差异,膝关节伸展力矩峰值显著增加15.2%( P =0.003,Cohen’s d =0.84),踝关节外翻力矩峰值显著降低25%( P =0.020,Cohen’s d =0.65),其他指标均未表现出统计学差异(见 表2 )。
SPM结果表明,与零落差跑鞋相比,穿着10 mm落差跑鞋在27%~38%支撑期髋关节内旋力矩增加( t =3 . 966, P <0.05),在47%~75%支撑期膝关节伸展力矩增加( t =3 . 871, P <0.05),在16%~33%、25%~30%、12%~25%支撑期踝关节跖屈力矩( t =3 . 662, P <0.05)、外翻力矩( t =3 . 694, P <0.05)和外旋力矩( t =3 . 778, P <0.05)降低(见 图3 )。
本研究结果不支持第1个假设。 t 检验和SPM结果都表明,穿着不同跟掌落差的跑鞋时受到的垂直GRF无显著差异。传统观点认为,现代跑鞋的后跟缓冲结构能够降低跑步时的GRF,对下肢起到缓冲和保护作用,因而推断穿着高落差跑鞋对降低下肢关节负荷是有利的。但是,有研究表明,穿着高落差跑鞋在着地瞬间具有较大的足地角 。本文也发现,穿着10 mm落差跑鞋时足地角显著增加5.7°±3.2°。足地角增加时,GRF也相应增加,可能抵消了跑鞋缓冲结构对GRF的缓冲效果,使得GRF没有表现出显著差异。本文结果与针对男性跑步者的研究结果一致 。但是,Besson等 研究发现,女性跑步者穿着高落差跑鞋时受到的GRF显著大于穿着零落差跑鞋,提示女性跑步者穿着高落差跑鞋时下肢损伤率可能较高。现代跑鞋的跟掌落差一般为10 mm,这可能是女性跑步者下肢损伤率高于男性跑步者的原因之一。
本研究结果部分支持第2个假设。与零落差跑鞋相比,穿着10 mm落差跑鞋时髋关节三维力矩峰值未表现出显著差异,但在支撑前期髋关节内旋力矩增加。目前多数研究表明,跑鞋结构特征的改变只能影响到足底以及踝、膝关节的负荷,对髋关节负荷没有影响 [14,18-21] 。本文使用传统针对特征值的统计方法也支持这一结论,但是SPM结果提示,穿着10 mm落差跑鞋可能增加髋关节损伤风险,而穿着零落差跑鞋对降低髋关节损伤风险有益,这为后续进一步探究跑步相关损伤原理及防治措施奠定基础。此外,穿着10 mm落差跑鞋时膝关节伸展力矩峰值显著增加,而SPM结果未能在膝关节伸展力矩峰值区域达到显著性,提示对零维数据的统计方法为了控制Ⅰ型误差,使用的显著性阈值可能过低 。研究认为, t 检验使用零维随机模型,SPM使用一维随机模型,零维随机模型不适用于根据一维数据得出概率结论 ,因此,即使一维统计分析达不到显著性,零维统计分析也能达到显著性。Castro等 分析跑步时承受GRF的性别差异研究表明,由于GRF呈现双峰特征,选取不同的峰值时得出相反的结论,而SPM能够一次性对整个支撑期的GRF进行统计分析,避免了上述缺陷。本文结果表明,穿着10 mm落差跑鞋在支撑中期膝关节伸展力矩增加,提示穿着高落差跑鞋在支撑中期可能增加膝关节损伤风险。穿着零落差跑鞋时倾向于全脚掌着地,跑步者采用软着陆的策略,通过跖屈踝关节和增加踝关节运动幅度等途径缓冲地面冲击力,从而降低传导至膝关节的负荷,而穿着高落差跑鞋时更倾向足跟着地,支撑腿位置距离重心投影点更远,从而增加了膝关节伸肌力臂和力矩 [18-19] 。较大的伸膝力矩意味着股四头肌活动增加,并可能增加髌腱和髌股关节受力 [3,23] 。因此,高落差跑鞋可能是跑步者膝关节损伤率居高不下的重要原因。
本研究结果部分支持第3个假设。穿着10 mm落差跑鞋与穿着零落差跑鞋相比,除了踝关节外翻力矩峰值显著增加以外,其他方向的力矩峰值均未表现出显著差异。SPM结果显示,在踝关节三维力矩峰值区域未达到显著性,但穿着10 mm落差跑鞋在支撑前期踝关节跖屈、外翻和外旋力矩降低。零维统计分析仅能表明特征值的差异,而忽略了时间序列曲线上其他可能有意义的部分,所得结论也只能基于零维数据的统计结果,但以往的研究往往过度泛化,通过零维统计分析得出一维数据结论。SPM通过随机场理论进行拓扑分析,克服传统统计方法的缺点,能够对时间序列(包含特征值)进行统计分析,所得结论更全面更有力度 。SPM结果表明,穿着高落差跑鞋降低了支撑前期踝关节三维力矩,这与前人研究结果基本一致。穿着零落差跑鞋时,踝关节跖屈角度增加,足底屈肌的预激活程度更大 ;而穿着高落差跑鞋时,踝关节跖屈角度减小,跟腱应力减小 。类似地,Robert等 研究表明,穿着高跟鞋走路时,踝关节背屈和外翻力矩峰值降低,长期穿高跟鞋能明显改善跟腱特征,提示穿着高落差跑鞋能有效缓解跟腱和小腿肌肉紧张,进而降低踝关节损伤风险。
Malisoux等 进行为期6个月的前瞻性研究,结果表明,穿着10 mm落差跑鞋时膝关节损伤占跑步相关损伤的比例(26%)显著高于穿着零落差跑鞋(15%),足踝损伤占跑步相关损伤的比例(31%)显著低于穿着零落差跑鞋(41%)。本研究结果与上述前瞻性研究结果吻合。本文发现,穿着10 mm落差跑鞋在支撑中期膝关节伸展力矩增加,在支撑前期踝关节三维力矩降低,提示穿着高落差跑鞋可能增加髌股关节痛等膝关节损伤发生率,降低跟腱炎等足踝损伤发生率。有研究认为,人类足部结构的生物力学特征并未完全适应高落差跑鞋,跑步者长期穿着高落差跑鞋后,足踝部肌肉又不能适应即刻更换零落差跑鞋的肌力要求,习惯穿着高落差跑鞋跑步者更换零落差跑鞋后损伤率反而更高 [6,9] 。因此,更换不同跟掌落差的跑鞋均需要一段适应过程。基于上述研究结果,本文建议,体育用品公司设计制造跑鞋时充分考虑跟掌落差这一因素,把跟掌落差作为专业跑鞋品类细分的标准之一;跑步者结合自身特点及跑鞋跟掌落差对下肢关节负荷特征的影响,选择适合自己的跑鞋;有髋、膝关节损伤史的跑步者穿着零落差跑鞋运动,髋、膝关节损伤患者适宜穿着零落差鞋进行康复训练;有踝关节损伤史的跑步者穿着高落差跑鞋运动,踝关节损伤患者适宜穿着高落差的鞋进行康复训练;健康跑步者在经常更换不同跟掌落差跑鞋的前提下逐渐增加跑量,循序渐进地全面提高下肢肌肉力量和下肢关节的适应能力。
本文仅分析青年男性跑步者穿着零落差和10 mm落差跑鞋时下肢关节负荷特征的差异,增加跑鞋跟掌落差级数可能能够确定影响下肢负荷的最优落差,不同年龄、不同性别人群是否具有本研究所选人群类似的特征表现,还有待今后的进一步研究。
穿着不同跟掌落差跑鞋时下肢关节负荷特征存在差异。与零落差跑鞋相比,穿着10 mm落差跑鞋不影响垂直GRF,但在支撑前期髋关节负荷增加,踝关节负荷降低,在支撑中期膝关节负荷增加。跑步者应结合自身特点及跑鞋跟掌落差对下肢关节负荷特征的影响,选择适合自己的跑鞋。