高跟鞋對女大學(xué)生行走時膝關(guān)節(jié)力矩的影響

劉 娜，劉海斌，朱振楠，李姝婷

女大學(xué)生穿高跟鞋后身材更接近“黃金分割率”[1]，在視覺上能給人以美感，但很少人了解穿高跟鞋對她們下肢運(yùn)動、腿部肌群協(xié)調(diào)、足部形態(tài)以及關(guān)節(jié)受力的影響[2]。由于青年女大學(xué)生骨結(jié)構(gòu)中軟骨成分多，骨組織內(nèi)水分和有機(jī)物多，無機(jī)鹽少等特點(diǎn)使其骨骼肌肉系統(tǒng)正常生長發(fā)育更易受到鞋跟高度的影響[3]。

研究證實(shí)[3-4]，女大學(xué)生穿高跟鞋走路會增加前腳掌壓力，將第5至3跖骨壓力轉(zhuǎn)移到第2和第1跖骨，這種壓力改變會產(chǎn)生前足變形疾病，如腳趾外翻。Esenyel等的研究結(jié)果表明[5], 穿高跟鞋會促使腿部肌肉纖維縮短，而不正常的踝關(guān)節(jié)位置和彎曲角度使小腿比目魚肌長期處在收縮狀態(tài)，足弓肌肉也在不合適狀態(tài)，使得足部在行走時推力減少。安全技術(shù)組織[6]已指出，穿高跟鞋是女大學(xué)生滑倒和跌倒的重要因素，并伴隨踝關(guān)節(jié)創(chuàng)傷[1]，足部不穩(wěn)定和肌肉過早疲勞等癥狀[7]。

此外，穿高跟鞋對髕股關(guān)節(jié)產(chǎn)生重復(fù)性過度載荷可能會產(chǎn)生膝關(guān)節(jié)疼痛和髕骨關(guān)節(jié)炎[8-9]。一些學(xué)者[8，10]認(rèn)為下肢關(guān)節(jié)力矩可作為揭示人體骨骼肌系統(tǒng)退變的一項(xiàng)重要指標(biāo)。迄今為止，已有大量研究探討關(guān)節(jié)力矩特征與人體走路機(jī)制之間關(guān)系的研究報(bào)道[8, 10-12]。然而，穿高跟鞋如何影響青年女性膝關(guān)節(jié)力矩特征，未見全面、詳細(xì)的研究結(jié)果。

因此，本文采用逆向動力學(xué)法，分析健康女大學(xué)生穿高跟鞋與赤足2種不同狀態(tài)下膝關(guān)節(jié)力矩特征，探討穿高跟鞋是否會顯著性的增加膝關(guān)節(jié)負(fù)荷。依據(jù)研究目的提出實(shí)驗(yàn)假設(shè)：健康女大學(xué)生赤足與穿高跟鞋2種狀態(tài)下平地行走過程中膝關(guān)節(jié)在3個平面內(nèi)的關(guān)節(jié)力矩沒有顯著性差異。

1 研究方法

1.1 研究對象

招募12名女大學(xué)生志愿者作為實(shí)驗(yàn)對象，年齡(23.4±3.1)歲，身高(173.8±6.4)cm，體重(65.5±7.3)Kg，均無神經(jīng)系統(tǒng)疾病和運(yùn)動系統(tǒng)疾病(特別是足踝畸形或問題，如拇外翻、踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)等)。實(shí)驗(yàn)前就實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容對實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行了相關(guān)培訓(xùn)，并簽訂了志愿參加的相關(guān)協(xié)議。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)過程

運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)由Vicon Nexus運(yùn)動捕捉/分析系統(tǒng)(Oxford, UK)獲得，10個紅外攝像頭，采樣頻率250 (Frame/s)，系統(tǒng)采用Helen Hayes人體下肢模型，對貼于人體表面的15個反光球(直徑1.5 cm，見表1)進(jìn)行自動識別與數(shù)字化處理。兩臺AMTI三維測力平臺(Advanced Mechanical Technology, Inc., USA) 采樣頻率：500 Hz/s，觸發(fā)門限10 N。

要求實(shí)驗(yàn)對象赤足或穿高跟鞋(需穿至少6 cm高跟鞋，鞋跟粗細(xì)及鞋面材料款式均未做統(tǒng)一要求)，以自然常速行走步速走過8 m長通道(實(shí)驗(yàn)前要求實(shí)驗(yàn)對象在實(shí)驗(yàn)通道內(nèi)進(jìn)行至少5 min的赤足和穿高跟鞋往返走路練習(xí)，以適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)自然常速行走)，攝像機(jī)和測力平臺同時記錄下實(shí)驗(yàn)對象3次有效行走步態(tài)信息。為提高分析指標(biāo)個體比較的可靠性，對各指標(biāo)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理，即對所有使用指標(biāo)均除以個體體重(N·cm/Kg)。

表1 Helen Hayes模型的15個反光球位置Table 1 Helen Hayes 15 reflective markers set

1.3 膝關(guān)節(jié)及其運(yùn)動定義

研究采用Chao和Grood Suntay推薦的解剖學(xué)關(guān)節(jié)角定義方法，即每個關(guān)節(jié)都有1個近端環(huán)節(jié)坐標(biāo)系和1個遠(yuǎn)端環(huán)節(jié)坐標(biāo)系構(gòu)成(髖關(guān)節(jié)由骨盆環(huán)節(jié)與大腿環(huán)節(jié)組成，膝關(guān)節(jié)由大腿環(huán)節(jié)與小腿環(huán)節(jié)組成，踝關(guān)節(jié)由小腿環(huán)節(jié)與足環(huán)節(jié)組成(如圖1b)。因此，膝關(guān)節(jié)運(yùn)動定義如下(如圖1c)：

(a)地面坐標(biāo)系 (b) 局部坐標(biāo)系 (c) 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動圖1 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動定義Graph 1 Definition of knee joint

現(xiàn)將各旋轉(zhuǎn)軸定義如下：

ZProximal=屈曲/伸展 軸

XDistal=內(nèi)旋/外旋 軸

YJoint=內(nèi)收/外展 軸

YJoint=(ZProximalXXDistal) /|ZProximalXXDistal|

(1)

解剖學(xué)關(guān)節(jié)角定義如下：

α=屈曲/伸展 角

β=內(nèi)收/外展 角

γ=內(nèi)旋/外旋 角

(2)

因此，膝關(guān)節(jié)解剖學(xué)關(guān)節(jié)角的計(jì)算公式如下：

αR.Knee=sin-1[YR.Knee﹒x1]

βR.Knee=sin-1[z1﹒y2]

γR.Knee=sin-1[YR.Knee﹒z2]

(3)

1.4 動作階段標(biāo)準(zhǔn)化處理

一個完整步態(tài)周期可以分為支撐階段與擺動階段，支撐階段是本次研究重點(diǎn)。為便于分析，將足與地面接觸的支撐階段標(biāo)準(zhǔn)化為100%，0%為足跟開始接觸地面時相，100%為足尖離開地面最后時相。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

利用商業(yè)軟件SPSS 17.0對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，數(shù)據(jù)均值和標(biāo)準(zhǔn)差如表2所示。采用配對t檢驗(yàn)方法分析實(shí)驗(yàn)對象赤足與穿高跟鞋兩種狀態(tài)，P<0.05表示差異顯著，P<0.01表示差異非常顯著。

2 結(jié)果

2.1 矢狀面屈曲與伸展力矩

(a)赤足 (b) 穿高跟鞋

一個完整支撐階段，膝關(guān)節(jié)矢狀面內(nèi)共有4個力矩峰值(見圖2)，其中2個屈曲峰值，2個伸展峰值。由表2可知，伸展峰值1，赤足與穿高跟鞋無顯著差異(P=0.056)。屈曲峰值1與伸展峰值2，赤足均顯著小于穿高跟鞋(P<0.001)。屈曲峰值2，赤足顯著大于穿高跟鞋(P=0.038)；伸展峰值2出現(xiàn)時相，赤足與穿高跟鞋呈顯著差異(P=0.037)。

2.2 額狀面內(nèi)收與外展力矩

(a)赤足 (b) 穿高跟鞋

圖3顯示膝關(guān)節(jié)額狀面內(nèi)，內(nèi)收力矩占據(jù)主導(dǎo)，呈現(xiàn)2個內(nèi)收峰值和1個介于2峰值之間的谷值。從表2可以看到，內(nèi)收峰值1與內(nèi)收峰值2，赤足均顯著性的小于穿高跟鞋(P=0.004、P=0.003)。內(nèi)收谷值1，赤足與穿高跟鞋無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P=0.6)；穿高跟鞋明顯提前了內(nèi)收峰值和谷值的出現(xiàn)時相(P<0.01)。

2.3 水平面內(nèi)旋與外旋力矩

(a)赤足 (b) 穿高跟鞋

如圖4所示，赤足狀態(tài)的前60%時相以外旋力矩為主導(dǎo)，但變化幅度較小。而后開始進(jìn)入較明顯的內(nèi)旋力矩。穿高跟鞋使外旋力矩到內(nèi)旋力矩過渡時相提前12%；由表2可知，外旋與內(nèi)旋峰值，赤足均小于穿高跟鞋(P=0.022、P=0.001)。穿高跟鞋造成外旋峰值時相延后(P=0.043)，內(nèi)旋峰值時相顯著提前(P<0.01)。

2.4 前進(jìn)方向制動力與推進(jìn)力

(a)赤足 (b) 穿高跟鞋

圖5顯示穿高跟鞋沒有改變前進(jìn)方向制動力和推進(jìn)力峰值出現(xiàn)時相。從表2可以看出，穿高跟鞋制動力峰值顯著大于赤足(P<0.01)，而推動力峰值顯著小于赤足(P<0.01)。

3 討論

矢狀面，膝關(guān)節(jié)屈曲和伸展力矩在支撐階段的任務(wù)是推進(jìn)身體前進(jìn)，擺動階段的任務(wù)是抬腿和向前邁腿。本文研究結(jié)果顯示，穿高跟鞋使伸展力矩峰值時相延后4%，并增加了9%屈曲力矩和39%伸展力矩，提示穿高跟鞋增加了肌肉與韌帶對髕骨關(guān)節(jié)的力矩負(fù)荷。此外，支撐階段最后蹬離地面時相，穿高跟鞋減少21%屈曲力矩，提示最后蹬離地面時相是穿高跟鞋人群推進(jìn)身體前進(jìn)的最薄弱階段。Perry等[13]認(rèn)為增大關(guān)節(jié)力矩是因?yàn)楣伤念^肌增加了拉力負(fù)荷所致，并且這種負(fù)荷加大了髕骨肌腱張力，進(jìn)而把壓力施加給髕股關(guān)節(jié)。Farrokhi等[14]研究發(fā)現(xiàn)，髕股關(guān)節(jié)壓力每減少1兆帕(MPa)，膝關(guān)節(jié)痛就會減少56%。然而，也有研究認(rèn)為平地行走時膝關(guān)節(jié)伸肌力矩峰值不受鞋跟高度影響[8, 15]。上述矛盾研究結(jié)果可能產(chǎn)生于實(shí)驗(yàn)研究中鞋跟高度和速度。為避免速度和鞋跟高度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，本文采用自然常速和6 cm鞋跟。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持Perry等[13]的研究結(jié)論，穿高跟鞋顯著改變了膝關(guān)節(jié)屈曲力矩和伸展力矩。

表2 膝關(guān)節(jié)力矩峰值與相應(yīng)時相Table 2 Knee joint torques and corresponding time phase

額狀面以內(nèi)收力矩為主，任務(wù)是保持單腿支撐階段身體平衡。穿高跟鞋使2個內(nèi)收力矩峰值和1個介于2峰值之間的谷值時相分別提前9%，8%和10%，并增加了5%的第1峰值和9%的第2峰值。這些變化特征與Street[16]研究穿高跟鞋對下肢關(guān)節(jié)額狀面力矩影響結(jié)果基本一致。動物實(shí)驗(yàn)表明[17]，增大內(nèi)收力矩會通過膝關(guān)節(jié)外側(cè)韌帶給膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)囊增加負(fù)荷，可能會使膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)囊產(chǎn)生退化性改變。此外，有研究[8,18]認(rèn)為高跟鞋步態(tài)中額狀面力矩長期增加，會引起關(guān)節(jié)功能異常, 患膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的風(fēng)險(xiǎn)升高。但是也有學(xué)者[12]報(bào)告，雖然高跟鞋容易引起膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的推論符合理論邏輯, 但目前并沒有研究報(bào)道能夠直接證明高跟鞋引發(fā)的力矩增加與關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎患病風(fēng)險(xiǎn)升高之間存在必然的因果關(guān)系。本文也支持這一觀點(diǎn)，二者之間的因果聯(lián)系還需大量流行病學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)果才能加以實(shí)證。

水平面以內(nèi)旋力矩占據(jù)主導(dǎo)，任務(wù)是當(dāng)下肢由后向前擺動時保持身體豎直。本研究發(fā)現(xiàn)，穿高跟鞋延后4%時相達(dá)到外旋力矩峰值，提前15%時相達(dá)到內(nèi)旋力矩峰值；提前12%時相由外旋力矩過渡到內(nèi)旋力矩，并且增加18%外旋力矩和11%內(nèi)旋力矩。Cowley等[19]指出，穿6 cm以上高度的鞋會使腓腸肌外側(cè)頭肌肉拉力保持長期牽張狀態(tài)，長期穿高跟鞋女性腓腸肌表現(xiàn)出肌肉激活時序改變。然而，目前有關(guān)高跟鞋改變女性平地步態(tài)膝關(guān)節(jié)水平力矩特征的文獻(xiàn)報(bào)道十分有限，還需深入分析研究才能闡明穿高跟鞋改變膝關(guān)節(jié)水平力矩與小腿肌肉時序改變之間的定量關(guān)系。

本文地面反作用力研究結(jié)果表明穿高跟鞋在前進(jìn)方向顯著的增加了制動力。膝關(guān)節(jié)屈曲力矩增加可能是人體為減弱高跟鞋與地面剛開始接觸時產(chǎn)生較大沖擊而產(chǎn)生的身體代償。Kerrigan 等[8]認(rèn)為這種增加力矩和地面反作用力會使髕骨關(guān)節(jié)囊內(nèi)產(chǎn)生退化性改變。另外，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還顯示穿高跟鞋在前進(jìn)方向顯著的減小了推動力，進(jìn)一步支持了Esenyel等[5]的研究推論：屈曲力矩大幅減少會減弱支撐腿最后蹬離地面的推力。

大量研究顯示[20-21]髕骨痛是最常見的下肢關(guān)節(jié)代謝紊亂之一，占到膝關(guān)節(jié)痛25%。與男性相比，女大學(xué)生髕骨痛人群更大。雖然不能建立起膝關(guān)節(jié)痛與穿高跟鞋頻率之間的直接聯(lián)系，但穿高跟鞋會給膝關(guān)節(jié)造成重復(fù)性過載負(fù)荷已被本次研究所證實(shí)。因此，本文認(rèn)為有必要進(jìn)一步深入研究鞋跟高度、行走速度、穿著時間與相關(guān)骨關(guān)節(jié)疾病之間的定量關(guān)系，為澄清女性穿高跟鞋與骨性疾病之間的內(nèi)在聯(lián)系提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論支撐。

4 結(jié)論

穿高跟鞋顯著改變了膝關(guān)節(jié)力矩峰值及峰值出現(xiàn)時相，明顯改變了健康青年女大學(xué)生行走時膝關(guān)節(jié)的原有力矩特征。