12周跑姿再訓(xùn)練對髕股關(guān)節(jié)受力特征影響的研究

王寶峰，楊 洋，王俊清，孫曉樂，張希妮，傅維杰

跑步是大眾健身最流行和常見的運動方式。2010 年以來，我國無論是馬拉松賽事的舉辦場次還是參與人員的數(shù)量都呈現(xiàn)大幅提升的趨勢[1]。隨著參加人數(shù)的增多，跑者的損傷問題也得到了研究者的關(guān)注。有研究報道，與跑步相關(guān)的損傷在體育活動導(dǎo)致的損傷中占比40%[2]，其中膝關(guān)節(jié)損傷占比最高約為28%，而髕股關(guān)節(jié)疼痛綜合征（Patellofemoral joint pain syn‐thesis，PFPS）在具體的損傷病例中占17%[3]。

目前認為導(dǎo)致PFPS 的主要原因有髕股關(guān)節(jié)壓力大、勞損、外傷、股四頭肌彈性衰退、髕骨活動受限、髕股外側(cè)支撐帶攣縮等[4]。非手術(shù)治療方式主要是通過針對股四頭肌、股內(nèi)側(cè)斜肌、臀肌的肌力訓(xùn)練來矯正髕骨的運行軌跡，以及通過電療等理療方式消除膝關(guān)節(jié)內(nèi)炎癥來緩解髕股關(guān)節(jié)疼痛[5]。上述治療方式作用于PFPS 發(fā)生后缺乏預(yù)防手段，且單一肌肉的力量訓(xùn)練也難以起到較好的臨床效果[5]。同時跑步導(dǎo)致PFPS 主要是由跑步觸地動作引起的髕股關(guān)節(jié)間應(yīng)力增大和下肢肌肉力不足等內(nèi)力的交互綜合作用引起，因此，僅針對膝關(guān)節(jié)周圍肌肉力量加強的治療方式可能忽略髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力增大這一重要因素。

跑者根據(jù)觸地方式可分為后跟觸地跑者（rearfoot strik‐ers，RFS）、全掌觸地跑者（midfoot strikers，MFS）、前掌觸地跑者（forefoot strikers，F(xiàn)FS）[6]。習(xí)慣穿緩沖鞋的跑者大約有75%是RFS[7]。前人研究發(fā)現(xiàn)FFS 與RFS 相比，具有較低垂直負載率[8-9]，可能會減少跑步相關(guān)損傷的發(fā)生率[10]。同時有研究者[11]發(fā)現(xiàn)女性跑者中FFS 相較于RFS 具有更低的伸膝力矩、髕股關(guān)節(jié)力（patellofemoral joint contact force ，PFCF）及髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力（patellofemoral joint stress ，PFS），可能有助于降低PFPS 的發(fā)生率。目前針對跑姿的研究對象主要為自然FFS 和RFS，通過兩者之間生物力學(xué)指標(biāo)的橫向?qū)Ρ然蛘呒纯谈淖兤渑茏说目v向?qū)Ρ葋矸治鰞煞N跑姿的不同。而對于通過跑姿再訓(xùn)練改變跑姿的跑者的髕股關(guān)節(jié)生物力學(xué)相關(guān)研究值得深入研究。

綜上，本研究通過比較12周跑姿再訓(xùn)練前后膝關(guān)節(jié)矢狀面角度、膝關(guān)節(jié)矢狀面力矩、力臂、髕股關(guān)節(jié)力、髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力的變化，深入理解12周跑姿再訓(xùn)練對于跑姿轉(zhuǎn)換的作用以及跑姿轉(zhuǎn)換后髕股關(guān)節(jié)的力學(xué)特性，以期為減少跑者發(fā)生髕股關(guān)節(jié)疼痛綜合征提供可能的預(yù)防手段。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

招募男性受試者30 人，使用隨機數(shù)函數(shù)“Rand（）”生成每位受試者對應(yīng)一位“0~1”之間的隨機數(shù)[12]（如0.606 213 85），根據(jù)升序排序?qū)⑹茉囌叻譃閷嶒灲M和對照組，各15人。招募標(biāo)準(zhǔn)為后跟觸地跑者，習(xí)慣穿緩沖鞋。近1 個月內(nèi)，周跑量維持在20 km 以上，同時期望在隨后的12 周內(nèi)維持此訓(xùn)練量。實驗前3個月內(nèi)沒有明顯的下肢損傷。

1.2 實驗儀器

1.2.1 Kistler 三維測力臺 使用瑞士生產(chǎn)的Kistler（9287B）三維測力臺，尺寸為90 cm×60 cm×10 cm，采樣頻率為1 000 Hz。

1.2.2 Vicon 紅外高速三維運動捕捉系統(tǒng) 10 臺Vicon 三維紅外攝像頭（型號：T40）采集跑步時受試者身上標(biāo)志點的運動軌跡。采樣頻率為100 Hz。

1.2.3 光柵計時系統(tǒng) 實驗中的速度由Witty-Manua（l意大利，Microgate）光柵測速儀進行控制。

1.2.4 實驗用鞋 統(tǒng)一使用無緩沖材料的INOV-8 Bare-XF 210 V2 極簡鞋（見圖1）。該鞋前后跟落差（heel-toe drop）與鞋底厚度分別為0和3 mm，平均重量為227 g。

圖1 極簡鞋F(xiàn)igure1 Minimalist Shoe

1.2.5 Podoon 壓感智能鞋墊 該智能鞋墊內(nèi)分布有0.2 mm 柔性薄膜壓力傳感器共3 個，與手機應(yīng)用Podoon 配合可對受試者的跑姿進行監(jiān)測。

1.3 測試流程

測試前：受試者登記基本信息，在了解實驗流程后簽署《知情同意書》，更換統(tǒng)一實驗服裝并以12 km/h 的速度進行5 min熱身活動。隨后受試者休息5 min 同時更換極簡鞋。隨后實驗人員在受試者的骨盆與下肢的骨性標(biāo)志粘貼marker 球，marker球的位置為髂前上棘、髂脊上緣等共36個點[13]。拍攝受試者站立靜態(tài)模型。

測試時：要求受試者自選跑姿并以12 km/h（±5%）的速度通過跑道，同步采集受試者優(yōu)勢側(cè)（根據(jù)踢球法判定踢球距離更遠的一側(cè)為優(yōu)勢側(cè)[14]）的marker球軌跡和地面反作用力等信號，共采集3次成功踏上測力臺的有效數(shù)據(jù)。

1.4 訓(xùn)練干預(yù)方案

實驗組：要求受試者在跑姿再訓(xùn)練時穿著極簡鞋，采用前掌跑姿（前掌跖球部觸地[15]）以中等強度自選速度進行跑步。通過Podoon 壓感智能鞋墊配套手機應(yīng)用Podoon 所提供的聲效反饋獲知實驗組受試者跑姿是否為前掌觸地。對照組：要求受試者著極簡鞋，以現(xiàn)有的跑姿進行跑步訓(xùn)練。速度同樣為中等強度自選速度，訓(xùn)練時長同實驗組。

干預(yù)周期為12 周，每周3 次，每次訓(xùn)練時長為5~48 min，隨訓(xùn)練的進程階梯式遞增（見表1）。受試者在訓(xùn)練以外的時間可穿著習(xí)慣的跑鞋進行跑步。在訓(xùn)練期間，保證兩組人之間互不知情。整個干預(yù)周期內(nèi)禁止受試者參加相關(guān)賽事。訓(xùn)練方案僅替代跑量的一部分，每周跑步總距離保持不變。另外，指導(dǎo)受試者進行力量訓(xùn)練以加強足部和下肢肌群的功能，從而使下肢適應(yīng)改變跑姿可能帶來的負荷[16]。

表1 12周跑姿再訓(xùn)練方案Table1 12-week Gait Retraining Protocol

受試者需如實記錄訓(xùn)練情況。實驗組和對照組分別記錄訓(xùn)練開始、結(jié)束時間、地點、跑量及損傷情況。此外實驗組還需額外記錄前掌跑開始、結(jié)束時間及跑量。實驗人員通過隨機抽查（要求受試者告知實驗人員每次訓(xùn)練開始的時間、地點）、Podoon 云端數(shù)據(jù)與訓(xùn)練日志進行比對來確定受試者的訓(xùn)練情況。

1.5 數(shù)據(jù)處理與計算

本實驗研究跑步的支撐階段（觸地瞬間至腳尖離地）。運動學(xué)與地面反作用力等數(shù)據(jù)均通過Visual 3D 三維步態(tài)/體態(tài)分析軟件（版本：3.21.0）進行處理與分析。運動學(xué)的截止頻率設(shè)為7 Hz[14]。

目前國內(nèi)外關(guān)于動態(tài)條件下的PFS計算主要采用生物力學(xué)模型的方法[17]。本研究引用BRESSEL 等[18]的髕股關(guān)節(jié)力計算模型與VANNATTA 等人[19]所得髕骨與股骨的接觸面積的回歸方程以計算髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力，具體如下。

1.5.1 股四頭肌肌力計算FQ(θi) = MEXT(θi)/LA(θi)，式中FQ（股四頭肌肌力，MEXT為伸膝力矩（N·m）；LA 為股四頭肌有效力臂（m）；θi為膝關(guān)節(jié)矢狀面屈伸角度（見圖2）[20]。

圖2 髕股關(guān)節(jié)隔離體及角度定義Figure2 Free-body Diagram of the Patella and the Definition of Angle

力臂LA（m）：股四頭肌有效力臂為矢狀面膝關(guān)節(jié)角度的函數(shù)[18]。

1.5.2 髕股關(guān)節(jié)力計算FPF = 2FQSIN(β/2)，其中β= 30.46 +0.53?θi；FPF為髕股關(guān)節(jié)力；β為股四頭肌肌力線與髕韌帶拉力線之間的夾角（見圖2）[18]。

1.5.3 髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力計算 髕骨與股骨之間的接觸面積（mm2）為膝關(guān)節(jié)屈曲角度的函數(shù)[19]。SPFCA=0.07810.06763×θi+151.75，式中SPFCA代表髕骨與股骨之間的接觸面積。PPFS=FPF/SPFCA(θi)，式中PPFS代表髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力。

1.6 統(tǒng)計方法

本研究使用配對樣本T檢驗對受試者基本信息進行檢驗，采用重復(fù)測量雙因素方差（two-way repeated measures ANOVA，SPSS 21.0），以觀察自變量（組別×?xí)r間）對伸膝力矩、膝關(guān)節(jié)角度、髕股關(guān)節(jié)力、髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力等參數(shù)的影響。對于有交互作用的參數(shù)，組內(nèi)采用配對樣本T檢驗，組間采用獨立樣本T檢驗，顯著性水平α設(shè)為0.05。

2 結(jié)果

2.1 受試者流失情況

本研究共招募男性受試者30 人（對照組n=15，實驗組n=15）。實驗過程中共流失13 人，流失原因包括：有1 人在訓(xùn)練前發(fā)現(xiàn)為非后跟觸地；1 人因左側(cè)膝蓋持續(xù)疼痛（舊傷）退出，1 人因右側(cè)踝關(guān)節(jié)急性扭傷（走樓梯踏空所致）退出；2 人因訓(xùn)練日志與Podoon 應(yīng)用云端數(shù)據(jù)無法匹配被剔除，3人Podoon 應(yīng)用數(shù)據(jù)無法查看并失去聯(lián)系；5 人因個人原因直接退出或訓(xùn)練中斷達1周以上。本研究最終共17（對照組n=8，實驗組n=9）人符合測試標(biāo)準(zhǔn)，納入結(jié)果統(tǒng)計（見表2）。在實驗組9 人中有7 人轉(zhuǎn)換為前掌觸地模式，轉(zhuǎn)換率為78%。

表2 受試者基本信息一覽表（n=17）Table2 List of subject basic information（n=17）

2.2 膝關(guān)節(jié)角度和力矩

12周的跑姿再訓(xùn)練后，在12 km/h（±5%）速度下跑步時對照組的伸膝力矩峰值、最大屈曲角度均未產(chǎn)生具有統(tǒng)計學(xué)差異的改變（見表3）。在實驗組中，訓(xùn)練后的膝關(guān)節(jié)最大角度未發(fā)現(xiàn)改變，但伸膝力矩峰值顯著降低13.8%（P=0.017），如圖3右所示。

圖3 12周跑姿訓(xùn)練對膝關(guān)節(jié)矢狀面角度、標(biāo)準(zhǔn)化力矩的影響Figure3 Effect of 12-week Running Gait Training on the Knee Extensor Moment and Knee Flexion Angle

2.3 髕股關(guān)節(jié)力和應(yīng)力

12 周的跑姿再訓(xùn)練后，對照組的髕股關(guān)節(jié)力峰值、髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值均未產(chǎn)生具有統(tǒng)計學(xué)差異的改變（見表3）。實驗組中，訓(xùn)練后的髕股關(guān)節(jié)力峰值同樣未發(fā)現(xiàn)顯著性改變，但髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值顯著降低13.3%（P=0.018），如圖4右所示。

表3 膝關(guān)節(jié)矢狀面力矩峰值、角度、髕股關(guān)節(jié)力、應(yīng)力Table3 Mean（SD）Kinematic，Kinetic for the Experimental Group and Control Group

圖4 12周跑姿訓(xùn)練對髕股關(guān)節(jié)力、髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力的影響Figure4 Effect of 12-week Running Gait Training on Patellofemo‐ral Joint Contact Force and Patellofemoral Joint Stress

3 討 論

本研究的主要目的是探究12 周跑姿再訓(xùn)練對髕股關(guān)節(jié)力學(xué)特征的影響，以期能夠為預(yù)防髕股關(guān)節(jié)疼痛綜合征提供一種有效的手段。本研究發(fā)現(xiàn)：通過跑姿轉(zhuǎn)換配合穿著極簡鞋訓(xùn)練12 周后，伸膝力矩峰值、髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值顯著降低；而在僅穿著極簡鞋的對照組中則未發(fā)現(xiàn)顯著性改變。

經(jīng)過12 周跑姿再訓(xùn)練后，實驗組9 人中有7 人轉(zhuǎn)換為FFS跑姿，轉(zhuǎn)換率為78%。由此推測，12 周跑姿再訓(xùn)練使跑者有足夠的時間進行姿態(tài)控制學(xué)習(xí)[21]，進而轉(zhuǎn)換著地方式。在本次實驗中共有2 人因發(fā)生損傷退出，對照組和實驗組各1 人。前者損傷原因為舊傷復(fù)發(fā)引起膝關(guān)節(jié)疼痛，后者因下樓梯時踏空導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)扭傷，二者損傷原因均與干預(yù)方案無關(guān)。在類似的研究中，MCCARTHY等人[22]實驗組15人中有2人（13%）因訓(xùn)練發(fā)生損傷；WARNE等人[16]實驗組14人中有2人（14%）腘繩肌與腓腸肌發(fā)生損傷，有7 人報告小腿三頭肌疼痛并因此導(dǎo)致訓(xùn)練時長減少。前者與本研究同樣采用了極簡鞋條件進行干預(yù)訓(xùn)練，不同的是該研究雖告知受試者穿著極簡鞋時繼續(xù)保持后跟著地姿態(tài)以及較大的步長可能會導(dǎo)致疼痛，但并未制定方案幫助受試者進行主動的跑姿轉(zhuǎn)換訓(xùn)練；后者研究僅在6 周的干預(yù)時間中將跑姿訓(xùn)練時間增加到40 min，本研究干預(yù)方案設(shè)計為第8周達到40 min且在后4周每周跑姿訓(xùn)練時長僅增加2 min。主動轉(zhuǎn)換跑姿、較長的干預(yù)時間以及跑姿訓(xùn)練時長較小的遞增幅度可能是在本研究中實驗組未出現(xiàn)損傷或小腿肌肉酸痛的原因，提示本實驗的干預(yù)方案相較前人是一種相對更安全的轉(zhuǎn)換跑姿的訓(xùn)練方案。

針對髕股關(guān)節(jié)受力特征，實驗組在跑姿再訓(xùn)練后髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力（PFS）峰值降低了13.3%。類似的，在J.P.KULMALA 等人[11]的研究中發(fā)現(xiàn)女性自然FFS 相較于RFS 峰值PFS 下降15%。同樣的，實驗組在跑姿再訓(xùn)練后伸膝力矩峰值顯著降低13.8%。M.O.ALMEIDA 等人[8]、D.KUHMAN 等人[9]、DOS SAN‐TOS 等人[12]在針對跑姿改變膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的研究中也發(fā)現(xiàn)FFS與RFS相比具有較低的伸膝力矩峰值。以上改變均未在對照組中發(fā)現(xiàn)，由此推測RFS 通過跑姿再訓(xùn)練主動改變著地策略轉(zhuǎn)換為FFS 能夠在保證跑速不改變的條件下（12 km/h±5%）降低伸膝力矩，減小髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力。究其原因，PFS 由PFCF/SPFCF計算得到，在SPFCF的計算函數(shù)中唯一的變量是膝關(guān)節(jié)屈曲角度。而在本研究中跑姿再訓(xùn)練后的膝關(guān)節(jié)矢狀面屈曲角度未發(fā)現(xiàn)顯著性改變，因此訓(xùn)練前后SPFCF無統(tǒng)計學(xué)差異。同理，β 角、LA均未發(fā)現(xiàn)顯著性的改變。提示，實驗組峰值PFS 降低的主要原因可以歸結(jié)為伸膝力矩峰值的降低。進一步，T.C.LIAO 等人[23]基于有限元模型研究有髕股關(guān)節(jié)疼痛的和無疼痛的業(yè)余跑者之間的髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)有疼痛跑者的髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值比無疼痛跑者的大，認為膝關(guān)節(jié)力矩可以作為髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力的預(yù)測因子之一。前人研究證明FFS與RFS相比具有更低的垂直地反力[24-25]，同時前掌跑姿具有更大的踝關(guān)節(jié)范圍[9]且能夠增強跟腱力學(xué)性質(zhì)，提高跟腱承受載荷能力從而使得FFS 在跑步的沖擊階段小腿三頭肌發(fā)揮更大的作用[26]。更低的垂直地反力以及FFS 踝關(guān)節(jié)承擔(dān)更多的負荷[27]，可能是導(dǎo)致伸膝力矩峰值降低的原因。

髕股關(guān)節(jié)疼痛是跑者最為常見的過勞性損傷[28]，并且長期髕股關(guān)節(jié)疼痛可能會增加患髕股關(guān)節(jié)炎的幾率[29]。同時有研究證實髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力增大是引發(fā)髕股關(guān)疼痛的主要誘因之一，髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力的增加導(dǎo)致軟骨變性進而有可能引起髕股關(guān)節(jié)疼痛綜合征?？傮w而言，本研究發(fā)現(xiàn)跑姿再訓(xùn)練配合極簡鞋能夠降低跑者的峰值PFS，且實驗組在干預(yù)訓(xùn)練中沒有因訓(xùn)練因素發(fā)生損傷。由此說明本研究的跑姿再訓(xùn)練方案可能有效預(yù)防跑者因跑步導(dǎo)致的髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力過大而引起髕股關(guān)節(jié)疼痛，同時為減輕患者髕股關(guān)節(jié)疼痛提供可能的手段。

本研究所采用的跑姿再訓(xùn)練方案雖然總體有效且相對安全，但鑒于存在一定流失，最后納入的被試樣本量相對較少。此外，使用極簡鞋的目的是為了更好地引導(dǎo)受試者轉(zhuǎn)變?yōu)镕FS，為了保證與訓(xùn)練因素一致在測試中也采用了極簡鞋，那么在受試者重新穿著緩沖鞋后跑姿再訓(xùn)練的效果是否仍然存在、能否長期存在仍需進一步探究。

4 結(jié) 論

本研究結(jié)果表明，僅使用極簡鞋進行跑步訓(xùn)練不能顯著改變跑步過程中的髕股關(guān)節(jié)力及應(yīng)力，但12周的跑姿再訓(xùn)練結(jié)合極簡鞋能夠使后跟跑姿跑者轉(zhuǎn)變?yōu)榍罢婆茏?，在相同跑速下使伸膝力矩、髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力降低。提示12周跑姿再訓(xùn)練能有效減少髕股關(guān)節(jié)的負荷，進而為減少由跑步引起髕股關(guān)節(jié)疼痛綜合征的發(fā)生率提供可能。