裸足跑步力学及损伤研究现状

1前言

由跑步带来的益处包括增强心血管机能、缓解心理压力、促进身心健康，并有一定娱乐性［15，30］。然而，同时也有大量与跑步相关的危险存在，经常是由不恰当的鞋子选择和穿着、错误训练或者是因较大下肢冲击力引起的肌肉骨骼损伤造成［5］。最初，人们一直都是裸足或者穿着支撑度低的鞋具（如皮鞋或凉鞋）跑步［8］，直到1970年现代跑鞋的发明。从那以后，运动鞋一直经历着变革。然而，当前的趋势是又回归为运动员穿着最小支撑度跑鞋（或“裸足式”跑鞋）进行前足式落地跑步（如VibramFivefingers，NewBalanceMinimus，NikeFree等）。现在或许还过早去准确预测这种跑步趋势会对与肌肉骨骼等相关的损伤带来什么样的影响；但对于我们的身体来说，裸足状态下运动是正常的。本研究目的是总结穿鞋和不穿鞋（裸足和最低程度支撑鞋具）跑步者之间生物力学变化及与跑步相关的肌肉骨骼损伤特征，帮助、指导体育科研人员更好地处理数据并将跑步建议传授给那些希望避免肌肉骨骼损伤的跑步者们。

2穿鞋和裸足跑生物力学特征

目前，虽然跑鞋技术日趋先进，但每年平均10个跑步者中有6个会被测出损伤。Lieberman等人指出，当代跑鞋由于其较大、呈喇叭形，高跟、僵硬的鞋底和坚硬的足弓支撑部位促使形成后跟—前掌的跑步类型，这些有一定高度的缓冲性能跑鞋也限制了本体感觉［3，36］。两项研究表明，跑鞋会增加跑步过程中脚踝扭伤的风险性，本体感觉或者是躯体感觉的变弱［42］，或者高跟引起杠杆臂增加（距下关节力矩的作用结果）［46］。现在没有证据支持当前这种鞋子设计的做法，即提高带有缓冲鞋跟和针对旋前肌的旋转控制系统的跑鞋功能来防止运动损伤［43］；然而，一双不适当跑鞋是具有潜在损伤性的，尤其对于老年跑步者［37］。患有慢性足底筋膜炎（≥6个月）的21个受试者实施了一项长达12周的多元运动处方，穿着鞋子类型有弹性中底“裸足”跑鞋（NikeFree5．0图1）和传统跑鞋［44］。NikeFree系列为通过增加分割式块状设计以增大鞋底自由度的功能性“裸足”跑鞋代表之一。跟踪6个月后，两组受试者的疼痛减轻结果是相似的，但是，通过研究发现，与传统跑鞋组相比，“裸足”跑鞋组整体疼痛水平降低。与传统跑鞋相比，“裸足”跑鞋在实施这项运动处方后可能更早地减轻了足底疼痛，这可能是由于很多的现代跑鞋有坚硬的鞋底和足弓支撑部位，这会潜在地促使足内肌功能减弱和足弓力量的减小［36］。已有研究称，这些因素导致了对于足底筋膜的过度需求和促使足旋转过大，这会导致或拖延足底筋膜炎的康复。此时需要重点注意，尽管有越来越多的研究支持着这些与传统跑鞋相关的消极暗示，要被跑步者、研究者们完全接受还是需要较长一段时间。有跑步者的个体差异性；如一个研究报告的案例：一个“前触”跑步者患有胫骨疼痛，在物理治疗师改善了其触地类型即“后触”后就改善了很多［12］。Squadrone和Gallozzi对比了有经验的裸足跑步者在裸足、穿Vibram五趾（VF，图2）鞋和传统跑鞋时的动力学和运动学的参数变化［47］。VF为模拟足部解剖外形的“裸足”跑鞋代表之一。VF跑与裸足跑相比，会引起步幅增加，跖骨头下方的压力增大，峰值推动力升高和步频减小。为了减少足跟下方的局部压力［47，16］，裸足跑步者在脚着地时倾向于积极的采用一种平坦的脚放置方式。关于动力学参数，与传统跑鞋相比，在裸足跑和VF跑时后跟、中足和大拇趾下方的局部峰值压力是明显较低的。较特殊的是，与裸足跑相比，VF跑在脚趾下方的峰值压力是明显较高的。

跑步时穿VF模仿了裸足跑并且改变了跑步类型，VF极其像裸足跑；然而，VF的时空参数与裸足跑相比，更加符合常规跑鞋［47］，不过，其动力学参数存在差异，在重力承接期，垂直方向的地面作用力（GRF）在VF跑时与常规跑鞋相比是明显较低的，分别是1．59体重倍数（BW）和1．72BW。这更加贴近于裸足跑，其垂直方向GRF是1．62BW。到目前为止，也没有研究直接去评价与后跟着地相比，前足或中足着地类型对于防止跑步损伤的有效性。也缺少在裸足、“裸足”跑鞋和穿普通鞋跑步者之间其损伤率的评价比较。尽管有对比性损伤数据的呈现，大量的文章还是表明，穿传统跑鞋可能优势不大，甚至可能有不利的影响［9，47］；然而，裸足跑或者穿“裸足”跑鞋也并不是无损伤风险性的，如“裸足”跑鞋或者裸足跑可能会加快某些骨骼（籽骨、跖骨）应力性骨折、跖骨痛和脂肪垫综合征的损伤［48］。随着“裸足”跑鞋的使用继续变得更为普遍，将可能开始涉及到跑步损伤的某些前足触地（前触）跑和中足触地（中触）跑的研究兴起。另外，跑步的地面上有石头、玻璃碎片、铁钉和公路碎片或者是未整修过的跑道都不适合裸足跑［47］，并且，在未整修或者是不规则表面上跑步也可能需要更大的运动范围，尤其是脚和踝关节。尽管裸足跑或前足跑可能会减少重复性压力损伤的风险性，如胫骨内侧压力症候群或胫骨疼痛；但理论上，它会增加相关跟腱损伤的风险性［1］。裸足跑和穿“裸足”跑鞋，同时还有前足和中足着地跑类型都不是可以解决所有跑步损伤的万灵药。征求关于跑步类型转换意见的当事人群，即从后跟触地（后触）到前足或者“中触”转换，需注意要慢慢地进展从而避免下肢酸痛或损伤。要考虑到所与常规跑鞋相比，最大耗氧量在VF跑时是明显降低的。尽管跑步经济性在穿鞋和裸足之间的差异并不具有显著性差异［47］；裸足跑还是稍微的更加具有能源效率的［47，17］。关于运动学参数，运动的总计范围是具有显著性差异的，与常规跑鞋相比，VF跑在踝关节处出现更大的关节偏移，但是，在膝关节处没有显著性差异。与常规穿鞋跑步者相比，裸足跑步者的跖屈度增大，步频显著性增加并且步幅和接触时间都显著性减小［16］。与VF和裸足跑相比，穿着常规跑鞋的受试者倾向于在落地时背屈更明显。因此与裸足或VF跑相比，穿鞋跑步者的冲击力是明显更高的［47］。DeWit等人［16］研究报告指出，受训练的受试者分别在7．8、10．0和12．3mile／h的裸足跑时，其内侧面触地时具有更大的膝关节弯曲角度。当脚接触地面时，踝、膝和臀部的角度（腿部几何）影响了腿部刚度，由于相对于关节的地面作用力向量的对齐发生了改变，在抵消地面反作用力时，这也影响了肌肉—肌腱长度和所需要的肌肉活动水平［6，21］。Hennig等人的研究报告指出，当跑步者在穿着较硬鞋底的鞋跑步时，会试图改变他们的着地方式来减轻下肢冲击力［31］。一项研究表明，与穿鞋跑步者相比，裸足跑步者在通过跑步支撑期时表现出更大的腿部僵硬度［17］。穿鞋跑步者通常跑步时采用足跟到脚趾的步态方式，然而，裸足或者最小化支撑跑步者倾向于一种脚趾到足跟的步态跑步形式。裸足跑步者更倾向于在矢状面进行足底触地，伴有更大程度的踝关节跖屈［36］和膝关节屈曲［16］。尽管有这些很大的差异，当将裸足与穿鞋跑相比时，在冠状面和水平面上的运动可能并不具有显著性差异。一项研究表明，在穿鞋和不穿鞋跑步的受试者之间，其胫、跟骨的骨运动是不具有显著性差异的，其平均结果是低于2°，然而，这在受试者之间的差异高达10°［49］。

3冲击力引起的损伤

跑步是最具有潜在损伤性的，这是由于当脚接触地面时足部最大的冲击（合成地面作用力）都被传至下肢动力链上。在跑步过程中，有3种主要的足触地形式：1）后跟着地－跟骨首先接触地面；2）中足着地－足后部和前足同时接触地面；3）前足着地－前足先落在地面上之后是后跟［36］。裸足跑步者通常用他们的前足着地，很少用他们的中足和足后跟；然而，有一些裸足或穿“裸足”鞋的跑步者们是用他们的足后跟落地的。相反的，穿鞋跑步者通常是足后跟落地，现代跑鞋的高减震性能也使得这种落地形式更容易［36］；然而，这种足初始触地的变化形式是受包括跑速在内的多种因素影响的［17］。

短跑运动员用前足落地，然而，穿鞋的长距离跑运动员（75％～90％）通常用足后跟落地［36，32］。后跟落地的跑步者必须连续吸收高达3倍BW冲击力［35］。这些高冲击力将会快速的传至下肢动力链，并且可能与跑步相关损伤的高发病率有关，如胫骨应力性骨折（压缩损伤）和足底筋膜炎（拉伸损伤）［40］。任何形式的跑步都比行走要产生更大的GRF或者冲击力。垂直方向的GRF在跑速增加到最大速度的大约60％时就呈直线型增长，最大速度点对应的力值点最高。在穿鞋慢跑或跑步时，垂直方向的GRF可能达到自身体重的2～3倍。在相同速度下，慢跑（3．3～6．7mile／h）产生垂直方向的GRF比行走高1．6倍，因此，慢跑与行走相比，属于潜在性更具损伤的活动［35］。GRF的大小受很多变化因素影响，包括跑步形式（足后跟、中足或前足触地）、速度、步幅、慢跑对比跑步、鞋具、地面和跑步表面的倾斜度［4］。Cavanagh和Lafortune对“后触”或者“中触”的穿鞋跑步者们进行了力的组成成分的分析。在这项研究中，平均年龄在24岁的17名受试者参与了测试，包括10名男性和7名女性。其中，12名受试者是业余跑步者，剩下5名是专业队运动员。他们发现了相似的垂直方向GRF，分别是：“后触”跑为2．8BW和“中触”跑是2．7BW；然而，与“中触”跑不同，在“后触”的支撑期有两个冲击力峰值而不是一个。“后触”的第一个峰值（2．2BW）在负荷变化期的初始触地即刻，随着冲击力峰值的出现而形成，重力承接之后是第2个峰值（2．8BW），发生在支撑中期，被称作推力峰值［35，13］。Lieberman等人也报告出相似的结论，他们将来自美国的惯常穿鞋成年跑步者和裸足成年跑步者其“后触”跑和“前触”跑的过程进行了对比［36］。穿鞋和不穿鞋的“后触”跑都产生一个双侧峰值的垂直GRF或一个冲击力转化，然而，不穿鞋的趾－踵－趾的“前触”跑形式不会产生冲击力转化（一个平滑的单一峰值，图3）。在跑步过程中所产生的GRF冲击部分主要是由于起始触地时后腿的快速减速引起的［10］。中枢神经系统会通过肌肉协调来相对稳定地维持GRF而忽略其单一稳固性。在机械腿模型的实验中，随着鞋硬度的增加，GRF也增加。但是，在实际人类跑步者中，GRF是不变的，原因是身体有能力可以预测到GRF输入信号，因此，通过调节肌肉活动来补偿鞋子硬度带来的变化。当跑步在稳定速度下，冲击前的50ms范围内的肌肉活动就会作为一种预备机制，通过产生关节或腿的僵硬和／或腿各部分的活动使预期冲击将产生的震动达到最小化［39］。随着跑速的增加，冲击能量也在增加。与节约能源规则相一致，快速时引起的肌肉活动增加使软组织群的硬度增加从而减缓震动频率［11］。这些理论表明，机体尝试通过一种调节肌肉收缩的中枢神经系统将这些震动减小到最小化，为了在下一个跑步步态中使冲击力保持在一个稳定的水平或频率上。这些理论将会被继续研究下去，可能未来的软组织震动研究将会使研究者们去评估个体跑步者们的自身共振频率，来帮助提高运动表现水平，更改跑步类型，调整跑鞋，将损伤最小化。

4关节功能制约因素

除了跑步者的弓形腿外，其他涉及到生物力学机能障碍的髋部区域已经归因于行走和跑步相关联的损伤。已有研究指出，由于髋部肌肉功能减弱而引起的髋部异常动力学会使髋部过度内旋或内收，这会导致或引起常见的跑步损伤，例如髋臼盂唇病［7］、髂胫束摩擦综合征［22］、髌股关节综合症［18］、慢性踝关节扭伤［27］，甚至于腰痛［14］。在这些疾病中，髌股关节疼痛综合症是最常见的，在所有跑步引起的损伤中占大约20％［51］。髋外转和外部大转子功能减弱是与髌股关节综合症、髂胫束综合征和非接触式前十字交叉韧带损伤相关联的［23，33］。在支撑期的前半阶段，髋外展和外部转子的向心功能是分别控制髋关节内收和内旋的［34］。与正常无症状跑步者相比，患有髌股关节疼痛综合症的人其髋部外展肌功能较弱［19］。当跑步者在长时间跑快结束时进入全力跑状态，这种减弱表现更为明显。由于不穿鞋或者穿“裸足”鞋的跑步者在重力承接期运用了一个无跟落地方式，穿鞋跑步者的这些运动和肌肉功能障碍与其相比就更加普遍。足后跟外翻增加也与膝内弯和外侧髌骨力的矢量值增加相关联。大量研究已经证实了在膝内弯和低足弓脚之间存在一种联系［41，38］。尽管已经推测出足内部肌群由于鞋子的过度穿着而出现劳损，足弓支撑或足底筋膜变硬导致内侧纵弓的旋前增加和塌陷［36］，但目前没有证据去支持这一理论。到目前为止，没有研究指出穿鞋与不穿鞋跑步者其足部肌肉力量存在任何差异性。已经指出，在功能性活动如下台阶活动和向下跳到地面时，踝关节背屈受限会引起距下关节内旋增加、膝内翻增加和下肢运动类型改变［2］。研究发现，在女性向下跳到地面时，动态膝内翻增加与髋关节外旋和踝关节背屈受限是有关联的［45，50］。此外，额状面上动态膝内翻增加与需要踝关节和膝关节同时屈曲的活动有关［45］。

5跑步界面硬度因素

跑步过程中，运动员的脚所要接触的界面类型也会影响作用于人体的GRF和肌肉活动。需要注意一个常见的误解，即与损伤相关的冲击力是在坚硬、不符合规定的地面上跑步而导致的结果。穿鞋跑步者通常会调节他们的“腿部刚度”，这样，不管在硬或软的地面上都能得到大小差不多的冲击力［20］。裸足跑步者也会调节他们的腿部刚度，但是，会由于不同的双足着地方式而在稍微不同的形式和强度下发动肌肉。腿部刚度是在地面接触过程中最大力值和最大腿部压缩值之间的比率。在跑步过程中，腿部刚度随着抬高高度的增加而减小。这使得跑步者在不平坦地面上跑步时，不需要集中注意于地面的不规则就可以保持稳定性［28］。

即使坚硬的表面与其他更符合规定的跑步界面相比，存在有潜在的高冲击力；跑步者会下意识的调节他们的下肢刚度为了保持垂直方向的刚度是一致的。跑步者在坚硬界面上通过减少刚度来调节，在符合规定的界面上就增加刚度［24］。跑步者在遇到一个新的界面时会用第一步来快速调节他们的腿部刚度，如从一个软表面到硬表面的转换［25］。垂直方向的刚度是由腿和表面硬度构成的［52］。通过减少腿部刚度，跑步者可以保持一定的刚度去抵消增加的界面硬度［50］。人体调整腿部刚度为了在不同的界面上保持相同的步频、接触时间和峰值地面作用力［50，51］；然而，这些调整可能会使跑步者处于损伤风险之中［52］。对于相对体型脚较小的跑步者，需要做出较大的腿部刚度调整［24］。腿部刚度调整也伴随着运动学和动力学的调整。Tillman等人发现，在不同的跑步界面（沥青、混凝土、草地和人工合成轨道）之中，鞋子的作用力没有显著性差异［52］。这些研究与Dixon等人是相一致的，他们指出3种合成的跑步界面上的冲击力是相似的。这种相似的跑步冲击力是通过动态调整维持的，包括改变膝盖弯曲形式，改变腿部刚度去弥补高硬度跑步界面带来的改变［20］。当在一个符合规定的界面上跑步时，跑步者在触地时将会采用一种腿部更舒展姿势［26］。尽管这些下肢关节角度发生的改变是相对小的（＜7°）；然而，即使是小角度的改变都会影响肌肉力量［52］。在不符合规定的界面上跑步不会使穿鞋跑步者受到增加的冲击力，这是由于有补偿性的生物力学改变；然而，这些关节力矩和肌肉力量（动态力量）尤其是肌肉骨骼系统发生的改变会潜在地导致扭伤和拉伤。冲击力是一种碰撞力，然而，动态力产生于肌肉收缩。跑步者也可以在跑步时通过改变脚着地的生物力学来改变力量。即使在不符合规定的、坚硬的界面上，前足或中足的内侧接触也可以产生相对较低的碰撞力，这样才会产生较小的动态力。与跑步方向平行的小道坡面或者是公路的倾斜面也会改变关节反应力、关节运动范围、肌肉长度－张力需求和肌肉收缩强度的类型。运动科学家们使用GRF数据去测试冲击力和负荷比率，为了研究制动和推进，并且计算肌肉力量［29］。Gottschall和Kram［29］将上坡（＋3°，＋6°，＋9°倾斜）跑和下坡（－3°，－6°，－9°倾斜）跑过程中的GRF进行量化。当与水平面穿鞋跑进行对比时，峰值冲击力数据在下坡跑时明显较大，在上坡跑时明显较小。所有“后触”的受试者进行了3种下坡倾斜面跑、水平面跑和＋3°上坡跑。所有的“中触”受试者进行了＋9°的上坡跑。峰值冲击力和负荷率在－9°的下坡跑时最高，在＋9°的上坡跑时最低。综合来说，随着双脚着地，GRF通过跑步者身体而转化。为了将垂直方向的GRF尽量减小，人体会通过改变肌肉活动和关节角度来改变腿部刚度，来保持在不同的跑步界面上冲击力是相对一样的，从而将损伤降到最小。下肢关节屈曲增加需要更大的肌肉活动和疲劳，并会改变关节作用力，这会潜在的导致损伤。尽管有很多跑步教练鼓励跑步者在各种各样的界面上进行训练，但逐渐的改变跑步界面从而让身体可以适应是更明智的。

6结论

裸足和穿鞋跑之间主要的差异在于，裸足跑时，初始触地是发生在前足或中足而非足后跟上。尽管“裸足”跑鞋与裸足跑具有相似的特质，但是，“裸足”跑鞋在跑步者的脚与跑步界面之间提供了一层很薄的保护面。忽略一些不利的因素，跑鞋在某一些下肢连锁病症和异常环境中扮演了一种保护性角色，同时，能提供一种正确的矫形。对于不同条件下跑步步态的全面而深刻理解，有助于相关跑步损失的防止和恰当治疗。到目前为止，没有任何科学证据可以直接将跑鞋与损伤相联系，相反，也没有证据证明“裸足”（最小化支撑）跑鞋或者裸足跑可以防止损伤或者提高跑步运动水平。研究者会继续评估跑步步态，同时，还会延续损伤的跑步者训练方案。随着对跑步中步态及其损伤生物力学的更为明确的理解，理疗师在康复这些由于跑步导致的肌肉骨骼损伤的病人时，将能够更好地确诊错误并且制定出有科学水平的治疗计划。