跑步运动中触地模式对跟腱生物力学影响的研究进展

谢彦彤，赵一瑾，黄国志，曾 庆，詹晓佳

(南方医科大学珠江医院康复医学科，广州510280)

跑步运动作为一种经济、有效的锻炼方式在世界范围内广泛流行。由于跑步运动的重复性，与跑步相关的运动损伤比较普遍，许多跑者都遭受着伤病的困扰，超过30%的跑者在1年内因跑步运动而受伤，新手跑者的受伤率更高[1-3]。其中大多数损伤被认为是组织的重复负荷与适应能力之间存在不平衡所致的过度使用损伤[4]。跟腱损伤是最常见的跑步相关损伤之一，每年有10.2%的跑者会发生跟腱损伤[5]。跟腱是具有特殊的、机械特性的敏感组织，能够响应和适应肌肉传递的负荷，是连接足跟与足跖屈肌的关键结构，主要承担运动时腓肠肌和比目鱼肌收缩力的传递，是下肢在进行跑步、跳跃动作时有效完成力与能量储存和释放的关键部位[6]。同时，跟腱也是最常见的肌腱超负荷损伤部位，在跑步时，跟腱重复地承受着相当于跑步者体重3～5倍的负荷，最高可传递8倍于体重的压力[7-9]。跟腱损伤可引起疼痛、肿胀等症状，甚至导致运动障碍，影响患者的正常生活[10]。近年来对跑步相关跟腱损伤的研究逐渐增多，相关研究提示，跑步过程中不同的触地模式会对跟腱的生物力学产生不同的影响，这可能与跑步相关的跟腱损伤存在关联[11-13]。不同跑步触地模式中跟腱生物力学的改变可能对其功能表现和损伤倾向具有重要意义，现就跑步运动中不同的跑步触地模式对跟腱生物力学的影响予以综述。

1 跑步运动中触地模式的分类及影响因素

1.1跑步中触地模式的分类 足触地模式是根据足或鞋与地面接触时所采用的部位划分的。跑步运动中的触地模式主要分为3种：后足触地模式，足跟先触地，是最常见的触地模式，在穿传统跑鞋的业余跑者中有高达95%的人采用后足触地的跑步模式[14]；中足触地模式，足跟和脚掌同时接触地面；前足触地模式，前脚掌先于足跟接触地面[15]。另一种更精确的测量足部触地模式的方法是通过测量足部初触地时压力中心的位置进行判断的，触地指数即压力中心位置占足部长度的百分比，当触地指数为0%～33%时为后足触地模式，当触地指数为34%～67%时为中足触地模式，当触地指数为68%～100%时为前足触地模式[16]。由于采用中足触地及前足触地模式的跑者相对较少，因此在部分研究中常将中足触地归为前足触地模式进行研究，此时的前足触地模式即指足部接触地面的位置在踝关节前方[17-19]。

1.2跑步中触地模式的影响因素 在跑步过程中，触地模式受多种因素的影响，主要包括歩频、穿鞋类型、地面坡度、疲劳程度等。Allen等[20]的研究观察了40位习惯后足触地的跑者在跑步机上以不同歩频跑动时的触地情况，结果发现当歩频较初始自然歩频提高>10%时，跑者的触地模式可转变为非后足触地模式。有系统性综述研究表明，相较于穿跑鞋的跑者，裸足跑者更倾向采用前足或中足触地模式[21]。另外，还有研究发现，习惯前足触地的跑者在长时间的跑步过程中会由于疲劳而逐渐向中足触地模式过渡[22]。

2 跟腱的结构、组成与生物力学特性

2.1跟腱的结构、组成 跟腱的结构与组成决定了其功能和性质。跟腱是腓肠肌和比目鱼肌的肌腹下端移行的腱性结构，长度约为15 cm，止于跟骨结节，止点上方2～6 cm处血管分布相对稀疏，易发生腱性结构缺血退变，跟腱的撕裂、断裂等损伤大多发生于此段。跟腱由少量细胞和大量细胞外基质构成，胶原纤维在跟腱内含量丰富，粗细均匀，排列整齐，与肌腱长轴平行，具有高度的抗张能力，是传导应力的主要结构。跟腱的胶原纤维由Ⅰ型、Ⅲ型和Ⅴ型胶原组成，其中Ⅰ型胶原约占跟腱干重的60%，占总胶原量的95%，Ⅲ型和Ⅴ型胶原含量相对较少[23-24]。

2.2跟腱的生物力学特性 跟腱是一种黏弹性结构，具有蠕变(跟腱受到恒定外力时，跟腱的形变随着时间的延长而增大)、应力松弛(将肌腱固定在一定的形变之下，内部达到一定的应力，随着时间的延长，应力逐渐减小)等黏弹性特征。纵向胶原纤维是成熟肌腱组织的主要承重成分。肌腱纤维可承受50～100 N/mm2的应力，在无负荷状态下，肌腱胶原纤维呈轻度波浪状；当负载时，胶原纤维变直，卷曲幅度和频率降低，并变得更整齐；拉伸至总长度的2%时，胶原纤维的波纹消失；当被拉伸至总长度的4%时，胶原纤维不会产生微断裂，而当继续被牵拉超过总长度的4%时，胶原纤维就会滑行过度，使交联断裂，发生纤维微断裂；如果再进一步施加应力，胶原纤维就会撕裂[25-26]。在运动过程中，肌腱可通过改变其组成和力学性能来适应机械负荷，跟腱能承受的最大应力是由跟腱的横截面积决定的，跟腱通过增厚来适应负荷的增加，表现为跟腱横截面积的增大，但这与跟腱疾病的病理性肥厚不同。Hullfis等[27]研究发现，大学生长跑运动员组的跟腱厚度较健康对照组大。

3 跑步运动中各种触地模式对跟腱生物力学的影响

在跑步时，下肢肌肉在触地前会被预激活，而后迅速进入离心收缩，紧接着进入向心收缩。前足触地模式的跑者足与地面接触的时间通常少于后足触地模式的跑者[28]。在后足触地模式中，触地时足通常落在膝盖和臀部的前方，膝盖相对伸展，踝关节相对背屈、轻微外展，跟腱延长；当跑者的脚掌在开始触地后，膝关节屈曲，随着踝外翻，脚掌迅速弯曲，踝关节转变成跖屈，伸膝的肌肉通过做离心运动来克服地面的反作用力。一般而言，采用后足触地模式跑者的步幅较大，重心在垂直方向的位移变化显著，在支撑期前10%～12%会出现地面反作用力的峰值[29]。与之相反，采用前足触地模式的跑者膝关节和踝关节更容易弯曲，通常在第4或第5跖骨处与地面接触，跑者在短时间的冲击中同时做足的外翻和背屈，使踝关节和膝关节有更高的顺应性。前足触地模式使足与地面接触面积减小了25%～63%，垂直反作用力峰值减小了15%～33%；与后足触地模式相比，前足触地模式会在踝关节周围产生更大的跖屈内力矩以对抗背屈外力矩，这使跖屈肌能够更有效地储存和释放能量；同时，踝背跖角度的显著增加也使前足触地模式跑者在支撑相前期跟腱受到的机械应力大于后足触地跑者[30-34]。在后足触地模式中，触地时和支撑相均会出现地面垂直反作用力的峰值，而前足触地模式中仅在触地时出现1个峰值[31]。在中足触地模式中，关节、肌肉的运动在运动学方面的表现一般是中等的[22，35-36]。

Huang等[37]对19位健康跑者进行了12次步态调整试验，进行了包括3种触地模式(后足、中足和前足)，2种步频(自然歩频和自然歩频增加10%)以及2种躯干前倾姿势(自然姿势和自然姿势前倾增加10°)的调整，结果发现前足触地结合步频增加时冲击载荷率最低，后足触地结合躯干前倾模式时冲击载荷率最高。有一项研究采集了40位休闲跑者在4种速度和3种穿鞋模式下跑步时的下肢肌肉肌电图，结果发现，采用前足触地模式的跑者比后足触地模式的跑者初始接触地面前激活踝腓肠肌的时间提前了11%，持续时间延长了10%[38]。较早地激活腓肠肌不仅可以使踝关节屈曲为落地做好准备，还可以提高被动结构(如跟腱)在支撑早期储存弹性能量的能力。腓肠肌的预激活也通过在触地前拉伸跟腱来增加小腿弹性组织的即时存储能力。在触地前如果跟腱处于紧张状态，触地时的力量会使跟腱得到更大的拉伸，从而使弹性得到更大的储存，增加跟腱和腱膜结缔组织中弹性能量的储存[31，39-40]。Lyght等[11]的研究纳入了19位女性跑者，通过测量、计算后足触地和前足触地模式在不同歩频下跑动时跟腱的应力、应变、应变速率等生物力学参数，发现在女性后足触地模式下跑动时，跟腱的应力、应变和应变速率峰值会更低，同时无论足的触地模式如何，当步频高于自然歩频的5%时，跟腱应力和应变峰值均会降低。另外，有一项研究招募了30位习惯后足触地的男性业余跑者，将其随机分为前足触地训练组和极简跑鞋组，其中前足触地训练组穿着极简跑鞋进行12周中等强度的自选速度的前足触地跑步训练，极简跑鞋组则采用自然的后足触地模式训练，研究结束后发现两组跑者跟腱的应力、应变均有增加，而跟腱的横截面积无明显改变；但两组在12 km/h(±5%)速度下跑步时的跟腱应力峰值显著增加，且前足触地训练组这一变化更加显著[12]。然而，另一项针对41位训练有素的男性长跑运动员参与的研究发现，前足、中足和后足触地模式的跑者的跟腱横截面积并无显著的差异[30]。

4 跑步触地模式与跟腱运动损伤的关系

基于目前的研究结果，跑步过程中的触地模式与跑步相关跟腱损伤关系的结论仍存在矛盾。采用前足触地模式的跑者踝关节被屈的角度更小。一项前瞻性研究招募了69位男军官学员进行了为期6周的基本军事训练，并进行人体学特征、等速踝关节肌力、踝关节活动度和跟腱硬度等指标的测量，结果发现踝背屈偏移量可能是跟腱过度使用损伤的重要预测因素[41]。Wei等[42]观测了78位男性跑者的触地模式和足底负荷情况，认为非后足触地模式跑者在跑步时前足承受负荷高，代偿性地使跟腱负荷率增加了15%，同时每一步的冲量增加了11%，这可能与跟腱的代偿性损伤有关。另外一项纳入了35位女性跑者的跟腱横参数的断面研究发现，尽管非后足触地模式下的跟腱负荷较高，但习惯非后足触地跑者的跟腱横截面积并无显著增大，这可能增加了跟腱相关损伤的风险[43]。然而，Warr等[44]针对341位美国男性军人跑步触地模式的研究发现，在采用3种不同跑步触地模式的男性军人中，运动量基本相同的情况下，下肢跑步相关损伤的发生率并无显著差异。另一项纳入了某高校越野跑52位长跑运动员的回顾性研究发现，74%的跑者每年都曾经历中度或重度的跟腱损伤，但跟腱损伤的发生率在习惯前足触地和后足触地的跑者间无显著差异[45]。专业的跑者在日常训练中除了进行跑步训练外，还会进行跟腱离心训练及跟腱重复负重训练以增强跟腱刚度和横截面积，这可能在一定程度上增强了跟腱在触地过程中对负荷的适应能力，从而降低了跟腱损伤的发生率。在不同的触地模式中，跑步中前足触地模式下跟腱受到的机械应力会更多，而后足触地模式可降低跟腱的应力、应变和应变速率，但触地时受到的垂直反作用力更高，而这些生物力学上的不同是否与跟腱损伤有必然联系，目前的研究尚未得出确切的结论。

5 小 结

目前尚无明确的证据表明特定的触地模式与跑步相关的跟腱损伤有关，且研究存在较多局限性：研究多为在室内跑步机上进行的小样本研究，且受试者间的基本资料差异较大；跟腱的生物力学特性受到多种因素影响，现有研究未能消除这些混杂因素影响；触地时足部翻转角度及横向切力等其他维度对跟腱生物力学影响的研究较少；触地模式与跟腱损伤关系的研究多为回顾性研究，跟腱损伤的判定主要为医学诊断，一些症状轻、持续短的跟腱损伤被忽略，以致影响研究结果。在未来的研究中，科研工作者应扩大样本量、完善试验设计、增加观察指标，进一步明确跑步触地模式对跟腱生物力学及跟腱损伤的影响，为跑者选择合适的触地模式提供依据，降低跑步相关跟腱损伤的发生率。