步频和步长的改变对下肢生物力学的影响研究进展

上海体育学院，运动健身科技省部共建教育部重点实验室（上海200438）

跑步已成为我国目前参与度最高的运动项目之一。数据显示我国2013～2018年举办的马拉松赛事由39场增至1287场，参赛人次由75万增至536 万[1]。然而，与全民跑步热潮空前高涨相对应的，却是跑步损伤发生率的居高不下。最新研究表明，跑步受伤风险比其它类型的有氧运动如游泳和自行车等都要高[2]。每年有27%～70%的跑者经受诸如膝关节炎等跑步损伤；63%的跑者在其跑步生涯中有过下肢损伤史；23%的跑者遭受了持续时间超过6个月的损伤（如髌股关节疼痛等）[3]。

跑步损伤多为过劳性损伤（overuse injuries），其原因大致可归为三类：训练、解剖结构和生物力学因素。在生物力学因素中，冲击力和负载率与过劳性损伤有着密切关系。已有研究发现，相比于健康跑者，有应力骨折史的跑者具有更大的垂直负载率[4]；此外，诸如足底筋膜炎[5]、髌股关节疼痛[6]以及慢性疲劳性筋膜室综合征[7]中也有冲击负荷过大的现象。冲击力主要受速度[8]、跑鞋/表面[9]、坡度[10]、跑姿[11]、步长[12]、步频[13]等的影响。步频和步长是跑步中两个重要的参数，步频指单位时间内的步数，一般用步/分钟来表示；而步长指同一只脚两次连续触地之间的距离，一般用米表示[14]。近些年来，随着“裸足”运动的兴起[15，16]和极简跑鞋的流行[11]，针对通过改变步频、步长进行跑姿训练（gait retraining）的研究日渐增多，结果发现在恒定速度下增加步频或减少步长可以降低冲击力[13]，并对下肢运动学[17]、动力学[18]以及肌肉活化[19]等产生显著作用。

由此可见，步频/步长调整可引起相关力学参数的变化，进而对跑步损伤风险产生影响。但目前鲜有针对步频/步长对下肢生物力学影响及其与跑步损伤关系的全面综述。本研究通过对国内外有关步频/步长对下肢生物力学影响的研究进行系统回顾，一方面探讨步频和步长的即刻改变对下肢跑步运动学、动力学以及肌电等的影响，另一方面，剖析长时间步频和步长干预训练的生物力学适应机制，归纳跑姿训练（步频/步长训练）在当前国内外生物力学领域的研究现状，以期为降低跑步受伤风险以及损伤康复提供参考。

1 文献检索和梳理方法

1.1 文献检索策略

本研究检索的英文数据库为PubMed、Web of Science和EBSCO 等，时间为1985年1月1日～2018年12月31日，检索的英文关键词为“running”AND“step rate” OR “step frequency” OR “stride rate” OR“stride frequency”OR“cadence”OR“step length”OR“stride length”；检索的中文数据库为中国知网、万方数据库和维普期刊等，时间为1985年1月1日～2018年12月31日，检索的中文关键词为“跑（跑步）”并含“步频”或含“步长”或含“步幅”。检索设定为题目、摘要及关键词。

1.2 文献剔除标准

依据上述关键词，对中英文数据库进行检索，剔除重复文献后共获得英文文献3579篇，获得中文文献1008篇。对所得的文献按照以下标准进行剔除：1）综述、评论以及会议文章；2）个案研究文章；3）研究走、原地跑或短跑的文章；4）研究方法中未包含步频或者步长改变的文章；4）评价参数未纳入下肢运动学或动力学的文章。依照上述标准剔除相关文献后共获得中、英文文献51篇。

1.3 文献最终纳入标准

按照以下标准对上述文献进行最终筛选：1）慢跑或长跑；2）步频或步长改变；3）下肢髋、膝、踝关节；4）运动学；5）动力学；6）肌电。经过最终筛选确认和系统整理得到英文文献39篇，其中步频/步长即刻改变相关研究33篇，步频/步长长期干预训练相关研究6篇。

2 步频/步长改变对下肢生物力学的即刻影响（Acute effects）

研究发现，在恒定速度下即刻改变步频和步长可以引起跑步相关运动学、动力学和肌电的变化（见表1）。恒定速度下，步频和步长呈负相关关系，即步频增加则步长减少，反之亦然。所以，即刻增加步频和缩短步长能观察到类似的结果。下文中涉及步频/步长的改变均是在恒定速度下进行的研究。

2.1 冲击特征

研究表明，即刻改变步频和步长会导致跑步动力学相关参数的变化。冲击力是影响跑步损伤最重要的因素之一，在后跟着地的跑步姿势中，常用冲击峰值来表征冲击力的大小，其值随步频的增加而降低[13]，随步长的增加而增加[20]。但在足中着地和前掌着地的跑步姿势中，往往观察不到冲击峰值，所以现阶段，除了冲击峰值，垂直负载率也作为评价跑步冲击的重要参数之一。类似地，负载率的大小也随步频的增加而降低[13]。另外，前后方向的地面反作用力也受步频和步长的影响，制动力峰值随步长增加而增加[18]，同样地，Lieberman 等[21]发现制动力随着步频的增加而降低，另一研究还发现制动冲量随步频增加而降低[22]。制动力的降低意味着跑步中受到的阻力减少，人体克服阻力做功也相应减少，这对提高跑步经济性有积极作用。

加速度是表征力变化的一个参数，其值大小受步频和步长的影响。Clarke等[23]发现步频增加5%和10%后，小腿加速度峰值显著降低；另一研究在步频增加10%和20%后也观察到了相同的结果[24]。冲击力衰减是跑步中身体与地面接触，吸收冲击能量并降低冲击波振幅的一个过程[25]。冲击力衰减随步长的降低而降低[26，27]，而下肢髋关节和膝关节吸收的能量随步频的增加而降低[22]。加速度、冲击力衰减和关节能量吸收均随步频的增加或步长的减少而降低，三者都与跑步过程中的冲击特征有着直接或间接的联系，这也从侧面说明了步频增加或步长缩短可以减小跑步冲击。

2.2 运动学

有研究发现触地时间以及跑步过程中下肢各关节角度受步频和步长的影响。触地时间指一个跑步周期中支撑期的时间，是跑步弹簧-质量模型中的一个重要参数[28]，并与下肢刚度有着密切联系。研究发现触地时间随着步频的增加显著性缩短[29]，这对提高跑步效率有积极作用。胫骨应力骨折是常见的跑步损伤之一，有研究发现有胫骨应力骨折史的跑者具有更大的峰值髋内收角[30]；现阶段研究表明髋内收角随步频的增加而显著性减小[22，31]，同时也随步长的缩短而显著性减小[32][20]，这提示增加步频可能在一定程度上降低胫骨应力骨折风险。另外，Edwards 等[33]通过模型计算直接观察到，步长减少10%可以降低3%～6%应力骨折风险，这也间接证明了提高步频可以降低应力骨折风险。此外，步频增加10%，触地时屈髋角度显著性减小，支撑期峰值屈髋、屈膝、膝外展以及足背屈角度也显著性减小[34-36]。而步长减小10%，骨盆前倾角度显著性减小，峰值伸髋角度显著性增加[17]。其中由步频和步长改变引起的足背屈角的变化有可能使跑者的着地方式发生转变。Allen 等[37]观察了40名后跟着地跑者在步频增加5%、10%以及15%后的着地姿势，发现有17.5%的跑者在步频增加10%后转变为非后跟着地姿势，步频增加15%后有30%的跑者转变为非后跟着地姿势。

2.3 关节力学

膝关节由髌股关节和胫股关节组成，是人体最复杂的关节之一，也是跑步损伤频发的部位，步频和步长改变能显著影响膝关节力学特征。总体上，膝关节峰值力矩随步频的增加或步长的缩短而降低[18]。一些学者通过模型计算发现，步频增加10%后，髌股关节峰值接触力和接触压力显著性降低[35，38]。另一研究发现步频增加7.5%后，胫股关节峰值接触压力显著性降低[39]。同样地，步长缩短10%后，髌股关节峰值力和压力以及每公里髌股关节力和压力均显著性降低[12，40]，胫股关节上也观察到了类似的结果[41]。另外，Bowersock等[42]以前交叉韧带重建术后患者为研究对象，发现在步长缩短后，其髌股关节和胫股关节峰值接触力、冲量以及每公里冲量都显著性降低。上述研究发现，步频增加或者步长缩短可以显著性降低膝关节力和压力，这可为膝关节损伤的预防和康复提供参考。

足是跑步中人体唯一与地面直接作用的部位，该区域的压力大小及其分布特点对多种损伤尤其是足底筋膜炎有重要影响。步频增加后，足底力和压力总体呈下降趋势，但各研究由于选择的步频调整范围不同，观察到了足底不同部位力和压力的变化。其中Wellenkotter等[43]观察到了跖骨区域峰值力和压力的降低，而Gerrard 等[44]则发现了足后部和足中部峰值力以及足后部峰值压力的降低。步长调整后也有类似的发现，Firminger 等[45]通过有限元模拟发现，步长缩短10%，第四跖骨应变显著性降低4.2%。跟腱是人体得以自由跑跳的一个重要部位，自然步频的改变也会影响跟腱的应力和应变，Lyght 等[46]计算发现，步频增加5%，跟腱的峰值应力和应变显著性降低。同样，髋关节也受步频和步长的影响，其峰值内收力矩和内旋力矩随步频的增加而显著性降低[22]。

步频和步长改变后，肌骨系统弹簧-质量模型中的力学参数即下肢刚度会发生改变。触地时间是决定下肢刚度的一个重要因素，降低触地时间可以显著性增大下肢刚度[29]。Morin 等[29]发现步频增加后，触地时间显著性缩短，计算得出的下肢刚度显著性增加。另外，同样有学者发现下肢刚度随步频增加而增加[47，48]。

2.4 肌力与肌电学

研究表明，跑步相关肌肉力量可以通过下肢肌骨模型计算得出，Lenhart等[35，49]计算发现步频增加10%，摆动阶段屈髋肌群、腘绳肌以及伸髋肌群的峰值力显著性增加，而支撑初期臀部肌肉以及梨状肌峰值力和做功显著性降低。这些结果可为临床工作人员针对跑步损伤开具运动处方或制订干预训练计划提供参考。

肌电图是表征运动中肌肉活跃度的一个重要参数，步频改变后，各肌肉的激活程度同样会产生适应性变化。Masumoto 等[50]发现步频增加10%后，股直肌和股二头肌活跃度增强，步频降低10%后股直肌和胫骨前肌活跃度增强。另外，Chumanov 等[19]发现步频增加10%后，摆动末期股直肌、臀大肌、臀中肌以及腓肠肌内侧头活跃度增强，而臀大肌和臀中肌活跃度增强，提示可以将增加步频作为一种治疗膝前痛的干预训练方法。

上述研究中，步频或步长都是在自选步频/步长的基础上进行调整，调整的范围在±5%～±30%之间。这些研究表明步频或步长的改变对跑步运动学、动力学以及肌电学都产生了显著性影响，尤其是与跑步损伤密切相关的参数如冲击峰值、负载率、膝关节接触压力以及髋内收角等，都随着步频的增加或步长的减小而显著性降低。这提示步频的增加或步长的减小可以降低跑步相关损伤的风险，也为将增加步频或减小步长作为一种治疗跑步相关损伤的训练手段提供了理论依据。

表1 步频/步长即刻改变对下肢生物力学的影响

（续表1）

3 步频/步长改变对下肢生物力学的长期效果（Long-term effects）

近些年来，随着极简跑鞋的发展，步态再训练逐渐增多。研究发现，将改变步频和步长作为一种干预训练方式进行再训练后，可以观察到运动学和动力学相关参数的显著性变化（见表2）。

3.1 运动学

研究显示，步频和步长再训练会对运动学产生一定影响。Hafer 等[51]发现经过6 周步频再训练（步频增加10%）后触地时踝背屈角以及峰值髋内收角显著性减小。类似地，另一研究也发现峰值髋内收角在8次步频再训练（步频增加7.5%）后也显著性减小[52]。此外，也有研究以受伤跑者为研究对象，Neal 等[53]对患有髌股关节疼痛症的跑者进行为期6 周的步频再训练（步频增加7.5%），结果显示训练后峰值屈膝角、峰值髋内收角以及峰值髋内旋角显著性减小。其中训练后峰值髋内收角的减小提示此训练方式可以降低跑者患胫骨应力骨折的风险[30]。

3.2 动力学

与即刻改变步频和步长结果类似，步频和步长再训练后也会引起冲击特征和关节力学等的变化。Willy等[52]将30名高冲击力跑者（瞬时负载率≥85倍体重/秒）随机分为训练组和对照组，训练组进行8次步频再训练（步频增加7.5%），结果发现训练组在训练后以及训练后一个月的瞬时和平均负载率显著性降低。同样地，Hafer[51]等选取了6名后跟着地的低步频（150～170步/分钟）跑者，对其进行为期6周的步频再训练（步频+10%），发现训练后跑者步频增加了2.4%，并且负载率显著性降低。上述两项研究均发现步频再训练后负载率显著性降低，这说明步频再训练能显著性改善跑步的冲击特征。另外有研究将改变跑步姿势和增加步频结合，作为一种新的再训练方法。Warne[54]等对两组跑者同时进行6 周的前掌跑加增加步频的训练，一组穿着极简鞋，另一组穿着普通跑鞋，结果发现两组跑者的冲击峰值均显著性减小。类似地，该学者以相同的方式对两组跑者进行4 周训练，发现训练后两组跑者的最大足底压力均显著性降低[55]。有研究发现足底压力随步频的增加显著性降低[44]，所以在Warne的研究中究竟是前掌跑还是增加步频对足底压力降低贡献更大还需要进一步探讨。另外，Willy 等[56]还发现跑者增加10%步频进行8次训练后，胫股关节总的以及内侧的峰值接触力分别降低了7.6%和8.2%，另外胫股关节总的以及内侧的峰值接触力冲量都降低了10.6%。

上述研究主要发现增加步频干预训练后，跑步冲击特征得到改善，部分关节力学参数值显著性降低，另外一些关节角度参数如髋内收角等也显著性降低，这说明步频和步长再训练能起到降低跑步损伤风险的作用。但是目前，有关步频和步长再训练的研究总体较少，而且主要都是通过播放一定频率的音频来改变步频，没有将直接改变步长作为干预方式的研究；此外，几乎所有研究都未涉及肌电的评价，后续有待更多研究就此进行深入探讨。

表2 步频和步长再训练对下肢生物力学的影响

4 总结

步频和步长作为跑步中最重要的两个参数，在恒定速度下两者呈负相关关系，改变其中任何一个，就能引起跑步中下肢生物力学参数的变化。短时间改变步频和步长以及步频和步长的长期干预训练后能得到类似变化结果，即增加步频或缩短步长后，与跑步损伤相关的参数如地面反作用力峰值、负载率、膝关节接触力、足底压力以及髋内收角等显著降低，提示增加步频或者缩短步长能降低跑步相关损伤风险，可以为应力骨折、髌股关节疼痛以及足底筋膜炎等跑步损伤的预防与康复提供参考。现阶段的研究中能显著引起下肢生物力学改变的步频最小变化量为5%～10%。目前步频/步长干预训练的研究存在着受试者数量较少、干预训练时间较短及评价参数欠缺等不足，如何使步频/步长在一个较优范围、如何评价步频/步长改变的累积效应以及如何更合理地安排步频/步长干预训练从而进一步避免可能的跑步损伤，均有待进一步深入研究。