极简跑鞋对下肢生物力学的影响及其与损伤关系研究进展

刘雅铭

福建师范大学体育科学学院（福建福州350108）

跑步是大众喜爱且参与度最高的一项体育运动，据国家体育总局发布的《2014年全民健身活动状况调查公报》显示，我国12.4%的20岁以上人群选择跑步作为体育锻炼项目[1]。流行病学研究表明，每年因跑步导致的下肢损伤率达到19.4%～79.3%[2-5]，与跑步有关的损伤主要发生在膝关节，其次是小腿和足[4，6]。

20世纪70年代，现代跑鞋诞生，为双足提供了保护；同时，跑鞋所提供的缓冲减震性能让跑步这项运动变得更加舒适。但与跑步相关的损伤发生率在过去的30年里没有明显下降[4]。2010年，Lieberman 团队通过对比穿着传统跑鞋的跑者和习惯裸足跑者跑步时的着地方式以及其下肢生物力学差异发现，裸足跑时，人们更倾向于采用前足着地，而现代跑鞋缓冲减震的鞋底使着地方式发生改变——从前足着地转变为后足着地。运动学和动力学分析表明，即使在坚硬的地面上，裸足跑步者前足着地产生的碰撞力也小于后足着地。这种差异主要是由于前足着地时足踝的顺应性更强，从而减少了身体与地面碰撞时的有效质量[7]。为减少运动损伤的发生，裸足跑被提倡[8]，极简跑鞋也应运而生。极简跑鞋设计初衷是删繁就简，去除传统跑鞋的缓冲减震等功能，仅提供基本足部保护，尽可能还原自然裸足跑态[9]。

极简跑鞋能否还原裸足跑态？极简跑鞋能否改变着地方式？极简跑鞋相比于传统跑鞋对下肢生物力学有怎样的影响？极简跑鞋能否减少或者预防与跑步相关的损伤？这些问题引起了学者的广泛关注。目前鲜有极简跑鞋对着地方式、下肢生物力学短期和长期影响及极简跑鞋与跑步损伤关系的系统综述。本文通过对国内外有关极简跑鞋对下肢生物力学影响的研究进行系统回顾，一方面探讨即刻穿着极简跑鞋对下肢生物力学的影响；另一方面剖析长期穿着极简跑鞋的生物力学适应机制；同时，归纳总结极简跑鞋对降低下肢损伤率的研究现状，为穿着极简跑鞋降低跑步损伤风险研究提供参考，也为跑鞋设计提供参考思路。

1 文献检索和梳理方法

1.1 文献检索策略

使用文献检索关键词组合为：“running”AND“minimalist” AND “biomechanics” OR “kinetics”OR“kinematics”OR“electromyography”OR“inju⁃ries”，在web of science，google scholar，PubMed 等英文数据库展开系统检索。检索的中文数据库为中国知网、万方数据库和维普期刊等，检索主题词为：“极简”并含“跑步（跑）”或含“生物力学”或含“运动学”或含“动力学”或含“肌电”或含“损伤”，检索截止日期为2021年6月1日。

1.2 文献剔除标准

依据上述检索策略，对中英文数据库进行检索，剔除标题和摘要重复的文献后，剩余文献1079篇。对剩余文献采取下述标准进行剔除：1）综述论文、会议论文和未进行同行评议的论文；2）个案研究；3）关注走、跳跃等运动形式，而与跑步无关的研究；4）关注赤足跑步、仪器设计而不是极简跑鞋的研究；5）评价参数未包含下肢运动学、动力学、着地方式或者损伤的文章；6）有坡度（上坡或者下坡）的地面；7）未具体介绍跑鞋品牌和基本参数或者不符合极简跑鞋定义。依照上述标准，获得中英文文献共计58篇。

1.3 文献纳入标准

对剩余文献采取下述标准进行筛选：1）极简跑鞋；2）慢跑或长跑；3）下肢运动学；4）下肢动力学；5）肌电；6）损伤。最终筛选得到文献40篇，其中极简跑鞋即刻影响18 篇，极简跑鞋长期干预训练相关研究13 篇，与损伤相关文章9篇。

1.4 极简跑鞋定义

极简跑鞋的设计原理是尽可能还原裸足跑步状态，仅提供最低限度的保护功能。相比于传统跑鞋，极简跑鞋降低鞋跟高度，降低鞋跟到鞋前掌的高度差，尽可能减少运动控制和稳定装置，因此对足的自然运动干扰最小，去除了鞋跟高度和运动控制装置的极简跑鞋也比传统跑鞋更轻[10，11]。Esculier等[10]围绕鞋跟高度、鞋跟到鞋前掌的高度差、鞋重量、鞋运动控制和稳定装置、鞋的柔韧性（纵向折叠程度和可扭转程度）5个方面建立极简指数（minimalist index，MI）来评价跑鞋的极简程度。极简跑鞋的重量需低于325 g、鞋跟高度小于32 mm、鞋跟到鞋前掌的高度差小于13 mm。鞋的运动控制和稳定装置越少，鞋的柔韧性越好，则跑鞋的极简程度就越高。

2 极简跑鞋对下肢生物力学的即刻影响

2.1 着地方式

研究表明，穿着传统跑鞋跑者的习惯着地方式主要为后足着地，即刻转变为极简跑鞋虽然能够帮助着地部位向前足转移[12-14]，但不会让跑者从习惯性的后足着地方式直接转变为前足着地，更多的是过渡为足中部着地[15-18]或者仍然保持后足着地方式[19-21]。即刻穿着极简跑鞋对改变着地方式的影响有限。

2.2 动力学

2.2.1 冲击特征

负载率是地面反作用力与时间的比值，反映的是在单位时间内下肢所承受力的大小，高负载率意味着下肢在短时间内承受更大的冲击。因而，关节负载率高常与高损伤风险联系在一起[22-25]，尤其是髌股关节疼痛、足底筋膜炎以及跟腱损伤等[25]。当穿极简跑鞋前足着地时，足底合力峰值以及足内侧、外侧和垂直方向上的瞬时负载率要低于传统跑鞋[26]，而穿极简跑鞋后足着地的负载率显著高于传统跑鞋[27]。极简跑鞋设计的初衷是为了尽可能模拟裸足时前足着地的方式，后足着地方式与传统跑鞋（具有缓冲减震的功能）更加匹配[21]。当穿着极简跑鞋进行后足着地跑时，由于缺乏必要的缓冲结构，冲击在短时间内作用于下肢，会增加着地时的负载率[7，21]，从而增加损伤风险。研究表明：与传统跑鞋相比，极简跑鞋增加前足（内、中、外侧）的压力峰值和最大平均压力[28]；极简跑鞋相对较少的缓冲作用和较小的接触面积是造成足底压力增加的可能原因[29]。而传统跑鞋的缓冲材料能够帮助降低着地和蹬伸时的压力峰值，这也是传统跑鞋让跑步变得舒适的原因之一[30]。

2.2.2 关节力学

膝关节是人体最复杂的关节，主要由髌股关节和胫股关节组成。膝关节是跑步运动中下肢损伤的高发部位[4]。研究显示，穿极简跑鞋能够显著减低髌股关节的峰值力和关节应力[19，20，31]，并且极简程度越高，髌股关节的峰值力越低[31]。Sinclair 等[32]的研究也证实这一观点，与穿着传统跑鞋相比，穿着极简跑鞋跑步时，髌股关节接触力明显更小，压力更低；同时，髌股关节接触力负载率也显著降低。其次，穿着极简跑鞋能够显著降低膝关节的伸肌力矩、膝关节负功以及角冲量和累计冲量[12，19，20，32]。膝关节伸肌力矩的增加可能导致胫股关节和髌股关节更大的压力，这些关节接触压力的增加可能会导致关节软骨退化[33]。极简跑鞋显著改变膝关节跑步时的生物力学特征，更有利于降低膝关节与冲击有关损伤的发生率。

相比于膝关节，众多研究发现，穿着极简跑鞋增加踝关节的跖屈力矩峰值[12，27，32，34，35]、角冲量、累积冲量和踝关节跖屈负功[12，33]。同时，极简跑鞋也显著增加了跑步时下肢跟腱的峰值力、冲量、负载率以及跟腱的应力和应变[32，34，27，28]。高负载率可能增加跟腱断裂的风险。不仅如此，相比于传统跑鞋，极简跑鞋增加了跑步时跖骨所受的应力和应变，这可能增加跖骨应力性骨折的风险[18，28]。

极简跑鞋降低膝关节的接触力和应力峰值，这有可能是以增加下肢踝关节、跟腱以及跖骨的负荷作为代价。虽然，穿着极简跑鞋可能有利于降低膝关节的相关损伤，但踝关节损伤风险也随之增加[12，32，35，36]。

2.3 运动学

研究发现，相比于传统跑鞋，极简跑鞋增加跑步时的步频[14，37-39]，减少了足部触地时间、腾空时间以及跨步时间，同时也缩短了步长[13，29，37，39]。研究表明，极简跑鞋显著增加跑者着地时的踝关节跖屈，相较于传统跑鞋，穿着极简跑鞋的跑者在跑步着地时，足与地面形成的夹角更小，压力中心作用点更靠近前足[13，34，35，37]。

而与踝关节运动学特征相反的是，穿着极简跑鞋时的膝关节在触地过程中的活动范围要小于穿着传统跑鞋时[14，17，27，37]。关节活动范围越大，关节顺应性更强，跑步时关节吸收冲击的能量就越多[40]，机体需要更大的肌肉活动，同时这也会改变关节作用力，更加容易导致肌肉疲劳，从而增加潜在损伤风险[41]。

2.4 肌力与肌电学

肌电图是表征运动中肌肉活跃度的一个重要参数。Hoitz等[42]的研究对比了穿着极简跑鞋和传统跑鞋跑步时的腓骨长肌、比目鱼肌、股外侧肌以及股二头肌的肌电活动差异，发现二者的肌群活跃度并不存在显著差异。相比于赤足跑，穿着极简跑鞋显著降低腓骨长肌、腓肠肌、臀大肌、股外侧肌以及比目鱼肌的活跃性[42-44]，增加胫骨前肌的活跃性[42，44]。由上述研究结果可以看出，即刻转换为极简跑鞋的肌肉活动更加接近传统跑鞋而非赤足。下肢肌肉活跃度与着地方式有关，后足着地时，踝关节背屈增加胫骨前肌活跃度，而前足着地则会增加腓肠肌和比目鱼肌的活性。即刻转变为极简跑鞋对改变着地方式的影响有限，习惯性后足着地跑者在第一次接触或者短时间内接触极简跑鞋，着地方式的变化并不显著，肌肉激活模式并未显著改变。

表1汇总了即刻转变为极简跑鞋对下肢生物力学的影响。研究发现，即刻转变为极简跑鞋并不能直接改变跑者的着地方式，但对于着地方式的过渡有一定帮助。即刻转变为极简跑鞋对部分跑步动力学和运动学特征产生显著性影响：极简跑鞋对降低与膝关节跑步损伤密切相关的参数如膝关节负载率、膝关节冲击峰值和接触压力等有积极效果，但可能增加踝关节、跖骨和跟腱的负载。这提示极简跑鞋的使用有助于降低与膝关节有关的跑步损伤风险，但同时可能增加踝关节、跟腱以及跖骨的损伤风险。

表1 即刻转变为极简跑鞋对下肢生物力学的影响

（续表1）

3 极简跑鞋对下肢生物力学的长期影响

近些年来，不断有研究探讨步态再训练和极简跑鞋结合的干预方式对跑步的影响。步态再训练包括步频、步长再训练以及着地方式调整等。下列研究的步态再训练方式主要指着地方式调整的步态再训练。研究表明，极简跑鞋和步态再训练的联合干预能够显著改变下肢生物力学特征以及着地方式。

3.1 着地方式

研究表明，两周的极简跑鞋干预并不能显著改变着地方式[45]，而4 周以后着地方式开始有明显变化，后足着地逐渐向中足着地和前足着地方式过渡，尤其是结合步态再训练后，着地方式向前足着地转变更加明显[46–52]。

3.2 动力学

3.2.1 冲击特征

研究发现，两周极简跑鞋干预前后的平均垂直负载率、最大垂直地面反作用力、矢状面踝关节峰值时刻、踝关节矢状面正功和负功并无显著差异[45]；着地方式对平均垂直负载率的影响更为显著，穿极简跑鞋后足着地的负载率显著高于非后足着地或传统跑鞋[33，45]。4周以上的极简跑鞋干预对于足底冲击特征（足底峰值力、峰值压力、负载率）影响有如下规律：初次使用极简跑鞋会显著增加足底峰值力、峰值压力和负载率，但随着干预时间增加，这些冲击特征数值又开始下降[46，48-51，53]，尤其在结合步态再训练之后的下降幅度更加显著[51，53]。由于极简跑鞋的缓冲性能降低，缩短了冲击发生的时间[7]，特别是对于刚开始穿着极简跑鞋的跑者，这可能引发由高负载率导致的损伤，比如胫骨和跖骨应力性骨折[54，55]。Goss 等[33]发现习惯性极简跑鞋跑者的垂直负载率要小于习惯性传统跑鞋跑者。长时间干预导致的负载率降低与机体的适应性有关[51]。

3.2.2 关节力学

研究发现，长期穿着极简跑鞋结合步态再训练干预降低膝、踝关节刚度，增加垂直刚度[48，51]，Warne 等[48]发现，穿极简跑鞋显著降低了膝关节刚度，而步态再训练改变了踝关节刚度。12周的极简跑鞋和步态再训练干预显著降低膝关节力矩峰值[51，52]和髌股关节应力峰值[52]；在极简跑鞋干预组中未发现膝关节角度和膝关节伸展力矩峰值的变化[52]。12周极简跑鞋和步态再训练干预使踝关节力矩峰值有所增加，但极简跑鞋组未发现相应变化[51]。已有研究发现高关节刚度与关节应力损伤的相关性[22，25]，这提示极简跑鞋和步态再训练的联合干预有助于降低下肢骨应力损伤。

3.3 运动学

研究表明，极简跑鞋干预两周后受试者的步长和支撑时间没有显著变化[45]，干预4 周，穿着极简跑鞋相较于传统跑鞋步频显著增加[46]。极简跑鞋和步态再训练联合干预6～8周，步长、触地时间显著小于传统跑鞋组，步频和腾空时间显著高于传统跑鞋组[47，53]。

极简跑鞋干预2周后的髋关节屈曲角度和足部着地角度无明显变化，干预后膝关节初始触地阶段的屈曲角度增加[45]。12周的极简跑鞋干预显著增加了髋关节的最大角速度[51]。12周的极简跑鞋和步态再训练的联合干预显著降低踝关节着地角度，而仅有极简跑鞋干预的足部着地角度在12 周前后的变化并不显著[51]。结果表明，仅极简跑鞋干预对着地方式的影响效果有限，极简跑鞋和步态再训练的联合干预效果更佳。

3.4 肌力与肌电学

研究表明，极简跑鞋干预6 周后的胫骨前肌活跃度显著降低，而腓肠肌的活跃度在预激活阶段和支撑阶段显著升高[53]，对照即刻转变极简跑鞋时的肌电活动，下肢肌肉活动已产生适应性变化。长期的极简跑

鞋干预能够显著增加足部拇展肌的横截面积[56，57]以及小趾展肌的横截面积和体积[58]。

表2 极简跑鞋长期干预对下肢生物力学的影响

表2 汇总了极简跑鞋对下肢生物力学的长期影响。研究发现，极简跑鞋结合步态再训练对改变着地方式有显著效果。长期极简跑鞋结合步态再训练干预对跑步的运动学、动力学和肌电特征都产生了显著影响：显著降低膝关节冲击峰值、负载率和接触压力，增加跑步的步频以及足部拇展肌、小趾展肌的横截面积；同时，肌肉激活模式也产生适应性变化。这提示极简跑鞋的转换应循序渐进，配合步态再训练等专项性练习能帮助跑者更好地适应跑鞋并降低适应期损伤风险。目前的研究仍存在受试者数量较少、干预方案不统一以及评价手段缺失等问题，如何安全地从传统跑鞋过渡为极简跑鞋有待进一步深入研究。

（续表2）

4 相关损伤

多项流行病学研究表明，50%～70%的跑步损伤是由过度使用导致的[6]，膝关节是最常受伤的部位[3，4，6，59–62]，而髌股关节疼痛综合征是最为常见的损伤类型[59–61]。穿着极简跑鞋能够降低髋关节、膝关节的损伤发生率[63，64]，尤其是对膝关节损伤或疼痛的缓解，在过渡期间就能体现[65]。不同于穿着传统跑鞋导致的损伤类型，穿着极简跑鞋所报告的损伤类型主要集中在足部和小腿，具体为跖骨骨髓水肿[54]、跖骨应力性骨折[50，55]、胫骨和腓肠肌疼痛[50，66]。已有研究发现，跑步的损伤类型存在性别差异[59–61，67]，女性更容易发生骨应力性损伤，而男性跑者患跟腱损伤的风险更高[60，67]。因此，女性在使用极简跑鞋时更需注意跖骨、胫骨等应力损伤风险，而男性则需关注跟腱相关损伤。

Goss等[63]对904位跑者进行回顾性流行病学调查，发现长期穿着极简跑鞋的跑者损伤率要低于穿着传统跑鞋跑者，穿传统跑鞋的跑者（4年）受伤几率是穿极简跑鞋跑者（2年）的3.41 倍。但从传统跑鞋过渡至极简跑鞋前6～12 周是损伤的高发期[50，55，68]，损伤发生率在38%～86%之间[50，65，69]。研究发现，在过渡期间，每周训练距离、跑者的体重以及跑鞋的极简程度都会对损伤发生率造成影响[66，69]。每周训练距离超过35 km时，患者的下肢疼痛感会加重；对于穿着极简跑鞋的跑步者，当体重增加到71.4 kg 以上时，损伤风险更大[69]。穿着极简程度低的跑鞋的跑者报告的损伤发生率明显更高，而穿着极简程度高的跑鞋的跑者报告胫骨和腓肠肌疼痛更严重[66]。在过渡期间应谨慎选择极简跑鞋的类型、控制跑步的里程数，体重过大的跑者不建议直接使用极简跑鞋，以免增加损伤风险。

目前关于极简跑鞋干预降低跑步相关损伤的流行病学研究相对缺乏，尤其是前瞻性的队列研究。基于目前的研究结果尚不能得出长期穿着极简跑鞋能够降低与跑步有关的损伤发生率的结论。尤其关于极简跑鞋能够帮助缓解或者预防膝关节相关的跑步损伤，而增加踝关节、跖骨以及跟腱的损伤风险这一点还需要流行病学研究结果的验证。

5 总结

单一极简跑鞋干预在改变着地方式时的作用有限，结合步态再训练干预能发挥更好的效果。极简跑鞋的使用有助于降低与膝关节有关的损伤发生率，但同时可能增加踝关节、跖骨和跟腱的损伤风险。极简跑鞋的使用应循序渐进，尤其是新手过渡期间，要注意使用时间和使用频率，同时结合专项性的足部力量以及步态再训练的练习，尽可能降低损伤风险。目前的研究存在着受试者数量较少、干预方案不统一以及评价手段缺失等问题，如何安全地从传统跑鞋过渡为极简跑鞋以及极简跑鞋在减少损伤方面的表现，有待进一步深入研究。