极简鞋对后跟着地跑者足踝生物力学的影响

汤运启，李灵君，张移帆，2，王志康，3，王勇，张翠

（1.陕西科技大学设计与艺术学院，陕西 西安 710021；2.上海逢友信息科技有限公司，上海 200120；3.赢富仪器科技上海有限公司，上海 200090；4.聊城大学体育学院，山东 聊城 252000；5.山东省体育科学研究中心，山东 济南 250014；6.山东体育学院研究生院，山东 济南 250014）

引言

近年来，跑步作为大众健身和竞技体育的热门项目，受到人们的广泛关注。研究者对跑步相关损伤进行了广泛的研究，发现损伤率仍然居高不下，其中足踝是跑步运动损伤中最常见的部位之一，约占下肢损伤的13.07%[1]，由此带来的疼痛、创伤后遗症等会严重影响人们的日常生活。

研究认为，足踝损伤与足部着地模式和跑步时足部受到较大的重复冲击负荷有关[2]。跑步着地时刻足倾角是着地模式代表性指标，足倾角大于8°为后跟着地，小于-1.6°为前掌着地[3]。研究发现，以后跟着地模式跑步，足部会受到较大的冲击载荷，而较大的冲击载荷与胫骨应力性骨折有关[4]，同时后跟着地模式也会造成髌股关节负荷增大，容易引起髌股关节损伤。而跑步时前掌着地，足部受到的冲击载荷会显著降低[5]，但踝关节跖屈力矩显著增大，由此导致跟腱负荷的增加，从而可能增加跟腱损伤的风险[6]。Lieberman等[7]的研究表明，着鞋类型会引起足部着地模式的改变，习惯穿鞋的跑者倾向于以后跟着地模式跑步，而习惯裸足跑者更倾向于以前掌着地模式跑步。

为降低跑步时足部受到的冲击负荷，鞋类制造企业投入大量精力研发了各种具有减震缓冲功能的跑鞋并广泛投放市场[8]，但是一项流行病学调查研究[9]发现，跑步导致的下肢损伤率并没有因为缓冲跑鞋的推行而显著降低。于是，科研人员转变思路，开始探索一种回归原始状态的裸足运动，尝试解决这一问题。但是跑步时地面环境复杂，基于舒适性的考量，一些跑者开始穿着一种鞋底和鞋帮均较为轻薄的极简鞋进行跑步锻炼。但是极简鞋能否完全模拟裸足运动的状态？同时，与具有缓冲功能的普通跑鞋相比，极简鞋能否给足踝提供足够的支撑和保护？这些问题目前学界尚无一致结论。

因此，本研究目的是通过对比习惯性后跟着地跑者穿着极简鞋、裸足和穿普通跑鞋跑步时的跑步姿势及足踝关节生物力学特征，探讨即刻穿着极简鞋对习惯性后跟着地跑者足踝损伤风险的影响，进而为跑者正确选择运动鞋，为企业设计和研发运动鞋提供参考理论依据。本研究假设1，与裸足状态相比，习惯性后跟着地跑者穿着极简鞋跑步时会引起着地姿势及动力学指标的改变。研究假设2，与穿普通跑鞋相比，习惯性后跟着地跑者穿着极简鞋跑步时着地时刻足倾角显著减小，着地时刻踝关节内翻角度，支撑期踝关节最大内翻角度、最大跖/背屈力矩，垂直地面反作用力第一峰值，负载率和跟腱力峰值显著增大。

1 实验部分

1.1 研究对象

采用G*Power（version 3.0.10）进行样本量估算，统计方法选择单因素重复测量方差分析，显著性水平α=0.05，效应量f=0.50（预实验结果），为达到80%的统计功效，计算得到的样本量为9人。为达到更高统计功效，本研究最终随机招募了10名健康男性大学生参与本研究。纳入标准：a）有规律跑步习惯且每周跑步里程≥10 km；b）无穿着极简鞋跑步经验，且慢跑时后跟着地；c）所穿鞋号为42-43码；d）身体状况及运动能力良好；e）身体质量指数（BMI，body mass index）为18～25 kg/m2。排除标准：a）半年内下肢有损伤史者；b）无法顺利完成测试的受试者。所有受试者自愿参加，并签署知情同意书。受试者基本信息见表1。

表1 本研究受试者基本信息Tab.1 Basic information of the subjects in this study

1.2 材料和仪器

1.2.1 实验用鞋

本研究测试鞋（图1）分别为：普通跑鞋（Ultra-Boost 19w，adidas；单只鞋质量：320 g；中底厚度：后跟32.2 mm，前足22.2 mm；弯折刚度：0.138 N·m/deg），具有3D足跟，采用BOOST中底科技，鞋底有轻质防扭转系统。极简鞋（J-Ⅱ）单只鞋质量170 g，鞋底厚度为：后跟18 mm，前足8 mm；弯折刚度：0.036 N·m/deg，帮面材质为弹性飞织材料。

图1 本研究实验用鞋（A）Ultra Boost普通跑鞋；（B）J-Ⅱ极简鞋Fig.1 Two types of running shoes in this study(A)traditional running shoe,(B)minimalist shoe

1.2.2 仪器设备

（1）Vicon三维运动捕捉系统以及相配套的直径为14 mm红外反光标记点，利用数据采集软件Vicon Nexus System（Oxford Metrics Limited,UK）对运动学数据进行实时监控和采集，运动学采样频率为200 Hz。

（2）Kistler三维测力台(9287B，瑞士)，采样频率为1000 Hz，采集动力学数据。测力台与三维运动捕捉系统通过模数转换(A/D Converter)终端盒进行系统的同步。

（3）光电门（Smart speed，Fusion sport），用于控制试验时受试者的跑步速度。

1.3 测试流程

受试者换上指定的紧身衣裤及袜子，告知其测试流程和测试动作。受试者穿着自己的运动鞋对测试场地、实验流程进行熟悉，然后随机选择一种测试鞋，要求受试者以感觉最舒适的松紧程度系好鞋带。在受试者下肢及所穿测试鞋的相应的骨性标志点上贴上39个反光标志点（图2）[10]。

图2 本研究红外反光标记点位置示意图Fig.2 Schematic diagram of the position of retroreflective markers in this study

测试过程中，要求受试者随机选择一种着鞋类型，以规定的速度3.3 m/s±5%跑步通过15 m的步道，确保测试状态自然无调整并且右脚踩在测力台的中心，同时红外三维运动捕捉系统及Kistler三维测力台同步对受试者下肢运动数据进行采集。动作达到如下标准则视为1次有效测试：受试者在测试时右脚踩在测力台中心；受试者的速度在规定的范围内；采集数据测试过程中无反光标记点脱落。每次测试动作间歇30 s，每种穿鞋条件需完成3次有效数据采集。

1.4 数据处理

本研究使用Visual3d（V5.0，C-motion公司，英国）进行数据处理，采用Butter-worth四阶低通滤波器对采集的运动学和动力学数据进行滤波处理，截止频率分别设为10 Hz和100 Hz[11]。设定连续8帧的垂直地面反作用力值大于10 N的时刻作为足部初始着地时刻（ON），以垂直地面反作用力下降时连续8帧小于10 N的时刻作为足部离地时刻（OFF）。支撑期定义为ON时刻到OFF时刻之间的时间。

根据逆向动力学计算踝关节力矩，并将关节力矩进行体重标准化处理，单位为N·m/kg。选取足倾角、着地时刻踝关节三维关节角度、支撑期踝关节内外翻活动度、踝关节最大跖/背屈力矩（MaxM-/MaxM+）、垂直地面反作用力第一峰值、到达垂直地面反作用力第一峰值的时间（Impact time）、峰值负载率、平均负载率和跟腱力峰值等指标。计算方法如下：

①足倾角（Foot strike angle），着地时刻和支撑中期足部与地面夹角的差值[12]，单位：°，其中A为跟骨标记点，B为第二跖骨上缘点，如图3所示。

图3 足倾角示意图Fig.3 Foot strike angle

②关节角度采用Cardan测序法(X-Y-Z)计算，计算每个受试者右侧踝关节在整个支撑期内额状面、矢状面和水平面的关节角度。选取着地时刻的三维关节角度、支撑期踝关节最大内/外翻角度、内外翻活动度（最大内翻角与最大外翻角的差值），单位：°。

③垂直地面反作用力第一峰值（First peak of vertical ground reaction force，PGRFZ1），选取支撑期垂直地面反作用力曲线的第一个峰值[7]（图4），为消除受试者体重对结果的影响，对该指标进行体重标准化处理，单位：倍体重（Body weight，BW）。

图4 垂直地面反作用力曲线Fig.4 Vertical ground reaction force curve

④平均负载率（Vertical average loading rate，VALR），其计算公式为：VALR=(0.8F-0.2F)/Δt，其中F为PGRFZ1，Δt为20%F所对应时刻到80%F所对应时刻之间的时间差[13]（图3）。单位：BW/S。

⑤峰值负载率（Impact peak loading rate，IPLR）定义为ON时刻到PGRFZ1时刻之间的最大瞬时负载率。单位：BW/S。

⑥跟腱力峰值（Maximum Achilles tendon force，ATFmax），ATFmax=Mankle/ATMA，其中，Mankle为支撑期踝关节跖屈力矩，逆向动力学计算获得；ATMA为跟腱力臂（单位：m），回归方程估算获得[14]：ATMA=-0.00591＋0.04754θ-0.00855θ2。其中θ为矢状面踝关节角度（单位：rad），为消除体重对结果影响，本研究使用体重对跟腱力峰值进行归一化处理，单位：BW。

1.5 统计分析

采用单因素重复测量方差分析对各个运动学和动力学指标进行统计分析，统计显著性水平设置为0.05。若方差分析具有显著性，则采用Turkey法进行post-hoc事后检验。数据均以平均值±标准差（x±s）表示，本研究的统计学全部采用统计软件SPSS 21.0（IBMS，NY，USA）进行处理。

2 结果

2.1 运动学指标

与裸足状态相比，穿着极简鞋跑步着地时刻足倾角、踝关节三维关节角度（跖屈/背屈、内翻/外翻、内旋/外旋）、支撑期踝关节最大内/外翻角度和内外翻活动度均无显著性差异（P＞0.05）（表2）。

与穿普通跑鞋相比，穿着极简鞋跑步时着地时刻踝关节内翻角度（P=0.018）和支撑期踝关节最大内翻角度（P=0.011）均显著增大，着地时刻足倾角显著减小（P=0.027），其余指标均无显著性差异（P＞0.05）（表2）。

表2 不同着鞋类型下踝关节运动学指标Tab.2 Kinematic variables in the ankle joint in different shoe conditions

2.2 动力学指标

与裸足状态相比，穿着极简鞋跑步时的平均负载率（P=0.018）和峰值负载率（P=0.030）均显著减小，踝关节最大跖屈/背屈力矩、垂直地面反作用力第一峰值以及到达垂直地面反作用力第一峰值的时间和跟腱力峰值均无显著性差异（P＞0.05）（表3）。

与穿普通跑鞋相比，穿着极简鞋跑步时踝关节最大跖屈力矩（P=0.011）、平均负载率（P=0.001）、峰值负载率（P=0.005）和跟腱力峰值（P=0.049）显著增大，到达垂直地面反作用力第一峰值的时间显著减小（P=0.045），踝关节最大背屈力矩和垂直地面反作用力第一峰值无显著差异（P＞0.05）（表3）。

表3 不同着鞋类型下踝关节动力学指标Tab.3 Kinetic variables in the ankle joint in different shoe conditions

3 讨论

本研究的目的是通过分析无穿着极简鞋经验的习惯性后跟着地跑者以裸足、穿着极简鞋和穿普通跑鞋三种着鞋类型跑步时踝关节生物力学特征的差异，探讨跑鞋类型对足踝关节损伤风险的影响。本研究发现着鞋类型会显著影响踝关节的运动学和动力学参数，下面将分别探讨穿着极简鞋与裸足状态和穿普通跑鞋跑步之间的差异。

本研究部分支持研究假设1。运动学方面，本研究发现，与裸足跑步相比，后跟着地跑者穿着极简鞋跑步时，踝关节着地时刻足倾角及其他运动学指标均无显著差异。本研究结果表明，跑者即刻穿着极简鞋跑步时与裸足跑的足部着地模式基本一致，该结果与Robert Paquette等[15]研究结果一致。这可能是因为许多跑者在不同的着鞋类型下跑步时会保持其固有的运动模式，而跑者调整其固有运动路径程度取决于鞋底的物理力学性能改变幅度[16]。本研究中选择的极简鞋轻薄柔软，更能够模拟裸足运动，所以跑者跑步时的足部着地模式与裸足跑相比无明显改变。

动力学方面，本研究发现，与裸足跑步相比，跑者穿着极简鞋跑步时踝关节最大跖屈/背力矩、最大外翻力矩，跟腱力峰值和垂直地面反作用力第一峰值等指标均无显著差异，但平均负载率和峰值负载率显著减小，该结果与Chambon.N等[17]研究结果一致，这可能与极简鞋极薄的鞋底提供了微弱的缓冲有关[18]。因此，与裸足跑步相比，无穿着极简鞋经验的习惯性后跟着地跑者即刻穿着极简鞋跑步时，可以在不显著改变裸足跑踝关节着地模式的情况下，对足部提供一定的支撑和保护。

本研究部分支持研究假设2。运动学方面，本研究发现，与穿普通跑鞋相比，后跟着地跑者即刻穿着极简鞋跑步时着地时刻足倾角显著减小，这与Squadrone等[5]研究结果一致。研究表明，足倾角是评价足部触地模式的常用指标。本研究结果显示跑者不论穿着何种跑鞋着地时刻足倾角均大于8°，表明无极简鞋穿着经验的跑者即刻穿着极简鞋跑步时仍采用后跟着地模式，但着地时足倾角更小，倾向于由后足着地向前足触地模式的转变，这可能与较薄的极简鞋鞋底无法为跑者提供足够的缓冲有关。研究表明，前掌着地模式下冲击负荷小，为了减小来自地面的冲击负荷，穿着极简鞋跑步时倾向于向前足触地模式转变，Lieberman等[7]认为这是人体的一种自我调节机制。但与穿着普通运动鞋相比，穿着极简鞋跑步时即使足倾角显著减小，冲击峰值负载率和平均负载率仍显著增大，这可能由于极简鞋较薄的鞋底无法为足部提供足够的缓冲引起的。基于此，无穿着极简鞋经验的习惯性后跟着地跑者不经过练习，直接穿着极简鞋进行长时间、高强度跑步，可能增加足跟损伤的风险。

本研究发现，相比于穿普通跑鞋，跑者穿着极简鞋跑步时着地时刻踝关节内翻角度和支撑期踝关节最大内翻角度更大，这与一项前瞻性研究结果一致[3]。这可能与普通跑鞋鞋帮硬质的支撑设计会限制跑步过程中足部的内/外翻运动有关[19]，而极简鞋的鞋帮是一体化针织材料，柔软轻薄，对踝关节支撑不足，会增加踝关节运动幅度。研究表明着地时刻较大的踝关节内翻角度容易引起踝关节扭伤[20]，所以，与穿普通跑鞋相比，无穿着极简鞋经验的跑者即刻穿着极简鞋跑步的着地时刻踝关节扭伤的风险增加。

动力学方面，本研究发现，与穿普通跑鞋相比，无穿着极简鞋经验的习惯性后跟着地跑者穿着极简鞋跑步时平均负载率和峰值负载率分别增大了44%和45%，这一结果与Willy等[21]研究结果一致。跑者在未改变垂直地面反作用力第一峰值的情况下，缩短了到达垂直地面反作用力第一峰值的时间（见表3），因此导致了平均负载率和峰值负载率的增大。这可能与跑者因极简鞋足底缓冲性能不足，企图快速渡过此高冲击阶段有关。前人研究表明，跑步时人体下肢受到的高负载率与胫骨应力性骨折损伤风险有关[4]，因此，无穿着极简鞋经验的习惯性后跟着地跑者不经过练习直接穿着极简鞋进行长时间、高强度跑步，可能会增大胫骨应力性骨折等过用性损伤的发生风险。

另外，研究表明跟腱载荷过大与跟腱损伤有关[6]。本研究发现，与穿普通跑鞋相比，无穿着极简鞋经验的习惯性后跟着地跑者穿着极简鞋跑步时跟腱力峰值显著增大，该结果与Hannah Rice等[6]的研究结果一致。研究发现跑者在长跑中，每公里承受600次来自地面的反复高冲击[22]，带来的则是踝关节600次的反复屈伸，而踝关节跖屈力矩的增加会导致跑步支撑后期跟腱力峰值增加[23]，跟腱在高负荷状态下重复拉伸将增大损伤风险[24]。因此，穿着习惯性后跟着地跑者穿着极简鞋跑步则可能增加跟腱损伤的风险。

本研究也存在一定的局限，仅对不同着鞋类型下无穿着极简鞋经验的习惯性后跟着地跑者跑步时踝关节运动学及动力学的影响进行探究，未对膝关节的生物力学进行分析，也未对下肢肌电参数进行分析，不同着鞋类型是否引起肌肉激活的时间、激活强度的改变，以及这些变化对习惯性后跟着地人群的运动表现和可能运动损伤会产生哪些影响，这些问题仍值得深入探讨。今后的研究应结合下肢肌肉活动变化更加全面地探究极简鞋对人体下肢生物力学的影响。

4 结论

研究表明，与普通跑鞋相比，无穿着极简鞋经验的习惯性后跟着地跑者即刻穿着极简鞋，显著改变了其跑步时踝关节的运动学和动力学参数，可能会增加足跟、胫骨和跟腱过用性损伤及踝关节扭伤的风险。因此，从保护踝关节角度出发，建议后跟着地跑者优先选择普通跑鞋，在更换极简鞋跑步前应先进行适应性训练，以降低跑步时踝关节损伤的发生风险。