跑姿再訓(xùn)練對(duì)跟腱形態(tài)學(xué)及等長(zhǎng)收縮下跖屈力矩、跟腱力學(xué)特性的影響

鄧力勤，張希妮，肖松林，楊洋，傅維杰

(上海體育學(xué)院 運(yùn)動(dòng)健身科技省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200438)

近年來，隨著“健康中國(guó)2030”的頒布實(shí)施，大眾對(duì)運(yùn)動(dòng)健康的需求與日俱增，其中，參與跑步的健身群體正飛速壯大。據(jù)中國(guó)田徑協(xié)會(huì)發(fā)布的大數(shù)據(jù)分析報(bào)告顯示，2019年中國(guó)馬拉松各項(xiàng)賽事的參與者達(dá)到了 712.56萬人次[1]。跑步有諸多益處，如增強(qiáng)心肺功能、減少心血管疾病發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)等[2]。然而，研究表明 79%以上的長(zhǎng)距離跑者會(huì)經(jīng)歷損傷[3]，而跟腱損傷率為10%，位居所有跑步相關(guān)損傷的第2位[4]。

跟腱作為人體最大的肌腱，一方面，它是足-鞋界面最大的彈性結(jié)構(gòu)，能將小腿三頭肌收縮產(chǎn)生的力量傳遞到足部，在走、跑時(shí)儲(chǔ)存和釋放能量[5]；另一方面，跑步過程中跟腱承受的重復(fù)高負(fù)荷[6]和非同源性載荷、跟腱過勞后沒有充分恢復(fù)[7]、跑者踝關(guān)節(jié)力量和靈活性差[8]都與跟腱損傷息息相關(guān)。最新的研究表明：跟腱對(duì)力學(xué)環(huán)境敏感，負(fù)荷過大和不足都會(huì)對(duì)跟腱產(chǎn)生不利的影響，而“甜點(diǎn)(sweet spot)”范圍內(nèi)的力學(xué)刺激才能促進(jìn)其膠原纖維的合成代謝以避免跟腱退化或損傷[6]。因此，制定針對(duì)跟腱的合理訓(xùn)練方案，將有利于改善跟腱的力學(xué)特性、提高跟腱承受負(fù)荷的能力[9]。

近年來，跑步著地方式以及跑姿再訓(xùn)練(gait retraining，GR)引起生物力學(xué)界的廣泛關(guān)注，如前掌著地跑姿(forefoot strike pattern，F(xiàn)FS)有降低沖擊力和負(fù)載率峰值、提高跑步經(jīng)濟(jì)性等益處[3，10-13]。與此同時(shí)，使用 FFS時(shí)，踝關(guān)節(jié)屈肌激活水平的提高會(huì)增加跟腱的負(fù)荷[14]，這對(duì)跟腱的適應(yīng)性變化以及內(nèi)平衡至關(guān)重要[3]。與此同時(shí)，本團(tuán)隊(duì)前期發(fā)現(xiàn)：12周的跑姿控制訓(xùn)練能顯著改善跑步時(shí)小腿三頭肌的激活并提高跟腱力[7]。據(jù)此，進(jìn)一步推測(cè)：循序漸進(jìn)的跑姿再訓(xùn)練對(duì)跟腱力學(xué)特性能夠產(chǎn)生適應(yīng)性變化。

因此，本研究探究12周跑姿再訓(xùn)練對(duì)跟腱形態(tài)學(xué)特征和等長(zhǎng)收縮時(shí)跖屈力矩及發(fā)力率、跟腱力學(xué)特性的影響，以期為提高跟腱傳遞力、跟腱承載負(fù)荷的能力、預(yù)防跑者跟腱損傷提供建議。研究假設(shè)：12周跑姿再訓(xùn)練后，跑者的跖屈力矩及發(fā)力率、跟腱橫截面積，等長(zhǎng)收縮時(shí)的跟腱力、應(yīng)力、應(yīng)變等均有顯著性提高。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

采用G*power(版本：3.1.9.6)對(duì)樣本量進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析的事前估算，設(shè)定檢驗(yàn)效能為0.8，效應(yīng)量為0.25(ANOVA中等效應(yīng))，顯著性水平為0.05，計(jì)算出最低樣本量為34[15]。本研究共招募42名受試者，均自愿參與實(shí)驗(yàn)。受試者的納入標(biāo)準(zhǔn)為近3個(gè)月無明顯下肢損傷以及神經(jīng)肌肉疾病，習(xí)慣穿著緩沖鞋進(jìn)行后跟跑(rearfoot strike pattern，RFS)，且從未嘗試過穿著極簡(jiǎn)鞋進(jìn)行前掌跑，近3個(gè)月周跑量大于15 km。

共34名受試者完成12周跑姿再訓(xùn)練，其中GR組20人，年齡(31.3±3.5歲)，身高(175.7±2.6)cm，體質(zhì)量(70.9±3.8)kg；對(duì)照(CON)組 14 人，年齡(26.6±5.8)歲，身高(175.6±2.3)cm，體質(zhì)量(72.7±4.3)kg。在前測(cè)中發(fā)現(xiàn)1人為前掌觸地跑，即被排除。8名受試者流失(GR組7名，CON組1名)，流失率為19%。其中1名受試者由于意外導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)扭傷，4名受試者缺席超過1周的訓(xùn)練而被排除，2名受試者由于手機(jī)軟件云記錄與個(gè)人日記不符(訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)、頻率以及跑姿)而被排除。

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

12周跑姿再訓(xùn)練前，所有受試者需到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行前測(cè)。受試者登記基本信息、填寫《知情同意書》。實(shí)驗(yàn)開始之前，要求受試者更換短褲。

1)熱身。要求受試者在跑臺(tái)上以12 km/h的速度進(jìn)行5 min熱身。

2)靜態(tài)跟腱形態(tài)學(xué)測(cè)試。測(cè)試時(shí)要求受試者俯臥于治療臺(tái)上，使其踝關(guān)節(jié)處于中立位(足與小腿夾角90°)[7]。由一名指定測(cè)試人員使用 M7 Super超聲影像儀(Mindray，中國(guó))配合ML6-15-D線陣超聲探頭確定跟骨位置和跟腱起止點(diǎn)以測(cè)量其跟腱長(zhǎng)度，并將探頭置于跟骨上10 cm位置，獲取跟腱橫截面圖像。

3)MVIC時(shí)的跟腱形態(tài)學(xué)和力學(xué)特征的測(cè)試。要求受試者坐于Con-Trex等速肌力測(cè)試儀(Con-Trex Mj，德國(guó))上，臀部和后背緊貼座位，膝關(guān)節(jié)完全伸展，踝關(guān)節(jié)處于中立位，在固定大小腿后，進(jìn)行踝關(guān)節(jié)跖屈最大等長(zhǎng)收縮，采集3次，每次測(cè)試保持5 s[7]。同步采集踝關(guān)節(jié)跖屈力矩以及在體跟腱長(zhǎng)度變化圖像和數(shù)據(jù)。前測(cè)完成后，隨機(jī)將受試者分為GR組和CON組進(jìn)行干預(yù)，訓(xùn)練結(jié)束后重復(fù)上述測(cè)試。

1.3 跑姿再訓(xùn)練方案

GR組受試者穿著INOV-8 BARE-XF 210 極簡(jiǎn)跑鞋(平均質(zhì)量227 g，3 mm 橡膠外底，無中底，前后落差0 mm)進(jìn)行訓(xùn)練，要求受試者采用FFS，但允許后跟的隨后落地，盡量使得足落于髖關(guān)節(jié)下方[7]。通過內(nèi)嵌傳感器的 Podoon壓感智能鞋墊配套手機(jī)軟件監(jiān)測(cè)受試者的著地方式。要求受試者以中等自選速度進(jìn)行跑步，干預(yù)持續(xù)12周，每周訓(xùn)練3次，每次訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)按階梯式增長(zhǎng)，即初始訓(xùn)練時(shí)間為5 min，1~8周訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)每周增長(zhǎng)5 min，8~12周訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)每周增長(zhǎng)2 min。受試者每周總跑步距離與訓(xùn)練前一致，跑姿再訓(xùn)練僅代替一部分訓(xùn)練量，其余時(shí)間按照平時(shí)訓(xùn)練的強(qiáng)度與習(xí)慣跑姿進(jìn)行。上述具體訓(xùn)練方案以及監(jiān)督措施可參考本團(tuán)隊(duì)以往研究[7，10-11]。

CON組受試者穿著自用運(yùn)動(dòng)鞋保持原有的跑姿和相應(yīng)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行跑步。

1.4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

1)踝關(guān)節(jié)最大跖屈力矩。使用Con-Trex等速肌力測(cè)試儀獲取等長(zhǎng)收縮時(shí)的踝關(guān)節(jié)最大跖屈力矩(Mmax)[7]。

2)峰值跖屈發(fā)力率(RTDmax)。其中跖屈發(fā)力率為等速肌力測(cè)試儀獲取并計(jì)算踝關(guān)節(jié)跖屈力矩曲線的斜率，即跖屈力矩的一階導(dǎo)數(shù)[16]，其計(jì)算公式為：RTDmax(ti)=(M(ti+1)-M(ti-1))/((ti+1)-(ti-1))。其中：M為跖屈力矩，ti為跖屈時(shí)的某個(gè)時(shí)刻。

3)跟腱橫截面積。采用超聲影像儀獲取跟腱橫截面(CSA)圖像，并使用Image J軟件(NIH，美國(guó))計(jì)算跟腱橫截面積[17]。

4)跟腱靜息長(zhǎng)度。采用超聲影像儀確定跟腱插入點(diǎn)以及比目魚肌-跟腱結(jié)合點(diǎn)的位置，隨后使用直尺測(cè)量跟腱插入點(diǎn)與比目魚肌-跟腱結(jié)合點(diǎn)之間的距離(即跟腱靜息長(zhǎng)度，LAT)[7]。

5)跟腱長(zhǎng)度變化量(ΔL)。從靜息狀態(tài)到跖屈最大等長(zhǎng)收縮時(shí)肌肉-跟腱結(jié)合點(diǎn)的長(zhǎng)度變化量。

6)跟腱峰力。跟腱力(FAT)=Mmax/TAAT，其中TAAT為跟腱力臂，為Komi等人采用的跟腱力力臂默認(rèn)值0.05 m[17，18]。取最大值為跟腱力峰值。

7)跟腱應(yīng)力(σ)=FAT/CSA[7，19]。

8)跟腱應(yīng)變(ε)=ΔL/LAT[7，19]。

1.5 統(tǒng)計(jì)方法

所有數(shù)據(jù)均采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較前測(cè)時(shí)GR組和CON組的跖屈力矩、峰值跖屈發(fā)力率、跟腱橫截面積、跟腱長(zhǎng)度、長(zhǎng)度變化量、應(yīng)力、應(yīng)變、跟腱力峰值。采用雙因素(組別×訓(xùn)練前后)重復(fù)測(cè)量方差分析(two-way repeated measures ANOVA，SPSS 21.0)分析12周跑姿再訓(xùn)練對(duì)跖屈力矩、跟腱橫截面積、跟腱力、跟腱應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)的影響。對(duì)于存在交互效應(yīng)的參數(shù)，事后檢驗(yàn)采用簡(jiǎn)單效應(yīng)分析。

2 結(jié)果與分析

訓(xùn)練前，GR組和CON組的跖屈力矩、峰值跖屈發(fā)力率、跟腱橫截面積、跟腱長(zhǎng)度、長(zhǎng)度變化量、應(yīng)力、應(yīng)變、跟腱力峰值均無顯著性差異(見表1)。

表1 兩組跖屈力矩、發(fā)力率、跟腱形態(tài)學(xué)、力學(xué)特性前測(cè)數(shù)據(jù)()比較

表1 兩組跖屈力矩、發(fā)力率、跟腱形態(tài)學(xué)、力學(xué)特性前測(cè)數(shù)據(jù)()比較

組別 跖屈力矩/(Nm·kg-1)峰值跖屈發(fā)力率/(Nm·s-1)橫截面積/mm2跟腱長(zhǎng)度/mm跟腱長(zhǎng)度變化量/mm跟腱應(yīng)力/MPa跟腱應(yīng)變/%跟腱力峰值/BW CR 組 1.6±0.5 273.5±79.7 61.9±9.5 77.4±18.1 15.9±6.5 38.6±13.8 21.9±11.6 3.4±1.2 CON 組 1.7±0.4 241.0±82.8 56.8±7.1 76.9±12.5 16.4±4.9 42.2±11.2 21.9±7.7 3.65±0.79 P值 0.540 0.258 0.094 0.940 0.839 0.423 0.998 0.540

12周訓(xùn)練后，等長(zhǎng)收縮時(shí)踝關(guān)節(jié)跖屈力矩及發(fā)力率沒有顯著交互效應(yīng)(見圖1)。踝關(guān)節(jié)跖屈力矩存在時(shí)間的主效應(yīng)(P<0.01)，其中，訓(xùn)練后GR組跖屈力矩增大的比例比CON組高17.1%(見圖1)。

12周訓(xùn)練后，所有跟腱形態(tài)學(xué)參數(shù)(跟腱長(zhǎng)度、等長(zhǎng)收縮時(shí)的長(zhǎng)度變化量和跟腱橫截面積)均沒有顯著交互效應(yīng)(見圖 2)。跟腱橫截面積存在組別主效應(yīng)(P<0.05)：GR組的跟腱橫截面積顯著大于CON組橫截面積(見圖2)，其中，訓(xùn)練后GR組橫截面積增大的比例比CON組高5.3%。

12周訓(xùn)練后，等長(zhǎng)收縮時(shí)的跟腱力學(xué)性質(zhì)參數(shù)(跟腱力、應(yīng)力和應(yīng)變)沒有顯著交互效應(yīng)(見圖 3)。跟腱力峰值存在時(shí)間主效應(yīng)(P<0.05)，其中，訓(xùn)練后GR組跟腱力增大的比例比CON組高17.1%(見圖3)。

圖1 12周跑姿再訓(xùn)練對(duì)踝關(guān)節(jié)跖屈力矩(a)及峰值發(fā)力率(b)的影響

圖2 12周跑姿再訓(xùn)練對(duì)踝關(guān)節(jié)跟腱橫截面積(a)、跟腱長(zhǎng)度(b)及跟腱長(zhǎng)度變化量(c)的影響

圖3 12周跑姿再訓(xùn)練對(duì)跟腱應(yīng)力(a)、應(yīng)變(b)及跟腱力(c)的影響

3 討論

本研究采用循序漸進(jìn)12周跑姿再訓(xùn)練干預(yù)方案，以期增強(qiáng)踝關(guān)節(jié)屈肌力量、跟腱力學(xué)特性，提高跟腱承載負(fù)荷的能力，為提高跟腱傳遞力及預(yù)防跟腱損傷風(fēng)險(xiǎn)提供新視角。與研究假設(shè)一致，12周跑姿再訓(xùn)練后跖屈力矩和跟腱力峰值有顯著性提高，跑者的跖屈發(fā)力率、跟腱橫截面積、等長(zhǎng)收縮時(shí)跟腱應(yīng)力有增加趨勢(shì)(P<0.1)。但跟腱長(zhǎng)度、長(zhǎng)度變化量和等長(zhǎng)收縮時(shí)跟腱應(yīng)變無顯著性變化，這與研究假設(shè)并不一致。

本研究發(fā)現(xiàn)，12周跑姿再訓(xùn)練后，跑者等長(zhǎng)收縮時(shí)的踝關(guān)節(jié)的跖屈力矩以及跟腱力峰值顯著增加，其中GR組跖屈力矩和跟腱力峰值增加了27.5%，而CON組僅增加 10.4%。該發(fā)現(xiàn)支持前人研究結(jié)果：跑姿再訓(xùn)練或裸足跑干預(yù)訓(xùn)練后，跑者的跖屈力矩、跟腱力顯著增高[14，20]。原因可能為：相比 RFS，F(xiàn)FS模式下觸地時(shí)小腿三頭肌需收縮產(chǎn)生更大的跖屈力矩以抵抗地面反作用力產(chǎn)生的背屈力矩[3]。12周跑姿訓(xùn)練后跖屈力矩的增加，表明訓(xùn)練可增加踝關(guān)節(jié)屈肌力量。踝關(guān)節(jié)力量薄弱是跟腱損傷的風(fēng)險(xiǎn)因素之一[8，21]，踝關(guān)節(jié)屈肌力量的增加提示該訓(xùn)練方案能在一定程度上減少由于踝關(guān)節(jié)力量薄弱而引起的跟腱損傷風(fēng)險(xiǎn)。此外，作為評(píng)價(jià)爆發(fā)力的指標(biāo)之一，跖屈發(fā)力率與跑跳項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)(如縱跳高度、跑步時(shí)的最大速度)呈高度正相關(guān)[22]。本研究結(jié)果顯示峰值跖屈發(fā)力率在訓(xùn)練前后有增加的趨勢(shì)(P=0.074)，對(duì)于長(zhǎng)跑跑者來說，12周跑姿再訓(xùn)練的負(fù)荷刺激能增加跖屈發(fā)力率，這有利于提升蹬伸期踝關(guān)節(jié)肌肉的爆發(fā)力從而提升蹬伸效率，而跟腱作為傳遞小腿三頭肌力量的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，蹬伸效率的提高意味著跟腱傳遞力的效率可能更高。同時(shí)，日?；顒?dòng)中跟腱承受的負(fù)荷不足以使跟腱產(chǎn)生適應(yīng)性變化，而在一定范圍內(nèi)的更高負(fù)荷才能對(duì)跟腱力學(xué)特性和內(nèi)穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生積極影響并使跟腱進(jìn)一步適應(yīng)[23]。訓(xùn)練后跟腱力的增加提示，12周跑姿再訓(xùn)練為跟腱提供了更大的負(fù)荷刺激。但值得注意的是，非后足觸地跑步時(shí)跟腱負(fù)荷以及沖量會(huì)代償性地增加，這可能增加了跟腱損傷的風(fēng)險(xiǎn)[24]。在本研究中，盡管訓(xùn)練后的峰值跟腱力有顯著性增加，但沒有受試者因訓(xùn)練受傷。由此，12周跑姿再訓(xùn)練能有效提高跟腱的力學(xué)刺激[3]，且循序漸進(jìn)的訓(xùn)練強(qiáng)度一定程度上可以防止由于訓(xùn)練引起的跟腱損傷。

研究表明，由于跑者承受的負(fù)荷刺激更大，其膠原蛋白轉(zhuǎn)率的增加可以引起跟腱的適應(yīng)性肥大[25]，所以相較于非跑者，跑者的跟腱橫截面積更大[26]。本研究證明，12周跑姿再訓(xùn)練后GR組跟腱橫截面積顯著大于CON組。這說明與保持原有跑姿的CON組相比，F(xiàn)FS增加了GR組的跟腱負(fù)荷刺激，這種重復(fù)的負(fù)荷會(huì)急劇增加膠原蛋白的標(biāo)記物以及肌腱中I型膠原的凈合成，從而使跟腱產(chǎn)生適應(yīng)性肥大[26]。Joseph等[14]的研究表明 12周前掌跑結(jié)合步頻增加的干預(yù)訓(xùn)練后跟腱橫截面積顯著增加，但是本研究結(jié)果顯示跟腱橫截面積的差異僅存在組別主效應(yīng)，訓(xùn)練前后的跟腱橫截面積僅表明有變化的趨勢(shì)，結(jié)果的差異可能是干預(yù)訓(xùn)練強(qiáng)度方案的差異導(dǎo)致的。此外，由于跟腱代謝速度較慢，需要更長(zhǎng)時(shí)間以及更大的負(fù)荷以引起橫截面積的顯著性改變[7]。Arampatzis等[27]對(duì)跟腱進(jìn)行等長(zhǎng)收縮訓(xùn)練的系列研究證實(shí)了這點(diǎn)。

本研究顯示，訓(xùn)練前后等長(zhǎng)收縮時(shí)跟腱應(yīng)力及應(yīng)變沒有顯著性變化?？傮w而言，應(yīng)力同時(shí)受跟腱力和跟腱橫截面積的影響[7]。12周跑姿再訓(xùn)練后，GR組跟腱力峰值增加的同時(shí)跟腱橫截面積也有顯著增加的趨勢(shì)，而應(yīng)力沒有顯著性變化可能與上述兩者在數(shù)值上均增加有關(guān)。這也從另一個(gè)側(cè)面說明：訓(xùn)練后，由于跟腱在受到長(zhǎng)期力學(xué)刺激后產(chǎn)生的適應(yīng)性變化，同等應(yīng)力條件下，其可以承受更大的負(fù)荷，即跟腱承載負(fù)荷的能力有所增強(qiáng)。此外，應(yīng)力和應(yīng)變是跟腱損傷的重要風(fēng)險(xiǎn)因素[28]，過大的應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致跟腱退化以及跟腱膠原纖維的微斷裂[29]。本研究中，跟腱應(yīng)力無顯著性變化這一結(jié)果提示，在循序漸進(jìn)的12周跑姿再訓(xùn)練后，即使跟腱力峰值有顯著性增加，跟腱也不會(huì)由于應(yīng)力過大造成損傷。

值得注意的是，12周跑姿再訓(xùn)練未導(dǎo)致受試者損傷，提示本研究中所采用的訓(xùn)練方案是一種安全的訓(xùn)練方案，循序漸進(jìn)地增加訓(xùn)練負(fù)荷可以避免由于前掌著地跑時(shí)增加的跟腱負(fù)荷而引起的損傷。相比于前人研究的離心訓(xùn)練有耗時(shí)長(zhǎng)以及會(huì)引起踝關(guān)節(jié)疼痛等缺點(diǎn)[30]，短期轉(zhuǎn)變跑姿等訓(xùn)練方案會(huì)引起腘繩肌和小腿三頭肌損傷[31]，采用12周循序漸進(jìn)的跑姿再訓(xùn)練方案可以相對(duì)安全且有效地改善跟腱承受負(fù)荷和傳遞力的能力。這為跑者提供了跟腱的預(yù)先強(qiáng)化、減少跟腱損傷風(fēng)險(xiǎn)的訓(xùn)練方案，具有一定的理論和應(yīng)用價(jià)值。

本研究通過超聲影像聯(lián)合等速肌力測(cè)試儀探討跑姿再訓(xùn)練對(duì)跟腱形態(tài)學(xué)以及等長(zhǎng)收縮下踝關(guān)節(jié)跖屈力矩和跟腱力學(xué)特性的影響。結(jié)果顯示12周跑姿再訓(xùn)練后，兩組跖屈力矩和跟腱力峰值顯著高于訓(xùn)練前，且GR組的跟腱橫截面積顯著大于CON組，其中GR組跖屈力矩、跟腱橫截面積以及跟腱力峰值的增大百分比比CON組的高17.1%、5.3%、17.1%。以上提示12周跑姿再訓(xùn)練方案可以作為一種有效的干預(yù)手段，增強(qiáng)踝關(guān)節(jié)跖屈肌力量、提高跟腱承載負(fù)荷和傳遞力的能力。