跑姿再訓練對跟腱形態學及等長收縮下跖屈力矩、跟腱力學特性的影響

鄧力勤，張希妮，肖松林，楊洋，傅維杰

(上海體育學院 運動健身科技省部共建教育部重點實驗室，上海 200438)

近年來，隨著“健康中國2030”的頒布實施，大眾對運動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。據中國田徑協會發布的大數據分析報告顯示，2019年中國馬拉松各項賽事的參與者達到了 712.56萬人次[1]。跑步有諸多益處，如增強心肺功能、減少心血管疾病發生的風險等[2]。然而，研究表明 79%以上的長距離跑者會經歷損傷[3]，而跟腱損傷率為10%，位居所有跑步相關損傷的第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構，能將小腿三頭肌收縮產生的力量傳遞到足部，在走、跑時儲存和釋放能量[5]；另一方面，跑步過程中跟腱承受的重復高負荷[6]和非同源性載荷、跟腱過勞后沒有充分恢復[7]、跑者踝關節力量和靈活性差[8]都與跟腱損傷息息相關。最新的研究表明：跟腱對力學環境敏感，負荷過大和不足都會對跟腱產生不利的影響，而“甜點(sweet spot)”范圍內的力學刺激才能促進其膠原纖維的合成代謝以避免跟腱退化或損傷[6]。因此，制定針對跟腱的合理訓練方案，將有利于改善跟腱的力學特性、提高跟腱承受負荷的能力[9]。

近年來，跑步著地方式以及跑姿再訓練(gait retraining，GR)引起生物力學界的廣泛關注，如前掌著地跑姿(forefoot strike pattern，FFS)有降低沖擊力和負載率峰值、提高跑步經濟性等益處[3，10-13]。與此同時，使用 FFS時，踝關節屈肌激活水平的提高會增加跟腱的負荷[14]，這對跟腱的適應性變化以及內平衡至關重要[3]。與此同時，本團隊前期發現：12周的跑姿控制訓練能顯著改善跑步時小腿三頭肌的激活并提高跟腱力[7]。據此，進一步推測：循序漸進的跑姿再訓練對跟腱力學特性能夠產生適應性變化。

因此，本研究探究12周跑姿再訓練對跟腱形態學特征和等長收縮時跖屈力矩及發力率、跟腱力學特性的影響，以期為提高跟腱傳遞力、跟腱承載負荷的能力、預防跑者跟腱損傷提供建議。研究假設：12周跑姿再訓練后，跑者的跖屈力矩及發力率、跟腱橫截面積，等長收縮時的跟腱力、應力、應變等均有顯著性提高。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

采用G*power(版本：3.1.9.6)對樣本量進行重復測量方差分析的事前估算，設定檢驗效能為0.8，效應量為0.25(ANOVA中等效應)，顯著性水平為0.05，計算出最低樣本量為34[15]。本研究共招募42名受試者，均自愿參與實驗。受試者的納入標準為近3個月無明顯下肢損傷以及神經肌肉疾病，習慣穿著緩沖鞋進行后跟跑(rearfoot strike pattern，RFS)，且從未嘗試過穿著極簡鞋進行前掌跑，近3個月周跑量大于15 km。

共34名受試者完成12周跑姿再訓練，其中GR組20人，年齡(31.3±3.5歲)，身高(175.7±2.6)cm，體質量(70.9±3.8)kg；對照(CON)組 14 人，年齡(26.6±5.8)歲，身高(175.6±2.3)cm，體質量(72.7±4.3)kg。在前測中發現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致踝關節扭傷，4名受試者缺席超過1周的訓練而被排除，2名受試者由于手機軟件云記錄與個人日記不符(訓練時長、頻率以及跑姿)而被排除。

1.2 實驗流程

12周跑姿再訓練前，所有受試者需到實驗室進行前測。受試者登記基本信息、填寫《知情同意書》。實驗開始之前，要求受試者更換短褲。

1)熱身。要求受試者在跑臺上以12 km/h的速度進行5 min熱身。

2)靜態跟腱形態學測試。測試時要求受試者俯臥于治療臺上，使其踝關節處于中立位(足與小腿夾角90°)[7]。由一名指定測試人員使用 M7 Super超聲影像儀(Mindray，中國)配合ML6-15-D線陣超聲探頭確定跟骨位置和跟腱起止點以測量其跟腱長度，并將探頭置于跟骨上10 cm位置，獲取跟腱橫截面圖像。

3)MVIC時的跟腱形態學和力學特征的測試。要求受試者坐于Con-Trex等速肌力測試儀(Con-Trex Mj，德國)上，臀部和后背緊貼座位，膝關節完全伸展，踝關節處于中立位，在固定大小腿后，進行踝關節跖屈最大等長收縮，采集3次，每次測試保持5 s[7]。同步采集踝關節跖屈力矩以及在體跟腱長度變化圖像和數據。前測完成后，隨機將受試者分為GR組和CON組進行干預，訓練結束后重復上述測試。

1.3 跑姿再訓練方案

GR組受試者穿著INOV-8 BARE-XF 210 極簡跑鞋(平均質量227 g，3 mm 橡膠外底，無中底，前后落差0 mm)進行訓練，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節下方[7]。通過內嵌傳感器的 Podoon壓感智能鞋墊配套手機軟件監測受試者的著地方式。要求受試者以中等自選速度進行跑步，干預持續12周，每周訓練3次，每次訓練時長按階梯式增長，即初始訓練時間為5 min，1~8周訓練時長每周增長5 min，8~12周訓練時長每周增長2 min。受試者每周總跑步距離與訓練前一致，跑姿再訓練僅代替一部分訓練量，其余時間按照平時訓練的強度與習慣跑姿進行。上述具體訓練方案以及監督措施可參考本團隊以往研究[7，10-11]。

CON組受試者穿著自用運動鞋保持原有的跑姿和相應運動強度進行跑步。

1.4 實驗參數

1)踝關節最大跖屈力矩。使用Con-Trex等速肌力測試儀獲取等長收縮時的踝關節最大跖屈力矩(Mmax)[7]。

2)峰值跖屈發力率(RTDmax)。其中跖屈發力率為等速肌力測試儀獲取并計算踝關節跖屈力矩曲線的斜率，即跖屈力矩的一階導數[16]，其計算公式為：RTDmax(ti)=(M(ti+1)-M(ti-1))/((ti+1)-(ti-1))。其中：M為跖屈力矩，ti為跖屈時的某個時刻。

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)計算跟腱橫截面積[17]。

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

5)跟腱長度變化量(ΔL)。從靜息狀態到跖屈最大等長收縮時肌肉-跟腱結合點的長度變化量。

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值0.05 m[17，18]。取最大值為跟腱力峰值。

7)跟腱應力(σ)=FAT/CSA[7，19]。

8)跟腱應變(ε)=ΔL/LAT[7，19]。

1.5 統計方法

所有數據均采用平均值±標準差表示。采用獨立樣本t檢驗比較前測時GR組和CON組的跖屈力矩、峰值跖屈發力率、跟腱橫截面積、跟腱長度、長度變化量、應力、應變、跟腱力峰值。采用雙因素(組別×訓練前后)重復測量方差分析(two-way repeated measures ANOVA，SPSS 21.0)分析12周跑姿再訓練對跖屈力矩、跟腱橫截面積、跟腱力、跟腱應力、應變等參數的影響。對于存在交互效應的參數，事后檢驗采用簡單效應分析。

2 結果與分析

訓練前，GR組和CON組的跖屈力矩、峰值跖屈發力率、跟腱橫截面積、跟腱長度、長度變化量、應力、應變、跟腱力峰值均無顯著性差異(見表1)。

表1 兩組跖屈力矩、發力率、跟腱形態學、力學特性前測數據()比較

表1 兩組跖屈力矩、發力率、跟腱形態學、力學特性前測數據()比較

組別 跖屈力矩/(Nm·kg-1)峰值跖屈發力率/(Nm·s-1)橫截面積/mm2跟腱長度/mm跟腱長度變化量/mm跟腱應力/MPa跟腱應變/%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周訓練后，等長收縮時踝關節跖屈力矩及發力率沒有顯著交互效應(見圖1)。踝關節跖屈力矩存在時間的主效應(P<0.01)，其中，訓練后GR組跖屈力矩增大的比例比CON組高17.1%(見圖1)。

12周訓練后，所有跟腱形態學參數(跟腱長度、等長收縮時的長度變化量和跟腱橫截面積)均沒有顯著交互效應(見圖 2)。跟腱橫截面積存在組別主效應(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，訓練后GR組橫截面積增大的比例比CON組高5.3%。

12周訓練后，等長收縮時的跟腱力學性質參數(跟腱力、應力和應變)沒有顯著交互效應(見圖 3)。跟腱力峰值存在時間主效應(P<0.05)，其中，訓練后GR組跟腱力增大的比例比CON組高17.1%(見圖3)。

圖1 12周跑姿再訓練對踝關節跖屈力矩(a)及峰值發力率(b)的影響

圖2 12周跑姿再訓練對踝關節跟腱橫截面積(a)、跟腱長度(b)及跟腱長度變化量(c)的影響

圖3 12周跑姿再訓練對跟腱應力(a)、應變(b)及跟腱力(c)的影響

3 討論

本研究采用循序漸進12周跑姿再訓練干預方案，以期增強踝關節屈肌力量、跟腱力學特性，提高跟腱承載負荷的能力，為提高跟腱傳遞力及預防跟腱損傷風險提供新視角。與研究假設一致，12周跑姿再訓練后跖屈力矩和跟腱力峰值有顯著性提高，跑者的跖屈發力率、跟腱橫截面積、等長收縮時跟腱應力有增加趨勢(P<0.1)。但跟腱長度、長度變化量和等長收縮時跟腱應變無顯著性變化，這與研究假設并不一致。

本研究發現，12周跑姿再訓練后，跑者等長收縮時的踝關節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%。該發現支持前人研究結果：跑姿再訓練或裸足跑干預訓練后，跑者的跖屈力矩、跟腱力顯著增高[14，20]。原因可能為：相比 RFS，FFS模式下觸地時小腿三頭肌需收縮產生更大的跖屈力矩以抵抗地面反作用力產生的背屈力矩[3]。12周跑姿訓練后跖屈力矩的增加，表明訓練可增加踝關節屈肌力量。踝關節力量薄弱是跟腱損傷的風險因素之一[8，21]，踝關節屈肌力量的增加提示該訓練方案能在一定程度上減少由于踝關節力量薄弱而引起的跟腱損傷風險。此外，作為評價爆發力的指標之一，跖屈發力率與跑跳項目的運動表現(如縱跳高度、跑步時的最大速度)呈高度正相關[22]。本研究結果顯示峰值跖屈發力率在訓練前后有增加的趨勢(P=0.074)，對于長跑跑者來說，12周跑姿再訓練的負荷刺激能增加跖屈發力率，這有利于提升蹬伸期踝關節肌肉的爆發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鍵結構，蹬伸效率的提高意味著跟腱傳遞力的效率可能更高。同時，日常活動中跟腱承受的負荷不足以使跟腱產生適應性變化，而在一定范圍內的更高負荷才能對跟腱力學特性和內穩態產生積極影響并使跟腱進一步適應[23]。訓練后跟腱力的增加提示，12周跑姿再訓練為跟腱提供了更大的負荷刺激。但值得注意的是，非后足觸地跑步時跟腱負荷以及沖量會代償性地增加，這可能增加了跟腱損傷的風險[24]。在本研究中，盡管訓練后的峰值跟腱力有顯著性增加，但沒有受試者因訓練受傷。由此，12周跑姿再訓練能有效提高跟腱的力學刺激[3]，且循序漸進的訓練強度一定程度上可以防止由于訓練引起的跟腱損傷。

研究表明，由于跑者承受的負荷刺激更大，其膠原蛋白轉率的增加可以引起跟腱的適應性肥大[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，FFS增加了GR組的跟腱負荷刺激，這種重復的負荷會急劇增加膠原蛋白的標記物以及肌腱中I型膠原的凈合成，從而使跟腱產生適應性肥大[26]。Joseph等[14]的研究表明 12周前掌跑結合步頻增加的干預訓練后跟腱橫截面積顯著增加，但是本研究結果顯示跟腱橫截面積的差異僅存在組別主效應，訓練前后的跟腱橫截面積僅表明有變化的趨勢，結果的差異可能是干預訓練強度方案的差異導致的。此外，由于跟腱代謝速度較慢，需要更長時間以及更大的負荷以引起橫截面積的顯著性改變[7]。Arampatzis等[27]對跟腱進行等長收縮訓練的系列研究證實了這點。

本研究顯示，訓練前后等長收縮時跟腱應力及應變沒有顯著性變化。總體而言，應力同時受跟腱力和跟腱橫截面積的影響[7]。12周跑姿再訓練后，GR組跟腱力峰值增加的同時跟腱橫截面積也有顯著增加的趨勢，而應力沒有顯著性變化可能與上述兩者在數值上均增加有關。這也從另一個側面說明：訓練后，由于跟腱在受到長期力學刺激后產生的適應性變化，同等應力條件下，其可以承受更大的負荷，即跟腱承載負荷的能力有所增強。此外，應力和應變是跟腱損傷的重要風險因素[28]，過大的應力可能會導致跟腱退化以及跟腱膠原纖維的微斷裂[29]。本研究中，跟腱應力無顯著性變化這一結果提示，在循序漸進的12周跑姿再訓練后，即使跟腱力峰值有顯著性增加，跟腱也不會由于應力過大造成損傷。

值得注意的是，12周跑姿再訓練未導致受試者損傷，提示本研究中所采用的訓練方案是一種安全的訓練方案，循序漸進地增加訓練負荷可以避免由于前掌著地跑時增加的跟腱負荷而引起的損傷。相比于前人研究的離心訓練有耗時長以及會引起踝關節疼痛等缺點[30]，短期轉變跑姿等訓練方案會引起腘繩肌和小腿三頭肌損傷[31]，采用12周循序漸進的跑姿再訓練方案可以相對安全且有效地改善跟腱承受負荷和傳遞力的能力。這為跑者提供了跟腱的預先強化、減少跟腱損傷風險的訓練方案，具有一定的理論和應用價值。

本研究通過超聲影像聯合等速肌力測試儀探討跑姿再訓練對跟腱形態學以及等長收縮下踝關節跖屈力矩和跟腱力學特性的影響。結果顯示12周跑姿再訓練后，兩組跖屈力矩和跟腱力峰值顯著高于訓練前，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周跑姿再訓練方案可以作為一種有效的干預手段，增強踝關節跖屈肌力量、提高跟腱承載負荷和傳遞力的能力。