不同認知任務跑步時髕股關節痛患者下肢運動學和動力學特征

范婷　張美珍　張力文　劉卉

摘 ?????要：明確髕股關節痛患者在不同認知任務跑步時下肢運動學和動力學特征的影響，旨在尋找降低髕股關節痛患者跑步時髕股關節應力的運動模式。招募46名男性髕股關節痛患者為實驗對象，運用紅外光點運動捕捉系統（Nokov Mars2H）和三維測力臺（Bertec）獲得其在無任務、音樂任務和心算任務跑步時的運動學和動力學特征。采用重復測量方差分析確定不同認知任務對下肢運動生物力學參數的影響，通過Pearson雙變量相關探究下肢運動生物力學特征與髕股關節應力的關系。結果顯示：（1）與無任務相比，音樂任務與心算任務均使髕股關節痛患者步長增大（P＜0.001）；音樂任務還使其膝關節屈角增加（P=0.005）、踝關節跖屈力矩減小（P=0.022）；心算任務減小髖關節內收力矩（P＜0.05）和步頻（P＜0.001）。（2）無論何種認知任務，步長、膝關節屈曲角與髕股關節應力峰值正相關（P＜0.05），踝關節跖屈力矩（P＜0.05）與髕股關節應力峰值呈負相關。心算任務下，髖關節內收力矩（R²=0.162，P=0.006）和步頻（R²=0.123，P＜0.017）等與髕股關節應力峰值呈負相關。研究認為：髕股關節痛患者在音樂任務跑步時膝關節屈曲、踝關節背屈和步長增加可能會增大髕股關節應力，在心算任務跑步時較小的髖關節內收、長步長和慢步頻等運動特征，可能使髕股關節應力增加。建議髕股關節痛患者在聽音樂跑步時，應采用膝關節更為直立的動作模式降低髕股關節應力，還應注意減小步長。此外，還可通過增強髖關節內收及踝關節跖屈肌群的力量來減小髕股關節應力，預防跑步時思維游離引起的疼痛復發。

關 ?鍵 ?詞：運動生物力學；髕股關節痛患者；髕股關節應力；認知任務；跑步

中圖分類號：G804.6；G804.5????文獻標志碼：A ???文章編號：1006-7116（2023）03-0136-09

Lower-limb?kinematic and dynamics characteristics for patellofemoral joint pain patients during runningwith different cognitive tasks

FAN Ting ZHANG Meizhen ZHANG Liwen LIU Hui

（1.College of Physical Education，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China；

2.China Institute of Sport and Health Science，Beijing Sport University，Beijing 100084，China）

Abstract：The study aimed to clarify the lower limb kinematic and dynamics characteristics of patellofemoral pain （PFP） patients during running with different cognitive tasks， so as to provide references for finding movement patterns that could reduce patellofemoral joint stress （PFJS） during running. The study recruited 46 male patellofemoral pain patients， and the lower-limb kinematics and dynamics data in no task， musical task and mental arithmetic task were respectively collected by infrared motion capture system （Nokov Mars2H） and three-dimensional force plate （Bertec）. Repeated measurement ANOVA was used to identify the effects of different cognitive tasks on lower-limb biomechanics parameters， and the relationship between lower-limb biomechanics characteristics and PFJS was identified by Pearson's bivariate correlation. The results showed that： （1） Compared with no task， both the music task and the mental arithmetic task increased the step length of PFP patients （P<0.001）. The music task also increased knee flexion angle （P=0.005） and decreased ankle plantarflexion moment （P=0.022） for PFP patients， and the mental arithmetic task decreased the hip adduction moment （P<0.05） and step frequency （P<0.001）. （2） Regardless of the cognitive task， the step length and knee flexion angle were positively correlated with peak PFJS （P<0.05）， and ankle plantarflexion moment was negatively correlated with peak PFJS （P<0.05）. Under the mental arithmetic task， hip adduction moment （R²=0.162，P=0.006） and step frequency （R²=0.123，P<0.017） were negatively correlated with peak PFJS. The conclusion showed that： patellofemoral joint stress may be increased by increased knee flexion， ankle dorsiflexion and increased stride length during musical task running in patellofemoral pain patients; movement characteristics such as smaller hip inversion， long stride length and slow stride frequency during mental arithmetic task running may increase patellofemoral joint stress. It is recommended that listening to music during running， patellofemoral pain patients should use a more upright knee movement pattern to reduce patellofemoral joint stress and also take care to reduce stride length. Furthermore， patellofemoral pain patients can reduce patellofemoral joint stress and prevent pain recurrence by strengthening the hip adductors and ankle plantar flexors， which help prevent pain recurrence caused by mind-wandering during running.

Keywords：sports biomechanics；patellofemoral pain patients；patellofemoral joint stress；cognitive task；running

跑步已成為全世界最流行的體育運動之一。據統計，我國2020年共舉辦馬拉松賽事442場，總參賽規模達136.23萬人次^[1]。此外，歐美國家定期跑步人數也占其國家總人口的12.5%^[2]。據報告顯示，每年因跑步導致的下肢損傷率高達79%^[3]，損傷類型包括內側脛骨應力性綜合征、跟腱炎、足底筋膜炎及髕股關節痛等，其中髕股關節痛占比高達25%^[4]。70%～90%的髕股關節痛患者會出現疼痛復發或慢性癥狀，進而增加患髕股關節炎的風險^[5]，而每年髕股關節痛患者的人均醫療費用高達300歐元^[6]。可見，髕股關節痛不僅對患者的正常工作和生活造成巨大影響，還會產生高昂的醫療費用和社會經濟成本，所以如何有效預防髕股關節痛患者疼痛復發引起諸多學者的關注。

有研究指出，髕股關節疼痛復發可能與跑步強度大、膝關節損傷史及跑步時的認知干擾有關，其中認知干擾引起疼痛較劇烈且較為常見，特別是在室外跑步時^[7]。調查顯示與室內跑相比，室外跑步不可避免地會受到音樂干擾、思考事件、注意紅綠燈等多種干擾^[7]。據統計，習慣在跑步時佩戴音樂設備的跑者約占總體的58.9%^[8]。問卷調查顯示，33%的跑者認為音樂是運動中不可剝離的重要部分^[9]，其中快節奏音樂的使用率最為突出，可達40.7%^[8]。有研究認為，長距離跑步對跑者的認知要求不高且通常在熟悉的環境中進行，這種運動條件易使跑者產生思維游離，即思考跑步任務和環境以外的事件^[10]。這些認知干擾可能會降低跑者的信息處理能力，使跑者無法正確協調肌肉收縮和及時調整關節運動幅度以緩沖著地時的負荷^[11]，造成跑步時髕股關節應力（patellofemoral joint stress，PFJS）增大^[12]，增加髕股關節痛損傷風險，致傷率甚至高達36%^[13]。有研究提出，認知干擾導致的下肢運動學及動力學改變可能是引起髕股關節應力增大的誘因^[14]。Shinya等^[15]發現，認知任務下（判斷路況）行走時髕股關節痛患者表現出更大的膝關節屈角，導致髕股關節反作用力增大，并且在屈膝60°和90°時髕股關節應力會達到峰值^[16]。劉鑫玥等^[17]發現，認知任務（手持水杯、回憶數字）可增加青年動態穩定性及減小髕股關節應力。而Suda等^[18]對健康人群膝前注射高滲透鹽水溶液（1 mL，6%）以誘發實驗性髕股關節痛，發現認知干擾降低受試者的姿勢穩定性，特別是疼痛狀態下會導致髕股關節應力增加。

目前認知任務導致的下肢運動生物力學變化尚未達成共識。究其原因，一方面可能是部分研究通過健康人群模擬膝前疼痛狀態，探討暫時性髕股關節痛引起的下肢運動特征變化，進而嘗試得出髕股關節痛患者相關結論^[19]。Nakagawa等^[20]已證實，與健康對照組相比髕股關節痛患者在踏步過程中運動特征呈現出與健康人群不同的動作模式。因此，短暫誘導健康人群膝前疼痛，無法準確為髕股關節痛患者提供臨床建議，可能是導致以往研究未達成共識的原因之一。另一方面，前人研究主要采用手持水杯、回憶數字等認知任務，這些認知任務僅在步行時較為常見，其結論并不能應用于跑步動作中，而跑步時常見的音樂干擾、思考事件等認知任務未得到廣泛關注。已有研究指出，音樂干擾和思考事件對認知資源的影響存在差異，音樂任務是一種不占據認知負荷但會導致信息干擾的聽覺刺激，而思考事件則需在短時間內占用大量的認知資源^[21]。多資源理論認為，認知資源的分配方式不同將導致大腦對跑步動作的處理能力出現差異^[22]，這使不同任務對髕股關節痛患者跑步特征的影響變得不明了。因此，需要更多研究對跑者施加快節奏的音樂干擾以及心算的認知干擾，嘗試理解快節奏音樂、思考事件對髕股關節痛患者下肢運動特征的影響，可以為降低髕股關節痛患者跑步時髕股關節應力提供更有針對性的現實依據。

本研究嘗試探索音樂任務和心算任務對髕股關節痛患者跑步時下肢運動學及動力學特征的影響，并分析下肢特征與髕股關節應力的關系，為減小在不同任務下跑步時髕股關節應力提供借鑒。根據以往文獻及本研究目的擬驗證以下假設：認知任務，特別是心算任務對髕股關節痛患者下肢運動學和動力學特征的影響尤為突出；同時心算任務導致的步長增大、髖關節內收力矩減小等特征可能會增大髕股關節應力。

1 ?研究對象與方法

1.1 ?研究對象

選取患有髕股關節痛的男性業余跑步愛好者為實驗對象，其近1個月內每周跑步量維持在20 km以上，同時需滿足以下納入標準^[23]：（1）跑步、跳躍、久坐、上下樓梯、抗阻伸膝和單腿下蹲中，至少有2個動作出現過髕后或髕周疼痛；（2）疼痛癥狀至少存在3個月以上，且與直接創傷無關；（3）有無疼痛或疼痛程度與跑步量或運動強度有關。若存在以下任何1種情況則需剔除：（1）存在其他膝關節病變，如類風濕、關節炎及髕腱、股四頭肌肌腱、半月板或韌帶損傷；（2）存在髕骨半脫位或脫位情況；（3） 1年內進行過下肢手術。由1位專業測試人員進行篩查，根據上述標準納入46名受試者，年齡為（21.4±2.6）歲，身高為（178.3±3.2）cm，體重為（74.7±6.6）kg。所有受試者測試前均簽署知情同意書，且本研究已通過太原理工大學學術委員會倫理審查。

1.2 ?數據采集

測試時要求所有受試者穿著實驗室統一提供的測試鞋、緊身上衣及短褲。測試前進行充分熱身，之后由同一操作人員根據Helen Hayes 29點粘貼方案將反光標志球（直徑15 mm）粘貼于對應標志點，具體位置：頭頂點，頭前點，頭后點，左右肩峰，左右肱骨外上髁，左右尺骨莖突與橈骨莖突連線中點，右側肩胛骨點，左/右髂前上棘，第四、五腰椎棘突中點，左右大腿前側，左右股骨外側髁，左右股骨內側髁，左右脛骨粗隆，左右腓骨外踝，左右脛骨內踝，左右二、三跖骨中點，左右足^[24]。要求受試者以舒適的慢跑速度隨機模擬3種任務在長度為28 m的測試跑道上跑步。具體為無任務，即無任何干擾情況；音樂任務，則是要求受試者佩戴藍牙運動耳機聽音樂，選用的音樂為節奏較快（117拍/min）的歌曲，音量高度設置為85分貝^[25]；心算任務，是要求受試者在起點收到由電腦隨機生成的一個兩位數（50～99），隨即起跑，同時大聲說出計算結果（對隨機數連續減7），直到跑到終點。有效的心算任務是要求受試者在測試過程中連續跑步并保證計算結果正確，若計算錯誤則重新測試。通過隨機生成器隨機模擬以上3種任務，運用12鏡頭紅外光點運動捕捉系統（NokovMars 2H，中國）以200 Hz的采樣頻率獲得三維運動學數據，通過三維測力臺（Bertec 4060-08，美國）以1 000 Hz采集頻率同步采集下肢動力學特征，每種任務均采集3次有效數據。

1.3 ?數據處理

運用Cortex-645.5.0（Motion Analysis Inc，USA）軟件對運動學數據進行處理，三維坐標通過Butterworth低通濾波進行平滑，截斷頻率為13 Hz^[26]。根據模型粘貼方案建立人體環節多剛體模型，運用歐拉角方法計算受試者在跑步支撐期下肢各關節三維角度。分別圍繞x、y、z軸轉動獲得踝關節屈伸角（跖屈為負），其余屈伸角（屈曲為正）、內收外展角（內收為正）、內旋外旋角（內旋為正）。將原始動力學數據進行50 Hz的低通濾波^[27]。通過逆動力學方法計算下肢三維力矩（MS3D 7.0版，Motion Soft，Inc，美國）。進一步得出步態時空參數：步長即左、右足跟間的縱向距離，步寬為左、右足跟著地之間的內側～外側距離，步頻為每分鐘邁出的步數，步向角定義為支撐足貫穿足底中心線與前進方向縱軸的夾角，足跟（+）足尖（-）著地即足跟與足尖與垂直軸坐標值的差值，正值為足跟觸地，負值為足尖觸地。跑步支撐期定義為同側腿著地至足尖離地的時間。髕股關節力為膝關節內部髕骨與股骨之間因接觸而產生的壓力，髕股關節應力為髕骨與股骨接觸單位面積的髕股關節力^[28]，股四頭肌肌力為股四頭肌在收縮和伸展時所產生的力^[29]。

1.4 ?統計分析

通過SPSS 22.0軟件進行單因素重復測量方差分析，檢驗認知任務（無任務、音樂任務、心算任務）對髕股關節痛患者下肢運動生物力學特征的影響，運用Pearson雙變量相關分析檢驗不同認知任務時下肢運動生物力學特征與髕股關節應力關系。相關性大小的評價標準為：高度相關（|r|≥0.50）、中度相關（0.50>|r|≥0.30），低度相關（0.30>|r|≥0.10）。顯著性水平定為P<0.05。通過計算給出單因素方差分析的效果量η²，其中0.01≤η²＜0.06為小效應量，0.06≤η²＜0.14為中等效應量，η²≥0.14為大效應量^[31]。

2 ?結果與分析

2.1 ?不同認知任務對下肢運動生物力學特征的影響

單因素方差分析結果顯示，與無任務相比，聽音樂跑步時會使髕股關節痛患者步長增大26.8%（F[1，44]=175.620，P＜0.001，η²=0.889）、步寬增大48.1%（F[1，44]=18.856，P＜0.001，η²=0.462）、步頻減小24.3%（F[1，44]=937.874，P＜0.001，η²=0.977）；心算任務會使步長增大19.3%（F[1，44]=175.620，P＜0.001，η²=0.889）和步寬增大22.9%（F[1，44]=18.856，P＜0.001，η²=0.462），步頻減小23.6%（F[1，44]=937.874，P＜0.001，η²=0.977）并減小足尖到地面的垂直距離（F[1，44]=5.351，12.6 cm vs. 12.0 cm，P=0.003，η²=0.196）；與心算任務相比，音樂任務會使步長增大9.3%（F[1，44]=175.620，P＜0.001，η²=0.889），增加足尖到地面的垂直距離（F[1，44]=5.351，12.0 cm vs. 12.5 cm，P=0.010，η²=0.196）（見圖2）。

與無任務相比，PFJS峰值時刻，髕股關節痛患者在心算任務下表現出更小的髖關節內收角（F[1，44]=8.790，P=0.002，η²=0.285）和內收力矩（F[1，44]=2.344，P=0.039，η²=0.096）、髖關節屈曲力矩（F[1，44]=13.769，P＜0.001，η²=0.385）、踝關節內旋角（F[1，44]=2.752，P=0.05，η²=0.111）和內旋力矩（F[1，44]=6.846，P=0.001，η²=0.237）、踝關節內翻力矩（F[1，44]=6.632，P=0.003，η²=0.232）和更大的踝關節跖屈力矩（F[1，44]=13.198，P=0.001，η²=0.375）。音樂任務下表現出更大的膝關節屈曲角（F[1，44]=4.764，P=0.005，η²=0.178）和較小的踝關節跖屈力矩（F[1，44]=13.198，P=0.022，η²=0.375）（見表1）。

髕股關節應力峰值時刻，髕股關節痛患者在無任務時髕股關節力為（17.1±9.2）N，髕股關節應力為（38.4±14.3）MPa；在音樂任務下髕股關節力為（18.0±8.1）N，髕股關節應力為（40.2±13.5）MPa；在心算任務下髕股關節力為（18.1±8.9）N，髕股關節應力為（40.4±14.6）MPa（見表2）。2.2 ?不同認知任務下髕股關節應力峰值時刻下肢運動生物力學特征與髕股關節應力的關系

雙變量相關分析結果顯示，無論哪種任務，步長、膝關節屈曲角度（P＜0.05）與髕股關節應力峰值呈正相關，踝關節跖屈力矩（P＜0.05）與髕股關節應力峰值呈負相關。音樂任務下，髖關節內收角度（R²=0.092，P＜0.001）與PFJS峰值呈正相關。心算任務下，髖關節屈曲角度（R²=0.146，P=0.009）、髖關節屈曲力矩（R2=0.253，P＜0.001）、踝關節內翻力矩（R²=0.148，P=0.008）與PFJS峰值呈正相關，步頻（R²=0.123，P=0.017）、髖關節內收力矩（R²=0.162，P=0.006）與PFJS峰值呈負相關（見表3）。

3 ?討論

音樂任務下髕股關節痛患者步長增大，且有80%以上的可靠性說明總體差異，其可能機制是音樂會分散注意力，即會影響人體對周圍聲音的感知，特別是高音量音樂（85分貝以上）會強烈影響人體聲音定位能力，削弱聽覺輸入能力，無法準確感知足觸地時刻的聲音^[38]，進而下意識地延長騰空期，最終造成步長顯著增加。而步長與髕股關節應力呈正相關，這與以往研究也達成共識。步長增大可能會引起膝關節屈曲角增大，進而導致髕股關節應力增加^[39]。步長改變會影響下肢能量吸收策略，研究指出步長每增大10%，膝關節能量吸收會上升0.11 J/kg^[37]，進而增大髕股關節負荷及髕股關節應力。這也提示，在跑步時髕股關節痛患者可通過減小步長降低髕股關節應力。3.2 ?心算任務對髕股關節痛患者下肢運動生物力學特征的影響

髕股關節痛患者在跑步執行心算任務時表現出較小的髖關節內收力矩，效果量η²大于0.09，對總體差異的解釋程度屬于中等水平。本研究要求受試者確保心算任務的準確性，使得受試者必須采用心算任務優先策略。根據分享資源模式理論，心算任務優先執行直接導致跑步任務被干擾。因此，受試者在雙任務條件下，由于認知資源競爭導致髖關節肌肉協同收縮能力下降，在運動時呈現出較小的髖關節內收力矩，同時也導致較高的髖-膝關節協調變異性^[40]。有研究認為，髖-膝關節額狀面協調變異性增大可能與較高膝關節負荷有關^[41]。本研究結果進一步驗證該推測，顯示髖關節內收力矩與髕股關節應力負相關。有學者認為在執行雙任務條件下，髖關節常表現出較小的額狀面運動趨勢，從而引起較大的額狀面運動負荷，著地時髖關節更直立的運動特征可能會增加髕股關節損傷風險^[42]。

心算任務下，髕股關節痛患者表現出步長增大、步頻減小的步態特征，這與以往研究結果相一致^[43]，且效果量η²大于0.85，對總體差異的解釋程度較高。心算任務影響步態的機制可能與Wickens^[44]提出的“多資源理論”有關，該研究將認知資源分成不同資源池，只有在并發任務共享相同資源池時才會互相干擾。根據多資源理論對任務的定義，跑步和心算任務同時涉及中央處理資源，兩者相互干擾進而造成姿勢控制下降。因此，在跑步時髕股關節痛患者補償性地呈現出一種更穩定的步態模式，即增大步長、降低步頻以抵消姿勢控制下降導致的不穩定感。本研究還發現，心算任務下步長與髕股關節應力呈正相關，心算任務下步頻與髕股關節應力負相關，而音樂任務下髕股關節應力與步頻不相關^[45]。音樂任務下不相關的原因可能是研究中選用的音樂節奏較快、音量設置較高，因此音樂通過聽覺刺激干擾步頻，使步態穩定性下降、步態變異性增強，進而導致步頻與髕股關節應力不相關^[46]。王俊清等^[47]發現，12周步頻再訓練（增加7.5%步頻）可顯著降低跑步時下肢關節沖擊力及髕股關節受力，這在一定程度上支持本研究結果。心算任務下，髕股關節痛患者步長短和步頻快的步態特征可能更有利于降低髕股關節應力。

值得注意的是，與音樂任務相比髕股關節痛患者在心算任務下似乎表現出一些保護機制。具體為：髕股關節痛患者在心算任務時表現出較小的髖關節屈曲力矩、踝關節內翻力矩和較大的踝關節跖屈力矩，其差異效應占總體變異23%以上，這些運動特征可能會有利于減小髕股關節應力^[48]。根據分享資源模式理論，執行動作任務（跑步）時髕股關節痛患者往往會呈現出更為保守的運動策略^[49]，導致髖關節屈曲力矩減小，通過減小運動幅度以降低由下肢關節失控引起的髕股關節損傷風險^[43]。本研究中，髖關節屈曲力矩與髕股關節應力正相關結果進一步驗證以上觀點。此外，本研究中踝關節內翻力矩與髕股關節應力呈正相關。Thijs等^[50]發現，髕股關節痛患者在著地前期表現出較大的足外側壓力分布，可能使踝關節以更加內翻的狀態著地。人體壓力中心從足部外側向內側移動更加緩慢，使足部無法吸收更多的GRF，導致髕股關節承受更大負荷，最終引起疼痛。因此，減小下肢關節活動趨勢可能有利于髕股關節痛患者降低髕股關節應力。

綜上，本研究發現髕股關節痛患者在音樂任務下進行跑步時膝關節屈曲增大，步長增加及踝關節矢狀面受力減小等運動特征，均可能增加髕股關節應力。心算任務下，雖然髖關節和踝關節在矢狀面和額狀面的變化特征可能會有利于減小髕股關節應力，但長步長、慢步頻和較小的髖關節內收力矩卻會增大髕股關節應力。盡管無法量化以上變化對髕股關節應力的影響程度，但可看出心算任務較音樂任務對髕股關節痛患者下肢運動生物力學的影響更加明顯。本研究也存在一定局限。首先，女性髕股關節痛發病率約為男性的2.23倍，且文獻指出性別對跑步緩沖期下肢生物力學特征具有明顯影響^[51]。因此，未來可對女性髕股關節痛人群進行分析。其次，受試者均為未處于疼痛復發期的髕股關節痛患者。以往研究發現膝痛會改變患者在功能性活動中的動作模式，而這種疼痛代償可能會表現出減小髕股關節負荷的作用。因此，可進一步對比無痛和有痛狀態下患者對認知任務的響應機制，為今后不同狀態下髕股關節痛患者的運動干預提供建議。

4 ?結論與建議

髕股關節痛患者在音樂任務下跑步時，膝關節屈曲增加、長步長和踝關節背屈程度增大的運動特征，可能會使得髕股關節應力增加且加重髕股關節疼痛程度。與音樂任務相比，心算任務對髕股關節疼痛患者跑步時下肢運動生物力學特征的擾動似乎更強烈，表現出髖關節內收不足、長步長和慢步頻的特征，可能誘發髕股關節痛患者疼痛加重。值得注意的是，髕股關節痛患者在心算任務下跑步時表現出降低髖關節、踝關節運動范圍等運動生物力學特征，這可能是機體回應認知干擾表現出的一種保護策略。

在跑步時髕股關節痛患者聽音樂可通過使膝關節更為直立的方式降低髕股關節應力，且同時可以考慮使用步態反饋設備對其步態進行再訓練，即減小步長、增加步頻。此外，髕股關節痛患者可通過增強髖關節內收及踝關節跖屈肌群的力量，如腓腸肌、比目魚肌的力量訓練，預防跑步時思維游離引起的疼痛復發。同時，還可以關注髖關節內收肌群，即大收肌、長收肌、短收肌和股薄肌等力量訓練作為髕股關節痛患者的康復治療方向。

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