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）

跑步已成為我國(guó)目前參與度最高的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目之一。數(shù)據(jù)顯示我國(guó)2013～2018年舉辦的馬拉松賽事由39場(chǎng)增至1287場(chǎng)，參賽人次由75萬增至536 萬[1]。然而，與全民跑步熱潮空前高漲相對(duì)應(yīng)的，卻是跑步損傷發(fā)生率的居高不下。最新研究表明，跑步受傷風(fēng)險(xiǎn)比其它類型的有氧運(yùn)動(dòng)如游泳和自行車等都要高[2]。每年有27%～70%的跑者經(jīng)受諸如膝關(guān)節(jié)炎等跑步損傷；63%的跑者在其跑步生涯中有過下肢損傷史；23%的跑者遭受了持續(xù)時(shí)間超過6個(gè)月的損傷（如髕股關(guān)節(jié)疼痛等）[3]。

跑步損傷多為過勞性損傷（overuse injuries），其原因大致可歸為三類：訓(xùn)練、解剖結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)因素。在生物力學(xué)因素中，沖擊力和負(fù)載率與過勞性損傷有著密切關(guān)系。已有研究發(fā)現(xiàn)，相比于健康跑者，有應(yīng)力骨折史的跑者具有更大的垂直負(fù)載率[4]；此外，諸如足底筋膜炎[5]、髕股關(guān)節(jié)疼痛[6]以及慢性疲勞性筋膜室綜合征[7]中也有沖擊負(fù)荷過大的現(xiàn)象。沖擊力主要受速度[8]、跑鞋/表面[9]、坡度[10]、跑姿[11]、步長(zhǎng)[12]、步頻[13]等的影響。步頻和步長(zhǎng)是跑步中兩個(gè)重要的參數(shù)，步頻指單位時(shí)間內(nèi)的步數(shù)，一般用步/分鐘來表示；而步長(zhǎng)指同一只腳兩次連續(xù)觸地之間的距離，一般用米表示[14]。近些年來，隨著“裸足”運(yùn)動(dòng)的興起[15，16]和極簡(jiǎn)跑鞋的流行[11]，針對(duì)通過改變步頻、步長(zhǎng)進(jìn)行跑姿訓(xùn)練（gait retraining）的研究日漸增多，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在恒定速度下增加步頻或減少步長(zhǎng)可以降低沖擊力[13]，并對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)[17]、動(dòng)力學(xué)[18]以及肌肉活化[19]等產(chǎn)生顯著作用。

由此可見，步頻/步長(zhǎng)調(diào)整可引起相關(guān)力學(xué)參數(shù)的變化，進(jìn)而對(duì)跑步損傷風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生影響。但目前鮮有針對(duì)步頻/步長(zhǎng)對(duì)下肢生物力學(xué)影響及其與跑步損傷關(guān)系的全面綜述。本研究通過對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)步頻/步長(zhǎng)對(duì)下肢生物力學(xué)影響的研究進(jìn)行系統(tǒng)回顧，一方面探討步頻和步長(zhǎng)的即刻改變對(duì)下肢跑步運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及肌電等的影響，另一方面，剖析長(zhǎng)時(shí)間步頻和步長(zhǎng)干預(yù)訓(xùn)練的生物力學(xué)適應(yīng)機(jī)制，歸納跑姿訓(xùn)練（步頻/步長(zhǎng)訓(xùn)練）在當(dāng)前國(guó)內(nèi)外生物力學(xué)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，以期為降低跑步受傷風(fēng)險(xiǎn)以及損傷康復(fù)提供參考。

1 文獻(xiàn)檢索和梳理方法

1.1 文獻(xiàn)檢索策略

本研究檢索的英文數(shù)據(jù)庫(kù)為PubMed、Web of Science和EBSCO 等，時(shí)間為1985年1月1日～2018年12月31日，檢索的英文關(guān)鍵詞為“running”AND“step rate” OR “step frequency” OR “stride rate” OR“stride frequency”O(jiān)R“cadence”O(jiān)R“step length”O(jiān)R“stride length”；檢索的中文數(shù)據(jù)庫(kù)為中國(guó)知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)庫(kù)和維普期刊等，時(shí)間為1985年1月1日～2018年12月31日，檢索的中文關(guān)鍵詞為“跑（跑步）”并含“步頻”或含“步長(zhǎng)”或含“步幅”。檢索設(shè)定為題目、摘要及關(guān)鍵詞。

1.2 文獻(xiàn)剔除標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)上述關(guān)鍵詞，對(duì)中英文數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，剔除重復(fù)文獻(xiàn)后共獲得英文文獻(xiàn)3579篇，獲得中文文獻(xiàn)1008篇。對(duì)所得的文獻(xiàn)按照以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行剔除：1）綜述、評(píng)論以及會(huì)議文章；2）個(gè)案研究文章；3）研究走、原地跑或短跑的文章；4）研究方法中未包含步頻或者步長(zhǎng)改變的文章；4）評(píng)價(jià)參數(shù)未納入下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)的文章。依照上述標(biāo)準(zhǔn)剔除相關(guān)文獻(xiàn)后共獲得中、英文文獻(xiàn)51篇。

1.3 文獻(xiàn)最終納入標(biāo)準(zhǔn)

按照以下標(biāo)準(zhǔn)對(duì)上述文獻(xiàn)進(jìn)行最終篩選：1）慢跑或長(zhǎng)跑；2）步頻或步長(zhǎng)改變；3）下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)；4）運(yùn)動(dòng)學(xué)；5）動(dòng)力學(xué)；6）肌電。經(jīng)過最終篩選確認(rèn)和系統(tǒng)整理得到英文文獻(xiàn)39篇，其中步頻/步長(zhǎng)即刻改變相關(guān)研究33篇，步頻/步長(zhǎng)長(zhǎng)期干預(yù)訓(xùn)練相關(guān)研究6篇。

2 步頻/步長(zhǎng)改變對(duì)下肢生物力學(xué)的即刻影響（Acute effects）

研究發(fā)現(xiàn)，在恒定速度下即刻改變步頻和步長(zhǎng)可以引起跑步相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和肌電的變化（見表1）。恒定速度下，步頻和步長(zhǎng)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即步頻增加則步長(zhǎng)減少，反之亦然。所以，即刻增加步頻和縮短步長(zhǎng)能觀察到類似的結(jié)果。下文中涉及步頻/步長(zhǎng)的改變均是在恒定速度下進(jìn)行的研究。

2.1 沖擊特征

研究表明，即刻改變步頻和步長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致跑步動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù)的變化。沖擊力是影響跑步損傷最重要的因素之一，在后跟著地的跑步姿勢(shì)中，常用沖擊峰值來表征沖擊力的大小，其值隨步頻的增加而降低[13]，隨步長(zhǎng)的增加而增加[20]。但在足中著地和前掌著地的跑步姿勢(shì)中，往往觀察不到?jīng)_擊峰值，所以現(xiàn)階段，除了沖擊峰值，垂直負(fù)載率也作為評(píng)價(jià)跑步?jīng)_擊的重要參數(shù)之一。類似地，負(fù)載率的大小也隨步頻的增加而降低[13]。另外，前后方向的地面反作用力也受步頻和步長(zhǎng)的影響，制動(dòng)力峰值隨步長(zhǎng)增加而增加[18]，同樣地，Lieberman 等[21]發(fā)現(xiàn)制動(dòng)力隨著步頻的增加而降低，另一研究還發(fā)現(xiàn)制動(dòng)沖量隨步頻增加而降低[22]。制動(dòng)力的降低意味著跑步中受到的阻力減少，人體克服阻力做功也相應(yīng)減少，這對(duì)提高跑步經(jīng)濟(jì)性有積極作用。

加速度是表征力變化的一個(gè)參數(shù)，其值大小受步頻和步長(zhǎng)的影響。Clarke等[23]發(fā)現(xiàn)步頻增加5%和10%后，小腿加速度峰值顯著降低；另一研究在步頻增加10%和20%后也觀察到了相同的結(jié)果[24]。沖擊力衰減是跑步中身體與地面接觸，吸收沖擊能量并降低沖擊波振幅的一個(gè)過程[25]。沖擊力衰減隨步長(zhǎng)的降低而降低[26，27]，而下肢髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)吸收的能量隨步頻的增加而降低[22]。加速度、沖擊力衰減和關(guān)節(jié)能量吸收均隨步頻的增加或步長(zhǎng)的減少而降低，三者都與跑步過程中的沖擊特征有著直接或間接的聯(lián)系，這也從側(cè)面說明了步頻增加或步長(zhǎng)縮短可以減小跑步?jīng)_擊。

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)

有研究發(fā)現(xiàn)觸地時(shí)間以及跑步過程中下肢各關(guān)節(jié)角度受步頻和步長(zhǎng)的影響。觸地時(shí)間指一個(gè)跑步周期中支撐期的時(shí)間，是跑步彈簧-質(zhì)量模型中的一個(gè)重要參數(shù)[28]，并與下肢剛度有著密切聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)觸地時(shí)間隨著步頻的增加顯著性縮短[29]，這對(duì)提高跑步效率有積極作用。脛骨應(yīng)力骨折是常見的跑步損傷之一，有研究發(fā)現(xiàn)有脛骨應(yīng)力骨折史的跑者具有更大的峰值髖內(nèi)收角[30]；現(xiàn)階段研究表明髖內(nèi)收角隨步頻的增加而顯著性減小[22，31]，同時(shí)也隨步長(zhǎng)的縮短而顯著性減小[32][20]，這提示增加步頻可能在一定程度上降低脛骨應(yīng)力骨折風(fēng)險(xiǎn)。另外，Edwards 等[33]通過模型計(jì)算直接觀察到，步長(zhǎng)減少10%可以降低3%～6%應(yīng)力骨折風(fēng)險(xiǎn)，這也間接證明了提高步頻可以降低應(yīng)力骨折風(fēng)險(xiǎn)。此外，步頻增加10%，觸地時(shí)屈髖角度顯著性減小，支撐期峰值屈髖、屈膝、膝外展以及足背屈角度也顯著性減小[34-36]。而步長(zhǎng)減小10%，骨盆前傾角度顯著性減小，峰值伸髖角度顯著性增加[17]。其中由步頻和步長(zhǎng)改變引起的足背屈角的變化有可能使跑者的著地方式發(fā)生轉(zhuǎn)變。Allen 等[37]觀察了40名后跟著地跑者在步頻增加5%、10%以及15%后的著地姿勢(shì)，發(fā)現(xiàn)有17.5%的跑者在步頻增加10%后轉(zhuǎn)變?yōu)榉呛蟾刈藙?shì)，步頻增加15%后有30%的跑者轉(zhuǎn)變?yōu)榉呛蟾刈藙?shì)。

2.3 關(guān)節(jié)力學(xué)

膝關(guān)節(jié)由髕股關(guān)節(jié)和脛股關(guān)節(jié)組成，是人體最復(fù)雜的關(guān)節(jié)之一，也是跑步損傷頻發(fā)的部位，步頻和步長(zhǎng)改變能顯著影響膝關(guān)節(jié)力學(xué)特征?？傮w上，膝關(guān)節(jié)峰值力矩隨步頻的增加或步長(zhǎng)的縮短而降低[18]。一些學(xué)者通過模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)，步頻增加10%后，髕股關(guān)節(jié)峰值接觸力和接觸壓力顯著性降低[35，38]。另一研究發(fā)現(xiàn)步頻增加7.5%后，脛股關(guān)節(jié)峰值接觸壓力顯著性降低[39]。同樣地，步長(zhǎng)縮短10%后，髕股關(guān)節(jié)峰值力和壓力以及每公里髕股關(guān)節(jié)力和壓力均顯著性降低[12，40]，脛股關(guān)節(jié)上也觀察到了類似的結(jié)果[41]。另外，Bowersock等[42]以前交叉韌帶重建術(shù)后患者為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)在步長(zhǎng)縮短后，其髕股關(guān)節(jié)和脛股關(guān)節(jié)峰值接觸力、沖量以及每公里沖量都顯著性降低。上述研究發(fā)現(xiàn)，步頻增加或者步長(zhǎng)縮短可以顯著性降低膝關(guān)節(jié)力和壓力，這可為膝關(guān)節(jié)損傷的預(yù)防和康復(fù)提供參考。

足是跑步中人體唯一與地面直接作用的部位，該區(qū)域的壓力大小及其分布特點(diǎn)對(duì)多種損傷尤其是足底筋膜炎有重要影響。步頻增加后，足底力和壓力總體呈下降趨勢(shì)，但各研究由于選擇的步頻調(diào)整范圍不同，觀察到了足底不同部位力和壓力的變化。其中Wellenkotter等[43]觀察到了跖骨區(qū)域峰值力和壓力的降低，而Gerrard 等[44]則發(fā)現(xiàn)了足后部和足中部峰值力以及足后部峰值壓力的降低。步長(zhǎng)調(diào)整后也有類似的發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)irminger 等[45]通過有限元模擬發(fā)現(xiàn)，步長(zhǎng)縮短10%，第四跖骨應(yīng)變顯著性降低4.2%。跟腱是人體得以自由跑跳的一個(gè)重要部位，自然步頻的改變也會(huì)影響跟腱的應(yīng)力和應(yīng)變，Lyght 等[46]計(jì)算發(fā)現(xiàn)，步頻增加5%，跟腱的峰值應(yīng)力和應(yīng)變顯著性降低。同樣，髖關(guān)節(jié)也受步頻和步長(zhǎng)的影響，其峰值內(nèi)收力矩和內(nèi)旋力矩隨步頻的增加而顯著性降低[22]。

步頻和步長(zhǎng)改變后，肌骨系統(tǒng)彈簧-質(zhì)量模型中的力學(xué)參數(shù)即下肢剛度會(huì)發(fā)生改變。觸地時(shí)間是決定下肢剛度的一個(gè)重要因素，降低觸地時(shí)間可以顯著性增大下肢剛度[29]。Morin 等[29]發(fā)現(xiàn)步頻增加后，觸地時(shí)間顯著性縮短，計(jì)算得出的下肢剛度顯著性增加。另外，同樣有學(xué)者發(fā)現(xiàn)下肢剛度隨步頻增加而增加[47，48]。

2.4 肌力與肌電學(xué)

研究表明，跑步相關(guān)肌肉力量可以通過下肢肌骨模型計(jì)算得出，Lenhart等[35，49]計(jì)算發(fā)現(xiàn)步頻增加10%，擺動(dòng)階段屈髖肌群、腘繩肌以及伸髖肌群的峰值力顯著性增加，而支撐初期臀部肌肉以及梨狀肌峰值力和做功顯著性降低。這些結(jié)果可為臨床工作人員針對(duì)跑步損傷開具運(yùn)動(dòng)處方或制訂干預(yù)訓(xùn)練計(jì)劃提供參考。

肌電圖是表征運(yùn)動(dòng)中肌肉活躍度的一個(gè)重要參數(shù)，步頻改變后，各肌肉的激活程度同樣會(huì)產(chǎn)生適應(yīng)性變化。Masumoto 等[50]發(fā)現(xiàn)步頻增加10%后，股直肌和股二頭肌活躍度增強(qiáng)，步頻降低10%后股直肌和脛骨前肌活躍度增強(qiáng)。另外，Chumanov 等[19]發(fā)現(xiàn)步頻增加10%后，擺動(dòng)末期股直肌、臀大肌、臀中肌以及腓腸肌內(nèi)側(cè)頭活躍度增強(qiáng)，而臀大肌和臀中肌活躍度增強(qiáng)，提示可以將增加步頻作為一種治療膝前痛的干預(yù)訓(xùn)練方法。

上述研究中，步頻或步長(zhǎng)都是在自選步頻/步長(zhǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的范圍在±5%～±30%之間。這些研究表明步頻或步長(zhǎng)的改變對(duì)跑步運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及肌電學(xué)都產(chǎn)生了顯著性影響，尤其是與跑步損傷密切相關(guān)的參數(shù)如沖擊峰值、負(fù)載率、膝關(guān)節(jié)接觸壓力以及髖內(nèi)收角等，都隨著步頻的增加或步長(zhǎng)的減小而顯著性降低。這提示步頻的增加或步長(zhǎng)的減小可以降低跑步相關(guān)損傷的風(fēng)險(xiǎn)，也為將增加步頻或減小步長(zhǎng)作為一種治療跑步相關(guān)損傷的訓(xùn)練手段提供了理論依據(jù)。

表1 步頻/步長(zhǎng)即刻改變對(duì)下肢生物力學(xué)的影響

（續(xù)表1）

3 步頻/步長(zhǎng)改變對(duì)下肢生物力學(xué)的長(zhǎng)期效果（Long-term effects）

近些年來，隨著極簡(jiǎn)跑鞋的發(fā)展，步態(tài)再訓(xùn)練逐漸增多。研究發(fā)現(xiàn)，將改變步頻和步長(zhǎng)作為一種干預(yù)訓(xùn)練方式進(jìn)行再訓(xùn)練后，可以觀察到運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù)的顯著性變化（見表2）。

3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)

研究顯示，步頻和步長(zhǎng)再訓(xùn)練會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)產(chǎn)生一定影響。Hafer 等[51]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過6 周步頻再訓(xùn)練（步頻增加10%）后觸地時(shí)踝背屈角以及峰值髖內(nèi)收角顯著性減小。類似地，另一研究也發(fā)現(xiàn)峰值髖內(nèi)收角在8次步頻再訓(xùn)練（步頻增加7.5%）后也顯著性減小[52]。此外，也有研究以受傷跑者為研究對(duì)象，Neal 等[53]對(duì)患有髕股關(guān)節(jié)疼痛癥的跑者進(jìn)行為期6 周的步頻再訓(xùn)練（步頻增加7.5%），結(jié)果顯示訓(xùn)練后峰值屈膝角、峰值髖內(nèi)收角以及峰值髖內(nèi)旋角顯著性減小。其中訓(xùn)練后峰值髖內(nèi)收角的減小提示此訓(xùn)練方式可以降低跑者患脛骨應(yīng)力骨折的風(fēng)險(xiǎn)[30]。

3.2 動(dòng)力學(xué)

與即刻改變步頻和步長(zhǎng)結(jié)果類似，步頻和步長(zhǎng)再訓(xùn)練后也會(huì)引起沖擊特征和關(guān)節(jié)力學(xué)等的變化。Willy等[52]將30名高沖擊力跑者（瞬時(shí)負(fù)載率≥85倍體重/秒）隨機(jī)分為訓(xùn)練組和對(duì)照組，訓(xùn)練組進(jìn)行8次步頻再訓(xùn)練（步頻增加7.5%），結(jié)果發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練組在訓(xùn)練后以及訓(xùn)練后一個(gè)月的瞬時(shí)和平均負(fù)載率顯著性降低。同樣地，Hafer[51]等選取了6名后跟著地的低步頻（150～170步/分鐘）跑者，對(duì)其進(jìn)行為期6周的步頻再訓(xùn)練（步頻+10%），發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練后跑者步頻增加了2.4%，并且負(fù)載率顯著性降低。上述兩項(xiàng)研究均發(fā)現(xiàn)步頻再訓(xùn)練后負(fù)載率顯著性降低，這說明步頻再訓(xùn)練能顯著性改善跑步的沖擊特征。另外有研究將改變跑步姿勢(shì)和增加步頻結(jié)合，作為一種新的再訓(xùn)練方法。Warne[54]等對(duì)兩組跑者同時(shí)進(jìn)行6 周的前掌跑加增加步頻的訓(xùn)練，一組穿著極簡(jiǎn)鞋，另一組穿著普通跑鞋，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩組跑者的沖擊峰值均顯著性減小。類似地，該學(xué)者以相同的方式對(duì)兩組跑者進(jìn)行4 周訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練后兩組跑者的最大足底壓力均顯著性降低[55]。有研究發(fā)現(xiàn)足底壓力隨步頻的增加顯著性降低[44]，所以在Warne的研究中究竟是前掌跑還是增加步頻對(duì)足底壓力降低貢獻(xiàn)更大還需要進(jìn)一步探討。另外，Willy 等[56]還發(fā)現(xiàn)跑者增加10%步頻進(jìn)行8次訓(xùn)練后，脛股關(guān)節(jié)總的以及內(nèi)側(cè)的峰值接觸力分別降低了7.6%和8.2%，另外脛股關(guān)節(jié)總的以及內(nèi)側(cè)的峰值接觸力沖量都降低了10.6%。

上述研究主要發(fā)現(xiàn)增加步頻干預(yù)訓(xùn)練后，跑步?jīng)_擊特征得到改善，部分關(guān)節(jié)力學(xué)參數(shù)值顯著性降低，另外一些關(guān)節(jié)角度參數(shù)如髖內(nèi)收角等也顯著性降低，這說明步頻和步長(zhǎng)再訓(xùn)練能起到降低跑步損傷風(fēng)險(xiǎn)的作用。但是目前，有關(guān)步頻和步長(zhǎng)再訓(xùn)練的研究總體較少，而且主要都是通過播放一定頻率的音頻來改變步頻，沒有將直接改變步長(zhǎng)作為干預(yù)方式的研究；此外，幾乎所有研究都未涉及肌電的評(píng)價(jià)，后續(xù)有待更多研究就此進(jìn)行深入探討。

表2 步頻和步長(zhǎng)再訓(xùn)練對(duì)下肢生物力學(xué)的影響

4 總結(jié)

步頻和步長(zhǎng)作為跑步中最重要的兩個(gè)參數(shù)，在恒定速度下兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，改變其中任何一個(gè)，就能引起跑步中下肢生物力學(xué)參數(shù)的變化。短時(shí)間改變步頻和步長(zhǎng)以及步頻和步長(zhǎng)的長(zhǎng)期干預(yù)訓(xùn)練后能得到類似變化結(jié)果，即增加步頻或縮短步長(zhǎng)后，與跑步損傷相關(guān)的參數(shù)如地面反作用力峰值、負(fù)載率、膝關(guān)節(jié)接觸力、足底壓力以及髖內(nèi)收角等顯著降低，提示增加步頻或者縮短步長(zhǎng)能降低跑步相關(guān)損傷風(fēng)險(xiǎn)，可以為應(yīng)力骨折、髕股關(guān)節(jié)疼痛以及足底筋膜炎等跑步損傷的預(yù)防與康復(fù)提供參考?，F(xiàn)階段的研究中能顯著引起下肢生物力學(xué)改變的步頻最小變化量為5%～10%。目前步頻/步長(zhǎng)干預(yù)訓(xùn)練的研究存在著受試者數(shù)量較少、干預(yù)訓(xùn)練時(shí)間較短及評(píng)價(jià)參數(shù)欠缺等不足，如何使步頻/步長(zhǎng)在一個(gè)較優(yōu)范圍、如何評(píng)價(jià)步頻/步長(zhǎng)改變的累積效應(yīng)以及如何更合理地安排步頻/步長(zhǎng)干預(yù)訓(xùn)練從而進(jìn)一步避免可能的跑步損傷，均有待進(jìn)一步深入研究。