步频调控对长跑运动员膝关节软骨急性反应的影响

《Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports》：The Influence of Running Cadence Manipulation on Acute Cartilage Response in Distance Runners

　　

本研究探讨了跑步步频操控对长跑运动员股骨软骨变形的影响，并评估了膝关节生物力学与软骨特征之间的关联。31名跑者（15名女性和16名男性）以平衡顺序间隔2至7天分别完成了一次习惯性步频跑和一次高步频（+10%）跑。受试者在跑步前后接受了股骨滑车软骨的超声成像检查。通过一块测力跑台和一个8摄像头运动捕捉系统获取了峰值膝关节屈曲角（peak KFA）、峰值膝伸力矩（peak KEM）、峰值髌股关节力（peak PFJF）、峰值髌股关节应力（peak PFJS）以及累积髌股关节应力（cumulative PFJS）。一项2（条件）×2（时间）重复测量方差分析显示，跑步后内侧软骨厚度在不同条件下均有所减少（1.97（95% CI: 1.86, 2.09）vs. 1.89（95% CI: 1.78, 2.01）mm；平均差 = ?0.078（95% CI: ?0.130, ?0.026）mm，p = 0.005）。尽管生物力学指标之间存在差异（所有p < 0.001），但未发现条件的主效应或交互效应。较高的峰值和累积PFJS与高步频跑步后内侧软骨厚度的更大减少相关（p = 0.011）。较高的PFJS与较厚的内侧、中央和外侧软骨厚度相关（所有p < 0.05）。提高跑步步频可能是一种可行的干预措施，可以在降低外部关节负荷的同时，维持对膝关节软骨的内部刺激。软骨是无血管组织，依赖机械负荷促进营养扩散。因此，跑步过程中的关节应力可能有益于软骨发育。

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1. 研究背景与研究目的

跑步作为一种广受欢迎的健康促进方式，可有效降低心血管疾病、癌症及全因死亡率的风险。然而，跑步也伴随着较高的运动损伤发生率，其中膝关节是最易受累的部位，约占所有跑步相关损伤的24%。髌股关节疼痛（patellofemoral pain, PFP）是跑者中最常见的损伤之一，其病因复杂，而较高的髌股关节应力（patellofemoral joint stress, PFJS）被认为是重要的促成因素。

步态再训练常用于操控关节负荷以预防和管理PFP。例如，将跑步步频提高10%可降低膝关节所承受的总体力量幅度，具体表现为减小峰值膝关节屈曲角（peak knee flexion angle, peak KFA）和步长，使足部着地点更靠近身体重心。这些变化会改变地面反作用力的矢量方向，使其位于重心下方并在足部前方，从而将负荷需求从膝关节转移至踝关节。因此，高步频跑步时的膝伸力矩（knee extensor moment, KEM）低于习惯性步频跑步。然而，关节力代表的是不考虑关节大小的总体负荷幅度，而关节应力则考虑了单位关节面积上的力。因此，高步频跑步虽可能降低髌股关节力，但其对内部结构（如关节软骨）的应力影响尚不明确，因为生物力学模式会影响接触面积。外部与内部负荷指标之间存在已知的不一致性。

关节软骨充当减震器，在健康模型中，较高负荷与更厚的软骨相关联。由于软骨无血管，跑步提供的机械刺激有助于营养交换。在一次急性跑步后，软骨厚度因基质内间质液流出而减少。组织反应可能取决于负荷参数，因为关节软骨具有机械敏感性和粘弹性特性。提高步频虽降低了每步的峰值膝关节负荷，但增加了单位距离内的负荷循环次数。因此，尚不清楚每步负荷的减少是否足以抵消高步频跑步期间增加的额外负荷循环，累积负荷指标可能更适合理解高步频跑步对软骨反应的影响。

基于此，本研究的主要目的是检验步频操控（习惯性步频 vs. +10%步频）对跑者股骨滑车软骨变形的影响。次要目的是考察跑步时膝关节动力学（峰值PFJF、峰值PFJS、峰值KEM、峰值KFA）与静息状态下股骨滑车软骨厚度之间的关联。

2. 研究方法与技术路线

本研究采用受试者内交叉设计。所有受试者首先完成筛选环节以确定其习惯性跑步步频。随后，受试者以平衡顺序、间隔2至7天的洗脱期，分别完成两次跑步测试：一次为习惯性步频，另一次为步频提高10%（高步频）。每次测试流程包括30分钟关节卸载、跑前超声成像、热身、30分钟跑步、跑后超声成像及整理活动。

关键技术方法如下：

1. 1.
   受试者招募与筛选：从当地大学、田径俱乐部和跑团招募了48名无伤病的成年长跑爱好者，最终31人完成实验。纳入标准为：年龄18-35岁，每周至少跑步3次且周跑量≥16公里，持续至少6个月，筛选时步频≤170步/分钟。排除标准为：过去6个月内因跑步损伤导致错过超过一整周跑步、跑步时存在疼痛或不适、有下肢手术史。
2. 2.
   超声成像：使用Logiq E超声设备（GE Healthcare, Chicago, IL）配备12L-RS宽带线性阵列探头（频率12 MHz，深度4.0 cm，增益50），在受试者仰卧、膝关节屈曲140°的姿势下，获取股骨远端前部（介于内外侧股骨髁之间、髌骨上方）的股骨滑车软骨图像。通过皮肤标记确保跑前跑后探头放置的一致性，并由一名盲法评分员使用定制MATLAB程序手动描绘软骨-骨界面和滑膜腔-软骨界面，计算内侧、中央和外侧三个区域的软骨厚度。
3. 3.
   跑步生物力学采集：受试者穿着统一实验室标准跑鞋（Nike Air Zoom Pegasus 39），在测力跑台（Bertec, Columbus OH）上以自选速度跑步。使用8摄像头运动捕捉系统（Qualisys AB, Gothenburg, Sweden）同步采集三维运动学数据（采样率240 Hz）和地面反作用力数据（采样率2400 Hz）。
4. 4.
   步频操控：在跑步过程中使用节拍器提供听觉提示，引导受试者达到目标步频。通过实时监测地面反作用力计数来确认步频达标情况。
5. 5.
   数据处理与分析：使用Visual 3D软件进行模型构建和逆动力学分析，计算KEM等变量。基于已建立的肌肉骨骼模型，通过定制MATLAB脚本计算髌股关节力（PFJF）和髌股关节应力（PFJS）。累积PFJS由右脚触地次数与PFJS-时间曲线在支撑相的平均积分乘积估算得出。统计分析采用2×2重复测量方差分析和探索性皮尔逊相关分析。

3. 研究结果

3.1 人口统计学信息

31名受试者（16名男性，15名女性）的数据均呈正态分布，无异常值或缺失数据点。

3.2 生物力学变量

配对样本t检验结果显示，与高步频跑步相比，习惯性步频跑步条件下的峰值KFA（44.39° ± 4.29° vs. 40.81° ± 4.73°, p < 0.001）、峰值KEM（0.331 ± 0.07 BW × Ht vs. 0.287 ± 0.08 BW × Ht, p < 0.001）、峰值PFJF（4.42 ± 0.94 BW vs. 3.76 ± 0.86 BW, p < 0.001）和峰值PFJS（11.84 ± 3.29 MPa vs. 10.15 ± 2.64 MPa, p < 0.001）均显著更高。此外，习惯性步频跑步的累积PFJS也显著高于高步频跑步（5309.7 ± 1498.3 vs. 4557.5 ± 1417.9 MPa·sec, p = 0.008）。

3.3 急性软骨变形

跑前静息软骨厚度在两个跑步条件间无差异。重复测量方差分析未发现条件与时间的交互效应对内侧、中央或外侧软骨厚度有任何显著影响。也未发现条件的主效应。然而，在内侧软骨区域发现了显著的时间主效应（F_1,30 = 9.040, p = 0.005, 偏η² = 0.239），表明跑步后内侧软骨厚度在两个条件下均发生了显著减小（平均值从1.97 mm降至1.89 mm，平均差 = ?0.078 mm）。中央和外侧软骨区域未观察到显著的时间主效应。

3.4 生物力学指标与软骨厚度变化的关联

探索性相关分析发现，在高步频跑步条件下，较高的峰值PFJS（r = ?0.451, p = 0.011）和较高的累积PFJS（r = ?0.433, p = 0.015）与内侧软骨厚度更大的减少量（即更大的变形）显著相关。在习惯性步频跑步条件下或其他软骨区域，未发现其他显著的关联。

3.5 生物力学指标与静息软骨厚度的关联

探索性相关分析显示，在习惯性步频跑步条件下，较高的峰值PFJS与更厚的静息软骨厚度显著相关，这一关联在内侧（r = 0.432, p = 0.015）、中央（r = 0.373, p = 0.039）和外侧（r = 0.364, p = 0.044）三个区域均成立。峰值KFA、KEM和PFJF与任何区域的静息软骨厚度均无显著关联。

4. 讨论与结论

讨论总结：本研究发现，尽管高步频跑步显著降低了外部膝关节负荷（如峰值KFA、KEM、PFJF、PFJS及累积PFJS），但这种负荷的降低并未导致与习惯性步频跑步不同的急性股骨软骨变形反应。研究人员认为，两种跑步条件间的负荷差异幅度可能不足以引起可区分的软骨反应。尽管内侧软骨在两种条件下均发生了约4.1%的变形，该变化超过了先前报道的标准测量误差，但未达到最小可检测变化，可能不具有临床意义。研究还发现，在高步频跑步时，较高的峰值和累积PFJS与更大的内侧软骨变形相关，这可能归因于不同步频下膝关节接触模式的差异。此外，习惯性步频跑步时较高的峰值PFJS与更厚的静息软骨厚度相关，这支持了适度的关节应力可能有利于软骨营养输送和健康发展的观点。研究人员指出，增加步频可能是一种可行的干预策略，能在降低外部关节负荷以管理PFP的同时，维持足够的内部刺激以促进软骨恢复。

研究结论：总之，与习惯性步频跑步相比，高步频跑步降低了峰值KFA、KEM、PFJF、PFJS和累积PFJS。然而，外部关节负荷的降低并未引发不同的急性股骨软骨反应。无论步频条件如何，跑步后内侧软骨均发生了相似的变形。研究还发现，在高步频跑步中，较高的峰值和累积PFJS与更大的内侧软骨变形相关，这可能是由于不同条件下关节接触模式的差异所致。此外，习惯性步频跑步时较高的峰值PFJS与整个髌股关节更厚的静息软骨厚度相关。步频操控可能是一种可行的干预措施，能够在降低外部关节负荷的同时维持可比的内部软骨反应。寻求在急性期减少髌股关节负荷的运动员和教练可通过使用听觉节拍器来采用更高的步频，这可能为伤后恢复或负荷管理带来益处。