不同认知任务跑步时髌股关节痛患者下肢运动学和动力学特征
作者： 范婷 张美珍 张力文 刘卉
摘 要：明确髌股关节痛患者在不同认知任务跑步时下肢运动学和动力学特征的影响，旨在寻找降低髌股关节痛患者跑步时髌股关节应力的运动模式。招募46名男性髌股关节痛患者为实验对象，运用红外光点运动捕捉系统（Nokov Mars2H）和三维测力台（Bertec）获得其在无任务、音乐任务和心算任务跑步时的运动学和动力学特征。采用重复测量方差分析确定不同认知任务对下肢运动生物力学参数的影响，通过Pearson双变量相关探究下肢运动生物力学特征与髌股关节应力的关系。结果显示：（1）与无任务相比，音乐任务与心算任务均使髌股关节痛患者步长增大（P＜0.001）；音乐任务还使其膝关节屈角增加（P=0.005）、踝关节跖屈力矩减小（P=0.022）；心算任务减小髋关节内收力矩（P＜0.05）和步频（P＜0.001）。（2）无论何种认知任务，步长、膝关节屈曲角与髌股关节应力峰值正相关（P＜0.05），踝关节跖屈力矩（P＜0.05）与髌股关节应力峰值呈负相关。心算任务下，髋关节内收力矩（R2=0.162，P=0.006）和步频（R2=0.123，P＜0.017）等与髌股关节应力峰值呈负相关。研究认为：髌股关节痛患者在音乐任务跑步时膝关节屈曲、踝关节背屈和步长增加可能会增大髌股关节应力，在心算任务跑步时较小的髋关节内收、长步长和慢步频等运动特征，可能使髌股关节应力增加。建议髌股关节痛患者在听音乐跑步时，应采用膝关节更为直立的动作模式降低髌股关节应力，还应注意减小步长。此外，还可通过增强髋关节内收及踝关节跖屈肌群的力量来减小髌股关节应力，预防跑步时思维游离引起的疼痛复发。
关 键 词：运动生物力学；髌股关节痛患者；髌股关节应力；认知任务；跑步
中图分类号：G804.6；G804.5 文献标志码：A 文章编号：1006-7116（2023）03-0136-09
Lower-limb kinematic and dynamics characteristics for patellofemoral joint pain patients during running with 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
跑步已成为全世界最流行的体育运动之一。据统计，我国2020年共举办马拉松赛事442场，总参赛规模达136.23万人次[1]。此外，欧美国家定期跑步人数也占其国家总人口的12.5%[2]。据报告显示，每年因跑步导致的下肢损伤率高达79%[3]，损伤类型包括内侧胫骨应力性综合征、跟腱炎、足底筋膜炎及髌股关节痛等，其中髌股关节痛占比高达25%[4]。70%～90%的髌股关节痛患者会出现疼痛复发或慢性症状，进而增加患髌股关节炎的风险[5]，而每年髌股关节痛患者的人均医疗费用高达300欧元[6]。可见，髌股关节痛不仅对患者的正常工作和生活造成巨大影响，还会产生高昂的医疗费用和社会经济成本，所以如何有效预防髌股关节痛患者疼痛复发引起诸多学者的关注。
有研究指出，髌股关节疼痛复发可能与跑步强度大、膝关节损伤史及跑步时的认知干扰有关，其中认知干扰引起疼痛较剧烈且较为常见，特别是在室外跑步时[7]。调查显示与室内跑相比，室外跑步不可避免地会受到音乐干扰、思考事件、注意红绿灯等多种干扰[7]。据统计，习惯在跑步时佩戴音乐设备的跑者约占总体的58.9%[8]。问卷调查显示，33%的跑者认为音乐是运动中不可剥离的重要部分[9]，其中快节奏音乐的使用率最为突出，可达40.7%[8]。有研究认为，长距离跑步对跑者的认知要求不高且通常在熟悉的环境中进行，这种运动条件易使跑者产生思维游离，即思考跑步任务和环境以外的事件[10]。这些认知干扰可能会降低跑者的信息处理能力，使跑者无法正确协调肌肉收缩和及时调整关节运动幅度以缓冲着地时的负荷[11]，造成跑步时髌股关节应力（patellofemoral joint stress，PFJS）增大[12]，增加髌股关节痛损伤风险，致伤率甚至高达36%[13]。有研究提出，认知干扰导致的下肢运动学及动力学改变可能是引起髌股关节应力增大的诱因[14]。Shinya等[15]发现，认知任务下（判断路况）行走时髌股关节痛患者表现出更大的膝关节屈角，导致髌股关节反作用力增大，并且在屈膝60°和90°时髌股关节应力会达到峰值[16]。刘鑫玥等[17]发现，认知任务（手持水杯、回忆数字）可增加青年动态稳定性及减小髌股关节应力。而Suda等[18]对健康人群膝前注射高渗透盐水溶液（1 mL，6%）以诱发实验性髌股关节痛，发现认知干扰降低受试者的姿势稳定性，特别是疼痛状态下会导致髌股关节应力增加。
目前认知任务导致的下肢运动生物力学变化尚未达成共识。究其原因，一方面可能是部分研究通过健康人群模拟膝前疼痛状态，探讨暂时性髌股关节痛引起的下肢运动特征变化，进而尝试得出髌股关节痛患者相关结论[19]。Nakagawa等[20]已证实，与健康对照组相比髌股关节痛患者在踏步过程中运动特征呈现出与健康人群不同的动作模式。因此，短暂诱导健康人群膝前疼痛，无法准确为髌股关节痛患者提供临床建议，可能是导致以往研究未达成共识的原因之一。另一方面，前人研究主要采用手持水杯、回忆数字等认知任务，这些认知任务仅在步行时较为常见，其结论并不能应用于跑步动作中，而跑步时常见的音乐干扰、思考事件等认知任务未得到广泛关注。已有研究指出，音乐干扰和思考事件对认知资源的影响存在差异，音乐任务是一种不占据认知负荷但会导致信息干扰的听觉刺激，而思考事件则需在短时间内占用大量的认知资源[21]。多资源理论认为，认知资源的分配方式不同将导致大脑对跑步动作的处理能力出现差异[22]，这使不同任务对髌股关节痛患者跑步特征的影响变得不明了。因此，需要更多研究对跑者施加快节奏的音乐干扰以及心算的认知干扰，尝试理解快节奏音乐、思考事件对髌股关节痛患者下肢运动特征的影响，可以为降低髌股关节痛患者跑步时髌股关节应力提供更有针对性的现实依据。
本研究尝试探索音乐任务和心算任务对髌股关节痛患者跑步时下肢运动学及动力学特征的影响，并分析下肢特征与髌股关节应力的关系，为减小在不同任务下跑步时髌股关节应力提供借鉴。根据以往文献及本研究目的拟验证以下假设：认知任务，特别是心算任务对髌股关节痛患者下肢运动学和动力学特征的影响尤为突出；同时心算任务导致的步长增大、髋关节内收力矩减小等特征可能会增大髌股关节应力。
1 研究对象与方法
1.1 研究对象
选取患有髌股关节痛的男性业余跑步爱好者为实验对象，其近1个月内每周跑步量维持在20 km以上，同时需满足以下纳入标准[23]：（1）跑步、跳跃、久坐、上下楼梯、抗阻伸膝和单腿下蹲中，至少有2个动作出现过髌后或髌周疼痛；（2）疼痛症状至少存在3个月以上，且与直接创伤无关；（3）有无疼痛或疼痛程度与跑步量或运动强度有关。若存在以下任何1种情况则需剔除：（1）存在其他膝关节病变，如类风湿、关节炎及髌腱、股四头肌肌腱、半月板或韧带损伤；（2）存在髌骨半脱位或脱位情况；（3） 1年内进行过下肢手术。由1位专业测试人员进行筛查，根据上述标准纳入46名受试者，年龄为（21.4±2.6）岁，身高为（178.3±3.2）cm，体重为（74.7±6.6）kg。所有受试者测试前均签署知情同意书，且本研究已通过太原理工大学学术委员会伦理审查。