采用先进鞋类技术的男性长跑运动员大腿肌肉反应的T2加权磁共振成像研究

《Gait & Posture》：T2-weighted MR imaging of thigh muscle response in male distance runners wearing advanced footwear technology

本研究比较了竞走男性跑者在使用先进制鞋技术（AFTs）与传统跑鞋（TRADs）跑步后的股四头肌和腘绳肌T2弛豫时间变化，发现两种鞋类在肌肉代谢反应上无显著差异，提示AFTs的特定结构对 thigh肌肉代谢无直接影响，未来需进一步研究其他肌群。

　　

作者：李如悠（Lee Rou You）、野野弘明（Hiroaki Noro）、畑圭一郎（Keiichiro Hata）、山崎洋平（Yohei Yamazaki）、柳屋敏夫（Toshio Yanagiya） 所属机构：日本千叶县顺天堂大学健康与体育科学研究生院（Graduate School of Health and Sports Science, Juntendo University, Chiba, Japan）

摘要

背景

先进的鞋类技术（Advanced Footwear Technologies, AFTs）结合了高弹性的鞋垫和嵌入的碳纤维板，这些设计已知会改变膝关节的运动学特性及运动员的感知稳定性。然而，这些生物力学和感知上的差异是否会导致跑步时大腿肌肉的代谢反应发生变化，目前尚不明确。

目的

本研究旨在探讨，在男性长跑运动员进行地面跑步时，与传统的跑鞋（Traditional Running Shoes, TRADs）相比，先进鞋类技术（AFTs）是否会导致股四头肌和腘绳肌的代谢反应（通过磁共振成像指标T2值反映）发生更明显的改变。

方法

12名受过训练的男性长跑运动员分别穿着AFTs和TRADs，以3′20″/km（约18公里/小时）的速度进行两次10分钟的地面跑步测试，两次测试之间间隔6天。每次跑步前后均对右侧大腿进行T2加权磁共振成像（MR imaging）。检测并计算了股直肌（rectus femoris）、股外侧肌（vastus lateralis）、股内侧肌（vastus medialis）、股中间肌（vastus intermedius）、缝匠肌（sartorius）、内收肌（adductors）、股二头肌（biceps femoris）、半腱肌（semitendinosus）和半膜肌（semimembranosus）的T2值。

结果

研究未发现AFTs和TRADs对股四头肌、腘绳肌或其他大腿肌肉的代谢反应存在显著的交互作用（即鞋类类型与时间之间的影响）。在AFTs和TRADs两种条件下，股二头肌、半腱肌、半膜肌及内收肌的T2值均随时间发生变化。跑步速度、心率和主观用力感在两种鞋类之间没有差异。

结论

研究结果表明，跑步引起的股部肌肉T2值变化并未受到AFTs中碳纤维板与高弹性鞋垫相互作用的直接影响。

引言

近年来，许多马拉松和长跑比赛的纪录被穿着先进鞋类技术（AFTs，如Nike ZoomX Vaporfly）的运动员打破。AFTs的一个独特特点是采用了聚醚嵌段酰胺（PEBA）泡沫制成的厚实且高弹性的鞋垫材料，这种材料密度低、重量轻[1]。与传统跑鞋（TRADs）常用的乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）鞋垫和热塑性聚氨酯泡沫相比，PEBA鞋垫在制动过程中能够储存约两倍的机械能[1]。另一个特点是全长碳纤维板的存在，该碳纤维板具有较高的纵向弯曲刚度，提升了踝关节和跖趾关节的效率[2]。这两种技术的协同作用似乎会影响肌肉激活情况，尤其是在小腿部位[3]。相比TRADs，AFTs被认为可以减少腓肠肌的激活程度[3]；这一结论得到了跑步时AFTs组踝关节跖屈力矩较小以及踝关节负功和正功减少的证据支持[2]，这可能降低了腓肠肌的收缩速度[4]。因此，AFTs的性能优势也可能部分归因于其对跑步过程中足底屈肌代谢反应的改变。尽管AFTs的主要作用在于踝关节，但已有证据表明它们会改变膝关节的运动学特性：与TRADs相比，AFTs产生的膝关节伸展力矩更大[5]。由于长跑对足底屈肌的需求相对高于膝关节伸肌[6]，AFTs的“节省小腿肌肉”效果可能要求膝关节伸肌产生更多力量以维持跑步速度[5]。此外，AFTs还与运动员报告的腘绳肌酸痛和感知不稳定感相关[7, 8]；有些运动员形容穿着AFTs跑步的感觉类似于在沙地上跑步[7]，而沙地表面会增加股四头肌和腘绳肌的激活[9]，不过目前尚不清楚穿着AFTs时腘绳肌的代谢反应具体如何变化[8]。 基于现有研究，比较AFTs与TRADs对股四头肌和腘绳肌的影响是必要的。肌电图（electromyography, EMG）常用于测量跑步过程中各肌肉的激活时间和强度，但其在评估深层肌肉及全面了解肌肉募集情况方面存在局限性[10, 11]。另一种方法如糖原耗尽活检可以提供肌肉使用的信息，但其侵入性、有限的采样范围以及无法捕捉多块肌肉的激活模式限制了其在跑步研究中的应用[12, 13, 14]。相比之下，磁共振成像（magnetic resonance, MR）能够量化跑步时下肢肌肉的使用情况，可同时评估肌肉群中的表层和深层肌肉[15-18]。运动后骨骼肌的质子横向弛豫时间（T2）会增加，这与肌肉收缩密切相关[19-23]；此外，T2值还与肌肉内的Pi-to-PCr比值及pH值相关[21, 24]。因此，运动前后T2值的变化可以间接反映激活肌肉的代谢状态[25]。 本研究利用磁共振成像技术来验证AFTs是否会在跑步时导致股四头肌和腘绳肌的代谢反应比TRADs更明显，并探讨这种变化的具体机制。

参与者

参与者需满足以下条件：1) 是田径俱乐部的现役运动员；2) 最近5000米跑成绩在16分钟内；3) 研究期间无神经系统疾病、心血管疾病或下肢跑步相关损伤；4) 习惯穿着任何型号的AFTs跑步。最终共招募了12名男性长跑运动员（详见表1）。

T2弛豫时间

图3显示了在TRADs和AFTs条件下跑步前后九块大腿肌肉的T2值（平均值±标准差）。结果显示，无论是股直肌（F(1,44) = 0.23, p = 0.64, partial η2 = 0.005）、股外侧肌（F(1,44) = 0.40, p = 0.53, partial η2 = 0.009）、股内侧肌（F(1,44) = 0.43, p = 0.52, partial η2 = 0.010）还是股中间肌（F(1,44) = 1.51, p = 0.23, partial η2 = 0.033），均未发现鞋类类型与时间之间的交互作用。

讨论

本研究旨在探讨在男性长跑运动员以3′20″/km（约18公里/小时）的速度进行地面跑步后，AFTs与TRADs对股四头肌和腘绳肌的代谢反应影响。与假设相反，跑步后AFTs和TRADs组股四头肌和腘绳肌的T2值变化并无差异。尽管运动引起的T2值变化的具体机制尚不完全清楚，但运动前后T2值的增加提供了间接证据……

结论

这是首项利用T2加权磁共振成像技术，比较AFTs与TRADs对跑步后大腿肌肉代谢反应影响的研究。研究结果表明，跑步引起的股部肌肉T2值变化并未受到AFTs中碳纤维板与高弹性鞋垫相互作用的直接影响。未来需要进一步研究髋关节或小腿肌肉，以确定AFTs相关的生物力学变化是否会影响其他肌肉群。

作者贡献声明

- 李如悠（Lee Rou You）：负责撰写、审稿与编辑、项目管理和研究方法设计。 - 畑圭一郎（Keiichiro Hata）：负责撰写、审稿与编辑、项目管理和研究方法设计。 - 野野弘明（Hiroaki Noro）：负责撰写、审稿与编辑、项目管理和研究方法设计。 - 柳屋敏夫（Toshio Yanagiya）：负责撰写、审稿与编辑、研究监督、资金筹措及研究构思。 - 山崎洋平（Yohei Yamazaki）：负责撰写、审稿与编辑、研究方法设计。

利益冲突声明

李如悠、野野弘明、畑圭一郎、山崎洋平和柳屋敏夫声明不存在任何利益冲突。

致谢

作者感谢顺天堂大学田径俱乐部的运动员们参与本研究。

声明

李如悠、野野弘明、畑圭一郎、山崎洋平和柳屋敏夫声明不存在任何利益冲突。

涉及人类参与者的研究

所有涉及人类参与者的研究均获得了顺天堂大学健康与体育科学伦理委员会的批准（批准代码：JUGE:2022-99），并且研究过程符合相关伦理规范。