運動生理週訊(第292期)
跑步應該用腳跟或腳尖先著地呢？(April.19.2014)
王順正、林玉瓊
跑步時，使用腳跟或腳尖先著地？一直是大家熱烈討論的課題。一般來說，跑步時的著地方式，分為腳尖著地 (forefoot strike, FFS)、腳掌著地 (midfoot strike, MFS)、腳跟著地 (rearfoot strike, RFS) 三種。
Altman與Davis (2012a、2012b) 、Richardson (2013) 在研究中，進行三種跑步著地方式的操作性定義 (著地指數，strike index, SI。指著地瞬間的垂直壓力中心位置至腳跟距離與腳掌長度的比值)，以腳著地瞬間的著地腳垂直壓力中心，落在腳掌的位置 (以33%、67%來分界) 來定義，RFS (腳跟著地)、MFS (腳掌著地)、FFS (腳尖著地) 是指著地瞬間的垂直方向壓力中心，落在腳掌的後1/3 (SI小於0.33)、中1/3 (SI大於0.33、小於0.67)、或者前1/3 (SI大於0.67，參考下圖) ，而且，Altman與Davis (2012b) 的研究同時提出RFS、MFS、FFS，在著地過程的垂直方向作用力變化 (下圖中) 差異，主要在於著地瞬間的碰撞、以及垂直反作用上升率的差異 (RFS最大、MFS其次、FFS最小)；研究同時也提出赤足跑步者 (barefoot runner, BF) 的地面垂直反作用力變化，與FFS的垂直反作用力變化極為類似。儘管這種透過著地腳壓力中心的評估方式相當明確，可是實際進行一般人的評量時，由於測力板系統的不普遍性，在實際執行上有其限制。
跑步著地方式的操作性定義 (左中Altman與Davis，2012a、2012b；右Richardson，2013)
除了垂直方向壓力中心的操作性定義之外，Altman與Davis (2012a)、Richardson (2013) 皆提出以著地瞬間著地腳的踝關節角度 (foot strike angle, FSA)，來確認跑者的著地方式。Altman與Davis (2012a) 的研究發現，RFS者的FSA大部分大於10度 (腳尖向上)，FFS者的FSA則大部分小於零度 (著地瞬間腳尖向下)，而且FSA與SI呈現線性的正比關係 (FSA角度越大、SI的百分比越小)。這種透過攝影分析即可基本定義著地方式的方法，顯然更適合一般愛好跑步運動者應用。
跑步著地時踝關節角度與 (Altman與Davis，2012a)
跑步者若以著地瞬間的壓力中心位置，定義跑步著地是使用腳尖、腳掌、或者腳跟時，跑者仍然需要知道腳著地瞬間的碰撞之後，很快的著地腳成為支撐腳，著地腳的壓力中心會轉移到腳掌中央 (RFS、FFS著地都會將壓力中心轉移到腳掌中心，也就是FFS的壓力中心會先向後移動) ，再進一步移到腳尖的現象 (下圖左，Cavanagh與Lafortune, 1980)。如果，跑步者以腳踝關節的角度作為評估腳跟或腳尖著地的依據時，在踝關節以向上 (RFS) 或向下 (FFS) 碰撞之後，很快的著地腳的踝關節角度會轉移向上；Hamill與Gruber (2012) 的研究即發現，著地腳只有在支撐期的碰撞初期，出現踝關節角度上的明顯差異，很快的 (支撐期的20%)，當著地腳在逐漸支撐體重之後，踝關節的角度變化就不會有RFS與FFS的差異 (下圖右)。由此可見，跑步時著地瞬間採用腳跟或腳尖著地，主要影響的是腳與地面接觸的初期碰撞。
壓力中心、踝關節角度評量跑步著地過程
(左Cavanagh與Lafortune, 1980；右Hamill與Gruber, 2012)
Lieberman等 (2010) 以美國與肯亞的跑步選手為對象，發現SI百分比與著地碰撞時體重的有效轉移有顯著影響 (右圖，赤足FFS者的M
eff顯著低於赤足RFS者)；赤足RFS、穿鞋RFS、赤足FFS的地面垂直反作用力，以FFS的方式著地時顯著低於赤足、穿鞋RFS著地方式 (下右上圖)；穿鞋RFS、赤足FFS在著地時的垂直反作用上升率則顯著低於赤足RFS著地方式 (下右下圖)。依據著地瞬間的碰撞負荷來看，穿鞋可以顯著降低垂直反作用力的上升率，以FFS方式著地則不僅可以降低垂直反作用力的上升率，還可以降低垂直碰撞的反作用力最大值。這種以跑者的著地瞬間動作為分類的比較方式，雖然有一定程度的代表性與科學依據，可是跑者的體型差異、動作技術差異、體能差異等 (實驗設計的問題)，仍然有可能影響到地面垂直反作用力的產生速率與大小。實際上，目前有相當多有關赤足跑步與穿鞋跑步的相關研究，對於赤足跑步是否可以降低跑步傷害的問題，仍有待更多的研究成果來釐清 (Altman & Davis, 2012b; Hamill & Gruber, 2012)。
赤足RFS、穿鞋RFS、赤足FFS的地面垂直反作用力比較 (Lieberman等，2010)
跑步的速度改變會不會改變腳著地的方法呢？Forrester與Townend (2013) 以85名休閒跑者 (男生55名、女生30名) 為對象，進行2.2 m/s到6.1 m/s、每次增加速度0.44 m/s的方式、共10次漸增速度、每個速度跑60秒的跑步測驗，透過高速攝影機進行腳著地時的踝關節角度、步頻、步幅、以及碰撞時間的紀錄；依據著地瞬間踝關節角度的狀況，分別將受試者分類到RFS、MFS、以及FFS的組別。研究結果發現當跑步的速度小於5 m/s時，RFS、MFS、FFS的人數比例 (總人數85人) 為68%、25%、7%；當跑步速度大於5 m/s時，RFS、MFS、FFS的人數比例 (總人數48人) 則變化到44%、51%、5%。由此可見，增加跑步的速度會讓RFS的人數降低，但是並不會增加FFS的人數。
Perl, Daoud與Lieberman (2012) 以15名赤足或穿minimally shod訓練平均2.1年經驗的跑者為受試對象，在跑步機上分別穿著一般慢跑鞋、minimally shod，以3.0 m/s的速度 (步頻每分鐘186.8±12.6步) 進行RFS、或者FFS的跑步至少5分鐘，記錄四種狀況下跑步過程的穩定狀態攝氧量，研究結果發現不管以RFS、或者FFS著地跑步，穿著minimally shod時的運動經濟性顯著提昇了3.32% (FFS)、以及2.41%(RFS)，但是RFS、FFS著地跑步的運動經濟性則沒有顯著差異。
Gruber等 (2013) 則以37位跑者 (19位RFS跑者SI平均12.4±7.8 %、著地踝關節角度13.6±4.6 度、每週平均訓練42.9±29.0公里；18位FFS跑者SI平均57.0±12.1 %、著地踝關節角度-5.4±6.7 度、每週平均訓練49.8±25.9公里 ) 為對象，進行3.0 m/s (慢速度)、3.5 m/s (中等速度)、以及4.0 m/s (快速度) 三個不同速度的跑步測驗。研究結果顯示RFS跑者、FFS跑者在三種不同的跑步速度下，攝氧量並沒有顯著的不同 (下圖左)，代表RFS、FFS跑者的跑步經濟性並沒有差別。當跑步時腳著地狀況調整之後，原本RFS著地的跑者改為FFS著地時，在慢速度、中等速度的攝氧量會顯著高於使用RFS著地的攝氧量，代表RFS跑者改為以FFS著地跑慢速度、中等速度時，跑步經濟性會變差。在快速度的跑速下，雖然著地動作的差異不會顯著改變跑步經濟性，但是RFS跑者的整體 (RFS著地模式與FFS著地模式) 跑步經濟性仍然優於FFS跑者。這個研究的結果證實了，在慢速度與中等速度跑步時，RFS跑者的腳與地面接觸方式改變為FFS，將反而會降低跑步經濟性；FFS跑者的腳與地面接觸方式改變為RFS時，則沒有跑步經濟性上的變化。或許，不要過度強調以FFS的著地方式來跑步，才不會造成跑步經濟性的反效果。
RFS、FFS跑者在不同跑步速度的攝氧量比較 (Gruber等, 2013)
Richardson (2013) 則以18名 (9名男性、9名女性) 3個月內沒有跑步運動傷害的跑者為受試對象，受試者先接受跑步機每小時6英哩速度的跑步測驗，研究透過攝影分析紀錄FSA，依據SI = (FSA-27.4)/-0.39)的預測公式 (Altman與Davis, 2012a) 進行跑者SI的預測，確認受試者有10名RFS、6名MFS、2名FFS，並且確認受試者的步頻為每分鐘168.8±11.3步，同時以能量代謝系統記錄跑步過程的攝氧量為35.02 ± 1.8 mL/kg/min。在這些基準線 (baseline) 的條件下，研究以跑者習慣步頻的-10%、-5%、+5%、+10%，進行隨機實驗設計的相同跑步速度測驗；研究結果發現步頻-10%、-5%、+5%、+10%狀況下，SI預測值呈現-19.02%、-12.18%、+5.33%、+22.84% (下圖左)，在步頻增加10% (168.8+16.8=185.6) 時，有3名RFS受試者改變為MFS；在步頻減少5%、10%時，則分別有3名與2名MFS受試者改變為RFS。當跑步的步頻減少5%、10%時，跑步經濟性有顯著降低 (攝氧量顯著增加) 的現象，但是增加步頻並不會改變跑步經濟性 (下圖右)。
跑步頻率改變對SI與跑步經濟性的影響(Richardson, 2013)
跑步時，使用腳跟或腳尖先著地？由以往的相關研究成果來看，以腳尖先著地來跑步的跑者比例還是很少。如果你是已經有固定的跑步時腳著地習慣，沒有必要改變腳著地瞬間的碰撞方式；選擇一雙合適的跑鞋，確實可以顯著降低跑步的地面垂直反作用力與改善跑步經濟性。如果跑者覺得有必要調整跑步時腳與地面的接觸狀況時，選擇以增加跑步步頻的方式，或許是一個不錯的改變方向。不過，步頻增加是否會提高運動經濟性？仍然需要進一步的研究來證實。
引用文獻
Altman, A. R., & Davis, I. S. (2012a). A kinematic method for footstrike pattern detection in barefoot and shod runners. Gait Posture, 35(2), 298-300.
Altman, A. R., & Davis, I. S. (2012b). Barefoot running: biomechanics and implications for running injuries. Current Sports Medicine Reports, 11(5), 244-250.
Cavanagh, P. R., & Lafortune, M. A. (1980). Ground reaction forces in distance running. Journal of Biomechanics, 13, 397-406.
Gruber, A. H., Umberger, B. R., Braun, B., & Hamill, J. (2013). Economy and rate of carbohydrate oxidation during running with rearfoot and forefoot strike patterns. Journal of Applied Physiology, 115, 194-201.
Forrester, S., & Townend, J. (2013). Effect of running velocity on footstrike angle in recreational athletes.
http://www.asbweb.org/conferences/2013/abstracts/349.pdf
Hamill, J., & Gruber, A. (2012). Running injuries: forefoot versus rearfoot and barefoot versus shod: a biomechanist's perspective. 30
th Annual Conference of Biomechanics in Sports, Melbourne.
Lieberman, D. E., Venkadesan, M., Werbel, W. A., Daoud, A. I., D'Andrea, S., Davis, I. S., Mang'Eni, R. O., & Pitsiladis, Y. (2010). Foot strike patterns and collision forces in habitually barefoot versus shod runners. Nature, 463, 531-535.
Perl, D. P., Daoud, A. I., & Lieberman, D. E. (2012). Effects of footwear and strike type on running economy. Medicine and Science in Sports and Exercise, 44(7), 1335-1343.
Richardson, J. L. (2013). Effect of step rate on foot strike pattern and running economy in novice runners. All Graduate Plan B and other Reports. Paper 287. Utah State University.
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