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背景：碳板跑鞋（carbon-plated running shoes, CPS）通过将高顺应性泡沫材料与嵌入式碳纤维板结合以提升纵向弯曲刚度，有望改善跑步经济性。然而，相较于无碳板跑鞋（non-carbon-plated shoes, NCPS），CPS是否
背景：碳板跑鞋（carbon-plated running shoes, CPS）通过将高顺应性泡沫材料与嵌入式碳纤维板结合以提升纵向弯曲刚度，有望改善跑步经济性。然而，相较于无碳板跑鞋（non-carbon-plated shoes, NCPS），CPS是否系统性改变跑步生物力学尚不明确。目的：量化健康成人使用CPS的生物力学效应。方法：研究人员遵循PRISMA指南开展比较CPS与NCPS的交叉试验系统综述与荟萃分析（PROSPERO注册号CRD420251058609）。检索数据库包括MEDLINE、Scopus、LILACS及Embase（截至2025年7月）。纳入标准为18–70岁健康成人穿着CPS与NCPS跑步的研究。结局指标为步频（steps·min−1）、下肢刚度（kN·m−1）及跖趾关节（metatarsophalangeal, MTP）、踝、膝、髋关节峰值正功率（W·kg−1）。采用随机效应模型估算标准化均数差（standardized mean difference, SMD）及95%置信区间（confidence interval, CI）。证据质量采用GRADE评级。结果：共纳入15项研究。CPS与NCPS在下肢刚度（SMD = −0.12；95% CI：−0.46至0.23；p = 0.44）、膝关节功率（SMD = 0.21；95% CI：−0.10至0.52；p = 0.12）、髋关节功率（SMD = −0.23；95% CI：−1.36至0.90；p = 0.56）及MTP关节功率（SMD = 0.13；95% CI：−1.87至2.12；p = 0.85）上均无显著差异。CPS组踝关节功率呈临界显著降低（SMD = −0.71；95% CI：−1.42至0.00；p = 0.05）。步频呈小幅非显著降低（SMD = −0.16；95% CI：−0.32至0.01；p = 0.06）。证据质量介于低到中等。结论：相较于NCPS，CPS未导致关节功率或下肢刚度的一致性变化。生物力学适应较为细微，可能存在远端关节效应，但无下肢力学模式的系统性重分布。
引言
随着运动科学发展，跑步成为提升生物力学效率与耐力表现技术研发的核心领域。近年来，厂商推出结合高顺应性泡沫中底与嵌入式碳纤维板的鞋款，典型代表为2017年发布的轻量泡沫与高刚度板组合设计，旨在通过增强能量回馈、促进向前推进并降低长距离跑动肌肉需求以改善跑步经济性。精英运动员穿着该类鞋款后在100 km、马拉松、半程马拉松及15 km项目中多次刷新世界纪录。跑步生物力学参数涵盖步频（steps·min−1）、步幅长度（m）、功率输出（W·kg−1）、机械功（J·kg−1）、角速度（°·s−1）、髋膝踝及跖趾关节角度（°）与力矩、触地时间（s）、腾空时间（s）及下肢刚度（kN·m−1）。现有证据表明，碳板跑鞋可降低踝关节机械负荷，将关节需求向膝、髋近端重分布，从而减轻踝等下肢远端疲劳；碳板可减少能量耗散，进而改善跑步经济性与推进效率。部分研究亦观察到步频与步幅的改变，通常表现为步幅延长与步频下降，其优劣取决于个体跑步力学特征。然而，现有研究结果并不一致。本研究旨在评估碳板跑鞋是否引发生物力学参数的可测量变化，聚焦髋、膝、踝、跖趾关节功率，下肢刚度及步频等时空参数。需指出的是，已有系统综述证实碳板跑鞋可稳定改善跑步经济性并降低代谢成本，但代谢与生理结局未必反映生物力学适应，因此本研究专门聚焦生物力学结局，不纳入能量学与生理学变量，以避免混淆对特定生物力学问题的探讨。
方法
本研究严格遵循PRISMA 2020指南，研究方案前瞻性注册于PROSPERO（CRD420251058609）。两名独立研究者系统检索PubMed/MEDLINE、Embase、Scopus及虚拟健康图书馆（BVS），检索词为“跑鞋”“跑步”“生物力学”相关DeCS/MeSH术语。语言限定为英文，无发表时间限制。纳入标准包括：比较碳板与无碳板跑鞋的随机或非随机对照研究；研究对象为18–70岁健康成人（业余或职业跑者）；干预措施为穿着碳板跑鞋；对照为无碳板跑鞋；至少报告一项预设结局（步频、下肢刚度、跖趾/膝/踝/髋关节峰值正功率）。排除无法提取绝对数值或兼容定量合成的研究，如仅报告标准化或无量纲弹簧-质量模型输出的下肢刚度、仅报告相对变化或交互效应的时空变量、缺乏均值与离散度指标的研究。最终由两名研究者独立筛选文献并提取数据，分歧通过共识解决。数据提取内容包括研究特征、受试者人口学信息、样本量、鞋款规格（质量、刚度、中底材料、碳板有无）、跑速、测试环境及主要生物力学参数。采用ROBIS工具评估偏倚风险，GRADE方法评价证据质量。荟萃分析使用RevMan Web及meta、metafor软件包完成，计算标准化均数差（SMD）及95% CI，采用随机效应模型，通过限制性最大似然法（restricted maximum likelihood, REML）估计研究间方差（τ2），并以Hartung–Knapp–Sidik–Jonkman（HKSJ）法校正CI不确定性。异质性采用Cochran's Q检验及I2统计量评估。各结局分别绘制森林图，统计显著性水平设为p < 0.05。
结果
初检获得3078条记录，去重后筛选3040篇文献，排除2977篇，对63篇全文进行评估，最终纳入16项研究。排除原因包括未比较碳板与无碳板鞋（n=9）、未使用碳板跑鞋（n=13）、未分析跑步生物力学（n=2）、非比较性设计（n=3）、比较不同位置碳板（n=1）、非英文文献（n=1）、非传统跑鞋（n=1）、无结果表（n=2）、未分析预设生物力学结局（n=15）。另有1项潜在合格研究因无法获取全文被排除，2项研究因无法提取结局数据未被纳入荟萃分析。纳入研究均为2018–2024年发表的随机交叉试验，样本量为9–28名跑者，以男性为主，年龄覆盖青年至资深跑者。对照组鞋款包括Adidas Adizero Adios Boost 2、Nike Pegasus、Nike Infinity Run等，质量为199–240 g，刚度为1.2–19.1 N/mm。碳板组包括实验原型与市售型号（如Nike ZoomX Vaporfly Next% 2），质量为201–289 g，刚度值为11.9 N/mm至84.1 kN/m。测试速度为8–18.3 km/h，场景包括跑台与田径场。采用Downs and Black量表评估方法学质量，平均得分15.83（满分20分），所有研究均为低偏倚风险。GRADE证据质量评级显示：步频、髋/踝关节功率为中等质量，下肢刚度、膝功率、跖趾关节功率为低质量，主要受异质性与不精确性影响。荟萃分析结果显示：下肢刚度（SMD = −0.12；95% CI：−0.46至0.23；p = 0.44；I2=6%）、膝关节功率（SMD = 0.21；95% CI：−0.10至0.52；p = 0.12；I2=0%）、髋关节功率（SMD = −0.23；95% CI：−1.36至0.90；p = 0.56；I2=67%）及跖趾关节功率（SMD = 0.13；95% CI：−1.87至2.12；p = 0.85；I2=90%）均无显著组间差异。踝关节功率呈临界显著降低（SMD = −0.71；95% CI：−1.42至0.00；p = 0.05；I2=43%）。步频呈小幅非显著降低（SMD = −0.16；95% CI：−0.32至0.01；p = 0.06；I2=0%）。
讨论
本研究结果显示，碳板跑鞋未显著改变下肢关节功率或下肢刚度，仅观察到步频的小幅下降。踝关节功率的临界降低与既往假设一致，即纵向弯曲刚度增加可通过限制背屈与改变杠杆力学降低踝关节机械输出。该现象可能源于跖屈角速度、跖屈力矩或二者共同下降，提示腓肠肌等跖屈肌能量需求减少，有助于降低收缩代谢成本。髋关节功率虽呈升高趋势但无统计学意义，不支持刚度增加时近端关节代偿性承担更多负荷的假说，可能与跑速、适应时间及个体技术差异有关。膝关节功率无组间差异，与既往研究一致，表明弯曲刚度改变主要影响踝与跖趾关节等远端结构，膝关节生物力学相对稳定。跖趾关节功率无显著差异且异质性极高，可能与碳板几何形状、曲率、厚度及中底设计差异有关，加之相关研究数量有限。下肢刚度无显著变化，提示跑者通过神经肌肉调节维持其偏好的刚度策略，而非改变整体下肢顺应性，说明碳板效应更可能体现在时间或运动学变量而非机械刚度指标上。步频的微小下降与既往报道一致，即刚度增加与高顺应性泡沫可使跑者在恒定速度下采用更长步幅，这并非有害改变，而是利用能量回馈的策略体现。综合而言，碳板跑鞋未系统性改变关节功率或下肢刚度，最一致的适应为踝关节功率降低，提示其可能通过提升踝跖屈运动效率发挥作用，但具体效应受碳板-泡沫交互作用、个体跑步策略及跑速调制。此外，生物力学建模方法（逆动力学方法、标记点设置、足部模型、滤波策略、测试条件等）的差异是导致异质性的重要来源，尤其是跖趾关节功率对建模选择高度敏感。未来需标准化生物力学协议或多中心协调研究，以提升结果可比性。值得注意的是，尽管碳板跑鞋可稳定改善跑步经济性，但本研究发现生物力学改变极为有限，提示代谢获益可能源于肌肉-肌腱效率提升、筋膜行为改变或鞋-地界面能量回馈增强，而非关节力学重分布。临床层面，踝关节功率降低可能减轻腓肠肌-比目鱼肌复合体及跟腱负荷，对跟腱病或小腿过载康复具有潜在益处，但尚缺直接临床证据。步频降低伴随步幅延长与触地时间增加，可能增加胫骨、髌股关节或髋关节负荷，对存在过度跨步或神经肌肉控制不足的跑者需谨慎评估。下肢刚度与其他关节功率的稳定性则降低了突发生物力学改变致伤的风险，但仍需在转换期监测适应情况。鉴于跑者水平、碳板使用经验及跑速会影响适应模式，建议结合个体跑步特征、训练目标及损伤史制定个性化鞋款推荐策略。
结论
本系统综述与荟萃分析表明，相较于无碳板跑鞋，碳板跑鞋未导致髋、膝、跖趾关节功率、下肢刚度及步频的一致性改变，仅观察到踝关节功率降低。生物力学适应主要局限于远端关节层面，未出现全下肢动力链的广泛改变。由于未纳入能量学与生理学变量，本研究无法解释碳板跑鞋代谢优势的内在机制，未来需开展整合生物力学与能量学结局的综合研究。
