跖趾關(guān)節(jié)屈肌力量實驗研究

鄧 雪

跖趾關(guān)節(jié)位于足的前端，在走、跑、跳等下肢運動的離地和著地過程中起到重要的作用，在運動實踐中也越來越受到教練員和運動員的重視，但目前在下肢運動的研究中，通常以髖、膝、踝等大關(guān)節(jié)為主，而把整個足部作為一個剛體，即使研究足部，也很少注意到足部末端的跖趾關(guān)節(jié)。而對于走、跑、跳等下肢運動，動作的最終必定經(jīng)過跖趾關(guān)節(jié)，因此對于跖趾關(guān)節(jié)的研究不可或缺[1]。而近年來，在歐美一些較高競技水平的國家，不少跑跳項目的教練員通過加強跖趾關(guān)節(jié)屈肌力量的訓(xùn)練，獲得較大的支撐反作用力，以提高運動成績[2]。

然而由于跖趾關(guān)節(jié)解剖位置的特殊性，對其肌肉力量的測試及量化變得較為困難，相關(guān)的研究也幾乎未見。提供跖趾關(guān)節(jié)肌力的可靠數(shù)據(jù)，可減少教練員和運動員訓(xùn)練跖趾關(guān)節(jié)肌力的盲目性，不僅對提高運動成績，對步態(tài)研究、運動鞋設(shè)計、假肢研發(fā)及相關(guān)的運動康復(fù)，都具有一定意義。

針對跖趾關(guān)節(jié)力量測試的缺如狀態(tài)，上海體育學(xué)院自主研發(fā)了獲得國家發(fā)明專利的跖趾關(guān)節(jié)力量測試儀[3],該儀器專門用于測試并量化跖趾關(guān)節(jié)屈肌力量，提供可靠數(shù)據(jù)，本研究利用該測試儀，測試了田徑專項大學(xué)生和普通大學(xué)生的跖趾關(guān)節(jié)屈肌力量，獲得了跖趾關(guān)節(jié)屈肌力量的量化參數(shù)，屬國內(nèi)首次報導(dǎo)，并對田徑專項大學(xué)生和普通大學(xué)生的兩組數(shù)據(jù)做了對比研究，為田徑運動對跖趾關(guān)節(jié)屈肌力量影響提供一定的實驗依據(jù)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

上海體育學(xué)院大學(xué)一年級男生32名，其中田徑專項大學(xué)生16名作為實驗組，運動科學(xué)專業(yè)普通大學(xué)生16名作為對照組，所有被試年齡身高條件近似，近期無下肢損傷，如表 1。

表1 受試者一般情況Table I General Information of the Subjects

經(jīng)檢驗兩組受試者的身高體重均服從正態(tài)分布，且具有方差齊性，獨立樣本T檢驗未表現(xiàn)出顯著性差異（P>0.05），證明了實驗組與對照組具有可比性。

1.2 實驗設(shè)備

1.2.1 測力儀

采用上海體育學(xué)院自主研發(fā)的跖趾關(guān)節(jié)力量測試儀，如圖1所示，主要由一維拉力傳感器、數(shù)據(jù)線、座椅、固定架、懸掛架、底盤和踏板組成，其中，座椅、固定架、懸掛架和踏板通過底盤連成一體。一維拉力傳感器懸于懸掛架上，下連踏板。踏板可上下活動以測量足部跖趾關(guān)節(jié)的屈曲力量，本次實驗將踏板調(diào)節(jié)至15°，以利于受試者發(fā)力。

圖1 跖趾關(guān)節(jié)力量測試儀Figure 1 Test Instrument for Metatarsophalangeal Joint Strength

1.2.2 肌電儀

采用德國Biovision16通道肌電圖與生物信號測試分析系統(tǒng)，跖趾關(guān)節(jié)力量測試儀的拉力傳感器數(shù)據(jù)接入該肌電儀放大器及采集卡（DAQCard6024E），軟件版本為DASYLab10。

1.3 實驗步驟及方法

1.3.1 標定

該步驟目的為取得作用力輸入和記錄的電壓輸出之間的關(guān)系。本實驗以5 kg為間隔，記錄了5～60 kg共12組重量施加于跖趾關(guān)節(jié)力量測試儀時的電壓響應(yīng)，取得了本測力儀本次測試的力－電壓關(guān)系，如圖2所示，為實驗結(jié)果的測定提供依據(jù)。

圖2 跖趾關(guān)節(jié)力量測試儀標定結(jié)果Figure 2 Calibration Results of the Test Instrument for Metatarsophalangeal Joint Strength

1.3.2 測試和復(fù)測

對每一位受試者進行優(yōu)勢側(cè)和非優(yōu)勢側(cè)跖趾關(guān)節(jié)屈肌力量的測試。要求被試測試前先做熱身活動10 min；測試時保持大腿與身體成90°，小腿與大腿成90°，踝關(guān)節(jié)角度為90°并均被固定，在測試人員的口令下，用最大力量踩壓測力儀踏板并維持5 s，重復(fù)測3次，每次休息2 min。

由于是自主研發(fā)儀器，2 d后抽取部分受試者進行了復(fù)測，以驗證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

1.4 主要觀察指標

跖趾關(guān)節(jié)屈肌力值（最大隨意收縮）。

1.5 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)使用SPSS20統(tǒng)計軟件處理，采用均數(shù)和標準差表示，應(yīng)用獨立樣本T檢驗進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計學(xué)處理，P＜0.05為具有顯著性差異，P＜0.01為具有非常顯著性差異。

2 結(jié)果

2.1 跖趾關(guān)節(jié)屈肌力量優(yōu)勢側(cè)和非優(yōu)勢側(cè)比較

田徑專項大學(xué)生優(yōu)勢側(cè)與非優(yōu)勢側(cè)的跖趾關(guān)節(jié)屈肌力值測試結(jié)果如表2所示，絕對力量值由前述標定所得關(guān)系式（y=0.0053x-0.1283，x為電壓，y為肌力）確定，相對力量值由絕對力量除以體重獲得。

表2 田徑專項大學(xué)生跖趾關(guān)節(jié)屈肌力量Table II Flexor Strength of Metatarsophalangeal Joint of the University Students Majoring in Track&Field

經(jīng)檢驗，田徑專項大學(xué)生優(yōu)勢側(cè)與非優(yōu)勢側(cè)兩組數(shù)據(jù)的差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義（P≥0.05）。

普通大學(xué)生優(yōu)勢側(cè)與非優(yōu)勢側(cè)的跖趾關(guān)節(jié)屈肌力量測試結(jié)果如表3所示。

表3 普通大學(xué)生跖趾關(guān)節(jié)屈肌力量Table III Flexor Strength of Metatarsophalangeal Joint of the Ordinary University Students

同樣，普通大學(xué)生優(yōu)勢側(cè)與非優(yōu)勢側(cè)兩組數(shù)據(jù)的差異也不具有統(tǒng)計學(xué)意義（P≥0.05）。

圖3 跖趾關(guān)節(jié)屈肌力量優(yōu)勢側(cè)和非優(yōu)勢側(cè)比較Figure 3 Comparison between the Metatarsophalangeal Joint Flexor Strength of the Dominant Side and that of the Non-dominant Side

由統(tǒng)計結(jié)果可見，優(yōu)勢側(cè)力量大于非優(yōu)勢側(cè)力量的習(xí)慣性觀點在跖趾關(guān)節(jié)并未出現(xiàn)。

2.2 跖趾關(guān)節(jié)屈肌力量田徑專項大學(xué)生（實驗組）與普通大學(xué)生（對照組）比較

由表4、5可知，田徑專項大學(xué)生和普通大學(xué)生的跖趾關(guān)節(jié)屈肌力量，無論是絕對力量，還是相對力量，都存在著具有統(tǒng)計學(xué)意義的較大差異，尤其是優(yōu)勢側(cè)，見圖4所示。

表4 跖趾關(guān)節(jié)屈肌絕對力量比較Table IV Comparison between the Flexor Absolute Strength of Metatarsophalangeal Joint

表5 跖趾關(guān)節(jié)屈肌相對力量比較Table V Comparison between the Flexor Relative Strength of Metatarsophalangeal Joint

圖4 跖趾關(guān)節(jié)屈肌力量田徑組和普通組比較Figure 4 Comparison between the Metatarsophalangeal Joint Flexor Strength of the Track and Field Group and that of the Ordinary Group

3 討論

跖趾關(guān)節(jié)由跖骨頭和近節(jié)趾骨底構(gòu)成。跖趾關(guān)節(jié)的背伸展范圍大于屈曲，主動背伸的范圍是50～60°，主動屈曲的范圍是30～40°，被動背伸是步態(tài)周期最后階段的基本運動，角度可達甚至超過90°，被動屈曲的范圍為45～50°[4]。其屈肌除了有趾長屈肌與足母長屈肌等小腿后群長肌以外，還有足母短屈肌、足母收肌、小趾短屈肌、小趾展肌、趾短屈肌、足底方肌、蚓狀肌等足底短肌[5]。正常行走時在足跟離地以后，由于跖趾關(guān)節(jié)伸展，使腳底面沿地面滾動，滾動中心是跖趾關(guān)節(jié)，足尖離地前該關(guān)節(jié)有較大的伸展，產(chǎn)生足夠的向前推動力矩[6]。在田徑運動訓(xùn)練當(dāng)中，跑、跳和提踵都屬于出現(xiàn)頻率非常高的基本動作，而這些動作的原動肌除了傳統(tǒng)所認為的小腿三頭肌、臀大肌、股四頭肌以外，還應(yīng)包含跖趾關(guān)節(jié)屈肌[7]。眾多學(xué)者都認為，在日常生活和體育運動中，跖趾關(guān)節(jié)在下肢運動中的作用不可忽視。

從動作分析的角度而言，體育運動中，在跑、跳最后的蹬地階段，通過跖趾關(guān)節(jié)屈肌的向心收縮，有助于獲得更大的蹬地力量，以使人體快速騰起；在前腳掌著地的跳躍落地動作中，足趾緊壓地面，跖趾關(guān)節(jié)屈肌的遠固定收縮可使下肢獲得更好的緩沖從而保護身體；即使在足跟著地的落地動作中，跖趾關(guān)節(jié)屈曲，使足趾緊壓地面，也可使足部保持更好的穩(wěn)定性，以利于人體保持平衡。根據(jù)本文數(shù)據(jù)，以最大絕對力量（公斤力）除以體重，可以算出田徑專項組跖趾關(guān)節(jié)屈肌優(yōu)勢側(cè)絕對力量達到了體重的68%，普通大學(xué)生組達到了54%，由此可見，跖趾關(guān)節(jié)屈肌力量是下肢肌肉力量中的重要成分，教練員和運動員應(yīng)該引起足夠重視。

在人的日常生活和體育運動中，由于人體的習(xí)慣性動作，優(yōu)勢側(cè)和非優(yōu)勢側(cè)下肢總是存在著力量、速度等方面的區(qū)別，跖趾關(guān)節(jié)也不例外。從本文實驗結(jié)果來看，優(yōu)勢側(cè)的屈肌力量也總是大于非優(yōu)勢側(cè)，無論田徑組和普通組都不例外。但人體下肢除了運動外，更重要的是支撐和平衡，在站、走、跑、跳等基本動作中，為了保證人體的平衡和協(xié)調(diào)，雙下肢的同時運動和交替運動都比較多，故雙側(cè)跖趾關(guān)節(jié)力量雖然測出有差異，但并不具有統(tǒng)計學(xué)意義。田徑專項組優(yōu)勢側(cè)和非優(yōu)勢側(cè)的的絕對力量差值是49 N，約為12%，普通大學(xué)生組是28 N，約為9%，相對力量差距也有類似結(jié)果，可見人體雙側(cè)的跖趾關(guān)節(jié)屈肌力量雖有差異，但基本平衡。由統(tǒng)計結(jié)果可見，優(yōu)勢側(cè)力量應(yīng)該顯著大于非優(yōu)勢側(cè)力量的習(xí)慣性觀點在跖趾關(guān)節(jié)并未出現(xiàn)。

而田徑專項組和普通大學(xué)生組比較，優(yōu)勢側(cè)絕對力量差值達28%，相對力量達25%；而非優(yōu)勢側(cè)絕對力量差值達24%，相對力量達22%，二者差距都具有統(tǒng)計學(xué)意義?？梢?，在田徑運動中，由于起跑、起跳、蹬地、扒地、單腳跳等足部動作較多，對跖趾關(guān)節(jié)要求較高，造成了運動員跖趾關(guān)節(jié)屈肌力量高于常人，尤其是運動員習(xí)慣使用的優(yōu)勢側(cè)，可見田徑運動可顯著提高跖趾關(guān)節(jié)屈肌力量，也說明了跖趾關(guān)節(jié)屈肌力量對田徑運動的重要性。GOLDMANN[8]通過對跖趾關(guān)節(jié)屈肌力量的專門鍛煉，使折返跑及跳遠等運動成績顯著增加，也從側(cè)面印證了本文結(jié)果。

本文所測的值是足部跖趾關(guān)節(jié)的屈肌力量（F），該值乘以跖趾關(guān)節(jié)到一維拉力傳感器垂直線的距離（L）后，可得到跖趾關(guān)節(jié)的屈肌力（M）：

M=L×F （公式 1）

根據(jù)以上公式，本研究隨機測量了幾名田徑專項組被試的跖趾關(guān)節(jié)屈肌力矩，均值約為18 Nm。研究表明，行走過程中跖趾關(guān)節(jié)屈曲力矩峰值可達 15 Nm[6]，該結(jié)果與本文較為相近。其他相關(guān)研究顯示，走、跑時跖趾關(guān)節(jié)的伸力矩為20～40 Nm，而在水平及垂直跳時則達75～150 Nm[9]。本文研究重點雖然是跖趾關(guān)節(jié)屈肌的最大隨意收縮力量，但本文數(shù)據(jù)對對跖趾關(guān)節(jié)的動態(tài)研究，也可起到一定的參考作用。

本研究實驗組選取的是大學(xué)一年級的體育教育專業(yè)的田徑專項學(xué)生，屬于業(yè)余選手，并非專業(yè)運動員。一般認為，男子35歲左右，肌肉力量才開始達到峰值。本研究被試如果是長期訓(xùn)練，并且更成熟的專業(yè)運動員，也許更能夠反映出跖趾關(guān)節(jié)的力量特點。

4 結(jié)論

4.1 提供了田徑專項大學(xué)生和普通大學(xué)生跖趾關(guān)節(jié)屈肌最大隨意收縮力量的具體參數(shù)，為該方面的研究提供了一定的量化依據(jù)，目前未見同類研究。

4.2 獲得的優(yōu)勢側(cè)和非優(yōu)勢側(cè)跖趾關(guān)節(jié)屈肌力量雖有差異，但不具有顯著性。

4.3 中田徑專項組大學(xué)生跖趾關(guān)節(jié)的屈肌力量顯著高于普通大學(xué)生組，約是后者的128%。鑒于其重要性，建議在田徑訓(xùn)練中，需加強跖趾關(guān)節(jié)的針對性訓(xùn)練。

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