高弓足和正常足在赤足行走過(guò)程中的力學(xué)特征分析

毛曉錕，張秋霞*，楊倩倩

高弓足和正常足在赤足行走過(guò)程中的力學(xué)特征分析

毛曉錕1，張秋霞1*，楊倩倩2

研究目的：觀察高弓足和正常足在赤足行走過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化，分析高弓足易損傷的原因，為高弓足的康復(fù)治療提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。研究方法：選取9名高弓足受試者為實(shí)驗(yàn)組，10名正常足受試者為對(duì)照組。利用Vicon-MX紅外攝像系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)作捕捉，采集受試者常速行走時(shí)髖、膝、踝三大關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，同時(shí)利用K ISTLER三維測(cè)力臺(tái)采集行走過(guò)程中的足-地接觸力。研究結(jié)果：在行走過(guò)程中，高弓足者髖關(guān)節(jié)在足趾離地時(shí)的外展角度小于正常足（P〈0.05）；在垂直方向上的第二峰值地面反作用力（GRF）兩組間差異存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P〈0.05），垂直方向的第一、第二峰值GRF和向后方向上的峰值GRF出現(xiàn)的時(shí)間均早于正常足（P〈0.05）。結(jié)論：高弓足與正常足行走時(shí)所表現(xiàn)出的差異性可能是造成高弓足易損傷的原因，也反映了它們控制機(jī)制的不同。

高弓足；地面反作用力；運(yùn)動(dòng)學(xué)

目前，已有調(diào)查顯示普通人群中大約有10%～15%為高弓足[1]。所謂高弓足，它主要包括內(nèi)側(cè)縱弓過(guò)高、與地面接觸面積減少以及緩沖功能降低等特點(diǎn)，且無(wú)論是先天性還是神經(jīng)性高弓足，其足部損傷幾率（60%）都遠(yuǎn)高于正常足（23%）[2]。目前關(guān)于高弓足的研究，Williams等[3]對(duì)高弓足跑步者易損傷的部位進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：高弓足有較高的踝關(guān)節(jié)、骨及外側(cè)損傷的幾率。Powell等[4]對(duì)高弓足與扁平足在赤足行走過(guò)程中的三維運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，發(fā)現(xiàn)高弓足與扁平足相比有較小的踝關(guān)節(jié)峰值外翻角度。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高弓足與正常足的足底壓力[5,6]和步態(tài)[6]特征進(jìn)行了對(duì)比研究，指出高弓足與正常足相比，由于其接觸面積較少，足底局部所受壓力高于正常足，從而增加了足部損傷概率，這不僅會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的比賽成績(jī)以及運(yùn)動(dòng)壽命產(chǎn)生極大的影響，而且會(huì)影響人們的生活質(zhì)量。上述可知，前人已經(jīng)從不同角度對(duì)高弓足進(jìn)行了研究，但是對(duì)于高弓足與正常足在行走過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特征的相關(guān)報(bào)道較少，為此本研究采用紅外動(dòng)作捕捉分析系統(tǒng)和三維測(cè)力臺(tái)，分別對(duì)高弓足與正常足在赤足行走時(shí)下肢髖、膝、踝三大關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和地面反作用力（ground reaction force，GRF）進(jìn)行測(cè)試，旨在觀察不同足弓者在赤足行走過(guò)程中的下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和動(dòng)力學(xué)的動(dòng)態(tài)變化差異。對(duì)此過(guò)程進(jìn)行研究可以為高弓足防護(hù)設(shè)備的設(shè)計(jì)和臨床康復(fù)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，以期降低高弓足的損傷風(fēng)險(xiǎn)。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究選取9名雙側(cè)患有高弓足的受試者為實(shí)驗(yàn)組，10名雙足正常的受試者為對(duì)照組（本文研究以右足為例）。根據(jù)足弓高度指數(shù)（Arch Height Index，AHI）來(lái)判定高弓足，這種快速便捷的足形判別方法已被國(guó)外多位學(xué)者所采用[3-4,7,19]，并被認(rèn)定為是一種有效可靠的判定方法[18]。所謂足弓高度指數(shù)是指足背高度（在足長(zhǎng)的50%處量取足背的垂直高度）除以截?cái)嘧汩L(zhǎng)（足跟到第一跖趾關(guān)節(jié)的距離）（如圖1）[7]。AHI≥0.356為高弓足，AHI≤0.275為扁平足[8]，介于兩者之間的為正常足，為了更好地區(qū)分高弓足和正常足，本文將AHI≥0.365劃分為高弓足，0.315≤AHI≤0.350為正常足。受試者在實(shí)驗(yàn)時(shí)沒(méi)有下肢損傷，且在過(guò)去1年里沒(méi)有下肢韌帶損傷，下肢進(jìn)行過(guò)手術(shù)。為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，本文將受試者的足寬、足背高度以及截?cái)嘧汩L(zhǎng)分別與足長(zhǎng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。受試者的基本情況見表1。

表1 受試者的基本情況TableⅠBasic Information of the Subjects

圖1 計(jì)算足弓高度指數(shù)所需指標(biāo)Figure 1 Indexes Needed in Calculating Foot A rch Height

1.2 研究方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

采用英國(guó)生產(chǎn)的Vicon-MX紅外高速運(yùn)動(dòng)捕捉與分析系統(tǒng)（包括8臺(tái)型號(hào)為MX13的紅外攝像頭、PC主機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)配件等），采集人體在行走時(shí)下肢主要關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，采集頻率為200 Hz；選用Vicon系統(tǒng)中的下肢模型（Plug-InGait），將16個(gè)Marker球精確地貼在人體下肢各環(huán)節(jié)的標(biāo)志點(diǎn)上（圖2）；使用瑞士的KISTLER三維測(cè)力臺(tái)對(duì)GRF進(jìn)行采集，采樣頻率為1 000 Hz，另外經(jīng)轉(zhuǎn)換模塊將測(cè)力臺(tái)與Vicon進(jìn)行同步。

圖2 Marker點(diǎn)安放示意圖Figure 2 Positioning of Marker Points

1.2.2 測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)前要求受試者身著緊身短褲，赤腳站立并與肩同寬，盡量將體重均勻地分配在肢體兩側(cè)，此時(shí)對(duì)受試者的身高、體重、腿長(zhǎng)、膝寬、踝寬、足長(zhǎng)、足寬、截?cái)嘧汩L(zhǎng)等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。正式測(cè)試前，要求受試者赤足在長(zhǎng)約8m的木質(zhì)地板上（測(cè)力臺(tái)安放于之間）試走幾次，調(diào)整起始步位置使測(cè)試足完全踏在測(cè)力臺(tái)上面，使受試者足底適應(yīng)接觸的測(cè)力臺(tái)，減少測(cè)試儀器對(duì)受試者行走動(dòng)作的影響，直至受試者感覺自己可以正常測(cè)試為止。要求受試者在行走過(guò)程中“無(wú)視”測(cè)力臺(tái)的存在，避免出現(xiàn)跨步、忽快忽慢的現(xiàn)象，速度控制在1.2 m/s的5%范圍內(nèi)。正式實(shí)驗(yàn)時(shí)，重復(fù)測(cè)試3～4次，選取其中最符合要求的一次進(jìn)行研究。

1.2.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件包對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。本文采用的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法主要是獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，檢驗(yàn)水準(zhǔn)選α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 高弓足與正常足在赤足行走過(guò)程中下肢主要關(guān)節(jié)角度運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)

在行走過(guò)程中，兩組受試者髖、膝、踝在矢狀面內(nèi)的差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）（表2和表4），而在額狀面上，髖關(guān)節(jié)在足趾離地時(shí)刻的角度差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）（表3）。

表2 兩組受試者在赤足行走過(guò)程中髖關(guān)節(jié)矢狀面運(yùn)動(dòng)學(xué)特征TableⅡ Sagittal Plane Kinematics Characteristics of the Hip Angles of the Two-group Subjects in BarefootWalking

表3 兩組受試者在赤足行走過(guò)程中髖關(guān)節(jié)額狀面運(yùn)動(dòng)學(xué)特征TableⅢ Frontal Plane K inematics Characteristics of the Hip Angles of the Two-group Subjects in BarefootWalking

表4 兩組受試者在赤足行走過(guò)程中矢狀面內(nèi)膝、踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)特征TableⅣ Kinematics Characteristics of the Sagittal Plane Knee and Ankle Joints of the Two-group Subjects in Barefoot Walking

2.2 高弓足與正常足在赤足行走過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

本文采用KISTLER三維測(cè)力臺(tái)從垂直、前后、內(nèi)外方向記錄了受試者在行走過(guò)程中的GRF，對(duì)各方向上的峰值、谷值以及對(duì)應(yīng)的時(shí)刻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，為了便于研究，對(duì)不同體重的受試者在行走過(guò)程中的各方向上的GRF做了標(biāo)準(zhǔn)化處理后（表5）發(fā)現(xiàn)：人體在行走過(guò)程中身體向前后和內(nèi)外方向的峰值GRF兩組間的差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），而在垂直方向上的力值，第一峰值GRF與波谷值兩組間差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），僅在第二峰值GRF兩組間差異存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

表5 兩組受試者在赤足行走過(guò)程垂直方向上GRF峰值標(biāo)準(zhǔn)化的比較TableⅤ Comparison between the Peak GRF Standardization of the Vertical Direction of the Two-group Subjects in BarefootWalking

由表6可以發(fā)現(xiàn)，兩組受試者在行走過(guò)程中，在垂直方向上，第一、第二峰值GRF對(duì)應(yīng)的時(shí)刻差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），波谷值GRF對(duì)應(yīng)的時(shí)刻不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。身體在前、內(nèi)、外3方向上的峰值GRF對(duì)應(yīng)的時(shí)刻兩組間的差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），僅在向后方向上的峰值GRF對(duì)應(yīng)的時(shí)刻兩組間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

表6 兩組受試者赤足行走過(guò)程中各方向上GRF峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻的比較TableⅥ Comparison between the Corresponding Moment of the Peak GRF of the Different Directions of the Two-group Subjects in BarefootWalking

3 分析與討論

行走是人體在日?；顒?dòng)中重復(fù)最頻繁的一種整體性運(yùn)動(dòng)。步行由全身肌肉協(xié)調(diào)參與,包括人體重心移位，骨盆傾斜旋轉(zhuǎn)，髖、膝、踝關(guān)節(jié)伸屈及內(nèi)外旋展等，是人體位移的一種復(fù)雜的隨意運(yùn)動(dòng)[9]。足關(guān)節(jié)作為人體末端的重要關(guān)節(jié)，也是人體在行走過(guò)程中最先觸及地面的關(guān)節(jié)，因此也是容易損傷的關(guān)節(jié)。而足弓由于其拱形結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使足在運(yùn)動(dòng)時(shí)既堅(jiān)固又富有彈性，有利于人體在站立、行走和跳躍中承受負(fù)荷，緩沖震動(dòng)，同時(shí)也有利于保護(hù)足底的血管和神經(jīng)[10]，從而起到預(yù)防下肢關(guān)節(jié)損傷的作用。有研究表明足部損傷與足部畸形和腰腿疼痛相互關(guān)聯(lián)，而更值得注意的是足部損傷與足部畸形的關(guān)系[11]。其中足部異?？赡軐?dǎo)致整個(gè)人體下肢結(jié)構(gòu)的差異，而人體在行走的過(guò)程中下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的差異性，很可能是導(dǎo)致高弓足損傷。

目前關(guān)于正常足與畸形足行走過(guò)程中下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)的研究較少，Twomey等[12]對(duì)12名正常足與11名扁平足在行走過(guò)程中下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)變化進(jìn)行了系統(tǒng)研究，最主要的發(fā)現(xiàn)在于扁平足在站立期與擺動(dòng)末期髖關(guān)節(jié)呈現(xiàn)出更大的外旋角度，其它時(shí)刻的關(guān)節(jié)角度變化不存在差異性，但是對(duì)于正常足與高弓足行走過(guò)程中的下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)尚少見研究。本研究發(fā)現(xiàn)：高弓足與正常足在赤足行走時(shí)，有關(guān)下肢主要關(guān)節(jié)的變化比較，僅在足趾離地時(shí)刻髖關(guān)節(jié)在額狀面上的角度具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.033＜0.05，見表3），髖關(guān)節(jié)在足趾離地時(shí)刻出現(xiàn)較小的外展角度，這可能與高弓足的僵硬有關(guān)。有研究得出高弓足的腿與踝的僵硬程度（stiffness）較高[7]，由于其僵硬的原因使得髖關(guān)節(jié)在離地時(shí)沒(méi)有得到充分外展。雖然高弓足在行走過(guò)程中，下肢關(guān)節(jié)角度變化較小，但在額狀面上髖關(guān)節(jié)離地時(shí)刻角度出現(xiàn)的差異性就有可能是導(dǎo)致高弓足易損傷的原因之一，針對(duì)此差異性，需要臨床進(jìn)一步探索來(lái)確定其適當(dāng)?shù)闹委煷胧?/p>

人體行走時(shí)的足-地接觸力通常按垂直、前后和內(nèi)外三大方向來(lái)劃分，其中在垂直方向上的分力最大。垂直方向的反作用力呈現(xiàn)典型的雙峰型，第一波峰值是指在足跟觸地時(shí)對(duì)地面的沖擊力，隨著足部逐漸放平，受力面積逐漸增大，受力減小，足部完全放平時(shí)受力達(dá)最小[13]，稱為波谷值，第二峰值出現(xiàn)在足趾蹬地時(shí)，垂直地面反作用力伴隨著足趾離地逐漸減小到零。研究發(fā)現(xiàn)，不論是高弓足還是正常足，在支撐前期，足-地接觸力主要是向下向前，并伴有先內(nèi)后外的搖擺趨勢(shì)；在支撐的后半階段，足-地接觸力呈現(xiàn)出向下向后，并伴有先外后內(nèi)的搖晃趨勢(shì)；而在支撐中期,身體重心正好越過(guò)站立側(cè)肢體,其垂直位移正好達(dá)最高點(diǎn),此時(shí)在3個(gè)方向上的足-地接觸力均處于單肢負(fù)重期的最低值,亦即足-地接觸力最小[14]。本文研究發(fā)現(xiàn)：第二峰值GRF高弓足（11.37±0.44）與正常足（10.90±0.22）差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.012＜0.05），其它峰值差異均沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）（見表5），此時(shí)處于蹬地階段主要是前腳受力。有學(xué)者對(duì)高弓足與正常足常速赤足行走的足底壓力進(jìn)行研究，結(jié)果表明高弓足的第一到第四跖骨比正常足要承受更大的負(fù)荷[5]。Daniel等[15]對(duì)14名正常足和8名高弓足足球運(yùn)動(dòng)員赤足行走時(shí)的足底壓力進(jìn)行分析，研究得出正常足與高弓足在赤足行走時(shí)所承受的負(fù)荷不同，高弓足前腳內(nèi)側(cè)承受的壓力高于正常足。以上研究均表明高弓足的前腳受力要大于正常足，這也就解釋了為什么60%的高弓足者足部損傷與足底壓力密切相關(guān)[2]，且前腳是高弓足最容易損傷區(qū)域的原因[16]。而造成高弓足前腳受力較大的根本原因與其足弓特征有著密切的關(guān)系，有研究指出高弓足者與正常足相比，屬于典型剛體，比較僵硬[17]，再加上其行走時(shí)足部與地面接觸的面積較少，使得其不能充分緩沖震蕩和較為均勻地分配地面沖擊力。鑒于此，在臨床上應(yīng)該采用矯形鞋墊或者相應(yīng)的防護(hù)設(shè)備增加高弓足者的足地接觸面積、減小前腳的負(fù)荷，從而降低高弓足者腳部損傷的幾率。

通過(guò)高弓足與正常足在赤足行走的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：高弓足在行走過(guò)程中各方向上的GRF峰值出現(xiàn)時(shí)刻有早于正常足的趨勢(shì)，在垂直和向后方向上尤甚（見表6）。高弓足行走時(shí)第一和第二垂直GRF峰值出現(xiàn)的均值時(shí)間比正常足大約早35ms，此時(shí)恰好分別處于足跟著地與足趾蹬地時(shí)刻，足跟著地時(shí)參與工作的肌肉包括脛骨前肌、臀大肌、股四頭肌、腘繩肌。而足趾蹬離地面時(shí)參與工作的主要肌肉為臀大肌、股四頭肌和小腿三頭肌[13]。高弓足第一和第二垂直GRF峰值出現(xiàn)的時(shí)間早于正常足，這可能與肌肉的預(yù)激活過(guò)高相關(guān)。中樞神經(jīng)系統(tǒng)作為人體主要的支配和控制系統(tǒng)，它能夠預(yù)期到行走時(shí)的著地時(shí)刻和地面沖擊力的大小，并能積極調(diào)整下肢主要肌肉力量和為吸收著地沖擊力而做出適宜強(qiáng)度的預(yù)激活，而預(yù)激活的強(qiáng)度與觸地前肌肉剛度相關(guān)。前人已研究得出高弓足者的剛性較高，而本研究并沒(méi)有對(duì)肌電進(jìn)行研究，這也是本研究的一個(gè)不足之處，未來(lái)應(yīng)該對(duì)相應(yīng)的工作肌肉進(jìn)行系統(tǒng)研究，從而更深層次的探究高弓足易損傷的原因。高弓足向后方向上的GRF峰值出現(xiàn)時(shí)間早于正常足，這可能與足趾蹬離地面時(shí)向后方向上力的大小和方向有關(guān)。高弓足在赤足行走過(guò)程中各方向上GRF峰值出現(xiàn)的時(shí)刻不同，可能是導(dǎo)致高弓足易損傷的重要原因之一。

4 結(jié)論

高弓足與正常足在赤足行走過(guò)程中垂直方向的第二地面反作用力峰值高于正常足，其它方向上的地面反作用力峰值基本相似；垂直與向后的地面反作用力峰值時(shí)間早于正常足，這些可能是造成高弓足易損傷的主要原因。而對(duì)于下肢主要關(guān)節(jié)角度的變化，僅髖關(guān)節(jié)在足趾離地時(shí)刻有較小的外展角度，這一發(fā)現(xiàn)也有可能是造成高弓足易損傷的原因之一，但是需要進(jìn)一步臨床驗(yàn)證。上述差異可能反映了高弓足與正常足赤足行走時(shí)下肢控制機(jī)制的不同。

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（責(zé)任編輯：何聰）

Mechanical Characteristics of BarefootWalking of the Individuals w ith High-arch Feet and Normal-arch Feet

MAO Xiaokun，ZHANG Qiuxia，YANG Qianqian
（School of PE，Suzhou University，Suzhou 215021，China）

To observe the kinematics and kinetics parameter variations during barefootwalking of the individuals with high-arch feet and normal-arch feet,analyze the reason why high-arch feet are easy to be injured and to provide experimental basis for the rehabilitation treatment of high-arch feet injuries.Method:Nine subjects with high-arch feet were selected for the experimental group,and another ten subjects w ith normal-arch feet were put into the control group.Vicon-MX infrared camera system was used to capture themotions of the subjects during normal walking，and the kinematic parameters such as hip angles,knee angles and ankle angles were collected.KISTLER three dimensionalmeasuring force platform was adopted to collect foot-ground contact force.Result:During the walking,the hip joint abduction angles of the high-arch feet individualswere less than those of the normal feet subjects when the toes were off the ground（P〈0.05). The Difference between the second peak GRF of the vertical direction of the two groups has statistical significance（P〈0.05）.The first and second peak GRF of the vertical direction and the peak GRF of the backward direction of the experiment group appeared earlier than those of the control group（P〈0.05）.Conclusion:The Different characteristics of high-arch feet and normal-arch feet in walking may be the cause why high-arch feetare easy to get injured,and this reflects their different controlmechanisms.

high-arch feet;ground reaction force;kinematics

G804.6

A

1006-1207（2015）04-0075-05

2015-01-15

江蘇省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究規(guī)劃資助項(xiàng)目（2013SJB890016）。

毛曉錕，男，在讀碩士研究生。主要研究方向：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)。

*通訊作者：張秋霞（1972-），女，江蘇泰興人，教授，博士，研究方向：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)。

1.蘇州大學(xué)體育學(xué)院，江蘇蘇州215021；2.天津體育學(xué)院，天津300381