扁平足人群跑步過(guò)程中下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)研究

邵雪榮　郭沄潔　王紅艷　劉怡然　馮茹

摘 要：目的 探究扁平足人群在跑步過(guò)程中與正常足人群的差異，提供跑步建議。方法 以20名男大學(xué)生為研究對(duì)象，10名足弓為正常足，10名左足為扁平足；采用英國(guó)Vicon （T20&T40）紅外光點(diǎn)高速運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)和美國(guó)AMTI（OR6-GT）三維測(cè)力臺(tái)獲取運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。結(jié)果 扁平足人群在著地時(shí)踝外翻角度顯著大于正常足人群（P<0.05）；踝內(nèi)翻最大值顯著小于正常足人群（P<0.05）；踝背屈力矩最大值上顯著大于正常足人群（P<0.05）；左膝屈曲最小角度顯著大于正常足人群（P<0.05）。結(jié)論 足弓塌陷導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)外翻增加；跑步中踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的背屈與屈曲增加用以代償足弓塌陷導(dǎo)致的緩沖作用減弱。

關(guān)鍵詞：扁平足 跑步 生物力學(xué)

中圖分類號(hào)：G80-32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2813（2018）10（a）-0027-03

近年來(lái)，我國(guó)的馬拉松賽事呈現(xiàn)井噴式的增長(zhǎng)，2017年，中國(guó)各類規(guī)模馬拉松賽事場(chǎng)次達(dá)到1102場(chǎng)，而2011年注冊(cè)僅為22場(chǎng)，7年間賽事總量翻了50倍之多[1]。

扁平足是指足縱弓的塌陷或消失，由于足底沒(méi)有良好的支撐，起不到緩沖的作用，內(nèi)臟器官及腦部無(wú)法免于震蕩，可能容易疲勞和疼痛[2]。目前關(guān)于扁平足的生物力學(xué)研究較少，在步行、縱跳和舉重等項(xiàng)目中扁平足表現(xiàn)出不同的生物力學(xué)特征，在運(yùn)動(dòng)學(xué)上表現(xiàn)以踝關(guān)節(jié)外翻和背屈角度改變，動(dòng)力學(xué)上表現(xiàn)為肌肉使用過(guò)度，做功增加，效率降低等[3-7]。

扁平足人群在跑步人群中廣泛存在，在步態(tài)、足底壓力方面與正常足人存在差異[7]，但扁平足人群在跑步過(guò)程中，下肢關(guān)節(jié)的受力情況及關(guān)節(jié)角度變化等情況仍未可知。

本文將從扁平足人群與正常足人群在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)上的差異進(jìn)行分析。由于足弓塌陷，扁平足的緩沖作用減小，膝踝的屈曲角度可能較大，屈膝屈踝肌力矩可能會(huì)增加。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

以20名男大學(xué)生為研究對(duì)象，10名足弓為正常足，10名左足為扁平足，均從左下肢獲取數(shù)據(jù)。篩選標(biāo)準(zhǔn)：（1）足部無(wú)畸形、無(wú)異常步態(tài)；（2）體態(tài)正常，身體質(zhì)量指數(shù)（Body Mass Index， BMI）正常，年齡在18～22歲之間；（3）一年內(nèi)無(wú)嚴(yán)重足部外傷史；（4）下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)度正常。所有受試者均自愿參與實(shí)驗(yàn)。

采用足弓指數(shù)法判定方法辨別足弓類型，應(yīng)用Footscan USB2平板式足底壓力測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。正常足弓指數(shù)在21～28之間，滿足此條件歸為正常組；足弓指數(shù)大于28則歸為扁平足組。

經(jīng)上述方法選出正常足男大學(xué)生與扁平足男大學(xué)生各10名。用SPSS 20.0對(duì)受試者的身高、體重和BMI進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用英國(guó)Vicon（T20&T40）紅外光點(diǎn)高速運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)采集跑步中足踝膝各反光點(diǎn)軌跡，獲取跑步過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，包括步長(zhǎng)、時(shí)間、關(guān)節(jié)角度等；采用美國(guó)AMTI（OR6-GT）三維測(cè)力臺(tái)采集跑步過(guò)程的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，包括力和力矩等。

測(cè)試前，在受試者身上貼上38個(gè)Marker點(diǎn)以捕捉關(guān)節(jié)角度、速度等運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，具體貼點(diǎn)如表2所示，括號(hào)內(nèi)數(shù)字表示貼點(diǎn)部位所需要的Marker點(diǎn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

（1）受試者穿跑步緊身短褲，按要求貼上38個(gè)Marker點(diǎn)。

（2）進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，要求受試者雙手外展，與肩同寬，兩眼平視前方。

（3）靜態(tài)標(biāo)定后，摘除膝與踝內(nèi)側(cè)的Marker點(diǎn)，以防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中跑步時(shí)摩擦掉落。

（4）動(dòng)態(tài)測(cè)試要求受試者采用足跟著地的跑步方式，在長(zhǎng)6m的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地上完成跑步動(dòng)作，將速度控制在（3±0.5）m/s左右。

按照隨機(jī)順序進(jìn)行跑步測(cè)試，每名受試者采集三次有效數(shù)據(jù)。同步采集跑步過(guò)程中受試者的Marker點(diǎn)三維坐標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Visual3D軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。選擇每位受試者3組數(shù)據(jù)中最具有代表性的一組。

以一側(cè)足跟著地到另一次足跟再次著地作為一個(gè)跑步的步態(tài)周期。支撐時(shí)間即同側(cè)足跟著地至同側(cè)足趾離地的時(shí)間，步長(zhǎng)為兩側(cè)足跟的縱向距離。

通過(guò)歐拉角和逆動(dòng)力學(xué)得到的數(shù)據(jù)指標(biāo)，包括一次跑步周期中的時(shí)間與步長(zhǎng)數(shù)據(jù)；膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。為減少身高和體重對(duì)力和力矩的影響，將力和力矩做標(biāo)準(zhǔn)化處理，即將實(shí)際力除以體重得到標(biāo)準(zhǔn)化力，將實(shí)際力矩除以（身高乘體重），得到標(biāo)準(zhǔn)化力矩。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用的形式表示，顯著性水平設(shè)定為0.05。

2 結(jié)果

2.1 時(shí)間與步長(zhǎng)參數(shù)

扁平足組與正常足組受試者在一個(gè)跑步周期中的時(shí)間和步長(zhǎng)參數(shù)基本無(wú)顯著性差異，如表3所示。

2.2 踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)

踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)包括跖背屈、內(nèi)外翻以及內(nèi)外旋角度，發(fā)現(xiàn)著地時(shí)踝外翻角度、踝內(nèi)翻最大值兩者之間存在顯著性差異。

踝關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)參數(shù)包括標(biāo)準(zhǔn)化的踝關(guān)節(jié)前后、左右和垂直方向的力以及標(biāo)準(zhǔn)化的跖屈背屈、內(nèi)翻外翻和內(nèi)旋外旋方向的力矩。其中左踝背屈力距最大值存在顯著性差異，如表4所示。

2.3 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)

膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)包括屈曲、內(nèi)旋和外展角度，其中膝屈曲最小角度存在顯著性差異。

膝關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)參數(shù)包括標(biāo)準(zhǔn)化后的前后、左右和垂直向力，以及外展內(nèi)收、屈曲伸展和內(nèi)旋外旋方向的力矩，但未發(fā)現(xiàn)有顯著性差異，如表5所示。

3 分析討論

在常速跑中，扁平足組與正常足組并未表現(xiàn)出步長(zhǎng)、步頻和時(shí)間的不同。

常速跑著地時(shí)刻，扁平足組表現(xiàn)為踝關(guān)節(jié)外翻，而正常足人群著地時(shí)刻踝關(guān)節(jié)為輕度內(nèi)翻，這與M Hosl， HB-ohm，C Multerer[3]和傅風(fēng)琴等人[4]的研究結(jié)果相統(tǒng)一。在跑步全過(guò)程中，扁平足踝關(guān)節(jié)的內(nèi)翻角峰值也顯著小于正常人群，即扁平足人群在常速跑過(guò)程中足外翻程度增加。由于內(nèi)側(cè)縱弓的塌陷，足舟骨下移，扁平足人群形成了相應(yīng)的外翻足，在跑步過(guò)程中，地面對(duì)踝關(guān)節(jié)的沖擊力巨大，使外翻角度增加更加明顯，而踝關(guān)節(jié)外翻增加了足底韌帶和跟腱在跑步過(guò)程中的負(fù)荷，扁平足人群更易發(fā)生足底筋膜及跟腱的慢性損傷。

在踝關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)上，扁平足組踝關(guān)節(jié)背屈力矩顯著大于正常足組。背屈的力矩越大代表背屈肌肉的做功增加越多，在跑步過(guò)程中，踝關(guān)節(jié)的背屈是發(fā)生在著地過(guò)程中的，由于足弓塌陷，扁平足的內(nèi)側(cè)縱弓缺少吸收緩沖能量的作用，因此通過(guò)踝關(guān)節(jié)的背屈增加，在一定程度上減少了地面對(duì)人體向上的沖擊力，對(duì)人體具有保護(hù)作用，但是因此也會(huì)導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)背屈肌，脛骨前肌、趾長(zhǎng)伸肌和拇長(zhǎng)伸肌的做功增加，扁平足人群常主訴小腿前側(cè)肌肉酸疼[2-7]，這與背屈力矩增加有關(guān)。

相對(duì)于正常足人群，扁平足組在常速跑過(guò)程中膝關(guān)節(jié)的屈曲最小值較大，即常速跑過(guò)程中膝關(guān)節(jié)表現(xiàn)為更屈曲狀態(tài)，這可增加膝關(guān)節(jié)的緩沖效果，減少內(nèi)側(cè)縱弓塌陷導(dǎo)致足弓緩沖地面沖擊力不足，對(duì)內(nèi)臟器官和脊柱有著保護(hù)的作用。

在膝關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)上尚未發(fā)現(xiàn)明顯差異，這可能由于樣本量過(guò)少導(dǎo)致，實(shí)際情況可能存在差異，今后的研究可以增加樣本量以發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)上的差異。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1）扁平足人群相對(duì)于正常足人群，在常速跑過(guò)程中，踝關(guān)節(jié)外翻顯著增加，增加了足底韌帶及跟腱負(fù)荷。

（2）扁平足人群有通過(guò)增加跑步過(guò)程中膝關(guān)節(jié)屈曲角度來(lái)代償由于足弓塌陷導(dǎo)致的緩沖作用減弱。

（3）扁平足人群在跑步過(guò)程中踝關(guān)節(jié)背屈力矩較大，即脛骨前肌等背屈肌肉負(fù)荷較大，更易發(fā)生疲勞及損傷。

4.2 建議

增加樣本量，防止由于樣本量過(guò)少導(dǎo)致數(shù)據(jù)差異性不顯著。

扁平足人群在跑步時(shí)要穿戴緩沖性能較好的鞋子或鞋墊，代償足弓塌陷導(dǎo)致的緩沖作用減少，以減少下肢代償導(dǎo)致的肌肉疲勞。

參考文獻(xiàn)

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