高弓足跑步支撐階段的動力學特征

毛曉錕+張秋霞+陸阿明+王國棟+楊倩倩

摘 要：根據足弓高度指數選取9名高弓足學生為實驗組和9名正常足學生為對照組，采用KISTLER三維測力臺對兩組受試者跑步時支撐階段的力學控制特征進行分析。研究結果發現：1）垂直方向上，高弓足者著地時的沖擊力峰值和第1載荷率顯著高于正常足者（P﹤0.05）；推動力峰值和第2載荷率以及到達峰值的時間兩組間差異無統計學意義（P﹥0.05）。2）前后方向上，高弓足者加速力峰值高于正常足者（P﹤0.05），其它指標在兩組間的差異無統計學意義（P﹥0.05）。3）內外方向上，高弓足者跑步時內外方向上力的最大值、最小值以及力值波動范圍均高于正常足者（P﹤0.05），其它指標兩組間無統計學意義（P﹥0.05）。結果說明：1）高弓足者受到較高的沖擊力（峰值）和載荷率，以及僵硬的足弓可能暗示了高弓足者著地時足弓緩沖震蕩的能力降低，是造成高弓足損傷的重要原因之一；2）高弓足者與正常足者前后和內外方向上的差異性可能是造成高弓足損傷的潛在因素之一，這些差異性可能與足弓僵硬、下肢肌肉活性較差以及肌肉做功的差異有關。總之，高弓足者在跑步支撐階段對動力學控制能力較差，反映了高弓足與正常足者跑步時力學控制機制的不同。

關 鍵 詞：運動生物力學；高弓足；支撐階段；載荷率

中圖分類號：G804.6 文獻標志碼：A 文章編號：1006-7116（2017）02-0122-06

Kinetic characteristics of high arch foot running at the supporting stage

MAO Xiao-kun1，ZHANG Qiu-xia1，LU A-ming1，WANG Guo-dong1，YANG Qian-qian2

（1.School of Physical Education，Soochow University，Suzhou 215021，China；

2.Group of Physical Education，Suzhou Foreign Language School，Suzhou 215011，China）

Abstract： Based on foot arch height index， the authors selected 9 high arch foot students as the experiment group and 9 normal foot students as the control group， and used a KISTLER 3D force measuring platform to analyze the mechanical control characteristics of running of the two groups of testees at the supporting stage. Research results： 1） in the vertical direction， at landing， the peak vertical force and the first loading rate produced by the high arch foot testees are significantly greater than those produced by the normal foot testees （P<0.05）； the differences in the peak driving force and the second loading rate as well as the time to peak between the two groups have no statistical significance （P>0.05）； 2） ） in the anteroposterior direction， the peak accelerating force produced by the high arch foot testees is greater than that produced by the normal foot testees （P<0.05）， the differences in other indexes between the two groups have no statistical significance （P>0.05）； 3） in the medial-lateral direction， the maximum value， minimum value and fluctuation range of the force produced by the high arch foot testees during running are greater than those produced by the normal foot testees （P<0.05）， the differences in other indexes between the two groups have no statistical significance （P>0.05）. The results indicate the following： 1） the high arch foot testees suffered a greater （peak） impact force and loading rate， and their stiff foot arch may hint that the decrease of their foot archs ability to absorb shocks at landing is one of the important causes for high arch foot injury； 2） the differences in the anteroposterior and medial-lateral directions between the high arch foot testees and the normal foot testees are probably one of the potential factors for causing high arch foot injury， these differences are probably related to foot arch stiffness， poor lower limb muscle activity and muscle work difference. In conclusion， high arch foot peoples ability to maintain kinetic control at the supporting stage during running is relatively poor， which reflects the differences in the mechanical control mechanism between high arch foot people and normal foot people during running.

Key words： sports biomechanics；high arch foot；supporting stage；loading rate

跑步是一項適宜于不同人群的健身運動項目，長期堅持可以有效地預防疾病，提高身體素質。但是損傷是人們在跑步過程中不可避免的，足又是跑步中人體與地面接觸的唯一支點，承受著人體的大部分重量，其中足弓結構異常是造成足部損傷幾率增加的一個重要因素[1]。有統計顯示普通人群中大約有10%～15%為高弓足[2]，所謂高弓足，從結構上看，它包括內側縱弓過高、與地面接觸面積減少等特點，足部的損傷概率（60%）遠高于正常足（23%）[3]。Williams等[1]對高弓足易損傷的部位進行調查，結果發現高弓足跑步時易造成踝關節、骨以及外側部位損傷。目前學者多對足弓結構與下肢運動的關系進行了研究[4-7]，但是關于足弓結構與力學控制特征方面的關系研究較少，有研究指出，足弓高度與垂直方向的沖擊力沒有相關性[8]，這可能是因為受試者在跑步時采用前腳著地。地面反作用力作為研究跑步時下肢動力學的重要因素[9]，此外跑步時除了垂直方向的力，還會受到前后和內外方向上分力的作用，跑步時存在的力學差異與下肢損傷有著直接的關聯。為此本研究對高弓足者跑步時支撐階段3個方向的分力以及垂直方向的載荷率進行分析，全面了解高弓足與正常足跑步支撐期3個方向動力學特征，分析高弓足易損傷的原因，以期為防治高弓足損傷提供理論和實驗依據。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本研究根據足弓高度指數或比率（Arch Height Index，AHI）來判定高弓足，不分性別選取9名雙側患有高弓足的受試者為實驗組，9名雙側正常足為對照組（本研究選取受試者的右足為例）。足弓高度指數即足背高度（在足長的50%處量取足背的垂直高度）除以截斷足長（足跟最遠端到第一跖趾關節的距離）（AHI=AH/TFL））（如圖1）[6]。AHI≥0.356為高弓足，AHI≤0.275為扁平足[10]，介于兩者之間的為正常足，為了更好地區分高弓足和正常足，本研究將AHI≥0.365劃分為高弓足，0.315≤AHI≤0.350為正常足。這種快速便捷的足形判別方法已被國外多位學者所采用，并被認定為是一種有效可靠的判定方法[11]。

（足長-FL；截斷足長-TFL；AH-足背高度）

圖1 計算足弓高度指數所需指標

受試者在實驗時沒有參加過大強度的體育活動、沒有下肢損傷，且在過去1年里沒有下肢韌帶損傷、下肢進行過手術。采用足長測量儀對足部所需參數進行測量，考慮到受試者的個體差異，本研究將受試者的足寬、足背高度以及截斷足長分別與足長進行標準化處理為相對值。受試者的基本情況（見表1）。

1.2 實驗儀器

本研究采用KISTLER三維測力臺（40 cm×60 cm）采集受試者跑步過程中支撐期（測試足從足跟著地到足趾離地）的力學指標，包括前后、內外以及垂直方向的力值，采樣頻率為1 000 Hz。

1.3 測試方法

實驗前要求受試者身著緊身短褲，兩腳赤腳站立，與肩同寬，將體重均勻分配在兩側肢體，此時對受試者的身高、體重、腿長、膝寬、踝寬、足長、足寬、截斷足長等形態學指標進行測量。正式測試前，要求受試者赤足在長約8 m的木質地板上（測力臺安放于上面）試跑幾次，調整起始步位置使測試足完全踏在測力臺上面，使受試者足底適應接觸的測力臺，減少測試儀器對受試者跑步動作的影響，直至受試者感覺自己可以正常測試為止。要求受試者在跑步過程中“無視”測力臺的存在，避免出現跨步、踮腳、忽快忽慢等現象，要求受試者的跑速控制在（3±0.3） m/s，跑速的測試儀器采用蘇州大學自主研發的光電感應計時系統，主要包括：起點觸發設備、終點采集設備、電腦控制端。將起點觸發設備放于8 m距離的起點，終點采集設備放于8 m距離的終點。受試者從兩采集器中間穿過，儀器結束采集并自動計算受試者穿越起點和終點設備的時間，算出跑速。正式測試時，每個受試者按要求做3次動作。

1.4 數據處理

本研究只對跑步過程中受試者支撐階段的力學數據進行處理，所測試指標見表2。將測試到的力值除以受試者體重進行標準化處理，標準化后的數據為體重 （Body Weight，BW）的倍數，旨在消除體重差異對實驗結果的影響，將到達峰值的時間除以支撐期總時間進行標準化處理，采用百分比表達，同時將支撐期的總時間換算為100%。采用SPSS17.0統計學軟件包對實驗數據進行處理，數據以±s表示。各指標兩組間的差異進行獨立樣本t檢驗，檢驗水準選ɑ=0.05。

2 研究結果及分析

2.1 高弓足與正常足跑步時垂直方向地面反作用力和載荷率的特征

垂直方向的地面反作用力反映了受試者在垂直方向上地面反作用力的特征，高弓足與正常足跑步時支撐期的垂直地面反作用力和載荷率如表3和圖2所示，由圖2可知，高弓足與正常足垂直地面反作用力呈現“兩波一谷”的特征，其中第1峰值Fz1出現在足著地期為沖擊力峰值（impact peak），第2峰值Fz2出現在蹬地時刻為推動力峰值（propulsion peak）[13]，也有學者將第2峰值稱之為活躍峰值（active peak）[14]。結合表3可以看出沖擊力出現在支撐期的7%左右，加速力峰值出現在支撐期的40%左右，高弓足者的沖擊力峰值Fz1均值大于正常足（P=0.006﹤0.05），第1載荷率Gz1高于正常足（P=0.006<0.05），其它指標兩組間差異無統計學意義（P﹥0.05）。

2.2 高弓足與正常足跑步時前后方向地面反作用力特征

前后方向的地面作用力反映了受試者在前后方向的受力情況，高弓足與正常足跑步時支撐期的前后方向地面反作用力如表4和圖3所示，由圖4可以看出，其曲線分為負、正兩個階段，正好對應蹬地動作的前支撐和后支撐階段，前支撐階段會出現兩個波峰，本研究只針對最大波峰進行研究，第1波峰Fx1為負值，對人體運動產生阻力，第2波峰Fx2為正值，出現在前腳蹬地時刻，為跑步的動力[15]，本研究分別將其稱為“制動力峰值”和“加速力峰值”。在支撐期55%的時間處于制動階段，45%的時間處于加速階段，其中制動力方向與加速力方向相反。通過表4可知，高弓足者加速力峰值高于正常足（P=0.045<0.05），其它指標兩組間差異無統計學意義（P>0.05）。

2.3 高弓足與正常足跑步時內外方向力的地面反作用力特征

內外方向上的地面反作用力反映受試者在跑步過程中足底與地面接觸時對內外方向的受力情況，高弓足與正常足跑步時內外方向上的地面反作用力如表5和圖4所示。從圖4可以看出高弓足與正常足跑步過程中內外方向上的力呈現出兩大波峰，但是整個波形不規則。由表5可知，高弓足者在跑步過程中在內外方向上的最小力值Fy1（P=0.046<0.05）、最大力值Fy2（P=0.037<0.05）以及力值波動范圍均高于正常足（P=0.002<0.05），其它指標兩組間差異無統計學意義（P﹥0.05）。

3 討論

本研究將高弓足與正常足跑步時支撐階段的受力形式根據研究要求分為垂直、前后和內外5個方向，結合表3、表4、表5可以看出垂直方向的分力值最大，其次是前后方向的分力，內外方向上的分力最小。在垂直方向上，高弓足跑步支撐階段的沖擊力峰值和第1載荷率明顯高于正常足。由圖3可以看到沖擊力峰值出現在中后足，此時的地面反作用力主要是通過足跟墊、跟骨、距骨然后傳送到腿部[16]，這可能代表了骨的載荷[9]，所謂載荷率是指在運動過程中身體吸收地面反作用力的快慢，單位時間內吸收的能量越多，造成損傷的風險越高，本研究中高弓足的沖擊力峰值大于正常足，較高的沖擊力峰值和載荷率增加了過度使用（overuse）損傷的風險[17]，這也就解釋了為什么高弓足者容易造成骨損傷。造成第1載荷率較高的原因主要是因為高弓足在單位時間內所受的沖擊力較高，反映了高弓足著地后對沖擊力的控制性較差，這可能與腿部剛度有關，跑步者在跑步時可以通過改變腿部剛度而使身體在不同地面上保持相似的地面沖擊力峰值[18]，但已有研究指出高弓足者具有較高的腿部剛度[10]，使之不能很好地調節沖擊力，如果進行長時間的跑步，高弓足會重復性受到高沖擊力，這不僅會造成足部的不舒適，而且是造成易損傷的重要原因之一。除了上述所說的腿部剛度的影響因素外，也有學者指出影響沖擊力值的因素包括著地時的足、質心速度、身體的有效質量、接觸面積以及軟組織、鞋和接觸的地面情況等[17]。Nigg等[19]指出足跟處的脂肪墊是影響跑步過程中沖擊力和載荷率的內在因素。因此為了有針對性地降低高弓足者著地時的沖擊力值，未來應該考慮從影響沖擊力值著手，通過改變高弓足跑步時所穿著的鞋來降低著地時的沖擊力值是最簡便易行的方法。本研究的受試者多采用中后足著地，有研究指出習慣性采用后足著地的跑步者與大多數前足著地者相比具有更高的重復性壓力損傷幾率[20]，建議高弓足跑步者嘗試著采用前足著地。

有研究者指出高弓足跑步者的第2峰值大約為體質量的2.3倍[12]，此數據與本研究的結果基本相似。第2載荷率，兩組受試者沒有差異性，此時主要是膝關節在緩沖震蕩，而膝關節的改變可能對第2載荷率具有很大的影響[12]，這說明了高弓足與正常足相比，膝關節活動并沒有因為足弓的改變而受到影響，可以積極地控制推動力。但已有研究指出高弓足與扁平足相比，具有較高的第2峰值載荷[10]，從中可以看出高弓足、扁平足和正常足呈現出不同的動力學和載荷率特征，同時可能隱含它們損傷的機制不同的可能，因此易損傷的部位也會有所差異。Zifchock等[21]研究指出足弓高度指數與足弓僵硬程度具有相關性，足弓高度指數越高其對應的足弓僵硬程度就越高。由表1可以看出，高弓足者的足弓高度指數大于正常足（P<0.05），可以推斷出高弓足者的足弓與正常足相比更加僵硬，僵硬的足弓降低了高弓足跑步過程中緩沖震蕩的能力，也是造成高弓足損傷的重要原因之一。

前后方向上，高弓足在跑步支撐期的加速力峰值高于正常足，由圖4可知加速力峰值出現在支撐期的后期，此時處于前腳蹬地時刻，加速力值的改變可能反映了蹬地時刻肌肉活性的改變，從而影響了高弓足前腳蹬地對加速力的控制。內外方向上，高弓足者的最大力值、最小力值以及力值波動范圍均高于正常足。高弓足峰值波動范圍增大主要是由于內外方向上的峰值較大。由于本研究首次對高弓足跑步時內外方向地面反作用力進行研究，造成高弓足與正常足內外方向上的最大力值和最小力值差異性的具體原因并不明確。有研究指出，隨著跑步速度的增大，內外方向力的峰值也增大，且力值的波動范圍也相應增大[22]，而本研究對速度進行了嚴格控制。但是高弓足足底接觸面積較小[23]和足弓僵硬都可能是造成上述現象的原因。另外內外方向上峰值的差異性可能是造成高弓足內外翻畸形的潛在因素。雖然前后方向和內外方向所受的力值與垂直方向上的地面反作用力值相比較小，但是高弓足與正常足跑步支撐階段在這兩個方向上的地面反作用力所產生的差異性不容忽視，在跑步過程中對內外和前后方向力學差異可能是造成高弓足者易損傷的潛在因素，在臨床診斷、治療和康復等方面應該引起重視。另外考慮到足弓結構的復雜性以及下肢關節耦合，應進一步對高弓足者跑步支撐階段的下肢肌肉活性和做功情況進行探索，深入探討其損傷的機制。

從當前研究可以看出高弓足跑步支撐階段對內外方向的力學差異最大，最大力值、最小力值以及力值波動范圍均高于正常足；在前后方向上，高弓足加速力峰值高于正常足，這些差異性可能與足弓僵硬和下肢肌肉活性較弱有關，這些是造成高弓足者損傷的潛在因素。垂直方向的沖擊力峰值和載荷率高于正常足，以及高弓足者的足弓僵硬程度較高，這些可能反映了高足弓緩沖震蕩的能力與正常足弓相比減弱了，是造成高弓足者損傷的重要原因之一。高弓足與正常足在跑步時支撐階段的力學差異反映了高弓足者與正常足者跑步時力學控制機制不同。

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