關于一種預防足內翻的鞋子的探究

馮 雷，宋雅偉，蘇 陽

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關于一種預防足內翻的鞋子的探究

馮 雷1，宋雅偉1，蘇 陽2

1.南京體育學院健康系，江蘇南京，210014；2.南京體育學院科研處，江蘇南京，210014。

目的：本文在探究縱跳落地過程中，足內翻損傷力學機制，并提出一種預防足內翻的鞋子初步構想。方法：通過文獻資料法，結合萬方和中國知網等數據庫以踝關節、足內翻、損傷、關節運動軸等進行全文和主題檢索，收集國內與足、踝關節以及距下關節相關參考文獻50篇以及國外與踝關節和距下關節內翻的相關文獻30篇。結果：（1）足內翻是足部各個關節綜合運動的結果；（2）足內翻過程中經常發生損傷的韌帶有距腓前韌帶和距跟骨間韌帶等；（3）足內翻過程中，隨著內翻角度的增加踝關節關節力增加，其中踝關節內側和脛骨遠端髁間線前部的應力逐漸增加，踝關節的外側受到韌帶和肌肉的牽拉剪切應力增加；（4）隨著足內翻角度的增加，距下關節接觸面積增加。結論：理論上在縱跳落地過程中，通過單一的限制足內翻在一定的范圍可以預防足內翻損傷，同時對足踝關節不會造成大的傷害，但有待于進一步驗證。

預防；足內翻；鞋子

在日常體育活動中足踝關節損傷經常發生，約占體育損傷的40%[1-5]；足踝關節的韌帶損傷通常為韌帶的損傷，踝關節的韌帶損傷占整個踝關節損傷的75%，其中內側韌帶損傷占踝關節韌帶損傷的97%[6-9]。足踝關節損傷通常在足球、籃球以及排球等體育項目和跳傘等軍事項目中發生率較高。調查顯示每天約10 000人發生踝關節的損傷[10]，且醫院急診的7—10%均為足踝關節損傷，通常隨著運動年齡的增加，損傷的概率也會增加，在不同的運動項目中，足踝損傷的發生率也不相同，根據對15歲以下、15到19歲及19到35歲之間的調查，發現足踝損傷普遍發生在15到19歲的青少年階段[11,12]。足踝關節的損傷與頻繁的起跳和落地具有較大的相關性；在本文將起跳后騰空的過程足的狀態認為為非負重狀態；起跳、落地以及站立位的支撐階段足部的狀態為負重狀態。通過限制足踝關節的內翻在特定的角度，保護足踝關節在負重狀態下不受損傷。但限制足踝關節的內翻，是否會對足踝關節和膝關節產生額外的負荷？額外的負荷是否會產生損傷？損傷的危害有多大？

1 資料方法

1.1 資料的來源

檢索人相關內容：本文第一作者馮雷。

檢索時間范圍：1995年1月至2015年9月。

檢索詞：英文檢索詞：“ankle，biomechanics，foot，varus,subtalar,injury”中文檢索詞“踝關節，生物力學，損傷，內翻，足，距下關節/距跟關節”。

檢索數據庫：中國知網數據庫，網址：http://www.cnki.net。萬方數據庫，網址：http://wanfangdata.com.cn

1.2 入選標準

納入標準：（1）有關足踝關節關節受力/內翻/損傷的文章；（2）具有原創性，論點/論據可靠的文章；（3）對同一領域的文獻選擇權威期刊的文獻，對相互矛盾的論點選擇與主流論點相近的文獻。

排除標準：較陳舊的觀點和理論，以及一些重復性的研究。

質量評估：計算機初次檢測得到280篇文獻，包括中文160篇，英文120篇，閱讀標題和摘要篩選，選擇與足踝關節關節受力/內翻/損傷的文獻120篇；再一次排除相似的，陳舊的文獻，保留其中的80篇歸納總結。

2 足踝的解剖結構

2.1 足踝關節周圍的韌帶

足踝部的韌帶是影響足踝關節穩定的關鍵因素，正常的足部落地時會發生外翻，被動的外翻可能是足踝關節的內側韌帶強于外側韌帶的關鍵因素；踝關節外側韌帶對于踝關節的穩定具有重要的作用，但他們所占的比例不同，距腓后韌帶：距腓前韌帶：跟腓韌帶=6:1:3[13]。楊崇林，徐向陽[14]等認為跖屈時踝關節中距骨頭與外踝距離相對增加，距腓前韌帶收縮，跟骨結節與外踝距離相對減小，跟腓韌帶松弛，此時踝關節內翻距腓前韌帶最易受損傷，其次為距跟骨間韌帶、外側關節囊，最后才是跟腓韌帶，且在外力的作用下跟骨發生相對位移大時，可能導致距跟骨間韌帶和跟腓韌帶損傷。毛賓堯，劉明廷等[15]采用觀察法，對7具尸體足部以及40副距跟骨的距跟關節進行測量和觀測，發現距跟關節在結構上具有穩定特性：（1）距跟關節的鞍狀鑲嵌作用，跟骨體體積大于距骨，距骨關節面稍大于跟骨關節面，同時距骨鑲嵌于跟骨傾斜的鞍狀面內；（2）短粗有效的距跟骨間韌帶，韌帶內部纖維呈螺旋形，與距跟關節的力學作用相一致；（3）有限的關節活動度，內翻10°—15°，外翻5°—8°，內外向滑動和內外旋轉各為3°—5°，前、后位滑動2—3mm，無繞足橫軸活動，有限的關節活動度使關節具有更好的穩定性。戴海飛，余斌等[16]通過有限元發現：當足處于外旋狀態下脛距后韌帶的存、缺對于踝關節的穩定性有較大的影響；當足處于內旋狀態下跟腓韌帶對于踝關節的穩定性有較大的影響。

總結：足踝關節內翻時，距腓前韌帶是最容易受傷的部位；距下關節屬于面面關節，寬大的關節面以及強大的距跟骨間韌帶是距下關節具有良好的穩定性的重要因素。

表1 距跟骨長寬度與其關節面長寬度的比較（n=40，±s）

（上述表格取自于毛賓堯的距跟關節的內穩定結構和不穩矯正）

2.2 足踝關節周圍的肌肉

通過查閱功能解剖學以及運動解剖學了解到：足踝關節內翻的肌肉有脛骨前肌、脛骨后肌、長伸肌、長屈肌以及趾長屈肌，可以使踝關節外翻的肌肉有趾長伸肌以及腓骨長短肌。相比較下有更多的肌肉作用于足的內翻；當足部處于非負重的狀況下，肌肉的彈性是足內翻的重要原因之一。足踝關節的內翻損傷常發生在背伸位轉向背屈位；縱跳落地的過程中足踝關節周圍的肌群收縮，不正常的落地過程產生的肌肉力也可能會是足內翻的原因之一[17-20]。

總之，足踝關節容易內翻的特點不僅與距下關節傾斜的關節面有較大的關系，而且肌肉的作用是足踝關節內翻另一個主要的原因。

3 足踝關節內翻的生物力學研究

3.1 足踝關節內翻的運動學研究

3.1.1 足內翻的運動學解釋 足踝關節損傷在足球、籃球以及跳傘等項目中有較高的發生率。這幾個項目具有一個共同的特征：頻繁的跳起—落地[21]。在縱跳落地階段足踝關節內翻損傷的運動學過程是：當足部離開地面后，足處于非負重狀態，此時足處于趾屈和內翻的狀態；足踝關節在正常的落地過程中，由于地面不平整，足落在別的運動員的腳上或則地面有石粒等，足的正常外翻功能被抑制，足踝關節由外翻轉變為內翻，最終可能導致足踝關節的內翻損傷。

3.1.2 足內翻時踝關節和距下關節的運動學變化 踝關節的內翻損傷分為兩個過程：危險的形成期和扭傷階段。當內翻角速度達到632°/s或內翻初速度達300°/s時，踝關節外側韌帶將會發生損傷[22]。郭國新[23]等通過有限元分析軟件對一名女性的踝關節進行建模，分析踝關節在不同內翻位狀態下的關節位移和關節力值。研究發現踝關節內翻（10°—85°），各骨發生位移最大的部位在腓骨中下段和外踝，其次是脛骨中下段，也就是說伴隨內翻角度的增加，踝關節處的接觸力發生內移。此時距骨發生內移，增加了踝關節處關節的接觸面積（距骨外移1 mm，脛距關節的有效負重面積將減少20%—40%，如外移5 mm，則可減少80%）。另外膝關節也會發生屈曲和內翻適應這種變形。哈山、許鑒[24]等通過CT掃描并使用三維重建軟件Mimics 14.11對足部進行三維重建，獲得距下關節在不同狀態下的靜態數據，發現距下關節繞矢狀軸的內翻和外翻以及繞垂直軸的內旋和外旋運動范圍大于背屈和背伸。當足部處于背屈和背伸位時，距下關節的位移明顯大于其他運動狀態。周軍杰[25,26]等通過對12例正常人新鮮足中距下關節的運動學研究發現：距下關節背屈和背伸的運動范圍：4.13°+0.86°；距下關節內翻和外翻的運動范圍：8.43°+0.52°；距下關節內收和外展的運動范圍：12.77°+1.29°。在籃球的訓練和比賽的過程中，運動員足跟離地，保持前腳掌支撐身體的重量以及運動的支撐反作用力。這一動作保持了踝關節良好的活動性，有助于足踝關節運動特點的發揮，同時足跟的抬起可以更好的發揮內側足弓（彈性足弓）的功能，但足跟抬離地面踝關節處于屈曲位，足踝關節的穩定性降低，當足部位于該位置時，很容易發生足內翻的損傷。總之，縱跳落地時發生足內翻，踝關節發生的位移變化大于距下關節，因此踝關節處損傷的程度可能大于距下關節。

3.1.3 足踝關節的翻轉與足部各關節的運動軸的相互制約 從整體上來看，足踝關節具有3個運動軸，可以在3個運動面內進行運動，分別是繞額狀軸在矢狀面進行的屈伸運動、繞矢狀軸在額狀面進行的內翻和外翻、繞垂直軸在水平面進行的外展和內收。但是足關節單純的繞單軸的運動范圍是很小的，足的關節由踝關節、距下關節、跗橫關節、跗跖關節、跖趾關節、趾間關節等組成且每一個關節具有不同的關節運動軸；（1）踝關節（距小腿關節）由脛骨、腓骨以及距骨滑車構成，近似單軸的屈戍關節，可以做背屈（伸）和跖屈（屈）運動，但是其旋轉軸是可變的。（2）距下關節的旋轉運動軸向上傾斜大約呈42°，向內傾斜與足的垂直軸呈23°[27-29]。筆者認為距下關節的旋轉軸傾斜的原因是由于距下關節的前、后端有各自的關節囊，并由跗骨竇和跗骨孔分開。關節的前端更靠近內側，比起后端有更高的旋轉中心。但是兩部分綜合形成一個旋轉軸，距下關節的旋轉軸具有較大的個體差異性。總之，足部是由多個關節組成，同時足部的運動受到多個關節的運動的相互制約。

3.2 足踝關節內翻的動力學

3.2.1 踝關節的應力分布 吳迪，伍驥等[30]對跳傘過程中踝關節外側韌帶的受力以及關節的運動進行分析：在尸體的情況下進行內翻試驗，當平均負荷達到2208.18N，踝關節外側韌帶將會發生斷裂，力從0到峰值所用平均時間9.76s。郭國新，郭繼濤等[31]對靜止直立位的踝關節施加載荷發現：最大應力集中的區域為內踝與距骨相關節處，脛骨遠端關節面髁間線前部，距骨滑車外側部；應力最小的區域為外踝，距骨頭，距骨頸。高空墜落時踝關節的最大應力集中區域為距骨滑車前外側，內踝內側皮質區以及脛骨遠端關節面髁間線前部。郭國新等通過有限元分析軟件對一名女性的踝關節進行建模，分析踝關節在不同內翻位的關節位移和關節力值。研究發現踝關節內翻（10°—85°），最大剪切力發生在外踝尖及腓骨下段外側皮質、距骨滑車髁間線外側部及距骨與內踝相關節部位，并且x、y及z軸上的應力也是隨著內翻角度的增加逐漸增加，x軸上的應力極值最大，以y軸上剪切應力值變化最大，xz平面（額狀面）上的剪切應力極值最大。湯榮光等[32,33]采用內置式壓力敏感片，對10具小腿和足的標本進行距下關節內壓力測試。研究發現：當足處于中立位承重時，距下后關節面接觸面積明顯大于前中關節面的接觸面積，且距下后關節承受的關節接觸力占整個距下關節接觸力的60.39%。也就是說，足部在中立位承重時，距下關節的后關節面承載主要的負荷。通過觀測跟骨關節面上的壓力作用線，發現關節面后側的壓力線較明顯。另外，通過中立位的足底壓力試驗發現：足跟部承受整個足部負荷的64%。總之，距下關節的后關節面是主要的稱重區域，該區域承受著較大的壓應力。足內翻的過程中，內翻的角度越大，踝關節內的關節力矩增加，其中較大的一部分關節力矩來自于韌帶/肌肉以及關節囊的張力。

3.2.2 高出墜落情況下跟骨骨折 黃諸侯，李俊，陳日齊[34,35]等對高出墜落情況下跟骨骨折的機制進行探討和分析：有限元條件下足呈中立位落地，跟骨骨折將從距跟關節面的外側向內后方發生骨折；足呈背屈位落地，從距跟關節面的外側向內后方發生骨折，距跟后關節面也發生相應骨折，同時跟腱的附著處發生撕脫性骨折。在兩種落地狀態下，跟骨的骨折均從距跟關節的外側向內側延伸，從力學的角度可以看出，跟骨的外側是應力的集中區域。這與距骨滑車的外側部是應力集中區域有較大的聯系。

3.2.3 足內翻時跖骨的受力變化 顧耀東、李建設等[36]通過建立足部三維有限元模型，探究足部在不同的內翻角度時，足部跖骨的壓力。正常落地時第二跖骨處的應力為各跖骨應力最大；這也就更好的解釋了第二跖骨為應力性骨折的高發部位。當足處于內翻狀態時，外側跖骨成為高應力集中的部位。通常第五跖骨在正常的運動狀態下受力較小，但是當足踝關節內翻時第五跖骨底內側可能成為壓力的高發部位。

3.2.4 足內翻損傷后足底壓力的變化 谷昱良[37]通過足底壓力分析系統，對5名正常研究對象和5名踝內翻損傷研究對象研究發現：左右踝內翻損傷足底壓力具有差異性，與正常無損傷的足底壓力相比較，踝內翻損傷的足底壓力具有不穩定、波動性較大等特點。踝內翻損傷者的足底壓力中心集中，變化不明顯。綜上所述，足踝關節內翻產生的損傷導致足底壓力的偏向某一特定的區域，容易造成局部壓力集中的現象[38]。足踝關節內翻出現的損傷可能是多方面的，踝關節的距腓前韌帶撕裂，距跟骨間韌帶的撕裂，跗橫關節處的損傷，外側跖骨的骨折以及足底壓力集中等。

4 縱跳落地階段足踝關節翻轉的受力分析

縱跳落地階段足內翻的發生機制是由于足踝關節受到一個內翻力偶矩。當人縱跳落地或則跳傘從高空落下，在騰空階段，足由于自身環節的重心偏向前側，同時由于小腿肌肉的彈性以及韌帶的抗張力特性，足踝關節發生趾屈和內翻。當足正常落地過程中，由于足的外側先著地使得足的外側受到一個向上的支持力，同時距骨收到脛骨施加的向下的壓力，這兩個力形成一個力偶距，使足踝關節發生外翻，結果使足關節正常落地。當足足內側緣受到外力的作用，足踝關節的外翻被阻止，此時脛骨與距骨和跟骨與地面之間力的作用點發生變化，足底內側緣受到阻力f，足底外側緣受到支持力F，脛骨與距骨間的接觸里看作重力，這3個力形成的外翻力矩大于等于內翻時，足踝關節的內翻損傷將不會發生，但是一般狀況下，外翻的力矩小于內翻，足踝關節的內翻損傷將可能發生。

圖1 足踝關節受力示意圖

（G表示有脛骨向足踝關節傳遞的重力；N表示地面傳遞給足踝關節的地面反作用力，N是F與f的和；L表示兩個力的力臂）

5 小 結

（1）足內翻是足部各個關節綜合運動的結果，踝關節的內收、距下關節的向內的翻轉以及跗橫關節向內的翻轉等；（2）足內翻過程中易損傷的韌帶是距腓前韌帶和距跟骨間韌帶等；（3）足內翻過程中，隨著內翻角度的增加踝關節關節力增加，其中踝關節內側和脛骨遠端髁間線前部的應力逐漸增加，踝關節的外側受到韌帶和肌肉的牽拉剪切應力增加；（4）隨著足內翻角度的增加，距下關節接觸面積增加；（5）跗橫關節的旋轉運動范圍大于屈伸運動，說明在一定的內翻狀態下可以承受較大的載荷。

6 一種預防足內翻鞋子的可行性分析

通過限制足內翻預防足內翻損傷的鞋子在理論上具有可行性。（1）找出限制足內翻的最佳角度；（2）當足發生內翻時，由于支持帶的保護足踝部的軟組織并不會損傷，在該條件下，人體的自我保護意識[39]，并不會給關節產生持續性的以及強大的應力，且支持帶的最大優勢可以將內翻的剪切應力轉化為關節的壓應力[40]；（3）如果繼續深入的研究各個專項的足踝關節的運動學特征，那么可以更加科學合理的設計符合各專項的鞋子，既不會影響足踝關節的正常運動，保護足踝關節。

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Exploration of Mechanism on Strephenopodia and the Shoes Guarded against Strephenopodia

FENG Lei1, SONG Yawei1, SU Yang2

1.Dept of Health, Nanjing Sport Institute, Nanjing Jiangsu, 210014, China;2. Dept of Scientific research, Nanjing Sport Institute, Nanjing Jiangsu, 210014, China.

The purpose of this paper is to explore the mechanical mechanism of strephenopodia in the vertical jump landing process and to find shoes guarded against strephenopodia. Methods: The method of literature reviews is adopted in this paper. All of data is found by Wanfang and CNKI. The key words are including ankle, strephenopodia, injury, axis of joint motion and so on, searched in full text and for topic. In total,80 papers is good to finish this article.50 papers is Chinese, and other is English. The discovery: First, the strephenopodia is a comprehensiveness motion on all of foot joint. Second, the injury of ATFL and interosseous talocalcaneal ligament is common in strephenopodia. Third, the more degree of joint angle is increased, the more joint force gains in medial of ankle and in front of Line between distal tibia condyle, also shearing stress is increased in lateral ankle. Fourth, the more degree of joint angle is increased, the more is the contact area in subtler joint. The result: The shoes guarded against strephenopodia are doable, and decrease the harm. However, the harm is uncertain.

Guard against; Strephenopodia; Shoes

1007―6891（2017）03―0035―04

10.13932/j.cnki.sctykx.2017.03.10

G804.61

A

2016-11-01

2016-11-16

國家自然科學基金資助項目，項目編號：31270998；江蘇省普通高校研究生科研創新計劃項目（省立校助），項目編號：KYLX15_1031。