基于足核心系統的足部功能增強研究進展

肖松林，張希妮，孫曉樂，傅維杰

上海體育學院運動健身科技省部共建教育部重點實驗室，上海市200438

人類的足是由非洲猿的足部結構進化而來，在樹棲和陸地運動中起作用。從猿類向類似人類足結構的過渡反映了由解剖學和生物力學所主導的運動習慣的轉變[1]。足是一個非常復雜的結構，所組成的關節具有多個自由度[2]。為了能更好理解足部結構復雜性，近年來研究者提出足核心系統(foot core system)概念，它由主動子系統、被動子系統和神經子系統構成，三者相輔相成，滿足足部不同的功能需求[3]。在健康狀態下，足核心被動子系統可以支撐體重，進行緩沖并降低負載；神經子系統可以適應不同的地形、保持身體的平衡；主動子系統可以在行走和跑步時推動身體前進[4]。此外，足弓(足部核心區域)具有類似彈簧的特性，每次著地時能存儲和釋放彈性能量[3]。

隨著生活水平的提高，大眾的健康意識逐漸增強，越來越多的人參與到各項運動中，與此同時運動損傷的發生也越來越多。以跑步為例，即便有著功能性跑鞋等運動防護裝備，其損傷率依舊居高不下[5]。由于人體足部與地面直接接觸[6]，足(包括踝)是最易受傷的部位之一，約占31%[7]。引起足踝運動損傷的因素包括個人因素、訓練因素、健康生活方式因素，其中足部功能不足(肌力弱、足底感覺功能不足等)是造成足部運動損傷的一個重要原因[8]。目前增強足部功能的方式包括肌力增強[9]、極簡鞋(minimal shoe)訓練[10]、特定運動項目干預[11]和腦刺激康復手段[12]等。如何進一步有效增強足核心系統、促進足部功能、預防損傷成為包括康復領域在內的新的研究熱點。

本研究通過對國內外關于各類訓練、干預方法增強足部功能的研究進行系統綜述，從足部核心增強(foot core strengthening)的角度出發，總結足核心主動子系統、被動子系統、神經子系統的組成及其在足運動中的主要作用，探討足部損傷的風險因子，進而歸納不同訓練、干預方法對足核心各子系統的影響，為增強足部功能、預防足部運動損傷提供理論參考和訓練建議。

1 文獻檢索及整理方法

1.1 文獻檢索策略

檢索PubMed、Web of Science、EBSCO等英文數據庫，英文關鍵詞：foot core system、foot function、foot function strengthen、foot functionality、foot muscle strengthen、intrinsic foot muscle、foot muscle training、footwear、minimal shoe、insole、foot training program、foot training。同時，檢索中國知網、萬方、超星等中文數據庫，中文關鍵詞：足核心系統、足部功能、足部功能增強(促進)、足弓增強、足內在肌、足底屈肌、足部肌群、足部訓練(計劃)、訓練、肌力訓練、極簡鞋、運動裝備、鞋、鞋墊。檢索限定為題目和摘要。時間跨度：1980年1月1日至2019年4月30日。

1.2 檢索結果及剔除標準

依照上述關鍵詞檢索英文數據庫獲得文獻987 篇，檢索中文數據庫獲得文獻7 篇。經過三輪剔除后獲得中、英文學術論文11 篇(圖1)。其中，第二輪剔除標準：①綜述；②評論性論文；③會議論文；④案例研究；⑤研究對象為非健康人群，病理足。第三輪最終納入標準：①足弓；②足部功能；③足部功能增強；④足內在肌；⑤足內在肌肌力；⑥受試者(樣本量/身高/體重/年齡等)；⑦肌力增強；⑧功能訓練；⑨極簡鞋；⑩裸足；?跟腱。納入文獻中，通過足部肌力增強法促進足部功能的相關文獻7篇[9,13-18](表1)，通過極簡鞋訓練增強足部功能的相關文獻4篇[10,19-21](表2)。

圖1 文獻檢索及篩選流程圖

2 足核心系統

足核心系統由26塊骨頭、33個關節、112條韌帶構成，由13 塊外在肌肉和21 塊內在肌肉在神經調控下進行控制[22]，這些結構分別組成足部核心系統的被動子系統、主動子系統、神經子系統三部分(圖2)。

圖2 足核心系統

足部核心的被動子系統由骨骼、韌帶和關節囊組成。跗骨和跖骨獨特的形狀和排列構成縱弓和橫弓，包括內側和外側縱弓以及前后橫弓[23]。各自獨立的拱形結構共同形成一個半圓形的足弓，能夠靈活適應動態活動中載荷的變化，并由附著于骨骼上的韌帶和關節囊維持穩定性，由主動子系統中的足內在肌和足外在肌提供動力[24]。

表2 極簡鞋訓練增強足部功能的研究

附著于足部骨骼上的肌肉和肌腱構成足部核心主動子系統。足部局部穩定肌是起止點均附著于足部骨骼上的肌肉，又稱為足內在肌；而整體推動肌是起于小腿脛、腓骨，經過踝關節并止于足部骨骼上的肌肉，又稱足外在肌[25]。足內在肌是在足部核心中起穩定作用的主要結構，足內在肌的弱化或不適當的肌肉募集將導致足部的異常運動[3,23]，強化足內在肌已被用于足部疾病的康復，如足底筋膜炎[26]、外側踝關節扭傷以及慢性踝關節不穩定[27-28]。

足部核心的神經子系統由足底筋膜、足底韌帶、關節囊、肌肉和肌腱中的感受器組成，涉及主動和被動子系統。肌梭肌腱可通過訓練不斷調節及增強，更為敏感地感知足弓形變[23]。重復性收縮引起的肌肉疲勞被證明可降低關節位置感[29]，這可能表明肌肉不僅通過收縮為被動子系統提供相關的直接支撐，并且還能提供關于足弓姿勢的相關感覺信息[30]。

3 預測足部運動損傷的風險因子

隨著年齡的增長，足部普遍有著靈活性降低和力量減弱的趨勢，同時足弓逐漸塌陷致使足部以更加內翻的姿勢著地，足部軟組織變得僵硬[31]。體質量指數增加的成年人足部結構和功能異常與足痛之間存在相關性[32]；由于肥胖個體在走路時下肢所受的機械負荷較大，導致足部結構和功能發生變化，引起足部疼痛[33]。此外，肥胖個體在行走時，腿部擺動速度增加，姿勢穩定性下降，跌倒的風險增高[34]。靜態姿勢或動態運動時足部功能的差異與足型有關，許多足部疾病起源于不同足型(正常足、扁平足、高弓足)在走或跑時生物力學的特異性[22]。

足部和踝關節的感覺信息對維持正常的步態模式和姿勢控制有很大的貢獻[35]。Nurse 等[36]確定足底表面的感覺閾值，通過冰干預降低足部感覺輸入，分別收集三種冰暴露狀態(全足、前足、后足)前后行走時足底壓力分布和下肢肌肉激活模式，結果發現感覺輸入的改變引起步態動力學和肌肉激活模式改變，通過調整鞋和矯形器的表面構造改變感覺輸入，可改善異常步態模式。

足底壓力和足部動態功能運動學參數的改變與髕股關節疼痛、跟腱病變和非特異性下肢過度使用損傷的發生存在相關性，跟腱病、脛骨內側壓力綜合征、髕股關節疼痛和下肢應力性骨折等常見損傷患者，運動中足底壓力改變很常見[37]。

年齡的增長、體質量的增加以及足部感覺缺失等危險因素，會導致足部結構的改變、運動損傷的發生、下肢步態模式的改變、肌肉活動的變化以及平衡能力的下降[38]。有必要通過直接或間接的訓練干預，增強足核心各個子系統，增強足部功能，預防損傷的發生。

4 增強足部功能的手段

4.1 足部肌力增強法

表1 顯示，加強足核心主動子系統中的肌肉力量，可以增強足部功能和足部相應結構穩定性，預防運動損傷。增強足內在肌的干預方式包括足趾骨間關節和跖趾關節在負荷下屈曲[15]、快速跖屈力量訓練[14]、卷毛巾訓練[17]、短足訓練[16-17]、肌力訓練結合康復訓練[18]和神經肌肉電刺激[19]。力量訓練4 周以上，足趾屈曲伸展運動表現提高[9]；足底屈肌最大自主收縮力矩和足屈肌力量增加，左側和右側足縱弓長度和橫弓長度(靜態站立位置)下降[14]；左右單腿跳遠距離和垂直跳躍高度增加[15]。經過短足訓練后，受試者能更好地完成功能平衡和伸展任務[16]；與卷毛巾訓練相比，在動態平衡試驗中，短足訓練受試者的非優勢肢體能夠更多地減少壓力中心的運動[17]。

關于神經肌肉電刺激的研究有不一樣的結果。Okamura等[13]選取10例青年在步行中對其足內在肌進行電刺激以模擬肌肉激活增強，發現在步態支撐期舟骨高度達到最小值的時間延遲，垂直地面反作用力減小；而Ebrecht 等[19]對足部拇外展肌進行最適電刺激8 周，并沒有發現肌肉橫截面積以及其他相關參數有顯著差異。這可能是由于二者刺激的肌肉不同。還有研究發現[39]，寬脈沖、高頻率、低強度神經肌肉電刺激能針對性地加強足內在肌。

4.2 極簡鞋訓練

20 世紀70 年代開始出現現代跑鞋，伴隨著跑步的流行而快速更新換代。雖然在跑鞋的開發上投入巨大，研發出具有黏彈性厚中底及較大的中底輪廓特征的緩沖鞋，然而足部的功能并沒有得到明顯增強，在過去40 年里，跑步受傷率仍然居高不下[5]。裸足跑訓練具有潛在的益處，越來越多的跑者開始嘗試裸足跑訓練[40]。然而，由于裸足跑時足部直接接觸地面，易造成創傷，因此市場上開始大量出現極簡鞋，旨在模擬裸足跑步，以間接加強足部核心主動子系統，提高足內在肌的強度，如趾短屈肌的力量及肌肉體積等[21]。表2 顯示，穿著極簡鞋可以通過減少對足弓的機械支撐提高足內在肌的強度[21,41]。Miller等[21]發現，傳統跑鞋組和極簡鞋組跑步訓練12周后，趾短屈肌體積分別增大11%和21%，同時極簡鞋組最小外展肌面積和體積分別增加18%和22%，足弓剛度顯著增加60%。Chen等[10]發現，經過6 個月的跑步訓練，極簡鞋跑者的腿部和足部肌肉面積明顯增大。此外，本團隊最新的研究發現[20]，30例后跟觸地的業余跑者進行跑姿控制訓練12 周后，其跟腱力、應力、跟腱力峰值和應變均顯著增加，且跑者穿著極簡跑鞋以前掌觸地的方式訓練后，跟腱力峰值顯著高于后跟觸地跑者，提示12周跑姿控制訓練可以積極改善跟腱承受載荷的能力，從而預防跟腱損傷，甚至降低足部損傷風險。

4.3 其他干預手段

肌力增強法和極簡鞋訓練能加強足部肌群力量從而增強足部功能，提高足部運動表現。除此之外，還有一些特定的運動項目以及腦刺激康復手段也能一定程度上增強足部功能。Sukkeaw 等[42]發現，在小型蹦床上進行有氧舞蹈訓練12 周后，平衡控制、足底壓力明顯改善，腿部肌肉力量增強，平衡控制明顯好于在硬木表面上進行有氧舞蹈訓練者。練習芭蕾舞、體操等項目一定時間后，足核心主動子系統的相關指標如足部肌肉力量等有顯著改善[11,43]。經顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation,tDCS)通過提高腦的興奮性，增強足部軀體感覺(如振動覺)和足感覺的敏感性，加強足核心神經子系統[44]。Wang 等[45]發現，tDCS 可以在大腦增加與足部刺激相關的信號變化百分比，調節健康成人對足壓刺激的皮質反應性。Zhou等[44]進一步研究發現，tDCS 可以降低腳掌的振動覺檢測閾值，而且受試者的移動能力隨著振動覺靈敏度的提升也相應提高，推測觸覺的提升可以提高運動能力。未來的研究可以更多地關注tDCS對足踝運動功能的影響，以期找到tDCS能夠促進足部功能的直接證據。

5 小結

足核心系統為進一步理解足部的復雜結構提供了新的范式，足部運動基于足部核心系統主動和被動結構之間的相互作用，以及相應的感覺和運動信息的協調，維持足部骨骼的結構穩定，在不斷變化的運動中為足部提供適應性的功能。年齡增大、肥胖、足型異常、足底感覺喪失、肌力減弱等因素會影響足部功能，造成足部運動損傷發生。現階段，通過專門的足部肌力增強、極簡鞋訓練、甚至是肌肉/腦功能刺激的手段，可以加強足內在肌的肌力，提高足底感覺輸入，增強足部結構的穩定性，從而增強足核心系統，提升足部功能表現，在預防運動損傷發生的同時為足部損傷康復提供治療建議。