不同觸地習慣對跑步時足弓、跖趾關節(jié)在體運動學及足底筋膜長度的影響

孫曉樂 ，葉東強，張燊，張希妮，傅維杰*

為了更好地滿足走、跑的需要，人類足部形態(tài)和結構出現了適應性變化，包括大腳趾內收、內側縱弓及足底筋膜（plantar fascia，PF）的形成（Holowka et al.， 2018；Mc-Nutt et al.， 2018）。運動時，上述結構具有承擔載荷、緩沖和穩(wěn)定足部杠桿的重要作用（Welte et al.， 2021）。其中，PF是三者發(fā)揮作用的結構基礎，其橫跨足弓，通過包裹跖趾關節(jié)（metatarsophalangeal joint，MTPJ）連接跟骨與5個近節(jié)趾骨（Bojsen-Moller et al.， 1976）。運動時，PF在足弓彈簧（arch-spring）和絞盤效應（windlass mechanism）2種功能中具有重要作用。PF和足弓類似彈簧，在步態(tài)支撐早、中期，足弓受壓而長度增加，PF隨著足弓增長而被牽拉的同時可儲存彈性能（孫曉樂 等， 2022）。在支撐中后期，足弓發(fā)生回彈，PF縮短，同時釋放彈性能。這種壓縮-回彈的過程被稱為足弓彈簧機制（張燊 等， 2018； Welte et al.，2018）。此外，PF具有絞盤一樣的功能，在步態(tài)的蹬伸階段，MTPJ伸展使PF纏繞趾骨頭，縮短跟骨與跖骨的距離（Fuller， 2000； Sarrafian， 1987），從而抬高并縮短縱弓，同時配合釋放彈性能（Bolgla et al.， 2004；Hicks， 1954）。由此可知，足弓、MTPJ和PF的運動是密不可分、相互影響的。

足底筋膜炎約占跑步損傷的10%（朱迪 等， 2015；Taunton et al.， 2002）。了解足底筋膜炎的損傷機制，是減少損傷發(fā)生的前提。研究普遍認為，垂直地面反作用力（vertical ground reaction force， vGRF）的沖擊負載（Van der Worp et al.， 2016； Zadpoor et al.， 2011）及足部肌肉力量不足（Cheung et al.， 2016； Latey et al.， 2014； Warren et al.， 1987）是誘發(fā)足底筋膜炎的重要原因。因此，有可能降低vGRF沖擊峰值的前掌著地（forefoot strike， FFS）跑步觸地方式受到較多的關注（姜嘉懌 等， 2018；梅齊昌等， 2015；Crowell et al.， 2011； Shih et al.， 2013； Williams et al.， 2012）。目前，有關不同跑步觸地方式對PF和足弓影響的研究結果不一：有研究認為，FFS會增加足底內附肌的激活程度，可能會減少縱弓過度壓縮以及PF的應變（McDonald et al.， 2016）；而Chen等（2019）和Lieberman等（2010）發(fā)現，相比后跟著地（rearfoot strike， RFS）的跑步觸地方式，FFS時足弓形變較大，并拉伸PF使其過度負載。因此，針對不同跑步觸地方式對PF和足弓的影響亟待進一步探究。

PF、足弓以及MTPJ位于足部皮膚深層，因此很難精確動態(tài)追蹤運動過程中其運動學變化。現有研究大多采用運動捕捉技術（Caravaggi et al.， 2009； McDonald et al.，2016）、超聲技術（Caravaggi et al.， 2009； Wager et al.，2016）、尸體實驗（Erdemir et al.， 2004；Fessel et al.， 2014）和單平面透視技術（Fessel et al.， 2014； Gefen， 2003），但無法了解運動過程中在體足部骨骼的三維運動。近年來，雙平面熒光透視成像系統(tǒng)（dual fluoroscopic imaging system， DFIS）開始應用于運動分析和康復醫(yī)學領域。DFIS不受皮膚、軟組織偽影的影響，非侵入，對運動無干擾、精度高、重復性高，為精準分析骨/關節(jié)真實的在體運動提供了全新的途徑（葉東強 等， 2021；張翠 等， 2019）。

因此，本研究采用高速DFIS探究不同跑步觸地方式對足弓、MTPJ和PF運動的影響，深入分析跑步時的足弓、MTPJ和PF功能。研究假設：相比RFS跑者，FFS跑者的足弓和PF的形變量更大。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

選取30名健康男性跑者（表1），其中習慣穿鞋FFS和RFS跑者各15人（Kelly et al.， 2017； Perl et al.， 2012）。跑步觸地方式依據DFIS所采集的足部熒光圖像（Welte et al.，2021）以及GRF數據進行確定。要求受試者近4周的周跑量＞20 km，近3個月內無下肢損傷史，優(yōu)勢側腿均為右腿。本研究已通過上海體育大學倫理委員會批準，所有受試者在實驗前需熟悉實驗流程并簽署知情同意書。

表1 受試者基本情況Table 1 Basic Information of Subjects

1.2 實驗儀器

1.2.1 跖趾關節(jié)力量測試儀

采用自研的跖趾關節(jié)力量測試儀（劉宇 等，2015）采集趾屈肌力。該測試儀由底盤、踏板、座椅、拉力傳感器構成。前期研究已對其進行了重測信度的檢驗，組間相關系數為0.874（Zhang et al.， 2019）。

1.2.2 X線電子計算機斷層掃描裝置（computed tomography，CT）

采用64排128層CT機（SOMATOM， Siemens AG，德國）拍攝受試者仰臥中立位右側足部的斷面圖像。層厚層距設為0.6 mm，體素的長、寬、高分別為0.488、0.488和0.625 mm，圖像分辨率為512×512 dpi。

1.2.3 高速DFIS

高速DFIS由2組高速熒光成像系統(tǒng)（圖1）構成，分別為2個產生X光的發(fā)射器與接收X光的圖像增強器。發(fā)射器與增強器間的距離分別為131.8 cm和138.5 cm，增強器間的夾角為120°。X光發(fā)射器采用單脈沖模式（60 KV，63 mA），曝光速度為1/1 000 s，圖像分辨率為1 024×1 024 dpi。采樣頻率為100 Hz。

圖1 實驗儀器設置Figure 1. Experimental Set Up

1.2.4 三維測力臺

采用瑞士生產的Kistler三維測力臺，型號為9260AA3（50.0 cm×30.0 cm×0.5 cm）。采集受試者跑步時的GRF數據，采樣頻率為2 000 Hz。

1.2.5 光柵計時系統(tǒng)

采用Witty-Manual光柵計時系統(tǒng)（Microgate，意大利），測量受試者通過跑道的時間來計算速度，從而控制跑速。

1.2.6 光柵傳感器

采用GJ-2004光柵傳感器，同步觸發(fā)測力臺和DFIS，最大限度減少拍攝時間以減少X光輻射量。

1.2.7 實驗用鞋

本研究選取了一款常見的慢跑鞋作為實驗用鞋，鞋中底由TPU和EVA構成，該鞋的前掌和后跟差為6 mm，單只42碼鞋質量為290 g，且無足弓支撐結構。

1.3 實驗流程

1.3.1 趾屈肌力測試

采用跖趾關節(jié)力量測試儀測試最大的趾屈肌力。測試過程中要求受試者坐在椅子上，固定膝關節(jié)、足前掌、足跟和足踝。測試期間，要求受試者雙手抱胸盡力屈曲MTPJ以按壓上抬30°的踏板（圖2）。

圖2 趾屈肌力測試示意圖Figure 2. Schematic Diagram of Toe Flexor Strength Test

1.3.2 足部CT掃描

足部CT掃描時，受試者保持仰臥位，采用足部支具將足部固定于中立位。掃描范圍從踝關節(jié)以上10 cm沿小腿橫斷面向下至離開足部支具結束。將掃描的圖片保存為DICOM格式，用于足骨骼模型的重建。

1.3.3 高速DFIS系統(tǒng)調試

調整發(fā)射器與增強器的位置和角度，設置電壓、電流以及曝光時間等拍攝參數，并采集孔陣鋼盤和立方體標定架圖像。采用XMALab 2.0.1（布朗大學，美國）對孔陣鋼盤圖像進行校正，根據畸變校正樣條函數的算法（Fantozzi et al.， 2003），校正每張足部熒光圖像。立方體標定架圖像用于在虛擬環(huán)境中重建三維空間。

1.3.4 跑步測試

受試者需更換實驗用鞋和短褲，以3 m/s的跑速在跑步機上充分熱身。熱身后，實驗人員為其講解動作要求并進行示范，要求受試者熟練完成跑步動作。測試時，受試者采用自選的跑步觸地習慣以3 m/s（±5%）的跑速通過測試跑道（710 cm×60 cm×47 cm），同時其身體會阻斷光柵紅外線而觸發(fā)同步裝置，啟動DFIS和測力臺采集受試者右腳的熒光圖像及GRF數據。以右足踏上測力臺標記位置（圖1）為準，確保采集整個支撐期（從右足觸地至離地）的足踝圖像數據。為了最大限度減少X光的輻射量，采集1次有效數據（Welte et al.， 2021）。以vGRF＞15 N定義為足觸地（Welte et al.， 2018）。

1.4 數據處理

將足骨CT圖像導入到Mimics 21.0軟件（Materialise，比利時），采用圖像灰度閾值分割和套索工具，建立跟骨、第一跖骨以及第一近節(jié)趾骨的骨骼模型。

將XMALab軟件中生成的環(huán)境文件導入到Rhinoceros 6.0軟件（Robert McNeel，美國）中，還原X光發(fā)射器和增強器的位置，而后導入校正后的熒光圖像及骨骼模型。根據慣性解剖坐標系建立跟骨、第一跖骨以及第一近節(jié)趾骨坐標系，原點位于骨的質心，X-Y-Z軸與慣性矩張量的主軸對齊，并重新標記坐標軸，X、Y和Z軸分別代表內外、前后和上下方向。參考Welte等（2021）的研究，將PF簡化為連接其起止點與籽骨接觸點的2條纖維。起點位于跟骨內側結節(jié)1/5處的2點，止點為第一趾骨內側和外側的2點，籽骨點位于內外側籽骨最下端的2點。連接起點與籽骨點、籽骨點與止點，2條線段的平均長度即為PF長度（圖3）。隨后進行3D-2D配準，在三維虛擬環(huán)境中對骨進行平移和旋轉操作，直到骨骼模型的投影輪廓與熒光骨骼輪廓相匹配（圖4）。

圖3 足底筋膜模型及坐標系Figure 3. Plantar Fascia Model and Coordinate System

圖4 DFIS數據采集和處理Figure 4. DFIS Data Collection and Processing

1.5 實驗參數

采用Rhinoceros軟件中的生物力學插件計算跑步支撐期每幀足弓（第一跖骨相對跟骨的運動）、1stMTPJ（第一近節(jié)趾骨相對第一跖骨的運動）的6DOF數據（Welte et al.， 2021），包括內外（X軸）、前后（Y軸）和上下（Z軸）3個方向的平移，以及屈伸（X軸）、內外翻（Y軸）和內外旋（Z軸）3個方向的旋轉。其中，正值表示向外、向前和向上平移，以及伸、內翻和內旋；負值表示向內、向后和向下平移，以及屈、外翻和外旋。

對足弓、1stMTPJ的6DOF以及PF長度數據進行了濾波（20 Hz）以及時間標準化處理。同時，將整個支撐期分為支撐早期（0～20%）、支撐中期（20%～55%）、蹬伸期（55%～85%）和離地期（85%～100%）4個時期（Welte et al.， 2021）。足弓6DOF、PF長度數據與足部靜態(tài)中立位時足弓6DOF、PF的長度進行標準化處理。選取的參數包括：足弓、1stMTPJ在內外、前后和上下方向的平移距離，屈伸、內外翻和內外旋角度以及4個時期、整個支撐期的活動幅度；PF應變、功率、長度最大值以及最小值；其中，PF應變（Gefen， 2003）和功率（McDonald et al.， 2016）計算公式如下：

1.6 統(tǒng)計方法

所得的參數值均采用平均值±標準差表示。采用Shapiro-Wilk檢驗正態(tài)分布，同時利用獨立樣本t檢驗（SPSS 20.0）比較不同跑步觸地習慣對足弓、1stMTPJ的6DOF數據和PF長度的影響。顯著性水平設定為0.05。

2 結果

2.1 趾屈肌力

FFS跑者的最大趾屈肌力顯著大于RFS跑者［（3.45±1.05） N/kg vs （2.52±1.20） N/kg，P＜0.05］。

2.2 足弓

本研究統(tǒng)計了每間隔10%時刻的數據，以及蹬伸期分隔點55%和85%，共13個時刻的數據。從足弓的6DOF曲線（圖5）可發(fā)現，在支撐早、中期，第一跖骨相對跟骨先向外、向前和向上移動，隨后在蹬伸初期向內、向后和向下運動，離地期回歸中立位狀態(tài)。轉動狀態(tài)下，跖骨相對跟骨先背屈、外展運動，在蹬伸初期達到最大，而后進行跖屈和內收運動。足弓在內外翻方向的運動幅度較小，呈現緩慢增加的趨勢。

圖5 不同跑步觸地習慣對跑步支撐期足弓6DOF運動的影響Figure 5. Effects of Different Foot Strike Patterns on the Arch 6DOF Data during the Stance Phase of Running

平移狀態(tài)下，FFS時跖骨相對跟骨向外的最大平移（P=0.011），以及支撐早期（P＜0.001）、整個支撐期的（P＜0.001）內外平移幅度以及支撐早期（P＜0.001）、蹬伸期（P=0.005）和支撐期（P=0.004）的前后平移幅度顯著大于RFS。轉動狀態(tài)下，FFS時跖骨相對跟骨支撐早期的屈伸活動度（P=0.003）、支撐早期（P=0.002）和蹬伸期（P=0.014）的外展活動度、最大外展角（P=0.023）顯著大于RFS（圖6）。

圖6 不同跑步觸地習慣對跑步支撐期足弓6DOF運動幅度和特征值的影響Figure 6. Effects of Different Foot Strike Patterns on the Range of Motion of Arch 6DOF Data and Characteristic Values during the Stance Phase of Running

2.3 第一跖趾關節(jié)

由1stMTPJ 6DOF運動曲線（圖7）可知，平移狀態(tài)下，趾骨相對跖骨先向內、向前和向下運動，在支撐中期達到最大值，隨后開始向外、向后和向上平移。轉動狀態(tài)下，趾骨相對跖骨先屈和外旋運動，隨后在蹬伸期進行伸展和外翻運動，其伸展運動與向上平移運動趨勢是一致的。

圖7 不同跑步觸地習慣對跑步支撐期1st MTPJ 6DOF數據的影響Figure 7. Effects of Different Foot Strike Patterns on the 1st MTPJ 6DOF Data during the Stance Phase of Running

平移狀態(tài)下，FFS時趾骨相對跖骨在支撐早期（P=0.009）、離地期（P=0.005）的前后平移幅度，支撐中期（P=0.001）、離地期（P=0.015）的上下平移幅度以及向上平移最大值（P=0.022）均顯著大于RFS。轉動狀態(tài)下，在支撐早期（P=0.004）、中期（P=0.001）和離地期（P=0.012）的屈伸活動度，離地期（P=0.007）和支撐期（P=0.005）的外翻活動度，以及最大外翻角（P=0.048）均顯著大于RFS（圖8）。

圖8 不同跑步觸地習慣對跑步支撐期1st MTPJ 6DOF運動幅度和特征值的影響Figure 8. Effects of Different Foot Strike Patterns on the Range of Motion of the 1st MTPJ 6DOF Data and Characteristic Values during the Stance Phase of Running

2.4 足底筋膜

在跑步支撐期，PF的應變先增加，蹬伸期達到最大值，而后逐漸減小（圖9）。與RFS相比，FFS條件下支撐早期（P＜0.001）、蹬伸期（P＜0.001）以及支撐期（P=0.01）PF的長度變化量、最大應變顯著更大（P=0.01）。此外，在支撐早期和蹬伸期，FFS條件下PF的功率顯著大于RFS（圖10）。

圖9 不同跑步觸地習慣對跑步支撐期足底筋膜應變和功率的影響Figure 9. Effects of Different Foot Strike Patterns on the Stain and Power of PF during the Stance Phase of Running

圖10 不同跑步觸地習慣對跑步支撐期足底筋膜長度變化量、最大長度和應變的影響Figure 10. Effects of Different Foot Strike Patterns on the Length Variation， Maximum Length and Strain of PF during the Stance Phase of Running

3 討論

本研究假設得到驗證，FFS顯著增加了足弓（內外、前后、屈伸和外展活動度）和1stMTPJ（前后、上下、屈伸和外旋活動度）6DOF的變化以及PF的應變和功率，表明FFS可能強化了足弓和PF的力學特性。此外，FFS跑者的趾屈肌力顯著大于RFS跑者。

本研究發(fā)現，FFS跑者的趾屈肌力顯著大于RFS跑者，表明FFS使足部發(fā)生了適應性肌肉力量增強。有研究認為，足部肌力不足是足底筋膜炎發(fā)生的重要誘因，因足部肌肉不能在運動中控制足弓的形變，進而導致PF應變的過度增加（Cheung et al.， 2016； Latey et al.， 2014； Warren et al.， 1987）。同時，趾屈肌力的增強可協(xié)調足后跟離地，使跑者獲得較大的支撐反作用力，進而促使身體快速蹬離地面，潛在提高了跑步經濟性（Maden et al.， 2021）。

跑步時，足部縱弓類似彈簧，在支撐早、中期受壓將機械能儲存于足弓的彈性結構中，隨后在蹬伸期彈性結構縮短，足弓釋放能量（Kelly et al.， 2017； McDonald et al.， 2016）。Ker等（1987）通過尸體研究發(fā)現，足弓可儲存并釋放足夠的能量以節(jié)省跑步代謝能，該觀點在在體研究中也得到了證實（Stearne et al.， 2016）。有研究指出，縱弓約提供跑步（跑速為4.5 m/s）所耗機械能的17%（Ker et al.， 1987）。本研究發(fā)現，相對RFS，FFS增加了足弓在矢狀面上的運動幅度，如支撐早期、蹬伸期和整個支撐期的前后平移幅度，以及支撐早期屈伸活動度顯著增加，這表明FFS時足弓矢狀面上的壓縮量更大，而較大的足弓形變會儲存更多的彈性能，同時衰減沖擊。該結果得到了前人研究的支持（Perl et al.， 2012），FFS條件下足弓形變更大，可能由于FFS時從觸地開始足弓受壓長度增大，而RFS時從全掌著地足弓開始負載受壓。負載階段，PF牽拉跟骨與跖骨，防止足弓過度形變而坍塌，并通過形變吸收部分足部沖擊能量（Gefen， 2003；Snow et al.， 1995）。在隨后的蹬伸階段，MTPJ的伸展產生絞盤效應，PF纏繞趾骨牽拉跟骨向跖骨運動，足弓長度縮短（Bolgla et al.，2004；Hicks， 1954）。

MTPJ作為下肢最末端關節(jié)，其伸展運動是通過踝關節(jié)跖屈肌配合足趾屈肌在遠固定條件下收縮完成的（傅維杰 等， 2013），MTPJ屈曲角度的改變對跑步動作尤其是支撐后期的蹬伸效果產生重要影響（張發(fā)寧 等， 2022；Goldmann et al.， 2011； Willwacher et al.， 2013）。本研究發(fā)現，在整個支撐期MTPJ一直處于伸展狀態(tài)，其運動趨勢與前人研究結果一致（Welte et al.， 2021），在此過程中，MTPJ主要以吸收機械能為主，基本不釋放能量（Roy et al.，2006）。RFS條件下，支撐早、中期和離地期MTPJ的屈伸活動度和上下位移幅度更小（張發(fā)寧 等， 2021），較小的活動度可減小能量損失（Roy et al.， 2006），而整個支撐期MTPJ的活動度無顯著差異。因此，不同觸地習慣對MTPJ能量吸收的影響還亟待進一步探究。本研究發(fā)現，在蹬伸期，FFS條件下MTPJ屈伸角度和向上平移值更大，這表明MTPJ伸展會進一步拉伸PF使其長度增大，絞盤效應更顯著，同時也提高了MTPJ蹬伸力的傳遞。

對于PF，本研究發(fā)現，從觸地開始PF應變呈現先增加后減小的趨勢，表明PF的特性符合彈性結構的伸長-縮短期（stretch-shorten cycle，SSC）模式，在支撐早、中期PF儲存彈性能（功率為負），在蹬伸期和離地期釋放彈性能（功率為正）。PF這一特性可有效發(fā)揮“彈簧”作用，在不同負載條件下調節(jié)足部的彈性功能（McDonald et al.， 2016）。此外，足弓矢狀面的形變以及MTPJ的伸展也會影響PF的應變（Caravaggi et al.， 2009； Flanigan et al.， 2007）。本研究中，FFS和RFS跑者PF的最大應變分別為8.9%和7.5%。PF的最大應變決定了彈性能的效益（McDonald et al.，2016），FFS時PF最大應變顯著大于RFS，這表明FFS跑者會從PF中獲得額外的運動表現優(yōu)勢（performance benefit），從而提高運動表現。而Gefen等（2003）發(fā)現，從足全掌觸地至離地階段PF的應變?yōu)?%～12%，最大應變值的差異可能是由于受試者性別、測試動作的差異等引起的。本研究發(fā)現，在支撐期的前10%，RFS時PF出現縮短，而FFS時PF持續(xù)增長。FFS時PF這種“預負載”（preloading）會改變其張力和足弓長度（Iwanuma et al.， 2011），同時可能有助于蹬伸期身體的向前推進（Pataky et al.， 2008）。因這種“預負載”會減少PF膠原組織的卷曲現象，從而更早地強化足弓剛度，有助于蹬伸期足部傳遞更大的蹬伸力至地面（Caravaggi et al.， 2009）。

本研究采用高速DFIS精準分析了不同跑步觸地習慣下足弓、MTPJ以及PF的在體生物力學特性，但也存在一定的局限性：1）將PF簡化為2條纖維，模型遠端的部分線段會穿過籽骨內部，而實際上PF是起于跟骨結節(jié)纏繞籽骨，止于近端趾骨，并未穿過籽骨；2）本研究主要分析了足弓和MTPJ的運動學，未深入探究動力學數據；3）受試者均為健康男性跑者，不同性別、年齡以及足底筋膜炎患者的運動表現有待進一步探究。

4 結論

本研究發(fā)現，相比于后跟著地跑者，前掌著地跑者在跑步支撐階段足弓的長度變化，第一跖趾關節(jié)的前后、上下和屈伸活動度顯著增加，這表明前掌著地跑者足弓儲存和釋放的能量更多，跖趾關節(jié)的蹬伸效果更好。同時足底筋膜的應變以及功率顯著增加，表明前掌著地跑者足底筋膜儲存和釋放的彈性能更多，具有更強的足底筋膜力學特性。此外，前掌著地跑者也具有更大的跖趾關節(jié)屈肌力量。