毛曉錕，張秋霞*，楊倩倩

高弓足和正常足在赤足行走過程中的力學特征分析

毛曉錕1，張秋霞1*，楊倩倩2

研究目的：觀察高弓足和正常足在赤足行走過程中的運動學和動力學參數(shù)變化，分析高弓足易損傷的原因，為高弓足的康復治療提供實驗依據(jù)。研究方法：選取9名高弓足受試者為實驗組，10名正常足受試者為對照組。利用Vicon-MX紅外攝像系統(tǒng)進行動作捕捉，采集受試者常速行走時髖、膝、踝三大關節(jié)的運動學參數(shù)，同時利用K ISTLER三維測力臺采集行走過程中的足-地接觸力。研究結(jié)果：在行走過程中，高弓足者髖關節(jié)在足趾離地時的外展角度小于正常足（P〈0.05）；在垂直方向上的第二峰值地面反作用力（GRF）兩組間差異存在統(tǒng)計學意義（P〈0.05），垂直方向的第一、第二峰值GRF和向后方向上的峰值GRF出現(xiàn)的時間均早于正常足（P〈0.05）。結(jié)論：高弓足與正常足行走時所表現(xiàn)出的差異性可能是造成高弓足易損傷的原因，也反映了它們控制機制的不同。

高弓足；地面反作用力；運動學

目前，已有調(diào)查顯示普通人群中大約有10%～15%為高弓足[1]。所謂高弓足，它主要包括內(nèi)側(cè)縱弓過高、與地面接觸面積減少以及緩沖功能降低等特點，且無論是先天性還是神經(jīng)性高弓足，其足部損傷幾率（60%）都遠高于正常足（23%）[2]。目前關于高弓足的研究，Williams等[3]對高弓足跑步者易損傷的部位進行調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：高弓足有較高的踝關節(jié)、骨及外側(cè)損傷的幾率。Powell等[4]對高弓足與扁平足在赤足行走過程中的三維運動學數(shù)據(jù)進行記錄，發(fā)現(xiàn)高弓足與扁平足相比有較小的踝關節(jié)峰值外翻角度。國內(nèi)外學者對高弓足與正常足的足底壓力[5,6]和步態(tài)[6]特征進行了對比研究，指出高弓足與正常足相比，由于其接觸面積較少，足底局部所受壓力高于正常足，從而增加了足部損傷概率，這不僅會對運動員的比賽成績以及運動壽命產(chǎn)生極大的影響，而且會影響人們的生活質(zhì)量。上述可知，前人已經(jīng)從不同角度對高弓足進行了研究，但是對于高弓足與正常足在行走過程中的運動生物力學特征的相關報道較少，為此本研究采用紅外動作捕捉分析系統(tǒng)和三維測力臺，分別對高弓足與正常足在赤足行走時下肢髖、膝、踝三大關節(jié)的運動學參數(shù)和地面反作用力（ground reaction force，GRF）進行測試，旨在觀察不同足弓者在赤足行走過程中的下肢關節(jié)運動學參數(shù)和動力學的動態(tài)變化差異。對此過程進行研究可以為高弓足防護設備的設計和臨床康復提供實驗依據(jù)，以期降低高弓足的損傷風險。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本研究選取9名雙側(cè)患有高弓足的受試者為實驗組，10名雙足正常的受試者為對照組（本文研究以右足為例）。根據(jù)足弓高度指數(shù)（Arch Height Index，AHI）來判定高弓足，這種快速便捷的足形判別方法已被國外多位學者所采用[3-4,7,19]，并被認定為是一種有效可靠的判定方法[18]。所謂足弓高度指數(shù)是指足背高度（在足長的50%處量取足背的垂直高度）除以截斷足長（足跟到第一跖趾關節(jié)的距離）（如圖1）[7]。AHI≥0.356為高弓足，AHI≤0.275為扁平足[8]，介于兩者之間的為正常足，為了更好地區(qū)分高弓足和正常足，本文將AHI≥0.365劃分為高弓足，0.315≤AHI≤0.350為正常足。受試者在實驗時沒有下肢損傷，且在過去1年里沒有下肢韌帶損傷，下肢進行過手術(shù)。為了減少實驗誤差，本文將受試者的足寬、足背高度以及截斷足長分別與足長進行標準化處理。受試者的基本情況見表1。

表1 受試者的基本情況TableⅠBasic Information of the Subjects

圖1 計算足弓高度指數(shù)所需指標Figure 1 Indexes Needed in Calculating Foot A rch Height

1.2 研究方法

1.2.1 實驗儀器

采用英國生產(chǎn)的Vicon-MX紅外高速運動捕捉與分析系統(tǒng)（包括8臺型號為MX13的紅外攝像頭、PC主機和標準配件等），采集人體在行走時下肢主要關節(jié)運動學數(shù)據(jù)，采集頻率為200 Hz；選用Vicon系統(tǒng)中的下肢模型（Plug-InGait），將16個Marker球精確地貼在人體下肢各環(huán)節(jié)的標志點上（圖2）；使用瑞士的KISTLER三維測力臺對GRF進行采集，采樣頻率為1 000 Hz，另外經(jīng)轉(zhuǎn)換模塊將測力臺與Vicon進行同步。

圖2 Marker點安放示意圖Figure 2 Positioning of Marker Points

1.2.2 測試方法

實驗前要求受試者身著緊身短褲，赤腳站立并與肩同寬，盡量將體重均勻地分配在肢體兩側(cè)，此時對受試者的身高、體重、腿長、膝寬、踝寬、足長、足寬、截斷足長等指標進行測量。正式測試前，要求受試者赤足在長約8m的木質(zhì)地板上（測力臺安放于之間）試走幾次，調(diào)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行走動作的影響，直至受試者感覺自己可以正常測試為止。要求受試者在行走過程中“無視”測力臺的存在，避免出現(xiàn)跨步、忽快忽慢的現(xiàn)象，速度控制在1.2 m/s的5%范圍內(nèi)。正式實驗時，重復測試3～4次，選取其中最符合要求的一次進行研究。

1.2.3 統(tǒng)計學分析

采用SPSS17.0統(tǒng)計學軟件包對實驗數(shù)據(jù)進行處理，數(shù)據(jù)以均數(shù)±標準差表示。本文采用的統(tǒng)計學方法主要是獨立樣本t檢驗，檢驗水準選α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 高弓足與正常足在赤足行走過程中下肢主要關節(jié)角度運動學參數(shù)

在行走過程中，兩組受試者髖、膝、踝在矢狀面內(nèi)的差異沒有統(tǒng)計學意義（P＞0.05）（表2和表4），而在額狀面上，髖關節(jié)在足趾離地時刻的角度差異具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）（表3）。

表2 兩組受試者在赤足行走過程中髖關節(jié)矢狀面運動學特征TableⅡ Sagittal Plane Kinematics Characteristics of the Hip Angles of the Two-group Subjects in BarefootWalking

表3 兩組受試者在赤足行走過程中髖關節(jié)額狀面運動學特征TableⅢ Frontal Plane K inematics Characteristics of the Hip Angles of the Two-group Subjects in BarefootWalking

表4 兩組受試者在赤足行走過程中矢狀面內(nèi)膝、踝關節(jié)運動學特征TableⅣ Kinematics Characteristics of the Sagittal Plane Knee and Ankle Joints of the Two-group Subjects in Barefoot Walking

2.2 高弓足與正常足在赤足行走過程中的動力學參數(shù)

本文采用KISTLER三維測力臺從垂直、前后、內(nèi)外方向記錄了受試者在行走過程中的GRF，對各方向上的峰值、谷值以及對應的時刻進行統(tǒng)計學分析，為了便于研究，對不同體重的受試者在行走過程中的各方向上的GRF做了標準化處理后（表5）發(fā)現(xiàn)：人體在行走過程中身體向前后和內(nèi)外方向的峰值GRF兩組間的差異沒有統(tǒng)計學意義（P＞0.05），而在垂直方向上的力值，第一峰值GRF與波谷值兩組間差異沒有統(tǒng)計學意義（P＞0.05），僅在第二峰值GRF兩組間差異存在統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。

表5 兩組受試者在赤足行走過程垂直方向上GRF峰值標準化的比較TableⅤ Comparison between the Peak GRF Standardization of the Vertical Direction of the Two-group Subjects in BarefootWalking

由表6可以發(fā)現(xiàn)，兩組受試者在行走過程中，在垂直方向上，第一、第二峰值GRF對應的時刻差異具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），波谷值GRF對應的時刻不具有統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。身體在前、內(nèi)、外3方向上的峰值GRF對應的時刻兩組間的差異沒有統(tǒng)計學意義（P＞0.05），僅在向后方向上的峰值GRF對應的時刻兩組間差異具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。

表6 兩組受試者赤足行走過程中各方向上GRF峰值對應時刻的比較TableⅥ Comparison between the Corresponding Moment of the Peak GRF of the Different Directions of the Two-group Subjects in BarefootWalking

3 分析與討論

行走是人體在日?；顒又兄貜妥铑l繁的一種整體性運動。步行由全身肌肉協(xié)調(diào)參與,包括人體重心移位，骨盆傾斜旋轉(zhuǎn)，髖、膝、踝關節(jié)伸屈及內(nèi)外旋展等，是人體位移的一種復雜的隨意運動[9]。足關節(jié)作為人體末端的重要關節(jié)，也是人體在行走過程中最先觸及地面的關節(jié)，因此也是容易損傷的關節(jié)。而足弓由于其拱形結(jié)構(gòu)的特點，使足在運動時既堅固又富有彈性，有利于人體在站立、行走和跳躍中承受負荷，緩沖震動，同時也有利于保護足底的血管和神經(jīng)[10]，從而起到預防下肢關節(jié)損傷的作用。有研究表明足部損傷與足部畸形和腰腿疼痛相互關聯(lián)，而更值得注意的是足部損傷與足部畸形的關系[11]。其中足部異?？赡軐е抡麄€人體下肢結(jié)構(gòu)的差異，而人體在行走的過程中下肢運動學和動力學的差異性，很可能是導致高弓足損傷。

目前關于正常足與畸形足行走過程中下肢運動學指標的研究較少，Twomey等[12]對12名正常足與11名扁平足在行走過程中下肢運動學變化進行了系統(tǒng)研究，最主要的發(fā)現(xiàn)在于扁平足在站立期與擺動末期髖關節(jié)呈現(xiàn)出更大的外旋角度，其它時刻的關節(jié)角度變化不存在差異性，但是對于正常足與高弓足行走過程中的下肢運動學尚少見研究。本研究發(fā)現(xiàn)：高弓足與正常足在赤足行走時，有關下肢主要關節(jié)的變化比較，僅在足趾離地時刻髖關節(jié)在額狀面上的角度具有統(tǒng)計學意義（P=0.033＜0.05，見表3），髖關節(jié)在足趾離地時刻出現(xiàn)較小的外展角度，這可能與高弓足的僵硬有關。有研究得出高弓足的腿與踝的僵硬程度（stiffness）較高[7]，由于其僵硬的原因使得髖關節(jié)在離地時沒有得到充分外展。雖然高弓足在行走過程中，下肢關節(jié)角度變化較小，但在額狀面上髖關節(jié)離地時刻角度出現(xiàn)的差異性就有可能是導致高弓足易損傷的原因之一，針對此差異性，需要臨床進一步探索來確定其適當?shù)闹委煷胧?/p>

人體行走時的足-地接觸力通常按垂直、前后和內(nèi)外三大方向來劃分，其中在垂直方向上的分力最大。垂直方向的反作用力呈現(xiàn)典型的雙峰型，第一波峰值是指在足跟觸地時對地面的沖擊力，隨著足部逐漸放平，受力面積逐漸增大，受力減小，足部完全放平時受力達最小[13]，稱為波谷值，第二峰值出現(xiàn)在足趾蹬地時，垂直地面反作用力伴隨著足趾離地逐漸減小到零。研究發(fā)現(xiàn)，不論是高弓足還是正常足，在支撐前期，足-地接觸力主要是向下向前，并伴有先內(nèi)后外的搖擺趨勢；在支撐的后半階段，足-地接觸力呈現(xiàn)出向下向后，并伴有先外后內(nèi)的搖晃趨勢；而在支撐中期,身體重心正好越過站立側(cè)肢體,其垂直位移正好達最高點,此時在3個方向上的足-地接觸力均處于單肢負重期的最低值,亦即足-地接觸力最小[14]。本文研究發(fā)現(xiàn)：第二峰值GRF高弓足（11.37±0.44）與正常足（10.90±0.22）差異具有統(tǒng)計學意義（P=0.012＜0.05），其它峰值差異均沒有統(tǒng)計學意義（P＞0.05）（見表5），此時處于蹬地階段主要是前腳受力。有學者對高弓足與正常足常速赤足行走的足底壓力進行研究，結(jié)果表明高弓足的第一到第四跖骨比正常足要承受更大的負荷[5]。Daniel等[15]對14名正常足和8名高弓足足球運動員赤足行走時的足底壓力進行分析，研究得出正常足與高弓足在赤足行走時所承受的負荷不同，高弓足前腳內(nèi)側(cè)承受的壓力高于正常足。以上研究均表明高弓足的前腳受力要大于正常足，這也就解釋了為什么60%的高弓足者足部損傷與足底壓力密切相關[2]，且前腳是高弓足最容易損傷區(qū)域的原因[16]。而造成高弓足前腳受力較大的根本原因與其足弓特征有著密切的關系，有研究指出高弓足者與正常足相比，屬于典型剛體，比較僵硬[17]，再加上其行走時足部與地面接觸的面積較少，使得其不能充分緩沖震蕩和較為均勻地分配地面沖擊力。鑒于此，在臨床上應該采用矯形鞋墊或者相應的防護設備增加高弓足者的足地接觸面積、減小前腳的負荷，從而降低高弓足者腳部損傷的幾率。

通過高弓足與正常足在赤足行走的實驗發(fā)現(xiàn)：高弓足在行走過程中各方向上的GRF峰值出現(xiàn)時刻有早于正常足的趨勢，在垂直和向后方向上尤甚（見表6）。高弓足行走時第一和第二垂直GRF峰值出現(xiàn)的均值時間比正常足大約早35ms，此時恰好分別處于足跟著地與足趾蹬地時刻，足跟著地時參與工作的肌肉包括脛骨前肌、臀大肌、股四頭肌、腘繩肌。而足趾蹬離地面時參與工作的主要肌肉為臀大肌、股四頭肌和小腿三頭肌[13]。高弓足第一和第二垂直GRF峰值出現(xiàn)的時間早于正常足，這可能與肌肉的預激活過高相關。中樞神經(jīng)系統(tǒng)作為人體主要的支配和控制系統(tǒng)，它能夠預期到行走時的著地時刻和地面沖擊力的大小，并能積極調(diào)整下肢主要肌肉力量和為吸收著地沖擊力而做出適宜強度的預激活，而預激活的強度與觸地前肌肉剛度相關。前人已研究得出高弓足者的剛性較高，而本研究并沒有對肌電進行研究，這也是本研究的一個不足之處，未來應該對相應的工作肌肉進行系統(tǒng)研究，從而更深層次的探究高弓足易損傷的原因。高弓足向后方向上的GRF峰值出現(xiàn)時間早于正常足，這可能與足趾蹬離地面時向后方向上力的大小和方向有關。高弓足在赤足行走過程中各方向上GRF峰值出現(xiàn)的時刻不同，可能是導致高弓足易損傷的重要原因之一。

4 結(jié)論

高弓足與正常足在赤足行走過程中垂直方向的第二地面反作用力峰值高于正常足，其它方向上的地面反作用力峰值基本相似；垂直與向后的地面反作用力峰值時間早于正常足，這些可能是造成高弓足易損傷的主要原因。而對于下肢主要關節(jié)角度的變化，僅髖關節(jié)在足趾離地時刻有較小的外展角度，這一發(fā)現(xiàn)也有可能是造成高弓足易損傷的原因之一，但是需要進一步臨床驗證。上述差異可能反映了高弓足與正常足赤足行走時下肢控制機制的不同。

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（責任編輯：何聰）

Mechanical Characteristics of BarefootWalking of the Individuals w ith High-arch Feet and Normal-arch Feet

MAO Xiaokun，ZHANG Qiuxia，YANG Qianqian
（School of PE，Suzhou University，Suzhou 215021，China）

To observe the kinematics and kinetics parameter variations during barefootwalking of the individuals with high-arch feet and normal-arch feet,analyze the reason why high-arch feet are easy to be injured and to provide experimental basis for the rehabilitation treatment of high-arch feet injuries.Method:Nine subjects with high-arch feet were selected for the experimental group,and another ten subjects w ith normal-arch feet were put into the control group.Vicon-MX infrared camera system was used to capture themotions of the subjects during normal walking，and the kinematic parameters such as hip angles,knee angles and ankle angles were collected.KISTLER three dimensionalmeasuring force platform was adopted to collect foot-ground contact force.Result:During the walking,the hip joint abduction angles of the high-arch feet individualswere less than those of the normal feet subjects when the toes were off the ground（P〈0.05). The Difference between the second peak GRF of the vertical direction of the two groups has statistical significance（P〈0.05）.The first and second peak GRF of the vertical direction and the peak GRF of the backward direction of the experiment group appeared earlier than those of the control group（P〈0.05）.Conclusion:The Different characteristics of high-arch feet and normal-arch feet in walking may be the cause why high-arch feetare easy to get injured,and this reflects their different controlmechanisms.

high-arch feet;ground reaction force;kinematics

G804.6

A

1006-1207（2015）04-0075-05

2015-01-15

江蘇省哲學社會科學研究規(guī)劃資助項目（2013SJB890016）。

毛曉錕，男，在讀碩士研究生。主要研究方向：運動生物力學。

*通訊作者：張秋霞（1972-），女，江蘇泰興人，教授，博士，研究方向：運動生物力學。

1.蘇州大學體育學院，江蘇蘇州215021；2.天津體育學院，天津300381