張燊 崔科東 張希妮 傅維杰 劉宇

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200438）

跑步是當今最流行的健身運動之一[1]。近40年來因跑步引起的下肢損傷發(fā)病率維持在較高水平[2]，其中足底筋膜損傷發(fā)生率近20%[3]。作為足弓的重要構成結構，足底筋膜和韌帶維持著足底的拱形結構，但在運動中，維持足弓穩(wěn)定和控制足部運動依靠的是足部內(nèi)附肌和外附肌功能[4]。已有學者指出，當足部肌群的功能失衡或控制能力不足時，足部筋膜及韌帶存在過度形變的風險；此外，還可能造成跑步著地時出現(xiàn)足部過度外翻(overpronation)進而引起相關損傷[5，6]。

臨床上增強足部肌肉力量的訓練方法包括拱足弓、卷毛巾和分趾練習等[5，7，8]。前掌著地跑步技術也被證實可以有效刺激足部肌肉，強化足部肌肉功能[9]。有研究指出，后跟著地的沖擊階段，從足跟接觸地面直到全掌著地，足弓幾乎沒有發(fā)生壓縮。相比之下，前掌著地方式的觸地階段，身體重量下壓作用于足弓頂端，地面反作用力作用于跖趾關節(jié)處，跟腱力向上牽拉足跟，因此足弓在三點受力作用下產(chǎn)生形變并貯存部分彈性勢能。為了更好地控制足弓的形變與彈性勢能的發(fā)揮，足部肌群會發(fā)生適應性的肌肉力量增強，循環(huán)利用由于足部-地面碰撞帶來的能量，進而被視為增強足弓性能的一種訓練手段[9，10]。然而，現(xiàn)階段相關足弓功能強化的研究更多局限在單一足弓功能訓練的效果[7]和足部的功能評價[11]，仍缺少通過足部局部肌肉力量訓練與動態(tài)足部功能強化訓練相結合的方法觀察足部肌群對足弓形變控制能力的影響。McKeon認為，從局部肌肉訓練到足部整體運動功能的增強，可以提高動態(tài)任務中足部核心系統(tǒng)(foot core system)的功能多樣性[4，12，13]。因此，為了增強足弓肌群在靜態(tài)及動態(tài)跑步任務中對足弓形變的控制能力，結合采用足部肌肉力量訓練和步態(tài)訓練可能會起到良好的刺激神經(jīng)肌肉控制的效果。

本研究旨在分析12 周足部功能訓練對足趾和跖趾關節(jié)力量、足弓形態(tài)以及跑步時足弓運動學變化的影響，并探討足弓生物力學反饋的強化效果，以期為促進廣大跑者的足部健康提供新的訓練思路，同時也為患有足底過勞損傷(如足底筋膜炎)的人群提供新的康復視角。

1 方法

1.1 受試者

本研究招募了32 名習慣穿著緩沖跑鞋進行后跟著地跑(rear-foot strike running，RFS)的男性受試者。納入標準為：1)正常足弓，即足弓高度指數(shù)(arch height index，AHI)范圍在0.31～0.37之間[14]；2)近1年內(nèi)無明顯下肢損傷且運動能力良好；3)近4周內(nèi)，每周的總跑步距離大于20 公里[15]，且在之后的3 個月內(nèi)仍然愿意保持這一距離；4)所有受試者均未采用過本研究中使用的足部功能訓練方法及未嘗試過前掌著地跑(fore-foot strike running，F(xiàn)FS)技術。受試者在實驗前知曉實驗和內(nèi)容，并簽署知情同意書。將所有納入的受試者隨機分為干預組和對照組，剔除在訓練干預過程中因非訓練因素傷病等退出或中斷1 周以上的跑者，最后每組各納入13人的數(shù)據(jù)進行分析與統(tǒng)計。受試者基本信息見表1。

表1 受試者基本信息

其中，截腳長為第1 跖趾關節(jié)中心點至跟骨粗隆的距離(圖4)。

1.2 干預方案

1.2.1 干預組足部功能訓練方案

根據(jù)本團隊的前期研究，要求干預組受試者每周進行足部力量訓練[17]和前掌著地的跑姿轉(zhuǎn)換訓練(FFS of gait retraining)3次[18]，并保證每周參加集體訓練1次。所有受試者進行跑步時都統(tǒng)一要求使用規(guī)定的APP打卡，跑步結束后上傳跑步時間、距離等詳細信息的截圖給實驗人員，用以對受試者的周跑量進行監(jiān)控。干預成功的納入標準為：1)全部按要求完成；2)累計間斷訓練未超過3次，同時全部按要求完成最后3周訓練。訓練中，允許受試者因疾病或其他原因推遲或退出[19]。

1.2.1 .1 足部力量訓練

以下訓練均在裸足條件下進行。

a)提踵訓練

雙足平面提踵(double leg heel raises on flat surface)

站立在運動場地上，雙手叉腰，軀干微微前傾，將重心轉(zhuǎn)移到前腳掌上，快速抬起足跟至最大高度，保持3秒鐘后緩慢有控制地落下(圖1a)。

雙足臺階提踵(double leg heel raises off edge of step)

雙足前腳掌站立在15 cm 高的臺階邊緣，足跟懸空。雙手叉腰，軀干微微前傾，將重心轉(zhuǎn)移到前腳掌上，快速抬起足跟至最大高度，保持3秒鐘后緩慢有控制地落下。

單足臺階提踵(single leg heel raises off edge of step)

優(yōu)勢腿的前腳掌站立在15 cm 高的臺階邊緣，足跟懸空，對側下肢自然抬起，足踝貼緊優(yōu)勢腿的膝關節(jié)內(nèi)側，雙手叉腰，軀干微微前傾，將重心轉(zhuǎn)移到前腳掌上，快速抬起足跟至最大高度，保持3秒鐘后緩慢有控制地落下。

b)卷毛巾訓練(towel curls)

優(yōu)勢側踩在60 cm 長的毛巾邊緣，隨后進行屈曲足趾抓地的動作，將毛巾拉向受試者一側，直到將整條毛巾都拉過來為止。動作過程中，受試者不可將足跟抬起(圖1b)。

c)短足訓練(foot doming，也稱為拱足弓訓練)

全腳掌自然落地，隨后要求受試者盡可能收緊足弓內(nèi)部肌肉，將跖趾關節(jié)沿著地面向足跟方向拉近，同時向上拱起足弓(圖1c)。

d)分趾訓練(toe Spread)

全足落地，盡最大努力分開5個足趾，足部不可離開地面，保持10秒鐘后放松(圖1d)。

e)半球平衡板訓練

受試者單腳依次站立在半球平衡板的中心，雙手叉腰，對側下肢自然抬起，盡可能在規(guī)定時間內(nèi)維持平衡。除雙手及對側下肢不能接觸地面和平衡板以外，不做其他要求(圖1e)。

f)踩壓網(wǎng)球放松練習

受試者雙足依次踩壓在網(wǎng)球上，隨后輕壓網(wǎng)球并前后滾動網(wǎng)球。緩解訓練過程中造成的足弓肌肉酸痛感，避免因干預訓練導致足底肌肉的疲勞積累，產(chǎn)生慢性勞損(圖1f)。

圖1 足部力量訓練方案

根據(jù)動作難度及循序漸進的訓練原則，本研究設計了12周的足部力量訓練計劃，具體訓練計劃見表2。

表2 12周足部力量訓練計劃

(續(xù)表2)

1.2.1 .2 FFS的跑姿轉(zhuǎn)換訓練

干預組受試者在FFS 的跑姿轉(zhuǎn)換訓練中，要求其穿著統(tǒng)一發(fā)放的極簡鞋跟隨教練完成FFS的專項動作練習。干預組受試者在干預訓練周期內(nèi)，除實驗要求的訓練以外，受試者允許進行原有的RFS訓練，本研究干預訓練僅替換其原有訓練的一部分[20，21]，周跑量不得少于20 km，具體跑步訓練計劃如表3。

表3 12周前掌著地跑訓練計劃

1.2.2 對照組干預方案

對照組所有受試者須接受為期12周的跑步訓練，要求是該組跑者不改變原有運動習慣及運動計劃，周跑量均不少于20 km。

1.3 實驗儀器

1.3.1 數(shù)顯游標卡尺

瑞士Sylvac 公司生產(chǎn)的數(shù)顯游標卡尺(S_Cal-PRO910.1502)，量程為300 mm，用于測量受試者足弓形態(tài)。

1.3.2 數(shù)顯拉力計

廣州艾力科技有限公司開發(fā)的Ailitech-AFG500拉力計，采樣頻率是16 kHz。將拉力計安裝固定在木箱的一端，通過剛性連接物將拉力計的測量頭與套在足趾的剛性套環(huán)相連接進行測量(圖2)。

圖2 數(shù)顯拉力計(左)及其安放示意圖(右)

1.3.3 自制跖趾關節(jié)力量測試儀

采用自制的跖趾關節(jié)力量測試儀(發(fā)明專利號：CN103278278B，中國)測試足底屈肌的力量，儀器采樣頻率為120 Hz(圖3)。

圖3 跖趾關節(jié)力量測試儀

1.3.4 Vicon三維紅外運動捕捉系統(tǒng)

本實驗選用英國Vicon Motion System 公司的紅外高速運動捕捉系統(tǒng)，采樣頻率為100 Hz。配套的標志點為直徑14 mm 的紅外反光Marker 球，分別置于足部骨性標志處。

1.3.5 Kistler三維測力臺

瑞士Kistler(奇石樂)公司生產(chǎn)的三維測力臺2塊，型號9287C，采樣頻率設置為1000 Hz。

1.3.6 計時光柵

采用Witty-Manual 光柵測速系統(tǒng)對受試者通過測力臺的速度進行控制。

1.4 測試方法與評價指標

1.4.1 足趾力量測試

足部力量測試各項內(nèi)容均要求受試者重復3次有效動作，并取平均值進行數(shù)據(jù)分析。其中足底力量相關指標采用受試者體重進行標準化處理。

a)第1足趾拉力和其余4趾拉力

將數(shù)顯測力計連接到木框架上，受試者坐在椅子上并將一只腳放在木框架內(nèi)，腳跟靠近后側板面，膝和踝關節(jié)調(diào)整到90°屈曲(圖2)。腳下的板面可以為腳跟到第1 跖骨提供支撐，允許腳趾屈曲。使用金屬鉤和環(huán)來連接腳趾和測力計。將第1 足趾與測力計對準，當?shù)谝蛔阒悍潘蓵r，力值為0。受試者需要屈曲第1足趾并盡可能地向足跟方向拉回金屬環(huán)，并以類似的方式測量其余4趾拉力[22]。

b)跖趾關節(jié)力量

使用自制的跖趾關節(jié)力量測試儀采集足底屈肌的數(shù)據(jù)(圖3)。測試過程要求受試者坐在椅子上，使用魔術貼固定優(yōu)勢側足前掌、足跟和足踝，調(diào)節(jié)座椅位置及高度，膝關節(jié)成90 度角，并用設備上固定裝置固定膝關節(jié)，以避免測試結果受其他關節(jié)的干擾。測試期間，要求受試者盡力將足底肌肉屈曲10秒以按壓上抬30°的踏板[23]。

1.4.2 足弓形態(tài)學測試

采用數(shù)顯游標卡尺分別測量站姿和坐姿兩種狀態(tài)下受試者的足弓形態(tài)學特征[16]。站姿測量時要求受試者自然站立，雙手垂于身體兩側，雙腳開立與髖同寬，避免踝關節(jié)發(fā)生內(nèi)/外翻。坐姿測量時要求受試者在不挪動雙足的前提下向后坐在已準備好的凳子上。保持膝關節(jié)和踝關節(jié)屈曲90°，抬起前足后自然下落，使足部處于放松狀態(tài)。雙手自然垂于身體兩側，不可放在大腿上。形態(tài)學測試皆在距下關節(jié)中立位情況下進行。具體指標包括(圖4)：

圖4 足弓形態(tài)學指標示意圖

a)足弓高度：即舟骨粗隆到測量平面的垂直距離；

b)足弓高度標準化：由于相同的舟骨高度對于不同的足長來說意義不同，因此，需要結合足長來衡量舟骨高度，即將舟骨高度除以足長進行標準化處理；

c)舟骨高度落差(Navicular drop)[24]：坐姿足弓高度減去站姿足弓高度所得到的差值。

1.4.3 足弓運動學測試

a)測試步驟

要求受試者穿著統(tǒng)一測試服裝在跑步機上進行12 km/h 的5 分鐘慢跑熱身及5 分鐘的靜態(tài)拉伸活動，實驗人員講解測試動作并做示范。熱身完成后將紅外反光標志球安放在受試者的足部骨性標志處，即第1腳趾的腳尖、第1/第5跖趾關節(jié)、舟骨粗隆、舟骨足背最高點、跟骨后側及跟骨內(nèi)/外側突起[10](圖5)。準備工作結束后，采集靜態(tài)模型數(shù)據(jù)并要求受試者用RFS和FFS姿態(tài)以12 km/h±5%跑速裸足跑過測試跑道，其中優(yōu)勢腿踏上測試跑道上的測力臺為有效動作，確保有效采集3次。

圖5 足部內(nèi)側(a)和外側(b)Marker球放置示意圖

b)評價指標

運動學數(shù)據(jù)采用截止頻率為7 Hz的Butterworth二階雙向低通濾波。指標包括：1)著地瞬間足弓高度；2)支撐期足弓高度變化量；3)支撐期足弓角度變化量；4)足弓剛度。相關定義如下(圖6)：

圖6 足弓運動學指標示意圖

●足弓高度定義[10，25]：舟骨粗隆到第一跖趾關節(jié)與跟骨內(nèi)側突起點連線的直線距離；

●足弓角度定義[26，27]：矢狀面內(nèi)，跖骨相對于跟骨的轉(zhuǎn)動角度；

●支撐期足弓剛度表達式如下[25]：

其中，vGRFmid：前后方向地面反作用力為零時對應的垂直地面反作用力值；△Larch：著地瞬間到50%支撐期時足弓高度的變化量。然后對karch進行標準化處理，公式如下：

最終，標準化后的karch單位為N/(cm·kg)。

1.5 統(tǒng)計學方法

結果均采用平均值±標準差表示。本研究使用重復測量雙因素方差分析(two-way repeated measures ANOVA)比較時間因素(訓練前后)和組別因素(干預組和對照組)對足趾肌肉力量、足弓形態(tài)學參數(shù)和足弓運動學特征的影響。當存在交互作用時，采用配對樣本t檢驗對時間因素進行事后檢驗，采用獨立樣本t檢驗對組別因素進行事后檢驗。此外，對于時間因素呈現(xiàn)主效應的指標，將針對兩組各自的變化量進行獨立樣本t檢驗，用以分析指標的具體變化情況，顯著性水平α設為0.05。

2 結果

2.1 足趾肌肉力量

組別×時間因素對第1 足趾絕對力量和相對力量均存在交互效應(P=0.013；P=0.018)。經(jīng)事后檢驗發(fā)現(xiàn)，12周后，干預組第1足趾的絕對力量和相對力量有顯著提高(P=0.001；P=0.001)。組別×時間因素對其余4 趾絕對力量存在交互作用(P=0.049)，經(jīng)事后檢驗發(fā)現(xiàn)，12 周后，干預組的其余4 趾絕對力量有明顯提高(P=0.002)。此外，時間因素對其余4 趾相對拉力有主效應(P=0.007)，對兩組該指標變化量進行獨立樣本t檢驗發(fā)現(xiàn)干預組的增長趨勢(P=0.058)，干預組的其余4 趾相對力量提高了37.42%，比對照組多28.22%(圖7)。

圖7 12周足部功能訓練對足趾相對力量的影響

2.2 足弓形態(tài)學

組別×時間因素對標準化后的站姿舟骨高度存在交互作用(P=0.022)。事后檢驗顯示，12 周后，干預組標準化后的站姿舟骨高度明顯改善(P=0.027)。12 周干預訓練對干預組的坐姿舟骨高度和舟骨高度落差沒有明顯影響(圖8)。

圖8 12周足部功能訓練對足弓形態(tài)學的影響

2.3 足弓運動學

進行RFS時，組別×時間因素對足弓最大角度具有交互作用(P＜0.001)，經(jīng)事后檢驗發(fā)現(xiàn)，實驗前測干預組與對照組存在顯著性差異(P＜0.001)，干預組經(jīng)干預后，該指標明顯下降(P＜0.001)。組別×時間因素對著地瞬間足弓高度有交互作用(P=0.001)，經(jīng)事后檢驗發(fā)現(xiàn)，12 周干預后，干預組著地瞬間足弓高度明顯增加(P＜0.001)。此外，時間因素對足弓高度變化量存在主效應(P=0.002)，經(jīng)12 周干預后，干預組的足弓高度變化量提高了46.3%，比對照組多34.98%，對兩組該指標的變化量進行獨立樣本t檢驗分析發(fā)現(xiàn)干預組相比對照組提高更明顯(P=0.027)。進行FFS 時，組別因素對足弓壓縮角度和足弓最大角度有主效應(P=0.003；P=0.0045)(表4，圖9)。

圖9 12周足部功能訓練對足弓運動學的影響

表4 兩組足弓運動學及足弓剛度比較

3 討論

3.1 足趾肌肉力量

經(jīng)過12 周的足部功能訓練，干預組的第1 足趾屈肌群的絕對力量和相對力量、其余4 趾屈肌群的絕對力量都有顯著提高。此外，其余4趾的相對力量、跖趾關節(jié)的絕對力量和相對力量均在干預后出現(xiàn)增長趨勢。足底內(nèi)附肌如拇展肌、趾短屈肌和足底方肌等是輔助腳趾發(fā)生屈曲的肌群[6]。在步態(tài)推進階段，隨著足跟離開地面，踝關節(jié)進行跖屈方向運動，跖趾關節(jié)進行背屈方向運動，地面反作用力的作用點向跖趾關節(jié)遠端移動，并在跖趾關節(jié)周圍產(chǎn)生一個背屈外力矩。此時，足底屈肌收縮產(chǎn)生的跖屈內(nèi)力矩可以平衡該外力矩，達到調(diào)節(jié)全身角動量的效果[28]。由此可知，足底肌群肌力對于跑跳運動，尤其是步態(tài)支撐末期足部蹬離地面的過程具有重要作用。此外，很多短跑和跳躍項目的教練員認為跖趾關節(jié)和周圍其他關節(jié)力量輸出增加時，可以提高運動員的運動表現(xiàn)[29]。這些影響跖趾關節(jié)發(fā)力的肌肉同時也是支撐足縱弓的必要結構[30]，在運動過程中起到維持足弓穩(wěn)定的作用。本研究采用結合足部力量增強訓練和前掌著地跑姿轉(zhuǎn)換的干預方式，在相對靜止和跑動中共同強化足底肌群的發(fā)力能力，因此，跑跳類項目的運動員可以參考相關的足部功能訓練方法來獲得更強的足部肌肉功能。

3.2 足弓形態(tài)學

12 周足部功能訓練使標準化后舟骨高度顯著增加。研究指出，足底內(nèi)附肌的功能與足縱弓的形態(tài)直接相關[31]。有研究探討下肢承重和足部肌肉激活水平之間的關系發(fā)現(xiàn)，隨著負荷的增加，拇展肌、趾短屈肌和足底方肌激活水平明顯增加，當負荷增加到身體重量的125%時，足弓高度和肌肉長度停止改變，但肌肉激活水平仍隨著負荷的增加而持續(xù)增加[6]。同時，有學者發(fā)現(xiàn)，拇展肌肌肉活性下降可明顯增加舟骨高度落差[32]。由此可見，足內(nèi)附肌群的激活水平可以顯著影響舟骨位置[11]，這對于負重條件下維持足弓形態(tài)有直接影響。因此，很多研究通過對足部肌肉進行功能訓練達到穩(wěn)定和改善足弓形態(tài)的效果[4]。本研究足弓形態(tài)學測試結果與Headlee的研究結果相似[33]，12周足部肌肉力量訓練和前掌著地跑練習在一定程度上能夠強化足部肌群功能，對于自身體重條件站立姿態(tài)下的足弓形態(tài)有改善作用。

3.3 足弓運動學

12 周干預訓練后，干預組在RFS 任務中表現(xiàn)出足弓最大角度減小，著地瞬間足弓高度明顯提高和足弓高度變化量明顯增加；進行FFS測試時，足弓運動學參數(shù)沒有明顯變化。雖然干預組進行RFS時出現(xiàn)了足弓剛度的下降和更多形變，然而足弓最大壓縮角度沒有發(fā)生顯著變化。Koyama 等[34]指出，足部肌肉功能和足部結構的適應性都具有運動項目特異性，當身體承受某一種運動負荷的重復刺激時，會出現(xiàn)特殊的神經(jīng)肌肉適應性。結合足底肌肉力量測試的相關結果進行分析，本研究的干預手段有效增強了足弓相關肌群的肌肉力量，在提高了跑步任務中足弓運動表現(xiàn)的同時，也控制了足弓的最大運動幅度。此外，有研究指出，拇展肌作為最大的足內(nèi)附肌，在前掌著地技術的擺動末期會出現(xiàn)肌肉激活水平的顯著提高，可在著地前增加足中部的屈曲角度和內(nèi)側縱弓的高度。而這一運動學變化，加大了步態(tài)支撐期足中部環(huán)節(jié)的活動度，更利于足弓貯存彈性勢能[9]，使跑者更好地利用足踝部位的筋膜、韌帶拉伸和回彈特性，減少彈性勢能在這一著地過程中的損失。雖然，本研究發(fā)現(xiàn)干預訓練后，RFS出現(xiàn)了與FFS 足弓原有運動特點的相似處，即著地瞬間足弓高度增加，足中部關節(jié)活動度增加。但是，RFS支撐期足中部關節(jié)活動度的增加是否會影響下肢的蹬伸效率值得進一步分析。

綜上所述，本研究的12周足部功能訓練對足部肌肉力量、足弓形態(tài)及足弓運動學特征均產(chǎn)生了一定影響。由此可見，足弓作為下肢系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，由于其結構的復雜與多樣性，不能在單一狀態(tài)下分析單獨某一塊肌肉的功能，更應全面對足弓功能進行探討，并在訓練方案的設計上涉及動態(tài)和靜態(tài)任務。然而，本研究僅對男性后跟著地跑者的足弓特征與功能進行分析，仍需進一步對比不同性別和年齡對足弓功能的影響。

4 結論

12 周靜、動態(tài)結合的足部功能訓練方法能有效增加第1足趾及其余4趾相對拉力、提高站姿狀態(tài)下舟骨高度，并顯著減小后跟著地跑時的足弓最大壓縮角度，提高著地瞬間的足弓高度和足弓高度變化量，提示足弓出現(xiàn)了適應性變化。本研究所采用的12 周足部功能訓練可以積極促進足弓肌群力量增進，建議足弓肌群力量薄弱的人群(如足底筋膜炎患者)可將本研究的訓練方法作為一種康復手段，并結合相關足弓形態(tài)學和功能測試，對足弓肌群進行多方面訓練和綜合評估。