白嘯天 霍洪峰，2

1 河北師范大學(xué)體育學(xué)院（石家莊050024）

2 河北省人體運(yùn)動生物信息測評重點(diǎn)實驗室（石家莊050024）

足是人體重要的運(yùn)動器官，足弓作為足的重要結(jié)構(gòu)，在人體行進(jìn)過程中起著緩沖負(fù)荷和剛性杠桿的作用，體現(xiàn)著足的動態(tài)功能[1]。由于脛后肌腱或足底筋膜功能障礙導(dǎo)致內(nèi)側(cè)縱弓下降，嚴(yán)重者造成足部畸形，形成扁平足[2]。足弓降低會影響足部運(yùn)動表現(xiàn)，使得身體其他部位代償發(fā)力，進(jìn)而可能改變身體其他部位負(fù)重力線，造成異常姿勢，引起膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)和腰背部等不適[3，4]。對比低足弓或扁平足患者與正常足型的步態(tài)差異是探究異常足型影響運(yùn)動表現(xiàn)的重要手段，同時也可為探尋足弓降低矯正方法提供依據(jù)。

壓力中心軌跡為地面與足部集中受力點(diǎn)連成的曲線。近些年來，足底壓力中心軌跡測量方法和繪制方法的改進(jìn)和發(fā)展[5-7]，使其具有直觀性、簡潔性和易測量的優(yōu)點(diǎn)，可更好地反映足與地面作用的情況，壓力中心軌跡指標(biāo)已應(yīng)用于不同年齡、性別、病癥、運(yùn)動模式等方面的研究[8-10]，體現(xiàn)了其作為動態(tài)足功能評定指標(biāo)的價值。但壓力中心軌跡用于分析扁平足等異常足型步態(tài)的研究較少，對壓力中心曲線特征的評價方法并不完善。本研究通過壓力中心軌跡這一指標(biāo)對不同足型的成年男子進(jìn)行步態(tài)分析，探究不同足型人群步態(tài)特征，為足踝康復(fù)和足功能評定提供理論參考和研究價值。

1 對象與方法

1.1 實驗儀器

①三維足型掃描儀（PODOMED 3D Scanner，350 mm×150 mm×160 mm，+/－1.0 mm，北京海德美業(yè)科技有限公司）；②Footscan 高頻足底壓力測試板（板長2 m、采集頻率126 Hz，傳感器密度4 個/cm2。壓力測量范圍1～60 N/cm2，最小分辨率為25 g，一致性為±25 g，RSscan International公司）。

1.2 受試者選取與分組

經(jīng)受試者同意，采集受試者身高、體重、年齡等相關(guān)信息，用三維足型掃描儀選取不同足型受試者，其中足弓指數(shù)（足中面積與去趾足面積的比值[7，11]）在0.21～0.26 之間為正常足，0.26～0.30 之間為低足弓，大于0.30為扁平足[7]。研究對象均為成年男性，無心血管疾病，且3 個月內(nèi)無外力導(dǎo)致的肌肉或骨損傷，近1年內(nèi)無下肢手術(shù)，扁平足患者病史在6個月以上。

選取符合條件的受試者共33 名，按足型分組，其中正常足15名，低足弓者10名，扁平足者8名，受試者基本信息如下表。

表1 受試者基本信息

1.3 實驗方法

實驗人員將Footscan 高頻足底壓力測試板平鋪于平整地面，足底壓力測試板兩端鋪上與之等寬的延長跑道，受試者熟悉實驗環(huán)境后，脫襪，選取自己合適的步速，目視前方，自然擺臂行走，測試5次，選取采集數(shù)據(jù)較為完整的3 次進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，選取受試者主發(fā)力腳得出相應(yīng)的足底壓力中心軌跡曲線。

將足底壓力中心軌跡曲線放入平面直角坐標(biāo)系中，足中線（足跟中點(diǎn)與第二、第三腳趾中點(diǎn)的連線）為x 軸，垂直于足中線的直線為y 軸建立坐標(biāo)系（如圖1），使記錄的第一個壓力中心點(diǎn)位于y軸。x軸代表記錄點(diǎn)開始時的單足支撐周期百分比；y 軸表示水平方向偏移與足寬的百分比。當(dāng)壓力中心軌跡向足中線外側(cè)偏移時，y 為負(fù)值，當(dāng)壓力中心軌跡向內(nèi)側(cè)偏移，y為正值。

圖1 足底壓力中心軌跡坐標(biāo)系

1.4 觀察指標(biāo)

將單足完整的支撐期分為4 個階段，即后跟著地階段（initialcontact phase，ICP）、前掌觸地階段（forefoot?contact phase，F(xiàn)FCP）、整足支撐階段（footflat phase，F(xiàn)FP）和蹬伸離地階段（forefoot push off phase，F(xiàn)F?POP）。足跟觸地時刻到前掌跖骨觸地時刻為ICP；跖骨觸地時刻到足趾觸地為FFCP；足趾觸地時刻到后跟完全離地為FFP；足跟完全離地到足趾離地為FFPOP。

選取完成建系的足底壓力中心軌跡曲線特征指標(biāo)，即周期百分比、水平偏移值和曲線弧度，周期百分比為每名受試者單足支撐期4個階段占其支撐期的百分比；水平偏移值為壓力中心軌跡相對于足中線在y軸的距離，將受試者壓力中心軌跡進(jìn)行多項式擬合，得到擬合曲線的表達(dá)式，根據(jù)曲線表達(dá)式求出4 個階段的定積分值，用對應(yīng)階段的定積分值除以該階段在x軸所占的周期百分比，即為此階段的平均偏移值；曲線弧度為4 個階段擬合曲線的平均斜率。3 個特征指標(biāo)均為以受試者足寬百分比和支撐期周期百分比進(jìn)行歸一化處理后的相對值，可對不同足型進(jìn)行組間比較。

1.5 統(tǒng)計方法

數(shù)據(jù)在Footscan 軟件中采集，得到的數(shù)據(jù)在Excel中處理，求出曲線特征值，用spss25.0進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，統(tǒng)計結(jié)果用±s表示，組內(nèi)采用ICC 值評價復(fù)測信度，當(dāng)ICC 值＜0.4 則一致性較差，ICC 值在0.4～0.75 之間則一致性較好，ICC值大于0.75則一致性優(yōu)秀[12，13]；組間比較采用單因素方差分析，當(dāng)P＜0.05 則結(jié)果拒絕原假設(shè)，具有顯著性差異。

2 結(jié)果

2.1 壓力中心軌跡曲線擬合結(jié)果

采用多項式擬合每名受試者ICP、FFCP、FFP 及FFPOP 四個階段壓力中心軌跡曲線，逐漸增加多項式中最高項的次數(shù)直至R2大于0.975，擬合結(jié)果示例如圖2。

圖2 壓力中心軌跡曲線擬合

2.2 支撐期各階段周期百分比差異

經(jīng)ICC信度檢驗，測得正常足、低足弓和扁平足組四個階段占支撐期百分比的ICC值均大于0.75，復(fù)測一致性優(yōu)秀。單因素方差分析結(jié)果如表2。

由表2 可知，在后跟著地階段（ICP），正常足和低足弓組該階段的周期百分比低于扁平足組（P＜0.05）；正常足與低足弓組在ICP 階段的周期百分比差異不具有顯著性。在前掌觸地階段（FFCP）和整足支撐階段（FFP），三組數(shù)據(jù)之間差異不具有顯著性。在蹬伸離地（FFPOP）階段，正常足、低足弓與扁平足組差異具有顯著性，相比于正常足和低足弓組，扁平足組在蹬伸離地階段（FFPOP）周期百分比降低（P＜0.05）。

表2 支撐期各階段周期百分比（%）

2.3 壓力中心軌跡水平偏移值差異

經(jīng)檢驗，扁平足與低足弓組壓力中心軌跡曲線的水平偏移ICC值介于0.4～0.75之間，一致性較好，正常足壓力中心軌跡的水平偏移ICC值為大于0.75，復(fù)測信度優(yōu)秀，單因素方差分析結(jié)果如表3。

由表3 可知，正常足組壓力中心軌跡的水平偏移值均小于低足弓和扁平足組（P＜0.05）。低足弓與扁平足組的水平偏移值差異不具有顯著性。

表3 壓力中心軌跡水平偏移值（%）

2.4 各階段壓力中心曲線弧度差異

正常足、低足弓和扁平足曲線弧度ICC 值均介于0.4～0.75之間，復(fù)測信度較好，檢驗結(jié)果如表4。

由表4 可知，在ICP 階段，正常足和低足弓組曲線弧度差異不具有顯著性；正常足與低足弓組的曲線弧度均大于扁平足組（P＜0.05）。在FFCP階段，正常足與低足弓組曲線弧度無差異（P＞0.05），正常足、低足弓組的曲線弧度均小于扁平足組（P＜0.05）。在整足支撐階段（FFP），三組曲線弧度差異不具有顯著性。蹬伸離地（FFPOP）階段，扁平足組曲線弧度低于其他兩組足型（P＜0.05），低足弓與正常足組曲線弧度差異不具有顯著性（P＞0.05）。

表4 各階段曲線弧度差異

3 討論

本研究通過探究壓力中心軌跡的特征，評價正常足、低足弓和扁平足三種足型在行走時的差異。支撐期各階段周期百分比可反映行走過程中足跟、足踝、前掌和腳趾在單支撐階段運(yùn)動時間，體現(xiàn)其傳遞負(fù)荷的能力。在后跟著地（ICP）、前掌觸地（FFCP）、整足支撐（FFP）和蹬伸離地（FFPOP）四個階段占單足支撐期的百分比中，低足弓和正常足組的差異不具有顯著性，但這兩組與扁平足組在后跟著地和蹬伸離地階段具有明顯區(qū)別，扁平足患者在后跟著地階段的周期百分比較大，在蹬伸階段的時間較短。對步態(tài)的研究表明，在人體步態(tài)的支撐期中，足踝各部位通過足跟、足踝、前掌和腳趾滾動完成對負(fù)荷的緩沖并推動人體前進(jìn)，在后跟著地階段足跟緩沖負(fù)荷并完成對前掌和整足支撐的過渡；在前掌觸地和整足支撐階段，踝關(guān)節(jié)滾動逐漸將重心前移，準(zhǔn)備下階段的蹬伸動作；在蹬伸離地階段，前掌和足趾成為下肢剛性杠桿的支點(diǎn)，完成由支撐期到擺動期的轉(zhuǎn)變[1，14]。扁平足患者后跟著地階段時間較長，可認(rèn)為因脛后肌腱障礙和足底筋膜功能障礙導(dǎo)致足弓剛度下降[15，16]。尸體研究表明，扁平足畸形的產(chǎn)生導(dǎo)致脛后肌腱的滑動阻力增加30%，影響足跖屈[15]，降低足部在后跟著地階段的緩沖能力，進(jìn)而需要更長的后跟滾動時間使足向前推進(jìn)，這解釋了扁平足組在后跟著地階段周期百分比較大的現(xiàn)象；而蹬伸離地階段周期百分比降低也表明其他階段周期百分比增加，這支持了Neville等提出的扁平足患者不能有效地將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到前足的觀點(diǎn)[17]。對第一跖趾關(guān)節(jié)的研究表明，在站立時，足弓降低會使第一跖趾關(guān)節(jié)柔韌性增加[18]，可理解為足弓較低的人群第一跖趾關(guān)節(jié)剛度下降，降低以前掌和足趾作為支點(diǎn)的蹬伸能力，使扁平足組在蹬伸離地階段表現(xiàn)出較短的周期百分比。

壓力中心軌跡的水平偏移反映足行進(jìn)過程中受力情況，水平偏移值大則說明足部受力偏向內(nèi)側(cè)，反之則說明足受力偏向外側(cè)。本研究對壓力中心軌跡整體的位置對比結(jié)果表明，低足弓和扁平足組相比于正常足組壓力中心軌跡的水平位移更偏向內(nèi)側(cè)，這與之前有學(xué)者認(rèn)為扁平足壓力中心軌跡偏向外側(cè)的觀點(diǎn)不同[19]。參考以往研究可知，較低足弓的足型增加足內(nèi)側(cè)壓力、減小足跟區(qū)域的壓力，足弓出現(xiàn)扁平足時，會出現(xiàn)足外翻，同時第一趾骨承重增加，重心偏向主發(fā)力腳前足區(qū)域[11，20]，這解釋了本研究在動態(tài)過程壓力中心軌跡內(nèi)移的現(xiàn)象。扁平足組慢跑壓力中心軌跡的研究結(jié)果表明，在支撐階段壓力中心軌跡也顯示出比正常足向內(nèi)側(cè)偏移的現(xiàn)象[21]。

曲線的弧度用壓力中心軌跡各個階段的斜率表示，它與足旋進(jìn)角類似，用于描述壓力中心軌跡的彎曲度，反映足部姿勢[8]，斜率為正值表示足旋后，反之則表明足旋前。由本研究結(jié)果可知，扁平足在后跟第一次觸碰地面到整足支撐的階段，壓力中心軌跡曲線斜率增加，呈旋后趨勢；正常足和低足弓組在后跟著地到整足支撐階段，壓力中心軌跡曲線斜率逐漸降低，呈旋前趨勢。從行走開始到支撐期結(jié)束，人體重心從中線向擺動腿側(cè)偏移，隨后重新回到中線位置以完成對側(cè)腿的擺動[1，22]，由于擺動時重心向擺動腿偏移，因此膝關(guān)節(jié)會向外側(cè)偏移以緩沖下肢負(fù)重同時轉(zhuǎn)移身體部分重心到支撐腿，膝關(guān)節(jié)外翻帶動踝關(guān)節(jié)[1]，使其在落地到全足支撐階段旋外，呈現(xiàn)出本研究在前兩個階段正常足和低足弓曲線斜率降低的結(jié)果。扁平足患者由于足弓塌陷伴隨著足外翻，使得跟腱的附著點(diǎn)移到距下關(guān)節(jié)軸線的外側(cè)，增加了后足的外翻力矩[23]，進(jìn)而使得身體其他部分代償，形成x型腿，影響膝關(guān)節(jié)帶動足外展[24]，這解釋了在后跟著地到前掌著地階段扁平足組斜率增大的結(jié)果；在蹬伸離地階段，扁平足組斜率較低，這表明受力向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)移程度較差，可能是第一跖趾關(guān)節(jié)剛度較低所致[18]。

綜上所述，三種足型在步態(tài)特征上存在一定差異。低足弓和正常足組的曲線弧度和各階段周期百分比指標(biāo)差異較小，低足弓在行走中緩沖和蹬伸功能與正常足相似，但其較低的足弓增加了行走時足外翻的趨勢；相比于正常人的“C”型壓力中心軌跡，扁平足患者的足底壓力中心軌跡更接近直線，在行走時壓力中心軌跡更易向足內(nèi)側(cè)偏移，足部各階段過渡期長，蹬伸期短，其足部緩沖能力、足部負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力及蹬伸能力較差。

4 結(jié)論

較低足弓結(jié)構(gòu)的人群行走時更易出現(xiàn)足外翻趨勢；低足弓在行走中緩沖和蹬伸功能與正常足相似；扁平足患者行走時足部緩沖能力、足部負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力及蹬伸能力較差；壓力中心軌跡對評價動態(tài)足功能具有重要參考價值。