梅齊昌，顧耀東，李建設(shè)

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基于足部形態(tài)特征的跑步生物力學(xué)分析

梅齊昌1，顧耀東1，李建設(shè)2

目的：旨在分析習(xí)慣著鞋跑步者與習(xí)慣裸足跑步者跑步的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，并結(jié)合習(xí)慣著鞋跑步者內(nèi)收的大腳趾與習(xí)慣裸足跑步者外展的大腳趾的足部形態(tài)差異進(jìn)行功能分析。方法:18名習(xí)慣裸足跑步者與20名習(xí)慣著鞋跑步者參與跑步測(cè)試(控制速度3.0±0.2 m/s)。Vicon三維紅外運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)用于收集兩組受試者跑步測(cè)試時(shí)下肢的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)；Kistler三維測(cè)力臺(tái)用于收集受試者跑步過(guò)程中右腿的地面反作用力；Novel Pedar-X鞋墊式足底壓力測(cè)量系統(tǒng)用于獲得足部特定解剖區(qū)域的足底壓力(峰值壓強(qiáng)，接觸面積及壓強(qiáng)-時(shí)間積分)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)探究?jī)山M受試者外展及內(nèi)收的大腳趾跑步時(shí)的功能。結(jié)果：由于兩組受試者跑步時(shí)落地方式的差異，兩組受試者在落地時(shí)踝關(guān)節(jié)屈伸的角度存在較為顯著的差異。習(xí)慣著鞋跑步者跑步時(shí)垂直負(fù)荷增長(zhǎng)率高于習(xí)慣裸足跑步者，這與下肢及足部常見(jiàn)損傷相聯(lián)系。習(xí)慣裸足跑步者跑步時(shí)，足部前掌區(qū)的峰值壓強(qiáng)和壓力-時(shí)間積分高于習(xí)慣著鞋跑步者，習(xí)慣著鞋跑步者大腳趾區(qū)由于鞋底的支撐作用表現(xiàn)出較大的峰值壓強(qiáng)及壓強(qiáng)-時(shí)間積分，相應(yīng)的前足內(nèi)外側(cè)的峰值壓強(qiáng)和壓強(qiáng)-時(shí)間積分也明顯低于習(xí)慣裸足跑步者。結(jié)合兩組受試者在踝關(guān)節(jié)冠狀面內(nèi)的角度變化，習(xí)慣裸足跑步者蹬離地面時(shí)外翻角度高于習(xí)慣著鞋跑步者。結(jié)論：習(xí)慣著鞋跑步者跑步時(shí)足部蹬離階段大腳趾由于鞋底支撐作用能夠降低聚集于前足的負(fù)荷，減少足部筋膜炎、跖骨疲勞性骨折的風(fēng)險(xiǎn)；針對(duì)腳趾蹬地時(shí)抓地彈射機(jī)能的訓(xùn)練能夠提高跑步的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。

足形態(tài)；裸足跑；跖屈；背屈；大腳趾

1 前言

鑒于上述原因，裸足跑步引起媒體、學(xué)者、跑者及運(yùn)動(dòng)鞋具制造商的廣泛關(guān)注。學(xué)者紛紛進(jìn)行裸足、著鞋或者相互間比較的研究；跑者以減少損傷的目的嘗試裸足跑步；運(yùn)動(dòng)鞋具制造商也生產(chǎn)出各式各樣的“裸足”跑步鞋，如Vibram Fivefingers、New Balance Minimus、Nike Free 等各品牌的系列鞋，給跑者帶來(lái)“裸足”跑步的感覺(jué)以及所提及的好處[1,20]。與此同時(shí)，大量關(guān)于習(xí)慣裸足跑步者動(dòng)作特征、習(xí)慣著鞋跑步者裸足跑等研究也表明，習(xí)慣裸足跑步者進(jìn)行裸足跑步有一定的技術(shù)特點(diǎn)；而對(duì)于習(xí)慣著鞋跑步者進(jìn)行裸足跑步而言，不光是落地方式(FSP)的差異，而且習(xí)慣著鞋跑者進(jìn)行嘗試前掌落地的裸足或者著“裸足”鞋跑步時(shí)，需要經(jīng)過(guò)一定階段對(duì)裸足跑步技巧進(jìn)行學(xué)習(xí)[27]。研究同樣表明，由于前掌落地時(shí)踝關(guān)節(jié)跖屈的姿勢(shì)，長(zhǎng)期裸足跑步者下肢肌肉及跟腱等組織出現(xiàn)變化[24]，且足部會(huì)出現(xiàn)角質(zhì)化[11]。其他因素，如跑步場(chǎng)地環(huán)境多變等，容易對(duì)足部造成創(chuàng)傷，這也是裸足跑步時(shí)必須考慮的一個(gè)重要因素[28]。與此同時(shí)，“是‘裸足或穿鞋跑’還是‘落地方式’更重要？”[32]這一議題被提出并進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果表明，裸足跑與著任何鞋具跑步時(shí)均會(huì)產(chǎn)生不同結(jié)果，尤其對(duì)習(xí)慣著鞋者而言，足部及下肢的負(fù)荷會(huì)增加得更為明顯[5]，從而出現(xiàn)損傷的風(fēng)險(xiǎn)更大。

不同地域人群足部形態(tài)特征會(huì)存在差異，其中，尤為突出的特征在足的前掌區(qū)和腳趾區(qū)[8,14]。足部的不用形態(tài)學(xué)特征與足部特定區(qū)域的功能也緊密聯(lián)系[16,30]。本文目的在于結(jié)合足部形態(tài)學(xué)差異的同時(shí)，對(duì)習(xí)慣裸足跑步者和習(xí)慣著鞋跑步者在裸足與穿鞋條件下的時(shí)空參數(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)指標(biāo)和足底壓力特征等進(jìn)行比較分析，探究其在兩種條件下的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特征。本研究假設(shè)兩組受試者腳趾區(qū)的形態(tài)學(xué)差異與足部功能相關(guān)。

2 研究對(duì)象與方法

2.1 研究對(duì)象

本實(shí)驗(yàn)選取18名男性習(xí)慣裸足跑步者(年齡：23±1.2周歲；身高：1.65±0.12 m；體重：65±6.9 kg；身體指數(shù)：23.88±0.93 kg/m2)，均來(lái)自印度西南部Kerala省，為寧波大學(xué)國(guó)際留學(xué)生；20名男性習(xí)慣著鞋跑者(年齡：24±2.1周歲；身高：1.72±0.16 m；體重：66±6.5 kg；身體指數(shù)：22.31±1.97 kg/m2)，為寧波大學(xué)在讀中國(guó)學(xué)生。受試者了解實(shí)驗(yàn)步驟和目的且簽署協(xié)議書(shū)，右腿均為優(yōu)勢(shì)腿，鞋碼為41歐碼，均有跑步的歷史，且在實(shí)驗(yàn)前半年下肢無(wú)任何損傷。

兩組受試者跑步時(shí)落地方式不同，習(xí)慣裸足跑步者跑步時(shí)是以前足落地(FFS)，習(xí)慣著鞋跑步者跑步時(shí)是以后跟落地(RFS)。兩組受試者足部存在較為顯著的形態(tài)學(xué)差異，習(xí)慣裸足跑步者(FFS)相對(duì)于習(xí)慣著鞋跑步者(RFS)，大腳趾與其他腳趾是分離的，且距離很大。

跑步測(cè)試實(shí)驗(yàn)前，受試者均采用Easy-Foot-Scan (EFS,Ortho-Baltic,Kaunas,Lithuania)進(jìn)行3D足形掃描(圖1)，獲取受試者的3D足面數(shù)據(jù)及2D足底圖片。Easy-Foot-Scan對(duì)受試者進(jìn)行足形掃描時(shí)，受試者兩腳與肩同寬自然站立，其中，右腳踩在足形掃面器的掃面區(qū)域，左腳踩在與掃描區(qū)域等高的支撐平臺(tái)上。Easy-Foot-Scan的掃面速度、靈敏度、分辨率和平滑系數(shù)等參數(shù)均設(shè)定在快、正常、1.0 mm和30 mm。獲取的2D足底圖片采用Auto CAD 2007 (Computer-Aided-Design,Autodesk,America)對(duì)大腳趾和第2腳趾間的最小距離進(jìn)行測(cè)量(圖2)。所測(cè)得兩組受試者的最小距離進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，得到α=0.000<0.05,t=-16.15。

圖1 本研究Easy-Foot-Scan 3D足形掃描Figure 1. Easy-Foot-Scan 3D Foot Scan

圖2 本研究受試者的足部背面觀及2D足底圖片F(xiàn)igure 2. The Dorsal View and 2D Footprint Image of Participants

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.3 多肽的形成 指導(dǎo)學(xué)生尋找密碼子對(duì)應(yīng)的氨基酸和相應(yīng)的tRNA，模擬三肽的合成。依次重復(fù)上述步驟，直到核糖體讀到mRNA的終止密碼，合成終止。進(jìn)一步探究： 假設(shè)不同的mRNA，其堿基排列順序不同，翻譯出來(lái)的蛋白質(zhì)是否相同？引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)改變mRNA上的某些堿基，改變了原有的mRNA，并讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。通過(guò)探索學(xué)生獲取新知： 不同的基因轉(zhuǎn)錄出不一樣的mRNA，翻譯出不同的蛋白質(zhì)。

Vicon 三維紅外運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)(Oxford Metrics Ltd.,Oxford,UK)采用內(nèi)置Nexus Plug-in Gait模型，16個(gè)Maker反光點(diǎn)(直徑14 mm)分別粘在左右側(cè)髂前上棘、左右側(cè)髂后上嵴、左右大腿外側(cè)、左右膝關(guān)節(jié)中心點(diǎn)外側(cè)、左右小腿外側(cè)、左右外踝尖、左右腳后跟及左右側(cè)第二跖骨頭。測(cè)試頻率設(shè)定在200 Hz用于時(shí)空參數(shù)及運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。同時(shí)，Kistler三維測(cè)力臺(tái)(Kistler,Switzerland)與Vicon軟件同步測(cè)試，并固定于跑道中央，受試者調(diào)整好落腳點(diǎn)以右腳落于測(cè)力臺(tái)上，以1 000 Hz采集受試者右腿的地面方作用力。

鞋墊式足底壓力測(cè)量系統(tǒng)(Novel Pedar-X System,Germany)用于跑步過(guò)程中足底壓力的采集，習(xí)慣裸足跑步者裸足跑步時(shí)以襪子固定于足底，習(xí)慣著鞋跑步者著鞋跑步時(shí)平整置于鞋內(nèi)。鞋墊根據(jù)足部解剖結(jié)構(gòu)被分為后跟內(nèi)側(cè)(medial rearfoot-MR)、后跟外側(cè)(lateral rearfoot-LR)、中足內(nèi)側(cè)(medial midfoot-MM)、中足外側(cè)(lateral midfoot-LM)、前足內(nèi)側(cè)(medial forefoot-MF)、前足外側(cè)(lateral forefoot-LF)、大腳趾(hallux-H) 及其他腳趾(other toes-OT) 8個(gè)區(qū)域，以進(jìn)一步準(zhǔn)確分析足底受力特點(diǎn)。峰值壓強(qiáng)(peak pressure)、接觸面積(contact area)及壓強(qiáng)-時(shí)間積分(pressure-time integral)等參數(shù)用于分析習(xí)慣裸足跑步者及習(xí)慣著鞋跑步者一個(gè)步態(tài)周期中右腿支撐期的足底壓力特征。本研究將右腳落地(落于Kistler測(cè)力臺(tái))即刻至下一次落地即刻定義為一個(gè)周期。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)采集

通過(guò)秒表和節(jié)拍器控制受試者的跑步節(jié)奏，將速度控制在3.0±0.2 m/s，受試者在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)10 m長(zhǎng)的跑道上熟悉實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地適應(yīng)跑步節(jié)奏和速度，且調(diào)整好步點(diǎn)，以右腿落在跑道中間的Kistler測(cè)力臺(tái)上。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，兩組受試者按隨機(jī)順序進(jìn)行跑步測(cè)試，為保證受試者跑步步態(tài)的穩(wěn)定性和降低實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，兩組受試者均進(jìn)行6次跑步測(cè)試。運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及足底壓力同步進(jìn)行測(cè)試。

2.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

兩組受試者在裸足(習(xí)慣裸足跑步者)及著鞋(習(xí)慣著鞋跑步者)條件下均進(jìn)行6次跑步實(shí)驗(yàn)，以便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)過(guò)程中采用平均值降低實(shí)驗(yàn)誤差。SPSS 17.0 統(tǒng)計(jì)軟件采用最小差異分析法(Least significant difference-LSD)和獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)(Independent-samples T test)分析習(xí)慣裸足跑步者裸足跑及習(xí)慣著鞋跑步者著鞋跑的時(shí)空參數(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)的差異性，顯著性水平設(shè)定在0.05。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 時(shí)空參數(shù)及運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)果

后期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Vicon運(yùn)動(dòng)解析系統(tǒng)Nexus軟件包對(duì)時(shí)空參數(shù)及下肢各關(guān)節(jié)角度進(jìn)行處理，并分析習(xí)慣裸足跑步者與習(xí)慣著鞋跑步者一個(gè)跑步步態(tài)周期幀的步周長(zhǎng)(Stride length,SL)、步幅時(shí)間(stride time,ST)及右腳與地面接觸時(shí)間(contact time,CT)間的差異性(表1)。

表1 本研究時(shí)間-空間參數(shù)一覽表Table 1 The Spatiotemporal Parameters

注：用*,&和+分別表示習(xí)慣裸足跑步者(FFS)裸足跑步與習(xí)慣著鞋跑步者(RFS)著鞋跑步時(shí)步周長(zhǎng)(SL)、步幅時(shí)間(ST)及接觸時(shí)間(CT)存在顯著性差異(P<0.05)；18名習(xí)慣裸足跑步者及20名習(xí)慣著鞋跑步者。

習(xí)慣著鞋跑者(RFS)和習(xí)慣裸足跑步者(FFS)一個(gè)跑步步態(tài)周期中下肢踝、膝及髖3個(gè)關(guān)節(jié)角度變化曲線如圖3、圖4和圖5所示。為將運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)與動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)分析，關(guān)節(jié)角度變化主要集中分析右腿在支撐期的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，依據(jù)兩組受試者跑步時(shí)與地面的接觸時(shí)間占總步幅時(shí)間的比例，RFS與FFS的支撐期(stance period,SP)分別占各自步態(tài)周期的37.2%±0.3%(SP)和28.5%±0.5%(SP’)，SP表示習(xí)慣著鞋跑步者的支撐期，SP’表示習(xí)慣裸足跑步者的支撐期。

圖3 本研究踝關(guān)節(jié)在一個(gè)步態(tài)周期中關(guān)節(jié)角度變化曲線圖Figure 3. The Ankle Angle Curve in One Gait Cycle

圖4 本研究膝關(guān)節(jié)在一個(gè)步態(tài)周期中關(guān)節(jié)角度變化曲線圖Figure 4. The Knee Angle Curve in One Gait Cycle

圖5 本研究髖關(guān)節(jié)在一個(gè)步態(tài)周期中關(guān)節(jié)角度變化曲線圖Figure 5. The Hip Angle Curve in One Gait Cycle

3.2 地面垂直反作用力與足底壓力結(jié)果

各受試者的垂直地面反作用力(Vertical Ground Reaction Force，vGRF)均通過(guò)體重(N)進(jìn)行相對(duì)化，得到兩組受試者的垂直地面反作用力與各自體重倍數(shù)的相對(duì)值。兩組受試者進(jìn)行跑步測(cè)試時(shí)落地方式不同，二者的地面反作用力特點(diǎn)也不相同。RFS著鞋跑時(shí)，有2個(gè)波峰，第1個(gè)波峰(I)為受試者后跟落地時(shí)產(chǎn)生被動(dòng)沖擊力峰值(Passive impact peak)，第2個(gè)波峰(II)為受試者前足蹬離地面時(shí)產(chǎn)生的主動(dòng)沖擊力峰值(Active impact peak)；而FFS在裸足跑與著鞋跑時(shí)，均保持前足落地(I′)，只產(chǎn)生1個(gè)前足蹬地時(shí)刻的波峰(II′)(圖6)。

垂直負(fù)荷增長(zhǎng)率(Vertical Loading Rate,VLR)是地面反作用力除以相對(duì)應(yīng)的時(shí)間(Force/Time)。兩組受試者落地方式不同，對(duì)RFS及FFS的垂直負(fù)荷增長(zhǎng)率(VLR)進(jìn)行比較(圖6)，RFS著鞋跑時(shí)的垂直負(fù)荷增長(zhǎng)率(VLR)大于FFS裸足跑時(shí)的VLR’。通過(guò)鞋墊式足底壓力測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得到兩組受試者跑步時(shí)各區(qū)域的峰值壓強(qiáng)(peak pressure)、接觸面積(contact area)及壓強(qiáng)-時(shí)間積分(pressure-time integral)的特點(diǎn)(圖7～圖9)。本文主要比較分析兩組受試者跑步測(cè)試時(shí)支撐期內(nèi)足底相應(yīng)解剖區(qū)域的足底壓力特點(diǎn)。

RFS與FFS進(jìn)行跑步測(cè)試時(shí)，足底8個(gè)分區(qū)的峰值壓強(qiáng)均存在一定差異，其中，后跟內(nèi)側(cè)(MR)、后跟外側(cè)(LR)、前足外側(cè)(LF)及大腳趾區(qū)域(H)的差異性較顯著(圖7)。FFS在MR、LR及H區(qū)域的峰值壓強(qiáng)顯著性小于RFS(P<0.01)。如圖9所示，RFS與FFS跑步測(cè)試時(shí)足底各區(qū)域的壓強(qiáng)-時(shí)間積分也存在一定的差異性，主要集中于后跟內(nèi)外側(cè)(MR，LR)、前足外側(cè)(LF)和大腳趾(H)等區(qū)域。FFS跑時(shí)后跟區(qū)(MR，LR)及大腳趾區(qū)(H)的壓強(qiáng)時(shí)間積分小于RFS，前掌外側(cè)相反。

圖6 本研究習(xí)慣著鞋跑步者著鞋跑與習(xí)慣裸足跑步者裸足跑時(shí)垂直地面反作用力曲線圖Figure 6. The Vertical Ground Reaction Force of Habitually Shod Runners and Habitually Unshod Runners Running Under Shod and Unshod Conditions

圖7 本研究著鞋跑及裸足跑的足底各區(qū)域峰值壓強(qiáng)示意圖Figure 7. The Peak Pressure of Habitually Unshod and Shod Running Under Shod and Unshod Conditions

注：*表示二者間顯著性水平低于0.05；下同。

圖8 本研究著鞋跑及裸足跑的足底各區(qū)域接觸面積示意圖Figure 8. The Contact Area of Habitually Unshod and Shod Running Under Shod and Unshod Conditions

圖9 本研究著鞋及裸足跑的足底各區(qū)域壓強(qiáng)-時(shí)間積分示意圖Figure 9. The Pressure-time Integral of Habitually Unshod and Shod Running Under Shod and Unshod Conditions

4 討論

本研究以習(xí)慣著鞋跑步者與習(xí)慣裸足跑步者間足部一個(gè)顯著的形態(tài)差異——前者內(nèi)收的大腳趾及后者外展的大腳趾為基礎(chǔ)[4]，就兩個(gè)具有不同跑步落地方式的群體，在控制跑步速度的基礎(chǔ)上，以各自正常且舒適的姿勢(shì)進(jìn)行跑步測(cè)試。通過(guò)對(duì)兩組受試者跑步過(guò)程中下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及足底壓力特征的分析，探究習(xí)慣裸足跑步者與習(xí)慣著鞋跑步者足部特定形態(tài)結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的功能特點(diǎn)。

裸足跑步的益處被鞋具生產(chǎn)商及大眾媒體等廣泛傳播，且裸足跑步也被運(yùn)用至運(yùn)動(dòng)員的日常訓(xùn)練[15,31]、娛樂(lè)健身跑[9]及康復(fù)訓(xùn)練中[12]。多變的跑步界面及環(huán)境激發(fā)出“裸足”鞋來(lái)模擬裸足跑步帶給人體產(chǎn)生的刺激和感覺(jué)，且能夠預(yù)防皮膚損傷或者其他急性損傷[10,28]。關(guān)于不同落地方式及著鞋或裸足條件下跑步的生物力學(xué)分析得到廣泛的重視與不斷的研究。

對(duì)本研究中習(xí)慣裸足跑步者(FFS)和習(xí)慣著鞋跑步者(RFS)跑步測(cè)試時(shí)的時(shí)空參數(shù)及運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行比較分析，兩組受試者在步周長(zhǎng)(SL)、步幅時(shí)間(ST)及接觸時(shí)間(CT)上存在較大差異。FFS跑步測(cè)試時(shí)的步周長(zhǎng)顯著小于RFS，與大量裸足跑的研究結(jié)果一致[3,22,34,35]。跑步過(guò)程中，步長(zhǎng)與速度和時(shí)間之間存在“步周長(zhǎng)=跑步速度×步幅時(shí)間”的關(guān)系，兩組受試者的跑步速度均控制在3±0.2 m/s，步幅時(shí)間也出現(xiàn)相應(yīng)的變化，F(xiàn)FS的步幅時(shí)間亦顯著性小于RFS的步幅時(shí)間。另外，RFS后跟落地跑步時(shí)，支撐期內(nèi)踝關(guān)節(jié)會(huì)出現(xiàn)落地時(shí)的背屈，過(guò)渡至全足支撐期的跖屈，至蹬離期的跖屈；而FFS以前掌落地時(shí)減少了踝關(guān)節(jié)的跖屈背屈的運(yùn)動(dòng)，使足部與地面的接觸時(shí)間減少[25]。

通過(guò)壓力鞋墊分區(qū)分析足部各區(qū)域的負(fù)荷，對(duì)RFS與FFS跑步時(shí)足底壓力進(jìn)行對(duì)比分析，由于RFS以后跟落地，結(jié)合前文對(duì)兩組受試者落地差異的分析對(duì)比，RFS后跟內(nèi)、外側(cè)(MR,LR)的峰值壓強(qiáng)(peak pressure)及壓強(qiáng)-時(shí)間積分(pressure-time integral)均顯著性高于FFS(以前掌落地的跑步方式)。RFS后跟內(nèi)、外側(cè)有較大的接觸面積，RFS中足內(nèi)側(cè)接觸面積大于FFS，可能是由于鞋幫及鞋面的作用使鞋底更加貼合中足內(nèi)側(cè)。FFS的前足內(nèi)、外側(cè)(MF，LF)的峰值壓強(qiáng)與壓強(qiáng)-時(shí)間積分高于RFS，其中，前掌外側(cè)(LF)較顯著。鑒于鞋底緩沖作用，RFS前掌外側(cè)(LF)峰值壓強(qiáng)小于FFS；FFS由于缺乏鞋底緩沖墊作用，僅依靠踝關(guān)節(jié)由跖屈向背屈的運(yùn)動(dòng)來(lái)減緩沖擊力，但快速的垂直負(fù)荷增加率傳遞至小腿，增加了下肢的沖擊力負(fù)荷，尤其是小腿(脛骨)應(yīng)力性骨折的風(fēng)險(xiǎn)和前掌跖骨區(qū)域的疲勞性損傷[7,13,21,23,26]。RFS在大腳趾區(qū)較大的峰值壓強(qiáng)及壓強(qiáng)-時(shí)間積分說(shuō)明著鞋時(shí)大腳趾在蹬地時(shí)的支持作用，裸足跑時(shí)前足外側(cè)較大的峰值壓強(qiáng)和壓強(qiáng)-時(shí)間積分、前足內(nèi)側(cè)的壓強(qiáng)-時(shí)間積分等表明，較大的壓強(qiáng)及其較長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)作用在較小的區(qū)域均會(huì)導(dǎo)致足部損傷，如足底筋膜炎及跖骨的疲勞性骨折[6]。

結(jié)合上述時(shí)空參數(shù)與運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)的討論分析，裸足跑時(shí)較小的步周長(zhǎng)、較短的步幅時(shí)間及較短的接觸時(shí)間，下肢踝關(guān)節(jié)背屈及跖屈角度和髖關(guān)節(jié)的屈曲角度(前擺幅度)等，均是由于裸足跑對(duì)長(zhǎng)期裸足直接接觸地面適應(yīng)的結(jié)果，是跑者在保持前足落地特征的同時(shí)機(jī)體對(duì)裸足跑進(jìn)行一定適應(yīng)調(diào)整的結(jié)果，以降低出現(xiàn)裸足跑步時(shí)直接的沖擊而減小損傷的幾率。對(duì)裸足跑的好處是在于其落地的方式還是著鞋或裸足進(jìn)行研究表明，落地方式比著鞋或裸足更為重要，且要掌握正確落地方式的技巧需要一定階段的學(xué)習(xí)、適應(yīng)[7,27]。

本研究中，F(xiàn)FS與RFS足部形態(tài)的最大差異在大腳趾區(qū)[14]，實(shí)驗(yàn)前通過(guò)Easy-Foot-Scan三維足形掃描得到，F(xiàn)FS的大腳趾與其他腳趾間的最小距離顯著性大于RFS的大腳趾與其他腳趾間的最小距離，F(xiàn)FS的大腳趾呈外展位置，而RFS的大腳趾呈內(nèi)收位置[4]。結(jié)合腳趾在跑步過(guò)程中足部蹬地功能的分析，Lambrinudi等[16]將運(yùn)動(dòng)過(guò)程中足蹬離地面時(shí)足看作一條杠桿，跖骨頭為支點(diǎn)，動(dòng)力源自下肢各肌群(腓腸肌、趾長(zhǎng)屈肌及踇長(zhǎng)屈肌等)，阻力為機(jī)體自身重量。大腳趾蹬地作用一方面能夠增加支點(diǎn)的面積，降低聚集于支點(diǎn)(跖骨頭)區(qū)域的壓強(qiáng)等負(fù)荷；另一方面，與下肢肌群相連的趾長(zhǎng)屈肌腱收縮，使大腳趾的抓地產(chǎn)生彈射作用，增加跑步時(shí)抓地面積，從而提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。結(jié)合降低的前足內(nèi)側(cè)的壓強(qiáng)-時(shí)間積分，說(shuō)明大腳趾的支撐作用對(duì)前足區(qū)負(fù)荷有降低的作用，類(lèi)似的腳趾作用能夠提升跑步時(shí)的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，尤其是長(zhǎng)時(shí)間的耐力跑[30]。大腳趾在支撐期蹬離地面階段的支撐作用，不僅能夠降低聚集于前足跖骨區(qū)域的負(fù)荷，降低足部出現(xiàn)足底筋膜炎、跖骨疲勞性骨折的風(fēng)險(xiǎn)，而且，能夠通過(guò)特定方式的訓(xùn)練刺激連接趾長(zhǎng)屈肌腱相關(guān)肌群的作用，能夠提升大腳趾抓地機(jī)能，從而提升跑步時(shí)的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。

5 結(jié)論

習(xí)慣裸足跑步者與習(xí)慣著鞋跑步者進(jìn)行跑步測(cè)試時(shí)由于不同的落地方式，表現(xiàn)出時(shí)空參數(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及足底壓力的差異。本文的動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果表明，習(xí)慣著鞋跑步者相對(duì)于習(xí)慣裸足跑步者有較大的垂直負(fù)荷增長(zhǎng)率，與下肢及足部損傷的機(jī)率緊密相關(guān)。對(duì)于廣泛認(rèn)同的裸足跑對(duì)機(jī)體的益處及較低的損傷機(jī)率需要辯證的接受，裸足跑前掌區(qū)域的負(fù)荷高于著鞋跑。裸足跑帶來(lái)的益處是源于其跑步過(guò)程中足部落地的方式，而非裸足或著鞋，且掌握正確落地方式的技巧需要一定階段的學(xué)習(xí)和適應(yīng)。因此，對(duì)于習(xí)慣著鞋者而言，要正確對(duì)待裸足跑，不要盲目嘗試，更重要的是需要掌握落地方式。習(xí)慣裸足跑步者跑步時(shí)，主要負(fù)荷集中于足部前掌區(qū)，與多種下肢足部損傷相聯(lián)系。習(xí)慣著鞋跑步者由于鞋底緩沖系統(tǒng)的作用，大腳趾能夠起到支撐作用而降低前足的負(fù)荷。習(xí)慣著鞋跑步者與習(xí)慣裸足跑步者間足部的形態(tài)差異關(guān)聯(lián)的功能在大腳趾區(qū)，大腳趾的支撐作用降低前足跖骨區(qū)域的負(fù)荷，減小足部損傷的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，大腳趾抓地時(shí)彈射的功能能夠提升跑步時(shí)的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。本研究通過(guò)對(duì)習(xí)慣著鞋跑步者與習(xí)慣裸足跑步者跑步的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分析，證實(shí)兩組受試者足部的形態(tài)差異與特定的運(yùn)動(dòng)機(jī)能相關(guān)聯(lián)，該功能不僅能夠提高跑步時(shí)的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，而且能夠降低損傷風(fēng)險(xiǎn)。

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A Biomechanical Analysis of Running Based on the Foot Morphological Characteristics

MEI Qi-chang1,GU Yao-dong1,LI Jian-she2

Objective:This study aims to investigate the kinematics and kinetics of habitually unshod runners and habitually shod runners running.The foot morphological characteristics of abducted hallux of habitually shod runners and adducted hallux of habitually unshod runners is linked in the analysis morphology-related functions while running.Methods:A total of 18 habitually unshod runners and 20 habitually shod runners participated in the running test controlling the speed of 3.0±0.2m/s.The Vicon three dimension motion analysis system was taken to capture the kinematics of lower extremity while running test.Kistler was employed to record the ground reaction force of running under shod and unshod conditions.The Novel Pedar-X insole plantar pressure measurement system was utilized to collect the plantar pressure (peak pressure,contact area and pressure-time integral) in specific anatomical areas.The function of abducted and adducted hallux is analyzed through the comparison of plantar pressure parameters and kinematical results.Results:Owing to the different landing patterns of two participant groups,the dorsiflexion and plantarflexion angle of ankle while landing show significant difference.The Vertical Loading Rate of habitually shod runners is obviously higher than that of habitually unshod runners,which is linked with common injuries to the lower extremities.The peak pressure and pressure-time integral of habitually unshod runners’ running are significantly higher than habitually shod runners.As to the hallux part of habitually shod runners,the peak pressure and pressure-time integral are higher owing to the supporting from outsole,thus reducing the loading in the medial forefoot and lateral forefoot.Combining the inversion and eversion of ankle in the coronal plane while pushing off,habitually unshod runners show a bigger eversion angle than habitually shod runners.Conclusion:In the pushing-off phase,the supporting from outsole to the hallux of the habitually shod runners could reduce the loading to the forefoot,thus lowering down the incidence of foot disorders,like plantar fasciitis and metatarsal fatigue fracture,but also improving the running performance through training of pushing-off sling-like action.

Footmorphology;barefootrunning;plantarflexion;dorsiflexion;hallux

1000-677X(2015)06-0034-07

10.16469/j.css.201506005

2014-12-31；

2015-05-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81301600)；安踏(中國(guó))有限公司資助項(xiàng)目(HS11085)。

梅齊昌(1990-)，男，湖北黃岡人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué)，Tel:(0574)87609396,E-mail:meiqichang@aliyun.com; 顧耀東(1981-)，男，浙江寧波人，副教授，主要研究方向?yàn)轶w育工程，Tel:(0574)87609396,E-mail:guyaodong@hotmail.com; 李建設(shè)(1957-)，男，山東鄒城人，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué)，Tel:(0574)87609396,E-mail:lijianshe@nbu.edu.cn。

1.寧波大學(xué) 體育學(xué)院，浙江 寧波 315211；2.浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018 1.Faculty of Sports Science,Ningbo University,Ningbo 315211,China;2.Zhejiang University of Water Resources and Electric Power,Hangzhou 310018,China.

G804.63

A