趙瀅，陸阿明

2007年美國運動醫(yī)學(xué)學(xué)會建議健康成年人每周需要有5 d完成至少30 min的中等強度有氧運動，累積持續(xù)10 min以上[1]。2008年美國衛(wèi)生及公共服務(wù)部修改了這個指南，指出健康成年人每周至少進行150 min有氧活動，持續(xù)時間在10 min以上，分布在整一周[2]。步行和跑步是大眾健身最簡單和最常見的運動方式之一。步行被認(rèn)為是近乎完美的運動方式[3]，在歐盟國家甚至將步行列為最受歡迎的體育運動[4]。相較于其他活動，無論男性還是女性，在工作之外每周都花費更多時間在步行運動上。雖然遵守運動計劃的人不足50%，但是步行比其他運動的遵守計劃率更高[5-7]。對于大多數(shù)中年和超重人群，1.39 m/s的步行速度已經(jīng)達到了久坐成人中等強度的運動要求[8]。在美國，每年大約有3 600萬人經(jīng)常性地參加跑步運動；在歐洲，娛樂性跑步愛好者人數(shù)占總?cè)丝诘?6%。已有研究證明，健身走和跑步都可以提升健康水平，改善生活質(zhì)量[9-11]。步行和跑步具有相應(yīng)的下肢生物力學(xué)特征，因此，步行和跑步運動也與下肢骨骼肌肉的慢性損傷聯(lián)系在一起。

足內(nèi)旋（Pronation）指在步行和跑步時腳部自然向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過程。在步行和跑步的大多數(shù)情況下，腳后跟外側(cè)首先著地，隨著重心的向前推移，腳后跟向內(nèi)側(cè)傾倒，在離地時產(chǎn)生一個自然向上翻轉(zhuǎn)的動作，這個向內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)的動作就叫做足內(nèi)旋，足內(nèi)旋產(chǎn)生于腳踝下面的距下關(guān)節(jié)。但當(dāng)足內(nèi)旋角度超過一定范圍的時候，就變成了足過度內(nèi)旋，在著地時足部的內(nèi)側(cè)接觸面積和壓力增大。足過度內(nèi)旋也稱之為足外翻，可以預(yù)測下肢非正常生物力學(xué)特征（前足和脛骨內(nèi)翻），常表現(xiàn)為過度或者長時間的跟骨外翻、距骨內(nèi)收和跖屈。弗拉基米爾等人將著地階段某一時相時平分小腿和平分跟骨兩直線之間的夾角定義為足后部角[12]，又可稱為后足角度[13]，本實驗采取的是著地階段測試小腿與地面垂直時的后足角度，這是判定足過度內(nèi)旋的重要指標(biāo)[14-16]，也是描述后足額狀面結(jié)構(gòu)特征和距下關(guān)節(jié)、距骨在踝關(guān)節(jié)運動情況的一個重要指標(biāo)。Resende RA等人通過研究走路時不對稱的足內(nèi)旋角度，發(fā)現(xiàn)不對稱的足內(nèi)旋角度會導(dǎo)致下肢的生物力學(xué)特征變化，與損傷的發(fā)生密切相關(guān)[17]。有研究證明，足過度內(nèi)旋者中腱處的脈搏指數(shù)和阻力指數(shù)在受試者單腿站立和雙腿直立時都升高[14]，因此足過度內(nèi)旋是肌腱損傷的重要內(nèi)因之一。除此之外，足過度內(nèi)旋也與脛骨內(nèi)側(cè)壓力綜合癥以及髕骨關(guān)節(jié)疼痛癥密切相關(guān)[18]。足偏角是指平地行走或跑步時足中心線與同側(cè)前進方向中線所構(gòu)成的角度，由大腿骨頸部的前屈和小腿脛骨扭曲使下肢關(guān)節(jié)外旋造成的，一般認(rèn)為約15°為正常足偏角度，左右足分別計算。足偏角作為步態(tài)分析中的一個重要指標(biāo)，已被廣泛應(yīng)用于判斷足外翻和足內(nèi)翻步態(tài)，從而與下肢損傷相聯(lián)系。大量研究顯示內(nèi)側(cè)膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎與膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)負(fù)荷密切相關(guān)[19,20]，因此足偏角也是影響內(nèi)側(cè)膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的因素之一。但很少有研究將這兩個指標(biāo)聯(lián)系在一起，兩個指標(biāo)之間的相互關(guān)系也有待于進一步探討研究。

綜上所述，后足角度和足偏角與下肢運動損傷密切相關(guān)，故研究后足角度和足偏角對預(yù)防運動損傷具有一定科學(xué)意義。此外在日常生活中，人們會根據(jù)活動的性質(zhì)和可利用的活動空間來改變速度，以完成不同的身體活動，因此本研究擬通過比較不同步行和跑步速度時的后足角度和足偏角變化，探討后足角度和足偏角之間的關(guān)系，科學(xué)指導(dǎo)廣大健身愛好者進行合理的步行和跑步運動，以預(yù)防運動損傷的發(fā)生。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

12名年輕健康男性研究生自愿參與本實驗，在過去6個月沒有下肢踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等損傷史，所有受試者的具體情況如表1所示。

表1 受試者基本情況一覽表Table I Basic Information of the Subjects

1.1 測試儀器

1.1.1 Zebris步態(tài)分析跑臺

采用德國生產(chǎn)的Zebris步態(tài)分析跑臺，對受試者每個不同速度下步行和跑步時的足偏角指標(biāo)進行采集。

1.1.2 Mega高速攝像機

采用Mega高速攝像機采集所需動作視頻，相機采樣頻率設(shè)置為100幀/秒，運用Mega Speed軟件截取3個完整步行和跑步步態(tài)，并用自行編程的BayerImageProcess軟件計算測試小腿與地面垂直時的后足角度指標(biāo)。

1.1.3 常速攝像機

將一般電腦自帶的前置攝像頭擺放在Zebris跑臺的側(cè)面，拍攝整個實驗過程中受試者下肢的右面觀，尋找與Mega Speed高速攝像截取的3個完整步行和跑步步態(tài)相對應(yīng)的這一段錄像，然后從側(cè)面錄像中確定測試小腿與地面垂直時刻。

1.1.4 同步常速攝像機和Mega高速攝像機

將一個觸發(fā)器連接在Mega Speed高速攝像機上，當(dāng)按下紅色按鈕時Mega Speed高速攝像機開始拍攝，黃色燈管發(fā)亮，常速攝像機將拍攝到燈管發(fā)亮那一時刻，此時以后拍攝到的第一個步態(tài)就是Mega Speed高速攝像拍攝的第一個步態(tài)，由此兩個錄像同步。

1.2 數(shù)據(jù)處理和評價指標(biāo)

1.2.1 數(shù)據(jù)處理

（1）數(shù)據(jù)處理采用自我編程的BayerImageProcess軟件對后足角度錄像進行解析。

（2）后足角度定義為步行或跑步時測試腿的小腿部分與地面垂直時，平分小腿和平分跟骨的兩線之間的夾角，此角度為受試者后足額狀面上的姿勢，如圖1和圖2所示[14,16]。

圖1 左足后足角度示意圖Figure 1 Rear Foot Angle of the Left Foot

圖2 右足后足角度示意圖Figure 2 Rear Foot Angle of the Right Foot

（3）足偏角定義為足部的矢量（從踝關(guān)節(jié)中心到第二跖骨）偏離前進方向的的角度[21]，此角度為受試者水平面上的角度，如圖3所示，一般足偏角大于15°定義為足外翻，足偏角小于15°定義為足內(nèi)翻，足偏角等于15°定義為中立位[22]。

（4）自身偏好速度定義為受試者在進行步行和跑步步態(tài)測試時，自身選取的平時最常采用的步行和跑步速度。本實驗中12名受試者步行自身偏好速度為（0.81±0.33）m/s即（2.93±1.19）km/h，跑步自身偏好速度為（1.91±0.21）m/s即（6.88±0.75）km/h。

（5）實驗設(shè)定速度：步行時采取1.33m/s（4.8km/h）、1.56 m/s（5.6 km/h）和1.78 m/s（6.4 km/h），跑步時采取1.78 m/s（6.4 km/h）、2.78 m/s（10 km/h）和3.61 m/s（13 km/h）。

1.3.2 評價指標(biāo)

（1）標(biāo)準(zhǔn)化后的后足角度：受試者自然站立，重心移動到支撐腿時，對測試腿的小腿部分與地面垂直時的后足角度進行標(biāo)準(zhǔn)化，單位為：度（°），該實驗將足內(nèi)旋時后足角度設(shè)為正值，相反，足外旋時后足角度設(shè)為負(fù)值。

（2）標(biāo)準(zhǔn)化的后足偏角：對受試者自然站立在跑臺上的足偏角進行標(biāo)準(zhǔn)化，單位為：度（°）。

1.4 測試方案

步態(tài)和后足角度測試：在實驗開始前，測試者將高速攝像機擺放在跑臺的正后方，使受試者下肢剛好在拍攝圖像的正中間，然后讓受試者脫鞋，穿著襪子對下肢后部相應(yīng)位置進行“+”字標(biāo)記。

（1）熱身后，12名受試者首先自我調(diào)節(jié)跑臺速度，找到自身步行偏好速度，對該速度進行90 s適應(yīng)后再進行30 s正式步態(tài)測試和錄像，測試者記錄此時的步行速度。休息60 s后再次自我調(diào)節(jié)跑臺速度，找到自身跑步偏好速度，對該速度進行90 s適應(yīng)后再進行30 s正式步態(tài)測試和錄像。實驗結(jié)束計算可得12名受試者自身步行偏好速度為（0.81±0.33）m/s即（2.93±1.19）km/h，自身跑步偏好速度為（1.91±0.21）m/s即（6.88±0.75）km/h。查閱相關(guān)文獻后得知當(dāng)步行速度＜1 m/s時屬于慢速步行[23]，因此自身偏好步行速度屬于較慢的步行速度。據(jù)此，實驗步行設(shè)定速度選取的是比自身步行偏好速度快的3個步行速度，即1.33m/s、1.56m/s和1.78m/s[24]。而自身跑步偏好速度為（1.91±0.21）m/s即（6.88±0.75）km/h，實驗跑步設(shè)定速度選取了1個慢于自身跑步偏好速度的實驗跑步設(shè)定速度，即1.78 m/s[25,26]和2個快于自身跑步偏好速度2.78 m/s和3.61 m/s[25,26]。（2）步行測試：熱身后，受試者分別以1.33 m/s、1.56 m/s和1.78 m/s[24]的速度在跑臺上勻速步行，每種速度在90s適應(yīng)后再進行30 s正式步態(tài)測試和錄像，每種速度之間休息60 s。（3）跑步測試：熱身后，受試者分別以1.78 m/s、2.78 m/s和3.61 m/s[25,26]的速度在跑臺上勻速跑動，每種速度在90 s適應(yīng)后再進行30 s正式步態(tài)測試和錄像，每種速度之間休息60 s。

1.5 統(tǒng)計學(xué)處理

運用SPSS17.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理和分析。選取不同步行和跑步速度下3個完整步態(tài)后足角度的平均值和30 s步態(tài)測試的足偏角平均值，計算受試者后足角度和足偏角的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。采用兩速度之間的配對t檢驗分析觀察不同步行和跑步速度下后足角度和足偏角之間的差異。采用Pearson相關(guān)性分析對后足角度和足偏角之間進行相關(guān)性分析。顯著性水平設(shè)定為P＜0.05，P＜0.01為非常顯著，P＜0.001為極其顯著。

2 研究結(jié)果

2.1 后足角度和足偏角的相關(guān)性

步行時左足和右足的后足角度和足偏角的相關(guān)性見表2，結(jié)果顯示，步行時右足的后足角度和足偏角呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.294，P＜0.05），左足的后足角度和足偏角無相關(guān)性（P＞0.05）。

表2 步行時后足角度與足偏角的相關(guān)性Table II Correlation between Rear Foot Angle and Foot Progression Angle when Walking

跑步時左足和右足的后足角度和足偏角的相關(guān)性見表3，結(jié)果顯示，跑步時左右足的后足角度和足偏角沒有明顯的相關(guān)關(guān)系（P＞0.05）。

表3 跑步時后足角度與足偏角的相關(guān)性Table III Correlation between Rear Foot Angle and Foot Progression Angle when Running

從步行和跑步測試中可知，左右足的后足角度和足偏角的相關(guān)性并不普遍存在，并且步行時右足的足偏角和后足角度的負(fù)相關(guān)性不是特別顯著，還需要進一步論證，排除實驗的偶然性。因此后足角度和足偏角在此實驗中具有獨立性，接下來需要分別探討不同步行和跑步速度對后足角度和足偏角的影響。

2.2 不同步行速度下的后足角度和足偏角變化

表4是不同步行速度之間后足角度和足偏角的配對t檢驗的結(jié)果，結(jié)果顯示：（1）相較于自身偏好速度，以1.33 m/s速度步行時，左足的后足角度顯著增大（P＜0.01），右足的后足角度顯著增大和足偏角顯著減小（P＜0.05）；（2）相較于自身偏好速度，以1.56 m/s速度步行時，左足的后足角度顯著增大（P＜0.001）、足偏角顯著減?。≒＜0.05），右足的后足角度顯著增大和足偏角顯著減?。≒＜0.01）；（3）相較于1.33 m/s速度，以1.56 m/s速度步行時，左足的后足角度顯著增大和右足的足偏角顯著減小（P＜0.05）；（4）相較于自身偏好速度，以1.78 m/s速度步行時，右足的后足角度顯著增大（P＜0.05），左足的后足角度增加更加顯著，左右足的足偏角減少更加顯著（P＜0.01）；（5）相較于1.33 m/s速度，以1.78 m/s速度步行時，左足的后足角度顯著增加（P＜0.05）。

表4 不同步行速度下標(biāo)準(zhǔn)化后足角度和足偏角（°）Table IV Standard Rear Foot Angle and Foot Progression Angle at the Different Speed of Walking（°）

2.3 不同跑步速度下的后足角度和足偏角變化

表5是不同跑步速度之間后足角度和足偏角的配對t檢驗的結(jié)果，結(jié)果顯示：（1）相較于自身偏好速度，以2.78 m/s速度跑步時，左右足的足偏角顯著減?。≒＜0.05），相較于1.78 m/s速度，以2.78 m/s速度跑步時，左右足的足偏角減小更加顯著（P＜0.01）；（2）相較于自身偏好速度，以3.61 m/s速度跑步時，左右足的足偏角顯著減?。≒＜0.01）；（3）相較于1.78 m/s速度，以3.61 m/s速度跑步時，左足的后足角度顯著增大（P＜0.05），左足的足偏角顯著減小（P＜0.01），右足的足偏角減小更加顯著（P＜0.001）；（4）相較于2.78 m/s速度，以3.61 m/s速度跑步時，左右足的足偏角顯著減?。≒＜0.01）。

表5 不同跑步速度下標(biāo)準(zhǔn)化后足角度和足偏角（°）Table V Standard Rear Foot Angle and Foot Progression Angle at the Different Speed of Running（°）

3 討論

相較于其他實驗設(shè)定速度，以自身偏好速度步行時，后足角度最小，足偏角最大。而不同跑步速度之間后足角度的差異性沒有那么明顯，足偏角差異明顯。從實驗數(shù)據(jù)可知，當(dāng)以較慢速度跑步時足偏角相比站立時是增大的，此時不需要很大的前進推動力，只有采取較快跑步速度、需要較大的前進推動力時足偏角才明顯減小，因此步行和跑步時的后足角度和足偏角隨著速度的變化特征不同。步行和跑步時的COM移動模式有差異[27,28]、步態(tài)周期劃分明顯不同[29]且跑步會產(chǎn)生更大的地面反作用力，兩者的肌肉活動狀況也不同[30,31]。Pink早在1994年就提出跑步的動力并不主要來自踝關(guān)節(jié)運動，而是來自質(zhì)量彈簧機制，跑步速度的增加并不影響踝關(guān)節(jié)的運動[32,33]。因此，以上差異可能是導(dǎo)致步行與跑步結(jié)果不一致的部分原因。相關(guān)研究指出，跑步比步行時的步寬更窄[34]，因此更易導(dǎo)致股骨內(nèi)收內(nèi)旋、脛骨內(nèi)翻，從而導(dǎo)致足跟與地面接觸時后足外翻內(nèi)旋[29]，所產(chǎn)生的后足角度峰值也更大[35]，其與本實驗結(jié)果不符，考慮可能原因是本實驗的后足角度選取的是小腿與地面垂直時刻的值而不是著地時刻的后足角度值。

3.1 自身偏好速度對后足角度和足偏角的影響

因為每個人身體條件不同，對速度的敏感度和可接受度也不同，不同速度會對人體的下肢生物力學(xué)產(chǎn)生不同的影響。從實驗數(shù)據(jù)可知不管是步行還是跑步，當(dāng)快于自身偏好速度時指標(biāo)的變化明顯，而足過度內(nèi)旋是肌腱損傷[14]、脛骨內(nèi)側(cè)壓力綜合癥以及髕骨關(guān)節(jié)疼痛癥的發(fā)病原因之一[18]，而足外翻可以減少膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩峰值[22]，因此該實驗結(jié)果說明受試者以自身偏好速度步行時也許自身會產(chǎn)生一種保護機制來預(yù)防運動損傷。這與一些研究步行自身偏好速度的實驗結(jié)果一致，Middleton等人通過實驗證明以自身偏好速度步行時可以減少老年人跌倒的概率[36]，同時DM Russell等人認(rèn)為當(dāng)受試者以自身偏好速度步行時膝關(guān)節(jié)活動的動態(tài)穩(wěn)定性最好[37]，這可能是因為自身偏好速度是中樞神經(jīng)系統(tǒng)、感覺系統(tǒng)、外周神經(jīng)系統(tǒng)、骨骼肌系統(tǒng)、代謝系統(tǒng)共同選擇的一個最佳速度，因此可以減少運動損傷的發(fā)生率。這個結(jié)果提示，步行速度提高時，有意識地增加足偏角可以減小后足角度，從而有助于減小踝關(guān)節(jié)的左右移動，減少踝關(guān)節(jié)損傷，但這需要進一步的研究。

3.2 不同步行速度對后足角度的影響

已知足內(nèi)旋產(chǎn)生于腳踝下面的距下關(guān)節(jié)，距下關(guān)節(jié)是一個特殊的關(guān)節(jié)，是3個基本面共同作用的，距下關(guān)節(jié)與足部和踝部功能有關(guān)，距下關(guān)節(jié)包括了內(nèi)翻和外翻、內(nèi)收和外展、背屈和跖屈，而足內(nèi)外旋是距下關(guān)節(jié)3個平面的共同運動[38]。足內(nèi)旋是一個閉合動力鏈，包括了跟骨的外翻、踝內(nèi)收和跖屈以及脛骨內(nèi)旋。足外旋也是一個閉合動力鏈，包括了跟骨的內(nèi)翻、踝外翻和背屈以及脛骨外旋[39]。足內(nèi)旋伴隨著跟骨的外翻，膝關(guān)節(jié)的外翻[40]，而跟骨、膝關(guān)節(jié)外翻會使足偏角增大，因此步行時后足角度與足偏角呈負(fù)相關(guān)。此外，脛骨內(nèi)旋的同時伴隨著膝關(guān)節(jié)的內(nèi)旋和內(nèi)收，而膝關(guān)節(jié)的內(nèi)旋和內(nèi)收同時伴隨著髖關(guān)節(jié)的內(nèi)旋和內(nèi)收。已有研究證明，隨著步行速度的增加，步頻、步長、步幅、地面反作用力的第一峰值力和足尖離地時膝關(guān)節(jié)角度顯著性遞增，而步態(tài)周期時間、單步時間、單腳支撐、雙腳支撐時間和足尖離地時膝關(guān)節(jié)角度都顯著性遞減[41]。Jennifer L.Lelas等人也對下肢各個關(guān)節(jié)角度在矢狀面上的變化進行實驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)步行速度增加時，踝關(guān)節(jié)背屈的峰值力矩增加，但增加幅度逐漸減小，踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)峰值矢狀面上運動的力矩和功率增大，但是在支撐階段中期踝關(guān)節(jié)的背屈峰值與步行速度呈負(fù)相關(guān)[42]。同時有研究指出，有限的踝關(guān)節(jié)背屈角度會導(dǎo)致距下關(guān)節(jié)內(nèi)旋[43]、膝關(guān)節(jié)外翻[44]，并且當(dāng)步行速度增加時，支撐早期的膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩增加[22]，因此，步行速度增加時，膝關(guān)節(jié)內(nèi)收外翻，從而導(dǎo)致后足角度增加。目前研究步行速度對額狀面的關(guān)節(jié)運動的文獻較少，而足內(nèi)旋涉及3個運動平面，因此有關(guān)機制還需要進一步探討分析。

3.3 不同步行速度對足偏角的影響

足偏角是足部偏離前進方向的角度，有研究報道步行速度增加時膝關(guān)節(jié)伸展角度和踝關(guān)節(jié)跖屈角度與速度呈正相關(guān)，膝關(guān)節(jié)屈曲角度和踝關(guān)節(jié)背屈角度呈負(fù)相關(guān)[42]，而受限的背屈角度會導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)外翻[44]，這也許是足偏角減小的原因之一。已有研究證明，足偏角增加時可以通過壓力中心和地面反作用力的橫向移動調(diào)整膝關(guān)節(jié)負(fù)荷，減少額狀面上的地面反作用力，從而使膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩沖量減小[45]，并且支撐后期的膝關(guān)節(jié)屈曲角度、內(nèi)收力矩的第二個峰值也減小，而支撐早期的膝關(guān)節(jié)第一個內(nèi)收力矩峰值和膝關(guān)節(jié)伸展力矩峰值增大。然而，足偏角減小可以通過移動膝關(guān)節(jié)中心和跟骨的旋轉(zhuǎn)改變壓力中心[46]，從而減小站立早期的膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩第一個峰值和膝關(guān)節(jié)伸展力矩峰值，但是膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩的沖量增大[45]。SoobiaSaad Khan等人發(fā)現(xiàn)隨著步行速度增加，膝關(guān)節(jié)內(nèi)收第一峰值力矩增大，第二峰值力矩和內(nèi)收力矩沖量減小[22]。本實驗中，足偏角隨步行速度的增加而減小，與以上文獻的實驗結(jié)果一致。

Hsuan-Lun Lu等人觀察不同速度步行時步態(tài)各個指標(biāo)的變化情況后發(fā)現(xiàn)，隨著步行速度加快，步頻、步長、單腿站立時間和COM垂直偏移均會增大，但是雙腿站立時間、COM內(nèi)外偏移和COM線性偏移會減小[47]。同時，大量研究表明，下肢不同肌肉的活性隨步行速度的不同而有差異[48,49]，因此COM位移和下肢肌肉活性是否影響后足角度和足偏角也需要進一步探討研究。

4 結(jié)論

步行速度會影響后足角度和足偏角，而跑步速度對后足角度和足偏角的影響不一致，因此更應(yīng)該關(guān)注走路時后足角度和足偏角可能引發(fā)的損傷。從后足角度分析，步行時不宜采取過快的速度，最好采取自身偏好速度步行，可以有效預(yù)防運動損傷。因為在步行鍛煉運動中，隨著速度的增加，足偏角會減小，增加向前的推動力，這會導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)的動作模式發(fā)生改變，對踝關(guān)節(jié)產(chǎn)生不良的影響，繼而影響膝關(guān)節(jié)。因此若快速步行，應(yīng)該注意動作模式的改變，盡量不減小足偏角，保持步長，增加步頻。值得一提的是，本研究著重關(guān)注的是后足角度和足偏角異?？赡軙l(fā)的運動損傷，并不包括下肢所有的運動損傷。

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