葉東強(qiáng)，孫曉樂，肖松林，張希妮，張 燊，王少白，傅維杰，劉 宇

（上海體育學(xué)院 運(yùn)動(dòng)健身科技省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200438）

近年來(lái)，長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)（如馬拉松）風(fēng)靡全球，但與之相對(duì)應(yīng)的卻是跑步損傷發(fā)生率的居高不下（16.7%～79.3%）（van Gent et al.，2007；van Poppel et al.，2021）。已有研究報(bào)道了后足過(guò)度外翻是引發(fā)如跟腱炎、脛骨應(yīng)力綜合征等下肢及足部損傷的誘因之一，包括：1）后足外翻過(guò)大可能會(huì)使跟腱內(nèi)側(cè)纖維所受應(yīng)力分布不均，而跑步支撐期下肢力線的排列不齊（malalignment）則進(jìn)一步增加了小腿離心收縮時(shí)對(duì)跟腱施加的負(fù)荷，并最終誘發(fā)跟腱損傷（Ryan et al.，2009）；2）外翻過(guò)大增加了脛骨后肌與比目魚肌的應(yīng)力，而由于脛骨骨膜的應(yīng)力與上述肌肉的應(yīng)力呈正相關(guān)（Bouché et al.，2007），因此，更大的后足外翻可能會(huì)致使更大的應(yīng)力被傳遞至脛骨骨膜，并最終引發(fā)脛骨應(yīng)力綜合征（Becker et al.，2018）；3）有研究在扁平足人群中觀察到了更大的后足外翻（Butler et al.，2006），而該類人群患下肢損傷的幾率是正常人群的2.4倍（Yokoe et al.，2021）。雖然也有部分報(bào)道，如 Nielsen等（2014）與Messier等（2018）均通過(guò)前瞻性隊(duì)列研究發(fā)現(xiàn)足部損傷跑者與健康跑者的后足運(yùn)動(dòng)并無(wú)顯著差異，但前者的研究并未通過(guò)生物力學(xué)手段量化足部運(yùn)動(dòng)學(xué)，而是將足部姿勢(shì)指數(shù)（foot posture index）作為衡量足部異常的標(biāo)準(zhǔn)，后者則是將后足整體運(yùn)動(dòng)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。由此可見，技術(shù)手段與評(píng)價(jià)指標(biāo)的差異造成了關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與損傷之間的復(fù)雜關(guān)系尚不明晰，這其中很重要的一點(diǎn)是傳統(tǒng)針對(duì)足踝運(yùn)動(dòng)學(xué)的測(cè)量手段只能獲取“鞋”運(yùn)動(dòng)而非真正包裹在鞋內(nèi)的后足運(yùn)動(dòng)。

現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)室運(yùn)動(dòng)學(xué)研究大多基于紅外反光點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)（Langley et al.，2019；Francis et al.，2020）。從本質(zhì)上講，通過(guò)反光點(diǎn)貼于鞋面的方式所得的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征僅能代表鞋具的運(yùn)動(dòng)，而在鞋表面挖洞粘貼反光點(diǎn)（Cigoja et al.，2020）則會(huì)破壞鞋的結(jié)構(gòu)，并在運(yùn)動(dòng)中不可避免地受到鞋、皮膚、軟組織振動(dòng)與運(yùn)動(dòng)偽影等相關(guān)因素的干擾。以上因素均使得研究者無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量包裹在鞋內(nèi)的足部的真實(shí)運(yùn)動(dòng)。另一方面，踝關(guān)節(jié)復(fù)合體實(shí)質(zhì)是由脛骨、距骨與跟骨構(gòu)成，并形成距上和距下2個(gè)關(guān)節(jié)。由于距骨周圍缺乏可觸及的體表標(biāo)記，造成現(xiàn)階段對(duì)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)會(huì)把上述2個(gè)關(guān)節(jié)看成一個(gè)整體的運(yùn)動(dòng)（Stacoff et al.，2000）。以足外翻為例，研究更多的是基于足部與小腿之間的位置關(guān)系或按照國(guó)際生物力學(xué)學(xué)會(huì)（International society of biomechanics，ISB）推薦的足剛體模型計(jì)算足部運(yùn)動(dòng)學(xué)（Latorre-Román et al.，2019；Yang et al.，2020），即將后足的運(yùn)動(dòng)視作跟骨相對(duì)脛骨的運(yùn)動(dòng)，并未過(guò)多地考慮距上、距下關(guān)節(jié)，這里面有很大一部分原因是著鞋后無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量。事實(shí)上，現(xiàn)有的足踝解剖學(xué)及骨骼在體運(yùn)動(dòng)的研究表明，足部跖/背屈和內(nèi)/外翻運(yùn)動(dòng)分別由距上和距下2個(gè)關(guān)節(jié)主要承擔(dān)（Cross et al.，2017；Nichols et al.，2017）。由于傳統(tǒng)動(dòng)作捕捉設(shè)備的自身技術(shù)限制，如其所得到的“外翻”顯然無(wú)法反映足部真實(shí)的在體外翻運(yùn)動(dòng)等，因此，有必要采用更為精準(zhǔn)的手段獲取跑步中著鞋與否對(duì)距上關(guān)節(jié)與距下關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特征的影響，以期深入了解包裹在鞋內(nèi)的足部運(yùn)動(dòng)。

近年來(lái)，一種新的醫(yī)學(xué)影像測(cè)量技術(shù)——雙平面熒光透視成像系統(tǒng)（dual fluoroscopic imaging system，DFIS）已逐步應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)中進(jìn)行踝關(guān)節(jié)在體運(yùn)動(dòng)分析（Cao et al.，2019）。DFIS具有不受皮膚等軟組織相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，無(wú)創(chuàng)并能動(dòng)態(tài)捕捉骨骼在體運(yùn)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)（張翠等，2019；葉東強(qiáng)等，2021），其在確定關(guān)節(jié)平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)六自由度（6 degree of freedom，6DOF）運(yùn)動(dòng)中的精度達(dá)到了亞毫米（＜0.1 mm）、次度級(jí)（＜0.1°）（Cross et al.，2017），突破了當(dāng)前傳統(tǒng)測(cè)量手段在成像技術(shù)與測(cè)量精度上的局限，為精準(zhǔn)分析包裹在鞋內(nèi)的踝關(guān)節(jié)在體位置及運(yùn)動(dòng)特征提供了全新的途徑。

據(jù)此，本研究旨在基于DFIS探討跑步時(shí)裸足與著鞋條件下距上和距下關(guān)節(jié)在體6DOF運(yùn)動(dòng)學(xué)差異，為深入理解跑步中上述兩關(guān)節(jié)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)并為未來(lái)評(píng)估跑步中距上/距下關(guān)節(jié)的異常運(yùn)動(dòng)及闡述距上/距下關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特征與損傷之間的潛在關(guān)聯(lián)提供更科學(xué)的參考依據(jù)。研究假設(shè)：與裸足相比，著鞋限制了距上、距下關(guān)節(jié)在6DOF內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，并增加了距下關(guān)節(jié)內(nèi)外翻活動(dòng)度（range of motion，RoM）與外翻角度峰值。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

參照Hoffman等（2015）對(duì)樣本量的選取要求，本研究招募健康男性跑者12名（表1）。要求受試者均習(xí)慣采用后跟觸地方式跑步，近3個(gè)月內(nèi)無(wú)下肢損傷。受試者的優(yōu)勢(shì)腿（踢球腿）均為右腿，且在實(shí)驗(yàn)前24 h內(nèi)避免劇烈運(yùn)動(dòng)，測(cè)試前了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及流程，并簽署知情同意書。本研究通過(guò)了上海體育學(xué)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（批準(zhǔn)號(hào)：102772021RT034）。

表1 受試者基本情況Table 1 Basic Information of the Participants

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

1.2.1 電子計(jì)算機(jī)斷層掃描儀（CT）

采用德國(guó)西門子公司64排128層螺旋CT（SOMATOM，德國(guó)）拍攝受試者右側(cè)足中立位狀態(tài)下的斷層掃描圖像。掃描層厚、層距均為0.6 mm，電壓120 kV，電流140 mA，體素的長(zhǎng)、寬、高分別設(shè)置為0.488 mm、0.488 mm、0.625 mm，體素大小為512×512×256。

1.2.2 高速雙平面熒光透視成像系統(tǒng)（DFIS）

由運(yùn)動(dòng)透視系統(tǒng)與數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)構(gòu)成。其中，前者由2個(gè)高壓發(fā)光器與光源、2個(gè)帶有熒光接收器與增強(qiáng)器的可移動(dòng)機(jī)械臂以及配套的2臺(tái)高速攝像機(jī)共同組成（圖1）。2個(gè)高壓發(fā)光器與接收器之間的距離分別為132.2 cm與128.6 cm，圖像接收器之間的夾角為119.6°；拍攝電壓為60 kV，電流為63 mA，拍攝頻率為100 Hz，曝光速度為1/1 000 s，圖像分辨率為1 024×1 024像素。

圖1 本研究所采用的雙平面熒光透視成像系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)架設(shè)Figure 1.The Dual Fluoroscopic Imaging System and its Experimental Setup

1.2.3 光柵計(jì)時(shí)系統(tǒng)

采用意大利Microgate公司生產(chǎn)的Witty Manual光柵計(jì)時(shí)系統(tǒng)，以記錄跑者通過(guò)特制跑道的速度。

1.2.4 光柵傳感器

采用GJ-2004光柵傳感器，受試者跑步經(jīng)過(guò)采集區(qū)域，身體阻斷傳感器發(fā)出的紅外光時(shí)啟動(dòng)DFIS，并完成熒光圖像的采集。

1.3 實(shí)驗(yàn)用鞋

本研究選取市面上一款常見的跑鞋作為實(shí)驗(yàn)用鞋（圖2），該跑鞋前后落差為6 mm，平均質(zhì)量290 g，其中底材料由TPU與EVA構(gòu)成，無(wú)足弓支撐結(jié)構(gòu)。

圖2 實(shí)驗(yàn)用鞋F(xiàn)igure 2.Running Shoes in the Experiment

1.4 測(cè)試流程

1.4.1 足部CT掃描

受試者到指定醫(yī)院拍攝右側(cè)足部CT影像，同時(shí)進(jìn)一步確認(rèn)無(wú)足部異常。CT掃描期間，受試者仰臥平躺，并利用外部硬質(zhì)支具將踝關(guān)節(jié)固定在中立位，保存原始DCM文件用于距上關(guān)節(jié)與距下關(guān)節(jié)的三維模型建立。

1.4.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建與調(diào)試

1）確定拍攝范圍：固定熒光發(fā)射器與圖像接收器的位置，并保證上述兩者的中心對(duì)齊；利用Phantom Camera Control（v.3.3）確認(rèn)所采集的圖像位于拍攝中心。

2）空間標(biāo)定：使用立方體標(biāo)定框?qū)ε臄z區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定（Kessler et al.，2019），并利用XMAlab（v.1.5.4）計(jì)算熒光發(fā)射器與圖像接收器在空間內(nèi)的相對(duì)位置。

3）畸變矯正：將2個(gè)孔陣鋼盤貼于圖像接收器表面，并利用XMAlab對(duì)比計(jì)算孔陣鋼盤與所捕捉的圖像（Fantozzi et al.，2003），以此完成對(duì)捕捉圖像的畸變矯正。

1.4.3 測(cè)試流程

測(cè)試前，受試者需更換統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)服裝。隨后受試者進(jìn)行3 min靜態(tài)拉伸活動(dòng)，完成后在跑步機(jī)上以3 m/s的速度熱身5 min。熱身后，實(shí)驗(yàn)人員引導(dǎo)受試者在架設(shè)有DFIS系統(tǒng)的特定跑道上進(jìn)行練習(xí)，并確保受試者足部處于圖像采集區(qū)域內(nèi)（圖1）。完成練習(xí)后，要求受試者分別在裸足與著鞋條件下（順序隨機(jī)）以3 m/s±5%的速度右足成功踏入采集區(qū)域，且觸地姿勢(shì)均為自然狀態(tài)下的后跟觸地。為減少總電離輻射，裸足與著鞋條件下各采集1次有效數(shù)據(jù)（Campbell et al.，2016）。

1.5 數(shù)據(jù)處理

基于CT影像學(xué)數(shù)據(jù)構(gòu)建的足部模型被用于在虛擬3D空間內(nèi)還原距上關(guān)節(jié)與距下關(guān)節(jié)在跑步著地過(guò)程中的6DOF運(yùn)動(dòng)。采用Mimics軟件（v.21.0）處理足踝CT掃描圖像，通過(guò)閾值提取、多層操作與動(dòng)態(tài)區(qū)域增長(zhǎng)指令建立脛骨、距骨與跟骨的3D模型，并利用軟件自帶插件對(duì)模型進(jìn)行填充、平滑等處理。

將由XMAlab生成的環(huán)境標(biāo)定文件導(dǎo)入Rhinoceros軟件中（v.6.0），利用其建模模塊在虛擬空間內(nèi)重建拍攝空間并還原2對(duì)熒光發(fā)射器與圖像接收器的相對(duì)位置，同時(shí)導(dǎo)入畸變校準(zhǔn)后的足踝X光圖像和脛骨、距骨與跟骨的3D模型。參照前人標(biāo)準(zhǔn)建立脛骨、距骨與跟骨的坐標(biāo)系（Yamaguchi et al.，2009），坐標(biāo)系的前后、內(nèi)外及上下方向分別對(duì)應(yīng)x、y與z軸，而跖/背屈、內(nèi)/外翻與內(nèi)/外旋分別被定義為繞內(nèi)外軸、前后軸與上下軸運(yùn)動(dòng)。隨后在由Rhinoceros軟件重建的三維空間內(nèi)對(duì)導(dǎo)入的骨骼模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移，直到每幀的骨骼投影與熒光成像中的骨骼輪廓互相對(duì)應(yīng)（圖3）。

圖3 本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和處理過(guò)程Figure 3.Date Collection and Process of DFIS

1.6 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)

使用Rhinoceros中的坐標(biāo)系計(jì)算插件計(jì)算距上關(guān)節(jié)（距骨相對(duì)脛骨）、距下關(guān)節(jié)（跟骨相對(duì)距骨）的6DOF數(shù)據(jù)（Yamaguchi et al.，2009），其中包括在 3個(gè)平動(dòng)方向（前后、上下、內(nèi)外）及3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向（跖/背屈、內(nèi)/外翻、內(nèi)/外旋）的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)（圖4）。具體指標(biāo)包括觸地時(shí)刻關(guān)節(jié)的6DOF運(yùn)動(dòng)、峰值角度與關(guān)節(jié)RoM即最大角度與最小角度的差。其中，正值代表距骨相對(duì)脛骨（跟骨相對(duì)距骨）向外、向前、向上平移以及背屈、內(nèi)翻與內(nèi)旋；負(fù)值代表向內(nèi)、向后、向下平移以及跖屈、外翻與外旋。

圖4 脛骨（左）、距骨（中）、跟骨（右）的6DOF運(yùn)動(dòng)Figure 4.6DOF Motion of the Tibia（left），Talus（center）and Calcaneus（right）

為便于與已有DFIS研究進(jìn)行比較，本研究對(duì)所采集的右足在足跟觸地到采集結(jié)束過(guò)程中的距上/距下關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行了時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)化（Hoffman et al.，2015），并采用Matlab軟件對(duì)研究中所得到的每一時(shí)刻的6DOF數(shù)據(jù)與踝關(guān)節(jié)中立位時(shí)的對(duì)應(yīng)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和濾波處理，其中，運(yùn)動(dòng)學(xué)截止頻率為20 Hz（Welte et al.，2021）。支撐期階段的劃分參照Phan等（2018）的標(biāo)準(zhǔn)，支撐前期被定義為觸地期（右足從足跟著地到足趾離地的過(guò)程）的0～10%，支撐中期為觸地期的10%～80%，支撐后期為觸地期的80%～100%。

1.7 統(tǒng)計(jì)方法

使用SPSS 25.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。所有參數(shù)均使用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（M±SD）表示。采用描述性分析對(duì)距上/距下關(guān)節(jié)的6DOF在體運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行呈現(xiàn)；采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)比較裸足與著鞋條件下距上關(guān)節(jié)與距下關(guān)節(jié)在體運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的差異，顯著性水平α設(shè)定為0.05。

2 結(jié)果

2.1 距上關(guān)節(jié)

2.1.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)特征

在內(nèi)外、前后和上下3個(gè)平動(dòng)方向中，距上關(guān)節(jié)在支撐期中僅進(jìn)行細(xì)微運(yùn)動(dòng)（＜5 mm）；而在轉(zhuǎn)動(dòng)方向中，其在支撐期的大部分時(shí)間內(nèi)均處于背屈與外翻、外旋狀態(tài)（圖5）。具體表現(xiàn)為：支撐前期，距上關(guān)節(jié)出現(xiàn)小幅跖屈（＜5°）并伴隨內(nèi)旋活動(dòng)；支撐中期，距上關(guān)節(jié)進(jìn)行背屈并伴隨外旋運(yùn)動(dòng)，同時(shí)逐漸背屈并到達(dá)峰值（裸足=35.0°±9.7°vs著鞋=29.2°±10.9°，P＜0.001）；至支撐后期，距上關(guān)節(jié)逐漸從背屈轉(zhuǎn)換為中立位狀態(tài)，并由外旋狀態(tài)過(guò)渡為內(nèi)旋。

圖5 支撐期的距上關(guān)節(jié)6DOF運(yùn)動(dòng)Figure 5.6DOF Kinematics of the Tibiotalar Joint during the Period of Support

2.1.2 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)特征值

1）關(guān)節(jié)平動(dòng)：在支撐期階段，裸足與著鞋條件下的距上關(guān)節(jié)在3個(gè)平動(dòng)方向（左右、前后、上下）內(nèi)的觸地角度、峰值角度與關(guān)節(jié)RoM均無(wú)顯著性差異（表2）。

2）關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)：2種條件在觸地時(shí)刻的距上關(guān)節(jié)跖/背屈、內(nèi)/外翻與內(nèi)/外旋角度均無(wú)顯著性差異。但在峰值角度上，裸足跑時(shí)的峰值跖屈角度（P=0.008）與峰值背屈角度（P＜0.001）均顯著大于著鞋條件；2種條件的峰值內(nèi)/外翻與內(nèi)/外旋角度均無(wú)顯著性差異（圖6）。而在關(guān)節(jié)RoM中，支撐期穿著跑鞋的跖/背屈RoM顯著小于裸足條件（P＜0.001），在內(nèi)/外翻與內(nèi)/外旋方向上，2個(gè)條件下的RoM并無(wú)顯著性差異（表2）。

圖6 裸足與著鞋條件下的距上關(guān)節(jié)峰值角度Figure 6. Peak Angle of the Tibiotalar Joint in Barefoot and Shod Conditions

表2 距上關(guān)節(jié)6DOF觸地角度與關(guān)節(jié)活動(dòng)度（RoM）Table 2 Foot Strike Angle and the 6DOF Range of Motion of the Tibiotalar Joint

2.2 距下關(guān)節(jié)

2.2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)特征

與距上關(guān)節(jié)一致，在跑步觸地過(guò)程中，距下關(guān)節(jié)在3個(gè)平動(dòng)方向上僅存在細(xì)微運(yùn)動(dòng)（＜5 mm）；而在轉(zhuǎn)動(dòng)方向上，距下關(guān)節(jié)在支撐期的絕大部分時(shí)間內(nèi)均處于背屈、外翻、外旋狀態(tài)（圖7）。具體表現(xiàn)為：在足跟觸地后，距下關(guān)節(jié)進(jìn)行背屈并伴隨外翻、外旋運(yùn)動(dòng)，并在支撐中期達(dá)到峰值背屈、外翻與外旋，隨后距下關(guān)節(jié)進(jìn)行跖屈并伴隨內(nèi)翻、內(nèi)旋活動(dòng)，并在支撐后期逐漸由外旋狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹辛⑽粻顟B(tài)。

圖7 支撐期的距下關(guān)節(jié)6DOF運(yùn)動(dòng)Figure 7.6DOF Kinematics of the Subtalar Joint during the Period of Support

2.2.2 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)特征值

1）關(guān)節(jié)平動(dòng)：在支撐期階段，裸足與著鞋條件下的距下關(guān)節(jié)在3個(gè)平動(dòng)方向（左右、前后、上下）內(nèi)的觸地角度、峰值角度與關(guān)節(jié)RoM均無(wú)顯著性差異（表3）。

表3 距下關(guān)節(jié)6DOF觸地角度與RoMTable 3 Foot Strike Angle and the 6DOF Range of Motion of the Subtalar Joint

2）關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)：2種條件在距下關(guān)節(jié)跖/背屈、內(nèi)/外翻與內(nèi)/外旋方向上的觸地角度與RoM均無(wú)顯著性差異（P＞0.05）。然而，在峰值角度中，相比裸足條件，著鞋顯著增加距下關(guān)節(jié)的峰值背屈角度（=0.027）；此外，著跑鞋條件下的峰值外翻角度顯著增加12.9%（=0.043），2種條件在其余轉(zhuǎn)動(dòng)方向上的峰值角度均無(wú)顯著性差異（圖8）。

圖8 裸足與著鞋條件下的距下關(guān)節(jié)峰值角度Figure 8. Peak Angle of the Subtalar Joint in Barefoot and Shod Conditions

3 討論

本研究從關(guān)節(jié)真實(shí)在體運(yùn)動(dòng)出發(fā)，采用國(guó)內(nèi)首套高速DFIS對(duì)跑步過(guò)程中裸足與著鞋條件下的距上/距下關(guān)節(jié)在體運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了獨(dú)立量化，研究主要發(fā)現(xiàn)：著鞋限制了距上關(guān)節(jié)的屈伸活動(dòng)，包括峰值跖/背屈角度與屈伸RoM，同時(shí)增加了距下關(guān)節(jié)的峰值背屈角度并增加支撐中期的峰值外翻角度。

3.1 距上關(guān)節(jié)

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，跑步過(guò)程中穿著跑鞋限制了距上關(guān)節(jié)的背屈活動(dòng)，而在其余3個(gè)平動(dòng)方向（左右、前后、上下）與2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向（內(nèi)/外翻、內(nèi)/外旋）上的位移并無(wú)顯著性差異。這意味著鞋限制了踝在矢狀面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，部分驗(yàn)證了本研究假設(shè)前半部分，并與前人采用DFIS所得到的結(jié)果類似（Roach et al.，2017）。上述發(fā)現(xiàn)與距上關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)有著直接的關(guān)系：距上關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)囊前后較薄、兩側(cè)較厚，并有三角韌帶加強(qiáng)，距骨被脛骨、腓骨與內(nèi)外踝關(guān)節(jié)面構(gòu)成的關(guān)節(jié)窩所固定，此結(jié)構(gòu)有利于距上關(guān)節(jié)在矢狀面上的活動(dòng)，同時(shí)限制了距上關(guān)節(jié)在3個(gè)平動(dòng)方向上的運(yùn)動(dòng)，而鞋結(jié)構(gòu)如鞋舌則阻礙了距上關(guān)節(jié)的背屈活動(dòng)（Yang et al.，2020），出現(xiàn)了更小的屈伸RoM，這或許會(huì)影響特定項(xiàng)目中的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，尤其是強(qiáng)調(diào)足部靈活性的運(yùn)動(dòng)。提示，鞋具在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮項(xiàng)目的特定需求。另一方面，在支撐期運(yùn)動(dòng)特征上，本研究發(fā)現(xiàn)，2種條件下后跟觸地后距上關(guān)節(jié)大部分時(shí)間處于背屈狀態(tài)。但在支撐前期，距上關(guān)節(jié)均出現(xiàn)小幅的跖屈運(yùn)動(dòng)，隨后進(jìn)行背屈，并在支撐中后期即跑步蹬伸期逐漸由背屈轉(zhuǎn)換成跖屈狀態(tài)，這與Peltz等（2014）采用DFIS所得到的部分研究結(jié)果類似，該研究也發(fā)現(xiàn)距上關(guān)節(jié)在觸地初期存在小幅跖屈運(yùn)動(dòng)。我們認(rèn)為，這或許是一種足部姿態(tài)的調(diào)整策略，即支撐前期距上關(guān)節(jié)出現(xiàn)的小幅跖屈運(yùn)動(dòng)可能是足部為著地時(shí)穩(wěn)定關(guān)節(jié)而進(jìn)行的策略性調(diào)整。此外，距上關(guān)節(jié)在支撐期的絕大部分時(shí)間內(nèi)均處于外旋狀態(tài)，其在觸地后先進(jìn)行小幅內(nèi)旋活動(dòng)，在支撐中期開始進(jìn)行外旋，隨后又在支撐后期由外旋狀態(tài)轉(zhuǎn)變成內(nèi)旋狀態(tài)。而Peltz等（2014）的研究并未觀察到距上關(guān)節(jié)支撐后期向內(nèi)旋狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程，這可能與該研究并未采集完整支撐期因而無(wú)法獲取支撐后期的熒光成像有關(guān)，而本研究采集了超過(guò)90%的支撐期圖像，因而能更全面地呈現(xiàn)關(guān)節(jié)的真實(shí)在體運(yùn)動(dòng)。

3.2 距下關(guān)節(jié)

本研究發(fā)現(xiàn)，裸足與著鞋對(duì)距下關(guān)節(jié)平移運(yùn)動(dòng)的影響是類似的，受限于距下關(guān)節(jié)外部軟組織包裹的影響，其平動(dòng)位移較?。ǎ? mm）。然而，本研究也發(fā)現(xiàn)，相比著鞋跑，裸足跑顯著降低了距下關(guān)節(jié)的峰值背屈角度，可能與跑者在裸足跑觸地期間足部的“主動(dòng)保護(hù)”有關(guān)。雖然本研究要求跑者在裸足跑期間采用后跟觸地，但通過(guò)高速熒光成像觀察到了跑者為緩沖觸地沖擊而出現(xiàn)距下關(guān)節(jié)跖屈增加的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)；此外，鑒于著鞋限制了距上關(guān)節(jié)的背屈運(yùn)動(dòng)，推測(cè)距下關(guān)節(jié)可能在支撐期中需承擔(dān)部分背屈運(yùn)動(dòng)的任務(wù)，這或許是導(dǎo)致距下關(guān)節(jié)有著更大峰值背屈角度的原因。結(jié)合跑鞋對(duì)距上關(guān)節(jié)6DOF運(yùn)動(dòng)特征的影響，這一結(jié)果有效補(bǔ)充了基于傳統(tǒng)標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)所得到的結(jié)果，即跑鞋對(duì)踝矢狀面運(yùn)動(dòng)的限制主要集中于距上關(guān)節(jié)處。同時(shí)，本研究結(jié)果為探究包裹在鞋內(nèi)的后足運(yùn)動(dòng)提供了新視角，即當(dāng)距上關(guān)節(jié)屈伸活動(dòng)受限時(shí)，距下關(guān)節(jié)可能會(huì)承擔(dān)一部分屈伸任務(wù)以更好地執(zhí)行足部保護(hù)、緩沖等功能。

本研究部分驗(yàn)證了研究假設(shè)的后半部分，即相比裸足，著鞋時(shí)的距下關(guān)節(jié)峰值外翻角度顯著增加12.9%。作為足部的主要活動(dòng)，足外翻在跑步進(jìn)程中起著重要的耦合（coupling）作用（Czerniecki.1988）。一方面，部分研究報(bào)道了后足的過(guò)度外翻是引發(fā)如跟腱炎、脛骨應(yīng)力綜合征等下肢與足部損傷的誘因之一（Ryan et al.，2009；Becker et al.，2018），但也有部分學(xué)者通過(guò)前瞻性隊(duì)列研究未發(fā)現(xiàn)損傷跑者與健康跑者在足外翻上的差異（Nielsen et al.，2014；Messier et al.，2018）。另一方面，以往研究在測(cè)量方法與具體指標(biāo)上無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，使得國(guó)際上尚未有針對(duì)后足過(guò)度外翻乃至距下關(guān)節(jié)過(guò)度外翻的明確定義，因此，現(xiàn)階段關(guān)于后足以及距下關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特征與損傷間的復(fù)雜關(guān)系仍無(wú)定論，未來(lái)的研究需明確過(guò)度外翻的取值范圍，并進(jìn)一步探究關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特征與損傷之間的關(guān)聯(lián)。另外，本研究并未觀察到裸足與著鞋在內(nèi)/外翻RoM中的顯著性差異（P=0.084），這一結(jié)果支持前人研究（Peltz et al.，2014）。而在運(yùn)動(dòng)特征上，本研究觀察到的距下關(guān)節(jié)跖/背屈和內(nèi)/外旋活動(dòng)與前人研究（Peltz et al.，2014）相似，但在 3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向（跖/背屈、內(nèi)/外翻、內(nèi)/外旋）上的運(yùn)動(dòng)幅度更大，這或許與實(shí)驗(yàn)中所選用的跑步速度有關(guān)。在此前的實(shí)驗(yàn)中，受試者采用較低的自選速度（1.5～2 m/s），而本研究中的跑者需在較高的特定速度（2.85～3.15 m/s）下通過(guò)跑道。提示，足踝部的肌肉通過(guò)更大的激活以應(yīng)對(duì)觸地階段的沖擊負(fù)荷（Dorn et al.，2012），因而有著更大的運(yùn)動(dòng)幅度。而在內(nèi)/外翻運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)上，本研究所觀察到的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)與采用傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)捕捉測(cè)量方法得到的結(jié)果類似。Becker等（2020）比較了緩沖跑鞋、極簡(jiǎn)鞋與傳統(tǒng)跑鞋在下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)中的差異，發(fā)現(xiàn)跑者在著緩沖跑鞋觸地過(guò)程中，足部從內(nèi)翻狀態(tài)逐漸過(guò)渡到外翻狀態(tài)，并在支撐中期達(dá)到峰值外翻角度，隨后進(jìn)行內(nèi)翻活動(dòng)并在支撐后期達(dá)到內(nèi)翻狀態(tài)。然而，本研究觀察到跑者在觸地時(shí)刻與支撐后期，距下關(guān)節(jié)仍處于外翻狀態(tài)，與前述研究結(jié)果不一致，這或許與實(shí)驗(yàn)所選用靜態(tài)參考系的不同有關(guān)。傳統(tǒng)測(cè)量方法通常將踝關(guān)節(jié)視作一個(gè)剛體而并非單獨(dú)距上/距下關(guān)節(jié)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，所選取的靜態(tài)參考系并未將距骨涵蓋在內(nèi)，這使其難以真實(shí)反映距上、距下關(guān)節(jié)的在體運(yùn)動(dòng)（Stacoff et al.，2000）。

3.3 研究局限

采用高速DFIS有助于進(jìn)一步深入了解著鞋跑對(duì)距上關(guān)節(jié)與距下關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)的真實(shí)影響，但也存在一定局限，如電離輻射和拍攝范圍的限制。同時(shí)，本研究?jī)H針對(duì)男性跑者，并未對(duì)著鞋對(duì)距上/距下關(guān)節(jié)在體運(yùn)動(dòng)學(xué)效果的性別差異進(jìn)行探究。

4 結(jié)論

本研究采用國(guó)內(nèi)首套高速DFIS比較了跑步支撐期內(nèi)裸足與著鞋條件下距上和距下關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)，研究發(fā)現(xiàn)：一方面，跑步中著鞋限制了距上關(guān)節(jié)屈伸的同時(shí)增加了距下關(guān)節(jié)的背屈峰值角度，這有效彌補(bǔ)了先前采用傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)只能獲取單一踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)果的缺陷，并為改進(jìn)鞋型設(shè)計(jì)提供一定參考；另一方面，著鞋顯著增加了距下關(guān)節(jié)的外翻（12.9%），未來(lái)研究應(yīng)更多聚焦距下關(guān)節(jié)外翻與跑步損傷之間的關(guān)聯(lián)。綜上結(jié)果提示，著鞋對(duì)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的影響在距上關(guān)節(jié)與距下關(guān)節(jié)處差別較大，這強(qiáng)調(diào)了采用DFIS捕捉獨(dú)立關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的重要性，以促進(jìn)對(duì)鞋內(nèi)足部真實(shí)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的理解并為未來(lái)闡述足部運(yùn)動(dòng)特征與損傷間的潛在聯(lián)系奠定基礎(chǔ)。