傅維杰，李 路，劉 宇

1 前言

在研究下肢運動時，人們通常只關注髖、膝、踝三大關節(jié)的運動特征，殊不知，對于跑、跳等急速蹬離地面的足屈曲運動，動作最終的發(fā)生必定是在跖趾關節(jié):通過踝關節(jié)跖屈?。╬lantar flexor muscles）配合足趾屈肌（toe flexor muscles）在遠固定條件下收縮完成跖趾關節(jié)的伸運動［2］。跖趾關節(jié)對于足部運動的作用不容忽視，其屈伸特征能夠對人體跑、跳動作，特別是支撐后期的蹬離效果產生重要影 響［7，17］。

近期的研究表明，跖趾關節(jié)作為人體末端關節(jié)，在蹬離地面的過程中基本保持伸狀態(tài)，使得該關節(jié)在離地前主要以吸收能量為主，產生的能量則幾乎可以忽略［34，41］。因此，不少研究者開始關注于如何有效轉化跖趾關節(jié)所吸收的這部分能量，并對下肢的力學特性（lower extremity mechanics）及運動能力產生積極影響［17，38］。此外，從訓練學角度出發(fā)，在短跑和跳躍類項目中，已有不少教練員強調跖趾關節(jié)屈伸的活動度及其趾屈肌力量的訓練［8，19］，他們認為，通過在跖趾關節(jié)處的力量訓練能夠增加包括相鄰關節(jié)在內的力量輸出，并對運動表現產生正面效果。

現階段，人們已開始重新審視跖趾關節(jié)——這一曾被長期忽略的足部第二大關節(jié)——在人體跑、跳運動中所起的作用，包括通過何種途徑有效地訓練跖趾關節(jié)，改善關節(jié)能量學特征（joint energetics）和肌肉活化模式（muscle activation pattern），并最終提高運動成績。本研究就跖趾關節(jié)的運動功能及其在國內外體育領域的應用作一綜述，以期充分認識和理解跖趾關節(jié)的作用和在體育科學方向的發(fā)展趨勢。

2 跖趾關節(jié)的功能解剖和運動特征

第一至第五跖趾關節(jié)隸屬于前足部分（forefoot），分別由5個跖骨頭與其近節(jié)的趾骨底構成（圖1）。由于運動過程中，各跖趾關節(jié)經常同時屈伸，故又統稱為跖趾關節(jié)（metatarsophalangeal joint，簡稱 MPJ或 MTP joint）。就運動形式而言，跖趾關節(jié)屬橢圓關節(jié)，能繞冠狀軸做屈（勾足趾）、伸（伸足趾），繞矢狀軸做輕微的外展（五趾骨展開）、內收（五趾骨并攏）運動，其中第一跖骨頭和第四、五跖骨頭成為內、外側縱弓的前端承重點，為維持運動足底著地支撐 ，特別是起蹬的穩(wěn)定性起到一定作用［1，2，5，26］。

圖1 第一至第五跖趾關節(jié)X光片圖Figure 1.X-ray schematic of first to fifth metatarsophalangeal joint

正常人體的跖趾關節(jié)在矢狀面有著較大的關節(jié)活動度（ROM）。Creighten［13］發(fā)現靜態(tài)下跖趾關節(jié)的主動和被動伸分別為51.9°和67.6°，主動的屈則為39.1°。而在跑、垂直跳等蹬離地面過程中，跖趾關節(jié)活動度分別可達31.5°和22.6°［41］。值得注意的是，在運動過程中，跖趾關節(jié)通常都是完全包裹在運動鞋內，因此穿鞋和不穿鞋以及鞋表面／底材質的不同，必然會造成該關節(jié)活動度的差異。魏勇［7］發(fā)現，跖趾關節(jié)靜態(tài)角度在裸足時明顯大于著鞋狀態(tài)；蹬伸末期，穿著更利于前足屈伸的Y鞋時，其跖趾關節(jié)角度明顯小于普通的N鞋（P＜0.05）。此外，由于第一至第五跖趾關節(jié)中心的連線所構成的關節(jié)轉動軸并非平面垂線（2Dperpendicular axis），因此轉動軸定義的不同也會引起跖趾關節(jié)角度的變化。Smith等［36］針對不同定義方法對跑支撐階段跖趾關節(jié)特征的影響進行分析后認為，相比傳統的直線軸定義法，利用第一至第二跖趾關節(jié)中心的連線與第二至第五跖趾關節(jié)中心的連線所組成雙軸線建立跖趾關節(jié)的關節(jié)轉動軸，能夠更加準確地獲取跖趾關節(jié)的運動特征。以上不難發(fā)現，在走、跑、跳過程中，相比人體下肢其它大關節(jié)，無論是運動鞋條件還是測量手段，都能最終影響跖趾關節(jié)活動度的準確獲取。據此，在體育科學領域研究跖趾關節(jié)的運動功能表現時，需要準確定義跖趾關節(jié)，并盡量減小鞋因素對該關節(jié)運動功能的影響。

跖趾關節(jié)的屈伸會對人體運動功能、力學特征以及下肢其它關節(jié)代償產生重要影響［14，20，24］，而其穩(wěn)定性的破壞會引起包括跖趾關節(jié)活動度的減?。?1］、局部足底壓力的變化［22］、關節(jié)周圍應力的增加［23］等在內的前足生物力學特征的改變，進而嚴重影響足部的運動功能并引起下肢的功能代償。Menz等［27］對172名志愿者進行跖趾關節(jié)足底壓力及關節(jié)活動度測量，分析比較兩者之間的關系，認為跖趾關節(jié)活動度與足底壓力相關系數為0.85。Budhabhatti等［11］通過三維有限元建模研究發(fā)現，完全限制第一跖趾關節(jié)屈伸其跖趾承受的壓力會增加223%。武明等［6］通過約束跖趾關節(jié)的運動來觀察步態(tài)特征的變化，發(fā)現下肢各關節(jié)甚至軀干等均對約束后的協調行走產生貢獻，運動補償主要發(fā)生在踝關節(jié)和膝關節(jié)，其平均步速和步長為正常情況的94.8%和95.5%，同時，足尖離地前足部產生的向前推進力矩受影響。

由此可見，跖趾關節(jié)對于人體正?；顒拥闹匾詿o容置疑，但長期以來，在描述下肢運動時，通常都只關注髖、膝、踝三大關節(jié)的運動特征以及產生運動的原動肌，或干脆把足作為一個整體環(huán)節(jié)對待。對于足的運動最多也只涉及距上（踝）關節(jié)和距下關節(jié)，而忽略了跖趾關節(jié)作為地面與人體下肢之間的關節(jié)鏈接（joint link），在蹬離地面、推進人體快速向前（或向上）中的作用［7］。

從關節(jié)功能解剖角度出發(fā)，在提踵或跑、跳蹬離地面的過程中，除了小腿三頭肌外，合拉力線跨過跖趾關節(jié)額狀軸后方的趾屈肌（toe flexor muscles，TFM），包括趾長屈肌、長屈肌等，在遠固定時收縮使除趾骨部分外足的所有部分在跖趾關節(jié)處產生伸，可增加向前的推動力，對加大步幅和加快跑速起重要作用［5］。有研究表明，正常步態(tài)的蹬伸期，趾長屈肌和長屈肌所產生的肌力可達體重的61%［22］。

從力學角度而言，人體的跑、跳運動主要由足與地面接觸產生的反作用力所引起。足后跟的離地、踝關節(jié)的跖屈以及跖趾關節(jié)的伸共同完成了足部的向前推進。在此階段，地面反力的作用點遠離跖趾關節(jié)的轉動軸，并在跖趾關節(jié)處產生了使其伸展的力矩。有研究顯示，走、跑時跖趾關節(jié)的伸力矩為20～40Nm，而在水平及垂直跳時則達75～150Nm［30，38，39］。與此同時，人體下肢的趾屈肌被激活，產生主動趾屈肌力來對抗上述伸力矩，并調整身體的角動量來維持姿態(tài)的平衡（圖2）［18］。因此，從力學原理出發(fā)，跖趾關節(jié)的伸和趾屈肌的力量能夠對姿態(tài)的控制產生潛在的積極作用。然而，在真正的急速跑、跳等過程中，跖趾關節(jié)的這一效果是否突出，是否足以影響人體表現，以及人為改變跖趾關節(jié)的某一生物力學因素，如支撐點位置、關節(jié)活動大小等，人體下肢的其它關節(jié)又會產生何種相應的變化，這種變化對協調運動的貢獻又將如何等等，這一系列問題的探究顯然有助于深入理解跖趾關節(jié)本身的運動功能以及和運動成績之間可能存在的相互關系。

圖2 短跑快速蹬離地面時，支撐腿踝關節(jié)跖屈和跖趾關節(jié)伸示意圖Figure 2.Schematic diagram of ankle plantar flexion and MPJ dorsal flexion of the support leg in high accelerating movements due to a forward lean of the body

3 跖趾關節(jié)的能量學及運動表現

在人體運動過程中，做功的能力代表了能量的大小。在力學領域，能量通常用機械能表示，包括平動動能、轉動動能、勢能、形變能等，它們之間的轉化遵循能量守恒定律［4，45］。當今如何有效地增強運動員的功-能平衡（workenergy balance）以及合理利用機械能，已成為提高競技體育運動表現的關鍵［29，40］，其主要途徑包括以下三個方面:1）能量的儲存和回傳（store and return energy）；2）減小能量的損失（minimize energy loss）；3）優(yōu)化肌肉功能（optimize muscle function）。

在短跑、跳躍類項目中，運動員通過吸收和產生機械能完成向前／上的推進［12，15］。除去肌-骨骼系統本身的復雜性，對于跖趾關節(jié)而言，由于它在蹬離地面前始終保持伸展，其能量的利用形式主要以吸收（absorb）為主，幾乎不產生能量回傳［34，41］。Stefanyshyn等［38］發(fā)現，下肢的髖、膝、踝在此過程中所吸收和產生的能量相差不大，如踝關節(jié)在4m／s的跑速下吸收和產生的能量分別是47.8J和61.7J，膝關節(jié)則為43.2J和27.9J。但到了跖趾關節(jié)處卻幾乎損失了所有的能量（吸收與產生之比為70∶1），并且所吸收的能量在短跑高速跑階段甚至占到下肢四關節(jié)（髖、膝、踝、跖趾）總能量的32%，成為吸收能量的主要關節(jié)之一。相似的結果也出現在垂直跳過程中，跖趾關節(jié)仍然以吸收為主，而對于能量產生的貢獻幾乎為零［41］。

現階段，體育領域的生物力學家和教練員開始重新探索上述功—能平衡策略在跖趾關節(jié)處的運用，即倘若減小跖趾關節(jié)在伸時因為吸收而損失的能量，會不會由此而提高運動表現？類似的研究曾表明，在輪滑或競速滑中，運動員的足部需要消耗額外的能量以增加踝關節(jié)的穩(wěn)定，而損失的這部分能量確實會對運動成績產生直接的聯系［28］。然而到目前為止，國內尚沒有相關跖趾關節(jié)能量學的報道，但國際上已有不少文獻把“減小能量損失”這一策略運用 到 跖 趾 關 節(jié) 與 運 動 表 現 的 研 究 中［37，41］。Stefanyshyn等［37］發(fā)現，通過改變跖趾關節(jié)的屈伸特性能夠影響短跑運動員40m沖刺跑的成績，并把這一結果部分歸因于能量損失的改變，但值得注意的是，該結果可能會因為受試者體重、身高和運動等級的不同而產生差異。此外，適當的跖趾關節(jié)屈伸還能夠有效減小長時間的有氧代謝（近1%），提高整體的跑步經濟性（running economy）［34，44］

不可否認，支撐期跖趾關節(jié)的伸是引起能量在該關節(jié)以吸收為主的力學原因［21］。例如，單腿跳過程中，跖趾關節(jié)吸收了24J左右的能量，在不考慮空氣阻力、動作技術等因素，這部分能量恰恰能夠讓一個普通人垂直跳的高度增加3.5cm［39］?；诖丝紤]，通過增加跖趾關節(jié)屈伸剛度，理論上能夠改變關節(jié)做功，從而減小在該關節(jié)處的能量損失。研究表明，在跑步時（4m／s）穿著不同跖趾剛度的運動鞋，跖趾關節(jié)的伸展角度以及關節(jié)功率隨著剛度的增加而逐漸減?。▓D3），同時損失的能量也相應減少（圖3右曲線下的面積即跖趾關節(jié)所做的負功）［39，41］。類似的結果也出現在跳躍類的測試中:通過增加鞋底的剛度可以減小在跖趾關節(jié)處36.7%的能量損失，并提高約1.7cm的垂直跳高度［41］。

另一方面，雖然增加跖趾關節(jié)的屈伸剛度能夠在一定程度上對運動表現的提高產生積極的作用［10，42］，但鑒于影響運動成績的因素太多，跖趾關節(jié)作為支撐末期的最后施力關節(jié)，與運動表現之間特別是與下肢其它各關節(jié)力學特征、能量之間的內在聯系尚未被完全建立。此外，亦存在不同運動員由于運動鞋的舒適性、小腿三頭肌肌力等的不同，對跖趾關節(jié)屈曲程度的適應以及效果產生個體差異（subject specific）［37］。由此可見，利用減小關節(jié)能量的損失有效促進運動表現的內在機制依然值得深入研究，為我們更全面地認識跖趾關節(jié)、有效利用能量、提高運動表現開辟新的思路。

圖3 受試者穿著不同屈伸剛度運動鞋在跑步支撐期的跖趾關節(jié)角度變化圖（左）和關節(jié)功率變化圖（右）Figure 3.Stance Phase Metatarsophalangeal Joint Angle（left）and Power（right）for a Typical Running SubjectWhile Wearing Shoes of Different Stiffness

4 跖趾關節(jié)的訓練和相關鞋具研究

跖趾關節(jié)肌群與髖、膝關節(jié)周圍肌群相比，屬于弱小肌群，通常只能在大肌群綜合訓練時得到間接訓練，但訓練效果不佳，同時其力量的消退速度較快［35］。因此，從訓練學角度出發(fā)，必須對跖趾關節(jié)的屈伸肌包括提踵時小腿三頭肌的發(fā)力進行專門的負荷訓練，才能獲得較大肌力，使整個身體的專項力量能力保持平衡［2］。

到目前為止，由于關注跖趾關節(jié)功能的研究在國內并不多，有關其專項力量訓練包括訓練器材和運動裝備的開發(fā)僅有一篇。顏彤丹等人［8］針對速滑運動員跖趾關節(jié)肌群及相關踝關節(jié)肌肉的訓練，自主研發(fā)了斜角杠鈴器、臥蹬訓練器以及適用于強化跖趾關節(jié)力量的單腿側蹬訓練器和雙滑道滑板模擬訓練器等，同時提出了相應的訓練方法，為速滑運動員跖趾關節(jié)包括踝關節(jié)在內的肌群力量能力訓練提供了途徑。然而，由于研究者并沒有對訓練效果進行評價，因此，其訓練方式的合理性和科學性有待進一步驗證。

而在歐美等競技水平發(fā)達的國家，不少教練員針對具有蹬離動作的短跑和跳躍項目，均強調對跖趾關節(jié)屈伸活動度以及趾屈肌力量的訓練［19］。德國科隆體育大學的研究團隊通過研發(fā)跖趾關節(jié)屈伸力量訓練器（圖4，重測信度為0.91），對趾屈肌進行為期7周的最大等長收縮肌力訓練（90%MVC）后發(fā)現，除趾屈力矩明顯增加外，折返跑的時間縮短且跳遠成績也顯著增加，提示跖趾關節(jié)趾屈肌在經過一段時間的力量訓練后，能夠對運動表現產生積極的影響［17，19］。研究者認為，跖趾關節(jié)部位肌肉力量的增加，可協調腳后跟離地，同時，獲得較強的支撐反作用力，促使身體快速離開地面［9］，此外，經過一段時間的訓練，還能改變跖趾關節(jié)的支持，影響重心的騰起角度進而改變運動表現［17］。

圖4 德國科隆體育大學科研團隊自主研發(fā)的跖趾關節(jié)力量訓練器Figure 4.Custom Made Dynamometers Designed to Determine MPJ Moments

另一方面，周期性訓練理論提示，只有當某一關節(jié)周圍所有肌群的平衡發(fā)展，才能有效提高運動表現和預防損傷的發(fā)生［25］。裸足訓練（barefoot training）作為近幾年被歐美高水平教練所采用的新型訓練方式，能夠同時改善踝關節(jié)周圍的大（腓腸?。?、?。ū饶眶~肌、腓骨長肌、跖趾關節(jié)屈伸?。┘∪旱牧α浚?2］。但是，讓運動員長時間在普通的硬地上進行赤足的跑、跳訓練很難實現。因此，現階段由裸足訓練理論衍生出的各種模擬裸足運動鞋（minimal shoes），如adidas公司生產的feet you wear概念鞋、Nike公司推出的Nike Free系列訓練鞋、Vibram研發(fā)的FiveFingers五指鞋等，其目的就是為了模仿裸足狀態(tài)或模擬裸足跑時足部的運動特征變化，改變足部肌肉形態(tài)，增加相應肌群肌力。Potthast等［33］發(fā)現，通過穿著Nike Free鞋進行6個月的跑、跳、沖刺等動作訓練，能夠提高約20%的趾屈肌力量，減小7%的主動運動范圍（active path of motion），同時增加長屈肌、外展肌等相關肌群的體積，為提高運動表現和預防損傷提供了可能。此外，通過對專項訓練鞋的改進，使跖趾關節(jié)的運動學表現在某些指標下（離地瞬間關節(jié)角度、蹬伸期最大角速度等）甚至優(yōu)于裸足，更有利于跖趾關節(jié)的屈伸功能，提高專項動作中的蹬地效果［43］。李路、劉宇等［3］發(fā)現，增加鞋底剛度會顯著減小運動員垂直縱跳過程中跖趾關節(jié)的最大伸速度，同時間接影響下肢其他三關節(jié)的運動學表現。

綜上所述，采用適當屈伸剛度的運動鞋既不會改變前足的易屈伸性，又能輔助提高蹬地效率，這就要求跖趾關節(jié)本身的屈伸剛度和運動鞋剛度達到高度一致［30，43］。由此可見，運動鞋設計人員應該聯合體育科學、材料科學和人體工效學領域的專家，來共同找尋蹬地時鞋底、鞋面屈伸位置和最佳屈伸剛度的關系，保證運動鞋在損傷防護和運動表現兩方面發(fā)揮最大功效。

5 總結與展望

無論是作為大眾健身運動中最基本的方式:走、跑、跳，還是競技體育領域中足、籃、排、羽、網的急停、急轉、急起，支撐末期的足部運動都是以跖趾關節(jié)作為轉動中心產生較大的伸展角位移，并使足底面沿地面滾動，最終推動身體向前［16，36］。然而，跖趾關節(jié)作為人體末端關節(jié)，由于解剖結構和部位的特殊，其運動功能一直未被很好地理解和應用。

現階段，如何提升跖趾關節(jié)屈伸的力學作用，有效減少跖趾關節(jié)能量吸收，并最終達到改善疲勞、提高運動表現的目標，已成為探索跖趾關節(jié)功能的關鍵。此外，通過外加干預因素，如跖趾關節(jié)屈伸剛度的改變和長期進行跖趾關節(jié)力量訓練等，確實能夠改變下肢各關節(jié)的力學特征，并影響關節(jié)能量的吸收和利用，但對于能否最大限度地增加運動表現，減少和預防可能引起的運動傷害等一系列問題仍不明朗。由此可見，跖趾關節(jié)的運動功能和生物力學特性，包括與能量貢獻及運動能力之間的關系等新特征和新理論，均為理解和優(yōu)化人體運動的發(fā)展開辟了新方向，并可藉此進一步延伸應用到相關訓練理論、體育器械和運動裝備的開發(fā)研究中。

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