足弓的運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)展及其在人體運(yùn)動(dòng)中的生物力學(xué)貢獻(xiàn)

張 燊，張希妮，崔科東，傅維杰，劉 宇

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足弓的運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)展及其在人體運(yùn)動(dòng)中的生物力學(xué)貢獻(xiàn)

張 燊，張希妮，崔科東，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

概述了足內(nèi)側(cè)縱弓的解剖結(jié)構(gòu)及其在跑步中的生物力學(xué)作用。嘗試解釋足弓肌肉功能的發(fā)展與不同跑姿著地技術(shù)和不同功能效果的跑鞋之間的關(guān)系。前掌著地跑者的足部肌肉功能相對(duì)更強(qiáng)，可以在跑步著地過(guò)程中更好地控制足弓的形變和蹬伸階段的發(fā)力。后跟著地跑者足部肌肉功能相對(duì)較弱，足弓需要更多的外在支撐，同時(shí)，由于著地瞬間踝關(guān)節(jié)剛度相對(duì)增加，進(jìn)而導(dǎo)致傳遞至下肢的沖擊能量增加，此時(shí)跑鞋的支撐性能和緩沖能力顯得尤為重要。但是，長(zhǎng)期穿著這種具有足弓支撐和緩沖性能的跑鞋跑步，可能會(huì)進(jìn)一步造成足部肌肉能力的下降。而在跑步運(yùn)動(dòng)中，構(gòu)成與支撐足弓的肌群力量不足易使足弓面臨發(fā)生運(yùn)動(dòng)損傷的風(fēng)險(xiǎn)，且足弓的功能訓(xùn)練和運(yùn)動(dòng)損傷的康復(fù)治療手段中都不應(yīng)忽略構(gòu)成足弓的相關(guān)肌群的力量強(qiáng)化。

內(nèi)側(cè)縱弓；足部?jī)?nèi)在肌群；足部外在肌群；足部肌肉力量

人的足部是由類似非洲猿的足部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)進(jìn)化而來(lái)的。猿類的足部功能同時(shí)在樹棲和陸地上移動(dòng)發(fā)揮著作用，其足弓形態(tài)定義不清，主要依靠足部的肌肉力量來(lái)抵抗外在作用力。相比于猿類的足部，最早有充足證據(jù)表明，存在現(xiàn)代足部特征的人屬，如早期直立人，他們足部有明確的內(nèi)側(cè)縱弓。這種足部形態(tài)的變化也反映了從猿類到人類生活場(chǎng)所的轉(zhuǎn)變，使人類更習(xí)慣陸地動(dòng)物的兩足運(yùn)動(dòng)方式[35]。

人的足部結(jié)構(gòu)是十分復(fù)雜的，其內(nèi)在關(guān)節(jié)具有很多自由度，并在所有步態(tài)中起到關(guān)鍵性作用。而足部的有效運(yùn)動(dòng)則依賴于足部?jī)?nèi)側(cè)縱弓的完整性，在足部傳遞力量過(guò)程中內(nèi)側(cè)縱弓的功能至關(guān)重要[33]，其有助于減震和分散傳遞至足部的力量[40]。

隨著全民健身熱潮的掀起，越來(lái)越多的大眾投身于運(yùn)動(dòng)健身的行列，所選擇的運(yùn)動(dòng)方式也五花八門，而跑步已經(jīng)成為全世界最流行的運(yùn)動(dòng)之一[54]。跑步是一項(xiàng)大有裨益的運(yùn)動(dòng)，如增強(qiáng)心肺功能，幫助控制體重，促進(jìn)心理健康等[20]。但有研究稱，因跑步造成的下肢損傷率由19.4%上升至79.3%，常見的損傷有脛骨應(yīng)力綜合癥、慢性跟腱病、足底筋膜炎等[17]。其中，足底筋膜炎的損傷（由于足弓反復(fù)的過(guò)度形變?cè)斐傻膿p傷[55]）是除髕骨疼痛綜合征，髂脛束摩擦綜合征之外，最常見的跑步相關(guān)的過(guò)勞損傷，發(fā)生率為18%[51]。究其原因，較多研究認(rèn)為，與足部肌肉力量不足有關(guān)。因足部肌力較弱，不能在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中對(duì)足弓提供足夠的支撐，進(jìn)而重復(fù)導(dǎo)致足底筋膜的應(yīng)變?cè)黾覽12]。

本研究通過(guò)對(duì)足弓的結(jié)構(gòu)、足弓力量的來(lái)源與控制、跑步中足弓的功能以及由于足弓功能不足導(dǎo)致的損傷等幾個(gè)方面進(jìn)行綜述，為正確理解跑者足弓功能特征及強(qiáng)化足部訓(xùn)練提供參考。

1 足弓的構(gòu)成

足弓的被動(dòng)結(jié)構(gòu)，即骨、韌帶和關(guān)節(jié)囊，形成了足的縱弓和橫弓。通常情況下，將前后方向的足弓稱為縱弓，分內(nèi)側(cè)和外側(cè)縱弓；內(nèi)外方向的稱為橫弓。內(nèi)側(cè)縱弓的骨性結(jié)構(gòu)由跟骨、距骨、足舟骨、內(nèi)中外3塊楔骨以及1～3跖骨共同構(gòu)成；脛骨后肌肌腱、趾長(zhǎng)屈肌肌腱、拇長(zhǎng)屈肌腱、足底方肌、足底筋膜以及跟舟足底韌帶等共同參與維持和穩(wěn)定。內(nèi)側(cè)縱弓比外側(cè)縱弓高，且具有彈性、較大的活動(dòng)度和較強(qiáng)的緩沖作用，故內(nèi)側(cè)足弓亦稱為彈性足弓。外側(cè)縱弓相對(duì)較低，腓骨長(zhǎng)肌肌腱、足底長(zhǎng)韌帶、跟骰足底韌帶共同參與足弓的維持，外側(cè)縱弓彈性較差，主要以支撐負(fù)重為主。橫弓主要有腓骨長(zhǎng)肌肌腱、脛骨前肌肌腱、拇指收肌橫頭參與維持，其中，跖骨頭是橫弓主要的力量傳遞結(jié)構(gòu)，腓骨長(zhǎng)肌肌腱是主要的穩(wěn)定維持結(jié)構(gòu)。

雖然這些足弓之間是相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，足底筋膜和足底韌帶支撐起足底的半弧形形態(tài)，但是，局部的動(dòng)態(tài)支撐還是需要依靠足部固有的內(nèi)在肌肉（intrinsic foot muscles）和間接的外在肌（extrinsic foot muscles）收縮[47]。附著在足部的肌肉與肌腱也就是足部運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)結(jié)構(gòu)，具有穩(wěn)定足弓和控制足部外在整體運(yùn)動(dòng)的功能。由此可見，骨、韌帶結(jié)構(gòu)參與維持足弓的結(jié)構(gòu)性穩(wěn)定，而足的內(nèi)、外在肌則維持了動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中足弓的功能與穩(wěn)定性。

2 足弓的主/被動(dòng)結(jié)構(gòu)的功能

足弓的解剖結(jié)構(gòu)和功能的相互生物力學(xué)作用是十分復(fù)雜的，其在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)活動(dòng)中扮演重要的角色。在站立中，足部主要起到支撐作用[35]；運(yùn)動(dòng)中可將其視為一個(gè)動(dòng)力鏈，在不同步態(tài)運(yùn)動(dòng)中，其最主要的兩個(gè)功能為支撐與推動(dòng)（propulsion）——在支撐早期，足部必須進(jìn)行屈曲以吸收在不同平面著地而導(dǎo)致的沖擊能量；在支撐后期，足可作為一個(gè)剛性的杠桿，將推進(jìn)身體向前運(yùn)動(dòng)的力作用于地面[33]；然而，在支撐中期，足部需要根據(jù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行功能調(diào)整和負(fù)荷衰減。

2.1 足底彈性作用的“絞盤效應(yīng)”

人體足部作為一個(gè)靈活的結(jié)構(gòu)，在下肢與地面之間保證力量傳遞的有效性，這種功能是通過(guò)足部很多小關(guān)節(jié)之間的相互作用實(shí)現(xiàn)的。在支撐期，足弓會(huì)發(fā)生拉長(zhǎng)和壓縮，并將沖擊負(fù)載作為足弓的彈性應(yīng)變能量進(jìn)行吸收。在支撐末期，當(dāng)跖趾關(guān)節(jié)伸展時(shí)，通過(guò)足部的絞盤效應(yīng)（windlass mechanism，圖1）有效提高足弓的剛度，足底筋膜的被動(dòng)彈性回彈產(chǎn)生向前推進(jìn)身體的正功[23]。這種壓縮-回彈（compression-recoil）的過(guò)程被稱為“足部彈簧”機(jī)制，在足部每一次著地時(shí)，可以進(jìn)行機(jī)械能的貯存和隨后的釋放，提高步態(tài)的效率。

圖1 足部跖趾關(guān)節(jié)伸展時(shí)的絞盤效應(yīng)

Figure 1. The Windlass Mechanism when the Foot Toe Extension

注 ：1.足部處于中性位時(shí)足底腱膜的正常松弛狀態(tài)；2.跖趾關(guān)節(jié)伸增加了足底腱膜的張力，提高內(nèi)側(cè)縱弓并旋轉(zhuǎn)[16]。

足底筋膜的絞盤效應(yīng)在人類步態(tài)中維持足部的剛度是十分重要的。從支撐中期到支撐末期，跖趾關(guān)節(jié)的伸展可以增加足底筋膜的張力，隨后通過(guò)屈曲和內(nèi)收跖趾關(guān)節(jié)伴隨后足旋后而縮短縱弓。這些骨結(jié)構(gòu)之間的變化強(qiáng)化了足部的剛度，衰減足部的緩沖性能，使足部過(guò)渡成一個(gè)剛性的杠桿，配合踝關(guān)節(jié)跖屈力矩有效傳遞至地面。已有研究證實(shí)，該過(guò)程中被動(dòng)的韌帶結(jié)構(gòu)對(duì)這種機(jī)制的貢獻(xiàn)，但是卻很少有研究關(guān)注縱弓的收縮成分在這一過(guò)程中的作用[25]。

2.2 足弓的被動(dòng)彈性成分——足底筋膜（Plantar Fascia）

很多研究關(guān)注了足底筋膜貯存彈性勢(shì)能的功能[28,41]（圖2）。這種韌帶主要是保證足弓骨性結(jié)構(gòu)的完整性[2]，以及在推進(jìn)過(guò)程中保障足部作為杠桿功能的剛度[18]。足底筋膜可以進(jìn)行彈性勢(shì)能的貯存和釋放，其這種功能在跑步中的貢獻(xiàn)尚未充分研究。但是，足底筋膜是足部唯一可以因?yàn)樽愎瓑嚎s和跖趾關(guān)節(jié)伸展而被拉長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)[56]。足底筋膜因?yàn)檫@種特點(diǎn)可以將其視為一個(gè)有效彈簧，當(dāng)沖擊力作用于足弓而使其產(chǎn)生壓縮時(shí)，可以根據(jù)不同的應(yīng)力調(diào)整足部的彈性功能，所以，彈性勢(shì)能也可以貯存在內(nèi)側(cè)縱弓的其他韌帶。

圖2 足底筋膜示意圖

Figure 2. The Structure of Plantar Fascia

注 ：A.足底筋膜韌帶；B.足底筋膜與跟腱的解剖位置[37]

關(guān)于跑步中足底筋膜應(yīng)變調(diào)節(jié)的研究提到[34]，支撐期足底筋膜應(yīng)變逐漸增加，直到支撐期的60%時(shí)，該應(yīng)變達(dá)到峰值。這一過(guò)程中，足底筋膜貯存了彈性勢(shì)能，在支撐期后40%階段，由于內(nèi)側(cè)縱弓的回彈，足底筋膜的彈性勢(shì)能開始釋放。而足弓回彈的功能主要是產(chǎn)生重力勢(shì)能和動(dòng)能以推進(jìn)身體向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)對(duì)患有嚴(yán)重足底筋膜炎的患者實(shí)施足底筋膜切開術(shù)后發(fā)現(xiàn)，通過(guò)足底傳遞的力量會(huì)大打折扣[15]。

除了足底筋膜本身的能量貯存和釋放的特性外，足底筋膜還可以在跖趾關(guān)節(jié)和足弓之間傳遞能量，輔助其做功。這種功能并不罕見，如下肢雙關(guān)節(jié)肌如腓腸肌，可以為近端關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)傳遞能量[46]。足底筋膜傳遞能量的機(jī)制具有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)[34]：1）跖趾關(guān)節(jié)和內(nèi)側(cè)縱弓骨性結(jié)構(gòu)之間傳遞額外的能量有利于幫助推進(jìn)；2）在推動(dòng)階段，足底筋膜對(duì)足弓做功的貢獻(xiàn)，而不單純依靠其之前儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能量，所以應(yīng)變導(dǎo)致的足底筋膜的損傷風(fēng)險(xiǎn)會(huì)更低。

2.3 足弓的主動(dòng)彈性成分——足內(nèi)在肌∕足外在肌

核心穩(wěn)定性已經(jīng)受到了臨床醫(yī)學(xué)和運(yùn)動(dòng)損傷領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[29]。其概念主要專注于脊柱-骨盆-髖關(guān)節(jié)穩(wěn)定性在正常的下肢運(yùn)動(dòng)模式中的作用，包含起到穩(wěn)定效果的深層小肌群和外層控制運(yùn)動(dòng)范圍的大肌肉群[4]?，F(xiàn)已有學(xué)者將核心穩(wěn)定性的概念引入到足部，認(rèn)為足部的內(nèi)在?。▓D3）和外在肌同樣起到維持足弓的穩(wěn)定性和整個(gè)足的運(yùn)動(dòng)[35]。然而，近期幾篇關(guān)于臨床證據(jù)的研究和指南中提到，足底筋膜炎[55]如脛后肌腱功能障礙、內(nèi)側(cè)脛骨應(yīng)力綜合征和下腿痛等疾病一樣，都沒(méi)有在治療過(guò)程中加入足部肌肉力量強(qiáng)化。

足的內(nèi)在肌和外在肌作為足弓的主動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)附著在足部，可見足弓還受局部的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和外在運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)（表1）影響。局部的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)為足底內(nèi)的4層起始于或止于足部的肌肉。對(duì)足底內(nèi)在肌的描述最多的即其功能與縱弓和橫弓的半弧形結(jié)構(gòu)有關(guān)[50]。淺層的兩層肌肉排列與足內(nèi)外側(cè)縱弓一致，深層的兩層肌肉與前后橫弓相似。這些肌肉通常有較小的力臂，較小的橫截面積，在每一次的步態(tài)中，4層足內(nèi)肌控制著足弓的變化角度與速度，承擔(dān)足弓的負(fù)荷，對(duì)足弓的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行協(xié)同與調(diào)整，穩(wěn)定足弓[35]。同時(shí)，足的外在肌，起始于小腿，跨過(guò)踝關(guān)節(jié)，止于足部，通過(guò)其較長(zhǎng)的肌腱控制足部整體運(yùn)動(dòng)。這些肌肉有較大的橫截面積，較大的力臂，是足部的主要?jiǎng)恿?，同時(shí)也為足弓提供一定的穩(wěn)定性[35]。例如，跟腱源自小腿三頭肌，與足底腱膜有共同的接點(diǎn)，小腿三頭肌的肌力增加會(huì)造成足底筋膜的張力增加[11]。該現(xiàn)象對(duì)于足部的運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，是非常重要的，在步態(tài)中影響足部靈活性和剛性之間的協(xié)調(diào)與轉(zhuǎn)換。足外在肌的肌腱方向清楚地說(shuō)明了它們對(duì)縱向足弓和橫向足弓提供動(dòng)態(tài)支持和控制的能力。這些控制足部整體運(yùn)動(dòng)的肌肉在動(dòng)態(tài)任務(wù)中既可以吸收沖擊，也可以提供推進(jìn)力。

圖3 足底與足背內(nèi)在肌[35]

Figure 3. The Instinct Muscles of Plantar and the Dorsal surfaces

注 ：1.拇展肌；2.趾短屈??；3.小趾展??；4.足底方肌（注意插入屈指肌腱）；5.蚓狀?。ㄗ⒁鈴闹洪L(zhǎng)屈肌腱起源）；6.小趾屈?。?.拇收肌斜頭（a）和橫頭（b）；8.拇短屈??；9.足底肌；10.足背??；11.趾短伸肌。

表1 踝足部肌肉的相對(duì)肌力[1]

由此可見，足部的肌肉與肌腱的功能對(duì)于維持足部?jī)?nèi)在結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與外在足部整體的運(yùn)動(dòng)是不可忽視的，如當(dāng)跖趾關(guān)節(jié)在重復(fù)等張收縮后，足部固有肌肉出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象時(shí)，健康受試者站立條件下的足舟骨高度會(huì)出現(xiàn)明顯的下降[19]。同時(shí)，Kelly等人在探討對(duì)受試者下肢施加受試者身體質(zhì)量的0%～150%的負(fù)荷與足部肌肉激活情況的研究中指出，隨著施加負(fù)荷的增加，拇展肌、趾短屈肌和足底方肌激活明顯增加，當(dāng)負(fù)荷增加到身體質(zhì)量的125%時(shí)，足弓高度和肌肉長(zhǎng)度的變化開始維持穩(wěn)定，負(fù)荷持續(xù)增加至150%時(shí)，肌肉激活持續(xù)增加[23]。因此，在探討如何預(yù)防足弓或者足底損傷以及損傷后的康復(fù)手段時(shí)，都應(yīng)重視足內(nèi)在肌和外在肌的肌肉力量與肌腱的功能，在提高足弓局部穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)足弓對(duì)外做功，利于在步態(tài)蹬伸階段足弓的彈性勢(shì)能的釋放與利用。

3 足弓在跑中的作用

3.1 跑姿的分類

人類進(jìn)行長(zhǎng)距離跑已經(jīng)有兩百萬(wàn)年的歷史，現(xiàn)如今跑步是全世界最流行的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目之一[54]。已有研究表明，跑步不僅可以減少心血管疾病的患病風(fēng)險(xiǎn)，還有利于提高機(jī)體的心肺功能[21]，促進(jìn)精神健康和體重控制[20]。然而，跑步造成的運(yùn)動(dòng)損傷也同樣受到學(xué)者的廣泛關(guān)注，2007年一篇系統(tǒng)評(píng)價(jià)分析中指出[17]，下肢因跑步造成的損傷率由19.4%上升至79.3%。其中常見的損傷有內(nèi)側(cè)脛骨應(yīng)力綜合癥、慢性跟腱病、足底筋膜炎、踝關(guān)節(jié)扭傷、髂脛束綜合癥及髕股關(guān)節(jié)疼痛綜合癥等。目前，公認(rèn)的跑步損傷風(fēng)險(xiǎn)因素包括年齡和性別等先天因素，還有生活方式和跑步里程等后天因素。除此之外，跑步的著地姿態(tài)可能也是造成跑步損傷的重要因素[49]。

隨著跑步運(yùn)動(dòng)的泛化，1980年，Cavanagh和Lafortune將足部著地模型定義為足部與支撐面的初始接觸點(diǎn)。根據(jù)跑者足部著地沖擊的方式，將跑步技術(shù)進(jìn)行分類：1）后足部分先著地方式（后跟著地）；2）前足部先著地方式（前掌著地）；3）前足部和后足部同時(shí)著地方式（足中部著地）[8]。2007年對(duì)參加半程馬拉松（15 km）的248名跑者的調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，23%的跑者采用足中部著地方式，僅有1.4%的跑者采用前掌著地方式，超過(guò)75%的跑者采用足跟著地方式[49]。

然而，從力學(xué)角度來(lái)看，著地期的不同階段下肢肌骨系統(tǒng)的功能不同，下肢的肌腱、韌帶和肌肉在著地階段的前半期貯存彈性勢(shì)能，隨后在著地階段的后半期彈性成分發(fā)生回彈，幫助推動(dòng)身體質(zhì)心向前向上運(yùn)動(dòng)[44]。但是，不同的著地姿態(tài)，足部的作用機(jī)制與效果是明顯不同的。

3.2 足弓在不同跑姿中的力學(xué)作用

前掌著地跑姿和后跟著地跑姿是兩種不同的足部力學(xué)-彈簧模型[44]（圖4）。在前掌著地跑（圖4A）著地瞬間，會(huì)在縱弓形成3點(diǎn)受力情況，身體質(zhì)心向下的力直接作用于踝關(guān)節(jié)，地面反作用力直接作用于跖趾關(guān)節(jié)處，踝關(guān)節(jié)后側(cè)跟腱提供一個(gè)向上的力來(lái)維持足的平衡。而在后跟著地跑（圖4B）沖擊階段足弓受到的壓縮很小或幾乎沒(méi)有，這是因?yàn)榈孛娣醋饔昧υ邗钻P(guān)節(jié)下后方，與身體質(zhì)心向下的力量相對(duì)，脛骨前方的肌肉力作用于內(nèi)側(cè)楔骨。這些力的因素在足全掌著地前會(huì)強(qiáng)化足弓的剛度，妨礙足弓吸收由沖擊產(chǎn)生的任何能量。

圖4 前掌著地與后跟著地的足弓力學(xué)分析

Figure 4. The Biomechanical Analysis of Longitude Arch During Forefoot Strike and Rearfoot Strike

注 ：F，垂直地面反作用力；F，跟腱力；F，身體向下對(duì)踝的作用力；F，脛骨前肌肉力；FFS，F(xiàn)ore-foot strike，前掌著地；RFS，Rear-foot strike，后跟著地[44]。

由此可見，從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩方面對(duì)足部著地特征進(jìn)行分析可知，前掌著地姿態(tài)對(duì)足部及腿部的肌肉能力要求更高。因?yàn)榍罢浦嘏艿臄[動(dòng)末期，由于拇外展肌的激活持續(xù)增強(qiáng)，可以增加足中部的跖屈，提高著地前的足弓高度，這可以使足弓在著地期的形變范圍增加，減少足中部的剛度，而并不是通過(guò)改變足中部的形變峰值來(lái)降低足中部的剛度[24]，衰減更多的垂直地面反作用力[32]。同時(shí)，由于該跑姿對(duì)足部肌肉的刺激較大，足部肌肉的激活增加，足部肌肉配合足弓彈性勢(shì)能的釋放進(jìn)行發(fā)力，可在蹬伸期提高對(duì)外力量輸出[24]。而習(xí)慣后跟著地姿態(tài)的跑者，首先因需承擔(dān)由著地姿態(tài)導(dǎo)致更大的沖擊力和負(fù)載率，也就意味著后跟著地跑者會(huì)承受更高沖擊應(yīng)力造成的損傷風(fēng)險(xiǎn)[39]。其次，足弓僅在全掌著地階段發(fā)生壓縮，但是，從支撐中期到支撐末期，足部的絞盤效應(yīng)開始發(fā)揮作用，跖趾關(guān)節(jié)的伸展可以增加足底筋膜的張力，衰減足部的緩沖性能，使足部的剛度逐漸增加，體現(xiàn)出足部的杠桿功能，此時(shí)足弓需要完成蹬伸，力量由后足向前足傳遞的過(guò)程中，配合踝關(guān)節(jié)跖屈，使力有效傳遞至地面[16]。這無(wú)疑是對(duì)足部肌肉力量收縮的要求高于對(duì)足弓彈性勢(shì)能的釋放。但是，縱弓的最大形變量并不受著地方式的影響[24]，可見，在足弓壓縮期與隨后蹬伸階段的主動(dòng)做功，足部的主被動(dòng)彈性成分起到的保護(hù)與支持的效果，也更體現(xiàn)了在前掌著地模式下，足弓沒(méi)有因?yàn)橹胤绞蕉蔀樽愎^(guò)度壓縮的原因。

3.3 足弓與下肢剛度的關(guān)系

包括人類在內(nèi)的大型哺乳動(dòng)物，在跑動(dòng)時(shí)可通過(guò)腿和足部的彈性結(jié)構(gòu)節(jié)省大量的能量[28]。如在跑步的支撐期，人體下肢會(huì)出現(xiàn)“壓縮和回彈”現(xiàn)象。支撐前半期垂直地面反作用力增加階段，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)會(huì)相繼屈曲，將動(dòng)能和勢(shì)能作為彈性勢(shì)能儲(chǔ)存起來(lái)[36]；支撐后半期地面反作用力減小階段，三關(guān)節(jié)會(huì)再依次伸展，將彈性能量釋放。這種機(jī)制可以保證在足部的每一次觸地階段彈性勢(shì)能和動(dòng)能的循環(huán)。同時(shí)也保障了質(zhì)心運(yùn)行軌跡的穩(wěn)定。中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)下肢剛度的能力，可以使跨越不同地形時(shí)身體質(zhì)心在垂直方向上起伏最小[14]。

根據(jù)下肢的壓縮和回彈的現(xiàn)象，現(xiàn)有大量研究將腿部視為一個(gè)質(zhì)量—彈簧模型來(lái)分析下肢剛度的變化，以期了解復(fù)雜的下肢運(yùn)動(dòng)特性。簡(jiǎn)單而言，剛度即物體形變與施加力之間的關(guān)系。已知足部對(duì)腿—彈簧（leg—spring）模型有很重要的影響[28,32]，Lieberman等人將足部和腿看作是L型的雙擺模型來(lái)探討著地沖擊對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)的影響[32]，通過(guò)這個(gè)模型可以確定兩個(gè)可以減少碰撞有效質(zhì)量和瞬時(shí)沖擊量級(jí)的生物力學(xué)因素，即足部著地位置和踝關(guān)節(jié)剛度。足跟著地姿態(tài)通常是沖擊力作用于踝關(guān)節(jié)下方，在足和腿質(zhì)量中心的下方，沖擊階段跖屈角度變化量較大。因此，踝關(guān)節(jié)將一部分平動(dòng)能（translational energy）轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)動(dòng)能（rotational energy），而大部分的平動(dòng)動(dòng)能（translational kinetic energy）在沖擊中損耗，增加了下肢的有效質(zhì)量[10]。前掌著地姿態(tài)沖擊力作用于足前部，足跟在小腿三頭肌和跟腱的控制中下落伴隨踝關(guān)節(jié)背屈。地面反作用力是使足部相對(duì)于踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)力，將下肢部分平動(dòng)能轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)動(dòng)能（rotatioanl kinetic energy）可以減少碰撞的有效質(zhì)量，此時(shí)前掌著地瞬間踝關(guān)節(jié)剛度較低。而足中部著地時(shí)下肢的有效質(zhì)量值介于前掌著地和后跟著地姿態(tài)的中間。

由此可見，后跟著地跑者的每一次足部觸地，足踝部剛度較大，身體需承受的沖擊量級(jí)也更大。盡管沖擊力與損傷之間尚沒(méi)有明確的關(guān)系，但是，重復(fù)作用的沖擊力，尤其是在著地瞬間突然產(chǎn)生，具有較高負(fù)載率和量級(jí)的沖擊力，仍是導(dǎo)致跑步損傷的高風(fēng)險(xiǎn)因子[32]，可造成脛骨壓力綜合征[39]和足底筋膜炎[17]等運(yùn)動(dòng)損傷。

3.4 跑鞋對(duì)足弓功能的影響

約5萬(wàn)年前，人類就發(fā)明了類似于涼鞋或拖鞋[53]的鞋，而鞋類可以保護(hù)跑步時(shí)足部的機(jī)械能和熱能的功能作用也已經(jīng)持續(xù)了幾千年之久[30]。但直到1970年，人類才發(fā)明了跑鞋，與同一時(shí)期跑步運(yùn)動(dòng)的流行同步發(fā)展，共同作為時(shí)下追求娛樂(lè)的流行元素[9]。

現(xiàn)代跑鞋的特征性定義即具有較厚的粘彈性材料制成的中底，可以在跑步周期的負(fù)載和非負(fù)載期進(jìn)行壓縮和回彈[5,43]。這種特征，常被稱為緩沖功能，相對(duì)于下肢和足部，鞋子可以像彈簧一樣發(fā)揮作用，在足部觸地瞬間，吸收潛在具有傷害性的瞬態(tài)沖擊力[3,7]，同時(shí)在推進(jìn)期可以釋放這一部分的能量，以產(chǎn)生推進(jìn)的效果[6]?，F(xiàn)代跑鞋的另一個(gè)關(guān)鍵性特征是可以對(duì)足弓提供外在的支撐作用，減少足弓的肌肉和韌帶的過(guò)度緊張[7]。

已有研究明確表明，后跟著地跑著地時(shí)刻的瞬時(shí)沖擊是一個(gè)突然加載且具有較高負(fù)載率和量級(jí)的負(fù)荷，該負(fù)荷可以快速的傳入人體，從而可能導(dǎo)致跑步相關(guān)損傷的高發(fā)病率，尤其是脛骨應(yīng)力性骨折和足底筋膜炎這兩種疾病[17,39,45]。人類足跟墊可以緩沖瞬態(tài)沖擊力，但是貢獻(xiàn)較小[27]，而后跟著地跑者必須反復(fù)承受垂直地面反作用力，在著地沖擊階段，該力值約為1.5～3倍體重[32]。盡管如此，超過(guò)75%的跑步愛好者仍習(xí)慣采用后跟著地的方式進(jìn)行跑步[24]?，F(xiàn)代跑鞋在較寬大的鞋跟處使用彈性材料可以吸收一部分的傳遞力并將沖擊的傳遞時(shí)間延長(zhǎng)，可以使后跟著地跑變得舒適，減少損傷[42]。

雖然緩沖跑鞋可以緩解一部分的著地沖擊，但是在過(guò)去40年內(nèi)，跑步相關(guān)的損傷率并沒(méi)有發(fā)生變化[38]，這引發(fā)了一個(gè)值得思考的問(wèn)題，就是緩沖跑鞋在預(yù)防損傷中的效果[26]。此外，很多學(xué)者甚至提出了質(zhì)疑，是否緩沖跑鞋衰減了足部的功能[13,48]。這些學(xué)者推測(cè)，在跑者和地面之間較厚的緩沖介質(zhì)損害了機(jī)械感受器的反饋，因此，中樞神經(jīng)系統(tǒng)根據(jù)沖擊傳遞調(diào)節(jié)下肢和足部—彈簧的剛度的固有能力受到了影響[22,31,48]。此外，后跟著地跑者更依賴緩沖跑鞋的緩沖性能，而不是人體固有的自然結(jié)構(gòu)：肌肉和肌腱[32]。

此外，由于鞋底的彈性性能會(huì)隨著使用率的增加而降低，因此要求跑步者在使用跑鞋跑步500～800 km后需要及時(shí)更換跑鞋，以減少受傷的風(fēng)險(xiǎn)，如足底筋膜炎[52]。對(duì)這種損傷的可能解釋是許多習(xí)慣穿鞋跑步者，由于長(zhǎng)期足弓處于外在支撐條件，足內(nèi)在肌功能較弱，當(dāng)鞋底彈性性能下降時(shí)，這些足部肌肉和足底筋膜必須做更多的功[44]，以完成將身體向前推進(jìn)的任務(wù)。

4 總結(jié)

綜上所述，足弓的形態(tài)與功能都離不開足部肌肉的貢獻(xiàn)，而足弓的功能不僅僅作用于足部，甚至影響中樞神經(jīng)對(duì)下肢著地策略的調(diào)整。后跟著地跑者無(wú)論是跑姿決定的在著地沖擊階段足弓壓縮較少，還是緩沖跑鞋對(duì)足弓的外在支撐及鞋底彈性勢(shì)能的作用，都使得足弓的彈性勢(shì)能貯存能力下降，直接影響足部肌肉對(duì)足弓的支撐能力與后續(xù)發(fā)力能力。所以，對(duì)于后跟跑者，尤其是長(zhǎng)期穿著緩沖跑鞋的跑者來(lái)說(shuō)，為避免發(fā)生足部肌肉功能弱化的現(xiàn)象，強(qiáng)化足部肌肉力量，增強(qiáng)足弓功能是必須的訓(xùn)練課。此外，在足部損傷康復(fù)過(guò)程中也不應(yīng)忽視足弓內(nèi)在肌群和外在肌群的力量訓(xùn)練。

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The Development of the Longitude Arch Motor Function and its Biomechanical Contribution to Human Movement

ZHANG Shen，ZHANG Xi-ni，CUI Ke-dong，F(xiàn)U Wei-jie，LIU Yu

Shanghai University of Sport，Shanghai 200438，China.

This paper reviews the morphology and the movement mechanism of longitude arch in biomechanics, and tries to interpret the relationship among the function development of the muscles which support the longitude arch, different foot strike pattern during running, and the different functional effects of running shoes. The forefoot strike leads to relatively stronger foot muscles, so that foot muscles control the deformation of longitude arch during the stance phase better, and also has more active work during push off phase. The longitude arch needs more external support of rearfoot strike, meanwhile, the ankle joint stiffness could be increased, which causes more impact force transfer to lower limbs, therefore the supporting and cushioning function of running shoes are important. But this kind of running shoes might decrease the foot muscles function for long time. The lack of muscles strength of longitude arch could suffer the plantar surface to the risk of sport injuries during running, so the foot muscles strengthen could neither be ignored in arch functional trainings nor therapies after sports injuries.

1000-677X(2018)05-0073-07

G804.6

A

10.16469/j.css.201805008

2018-03-30；

2018-04-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11772201;81572213;11572202)。

張燊,女,在讀博士生,主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué),E-mail:zhangshen0708@163.com;張希妮,女,在讀碩士生,主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué), E-mail:zhangxini1129@163. com; 崔科東,男,在讀碩士生,主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué), E-mail:15618971770@163.com。