足部功能训练对足趾肌力和足弓生物力学的影响

张燊 崔科东 张希妮 傅维杰 刘宇

上海体育学院运动健身科技省部共建教育部重点实验室（上海200438）

跑步是当今最流行的健身运动之一[1]。近40年来因跑步引起的下肢损伤发病率维持在较高水平[2]，其中足底筋膜损伤发生率近20%[3]。作为足弓的重要构成结构，足底筋膜和韧带维持着足底的拱形结构，但在运动中，维持足弓稳定和控制足部运动依靠的是足部内附肌和外附肌功能[4]。已有学者指出，当足部肌群的功能失衡或控制能力不足时，足部筋膜及韧带存在过度形变的风险；此外，还可能造成跑步着地时出现足部过度外翻(overpronation)进而引起相关损伤[5，6]。

临床上增强足部肌肉力量的训练方法包括拱足弓、卷毛巾和分趾练习等[5，7，8]。前掌着地跑步技术也被证实可以有效刺激足部肌肉，强化足部肌肉功能[9]。有研究指出，后跟着地的冲击阶段，从足跟接触地面直到全掌着地，足弓几乎没有发生压缩。相比之下，前掌着地方式的触地阶段，身体重量下压作用于足弓顶端，地面反作用力作用于跖趾关节处，跟腱力向上牵拉足跟，因此足弓在三点受力作用下产生形变并贮存部分弹性势能。为了更好地控制足弓的形变与弹性势能的发挥，足部肌群会发生适应性的肌肉力量增强，循环利用由于足部-地面碰撞带来的能量，进而被视为增强足弓性能的一种训练手段[9，10]。然而，现阶段相关足弓功能强化的研究更多局限在单一足弓功能训练的效果[7]和足部的功能评价[11]，仍缺少通过足部局部肌肉力量训练与动态足部功能强化训练相结合的方法观察足部肌群对足弓形变控制能力的影响。McKeon认为，从局部肌肉训练到足部整体运动功能的增强，可以提高动态任务中足部核心系统(foot core system)的功能多样性[4，12，13]。因此，为了增强足弓肌群在静态及动态跑步任务中对足弓形变的控制能力，结合采用足部肌肉力量训练和步态训练可能会起到良好的刺激神经肌肉控制的效果。

本研究旨在分析12 周足部功能训练对足趾和跖趾关节力量、足弓形态以及跑步时足弓运动学变化的影响，并探讨足弓生物力学反馈的强化效果，以期为促进广大跑者的足部健康提供新的训练思路，同时也为患有足底过劳损伤(如足底筋膜炎)的人群提供新的康复视角。

1 方法

1.1 受试者

本研究招募了32 名习惯穿着缓冲跑鞋进行后跟着地跑(rear-foot strike running，RFS)的男性受试者。纳入标准为：1)正常足弓，即足弓高度指数(arch height index，AHI)范围在0.31～0.37之间[14]；2)近1年内无明显下肢损伤且运动能力良好；3)近4周内，每周的总跑步距离大于20 公里[15]，且在之后的3 个月内仍然愿意保持这一距离；4)所有受试者均未采用过本研究中使用的足部功能训练方法及未尝试过前掌着地跑(fore-foot strike running，FFS)技术。受试者在实验前知晓实验和内容，并签署知情同意书。将所有纳入的受试者随机分为干预组和对照组，剔除在训练干预过程中因非训练因素伤病等退出或中断1 周以上的跑者，最后每组各纳入13人的数据进行分析与统计。受试者基本信息见表1。

表1 受试者基本信息

其中，截脚长为第1 跖趾关节中心点至跟骨粗隆的距离(图4)。

1.2 干预方案

1.2.1 干预组足部功能训练方案

根据本团队的前期研究，要求干预组受试者每周进行足部力量训练[17]和前掌着地的跑姿转换训练(FFS of gait retraining)3次[18]，并保证每周参加集体训练1次。所有受试者进行跑步时都统一要求使用规定的APP打卡，跑步结束后上传跑步时间、距离等详细信息的截图给实验人员，用以对受试者的周跑量进行监控。干预成功的纳入标准为：1)全部按要求完成；2)累计间断训练未超过3次，同时全部按要求完成最后3周训练。训练中，允许受试者因疾病或其他原因推迟或退出[19]。

1.2.1 .1 足部力量训练

以下训练均在裸足条件下进行。

a)提踵训练

双足平面提踵(double leg heel raises on flat surface)

站立在运动场地上，双手叉腰，躯干微微前倾，将重心转移到前脚掌上，快速抬起足跟至最大高度，保持3秒钟后缓慢有控制地落下(图1a)。

双足台阶提踵(double leg heel raises off edge of step)

双足前脚掌站立在15 cm 高的台阶边缘，足跟悬空。双手叉腰，躯干微微前倾，将重心转移到前脚掌上，快速抬起足跟至最大高度，保持3秒钟后缓慢有控制地落下。

单足台阶提踵(single leg heel raises off edge of step)

优势腿的前脚掌站立在15 cm 高的台阶边缘，足跟悬空，对侧下肢自然抬起，足踝贴紧优势腿的膝关节内侧，双手叉腰，躯干微微前倾，将重心转移到前脚掌上，快速抬起足跟至最大高度，保持3秒钟后缓慢有控制地落下。

b)卷毛巾训练(towel curls)

优势侧踩在60 cm 长的毛巾边缘，随后进行屈曲足趾抓地的动作，将毛巾拉向受试者一侧，直到将整条毛巾都拉过来为止。动作过程中，受试者不可将足跟抬起(图1b)。

c)短足训练(foot doming，也称为拱足弓训练)

全脚掌自然落地，随后要求受试者尽可能收紧足弓内部肌肉，将跖趾关节沿着地面向足跟方向拉近，同时向上拱起足弓(图1c)。

d)分趾训练(toe Spread)

全足落地，尽最大努力分开5个足趾，足部不可离开地面，保持10秒钟后放松(图1d)。

e)半球平衡板训练

受试者单脚依次站立在半球平衡板的中心，双手叉腰，对侧下肢自然抬起，尽可能在规定时间内维持平衡。除双手及对侧下肢不能接触地面和平衡板以外，不做其他要求(图1e)。

f)踩压网球放松练习

受试者双足依次踩压在网球上，随后轻压网球并前后滚动网球。缓解训练过程中造成的足弓肌肉酸痛感，避免因干预训练导致足底肌肉的疲劳积累，产生慢性劳损(图1f)。

图1 足部力量训练方案

根据动作难度及循序渐进的训练原则，本研究设计了12周的足部力量训练计划，具体训练计划见表2。

表2 12周足部力量训练计划

(续表2)

1.2.1 .2 FFS的跑姿转换训练

干预组受试者在FFS 的跑姿转换训练中，要求其穿着统一发放的极简鞋跟随教练完成FFS的专项动作练习。干预组受试者在干预训练周期内，除实验要求的训练以外，受试者允许进行原有的RFS训练，本研究干预训练仅替换其原有训练的一部分[20，21]，周跑量不得少于20 km，具体跑步训练计划如表3。

表3 12周前掌着地跑训练计划

1.2.2 对照组干预方案

对照组所有受试者须接受为期12周的跑步训练，要求是该组跑者不改变原有运动习惯及运动计划，周跑量均不少于20 km。

1.3 实验仪器

1.3.1 数显游标卡尺

瑞士Sylvac 公司生产的数显游标卡尺(S_Cal-PRO910.1502)，量程为300 mm，用于测量受试者足弓形态。

1.3.2 数显拉力计

广州艾力科技有限公司开发的Ailitech-AFG500拉力计，采样频率是16 kHz。将拉力计安装固定在木箱的一端，通过刚性连接物将拉力计的测量头与套在足趾的刚性套环相连接进行测量(图2)。

图2 数显拉力计(左)及其安放示意图(右)

1.3.3 自制跖趾关节力量测试仪

采用自制的跖趾关节力量测试仪(发明专利号：CN103278278B，中国)测试足底屈肌的力量，仪器采样频率为120 Hz(图3)。

图3 跖趾关节力量测试仪

1.3.4 Vicon三维红外运动捕捉系统

本实验选用英国Vicon Motion System 公司的红外高速运动捕捉系统，采样频率为100 Hz。配套的标志点为直径14 mm 的红外反光Marker 球，分别置于足部骨性标志处。

1.3.5 Kistler三维测力台

瑞士Kistler(奇石乐)公司生产的三维测力台2块，型号9287C，采样频率设置为1000 Hz。

1.3.6 计时光栅

采用Witty-Manual 光栅测速系统对受试者通过测力台的速度进行控制。

1.4 测试方法与评价指标

1.4.1 足趾力量测试

足部力量测试各项内容均要求受试者重复3次有效动作，并取平均值进行数据分析。其中足底力量相关指标采用受试者体重进行标准化处理。

a)第1足趾拉力和其余4趾拉力

将数显测力计连接到木框架上，受试者坐在椅子上并将一只脚放在木框架内，脚跟靠近后侧板面，膝和踝关节调整到90°屈曲(图2)。脚下的板面可以为脚跟到第1 跖骨提供支撑，允许脚趾屈曲。使用金属钩和环来连接脚趾和测力计。将第1 足趾与测力计对准，当第一足趾放松时，力值为0。受试者需要屈曲第1足趾并尽可能地向足跟方向拉回金属环，并以类似的方式测量其余4趾拉力[22]。

b)跖趾关节力量

使用自制的跖趾关节力量测试仪采集足底屈肌的数据(图3)。测试过程要求受试者坐在椅子上，使用魔术贴固定优势侧足前掌、足跟和足踝，调节座椅位置及高度，膝关节成90 度角，并用设备上固定装置固定膝关节，以避免测试结果受其他关节的干扰。测试期间，要求受试者尽力将足底肌肉屈曲10秒以按压上抬30°的踏板[23]。

1.4.2 足弓形态学测试

采用数显游标卡尺分别测量站姿和坐姿两种状态下受试者的足弓形态学特征[16]。站姿测量时要求受试者自然站立，双手垂于身体两侧，双脚开立与髋同宽，避免踝关节发生内/外翻。坐姿测量时要求受试者在不挪动双足的前提下向后坐在已准备好的凳子上。保持膝关节和踝关节屈曲90°，抬起前足后自然下落，使足部处于放松状态。双手自然垂于身体两侧，不可放在大腿上。形态学测试皆在距下关节中立位情况下进行。具体指标包括(图4)：

图4 足弓形态学指标示意图

a)足弓高度：即舟骨粗隆到测量平面的垂直距离；

b)足弓高度标准化：由于相同的舟骨高度对于不同的足长来说意义不同，因此，需要结合足长来衡量舟骨高度，即将舟骨高度除以足长进行标准化处理；

c)舟骨高度落差(Navicular drop)[24]：坐姿足弓高度减去站姿足弓高度所得到的差值。

1.4.3 足弓运动学测试

a)测试步骤

要求受试者穿着统一测试服装在跑步机上进行12 km/h 的5 分钟慢跑热身及5 分钟的静态拉伸活动，实验人员讲解测试动作并做示范。热身完成后将红外反光标志球安放在受试者的足部骨性标志处，即第1脚趾的脚尖、第1/第5跖趾关节、舟骨粗隆、舟骨足背最高点、跟骨后侧及跟骨内/外侧突起[10](图5)。准备工作结束后，采集静态模型数据并要求受试者用RFS和FFS姿态以12 km/h±5%跑速裸足跑过测试跑道，其中优势腿踏上测试跑道上的测力台为有效动作，确保有效采集3次。

图5 足部内侧(a)和外侧(b)Marker球放置示意图

b)评价指标

运动学数据采用截止频率为7 Hz的Butterworth二阶双向低通滤波。指标包括：1)着地瞬间足弓高度；2)支撑期足弓高度变化量；3)支撑期足弓角度变化量；4)足弓刚度。相关定义如下(图6)：

图6 足弓运动学指标示意图

●足弓高度定义[10，25]：舟骨粗隆到第一跖趾关节与跟骨内侧突起点连线的直线距离；

●足弓角度定义[26，27]：矢状面内，跖骨相对于跟骨的转动角度；

●支撑期足弓刚度表达式如下[25]：

其中，vGRFmid：前后方向地面反作用力为零时对应的垂直地面反作用力值；△Larch：着地瞬间到50%支撑期时足弓高度的变化量。然后对karch进行标准化处理，公式如下：

最终，标准化后的karch单位为N/(cm·kg)。

1.5 统计学方法

结果均采用平均值±标准差表示。本研究使用重复测量双因素方差分析(two-way repeated measures ANOVA)比较时间因素(训练前后)和组别因素(干预组和对照组)对足趾肌肉力量、足弓形态学参数和足弓运动学特征的影响。当存在交互作用时，采用配对样本t检验对时间因素进行事后检验，采用独立样本t检验对组别因素进行事后检验。此外，对于时间因素呈现主效应的指标，将针对两组各自的变化量进行独立样本t检验，用以分析指标的具体变化情况，显著性水平α设为0.05。

2 结果

2.1 足趾肌肉力量

组别×时间因素对第1 足趾绝对力量和相对力量均存在交互效应(P=0.013；P=0.018)。经事后检验发现，12周后，干预组第1足趾的绝对力量和相对力量有显著提高(P=0.001；P=0.001)。组别×时间因素对其余4 趾绝对力量存在交互作用(P=0.049)，经事后检验发现，12 周后，干预组的其余4 趾绝对力量有明显提高(P=0.002)。此外，时间因素对其余4 趾相对拉力有主效应(P=0.007)，对两组该指标变化量进行独立样本t检验发现干预组的增长趋势(P=0.058)，干预组的其余4 趾相对力量提高了37.42%，比对照组多28.22%(图7)。

图7 12周足部功能训练对足趾相对力量的影响

2.2 足弓形态学

组别×时间因素对标准化后的站姿舟骨高度存在交互作用(P=0.022)。事后检验显示，12 周后，干预组标准化后的站姿舟骨高度明显改善(P=0.027)。12 周干预训练对干预组的坐姿舟骨高度和舟骨高度落差没有明显影响(图8)。

图8 12周足部功能训练对足弓形态学的影响

2.3 足弓运动学

进行RFS时，组别×时间因素对足弓最大角度具有交互作用(P＜0.001)，经事后检验发现，实验前测干预组与对照组存在显著性差异(P＜0.001)，干预组经干预后，该指标明显下降(P＜0.001)。组别×时间因素对着地瞬间足弓高度有交互作用(P=0.001)，经事后检验发现，12 周干预后，干预组着地瞬间足弓高度明显增加(P＜0.001)。此外，时间因素对足弓高度变化量存在主效应(P=0.002)，经12 周干预后，干预组的足弓高度变化量提高了46.3%，比对照组多34.98%，对两组该指标的变化量进行独立样本t检验分析发现干预组相比对照组提高更明显(P=0.027)。进行FFS 时，组别因素对足弓压缩角度和足弓最大角度有主效应(P=0.003；P=0.0045)(表4，图9)。

图9 12周足部功能训练对足弓运动学的影响

表4 两组足弓运动学及足弓刚度比较

3 讨论

3.1 足趾肌肉力量

经过12 周的足部功能训练，干预组的第1 足趾屈肌群的绝对力量和相对力量、其余4 趾屈肌群的绝对力量都有显著提高。此外，其余4趾的相对力量、跖趾关节的绝对力量和相对力量均在干预后出现增长趋势。足底内附肌如拇展肌、趾短屈肌和足底方肌等是辅助脚趾发生屈曲的肌群[6]。在步态推进阶段，随着足跟离开地面，踝关节进行跖屈方向运动，跖趾关节进行背屈方向运动，地面反作用力的作用点向跖趾关节远端移动，并在跖趾关节周围产生一个背屈外力矩。此时，足底屈肌收缩产生的跖屈内力矩可以平衡该外力矩，达到调节全身角动量的效果[28]。由此可知，足底肌群肌力对于跑跳运动，尤其是步态支撑末期足部蹬离地面的过程具有重要作用。此外，很多短跑和跳跃项目的教练员认为跖趾关节和周围其他关节力量输出增加时，可以提高运动员的运动表现[29]。这些影响跖趾关节发力的肌肉同时也是支撑足纵弓的必要结构[30]，在运动过程中起到维持足弓稳定的作用。本研究采用结合足部力量增强训练和前掌着地跑姿转换的干预方式，在相对静止和跑动中共同强化足底肌群的发力能力，因此，跑跳类项目的运动员可以参考相关的足部功能训练方法来获得更强的足部肌肉功能。

3.2 足弓形态学

12 周足部功能训练使标准化后舟骨高度显著增加。研究指出，足底内附肌的功能与足纵弓的形态直接相关[31]。有研究探讨下肢承重和足部肌肉激活水平之间的关系发现，随着负荷的增加，拇展肌、趾短屈肌和足底方肌激活水平明显增加，当负荷增加到身体重量的125%时，足弓高度和肌肉长度停止改变，但肌肉激活水平仍随着负荷的增加而持续增加[6]。同时，有学者发现，拇展肌肌肉活性下降可明显增加舟骨高度落差[32]。由此可见，足内附肌群的激活水平可以显著影响舟骨位置[11]，这对于负重条件下维持足弓形态有直接影响。因此，很多研究通过对足部肌肉进行功能训练达到稳定和改善足弓形态的效果[4]。本研究足弓形态学测试结果与Headlee的研究结果相似[33]，12周足部肌肉力量训练和前掌着地跑练习在一定程度上能够强化足部肌群功能，对于自身体重条件站立姿态下的足弓形态有改善作用。

3.3 足弓运动学

12 周干预训练后，干预组在RFS 任务中表现出足弓最大角度减小，着地瞬间足弓高度明显提高和足弓高度变化量明显增加；进行FFS测试时，足弓运动学参数没有明显变化。虽然干预组进行RFS时出现了足弓刚度的下降和更多形变，然而足弓最大压缩角度没有发生显著变化。Koyama 等[34]指出，足部肌肉功能和足部结构的适应性都具有运动项目特异性，当身体承受某一种运动负荷的重复刺激时，会出现特殊的神经肌肉适应性。结合足底肌肉力量测试的相关结果进行分析，本研究的干预手段有效增强了足弓相关肌群的肌肉力量，在提高了跑步任务中足弓运动表现的同时，也控制了足弓的最大运动幅度。此外，有研究指出，拇展肌作为最大的足内附肌，在前掌着地技术的摆动末期会出现肌肉激活水平的显著提高，可在着地前增加足中部的屈曲角度和内侧纵弓的高度。而这一运动学变化，加大了步态支撑期足中部环节的活动度，更利于足弓贮存弹性势能[9]，使跑者更好地利用足踝部位的筋膜、韧带拉伸和回弹特性，减少弹性势能在这一着地过程中的损失。虽然，本研究发现干预训练后，RFS出现了与FFS 足弓原有运动特点的相似处，即着地瞬间足弓高度增加，足中部关节活动度增加。但是，RFS支撑期足中部关节活动度的增加是否会影响下肢的蹬伸效率值得进一步分析。

综上所述，本研究的12周足部功能训练对足部肌肉力量、足弓形态及足弓运动学特征均产生了一定影响。由此可见，足弓作为下肢系统的一个环节，由于其结构的复杂与多样性，不能在单一状态下分析单独某一块肌肉的功能，更应全面对足弓功能进行探讨，并在训练方案的设计上涉及动态和静态任务。然而，本研究仅对男性后跟着地跑者的足弓特征与功能进行分析，仍需进一步对比不同性别和年龄对足弓功能的影响。

4 结论

12 周静、动态结合的足部功能训练方法能有效增加第1足趾及其余4趾相对拉力、提高站姿状态下舟骨高度，并显著减小后跟着地跑时的足弓最大压缩角度，提高着地瞬间的足弓高度和足弓高度变化量，提示足弓出现了适应性变化。本研究所采用的12 周足部功能训练可以积极促进足弓肌群力量增进，建议足弓肌群力量薄弱的人群(如足底筋膜炎患者)可将本研究的训练方法作为一种康复手段，并结合相关足弓形态学和功能测试，对足弓肌群进行多方面训练和综合评估。