APP下载

高弓足和正常足在赤足行走过程中的力学特征分析

2015-05-17毛晓锟张秋霞杨倩倩

体育科研 2015年4期
关键词:运动学峰值受试者

毛晓锟,张秋霞*,杨倩倩

高弓足和正常足在赤足行走过程中的力学特征分析

毛晓锟1,张秋霞1*,杨倩倩2

研究目的:观察高弓足和正常足在赤足行走过程中的运动学和动力学参数变化,分析高弓足易损伤的原因,为高弓足的康复治疗提供实验依据。研究方法:选取9名高弓足受试者为实验组,10名正常足受试者为对照组。利用Vicon-MX红外摄像系统进行动作捕捉,采集受试者常速行走时髋、膝、踝三大关节的运动学参数,同时利用K ISTLER三维测力台采集行走过程中的足-地接触力。研究结果:在行走过程中,高弓足者髋关节在足趾离地时的外展角度小于正常足(P〈0.05);在垂直方向上的第二峰值地面反作用力(GRF)两组间差异存在统计学意义(P〈0.05),垂直方向的第一、第二峰值GRF和向后方向上的峰值GRF出现的时间均早于正常足(P〈0.05)。结论:高弓足与正常足行走时所表现出的差异性可能是造成高弓足易损伤的原因,也反映了它们控制机制的不同。

高弓足;地面反作用力;运动学

目前,已有调查显示普通人群中大约有10%~15%为高弓足[1]。所谓高弓足,它主要包括内侧纵弓过高、与地面接触面积减少以及缓冲功能降低等特点,且无论是先天性还是神经性高弓足,其足部损伤几率(60%)都远高于正常足(23%)[2]。目前关于高弓足的研究,Williams等[3]对高弓足跑步者易损伤的部位进行调查,结果发现:高弓足有较高的踝关节、骨及外侧损伤的几率。Powell等[4]对高弓足与扁平足在赤足行走过程中的三维运动学数据进行记录,发现高弓足与扁平足相比有较小的踝关节峰值外翻角度。国内外学者对高弓足与正常足的足底压力[5,6]和步态[6]特征进行了对比研究,指出高弓足与正常足相比,由于其接触面积较少,足底局部所受压力高于正常足,从而增加了足部损伤概率,这不仅会对运动员的比赛成绩以及运动寿命产生极大的影响,而且会影响人们的生活质量。上述可知,前人已经从不同角度对高弓足进行了研究,但是对于高弓足与正常足在行走过程中的运动生物力学特征的相关报道较少,为此本研究采用红外动作捕捉分析系统和三维测力台,分别对高弓足与正常足在赤足行走时下肢髋、膝、踝三大关节的运动学参数和地面反作用力(ground reaction force,GRF)进行测试,旨在观察不同足弓者在赤足行走过程中的下肢关节运动学参数和动力学的动态变化差异。对此过程进行研究可以为高弓足防护设备的设计和临床康复提供实验依据,以期降低高弓足的损伤风险。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本研究选取9名双侧患有高弓足的受试者为实验组,10名双足正常的受试者为对照组(本文研究以右足为例)。根据足弓高度指数(Arch Height Index,AHI)来判定高弓足,这种快速便捷的足形判别方法已被国外多位学者所采用[3-4,7,19],并被认定为是一种有效可靠的判定方法[18]。所谓足弓高度指数是指足背高度(在足长的50%处量取足背的垂直高度)除以截断足长(足跟到第一跖趾关节的距离)(如图1)[7]。AHI≥0.356为高弓足,AHI≤0.275为扁平足[8],介于两者之间的为正常足,为了更好地区分高弓足和正常足,本文将AHI≥0.365划分为高弓足,0.315≤AHI≤0.350为正常足。受试者在实验时没有下肢损伤,且在过去1年里没有下肢韧带损伤,下肢进行过手术。为了减少实验误差,本文将受试者的足宽、足背高度以及截断足长分别与足长进行标准化处理。受试者的基本情况见表1。

表1 受试者的基本情况TableⅠBasic Information of the Subjects

图1 计算足弓高度指数所需指标Figure 1 Indexes Needed in Calculating Foot A rch Height

1.2 研究方法

1.2.1 实验仪器

采用英国生产的Vicon-MX红外高速运动捕捉与分析系统(包括8台型号为MX13的红外摄像头、PC主机和标准配件等),采集人体在行走时下肢主要关节运动学数据,采集频率为200 Hz;选用Vicon系统中的下肢模型(Plug-InGait),将16个Marker球精确地贴在人体下肢各环节的标志点上(图2);使用瑞士的KISTLER三维测力台对GRF进行采集,采样频率为1 000 Hz,另外经转换模块将测力台与Vicon进行同步。

图2 Marker点安放示意图Figure 2 Positioning of Marker Points

1.2.2 测试方法

实验前要求受试者身着紧身短裤,赤脚站立并与肩同宽,尽量将体重均匀地分配在肢体两侧,此时对受试者的身高、体重、腿长、膝宽、踝宽、足长、足宽、截断足长等指标进行测量。正式测试前,要求受试者赤足在长约8m的木质地板上(测力台安放于之间)试走几次,调整起始步位置使测试足完全踏在测力台上面,使受试者足底适应接触的测力台,减少测试仪器对受试者行走动作的影响,直至受试者感觉自己可以正常测试为止。要求受试者在行走过程中“无视”测力台的存在,避免出现跨步、忽快忽慢的现象,速度控制在1.2 m/s的5%范围内。正式实验时,重复测试3~4次,选取其中最符合要求的一次进行研究。

1.2.3 统计学分析

采用SPSS17.0统计学软件包对实验数据进行处理,数据以均数±标准差表示。本文采用的统计学方法主要是独立样本t检验,检验水准选α=0.05。

2 结果

2.1 高弓足与正常足在赤足行走过程中下肢主要关节角度运动学参数

在行走过程中,两组受试者髋、膝、踝在矢状面内的差异没有统计学意义(P>0.05)(表2和表4),而在额状面上,髋关节在足趾离地时刻的角度差异具有统计学意义(P<0.05)(表3)。

表2 两组受试者在赤足行走过程中髋关节矢状面运动学特征TableⅡ Sagittal Plane Kinematics Characteristics of the Hip Angles of the Two-group Subjects in BarefootWalking

表3 两组受试者在赤足行走过程中髋关节额状面运动学特征TableⅢ Frontal Plane K inematics Characteristics of the Hip Angles of the Two-group Subjects in BarefootWalking

表4 两组受试者在赤足行走过程中矢状面内膝、踝关节运动学特征TableⅣ Kinematics Characteristics of the Sagittal Plane Knee and Ankle Joints of the Two-group Subjects in Barefoot Walking

2.2 高弓足与正常足在赤足行走过程中的动力学参数

本文采用KISTLER三维测力台从垂直、前后、内外方向记录了受试者在行走过程中的GRF,对各方向上的峰值、谷值以及对应的时刻进行统计学分析,为了便于研究,对不同体重的受试者在行走过程中的各方向上的GRF做了标准化处理后(表5)发现:人体在行走过程中身体向前后和内外方向的峰值GRF两组间的差异没有统计学意义(P>0.05),而在垂直方向上的力值,第一峰值GRF与波谷值两组间差异没有统计学意义(P>0.05),仅在第二峰值GRF两组间差异存在统计学意义(P<0.05)。

表5 两组受试者在赤足行走过程垂直方向上GRF峰值标准化的比较TableⅤ Comparison between the Peak GRF Standardization of the Vertical Direction of the Two-group Subjects in BarefootWalking

由表6可以发现,两组受试者在行走过程中,在垂直方向上,第一、第二峰值GRF对应的时刻差异具有统计学意义(P<0.05),波谷值GRF对应的时刻不具有统计学意义(P>0.05)。身体在前、内、外3方向上的峰值GRF对应的时刻两组间的差异没有统计学意义(P>0.05),仅在向后方向上的峰值GRF对应的时刻两组间差异具有统计学意义(P<0.05)。

表6 两组受试者赤足行走过程中各方向上GRF峰值对应时刻的比较TableⅥ Comparison between the Corresponding Moment of the Peak GRF of the Different Directions of the Two-group Subjects in BarefootWalking

3 分析与讨论

行走是人体在日常活动中重复最频繁的一种整体性运动。步行由全身肌肉协调参与,包括人体重心移位,骨盆倾斜旋转,髋、膝、踝关节伸屈及内外旋展等,是人体位移的一种复杂的随意运动[9]。足关节作为人体末端的重要关节,也是人体在行走过程中最先触及地面的关节,因此也是容易损伤的关节。而足弓由于其拱形结构的特点,使足在运动时既坚固又富有弹性,有利于人体在站立、行走和跳跃中承受负荷,缓冲震动,同时也有利于保护足底的血管和神经[10],从而起到预防下肢关节损伤的作用。有研究表明足部损伤与足部畸形和腰腿疼痛相互关联,而更值得注意的是足部损伤与足部畸形的关系[11]。其中足部异常可能导致整个人体下肢结构的差异,而人体在行走的过程中下肢运动学和动力学的差异性,很可能是导致高弓足损伤。

目前关于正常足与畸形足行走过程中下肢运动学指标的研究较少,Twomey等[12]对12名正常足与11名扁平足在行走过程中下肢运动学变化进行了系统研究,最主要的发现在于扁平足在站立期与摆动末期髋关节呈现出更大的外旋角度,其它时刻的关节角度变化不存在差异性,但是对于正常足与高弓足行走过程中的下肢运动学尚少见研究。本研究发现:高弓足与正常足在赤足行走时,有关下肢主要关节的变化比较,仅在足趾离地时刻髋关节在额状面上的角度具有统计学意义(P=0.033<0.05,见表3),髋关节在足趾离地时刻出现较小的外展角度,这可能与高弓足的僵硬有关。有研究得出高弓足的腿与踝的僵硬程度(stiffness)较高[7],由于其僵硬的原因使得髋关节在离地时没有得到充分外展。虽然高弓足在行走过程中,下肢关节角度变化较小,但在额状面上髋关节离地时刻角度出现的差异性就有可能是导致高弓足易损伤的原因之一,针对此差异性,需要临床进一步探索来确定其适当的治疗措施。

人体行走时的足-地接触力通常按垂直、前后和内外三大方向来划分,其中在垂直方向上的分力最大。垂直方向的反作用力呈现典型的双峰型,第一波峰值是指在足跟触地时对地面的冲击力,随着足部逐渐放平,受力面积逐渐增大,受力减小,足部完全放平时受力达最小[13],称为波谷值,第二峰值出现在足趾蹬地时,垂直地面反作用力伴随着足趾离地逐渐减小到零。研究发现,不论是高弓足还是正常足,在支撑前期,足-地接触力主要是向下向前,并伴有先内后外的摇摆趋势;在支撑的后半阶段,足-地接触力呈现出向下向后,并伴有先外后内的摇晃趋势;而在支撑中期,身体重心正好越过站立侧肢体,其垂直位移正好达最高点,此时在3个方向上的足-地接触力均处于单肢负重期的最低值,亦即足-地接触力最小[14]。本文研究发现:第二峰值GRF高弓足(11.37±0.44)与正常足(10.90±0.22)差异具有统计学意义(P=0.012<0.05),其它峰值差异均没有统计学意义(P>0.05)(见表5),此时处于蹬地阶段主要是前脚受力。有学者对高弓足与正常足常速赤足行走的足底压力进行研究,结果表明高弓足的第一到第四跖骨比正常足要承受更大的负荷[5]。Daniel等[15]对14名正常足和8名高弓足足球运动员赤足行走时的足底压力进行分析,研究得出正常足与高弓足在赤足行走时所承受的负荷不同,高弓足前脚内侧承受的压力高于正常足。以上研究均表明高弓足的前脚受力要大于正常足,这也就解释了为什么60%的高弓足者足部损伤与足底压力密切相关[2],且前脚是高弓足最容易损伤区域的原因[16]。而造成高弓足前脚受力较大的根本原因与其足弓特征有着密切的关系,有研究指出高弓足者与正常足相比,属于典型刚体,比较僵硬[17],再加上其行走时足部与地面接触的面积较少,使得其不能充分缓冲震荡和较为均匀地分配地面冲击力。鉴于此,在临床上应该采用矫形鞋垫或者相应的防护设备增加高弓足者的足地接触面积、减小前脚的负荷,从而降低高弓足者脚部损伤的几率。

通过高弓足与正常足在赤足行走的实验发现:高弓足在行走过程中各方向上的GRF峰值出现时刻有早于正常足的趋势,在垂直和向后方向上尤甚(见表6)。高弓足行走时第一和第二垂直GRF峰值出现的均值时间比正常足大约早35ms,此时恰好分别处于足跟着地与足趾蹬地时刻,足跟着地时参与工作的肌肉包括胫骨前肌、臀大肌、股四头肌、腘绳肌。而足趾蹬离地面时参与工作的主要肌肉为臀大肌、股四头肌和小腿三头肌[13]。高弓足第一和第二垂直GRF峰值出现的时间早于正常足,这可能与肌肉的预激活过高相关。中枢神经系统作为人体主要的支配和控制系统,它能够预期到行走时的着地时刻和地面冲击力的大小,并能积极调整下肢主要肌肉力量和为吸收着地冲击力而做出适宜强度的预激活,而预激活的强度与触地前肌肉刚度相关。前人已研究得出高弓足者的刚性较高,而本研究并没有对肌电进行研究,这也是本研究的一个不足之处,未来应该对相应的工作肌肉进行系统研究,从而更深层次的探究高弓足易损伤的原因。高弓足向后方向上的GRF峰值出现时间早于正常足,这可能与足趾蹬离地面时向后方向上力的大小和方向有关。高弓足在赤足行走过程中各方向上GRF峰值出现的时刻不同,可能是导致高弓足易损伤的重要原因之一。

4 结论

高弓足与正常足在赤足行走过程中垂直方向的第二地面反作用力峰值高于正常足,其它方向上的地面反作用力峰值基本相似;垂直与向后的地面反作用力峰值时间早于正常足,这些可能是造成高弓足易损伤的主要原因。而对于下肢主要关节角度的变化,仅髋关节在足趾离地时刻有较小的外展角度,这一发现也有可能是造成高弓足易损伤的原因之一,但是需要进一步临床验证。上述差异可能反映了高弓足与正常足赤足行走时下肢控制机制的不同。

[1]Walker M,Fan HJ.(1998).Relationship between foot pressure pattern and foot type[J].Foot&Ankle International.19(6): 379-383.

[2]Burns J,Crosbie J,Hunt A,et al.(2005).The effect of pes cavus on foot pain and plantar pressure[J].Clin Biomech(Bristol,Avon).20(9):877-882.

[3]Williams DS,M cClay IS,Hamill J.(2001).Arch structure and injury patterns in runners[J].Clinical Biomechanics.16 (4):341-347.

[4]Powell DW,Long B,M ilner CE,et al.(2011).Frontal plane multi-segment foot kinematics in high-and low-arched females during dynamic loading tasks[J].Human movement science. 30(1):105-114.

[5]Fernandez-Seguin LM,Mancha JAD,RodriguezRS,etal.(2014). Comparison of plantar pressures and contact area between normal and cavus foot[J].Gait&Posture.39(2):789-792.

[6]高虹,孔德刚.高弓足与正常足男性大学生足底压力及步

态特征研究[J].中国学校卫生.2013,(10):1207-1209+1213.

[7]Butler RJ,Hamill J,Davis I.(2007).Effect of footwear on

high and low arched runners'mechanics during a prolonged run[J].Gait Posture.,26(2):219-225.

[8]W illiams DS,Davis IM,Scholz JP,Ham ill J,Buchanan TS.(2004).High-arched runners exhibit increased leg stiffness compared to low-arched runners[J].Gait&Posture.19(3):263 -269.

[9]钱竞光,宋雅伟,叶强,等.步行动作的生物力学原理及其步态分析[J].南京体育学院学报(自然科学版).2006(04):1-7+39.

[10]李世昌.运动解剖学[M].北京:高等教育出版社;2006.

[11]Molgaard C,Lundbye-Christensen S,Simonsen O.(2012).High prevalence of foot problems in the Danish population:a survey of causes and associations[J].Foot.20(1):7-11.

[12]Twomey DM,McIntosh AS(2012).The effects of low arched feet on lower limb gait kinematics in children[J].Foot.22(2): 60-65.

[13]陆爱云.运动生物力学[M].北京:人民体育出版社;2010.

[14]伍勰,陆爱云,庞军.健康老年人常速行走的步态分析[J].上海体育学院学报.2000,24(2):52-55.

[15]Carson DW,Myer GD,Hewett TE,et al.(2012).Increased plantar force and impulse in American football players with high arch compared to normal arch[J].Foot.22(4):310-314.

[16]Plank M.(1995).The pattern of forefoot pressure distribution in hallux valgus[J].The foot.5(1):8-14.

[17]Zifchock RA,Davis I,Hillstrom H,et al.(2006).The effect of gender,age,and lateral dominance on arch height and arch stiffness[J].Foot&ankle international.27(5):367-372.

[18]McPoil TG,CornwallMW,Vicenzino B,et al.(2008).Effect of using truncated versus total foot length to calculate the arch height ratio[J].Foot.18(4):220-227.

[19]Powell DW,Williams D S B,W indsor B,et al.(2014).Anklework and dynamic joint stiffness in high-compared to lowarched athletes during a barefoot running task[J].Human movement science,34:147-156.

(责任编辑:何聪)

Mechanical Characteristics of BarefootWalking of the Individuals w ith High-arch Feet and Normal-arch Feet

MAO Xiaokun,ZHANG Qiuxia,YANG Qianqian
(School of PE,Suzhou University,Suzhou 215021,China)

To observe the kinematics and kinetics parameter variations during barefootwalking of the individuals with high-arch feet and normal-arch feet,analyze the reason why high-arch feet are easy to be injured and to provide experimental basis for the rehabilitation treatment of high-arch feet injuries.Method:Nine subjects with high-arch feet were selected for the experimental group,and another ten subjects w ith normal-arch feet were put into the control group.Vicon-MX infrared camera system was used to capture themotions of the subjects during normal walking,and the kinematic parameters such as hip angles,knee angles and ankle angles were collected.KISTLER three dimensionalmeasuring force platform was adopted to collect foot-ground contact force.Result:During the walking,the hip joint abduction angles of the high-arch feet individualswere less than those of the normal feet subjects when the toes were off the ground(P〈0.05). The Difference between the second peak GRF of the vertical direction of the two groups has statistical significance(P〈0.05).The first and second peak GRF of the vertical direction and the peak GRF of the backward direction of the experiment group appeared earlier than those of the control group(P〈0.05).Conclusion:The Different characteristics of high-arch feet and normal-arch feet in walking may be the cause why high-arch feetare easy to get injured,and this reflects their different controlmechanisms.

high-arch feet;ground reaction force;kinematics

G804.6

A

1006-1207(2015)04-0075-05

2015-01-15

江苏省哲学社会科学研究规划资助项目(2013SJB890016)。

毛晓锟,男,在读硕士研究生。主要研究方向:运动生物力学。

*通讯作者:张秋霞(1972-),女,江苏泰兴人,教授,博士,研究方向:运动生物力学。

1.苏州大学体育学院,江苏苏州215021;2.天津体育学院,天津300381

展开全文▼
展开全文▼

猜你喜欢

运动学峰值受试者
涉及人的生物医学研究应遵循的伦理原则
涉及人的生物医学研究应遵循的伦理原则
浅谈新型冠状病毒疫情下药物Ⅰ期临床试验受试者的护理
犊牛生长发育对成年奶牛高峰奶产量和峰值日的影响
轿车前后悬架运动学仿真分析
疫情下普通患者应如何进行肺功能检查?
锚杆锚固质量等级快速评级方法研究
速度轮滑直道双蹬技术的运动学特征
基于运动学特征的新型滑板对速滑蹬冰动作模拟的有效性
“必修1”专题复习与训练