足弓的运动功能进展及其在人体运动中的生物力学贡献

张 燊，张希妮，崔科东，傅维杰，刘 宇



足弓的运动功能进展及其在人体运动中的生物力学贡献

张 燊，张希妮，崔科东，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

概述了足内侧纵弓的解剖结构及其在跑步中的生物力学作用。尝试解释足弓肌肉功能的发展与不同跑姿着地技术和不同功能效果的跑鞋之间的关系。前掌着地跑者的足部肌肉功能相对更强，可以在跑步着地过程中更好地控制足弓的形变和蹬伸阶段的发力。后跟着地跑者足部肌肉功能相对较弱，足弓需要更多的外在支撑，同时，由于着地瞬间踝关节刚度相对增加，进而导致传递至下肢的冲击能量增加，此时跑鞋的支撑性能和缓冲能力显得尤为重要。但是，长期穿着这种具有足弓支撑和缓冲性能的跑鞋跑步，可能会进一步造成足部肌肉能力的下降。而在跑步运动中，构成与支撑足弓的肌群力量不足易使足弓面临发生运动损伤的风险，且足弓的功能训练和运动损伤的康复治疗手段中都不应忽略构成足弓的相关肌群的力量强化。

内侧纵弓；足部内在肌群；足部外在肌群；足部肌肉力量

人的足部是由类似非洲猿的足部结构基础进化而来的。猿类的足部功能同时在树栖和陆地上移动发挥着作用，其足弓形态定义不清，主要依靠足部的肌肉力量来抵抗外在作用力。相比于猿类的足部，最早有充足证据表明，存在现代足部特征的人属，如早期直立人，他们足部有明确的内侧纵弓。这种足部形态的变化也反映了从猿类到人类生活场所的转变，使人类更习惯陆地动物的两足运动方式[35]。

人的足部结构是十分复杂的，其内在关节具有很多自由度，并在所有步态中起到关键性作用。而足部的有效运动则依赖于足部内侧纵弓的完整性，在足部传递力量过程中内侧纵弓的功能至关重要[33]，其有助于减震和分散传递至足部的力量[40]。

随着全民健身热潮的掀起，越来越多的大众投身于运动健身的行列，所选择的运动方式也五花八门，而跑步已经成为全世界最流行的运动之一[54]。跑步是一项大有裨益的运动，如增强心肺功能，帮助控制体重，促进心理健康等[20]。但有研究称，因跑步造成的下肢损伤率由19.4%上升至79.3%，常见的损伤有胫骨应力综合症、慢性跟腱病、足底筋膜炎等[17]。其中，足底筋膜炎的损伤（由于足弓反复的过度形变造成的损伤[55]）是除髌骨疼痛综合征，髂胫束摩擦综合征之外，最常见的跑步相关的过劳损伤，发生率为18%[51]。究其原因，较多研究认为，与足部肌肉力量不足有关。因足部肌力较弱，不能在动态运动中对足弓提供足够的支撑，进而重复导致足底筋膜的应变增加[12]。

本研究通过对足弓的结构、足弓力量的来源与控制、跑步中足弓的功能以及由于足弓功能不足导致的损伤等几个方面进行综述，为正确理解跑者足弓功能特征及强化足部训练提供参考。

1 足弓的构成

足弓的被动结构，即骨、韧带和关节囊，形成了足的纵弓和横弓。通常情况下，将前后方向的足弓称为纵弓，分内侧和外侧纵弓；内外方向的称为横弓。内侧纵弓的骨性结构由跟骨、距骨、足舟骨、内中外3块楔骨以及1～3跖骨共同构成；胫骨后肌肌腱、趾长屈肌肌腱、拇长屈肌腱、足底方肌、足底筋膜以及跟舟足底韧带等共同参与维持和稳定。内侧纵弓比外侧纵弓高，且具有弹性、较大的活动度和较强的缓冲作用，故内侧足弓亦称为弹性足弓。外侧纵弓相对较低，腓骨长肌肌腱、足底长韧带、跟骰足底韧带共同参与足弓的维持，外侧纵弓弹性较差，主要以支撑负重为主。横弓主要有腓骨长肌肌腱、胫骨前肌肌腱、拇指收肌横头参与维持，其中，跖骨头是横弓主要的力量传递结构，腓骨长肌肌腱是主要的稳定维持结构。

虽然这些足弓之间是相互独立的结构，足底筋膜和足底韧带支撑起足底的半弧形形态，但是，局部的动态支撑还是需要依靠足部固有的内在肌肉（intrinsic foot muscles）和间接的外在肌（extrinsic foot muscles）收缩[47]。附着在足部的肌肉与肌腱也就是足部运动的主动结构，具有稳定足弓和控制足部外在整体运动的功能。由此可见，骨、韧带结构参与维持足弓的结构性稳定，而足的内、外在肌则维持了动态运动中足弓的功能与稳定性。

2 足弓的主/被动结构的功能

足弓的解剖结构和功能的相互生物力学作用是十分复杂的，其在静态和动态活动中扮演重要的角色。在站立中，足部主要起到支撑作用[35]；运动中可将其视为一个动力链，在不同步态运动中，其最主要的两个功能为支撑与推动（propulsion）——在支撑早期，足部必须进行屈曲以吸收在不同平面着地而导致的冲击能量；在支撑后期，足可作为一个刚性的杠杆，将推进身体向前运动的力作用于地面[33]；然而，在支撑中期，足部需要根据运动进行功能调整和负荷衰减。

2.1 足底弹性作用的“绞盘效应”

人体足部作为一个灵活的结构，在下肢与地面之间保证力量传递的有效性，这种功能是通过足部很多小关节之间的相互作用实现的。在支撑期，足弓会发生拉长和压缩，并将冲击负载作为足弓的弹性应变能量进行吸收。在支撑末期，当跖趾关节伸展时，通过足部的绞盘效应（windlass mechanism，图1）有效提高足弓的刚度，足底筋膜的被动弹性回弹产生向前推进身体的正功[23]。这种压缩-回弹（compression-recoil）的过程被称为“足部弹簧”机制，在足部每一次着地时，可以进行机械能的贮存和随后的释放，提高步态的效率。

图1 足部跖趾关节伸展时的绞盘效应

Figure 1. The Windlass Mechanism when the Foot Toe Extension

注 ：1.足部处于中性位时足底腱膜的正常松弛状态；2.跖趾关节伸增加了足底腱膜的张力，提高内侧纵弓并旋转[16]。

足底筋膜的绞盘效应在人类步态中维持足部的刚度是十分重要的。从支撑中期到支撑末期，跖趾关节的伸展可以增加足底筋膜的张力，随后通过屈曲和内收跖趾关节伴随后足旋后而缩短纵弓。这些骨结构之间的变化强化了足部的刚度，衰减足部的缓冲性能，使足部过渡成一个刚性的杠杆，配合踝关节跖屈力矩有效传递至地面。已有研究证实，该过程中被动的韧带结构对这种机制的贡献，但是却很少有研究关注纵弓的收缩成分在这一过程中的作用[25]。

2.2 足弓的被动弹性成分——足底筋膜（Plantar Fascia）

很多研究关注了足底筋膜贮存弹性势能的功能[28,41]（图2）。这种韧带主要是保证足弓骨性结构的完整性[2]，以及在推进过程中保障足部作为杠杆功能的刚度[18]。足底筋膜可以进行弹性势能的贮存和释放，其这种功能在跑步中的贡献尚未充分研究。但是，足底筋膜是足部唯一可以因为足弓压缩和跖趾关节伸展而被拉长的结构[56]。足底筋膜因为这种特点可以将其视为一个有效弹簧，当冲击力作用于足弓而使其产生压缩时，可以根据不同的应力调整足部的弹性功能，所以，弹性势能也可以贮存在内侧纵弓的其他韧带。

图2 足底筋膜示意图

Figure 2. The Structure of Plantar Fascia

注 ：A.足底筋膜韧带；B.足底筋膜与跟腱的解剖位置[37]

关于跑步中足底筋膜应变调节的研究提到[34]，支撑期足底筋膜应变逐渐增加，直到支撑期的60%时，该应变达到峰值。这一过程中，足底筋膜贮存了弹性势能，在支撑期后40%阶段，由于内侧纵弓的回弹，足底筋膜的弹性势能开始释放。而足弓回弹的功能主要是产生重力势能和动能以推进身体向前运动。当对患有严重足底筋膜炎的患者实施足底筋膜切开术后发现，通过足底传递的力量会大打折扣[15]。

除了足底筋膜本身的能量贮存和释放的特性外，足底筋膜还可以在跖趾关节和足弓之间传递能量，辅助其做功。这种功能并不罕见，如下肢双关节肌如腓肠肌，可以为近端关节和远端关节传递能量[46]。足底筋膜传递能量的机制具有两个优势[34]：1）跖趾关节和内侧纵弓骨性结构之间传递额外的能量有利于帮助推进；2）在推动阶段，足底筋膜对足弓做功的贡献，而不单纯依靠其之前储存的弹性应变能量，所以应变导致的足底筋膜的损伤风险会更低。

2.3 足弓的主动弹性成分——足内在肌∕足外在肌

核心稳定性已经受到了临床医学和运动损伤领域的广泛关注[29]。其概念主要专注于脊柱-骨盆-髋关节稳定性在正常的下肢运动模式中的作用，包含起到稳定效果的深层小肌群和外层控制运动范围的大肌肉群[4]。现已有学者将核心稳定性的概念引入到足部，认为足部的内在肌（图3）和外在肌同样起到维持足弓的稳定性和整个足的运动[35]。然而，近期几篇关于临床证据的研究和指南中提到，足底筋膜炎[55]如胫后肌腱功能障碍、内侧胫骨应力综合征和下腿痛等疾病一样，都没有在治疗过程中加入足部肌肉力量强化。

足的内在肌和外在肌作为足弓的主动支撑结构附着在足部，可见足弓还受局部的稳定结构和外在运动控制结构（表1）影响。局部的稳定结构为足底内的4层起始于或止于足部的肌肉。对足底内在肌的描述最多的即其功能与纵弓和横弓的半弧形结构有关[50]。浅层的两层肌肉排列与足内外侧纵弓一致，深层的两层肌肉与前后横弓相似。这些肌肉通常有较小的力臂，较小的横截面积，在每一次的步态中，4层足内肌控制着足弓的变化角度与速度，承担足弓的负荷，对足弓的运动进行协同与调整，稳定足弓[35]。同时，足的外在肌，起始于小腿，跨过踝关节，止于足部，通过其较长的肌腱控制足部整体运动。这些肌肉有较大的横截面积，较大的力臂，是足部的主要动力，同时也为足弓提供一定的稳定性[35]。例如，跟腱源自小腿三头肌，与足底腱膜有共同的接点，小腿三头肌的肌力增加会造成足底筋膜的张力增加[11]。该现象对于足部的运动来说，是非常重要的，在步态中影响足部灵活性和刚性之间的协调与转换。足外在肌的肌腱方向清楚地说明了它们对纵向足弓和横向足弓提供动态支持和控制的能力。这些控制足部整体运动的肌肉在动态任务中既可以吸收冲击，也可以提供推进力。

图3 足底与足背内在肌[35]

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

注 ：1.拇展肌；2.趾短屈肌；3.小趾展肌；4.足底方肌（注意插入屈指肌腱）；5.蚓状肌（注意从趾长屈肌腱起源）；6.小趾屈肌；7.拇收肌斜头（a）和横头（b）；8.拇短屈肌；9.足底肌；10.足背肌；11.趾短伸肌。

表1 踝足部肌肉的相对肌力[1]

由此可见，足部的肌肉与肌腱的功能对于维持足部内在结构的稳定与外在足部整体的运动是不可忽视的，如当跖趾关节在重复等张收缩后，足部固有肌肉出现疲劳现象时，健康受试者站立条件下的足舟骨高度会出现明显的下降[19]。同时，Kelly等人在探讨对受试者下肢施加受试者身体质量的0%～150%的负荷与足部肌肉激活情况的研究中指出，随着施加负荷的增加，拇展肌、趾短屈肌和足底方肌激活明显增加，当负荷增加到身体质量的125%时，足弓高度和肌肉长度的变化开始维持稳定，负荷持续增加至150%时，肌肉激活持续增加[23]。因此，在探讨如何预防足弓或者足底损伤以及损伤后的康复手段时，都应重视足内在肌和外在肌的肌肉力量与肌腱的功能，在提高足弓局部稳定性的基础上，加强足弓对外做功，利于在步态蹬伸阶段足弓的弹性势能的释放与利用。

3 足弓在跑中的作用

3.1 跑姿的分类

人类进行长距离跑已经有两百万年的历史，现如今跑步是全世界最流行的运动项目之一[54]。已有研究表明，跑步不仅可以减少心血管疾病的患病风险，还有利于提高机体的心肺功能[21]，促进精神健康和体重控制[20]。然而，跑步造成的运动损伤也同样受到学者的广泛关注，2007年一篇系统评价分析中指出[17]，下肢因跑步造成的损伤率由19.4%上升至79.3%。其中常见的损伤有内侧胫骨应力综合症、慢性跟腱病、足底筋膜炎、踝关节扭伤、髂胫束综合症及髌股关节疼痛综合症等。目前，公认的跑步损伤风险因素包括年龄和性别等先天因素，还有生活方式和跑步里程等后天因素。除此之外，跑步的着地姿态可能也是造成跑步损伤的重要因素[49]。

随着跑步运动的泛化，1980年，Cavanagh和Lafortune将足部着地模型定义为足部与支撑面的初始接触点。根据跑者足部着地冲击的方式，将跑步技术进行分类：1）后足部分先着地方式（后跟着地）；2）前足部先着地方式（前掌着地）；3）前足部和后足部同时着地方式（足中部着地）[8]。2007年对参加半程马拉松（15 km）的248名跑者的调查研究中发现，23%的跑者采用足中部着地方式，仅有1.4%的跑者采用前掌着地方式，超过75%的跑者采用足跟着地方式[49]。

然而，从力学角度来看，着地期的不同阶段下肢肌骨系统的功能不同，下肢的肌腱、韧带和肌肉在着地阶段的前半期贮存弹性势能，随后在着地阶段的后半期弹性成分发生回弹，帮助推动身体质心向前向上运动[44]。但是，不同的着地姿态，足部的作用机制与效果是明显不同的。

3.2 足弓在不同跑姿中的力学作用

前掌着地跑姿和后跟着地跑姿是两种不同的足部力学-弹簧模型[44]（图4）。在前掌着地跑（图4A）着地瞬间，会在纵弓形成3点受力情况，身体质心向下的力直接作用于踝关节，地面反作用力直接作用于跖趾关节处，踝关节后侧跟腱提供一个向上的力来维持足的平衡。而在后跟着地跑（图4B）冲击阶段足弓受到的压缩很小或几乎没有，这是因为地面反作用力在踝关节下后方，与身体质心向下的力量相对，胫骨前方的肌肉力作用于内侧楔骨。这些力的因素在足全掌着地前会强化足弓的刚度，妨碍足弓吸收由冲击产生的任何能量。

图4 前掌着地与后跟着地的足弓力学分析

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，身体向下对踝的作用力；F，胫骨前肌肉力；FFS，Fore-foot strike，前掌着地；RFS，Rear-foot strike，后跟着地[44]。

由此可见，从运动学和动力学两方面对足部着地特征进行分析可知，前掌着地姿态对足部及腿部的肌肉能力要求更高。因为前掌着地跑的摆动末期，由于拇外展肌的激活持续增强，可以增加足中部的跖屈，提高着地前的足弓高度，这可以使足弓在着地期的形变范围增加，减少足中部的刚度，而并不是通过改变足中部的形变峰值来降低足中部的刚度[24]，衰减更多的垂直地面反作用力[32]。同时，由于该跑姿对足部肌肉的刺激较大，足部肌肉的激活增加，足部肌肉配合足弓弹性势能的释放进行发力，可在蹬伸期提高对外力量输出[24]。而习惯后跟着地姿态的跑者，首先因需承担由着地姿态导致更大的冲击力和负载率，也就意味着后跟着地跑者会承受更高冲击应力造成的损伤风险[39]。其次，足弓仅在全掌着地阶段发生压缩，但是，从支撑中期到支撑末期，足部的绞盘效应开始发挥作用，跖趾关节的伸展可以增加足底筋膜的张力，衰减足部的缓冲性能，使足部的刚度逐渐增加，体现出足部的杠杆功能，此时足弓需要完成蹬伸，力量由后足向前足传递的过程中，配合踝关节跖屈，使力有效传递至地面[16]。这无疑是对足部肌肉力量收缩的要求高于对足弓弹性势能的释放。但是，纵弓的最大形变量并不受着地方式的影响[24]，可见，在足弓压缩期与随后蹬伸阶段的主动做功，足部的主被动弹性成分起到的保护与支持的效果，也更体现了在前掌着地模式下，足弓没有因为着地方式而成为足弓过度压缩的原因。

3.3 足弓与下肢刚度的关系

包括人类在内的大型哺乳动物，在跑动时可通过腿和足部的弹性结构节省大量的能量[28]。如在跑步的支撑期，人体下肢会出现“压缩和回弹”现象。支撑前半期垂直地面反作用力增加阶段，髋关节、膝关节和踝关节会相继屈曲，将动能和势能作为弹性势能储存起来[36]；支撑后半期地面反作用力减小阶段，三关节会再依次伸展，将弹性能量释放。这种机制可以保证在足部的每一次触地阶段弹性势能和动能的循环。同时也保障了质心运行轨迹的稳定。中枢神经系统具有调节下肢刚度的能力，可以使跨越不同地形时身体质心在垂直方向上起伏最小[14]。

根据下肢的压缩和回弹的现象，现有大量研究将腿部视为一个质量—弹簧模型来分析下肢刚度的变化，以期了解复杂的下肢运动特性。简单而言，刚度即物体形变与施加力之间的关系。已知足部对腿—弹簧（leg—spring）模型有很重要的影响[28,32]，Lieberman等人将足部和腿看作是L型的双摆模型来探讨着地冲击对下肢运动的影响[32]，通过这个模型可以确定两个可以减少碰撞有效质量和瞬时冲击量级的生物力学因素，即足部着地位置和踝关节刚度。足跟着地姿态通常是冲击力作用于踝关节下方，在足和腿质量中心的下方，冲击阶段跖屈角度变化量较大。因此，踝关节将一部分平动能（translational energy）转化成转动能（rotational energy），而大部分的平动动能（translational kinetic energy）在冲击中损耗，增加了下肢的有效质量[10]。前掌着地姿态冲击力作用于足前部，足跟在小腿三头肌和跟腱的控制中下落伴随踝关节背屈。地面反作用力是使足部相对于踝关节转动的扭转力，将下肢部分平动能转化成转动能（rotatioanl kinetic energy）可以减少碰撞的有效质量，此时前掌着地瞬间踝关节刚度较低。而足中部着地时下肢的有效质量值介于前掌着地和后跟着地姿态的中间。

由此可见，后跟着地跑者的每一次足部触地，足踝部刚度较大，身体需承受的冲击量级也更大。尽管冲击力与损伤之间尚没有明确的关系，但是，重复作用的冲击力，尤其是在着地瞬间突然产生，具有较高负载率和量级的冲击力，仍是导致跑步损伤的高风险因子[32]，可造成胫骨压力综合征[39]和足底筋膜炎[17]等运动损伤。

3.4 跑鞋对足弓功能的影响

约5万年前，人类就发明了类似于凉鞋或拖鞋[53]的鞋，而鞋类可以保护跑步时足部的机械能和热能的功能作用也已经持续了几千年之久[30]。但直到1970年，人类才发明了跑鞋，与同一时期跑步运动的流行同步发展，共同作为时下追求娱乐的流行元素[9]。

现代跑鞋的特征性定义即具有较厚的粘弹性材料制成的中底，可以在跑步周期的负载和非负载期进行压缩和回弹[5,43]。这种特征，常被称为缓冲功能，相对于下肢和足部，鞋子可以像弹簧一样发挥作用，在足部触地瞬间，吸收潜在具有伤害性的瞬态冲击力[3,7]，同时在推进期可以释放这一部分的能量，以产生推进的效果[6]。现代跑鞋的另一个关键性特征是可以对足弓提供外在的支撑作用，减少足弓的肌肉和韧带的过度紧张[7]。

已有研究明确表明，后跟着地跑着地时刻的瞬时冲击是一个突然加载且具有较高负载率和量级的负荷，该负荷可以快速的传入人体，从而可能导致跑步相关损伤的高发病率，尤其是胫骨应力性骨折和足底筋膜炎这两种疾病[17,39,45]。人类足跟垫可以缓冲瞬态冲击力，但是贡献较小[27]，而后跟着地跑者必须反复承受垂直地面反作用力，在着地冲击阶段，该力值约为1.5～3倍体重[32]。尽管如此，超过75%的跑步爱好者仍习惯采用后跟着地的方式进行跑步[24]。现代跑鞋在较宽大的鞋跟处使用弹性材料可以吸收一部分的传递力并将冲击的传递时间延长，可以使后跟着地跑变得舒适，减少损伤[42]。

虽然缓冲跑鞋可以缓解一部分的着地冲击，但是在过去40年内，跑步相关的损伤率并没有发生变化[38]，这引发了一个值得思考的问题，就是缓冲跑鞋在预防损伤中的效果[26]。此外，很多学者甚至提出了质疑，是否缓冲跑鞋衰减了足部的功能[13,48]。这些学者推测，在跑者和地面之间较厚的缓冲介质损害了机械感受器的反馈，因此，中枢神经系统根据冲击传递调节下肢和足部—弹簧的刚度的固有能力受到了影响[22,31,48]。此外，后跟着地跑者更依赖缓冲跑鞋的缓冲性能，而不是人体固有的自然结构：肌肉和肌腱[32]。

此外，由于鞋底的弹性性能会随着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后需要及时更换跑鞋，以减少受伤的风险，如足底筋膜炎[52]。对这种损伤的可能解释是许多习惯穿鞋跑步者，由于长期足弓处于外在支撑条件，足内在肌功能较弱，当鞋底弹性性能下降时，这些足部肌肉和足底筋膜必须做更多的功[44]，以完成将身体向前推进的任务。

4 总结

综上所述，足弓的形态与功能都离不开足部肌肉的贡献，而足弓的功能不仅仅作用于足部，甚至影响中枢神经对下肢着地策略的调整。后跟着地跑者无论是跑姿决定的在着地冲击阶段足弓压缩较少，还是缓冲跑鞋对足弓的外在支撑及鞋底弹性势能的作用，都使得足弓的弹性势能贮存能力下降，直接影响足部肌肉对足弓的支撑能力与后续发力能力。所以，对于后跟跑者，尤其是长期穿着缓冲跑鞋的跑者来说，为避免发生足部肌肉功能弱化的现象，强化足部肌肉力量，增强足弓功能是必须的训练课。此外，在足部损伤康复过程中也不应忽视足弓内在肌群和外在肌群的力量训练。

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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，FU 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

国家自然科学基金项目(11772201;81572213;11572202)。

张燊,女,在读博士生,主要研究方向为运动生物力学,E-mail:zhangshen0708@163.com;张希妮,女,在读硕士生,主要研究方向为运动生物力学, E-mail:zhangxini1129@163. com; 崔科东,男,在读硕士生,主要研究方向为运动生物力学, E-mail:15618971770@163.com。