扁平足人群跑步过程中下肢运动学与动力学研究

邵雪荣　郭沄洁　王红艳　刘怡然　冯茹

摘 要：目的 探究扁平足人群在跑步过程中与正常足人群的差异，提供跑步建议。方法 以20名男大学生为研究对象，10名足弓为正常足，10名左足为扁平足；采用英国Vicon （T20&T40）红外光点高速运动捕捉系统和美国AMTI（OR6-GT）三维测力台获取运动学与动力学数据。结果 扁平足人群在着地时踝外翻角度显著大于正常足人群（P<0.05）；踝内翻最大值显著小于正常足人群（P<0.05）；踝背屈力矩最大值上显著大于正常足人群（P<0.05）；左膝屈曲最小角度显著大于正常足人群（P<0.05）。结论 足弓塌陷导致踝关节外翻增加；跑步中踝关节和膝关节的背屈与屈曲增加用以代偿足弓塌陷导致的缓冲作用减弱。

关键词：扁平足 跑步 生物力学

中图分类号：G80-32 文献标识码：A 文章编号：2095-2813（2018）10（a）-0027-03

近年来，我国的马拉松赛事呈现井喷式的增长，2017年，中国各类规模马拉松赛事场次达到1102场，而2011年注册仅为22场，7年间赛事总量翻了50倍之多[1]。

扁平足是指足纵弓的塌陷或消失，由于足底没有良好的支撑，起不到缓冲的作用，内脏器官及脑部无法免于震荡，可能容易疲劳和疼痛[2]。目前关于扁平足的生物力学研究较少，在步行、纵跳和举重等项目中扁平足表现出不同的生物力学特征，在运动学上表现以踝关节外翻和背屈角度改变，动力学上表现为肌肉使用过度，做功增加，效率降低等[3-7]。

扁平足人群在跑步人群中广泛存在，在步态、足底压力方面与正常足人存在差异[7]，但扁平足人群在跑步过程中，下肢关节的受力情况及关节角度变化等情况仍未可知。

本文将从扁平足人群与正常足人群在运动学和动力学上的差异进行分析。由于足弓塌陷，扁平足的缓冲作用减小，膝踝的屈曲角度可能较大，屈膝屈踝肌力矩可能会增加。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

以20名男大学生为研究对象，10名足弓为正常足，10名左足为扁平足，均从左下肢获取数据。筛选标准：（1）足部无畸形、无异常步态；（2）体态正常，身体质量指数（Body Mass Index， BMI）正常，年龄在18～22岁之间；（3）一年内无严重足部外伤史；（4）下肢关节活动度正常。所有受试者均自愿参与实验。

采用足弓指数法判定方法辨别足弓类型，应用Footscan USB2平板式足底压力测试系统进行测试。正常足弓指数在21～28之间，满足此条件归为正常组；足弓指数大于28则归为扁平足组。

经上述方法选出正常足男大学生与扁平足男大学生各10名。用SPSS 20.0对受试者的身高、体重和BMI进行独立样本t检验，结果如表1所示。

1.2 实验设备

采用英国Vicon（T20&T40）红外光点高速运动捕捉系统采集跑步中足踝膝各反光点轨迹，获取跑步过程的运动学数据，包括步长、时间、关节角度等；采用美国AMTI（OR6-GT）三维测力台采集跑步过程的动力学数据，包括力和力矩等。

测试前，在受试者身上贴上38个Marker点以捕捉关节角度、速度等运动学数据，具体贴点如表2所示，括号内数字表示贴点部位所需要的Marker点。

1.3 实验流程

（1）受试者穿跑步紧身短裤，按要求贴上38个Marker点。

（2）进行静态标定，要求受试者双手外展，与肩同宽，两眼平视前方。

（3）静态标定后，摘除膝与踝内侧的Marker点，以防止实验过程中跑步时摩擦掉落。

（4）动态测试要求受试者采用足跟着地的跑步方式，在长6m的实验场地上完成跑步动作，将速度控制在（3±0.5）m/s左右。

按照随机顺序进行跑步测试，每名受试者采集三次有效数据。同步采集跑步过程中受试者的Marker点三维坐标。

1.4 数据处理

使用Visual3D软件中进行数据处理分析。选择每位受试者3组数据中最具有代表性的一组。

以一側足跟着地到另一次足跟再次着地作为一个跑步的步态周期。支撑时间即同侧足跟着地至同侧足趾离地的时间，步长为两侧足跟的纵向距离。

通过欧拉角和逆动力学得到的数据指标，包括一次跑步周期中的时间与步长数据；膝关节和踝关节的运动学和动力学数据。为减少身高和体重对力和力矩的影响，将力和力矩做标准化处理，即将实际力除以体重得到标准化力，将实际力矩除以（身高乘体重），得到标准化力矩。

1.5 数据分析

采用SPSS 20.0软件对数据进行独立样本t检验，实验数据采用的形式表示，显著性水平设定为0.05。

2 结果

2.1 时间与步长参数

扁平足组与正常足组受试者在一个跑步周期中的时间和步长参数基本无显著性差异，如表3所示。

2.2 踝关节运动学与动力学参数

踝关节运动学参数包括跖背屈、内外翻以及内外旋角度，发现着地时踝外翻角度、踝内翻最大值两者之间存在显著性差异。

踝关节动力学参数包括标准化的踝关节前后、左右和垂直方向的力以及标准化的跖屈背屈、内翻外翻和内旋外旋方向的力矩。其中左踝背屈力距最大值存在显著性差异，如表4所示。

2.3 膝关节运动学与动力学参数

膝关节运动学参数包括屈曲、内旋和外展角度，其中膝屈曲最小角度存在显著性差异。

膝关节动力学参数包括标准化后的前后、左右和垂直向力，以及外展内收、屈曲伸展和内旋外旋方向的力矩，但未发现有显著性差异，如表5所示。

3 分析讨论

在常速跑中，扁平足组与正常足组并未表现出步长、步频和时间的不同。

常速跑着地时刻，扁平足组表现为踝关节外翻，而正常足人群着地时刻踝关节为轻度内翻，这与M Hosl， HB-ohm，C Multerer[3]和傅风琴等人[4]的研究结果相统一。在跑步全过程中，扁平足踝关节的内翻角峰值也显著小于正常人群，即扁平足人群在常速跑过程中足外翻程度增加。由于内侧纵弓的塌陷，足舟骨下移，扁平足人群形成了相应的外翻足，在跑步过程中，地面对踝关节的冲击力巨大，使外翻角度增加更加明显，而踝关节外翻增加了足底韧带和跟腱在跑步过程中的负荷，扁平足人群更易发生足底筋膜及跟腱的慢性损伤。

在踝关节动力学上，扁平足组踝关节背屈力矩显著大于正常足组。背屈的力矩越大代表背屈肌肉的做功增加越多，在跑步过程中，踝关节的背屈是发生在着地过程中的，由于足弓塌陷，扁平足的内侧纵弓缺少吸收缓冲能量的作用，因此通过踝关节的背屈增加，在一定程度上减少了地面对人体向上的冲击力，对人体具有保护作用，但是因此也会导致踝关节背屈肌，胫骨前肌、趾长伸肌和拇长伸肌的做功增加，扁平足人群常主诉小腿前侧肌肉酸疼[2-7]，这与背屈力矩增加有关。

相对于正常足人群，扁平足组在常速跑过程中膝关节的屈曲最小值较大，即常速跑过程中膝关节表现为更屈曲状态，这可增加膝关节的缓冲效果，减少内侧纵弓塌陷导致足弓缓冲地面冲击力不足，对内脏器官和脊柱有着保护的作用。

在膝关节的动力学上尚未发现明显差异，这可能由于样本量过少导致，实际情况可能存在差异，今后的研究可以增加样本量以发现膝关节动力学上的差异。

4 结论与建议

4.1 结论

（1）扁平足人群相对于正常足人群，在常速跑过程中，踝关节外翻显著增加，增加了足底韧带及跟腱负荷。

（2）扁平足人群有通过增加跑步过程中膝关节屈曲角度来代偿由于足弓塌陷导致的缓冲作用减弱。

（3）扁平足人群在跑步过程中踝关节背屈力矩较大，即胫骨前肌等背屈肌肉负荷较大，更易发生疲劳及损伤。

4.2 建议

增加样本量，防止由于样本量过少导致数据差异性不显著。

扁平足人群在跑步时要穿戴缓冲性能较好的鞋子或鞋垫，代偿足弓塌陷导致的缓冲作用减少，以减少下肢代偿导致的肌肉疲劳。

参考文献

[1] 李大文，王瑞铎，云文科，等.战士跑步训练所致下肢疲劳性损伤与足弓结构的关系[J].武警医学，2009，20（3）：214-217.

[2] 魏东凌，张文，周琳.扁平足与正常足举重运动员足底压力分布对照研究[J].中国运动医学杂志，2013，32（2）：112-116.

[3] M Hosl， H Bohm，C Multerer，et al.Does Eexcessiue Flatfoot Deformity affect function？A Comparison Between Symptomatice and Asympotmatic Flatfeet Using the Oxford Foot Model[J].Gait & Posture，2014，39（1）：23-28.

[4] 傅鳳琴，束祥，顾耀东.扁平足和正常足在纵调下的运动生物力学对比分析[A].全国运动生物力学学术交流大会[C].2016.

[5] 何颖贤，林潼，姜晨光.步态分析法在扁平足矫形中的临床应用探讨[J].世界最新医学信息文摘，2017，17（34）：103-105.

[6] 吴立军，钟世镇，李义凯，等.扁平足第二跖纵弓疲劳损伤的生物力学机制[J].中华医学杂志，2004（12）：34-38.

[7] 谢进兴.扁平足危害及矫治[J].中医药通报，2006（3）：38.