半程马拉松跑后足形态变化及功能袜干预研究

杨一卓 矫玮 张喆安 杨健 郑宇 谢思源

1 北京体育大学运动医学与康复学院（北京100084）

2 空军特色医学中心康复医学科（北京100048）

3 上海市第一康复医院康复治疗中心（上海200090）

4 广州体育学院运动与健康学院（广东广州510620）

5 北京抒坦运动康复中心（北京100101）

运动中急性损伤和过度使用损伤的预防应基于损伤模式的探讨，首先要了解运动中的人体变化，然后进行针对性的应对处理。跑步的动作是两腿交替进行的落地缓冲—蹬地离开的过程，当一个固定的动作模式不断反复重复很容易出现疲劳，导致过度使用损伤，而足往往是最先出现疲劳的部位[1]。低足弓和高足弓跑者长距离跑后容易造成足形态变化，出现足弓疲劳性下降[2-3]，但这种情况是否在正常足弓形态的跑者中出现，并且具体变化是旋前还是旋后[4-8]尚存争议。目前关于跑步损伤防护产品的研发集中在足、跑鞋和功能鞋垫上[9，10]，实际应用中发现，能够紧密贴合足部的防护产品在长距离跑中更能稳定持久地发挥保护效益，所以功能袜等产品可能成为未来研究的热点[11-13]。本研究观察了业余跑者在无支撑状态下进行长距离跑后足形态及疲劳的变化，并进一步研究当借助特殊功能袜对足形态进行支撑干预后是否可以改善足形态及疲劳变化程度，为马拉松业余跑者预防过度使用损伤以及提高运动表现提供依据和思路。

1 资料与方法

1.1 研究对象

2018年7月～11月，调查有跑步习惯的跑步爱好者，即业余跑者。纳入标准：①年龄≥18 周岁；②跑步习惯定义为每周至少跑2次且每次至少持续30 min或周跑量＞20 km，并且已经坚持至少2年以上；③业余水平。邀请来自运动医学和马拉松领域专家（相关领域经验10年以上）共15人，进行专家讨论，定义业余水平为参加过国内马拉松协会认证的马拉松相关赛事但比赛成绩与职业选手没有可比性；④习惯落地方式为足跟落地，足跟落地定义为足落地时瞬间接触地面处为鞋底的后三分之一部分[13]，在进行足底压力测试时，根据实际跑动中足底落地情况进行确定；⑤静态观察正常足弓即足形态测试得分在1～7分；⑥近半年有参加并完成全程马拉松的经历；⑦近1年（12 个月）没有影响正常跑步训练计划的骨骼肌肉损伤。

排除标准：①有可能影响跑步的慢性疾病或骨科问题（关节炎、骨质疏松症、冠心病、癌症、下肢韧带或软骨损伤、关节置换术或重建术、影响跑步的急性骨骼肌肉损伤、过去6 个月出现跑步引起的过度使用伤）；②近5年有下肢手术史：③既往存在严重的膝-踝损伤或下肢损伤导致下肢形态学发生改变；④明显的长短腿；⑤存在平衡障碍；⑥足踝有水肿等影响足形态测试的情况；⑦没有完成2次半程马拉松测试，以及在研究期间出现疼痛或不适影响跑步和测试。

所有符合条件的受试者需要在研究开始前阅读本研究的知情同意书，了解研究目的和流程，同意并签字确认后，才可参与。

1.2 研究方法

1.2.1 测试方法

每名受试者均进行两次测试，包括1 次空白实验和1 次足形态干预实验，其中空白实验的目的是观察受试者跑后足形态及疲劳变化，足形态干预实验的目的是观察足形态干预后足形态及疲劳变化是否被推迟。两次实验除袜子不同之外，其他服装要求保持一致。测试流程见图1。

图1 测试流程图

空白实验要求受试者穿着普通跑步标准袜（含53%棉和47%聚酰胺纤维）进行测试，足形态干预实验要求受试者穿着具有维持足弓编织纹理（特殊编织纹理：自足外踝髁上方向下经足底中足到内侧足弓第1跖趾关节底为止，重复编织交叉罗纹纹理以起到支撑维持足弓形态的效果）的功能袜（含43.5% 聚酯纤维，42.0%尼龙和14.5% Lycra®氨纶）进行测试。采用投硬币的方式随机决定受试者进行两次实验的先后顺序，受试者仅被告知2次实验穿戴不同款式运动袜但并不了解具体差异，避免出现心理暗示。为保证良好测试状态，要求受试者测试前1天避免较大强度运动，正常饮食并保证充足睡眠。两次实验间隔至少1 周，两次实验期间不参加任何长距离跑（超过10 km）的比赛，保证受试者有充足体力进行下一次测试[14]。为避免测试环境、天气、温度等其他外部因素影响，两次实验要在1个月内完成。每次实验开始前都进行10 min充分的动态热身。

半程马拉松跑全程共21.0975 km，均在标准田径场400 m塑胶跑道完成（地点：北京体育大学英东田径场），跑步时受试者穿着舒适的跑鞋且自行选择跑速（因为跑步距离较长，穿着不熟悉的跑鞋、规定相同跑速容易造成身体不适应，导致跑步动作发生改变而无法得到自然状态下的足形态变化结果[5]）。

1.2.2 观察指标

①主观体力疲劳程度评估。两次实验的半程马拉松跑后即刻，工作人员会对受试者发放主观体力疲劳等级量表，让其对当下时刻主观疲劳程度进行打分，得到主观用力程度（rate of perceived exertion，RPE）评分，6～20 分依次代表从轻松到疲劳到体力耗竭，其中12～14 分为“稍感困难”，15～16 分为“困难”，17～18分为“非常困难”[15]。

②足形态测试。静态足形态测试采用足形态指数（foot posture index，FPI）测试[16]，该测试与影像学检查相关性良好，可重复性好[16]，在实际预测过度损伤中有意义[17]。FPI 测试包括6 个观测区域，并分级计分，-2代表显著旋后，+2代表显著旋前，除第1项评分需要触诊，其余5 项评分均为观察评分[18]；6 个单项得分算总和，评分标准为：＜-3为重度旋后，-3～0为轻度旋后，+1～+7 为正常，+8～+10 为轻度旋前，＞+10 为重度旋前[8]。本次实验自始至终由1名测试人员负责评估测量，重测信度为[组内相关系数（ICC）＞0.85 ]，该测试人员对FPI测试非常熟悉并且操作熟练，但对本研究的目的并不了解。本测试要求裸足，共进行3次，测试开始前对受试者进行第1次足形态测试以获得基本足形态信息，正式的两次实验结束后分别进行一次足形态测试以获得跑后足形态变化情况。

③足底压力测试。动态足形态变化通过足底压力测试来反映。足底压力变化采用Footscan 平板式足底压力测试系统（Rscan 公司，比利时，40 cm×100 cm，500 Hz，0.25～125 N/cm2）描述。考虑到跑步为对称性运动，所以本研究选择记录主力腿侧的足底压力情况。给受试者1 个足球，3 m 远处放一个标记点，在不进行任何提示的前提下，让受试者把球踢向标志点，踢3次，最少2次使用到的一侧踢球腿定义为主力腿。跑速同半程马拉松跑速，1只脚完整踩踏在足底压力板且为非刻意踏板动作记为成功，记录3 次取平均值。测试前预跑3～5 次熟悉，起跑点自行选择。本测试共4次，分别是两次测试的跑前和跑后各1次，空白组测试穿标准袜，足形态干预实验穿功能袜。

足底基于解剖学将其分成10 个分区：第1 趾骨（toe 1，T1）、第2～5 趾骨（toe 2～5，T2～T5）、第1～5跖骨（metatarsal 1～5，M1、M2、M3、M4、M5）、足中部（（mid Foot，MF）、足跟内侧（medial Heel，HM）和足跟外侧（lateral Heel，HL）[19]，其中足前区包括T1、T2～T5和M1～M5，足中区包括MF，足后区包括HM 和HL。足初始触地到离地的过程可划分为4个时相，分别为：后足触地时相（initial contact phase，ICP）、前足触地时相（forefoot contact phase，FFCP）、前足放平时相（foot flat phase，FFP）、前足蹬离时相（forefoot push off phase，FFPOP）。具体足底压力时相见图2。

图2 足底压力时相（受试者崔某，48岁，男，第1次跑前测试结果截图）

足底压力测试指标为：①最大压强（max pressure，MP）：该区域垂直方向作用在足底的最大峰值力与该区域单位面积的比值，单位为N·cm-2。②最大峰值力（max F，MF）：该区域垂直方向作用在足底的最大负荷，单位为N。③冲量（impulse，I）：该区域垂直方向作用在足底负荷与力作用时间的乘积，单位为N·s。④内外足平衡（foot balance）：本研究定义为足接触压力板的整个过程不同时相足内侧和外侧接触压力板的压力变化，即在该时相足的内翻或外翻情况，公式为[4]：[（T1+M1+HM）-（M3+M4+M5+HL）]/（T1+M1+M3+M4+M5+HM）。

1.3 统计学方法

采用统计软件SPSS17.0 对数据进行处理和分析。计数资料采用均数± 标准差来描述，所有数据通过ShaPiro-Wilk检验是否符合正态分布，符合正态分布数据采用配对样本t检验，不符合正态分布数据采用Wilcoxon符号秩和检验，重复测试数据采用重复性方差分析。检验水准α=0.05。

组内实验前后变化结果用变化率表示，具体公式为：跑步前后变化率=（跑后测试结果-跑前测试结果）/ 跑前测试结果×100%.

为避免个体差异的影响，通过体重对力的指标最大峰值力和冲量进行标化，标准化后单位分别为BW和BW·s，标化体重公式为：标化MF=MF/（体重×9.8）。

2 结果

2.1 受试者基本情况

招募受试者42 人，符合条件者34 人，1 人没有完成第1次实验，8人没有完成第2次实验，最终完成研究并获得有效测试数据者共25 人。其中，男17 人，女8人，年龄39.48 ± 9.50岁，身高165.72 ± 6.43 cm，体重62.65 ± 9.02 kg，身体质量指数（BMI）为22.72 ±2.27 kg/m2，跑龄为4.32 ± 1.37年，周跑量为38.60 ±9.85 km，近1年完成全马3.04 ± 2.41次。

2.2 Borg主观疲劳程度

受试者空白实验和足形态干预实验中，半程马拉松跑用时分别为2.04 ± 0.30 h和1.97 ± 0.21 h，差异无统计学意义（t=1.503，P=0.142）。RPE 得分，空白实验为15.16 ± 1.63分，为主观感觉到“困难”；足形态干预实验为12.64 ± 1.82分，为主观感觉为“稍感困难”；两次实验RPE 得分比较差异有统计学意义（t=4.337，P=0.000）。

2.3 足形态结果

受试者跑前FPI 为3.64 ± 1.68 分，空白实验跑后为4.28 ± 1.84分，足形态干预实验跑后为3.48 ± 1.56分。空白实验（P=0.13）和足形态干预实验（P=0.57）跑后得分分别与跑前比较，差异均无统计学意义；且两次实验跑后得分比较，差异亦无统计学意义（P=0.10）。

2.4 足底压力结果

与跑前相比，受试者空白实验跑后T1、T2～5、M1、M2、M3 最大压强显著增加（P＜0.05），足形态干预实验跑后M2、M3、M4 和MF 最大压强显著增加（P＜0.05），T1、T2～5、M1、HM、HL 非常显著增加（P＜0.01），见表1；受试者空白实验跑后T1、T2～5、M1、M2、M3、M4 标化最大峰值力显著增加（P＜0.05），足形态干预实验跑后标化最大峰值力M3、M5、MF、HM 显著增加（P＜0.05），其他区域非常显著增加（P＜0.01），见表2；受试者空白实验跑后M2 冲量显著增加（P＜0.05），T1、T2～5、M1、M3 非常显著增加（P＜0.01），足形态干预实验跑后T2-5冲量均显著增加（P＜0.05），HM 非常显著增加（P＜0.01），见表3；受试者空白实验跑后FFCP 和FFP 时相足内外平衡压力比显著增加（P＜0.05），足形态干预实验各时相比较差异均无统计学意义（P＞0.05），见表4。两组对比足底各分区相关指标跑步前后变化率差异均无统计学意义（P＞0.05），见表5、6。

表1 两次实验受试者足底最大压强比较（N·cm-2）

表2 两次实验受试者足底标化最大峰值力比较（BW）

表3 两次实验足底冲量跑步前后结果（102·BW·s）

（续表3）

表4 两次实验受试者不同时相内外足平衡压力比较（N）

表5 两次实验足底各分区相关指标跑步前后变化率比较（%）

表6 两次实验内外足平衡跑步前后变化率比较（%）

3 讨论

完成一场全程马拉松需要重复五万五千多次的落地和蹬伸动作，应力负荷不断累积，容易产生超出组织承受能力的叠加疲劳效应，导致人体运动生物力学的改变，这是过度使用损伤产生的病理性基础[20]。以往研究认为，长跑人群60%的足损伤和29%的膝损伤是由于足形态和足底压力变化造成的[21-22]，跑鞋和鞋垫对于纠正或延缓这一变化的效果尚存有争议[9-10]。过去几乎未见研究讨论过正常足形态的业余跑者半程马拉松长距离跑后足形态疲劳变化情况，本研究观察发现，正常足形态业余跑者长距离跑后虽然足形态没有显著变化，但是足底压力结果显示前足的足底压强、峰值压力和冲量显著增加，内外足平衡显著增加，提示出现足弓疲劳性下降，而借助功能袜进行足形态干预可以改善这种现象。

3.1 业余跑者半程马拉松跑后足弓疲劳性下降

以往研究已经证实，高足弓和低足弓足形态跑者长距离跑后会出现足弓疲劳性下降[2-3]，本研究发现正常足弓业余跑者长距离跑后也会出现类似现象。足弓下降会导致下肢力线发生改变：长距离跑后对抗足旋前的足踝肌肉和足底肌肉出现疲劳，尤其是胫骨后肌等维持足弓形态的肌肉疲劳导致内侧足弓高度下降，足内侧压力增加[23]，足落地缓冲能力下降，同时胫骨旋转，向上增加膝扭转负荷，导致髂胫束综合征[24]和髌股疼痛综合征[25]等跑步伤高发。本研究受试者在半程马拉松跑后进行足底压力测试，结果显示，前足的压强和冲量均显著增加（P＜0.05），这与以往研究观察到的足疲劳状态结果相一致[1，3，5]；并且内侧跖骨底区域的足底压力显著增加，提示内侧横弓下降[1]，这与以往研究受伤后跑者的足底压力变化[26]相类似。前足触地时相和前足放平时相代表足落地缓冲阶段，本研究受试者半程马拉松跑后在这两个时相内的内侧压力相对于外侧显著增加，意味着缓冲落地时足的冲击力增加[3]。

本研究发现一些与以往研究不一致的地方。Gallo等[1]研究发现低足弓跑者跑后足趾区压强下降而高足弓跑者正好相反，也有研究观察到长距离跑后跑者的跖骨底区压强增加而足趾区下降[4，7，27]，而本研究跑者跑后足趾区和跖骨区压强显著增加。造成结果不一致的原因可能与受试者足形态有关，本研究跑者均足弓正常，而其他研究并没有明确区分受试者足形态或受试者不属于正常足弓。结果差异还可能与穿袜子测试有关，本研究要求受试者穿袜子进行测试，穿袜相对于光脚跑和穿鞋跑摩擦力小，半程马拉松跑后由于肌肉疲劳，足踝控制力下降，为了维持平衡反而造成脚趾增加主动抓地的动作，导致该区域压强增加，并且袜子把足趾和跖骨包裹在一起，也会导致脚趾落地时压强增加[28]。

FPI 测试被认为是目前反映静态足形态信效度较高的评估方法[29]，但是评价运动后足形态的疲劳变化的可靠性尚存争议[6-8]。本研究中受试者进行半程马拉松跑后足形态并没有显著变化，但是足底压力结果显示动态跑动过程中足形态出现了变化，提示静态足形态测试结果正常并不代表实际动态跑步时足形态没有发生变化。

3.2 干预维持足形态可以延缓足弓疲劳下降

以往研究发现，新手跑者由于经验和训练不足会出现足弓下降[1]，本研究选择有多年跑步经验的业余跑者同样表现出相似的结果，可能与业余跑者缺少专业的、针对性的专项训练有关，并且其跑量和跑步经验的累积有限，维持足形态的足底和踝周功能肌群抗疲劳能力较差，更容易出现足弓疲劳性下降。因此，为了预防足弓疲劳性下降进行保护性干预是必要的。使用维持足形态的护具可以延迟相关足底肌肉疲劳的产生[30]，本研究借助特制的功能袜给予足弓一个向上的支持力，维持了足弓的形态，并且这个效果可以保持到半程马拉松结束，提示采用功能袜可以起到延缓足弓下降的效果。

RPE得分可以反映耐力项目运动后的主观疲劳程度[13]，跑步的动作一以贯之，参与者很容易出现主观疲劳，这会降低动作的灵活性和协调性，使神经肌肉控制能力下降，造成动作变形和姿势不良，最终出现损伤[22]，因此，延缓大脑疲劳，降低主观疲劳感，也是减少过度使用损伤的重要一环[13]。运动袜紧贴皮肤，在跑动中的舒适度直接影响跑者的跑步状态，因此，主观指标结果不容忽视。本研究两次测试的RPE结果具有非常显著性差异（P＜0.01），其中空白实验时受试者感觉更疲劳，而足形态干预实验感觉较为轻松，这提示在跑步中穿戴具有支撑功能的功能袜可以为跑者提供一个良好的足弓形态维持反馈，减少大脑对足底肌肉协调控制的关注力，从而起到降低跑者疲劳感的作用。

足形态干预实验跑前和跑后最大压强、最大峰值力和冲量的结果均高于空白实验的原因，可能与受试者第一次穿戴功能袜出现一定的不适应有关，由于功能袜在维持足形态的同时也会对足踝运动造成一定限制，所以在实际使用中需要一段时间的适应期。

3.3 足形态干预手段的选择

跑步的损伤防护一般从足入手，目前市面上功能性鞋垫等防护产品种类多，但是其大小、材质、贴合度、与跑鞋的匹配度、舒适度等问题[8-9]，影响跑者的接受程度；而袜子恰恰可以避免以上问题，再进行功能性的改造使其兼具防护效果，其接受程度会更高[11]。功能性改造可以借鉴贴扎的防护思路，将贴扎技术缝入袜子里，弥补肌贴不牢固、易掉落的局限性，延长支撑效果，非常符合长跑特点。本研究中跑者对功能袜这种足弓干预方式接受度和满意度较好。但本次研究为一次性效果的观察，结果具有一定的局限性，针对维持足形态的功能袜的研究刚刚开始，要进一步考虑如何平衡其支持功能与限制程度的关系，后续研究应增加长期观察。

本研究发现，足弓形态正常的业余跑者长距离跑后虽然静态足形态没有发生显著变化，但是足底压力发生显著变化，包括前足的足底压力指标显著增加和内侧足底压力相对于外侧明显增加，提示出现了足弓下降和足外翻增加；穿戴功能袜维持足弓形态后，受试者主观疲劳程度降低且足底压力结果得到改善。本研究结果表明，长距离跑后虽然静态足形态没有显著变化，但是在跑步过程中存在足弓下降，导致足外翻，给予足形态维持干预对长距离跑疲劳产生有延缓效果。

（利益冲突声明：本人保证研究的独立性和科学性，对数据的完整性和数据分析的精确性完全负责。本研究经费由国家体育总局基础研究重点课题“足踝运动防护体系的构建（2017B005）”基金资助，资助者不干扰本人研究进程，资助细节受监管机构规范约束，如必要可向公众公开。本研究使用袜子产品根据研究需求由研究小组自行选购，与袜子厂商无关，与基金项目无关。）