不同负荷类型运动对大学生足型的影响研究

朱瑶佳 霍洪峰,2

1 河北师范大学体育学院（石家庄050024）

2 河北省人体运动生物信息测评重点实验室（石家庄050024）

跑步、健步走、久站等是人们日常生活中的普遍行为。足作为身体与地面之间的接触部分，具有良好的力学载荷形状和复杂的结构，能适应不规则的地面，并有助于产生向前行进的动力[1]。足的骨骼、关节和相关肌肉韧带共同维持足部灵活稳定，在运动过程中起到减震和功能适应的重要作用。

运动后足部形状并非始终与运动前保持一致。孕妇在运动后足会发生姿势变化[2]。Kimura等发现，足部体积的变化取决于运动的类型，包括负重或不负重以及动态或静态活动[3]。前瞻性研究发现，新兵患胫骨内侧应力综合征的风险增加[4]、铁人三项运动员腿部过度使用受伤[5]均与长时间负重时足姿势发生变化有关。足的粘弹性特点，使其能够在与地面接触时随着负荷增大足部形变也随之增大，以此来达到减震和维持身体稳定等作用。目前运动对足型影响的相关研究主要集中于长时间耐力运动[6-10]，足型受不同运动项目、运动人员类型、肌肉疲劳、运动鞋等影响。长期从事某种运动项目会显示相应足部形态特征[11]，从事不同运动项目具有不同程度的损伤风险[12]。在一定时间累积的足-地作用力中，相同运动时间不同负荷类型运动对足型的影响可能不同，有必要在控制运动时间后进一步研究不同负荷类型运动对足型的影响。

研究不同负荷类型运动后的足型特征，有助于人们根据需要选择适宜的运动类型，并根据运动类型选择合适的运动装备。本研究观察分析自然站立、行走、跑步三种不同负荷类型运动对足型的影响，为大众运动提供运动生物力学研究的理论及实践经验，以及为运动对足型影响的研究和制鞋的研究提供参考。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选取26 名普通男性大学生为实验对象，年龄22.11 ± 1.16 岁，鞋码42.14 ± 0.69，身高175.61 ±2.80 cm，体重71.05 ± 3.54 kg，体质指数（BMI）23.09± 0.91 kg/m2，足弓指数0.23 ± 0.01。

纳入标准：①年龄20～24周岁；②体质指数18.5～24 kg/m2；③足弓指数在0.21～0.26之间的正常足弓[13-14]；④受试者在实验前1 个月内无影响实验的运动损伤；⑤实验前24小时无剧烈运动。所有受试者均了解与本实验相关的内容，在运动时受试者能够进行自我保护。

1.2 研究方法

1.2.1 实验设计

26名符合实验要求、正常足弓的青年男性受试者，以10km/h跑、5km/h走、静止站立三种类型运动进行干预实验，运动时间为1小时。①运动前和运动后测试：采用三维足型扫描仪分别对跑、走、站运动前和运动后受试者的足型指标（足长、足宽、足围度、内侧纵弓高度、足背高度、足舟骨高度、足弓指数、拇外翻角度）进行数据采集与分析。②运动过程中测试：采用无线表面肌电同步摄像系统对跑、走、站时胫骨前肌、腓肠肌内侧头和腓肠肌外侧头的平均整流肌电值（average rectified value or average EMG，AEMG）、平均功率频率值（mean power frequncy，MPF）进行数据采集与分析。

1.2.2 实验方案

所有实验均在上午进行，实验室温度26℃～28℃，运动测试时统一换上材料相同的极简鞋。实验前和实验后2分钟内受试者赤足收集足型及步态数据。运动实验前，调试实验设备，摄像机与计算机同时连接，视频影像与肌电图同时测试。运动前进行5～10分钟静态拉伸与软组织激活热身，在跑、走、站测试过程中进行肌电采集及视频录像监控。受试者随机抽取三种类型运动测试的先后顺序，每次实验测试一种类型运动，每种类型运动测试间隔时间3～5天，受试者无任何影响测试的身体及足部不适后进行下一次测试。

1.2.3 足型数据采集

受试者赤足按要求以自然站立方式将测试足放置于三维激光足型扫描仪（品牌型号PODOMED 3D Scanner，扫描精度：±0.1mm）有效扫描区域上，目视前方，双手自然下垂，重心位于两足之间，测试过程中保持身体静止，测量3次，取平均值。

1.2.4 运动中肌电信号及视频的采集与处理

实验中的运动测试：（1）跑，受试者在跑步机上以10 km/h的速度匀速跑1小时；（2）走，受试者在跑步机上以5 km/h 的速度匀速走1 小时；（3）自然站立，受试者以自然站立方式按要求站立在足型扫描仪上，测试过程中受试者始终保持自然站立姿势1小时。

测试过程中肌电信号与视频同步进行。

收集双侧胫骨前肌、腓肠肌内侧头、腓肠肌外侧头共6 块肌肉肌电信号（意大利BTS FREEEMG300 无线表面肌电信号记录仪采集肌电信号）。电极与肌纤维方向一致，电极中心的间距为2cm，位于肌腹最突出的部位。为降低皮肤与电极片的阻抗，处理皮肤刮掉体毛，再用酒精清理，待酒精完全挥发后粘贴电极片。

所有肌电数据在1000 Hz 采样，对原始肌电信号进行低通滤波（10～400 Hz）处理。行走与跑选择运动前后各五个步态周期数据，自然站立选择站立前后各5秒钟数据。使用EMGSERVER软件对肌电信号及视频数据进行同步处理分析。为保证肌电信号质量，肌电信号采集、电极片的粘贴以及数据处理均由相同研究人员完成。

1.3 主要观测指标

三维足型指标：

1）足长：从第一趾骨起至足跟骨止，沿足内侧切线的长度。2）足宽：脚跟区域垂直于足内侧切线的最宽点。3）足围度：前足经过标志点足舟骨、第一跖骨末端和第五跖骨末端所围成的周长。4）内侧纵弓高度：内侧纵弓顶点垂直于地面的高度。5）足背高度：距骨最高点到足底平面的距离。6）足舟骨高度：是指离地舟骨最内侧点的高度。7）足弓指数（arch index，AI）：指中足面积占足底面积（不包括足趾）的比值。8）拇外翻角度：足拇指偏离中线的角度。

肌电信号指标：

1）平均整流肌电值（AEMG）：

平均功率频率（MPF）：

本研究中肌电信号标准化的计算方式：将每人跑、走、站刚开始运动时所测的肌电信号值作为标准值，运动后所测的每人每次肌电信号值都除以标准值，再乘以100%。

1.4 数理统计法

采集数据应用设备系统自带分析软件进行数据分析。使用Shapiro-Wilks 对所有数据进行正态分布检验，研究采用双因素重复测量方差分析（two-way re⁃peated measures ANOVA，SPSS 20.0）观察自变量（运动负荷类型×运动前后）对各因变参数（足长、足宽、足围度、内侧纵弓高度、足背高度、足舟骨高度、足弓指数、拇外翻角、AEMG 值、MPF 值）的影响，采用配对样本t检验分别观察跑、走、站运动前后各参数的变化，P<0.05为差异具有统计学意义。所有方差分析的事后比较均采用Bonferroni调整组间平均差异。

2 结果

2.1 不同类型运动前后足型的变化

2.1.1 跑、走、自然站立前后足型的变化

由表1可知，与运动前足型相比较：跑后拇外翻角度增加（P<0.05），足长、足宽、足围度增加（P<0.01），内侧纵弓高度、足背高度、舟骨高度下降（P<0.01）；走后足宽、足围度增加（P<0.01）；站后足长、足弓指数增加（P<0.05），足宽、足围度增加（P<0.01），舟骨高度下降（P<0.05），内侧纵弓高度下降（P<0.01）。

表1 三种负荷类型运动前后足型指标比较（ ± s，n=26）

表1 三种负荷类型运动前后足型指标比较（ ± s，n=26）

*P<0.05，**P<0.01，与运动前比较；#P<0.05，##P<0.01，与跑后相比较；△P<0.05，△△P<0.01，与走后相比较

运动后运动前256.42 ± 6.89 102.52 ± 4.91 248.28 ± 10.79 8.64 ± 4.35 66.29 ± 1.92 41.33 ± 3.16 0.23 ± 0.02 10.19 ± 3.64站走足长(mm)足宽（mm）足围度（mm）内侧纵弓高度（mm）足背高度（mm）舟骨高度（mm）足弓指数拇外翻角度（deg）跑257.74 ± 2.07**103.17 ± 4.76**250.24 ± 10.10**7.80 ± 3.69**65.58 ± 1.66**39.87 ± 3.10**0.24 ± 0.02 10.86 ± 2.28*256.86 ± 4.88*##103.3 ± 5.49**250.88 ± 10.98**7.10 ± 2.88**65.64 ± 2.10**△△40.03 ± 2.85*△0.25 ± 0.02*10.35 ± 2.24 256.83 ± 3.67##104.19 ± 3.65**249.91 ± 7.72**8.55 ± 5.35 66.55 ± 2.71##40.52 ± 2.10#0.24 ± 0.02 10.58 ± 4.22

三种类型运动之间运动后足型变化：跑后舟骨高度小于走后（P<0.05），足长大于走后（P<0.01），足背高度小于走后（P<0.01）；站后足长小于跑后（P<0.01）；走后舟骨高度大于站后（P<0.05），足背高度大于站后（P<0.01）。

2.2 不同类型运动对肌电信号的影响

2.2.1 三种负荷类型运动前后AEMG的变化

由图1可知，与跑前相比较，跑后胫骨前肌和腓肠肌外侧头AEMG值增大（P<0.01）；与走前相比较，走后胫骨前肌和腓肠肌内侧头AEMG 值增大（P<0.01）；与站前相比较，站后腓肠肌外侧头AEMG 值增大（P<0.05），胫骨前肌AEMG值增大（P<0.01）。

图1 三种负荷类型运动前后AEMG比较

在三种运动类型中，跑后腓肠肌外侧头AEMG 值大于走后腓肠肌外侧头AEMG值（P<0.05）。走后腓肠肌内侧头AEMG 值大于跑后、站后腓肠肌内侧头AE⁃MG值（P<0.01）。

2.2.2 三种负荷类型运动前后MPF的变化

由图2可知，与跑前相比较，跑后胫骨前肌MPF值减小（P<0.05）；与走前相比较，走后胫骨前肌MPF值减小（P<0.05），腓肠肌内侧头MPF值增大（P<0.01）；与站前相比较，站后腓肠肌外侧头MPF值减小（P<0.05）。

图2 三种负荷类型运动对MPF的影响

在走、跑、站三种类型运动之间的MPF值并未发现显著性差异（P>0.05）。

3 分析与讨论

足是人体最复杂的解剖结构之一，由26块骨和33个关节以及112 组韧带构成，其在结构上基于三平面机制行使功能。足部的生理性适应对外力作用有很强的依赖性，并且具有粘弹性材料特性。适宜的负荷作用对足部有着积极的影响，过载或者过度冲击性载荷可引起损伤甚至骨折发生。有研究指出：站立时，关节软骨承受持续压缩，发生磨损的同时促进润滑模式[15]。间歇性压缩负荷（即跑步和行走）增加软骨硬度，而持续负荷（即站立）则会减小软骨硬度[16]。

在运动过程中，肌肉在跑步模式的收缩程度大于行走模式，这使得足牺牲部分缓冲功能从而增大刚性提供向前的推进力[17]，蹬离地面时足-地面反作用力随之增加，加大了外界对足部形态结构的冲击。本研究结果表明，跑后拇外翻角度显著大于运动前。跖趾关节作为蹬伸的支点，其刚度的增加影响了缓冲效果，增加了外界冲击对其结构的影响，导致拇外翻角度增加。对跑步时足底压力中心轨迹的研究表明，蹬伸离地时压力中心向拇指偏移[1]，跑步过程中拇指的蹬地使得第一跖趾关节反复屈伸，这一现象也解释了本研究的这一结果。本研究结果中，跑后足形态结构相比于跑前发生显著性变化，可能是由于间歇性负荷对足弓的粘弹性结构反复冲击造成足弓弹性结构的劲度系数短时间失效，重复载荷作用需要降低足弓高度、拉长足底弹性结构达到减震的目的。在运动过程中足部承受重复载荷逐渐累积，足底弹性结构的回弹能力降低使得足弓短时间无法维持正常的形态，导致跑后内侧纵弓高度、足背高度、舟骨高度降低、足长增加。由于载荷累积造成的跖骨间及楔骨、骰骨、舟骨等维持足横弓韧带弹性的下降也导致跑后足宽、足围度显著大于运动前。足弓的形态和功能离不开足部肌肉的贡献[18]，足部相关肌肉疲劳也可能是导致足弓形变的因素之一，当肌肉平均功率频率值（MPF）下降时多伴随相应肌肉的平均整流肌电值（AEMG）增加，表明该肌肉出现疲劳。胫骨前肌止点在第1跖骨底、内侧楔骨面，主要作用为足背屈和足内翻。本研究结果显示跑后胫骨前肌出现疲劳，因此推测跑后足部背屈与足内翻功能有下降趋势，跑后足内侧纵弓高度下降也可证明跑后足部趋于旋前姿势。腓肠肌止点在跟骨结节腓肠肌外侧头，对足的主要作用为足跖屈和足外翻。本研究结果显示，腓肠肌外侧头在运动后AEMG 值显著高于运动前，说明长时间跑步时腓肠肌外侧头肌肉需要募集更多肌纤维才能达到之前的运动水平，因此腓肠肌外侧头趋于疲劳。Escamilla等[19]对30名男性业余跑者运动60 分钟后足部形态的研究发现，当长时间跑后足部内在肌疲劳时，足部会更倾向于旋前姿势。Cowley等[9]的研究发现跑完半程马拉松比赛后，足舟骨平均下降5 mm，足部姿势也更倾向于旋前。Bravo 等[20]研究发现45分钟中等强度跑后，足弓无显著性变化，足部姿势倾向于中立位变化。还有研究发现20 千米跑后正常足的足弓无显著性变化，跑后足内翻肌力下降[21]。上述研究产生不同结果可能与受试者运动技术等级、运动时间、运动速度、运动鞋等有关。以往的研究中，长跑后足部都趋于旋前姿势，即足外翻，这与本研究结果相符。综上所述，长时间跑后可能因为足部相关肌肉疲劳和足部承受过量载荷逐渐累积使足部发生形变。

行走是高度自动化的协调、对称、均匀、稳定的运动，也是高度节约能耗的运动，是涉及全身众多关节与肌群的周期性运动[17]。本研究结果显示行走后胫骨前肌AEMG值增大，MPF值降低，表明该肌肉激活幅度变大同时放电频率降低，即胫骨前肌出现疲劳，腓肠肌内侧头AEMG值增大表明肌肉激活幅度增大。行走时机体为保持初始速度行走需要募集更多的肌纤维来保持初始速度，虽然运动后足内翻肌肉出现疲劳，但是只有足宽、足围度显著大于运动前，说明行走时足部相关肌群疲劳没有导致足弓降低、拇外翻角度增加等骨性形变，足长也未增加，进一步表明足弓未出现形变。一项负重行走25 千米的研究发现负重行走后足部未出现骨性变化[22]，与本研究结果一致。行走时单足支撑期承受的平均地面反作用力约为0.83 倍体重，足部承受的负荷不足以使足部通过过度的形变来达到减震功能[23]。随着行走时间的延长，为维持原来的行走状态，机体募集的肌纤维逐渐增加，更多肌纤维投入行走运动中，足宽、足围度显著大于运动前，可能与运动时足部肌肉血液灌注增加导致足部体积增加有关。本研究结果表明行走虽然造成了足部相关肌肉的疲劳，但并未使足长、足高、足弓等足型指标产生明显变化，长时间小负荷的运动对足型并未产生明显影响。

站立时身体姿势控制主要分为两种：一种是髋关节策略，一种是踝关节策略[24-26]。当需要细微控制时，使用踝关节稳定身体的策略（“踝关节策略”）。本研究结果显示站后足长、足宽、足围度、足弓指数增大，可能与自然站立时足部承受持续压缩载荷，长时间的静态支撑会伴随足部血流不畅、血液堆积，足部体积增大，足-地接触面积增加有关。站后内侧纵弓高度、舟骨高度显著降低，长时间处于同一姿势不变可能使足部承受载荷持续累积，使骨、软骨蠕变，即在应力保持一定时骨的应变随时间延长增大。本研究中站立时随站立时间增加胫骨前肌和腓肠肌外侧头AEMG 值增大，表明长时间站立时胫骨前肌和腓肠肌外侧头需要募集更多肌纤维来维持平衡稳定，并且长时间站后腓肠肌外侧头MPF 值降低，表明长时间站立易使腓肠肌外侧头疲劳。胫骨前肌主要在后倾站立时被激活[27]，在自然站立过程中不易疲劳。站立时身体晃动的范围主要在前后方向[28]，身体前倾时主要激活腓肠肌，后倾时主要激活胫骨前肌，自然站立时肌肉激活程度低[27]。因此，自然站立相对于跑步和行走低能耗、省力，但是持续站立可能导致足部蠕变以及足部血流不畅导致的足部体积增大，不利于足部健康。

三种类型运动之间运动后足型变化差异由大到小依次为：跑>站>走。研究结果发现，在相同运动时间情况下，三种运动后足部相关肌肉均出现不同程度的疲劳，行走时足部相关肌肉出现疲劳但足型未出现骨性形变，表明运动类型对足型的影响更大，足部相关肌肉疲劳不一定导致足部形变。

4 结论

（1）运动负荷类型是影响足型的重要因素，三种运动后跑对足型的影响最大，走对足型的影响最小。（2）在本实验条件下，运动会使足部体积增加，足弓下降会导致足长增加。（3）三种不同负荷类型运动对足型变化的影响因素不同：足部承受持续过量载荷是导致大负荷运动后足型变化的重要因素；小负荷运动后对足型基本没有影响；足部蠕变是静力性负荷支撑后足型变化的重要因素。（4）持续运动时，胫骨前肌较腓肠肌更容易疲劳，足部相关肌肉疲劳不一定导致足部形变。