不同足型男性行走时压力中心轨迹曲线特征

2021-10-13白啸天霍洪峰

中国运动医学杂志 2021年7期

白啸天霍洪峰，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）

足是人体重要的运动器官，足弓作为足的重要结构，在人体行进过程中起着缓冲负荷和刚性杠杆的作用，体现着足的动态功能[1]。由于胫后肌腱或足底筋膜功能障碍导致内侧纵弓下降，严重者造成足部畸形，形成扁平足[2]。足弓降低会影响足部运动表现，使得身体其他部位代偿发力，进而可能改变身体其他部位负重力线，造成异常姿势，引起膝关节、髋关节和腰背部等不适[3，4]。对比低足弓或扁平足患者与正常足型的步态差异是探究异常足型影响运动表现的重要手段，同时也可为探寻足弓降低矫正方法提供依据。

压力中心轨迹为地面与足部集中受力点连成的曲线。近些年来，足底压力中心轨迹测量方法和绘制方法的改进和发展[5-7]，使其具有直观性、简洁性和易测量的优点，可更好地反映足与地面作用的情况，压力中心轨迹指标已应用于不同年龄、性别、病症、运动模式等方面的研究[8-10]，体现了其作为动态足功能评定指标的价值。但压力中心轨迹用于分析扁平足等异常足型步态的研究较少，对压力中心曲线特征的评价方法并不完善。本研究通过压力中心轨迹这一指标对不同足型的成年男子进行步态分析，探究不同足型人群步态特征，为足踝康复和足功能评定提供理论参考和研究价值。

1 对象与方法

1.1 实验仪器

①三维足型扫描仪（PODOMED 3D Scanner，350 mm×150 mm×160 mm，+/－1.0 mm，北京海德美业科技有限公司）；②Footscan 高频足底压力测试板（板长2 m、采集频率126 Hz，传感器密度4 个/cm2。压力测量范围1～60 N/cm2，最小分辨率为25 g，一致性为±25 g，RSscan International公司）。

1.2 受试者选取与分组

经受试者同意，采集受试者身高、体重、年龄等相关信息，用三维足型扫描仪选取不同足型受试者，其中足弓指数（足中面积与去趾足面积的比值[7，11]）在0.21～0.26 之间为正常足，0.26～0.30 之间为低足弓，大于0.30为扁平足[7]。研究对象均为成年男性，无心血管疾病，且3 个月内无外力导致的肌肉或骨损伤，近1年内无下肢手术，扁平足患者病史在6个月以上。

选取符合条件的受试者共33 名，按足型分组，其中正常足15名，低足弓者10名，扁平足者8名，受试者基本信息如下表。

表1 受试者基本信息

1.3 实验方法

实验人员将Footscan 高频足底压力测试板平铺于平整地面，足底压力测试板两端铺上与之等宽的延长跑道，受试者熟悉实验环境后，脱袜，选取自己合适的步速，目视前方，自然摆臂行走，测试5次，选取采集数据较为完整的3 次进行数据分析，选取受试者主发力脚得出相应的足底压力中心轨迹曲线。

将足底压力中心轨迹曲线放入平面直角坐标系中，足中线（足跟中点与第二、第三脚趾中点的连线）为x 轴，垂直于足中线的直线为y 轴建立坐标系（如图1），使记录的第一个压力中心点位于y轴。x轴代表记录点开始时的单足支撑周期百分比；y 轴表示水平方向偏移与足宽的百分比。当压力中心轨迹向足中线外侧偏移时，y 为负值，当压力中心轨迹向内侧偏移，y为正值。

图1 足底压力中心轨迹坐标系

1.4 观察指标

将单足完整的支撑期分为4 个阶段，即后跟着地阶段（initialcontact phase，ICP）、前掌触地阶段（forefoot⁃contact phase，FFCP）、整足支撑阶段（footflat phase，FFP）和蹬伸离地阶段（forefoot push off phase，FF⁃POP）。足跟触地时刻到前掌跖骨触地时刻为ICP；跖骨触地时刻到足趾触地为FFCP；足趾触地时刻到后跟完全离地为FFP；足跟完全离地到足趾离地为FFPOP。

选取完成建系的足底压力中心轨迹曲线特征指标，即周期百分比、水平偏移值和曲线弧度，周期百分比为每名受试者单足支撑期4个阶段占其支撑期的百分比；水平偏移值为压力中心轨迹相对于足中线在y轴的距离，将受试者压力中心轨迹进行多项式拟合，得到拟合曲线的表达式，根据曲线表达式求出4 个阶段的定积分值，用对应阶段的定积分值除以该阶段在x轴所占的周期百分比，即为此阶段的平均偏移值；曲线弧度为4 个阶段拟合曲线的平均斜率。3 个特征指标均为以受试者足宽百分比和支撑期周期百分比进行归一化处理后的相对值，可对不同足型进行组间比较。

1.5 统计方法

数据在Footscan 软件中采集，得到的数据在Excel中处理，求出曲线特征值，用spss25.0进行统计学分析，统计结果用±s表示，组内采用ICC 值评价复测信度，当ICC 值＜0.4 则一致性较差，ICC 值在0.4～0.75 之间则一致性较好，ICC值大于0.75则一致性优秀[12，13]；组间比较采用单因素方差分析，当P＜0.05 则结果拒绝原假设，具有显著性差异。

2 结果

2.1 压力中心轨迹曲线拟合结果

采用多项式拟合每名受试者ICP、FFCP、FFP 及FFPOP 四个阶段压力中心轨迹曲线，逐渐增加多项式中最高项的次数直至R2大于0.975，拟合结果示例如图2。

图2 压力中心轨迹曲线拟合

2.2 支撑期各阶段周期百分比差异

经ICC信度检验，测得正常足、低足弓和扁平足组四个阶段占支撑期百分比的ICC值均大于0.75，复测一致性优秀。单因素方差分析结果如表2。

由表2 可知，在后跟着地阶段（ICP），正常足和低足弓组该阶段的周期百分比低于扁平足组（P＜0.05）；正常足与低足弓组在ICP 阶段的周期百分比差异不具有显著性。在前掌触地阶段（FFCP）和整足支撑阶段（FFP），三组数据之间差异不具有显著性。在蹬伸离地（FFPOP）阶段，正常足、低足弓与扁平足组差异具有显著性，相比于正常足和低足弓组，扁平足组在蹬伸离地阶段（FFPOP）周期百分比降低（P＜0.05）。

表2 支撑期各阶段周期百分比（%）

2.3 压力中心轨迹水平偏移值差异

经检验，扁平足与低足弓组压力中心轨迹曲线的水平偏移ICC值介于0.4～0.75之间，一致性较好，正常足压力中心轨迹的水平偏移ICC值为大于0.75，复测信度优秀，单因素方差分析结果如表3。

由表3 可知，正常足组压力中心轨迹的水平偏移值均小于低足弓和扁平足组（P＜0.05）。低足弓与扁平足组的水平偏移值差异不具有显著性。

表3 压力中心轨迹水平偏移值（%）

2.4 各阶段压力中心曲线弧度差异

正常足、低足弓和扁平足曲线弧度ICC 值均介于0.4～0.75之间，复测信度较好，检验结果如表4。

由表4 可知，在ICP 阶段，正常足和低足弓组曲线弧度差异不具有显著性；正常足与低足弓组的曲线弧度均大于扁平足组（P＜0.05）。在FFCP阶段，正常足与低足弓组曲线弧度无差异（P＞0.05），正常足、低足弓组的曲线弧度均小于扁平足组（P＜0.05）。在整足支撑阶段（FFP），三组曲线弧度差异不具有显著性。蹬伸离地（FFPOP）阶段，扁平足组曲线弧度低于其他两组足型（P＜0.05），低足弓与正常足组曲线弧度差异不具有显著性（P＞0.05）。

表4 各阶段曲线弧度差异

3 讨论

本研究通过探究压力中心轨迹的特征，评价正常足、低足弓和扁平足三种足型在行走时的差异。支撑期各阶段周期百分比可反映行走过程中足跟、足踝、前掌和脚趾在单支撑阶段运动时间，体现其传递负荷的能力。在后跟着地（ICP）、前掌触地（FFCP）、整足支撑（FFP）和蹬伸离地（FFPOP）四个阶段占单足支撑期的百分比中，低足弓和正常足组的差异不具有显著性，但这两组与扁平足组在后跟着地和蹬伸离地阶段具有明显区别，扁平足患者在后跟着地阶段的周期百分比较大，在蹬伸阶段的时间较短。对步态的研究表明，在人体步态的支撑期中，足踝各部位通过足跟、足踝、前掌和脚趾滚动完成对负荷的缓冲并推动人体前进，在后跟着地阶段足跟缓冲负荷并完成对前掌和整足支撑的过渡；在前掌触地和整足支撑阶段，踝关节滚动逐渐将重心前移，准备下阶段的蹬伸动作；在蹬伸离地阶段，前掌和足趾成为下肢刚性杠杆的支点，完成由支撑期到摆动期的转变[1，14]。扁平足患者后跟着地阶段时间较长，可认为因胫后肌腱障碍和足底筋膜功能障碍导致足弓刚度下降[15，16]。尸体研究表明，扁平足畸形的产生导致胫后肌腱的滑动阻力增加30%，影响足跖屈[15]，降低足部在后跟着地阶段的缓冲能力，进而需要更长的后跟滚动时间使足向前推进，这解释了扁平足组在后跟着地阶段周期百分比较大的现象；而蹬伸离地阶段周期百分比降低也表明其他阶段周期百分比增加，这支持了Neville等提出的扁平足患者不能有效地将负荷转移到前足的观点[17]。对第一跖趾关节的研究表明，在站立时，足弓降低会使第一跖趾关节柔韧性增加[18]，可理解为足弓较低的人群第一跖趾关节刚度下降，降低以前掌和足趾作为支点的蹬伸能力，使扁平足组在蹬伸离地阶段表现出较短的周期百分比。

压力中心轨迹的水平偏移反映足行进过程中受力情况，水平偏移值大则说明足部受力偏向内侧，反之则说明足受力偏向外侧。本研究对压力中心轨迹整体的位置对比结果表明，低足弓和扁平足组相比于正常足组压力中心轨迹的水平位移更偏向内侧，这与之前有学者认为扁平足压力中心轨迹偏向外侧的观点不同[19]。参考以往研究可知，较低足弓的足型增加足内侧压力、减小足跟区域的压力，足弓出现扁平足时，会出现足外翻，同时第一趾骨承重增加，重心偏向主发力脚前足区域[11，20]，这解释了本研究在动态过程压力中心轨迹内移的现象。扁平足组慢跑压力中心轨迹的研究结果表明，在支撑阶段压力中心轨迹也显示出比正常足向内侧偏移的现象[21]。

曲线的弧度用压力中心轨迹各个阶段的斜率表示，它与足旋进角类似，用于描述压力中心轨迹的弯曲度，反映足部姿势[8]，斜率为正值表示足旋后，反之则表明足旋前。由本研究结果可知，扁平足在后跟第一次触碰地面到整足支撑的阶段，压力中心轨迹曲线斜率增加，呈旋后趋势；正常足和低足弓组在后跟着地到整足支撑阶段，压力中心轨迹曲线斜率逐渐降低，呈旋前趋势。从行走开始到支撑期结束，人体重心从中线向摆动腿侧偏移，随后重新回到中线位置以完成对侧腿的摆动[1，22]，由于摆动时重心向摆动腿偏移，因此膝关节会向外侧偏移以缓冲下肢负重同时转移身体部分重心到支撑腿，膝关节外翻带动踝关节[1]，使其在落地到全足支撑阶段旋外，呈现出本研究在前两个阶段正常足和低足弓曲线斜率降低的结果。扁平足患者由于足弓塌陷伴随着足外翻，使得跟腱的附着点移到距下关节轴线的外侧，增加了后足的外翻力矩[23]，进而使得身体其他部分代偿，形成x型腿，影响膝关节带动足外展[24]，这解释了在后跟着地到前掌着地阶段扁平足组斜率增大的结果；在蹬伸离地阶段，扁平足组斜率较低，这表明受力向内侧转移程度较差，可能是第一跖趾关节刚度较低所致[18]。

综上所述，三种足型在步态特征上存在一定差异。低足弓和正常足组的曲线弧度和各阶段周期百分比指标差异较小，低足弓在行走中缓冲和蹬伸功能与正常足相似，但其较低的足弓增加了行走时足外翻的趋势；相比于正常人的“C”型压力中心轨迹，扁平足患者的足底压力中心轨迹更接近直线，在行走时压力中心轨迹更易向足内侧偏移，足部各阶段过渡期长，蹬伸期短，其足部缓冲能力、足部负荷转移能力及蹬伸能力较差。