孫曉樂 ，葉東強(qiáng)，張燊，張希妮，傅維杰*

為了更好地滿足走、跑的需要，人類足部形態(tài)和結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了適應(yīng)性變化，包括大腳趾內(nèi)收、內(nèi)側(cè)縱弓及足底筋膜（plantar fascia，PF）的形成（Holowka et al.， 2018；Mc-Nutt et al.， 2018）。運(yùn)動(dòng)時(shí)，上述結(jié)構(gòu)具有承擔(dān)載荷、緩沖和穩(wěn)定足部杠桿的重要作用（Welte et al.， 2021）。其中，PF是三者發(fā)揮作用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，其橫跨足弓，通過包裹跖趾關(guān)節(jié)（metatarsophalangeal joint，MTPJ）連接跟骨與5個(gè)近節(jié)趾骨（Bojsen-Moller et al.， 1976）。運(yùn)動(dòng)時(shí)，PF在足弓彈簧（arch-spring）和絞盤效應(yīng)（windlass mechanism）2種功能中具有重要作用。PF和足弓類似彈簧，在步態(tài)支撐早、中期，足弓受壓而長(zhǎng)度增加，PF隨著足弓增長(zhǎng)而被牽拉的同時(shí)可儲(chǔ)存彈性能（孫曉樂 等， 2022）。在支撐中后期，足弓發(fā)生回彈，PF縮短，同時(shí)釋放彈性能。這種壓縮-回彈的過程被稱為足弓彈簧機(jī)制（張燊 等， 2018； Welte et al.，2018）。此外，PF具有絞盤一樣的功能，在步態(tài)的蹬伸階段，MTPJ伸展使PF纏繞趾骨頭，縮短跟骨與跖骨的距離（Fuller， 2000； Sarrafian， 1987），從而抬高并縮短縱弓，同時(shí)配合釋放彈性能（Bolgla et al.， 2004；Hicks， 1954）。由此可知，足弓、MTPJ和PF的運(yùn)動(dòng)是密不可分、相互影響的。

足底筋膜炎約占跑步損傷的10%（朱迪 等， 2015；Taunton et al.， 2002）。了解足底筋膜炎的損傷機(jī)制，是減少損傷發(fā)生的前提。研究普遍認(rèn)為，垂直地面反作用力（vertical ground reaction force， vGRF）的沖擊負(fù)載（Van der Worp et al.， 2016； Zadpoor et al.， 2011）及足部肌肉力量不足（Cheung et al.， 2016； Latey et al.， 2014； Warren et al.， 1987）是誘發(fā)足底筋膜炎的重要原因。因此，有可能降低vGRF沖擊峰值的前掌著地（forefoot strike， FFS）跑步觸地方式受到較多的關(guān)注（姜嘉懌 等， 2018；梅齊昌等， 2015；Crowell et al.， 2011； Shih et al.， 2013； Williams et al.， 2012）。目前，有關(guān)不同跑步觸地方式對(duì)PF和足弓影響的研究結(jié)果不一：有研究認(rèn)為，F(xiàn)FS會(huì)增加足底內(nèi)附肌的激活程度，可能會(huì)減少縱弓過度壓縮以及PF的應(yīng)變（McDonald et al.， 2016）；而Chen等（2019）和Lieberman等（2010）發(fā)現(xiàn)，相比后跟著地（rearfoot strike， RFS）的跑步觸地方式，F(xiàn)FS時(shí)足弓形變較大，并拉伸PF使其過度負(fù)載。因此，針對(duì)不同跑步觸地方式對(duì)PF和足弓的影響亟待進(jìn)一步探究。

PF、足弓以及MTPJ位于足部皮膚深層，因此很難精確動(dòng)態(tài)追蹤運(yùn)動(dòng)過程中其運(yùn)動(dòng)學(xué)變化。現(xiàn)有研究大多采用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)（Caravaggi et al.， 2009； McDonald et al.，2016）、超聲技術(shù)（Caravaggi et al.， 2009； Wager et al.，2016）、尸體實(shí)驗(yàn)（Erdemir et al.， 2004；Fessel et al.， 2014）和單平面透視技術(shù)（Fessel et al.， 2014； Gefen， 2003），但無法了解運(yùn)動(dòng)過程中在體足部骨骼的三維運(yùn)動(dòng)。近年來，雙平面熒光透視成像系統(tǒng)（dual fluoroscopic imaging system， DFIS）開始應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)分析和康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。DFIS不受皮膚、軟組織偽影的影響，非侵入，對(duì)運(yùn)動(dòng)無干擾、精度高、重復(fù)性高，為精準(zhǔn)分析骨/關(guān)節(jié)真實(shí)的在體運(yùn)動(dòng)提供了全新的途徑（葉東強(qiáng) 等， 2021；張翠 等， 2019）。

因此，本研究采用高速DFIS探究不同跑步觸地方式對(duì)足弓、MTPJ和PF運(yùn)動(dòng)的影響，深入分析跑步時(shí)的足弓、MTPJ和PF功能。研究假設(shè)：相比RFS跑者，F(xiàn)FS跑者的足弓和PF的形變量更大。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

選取30名健康男性跑者（表1），其中習(xí)慣穿鞋F(xiàn)FS和RFS跑者各15人（Kelly et al.， 2017； Perl et al.， 2012）。跑步觸地方式依據(jù)DFIS所采集的足部熒光圖像（Welte et al.，2021）以及GRF數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。要求受試者近4周的周跑量＞20 km，近3個(gè)月內(nèi)無下肢損傷史，優(yōu)勢(shì)側(cè)腿均為右腿。本研究已通過上海體育大學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有受試者在實(shí)驗(yàn)前需熟悉實(shí)驗(yàn)流程并簽署知情同意書。

表1 受試者基本情況Table 1 Basic Information of Subjects

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

1.2.1 跖趾關(guān)節(jié)力量測(cè)試儀

采用自研的跖趾關(guān)節(jié)力量測(cè)試儀（劉宇 等，2015）采集趾屈肌力。該測(cè)試儀由底盤、踏板、座椅、拉力傳感器構(gòu)成。前期研究已對(duì)其進(jìn)行了重測(cè)信度的檢驗(yàn)，組間相關(guān)系數(shù)為0.874（Zhang et al.， 2019）。

1.2.2 X線電子計(jì)算機(jī)斷層掃描裝置（computed tomography，CT）

采用64排128層CT機(jī)（SOMATOM， Siemens AG，德國(guó)）拍攝受試者仰臥中立位右側(cè)足部的斷面圖像。層厚層距設(shè)為0.6 mm，體素的長(zhǎng)、寬、高分別為0.488、0.488和0.625 mm，圖像分辨率為512×512 dpi。

1.2.3 高速DFIS

高速DFIS由2組高速熒光成像系統(tǒng)（圖1）構(gòu)成，分別為2個(gè)產(chǎn)生X光的發(fā)射器與接收X光的圖像增強(qiáng)器。發(fā)射器與增強(qiáng)器間的距離分別為131.8 cm和138.5 cm，增強(qiáng)器間的夾角為120°。X光發(fā)射器采用單脈沖模式（60 KV，63 mA），曝光速度為1/1 000 s，圖像分辨率為1 024×1 024 dpi。采樣頻率為100 Hz。

圖1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)置Figure 1. Experimental Set Up

1.2.4 三維測(cè)力臺(tái)

采用瑞士生產(chǎn)的Kistler三維測(cè)力臺(tái)，型號(hào)為9260AA3（50.0 cm×30.0 cm×0.5 cm）。采集受試者跑步時(shí)的GRF數(shù)據(jù)，采樣頻率為2 000 Hz。

1.2.5 光柵計(jì)時(shí)系統(tǒng)

采用Witty-Manual光柵計(jì)時(shí)系統(tǒng)（Microgate，意大利），測(cè)量受試者通過跑道的時(shí)間來計(jì)算速度，從而控制跑速。

1.2.6 光柵傳感器

采用GJ-2004光柵傳感器，同步觸發(fā)測(cè)力臺(tái)和DFIS，最大限度減少拍攝時(shí)間以減少X光輻射量。

1.2.7 實(shí)驗(yàn)用鞋

本研究選取了一款常見的慢跑鞋作為實(shí)驗(yàn)用鞋，鞋中底由TPU和EVA構(gòu)成，該鞋的前掌和后跟差為6 mm，單只42碼鞋質(zhì)量為290 g，且無足弓支撐結(jié)構(gòu)。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

1.3.1 趾屈肌力測(cè)試

采用跖趾關(guān)節(jié)力量測(cè)試儀測(cè)試最大的趾屈肌力。測(cè)試過程中要求受試者坐在椅子上，固定膝關(guān)節(jié)、足前掌、足跟和足踝。測(cè)試期間，要求受試者雙手抱胸盡力屈曲MTPJ以按壓上抬30°的踏板（圖2）。

圖2 趾屈肌力測(cè)試示意圖Figure 2. Schematic Diagram of Toe Flexor Strength Test

1.3.2 足部CT掃描

足部CT掃描時(shí)，受試者保持仰臥位，采用足部支具將足部固定于中立位。掃描范圍從踝關(guān)節(jié)以上10 cm沿小腿橫斷面向下至離開足部支具結(jié)束。將掃描的圖片保存為DICOM格式，用于足骨骼模型的重建。

1.3.3 高速DFIS系統(tǒng)調(diào)試

調(diào)整發(fā)射器與增強(qiáng)器的位置和角度，設(shè)置電壓、電流以及曝光時(shí)間等拍攝參數(shù)，并采集孔陣鋼盤和立方體標(biāo)定架圖像。采用XMALab 2.0.1（布朗大學(xué)，美國(guó)）對(duì)孔陣鋼盤圖像進(jìn)行校正，根據(jù)畸變校正樣條函數(shù)的算法（Fantozzi et al.， 2003），校正每張足部熒光圖像。立方體標(biāo)定架圖像用于在虛擬環(huán)境中重建三維空間。

1.3.4 跑步測(cè)試

受試者需更換實(shí)驗(yàn)用鞋和短褲，以3 m/s的跑速在跑步機(jī)上充分熱身。熱身后，實(shí)驗(yàn)人員為其講解動(dòng)作要求并進(jìn)行示范，要求受試者熟練完成跑步動(dòng)作。測(cè)試時(shí)，受試者采用自選的跑步觸地習(xí)慣以3 m/s（±5%）的跑速通過測(cè)試跑道（710 cm×60 cm×47 cm），同時(shí)其身體會(huì)阻斷光柵紅外線而觸發(fā)同步裝置，啟動(dòng)DFIS和測(cè)力臺(tái)采集受試者右腳的熒光圖像及GRF數(shù)據(jù)。以右足踏上測(cè)力臺(tái)標(biāo)記位置（圖1）為準(zhǔn)，確保采集整個(gè)支撐期（從右足觸地至離地）的足踝圖像數(shù)據(jù)。為了最大限度減少X光的輻射量，采集1次有效數(shù)據(jù)（Welte et al.， 2021）。以vGRF＞15 N定義為足觸地（Welte et al.， 2018）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

將足骨CT圖像導(dǎo)入到Mimics 21.0軟件（Materialise，比利時(shí)），采用圖像灰度閾值分割和套索工具，建立跟骨、第一跖骨以及第一近節(jié)趾骨的骨骼模型。

將XMALab軟件中生成的環(huán)境文件導(dǎo)入到Rhinoceros 6.0軟件（Robert McNeel，美國(guó)）中，還原X光發(fā)射器和增強(qiáng)器的位置，而后導(dǎo)入校正后的熒光圖像及骨骼模型。根據(jù)慣性解剖坐標(biāo)系建立跟骨、第一跖骨以及第一近節(jié)趾骨坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于骨的質(zhì)心，X-Y-Z軸與慣性矩張量的主軸對(duì)齊，并重新標(biāo)記坐標(biāo)軸，X、Y和Z軸分別代表內(nèi)外、前后和上下方向。參考Welte等（2021）的研究，將PF簡(jiǎn)化為連接其起止點(diǎn)與籽骨接觸點(diǎn)的2條纖維。起點(diǎn)位于跟骨內(nèi)側(cè)結(jié)節(jié)1/5處的2點(diǎn)，止點(diǎn)為第一趾骨內(nèi)側(cè)和外側(cè)的2點(diǎn)，籽骨點(diǎn)位于內(nèi)外側(cè)籽骨最下端的2點(diǎn)。連接起點(diǎn)與籽骨點(diǎn)、籽骨點(diǎn)與止點(diǎn)，2條線段的平均長(zhǎng)度即為PF長(zhǎng)度（圖3）。隨后進(jìn)行3D-2D配準(zhǔn)，在三維虛擬環(huán)境中對(duì)骨進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)操作，直到骨骼模型的投影輪廓與熒光骨骼輪廓相匹配（圖4）。

圖3 足底筋膜模型及坐標(biāo)系Figure 3. Plantar Fascia Model and Coordinate System

圖4 DFIS數(shù)據(jù)采集和處理Figure 4. DFIS Data Collection and Processing

1.5 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

采用Rhinoceros軟件中的生物力學(xué)插件計(jì)算跑步支撐期每幀足弓（第一跖骨相對(duì)跟骨的運(yùn)動(dòng)）、1stMTPJ（第一近節(jié)趾骨相對(duì)第一跖骨的運(yùn)動(dòng)）的6DOF數(shù)據(jù)（Welte et al.， 2021），包括內(nèi)外（X軸）、前后（Y軸）和上下（Z軸）3個(gè)方向的平移，以及屈伸（X軸）、內(nèi)外翻（Y軸）和內(nèi)外旋（Z軸）3個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)。其中，正值表示向外、向前和向上平移，以及伸、內(nèi)翻和內(nèi)旋；負(fù)值表示向內(nèi)、向后和向下平移，以及屈、外翻和外旋。

對(duì)足弓、1stMTPJ的6DOF以及PF長(zhǎng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波（20 Hz）以及時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)化處理。同時(shí)，將整個(gè)支撐期分為支撐早期（0～20%）、支撐中期（20%～55%）、蹬伸期（55%～85%）和離地期（85%～100%）4個(gè)時(shí)期（Welte et al.， 2021）。足弓6DOF、PF長(zhǎng)度數(shù)據(jù)與足部靜態(tài)中立位時(shí)足弓6DOF、PF的長(zhǎng)度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。選取的參數(shù)包括：足弓、1stMTPJ在內(nèi)外、前后和上下方向的平移距離，屈伸、內(nèi)外翻和內(nèi)外旋角度以及4個(gè)時(shí)期、整個(gè)支撐期的活動(dòng)幅度；PF應(yīng)變、功率、長(zhǎng)度最大值以及最小值；其中，PF應(yīng)變（Gefen， 2003）和功率（McDonald et al.， 2016）計(jì)算公式如下：

1.6 統(tǒng)計(jì)方法

所得的參數(shù)值均采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)正態(tài)分布，同時(shí)利用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)（SPSS 20.0）比較不同跑步觸地習(xí)慣對(duì)足弓、1stMTPJ的6DOF數(shù)據(jù)和PF長(zhǎng)度的影響。顯著性水平設(shè)定為0.05。

2 結(jié)果

2.1 趾屈肌力

FFS跑者的最大趾屈肌力顯著大于RFS跑者［（3.45±1.05） N/kg vs （2.52±1.20） N/kg，P＜0.05］。

2.2 足弓

本研究統(tǒng)計(jì)了每間隔10%時(shí)刻的數(shù)據(jù)，以及蹬伸期分隔點(diǎn)55%和85%，共13個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)。從足弓的6DOF曲線（圖5）可發(fā)現(xiàn)，在支撐早、中期，第一跖骨相對(duì)跟骨先向外、向前和向上移動(dòng)，隨后在蹬伸初期向內(nèi)、向后和向下運(yùn)動(dòng)，離地期回歸中立位狀態(tài)。轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下，跖骨相對(duì)跟骨先背屈、外展運(yùn)動(dòng)，在蹬伸初期達(dá)到最大，而后進(jìn)行跖屈和內(nèi)收運(yùn)動(dòng)。足弓在內(nèi)外翻方向的運(yùn)動(dòng)幅度較小，呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)。

圖5 不同跑步觸地習(xí)慣對(duì)跑步支撐期足弓6DOF運(yùn)動(dòng)的影響Figure 5. Effects of Different Foot Strike Patterns on the Arch 6DOF Data during the Stance Phase of Running

平移狀態(tài)下，F(xiàn)FS時(shí)跖骨相對(duì)跟骨向外的最大平移（P=0.011），以及支撐早期（P＜0.001）、整個(gè)支撐期的（P＜0.001）內(nèi)外平移幅度以及支撐早期（P＜0.001）、蹬伸期（P=0.005）和支撐期（P=0.004）的前后平移幅度顯著大于RFS。轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下，F(xiàn)FS時(shí)跖骨相對(duì)跟骨支撐早期的屈伸活動(dòng)度（P=0.003）、支撐早期（P=0.002）和蹬伸期（P=0.014）的外展活動(dòng)度、最大外展角（P=0.023）顯著大于RFS（圖6）。

圖6 不同跑步觸地習(xí)慣對(duì)跑步支撐期足弓6DOF運(yùn)動(dòng)幅度和特征值的影響Figure 6. Effects of Different Foot Strike Patterns on the Range of Motion of Arch 6DOF Data and Characteristic Values during the Stance Phase of Running

2.3 第一跖趾關(guān)節(jié)

由1stMTPJ 6DOF運(yùn)動(dòng)曲線（圖7）可知，平移狀態(tài)下，趾骨相對(duì)跖骨先向內(nèi)、向前和向下運(yùn)動(dòng)，在支撐中期達(dá)到最大值，隨后開始向外、向后和向上平移。轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下，趾骨相對(duì)跖骨先屈和外旋運(yùn)動(dòng)，隨后在蹬伸期進(jìn)行伸展和外翻運(yùn)動(dòng)，其伸展運(yùn)動(dòng)與向上平移運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是一致的。

圖7 不同跑步觸地習(xí)慣對(duì)跑步支撐期1st MTPJ 6DOF數(shù)據(jù)的影響Figure 7. Effects of Different Foot Strike Patterns on the 1st MTPJ 6DOF Data during the Stance Phase of Running

平移狀態(tài)下，F(xiàn)FS時(shí)趾骨相對(duì)跖骨在支撐早期（P=0.009）、離地期（P=0.005）的前后平移幅度，支撐中期（P=0.001）、離地期（P=0.015）的上下平移幅度以及向上平移最大值（P=0.022）均顯著大于RFS。轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下，在支撐早期（P=0.004）、中期（P=0.001）和離地期（P=0.012）的屈伸活動(dòng)度，離地期（P=0.007）和支撐期（P=0.005）的外翻活動(dòng)度，以及最大外翻角（P=0.048）均顯著大于RFS（圖8）。

圖8 不同跑步觸地習(xí)慣對(duì)跑步支撐期1st MTPJ 6DOF運(yùn)動(dòng)幅度和特征值的影響Figure 8. Effects of Different Foot Strike Patterns on the Range of Motion of the 1st MTPJ 6DOF Data and Characteristic Values during the Stance Phase of Running

2.4 足底筋膜

在跑步支撐期，PF的應(yīng)變先增加，蹬伸期達(dá)到最大值，而后逐漸減?。▓D9）。與RFS相比，F(xiàn)FS條件下支撐早期（P＜0.001）、蹬伸期（P＜0.001）以及支撐期（P=0.01）PF的長(zhǎng)度變化量、最大應(yīng)變顯著更大（P=0.01）。此外，在支撐早期和蹬伸期，F(xiàn)FS條件下PF的功率顯著大于RFS（圖10）。

圖9 不同跑步觸地習(xí)慣對(duì)跑步支撐期足底筋膜應(yīng)變和功率的影響Figure 9. Effects of Different Foot Strike Patterns on the Stain and Power of PF during the Stance Phase of Running

圖10 不同跑步觸地習(xí)慣對(duì)跑步支撐期足底筋膜長(zhǎng)度變化量、最大長(zhǎng)度和應(yīng)變的影響Figure 10. Effects of Different Foot Strike Patterns on the Length Variation， Maximum Length and Strain of PF during the Stance Phase of Running

3 討論

本研究假設(shè)得到驗(yàn)證，F(xiàn)FS顯著增加了足弓（內(nèi)外、前后、屈伸和外展活動(dòng)度）和1stMTPJ（前后、上下、屈伸和外旋活動(dòng)度）6DOF的變化以及PF的應(yīng)變和功率，表明FFS可能強(qiáng)化了足弓和PF的力學(xué)特性。此外，F(xiàn)FS跑者的趾屈肌力顯著大于RFS跑者。

本研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)FS跑者的趾屈肌力顯著大于RFS跑者，表明FFS使足部發(fā)生了適應(yīng)性肌肉力量增強(qiáng)。有研究認(rèn)為，足部肌力不足是足底筋膜炎發(fā)生的重要誘因，因足部肌肉不能在運(yùn)動(dòng)中控制足弓的形變，進(jìn)而導(dǎo)致PF應(yīng)變的過度增加（Cheung et al.， 2016； Latey et al.， 2014； Warren et al.， 1987）。同時(shí)，趾屈肌力的增強(qiáng)可協(xié)調(diào)足后跟離地，使跑者獲得較大的支撐反作用力，進(jìn)而促使身體快速蹬離地面，潛在提高了跑步經(jīng)濟(jì)性（Maden et al.， 2021）。

跑步時(shí)，足部縱弓類似彈簧，在支撐早、中期受壓將機(jī)械能儲(chǔ)存于足弓的彈性結(jié)構(gòu)中，隨后在蹬伸期彈性結(jié)構(gòu)縮短，足弓釋放能量（Kelly et al.， 2017； McDonald et al.， 2016）。Ker等（1987）通過尸體研究發(fā)現(xiàn)，足弓可儲(chǔ)存并釋放足夠的能量以節(jié)省跑步代謝能，該觀點(diǎn)在在體研究中也得到了證實(shí)（Stearne et al.， 2016）。有研究指出，縱弓約提供跑步（跑速為4.5 m/s）所耗機(jī)械能的17%（Ker et al.， 1987）。本研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)RFS，F(xiàn)FS增加了足弓在矢狀面上的運(yùn)動(dòng)幅度，如支撐早期、蹬伸期和整個(gè)支撐期的前后平移幅度，以及支撐早期屈伸活動(dòng)度顯著增加，這表明FFS時(shí)足弓矢狀面上的壓縮量更大，而較大的足弓形變會(huì)儲(chǔ)存更多的彈性能，同時(shí)衰減沖擊。該結(jié)果得到了前人研究的支持（Perl et al.， 2012），F(xiàn)FS條件下足弓形變更大，可能由于FFS時(shí)從觸地開始足弓受壓長(zhǎng)度增大，而RFS時(shí)從全掌著地足弓開始負(fù)載受壓。負(fù)載階段，PF牽拉跟骨與跖骨，防止足弓過度形變而坍塌，并通過形變吸收部分足部沖擊能量（Gefen， 2003；Snow et al.， 1995）。在隨后的蹬伸階段，MTPJ的伸展產(chǎn)生絞盤效應(yīng)，PF纏繞趾骨牽拉跟骨向跖骨運(yùn)動(dòng)，足弓長(zhǎng)度縮短（Bolgla et al.，2004；Hicks， 1954）。

MTPJ作為下肢最末端關(guān)節(jié)，其伸展運(yùn)動(dòng)是通過踝關(guān)節(jié)跖屈肌配合足趾屈肌在遠(yuǎn)固定條件下收縮完成的（傅維杰 等， 2013），MTPJ屈曲角度的改變對(duì)跑步動(dòng)作尤其是支撐后期的蹬伸效果產(chǎn)生重要影響（張發(fā)寧 等， 2022；Goldmann et al.， 2011； Willwacher et al.， 2013）。本研究發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)支撐期MTPJ一直處于伸展?fàn)顟B(tài)，其運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)與前人研究結(jié)果一致（Welte et al.， 2021），在此過程中，MTPJ主要以吸收機(jī)械能為主，基本不釋放能量（Roy et al.，2006）。RFS條件下，支撐早、中期和離地期MTPJ的屈伸活動(dòng)度和上下位移幅度更?。◤埌l(fā)寧 等， 2021），較小的活動(dòng)度可減小能量損失（Roy et al.， 2006），而整個(gè)支撐期MTPJ的活動(dòng)度無顯著差異。因此，不同觸地習(xí)慣對(duì)MTPJ能量吸收的影響還亟待進(jìn)一步探究。本研究發(fā)現(xiàn)，在蹬伸期，F(xiàn)FS條件下MTPJ屈伸角度和向上平移值更大，這表明MTPJ伸展會(huì)進(jìn)一步拉伸PF使其長(zhǎng)度增大，絞盤效應(yīng)更顯著，同時(shí)也提高了MTPJ蹬伸力的傳遞。

對(duì)于PF，本研究發(fā)現(xiàn)，從觸地開始PF應(yīng)變呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，表明PF的特性符合彈性結(jié)構(gòu)的伸長(zhǎng)-縮短期（stretch-shorten cycle，SSC）模式，在支撐早、中期PF儲(chǔ)存彈性能（功率為負(fù)），在蹬伸期和離地期釋放彈性能（功率為正）。PF這一特性可有效發(fā)揮“彈簧”作用，在不同負(fù)載條件下調(diào)節(jié)足部的彈性功能（McDonald et al.， 2016）。此外，足弓矢狀面的形變以及MTPJ的伸展也會(huì)影響PF的應(yīng)變（Caravaggi et al.， 2009； Flanigan et al.， 2007）。本研究中，F(xiàn)FS和RFS跑者PF的最大應(yīng)變分別為8.9%和7.5%。PF的最大應(yīng)變決定了彈性能的效益（McDonald et al.，2016），F(xiàn)FS時(shí)PF最大應(yīng)變顯著大于RFS，這表明FFS跑者會(huì)從PF中獲得額外的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)優(yōu)勢(shì)（performance benefit），從而提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。而Gefen等（2003）發(fā)現(xiàn)，從足全掌觸地至離地階段PF的應(yīng)變?yōu)?%～12%，最大應(yīng)變值的差異可能是由于受試者性別、測(cè)試動(dòng)作的差異等引起的。本研究發(fā)現(xiàn)，在支撐期的前10%，RFS時(shí)PF出現(xiàn)縮短，而FFS時(shí)PF持續(xù)增長(zhǎng)。FFS時(shí)PF這種“預(yù)負(fù)載”（preloading）會(huì)改變其張力和足弓長(zhǎng)度（Iwanuma et al.， 2011），同時(shí)可能有助于蹬伸期身體的向前推進(jìn)（Pataky et al.， 2008）。因這種“預(yù)負(fù)載”會(huì)減少PF膠原組織的卷曲現(xiàn)象，從而更早地強(qiáng)化足弓剛度，有助于蹬伸期足部傳遞更大的蹬伸力至地面（Caravaggi et al.， 2009）。

本研究采用高速DFIS精準(zhǔn)分析了不同跑步觸地習(xí)慣下足弓、MTPJ以及PF的在體生物力學(xué)特性，但也存在一定的局限性：1）將PF簡(jiǎn)化為2條纖維，模型遠(yuǎn)端的部分線段會(huì)穿過籽骨內(nèi)部，而實(shí)際上PF是起于跟骨結(jié)節(jié)纏繞籽骨，止于近端趾骨，并未穿過籽骨；2）本研究主要分析了足弓和MTPJ的運(yùn)動(dòng)學(xué)，未深入探究動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)；3）受試者均為健康男性跑者，不同性別、年齡以及足底筋膜炎患者的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)有待進(jìn)一步探究。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，相比于后跟著地跑者，前掌著地跑者在跑步支撐階段足弓的長(zhǎng)度變化，第一跖趾關(guān)節(jié)的前后、上下和屈伸活動(dòng)度顯著增加，這表明前掌著地跑者足弓儲(chǔ)存和釋放的能量更多，跖趾關(guān)節(jié)的蹬伸效果更好。同時(shí)足底筋膜的應(yīng)變以及功率顯著增加，表明前掌著地跑者足底筋膜儲(chǔ)存和釋放的彈性能更多，具有更強(qiáng)的足底筋膜力學(xué)特性。此外，前掌著地跑者也具有更大的跖趾關(guān)節(jié)屈肌力量。