不同足弓高度對踝關節肌力和運動能力的影響

趙曉光

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不同足弓高度對踝關節肌力和運動能力的影響

趙曉光

寧波大學 大健康研究院 體育學院, 浙江 寧波 315211

目的：探討不同的足弓高度對踝關節肌力以及運動能力的影響。方法：選取受試者67名，均無運動習慣（每周運動時間少于150 min）和無影響足功能的相關疾患。使用三維足形態掃描儀（3D Foot Scanner）對足弓高度進行測量與分析；使用多關節等速肌力測試訓練系統（Biodex System 4）對踝關節跖屈、背屈、內旋、外旋的絕對和相對肌力進行測量與評價；使用靈活性、跳躍能力、本體感受性等測試項目對受試者運動能力進行評價。結果：與正常足弓組相比，高足弓組的跖屈和內旋的絕對和相對肌力顯著較低（＜0.05）。而低足弓組與正常足弓組的踝關節肌力無顯著差異。此外，足弓高度指數與內旋、外旋絕對肌力呈顯著正相關，與跖屈、內旋、外旋相對肌力呈顯著負相關關系（=-0.26～-0.36，＜0.05）。未發現足弓高度指數與所測的運動能力指標之間存在顯著的相關關系。結論：1）高足弓人群具有較低的踝關節肌力，而低足弓人群具有較高的踝關節肌力。2）足弓高度會對踝關節肌力產生一定影響，但不會影響其運動能力。

足弓高度；足弓高度指數；踝關節肌力；運動能力

足弓是由跗骨、跖骨以及圍繞在其周圍的韌帶和肌腱等構成的具有彈性和收縮性的拱形結構，在人體運動過程中起著支撐體重和吸收地面反作用力的作用。由于受年齡、體重、選鞋習慣等因素的影響，足弓的形態會發生一定改變，而這種足弓形態的改變也勢必會引起下肢一系列的生物力學變化，甚至引發病痛[2]。在過去的幾十年中，足弓高度一直被認為是評價下肢病痛的一個重要風險指標[13,21]。已有研究報道指出，過度的高足弓與下肢骨的應力性骨折，膝、踝、足關節疼痛有關聯[7,10,23]，而過度的低足弓（扁平足）與下肢軟組織損傷，膝、踝關節炎以及跟腱損傷等有聯系[14,18]。在近年，有學者研究發現，足弓高度與下肢運動鏈耦合（評價運動鏈共同協作的指標）之間存在著一定的相關關系[22]。足踝關節的角度不對稱（Foot Asymmetry）或許可以在一定程度上解釋為何足弓形態的改變會引起下肢生物力學的變化。一般來說，足弓形態的改變經常會伴隨出現腳踝或者距下關節的角度不對稱，即高足弓會導致足內翻（Supination），而低足弓會導致足外翻（Pronation）?？梢钥闯?，不同足弓形態所引發的下肢生物力學變化可能是導致下肢疾患的誘因。

有關足弓高度與踝關節肌力和運動能力之間是否存在關聯目前還沒有達成一致的共識。一項以兒童少年為研究對象的研究顯示，足弓高度，特別是低足弓，會對兒童的運動技能和運動成績產生一定的負面影響[14]，這種影響可能與足踝部的肌肉力量減弱有關，因為已有研究表明，足弓高度與踝關節的內旋肌力之間存在著顯著的相關關系[5,28]。與此研究結果不同，日本學者研究發現，足弓高度不會對兒童少年的運動能力，包括速度、靈敏以及跳躍能力造成影響[16]。同樣，我國學者研究發現，足弓高度不會對大學生以及運動員的運動能力產生影響[1,3]。鑒于以上研究結果的不同，有必要對足弓高度是否會影響踝關節肌力和運動能力做進一步的研究和驗證。

足弓高度指數（Arch Height Index, AHI）是具有高信度和效度的評價足弓形態的一個臨床指標[8]。足弓高度指數被定義為足背高度（Dorsum Height）與足弓凹陷長度（Truncated Foot Length）的比值，它是由Williams和McClay[25]兩人在2000年時創造并使用的。此后，足弓高度指數在評價足弓形態的研究中得到了廣泛應用。根據足弓高度指數的大小，足弓可以被劃分為高、低和正常足弓。劃分方法一般使用標準差法，即把足弓高度指數的平均值小于一個標準差或者0.5個標準差之內的數值范圍定義為正常足弓，大于或小于此標準差的定義為高足弓或低足弓。例如，Teyhen[20]等人就利用標準差法把足弓被劃分為高、低和正常足弓，并對足弓高度對足底壓力的影響進行了研究。綜上所述，足弓高度指數可以對足弓高度進行評價。

足部健康在一定程度上影響著人體的健康水平，而足形態，特別是足弓形態是足部健康的基礎和前提。因此，有關足弓形態的研究應受到學者的廣泛關注和重視。雖然，目前學界對足弓高度變化所導致的下肢生物力學變化可能是誘發下肢疾患的觀點達成了一致意見，但是，對足弓高度是否會直接影響踝關節肌力和運動能力的相關研究報道仍存在分歧[1,3,15,16]。因此，本研究基于以往的研究基礎，提出足弓高度與踝關節力矩之間存在顯著性負相關關系的研究假設。為了驗證此研究假設，本研究通過測量足弓高度、踝關節肌力和運動能力等指標參數，并在此基礎上探討不同的足弓高度對踝關節肌力以及運動能力的影響，以及它們之間是否存在著一定的相關關系。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

通過在報紙上刊登招募信息，以及在人群密集處張貼宣傳海報的方式募集受試者。受試者進入此研究的篩選條件是：1）男性；2）30～60歲；3）無運動習慣（每周運動時間少于150 min）；4）無足病痛史和影響足功能的神經、肌肉等病患。

共有67名受試者符合篩選條件進入本研究，并分別對受試者足弓高度、踝關節肌力以及運動能力等指標參數進行測量。

1.2 身體形態測量

受試者首先進行裸足、短衣短褲狀態下的身體形態學測量。利用身高計（YG-200; Yagami, Nagoya, Japan）和體重計（TBF-551; Tanita, Tokyo, Japan）對身高和體重進行測量，讀數分別準確至0.1 cm和0.1 kg。體重指數（BMI, kg/m2）的值為體重（kg）除以身高（m）的平方。

1.3 足弓高度測量

利用三維足形態掃描儀（FSN-2100, Dream GP Inc., Japan）對足弓高度進行測量與分析。與傳統利用卡尺測量的方法相比，三維足形態掃描儀具有快速、準確等特性。與以往的測試方法一樣[27]，在本研究中，也僅對右足站立姿狀態下的足弓進行數據采集與分析。

在測試前，受試者需在測試人員的指導下將右足放在三維足形態掃描儀指定的掃描位置上。然后，保持兩腳自然站立與肩同寬、目視前方、兩手自然下垂的狀態，以保證體重均勻分配至雙腳。在測試時，三維足形態掃描儀發出的激光束會對足部進行全方位的掃描。掃描結束后，此儀器的自帶軟件會自動重建足形態模型，并將重建出來的足形態模型自動保存在電腦上以待下一步分析評價。在足形態模型中可以測量足高度、寬度、圍度等指標的數值，以計算足弓高度指數。每次測試均在15 s以內完成。每位受試者測試結束后，需要用酒精濃度為70%的醫用酒精對站立部位進行擦拭，以備下位受試者進行測試。

本研究使用足弓高度指數對足弓高度進行評價。足弓高度指數為足背高度除以足弓凹陷長度的值。本研究采用和Williams[24]人相似的足弓高度分類方法，即利用0.5個標準差法將足弓高度劃分為高、低和正常足弓組。

1.4 運動能力測試

本研究隨機選取靈活性、跳躍能力、本體感受性等測試項目對運動能力進行評價，各個運動能力測試項目之間的休息時間為3～5 min。以下項目均測試兩次，取最佳值。

左右跳躍移動（Stepping Side to Side）：受試者兩腳跨立站在左右間隔為1 m的三條線的中間線上，然后受試者以最快速度重復性地進行左右跳躍移動。跳躍移動過程中，雙腳需踩到或者跨過兩邊緣線。測試人員記錄受試者在20 s內左右跳躍移動的最大重復次數（n）。

前后跨步移動（Stepping Forward and Back）：受試者站立在一橫線的后方，然后右腳跨過此橫線，待左腳也跨過橫線后，右足、左足再次跨回原點?？绮竭^程中，兩腳不得踩到中間橫線。測試人員記錄受試者在20 s內前后跨步的最大重復次數（n）。

垂直跳躍（Vertical Jump）：受試者在腰間佩戴垂直跳躍測試儀（Jump-MD, TKK 5106, Takei Scientific Instruments, Tokyo, Japan），此測試儀以一條連接線連接著足底部的起跳平臺，然后受試者盡最大努力進行垂直跳躍，垂直跳躍測試儀則會自動顯示出受試者的跳躍高度。測試人員記錄受試者的垂直跳躍高度（cm）。

單腿閉眼平衡（Balancing on One Leg with Eyes Closed）：受試者須在閉眼的狀態下雙手叉腰，并用優勢足進行單腿站立。測試人員記錄受試者保持平衡的最大時間（s）。

1.5 踝關節肌力測試

使用多關節等速肌力測試訓練系統（Biodex Medical System Inc., Shirley, NY, USA）對踝關節跖屈、背屈、內旋、外旋的絕對肌力（N·m）和相對肌力（N·m/kg×100%）進行測量與評價。根據以往研究的報道，30゜/s和120゜/s的角速度具有較高的信度和效度，且被多數研究者所廣泛使用[1,7]。因此，本研究也選取30゜/s和120゜/s的角速度對踝關節肌力進行評價。踝關節肌力測試與運動能力測試的時間間隔為1～2天。

測試前，受試者需在測試人員的帶領和指導下，進行3～5 min的針對下肢和踝關節的熱身運動。在受試者進行熱身運動的同時，測試人員根據儀器操作手冊中的步驟對儀器進行調節與設定，以測試踝關節肌力。在正式肌力數據采集前，受試者需發揮大約50%的肌力進行2～3次的預測試以熟悉測試流程。正式測試時，受試者發揮最大肌力分別在角速度為30゜/s時進行3次測試，角速度為120゜/s時進行5次測試。本研究分別采用30゜/s和120゜/s的角速度測試時的最大力矩輸出值進行數據分析。測試過程中，為了讓受試者發揮最大肌力，測試人員對進行測試的受試者給予大聲的加油鼓勵。兩組測試之間有3 min的間歇。為了減小測試誤差，全部受試者的踝關節肌力測試都由同一測試人員獨立操作完成。

1.6 統計方法

使用Shapiro-Wilks Test對數據進行正態分布檢驗。由于數據不呈正態分布，使用Kruskal-Wallis Test的非參數檢驗對不同足弓高度組的踝關節肌力和運動能力進行顯著性檢驗，事后比較檢驗使用Mann-Whitney U Test。使用偏相關（校正年齡和BMI）分析足弓高度指數與踝關節肌力和運動能力的相關性。數據采用SPSS 22.0統計軟件進行分析，顯著性水平設定在＜0.05。

2 研究結果

2.1 受試者基本信息

本研究受試者不同足弓高度組的身體形態和足形態等基本信息見表1。根據足弓高度指數值，受試者的足弓被分為低足弓、正常足弓和高足弓3組。從表1可以看出，年齡、身高、體重等身體形態指標在這3組中沒有顯著差異，而足背高度、足弓凹陷長度和足弓高度指數差異顯著（＜0.05）。

表1 本研究不同足弓高度組受試者的身體形態和足形態指標

注: *表示低足弓、正常足弓和高足弓組之間＜0.05，Kruskal-Wallis Test，下同。

2.2 不同足弓高度組的踝關節肌力對比情況

不同足弓高度組的踝關節肌力對比情況如表2所示，在踝關節絕對肌力方面，與正常足弓組相比，在角速度為120゜/s時，高足弓組具有顯著較低的跖屈和內旋肌力（＜0.05）；相對肌力方面，在角速度為120゜/s時，與高足弓組相比，正常足弓組和低足弓組具有顯著較高的跖屈肌力和內旋肌力（＜0.05）。在角速度為30゜/s時，正常足弓組和低足弓組具有顯著較高的跖屈（＜0.05）。然而，未發現低足弓組和正常足弓組的踝關節肌力之間有顯著差異。

表2 不同足弓高度組的踝關節肌力對比

注：?表示高足弓與正常足弓相比＜0.05；?表示低足弓與高足弓相比＜0.05，Mann-Whitney U Test。下同。

2.3 不同足弓高度組的運動能力對比情況

不同足弓高度組的踝關節肌力對比情況如表3所示。與正常足弓相比，高足弓和低足弓組的運動能力指標值都沒有顯著差異。僅當對比低足弓和高足弓組時，發現高足弓組的左右跳躍移動、前后跨步移動能力顯著優于低足弓組（＜0.05），而垂直跳躍能力卻顯著較低（＜0.05）。

表3 不同足弓高度組的運動能力對比

2.4 足弓高度指數與踝關節肌力的相關性情況

足弓高度指數與踝關節肌力的相關性情況如表4所示。在踝關節絕對肌力方面，角速度為120゜/s時，足弓高度指數與跖屈、外旋和內旋肌力呈顯著負相關關系（=-0.24～-0.31,＜0.05）。但當校正年齡和BMI影響因素后發現，足弓高度指數僅與內旋肌力呈顯著負相關關系（=-0.27,＜0.05）。相對肌力方面，足弓高度指數與跖屈、外旋和內旋肌力呈顯著負相關（=-0.22～-0.38,＜0.05），與背屈無顯著相關。校正年齡和BMI后，這種相關性依然存在（=-0.27～-0.36,＜0.05）。

表4 足弓高度指數與踝關節肌力的相關性（校正年齡和BMI）

注：#表示＜ 0.05。下同。

2.5 足弓高度指數與運動能力的相關性情況

足弓高度指數與運動能力的相關性情況如表5所示。足弓高度指數與發現高足弓組的左右跳躍移動、前后跨步移動和垂直跳躍能力均呈顯著負相關關系（=-0.26～-0.33,＜0.05）。但當校正年齡和BMI后發現這種顯著性消失。

表5 足弓高度指數與運動能力的相關性情況（校正年齡和BMI）

3 分析討論

本研究利用足弓高度指數將受試者足弓分為低、正常和高足弓3組，以探討不同足弓高度對踝關節肌力和運動能力等指標參數的影響。研究結果發現，高足弓組的跖屈和內旋絕對和相對肌力顯著低于低足弓組。而低足弓組與正常足弓組的踝關節肌力無顯著差異。此外，足弓高度指數與內旋、外旋絕對肌力呈顯著正相關，與跖屈、內旋、外旋相對肌力呈顯著負相關。未發現足弓高度指數與運動能力指標之間存在顯著的相關關系?？梢钥闯?，足弓高度在一定程度上會影響踝關節肌力的大小，但不會對運動能力產生負面影響。

足弓在人體活動中起著非常重要的作用，它既要有一定的彈性以吸收來自地面的反作用力，又要有一定的硬度以防止足弓的塌陷，兩種功能在運動中重復交替發生[6]。高足弓和低足弓對足的功能具有一定的影響。研究已表明，低足弓一般具有較強的足彈性，而高足弓一般足彈性較差[26]。與高足弓相比，具有較強足彈性的低足弓在體力活動或者運動中能夠較好地支撐體重和吸收來自地面的反作用力。為了更好地適應和吸收來自地面增加的反作用力，足弓周圍肌肉的肌力和韌帶的強度等會得到一定程度的加強。這可能導致了低足弓人群較高足弓人群相比，具有較強的踝關節肌力。本研究的結果支持了上述觀點。本研究發現，低足弓組的相對和絕對跖屈和內旋肌力明顯高于高足弓組。

關于足弓高度是否會對運動能力造成影響，學術界的觀點始終沒有得到統一。Lin等[15]人調查兒童低足弓（扁平足）與運動關系的橫斷研究中發現，相對于正常足弓高度的兒童，低足弓兒童的運動技能和運動表現較差。而Oda[16]的研究卻發現，低足弓不會對運動能力，特別是跳躍能力產生影響。我國學者也同樣發現，扁平足不會影響普通大學生以及運動員的運動能力[1,3]。在本實驗中，所得到的研究結果與Oda等人的研究結果相近，即足弓高度不會對運動能力產生影響。雖然足弓高度與運動能力指標呈負相關，但對年齡和BMI等影響因素進行校正后，發現這種相關關系不再存在。因此，筆者認為，運動能力應該是多種影響因素（如遺傳、關節的協作性、肌肉和肌腱的力量等）共同作用的結果，僅足弓高度這一單一因素很難對運動能力產生決定性影響。

Aydog等[4]人針對足弓高度與踝關節肌力進行了研究，他們運用足印法對體操運動員足弓高度的調查發現，足弓高度與內旋肌力之間顯著相關。雖然研究方法和研究對象不同，但本研究的研究結果與上述研究結果相似。本研究不但發現足弓高度與踝關節的內旋肌力相關，還與跖屈和外旋肌力有關聯。綜合這些研究表明，踝關節的內旋和外旋的肌力會隨著足弓的降低而逐漸增大。但不能得出結論認為低足弓一定會引起踝關節肌力的增加，因為扁平足等病理性低足弓可能會由于其對足底的壓迫而導致踝關節肌力的下降。因此，對扁平足是否會影響下肢肌力，還有待進一步的研究和驗證。

過度的低足弓和高足弓被認為是下肢損傷和病痛的一個危險因素[8,23,27]。Giladi等[12]人對295名男性新兵進行足弓高度和下肢傷病關系的研究發現，高足弓的新兵發生應力性骨折的幾率顯著高于低足弓的新兵。Williams等[23]人對40名非專業運動員的足弓高度和足踝損傷的研究中發現，高足弓人群易發生足踝損傷，而低足弓人群易發生膝損傷和軟組織損傷。雖然本研究未涉及過度低足弓和高足弓，但研究發現，高足弓一般會伴隨著踝關節的肌力降低。而過度的低足弓（如扁平足）也會導致下肢肌力的下降[19]。提示，下肢肌力減弱可能是導致下肢損傷和病痛的主要原因之一。已有研究表明，踝關節肌力與足踝損傷以及老年人的跌倒等有關[11,17]。因此，對于過度的低足弓和高足弓人群，筆者鼓勵增強下肢肌力的相關訓練。

本研究在以下幾個方面具有局限性。1）受試者年齡跨度較大（30～60歲）以及肥胖等因素會對本研究的測試結果產生一定的影響。因此，在本研究中使用偏相關統計方法對年齡和BMI進行校正，以最大限度地減少年齡和BMI因素對關鍵性指標的影響。2）盡管本研究招募的受試者均無運動習慣（每周運動時間少于150 min），但不同個體的身體活動量可能不盡相同，這也許會對足形態造成一定的影響。3）本研究結果是基于成年男性所獲得的。因此，在研究結果的適用性方面，是否也適用于女性、老年人及兒童群體還有待驗證。

4 結論

本研究通過測量足弓高度、踝關節肌力和運動能力等相關指標，探討不同的足弓高度對踝關節肌力和運動能力的影響，以及它們之間的內在關系。研究表明：1）高足弓人群具有較低的踝關節肌力，而低足弓人群具有較高的踝關節肌力。低足弓人群與正常足弓人群的踝關節肌力沒有顯著差異。2）足弓高度會對踝關節肌力產生影響，即踝關節跖屈、內旋和外旋肌力會隨著足弓高度的降低而有所增大，但足弓高度不會對運動能力產生影響。

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The Impacts of Different Arch Height on Ankle Strength and Physical Performance

ZHAO Xiao-guang

Ningbo University, Ningbo 315211, China.

Objectives: The aim of this study was to investigate the possible correlation of arch height with ankle muscle strength and physical performance. Methods: Sixty-seven participants took part in this study. Arch height index (AHI) was assessed using a 3D Foot Scanner and ankle muscle strength was measured employing a dynamometer of Biodex system 4. Physical performance including agility, force and proprioception was tested randomly. Results: Compared with the medium AHI, the high AHI had lower plantar flexion and inversion peak torque. The high AHI also had lower peak torque per body weight value for plantar flexion and inversion (＜0.05). No significant ankle muscle strength difference was observed between the low and medium AHI. Additionally, AHI was negatively correlated with eversion and inversion peak torque, and negatively associated with plantar flexion, eversion and inversion peak torque per body weight (ranged -0.26 to -0.36,＜0.050). But no significant relationship was found between arch height and physical performance. Conclusions: 1) high arches had lower ankle muscle strength while low arches exhibited greater ankle muscle strength. 2) arch height have a certain impact on ankle muscle strength but not related with physical performance.

1000-677X(2018)04-0061-06

10.16469/j.css.201804007

G804.6

A

2017-05-31；

2018-03-30

趙曉光,男,助理研究員,博士,主要研究方向為運動醫學, Email: xiaoguangzhao1985@gmail.com。