赵晓光



不同足弓高度对踝关节肌力和运动能力的影响

赵晓光

宁波大学 大健康研究院 体育学院, 浙江 宁波 315211

目的：探讨不同的足弓高度对踝关节肌力以及运动能力的影响。方法：选取受试者67名，均无运动习惯（每周运动时间少于150 min）和无影响足功能的相关疾患。使用三维足形态扫描仪（3D Foot Scanner）对足弓高度进行测量与分析；使用多关节等速肌力测试训练系统（Biodex System 4）对踝关节跖屈、背屈、内旋、外旋的绝对和相对肌力进行测量与评价；使用灵活性、跳跃能力、本体感受性等测试项目对受试者运动能力进行评价。结果：与正常足弓组相比，高足弓组的跖屈和内旋的绝对和相对肌力显著较低（＜0.05）。而低足弓组与正常足弓组的踝关节肌力无显著差异。此外，足弓高度指数与内旋、外旋绝对肌力呈显著正相关，与跖屈、内旋、外旋相对肌力呈显著负相关关系（=-0.26～-0.36，＜0.05）。未发现足弓高度指数与所测的运动能力指标之间存在显著的相关关系。结论：1）高足弓人群具有较低的踝关节肌力，而低足弓人群具有较高的踝关节肌力。2）足弓高度会对踝关节肌力产生一定影响，但不会影响其运动能力。

足弓高度；足弓高度指数；踝关节肌力；运动能力

足弓是由跗骨、跖骨以及围绕在其周围的韧带和肌腱等构成的具有弹性和收缩性的拱形结构，在人体运动过程中起着支撑体重和吸收地面反作用力的作用。由于受年龄、体重、选鞋习惯等因素的影响，足弓的形态会发生一定改变，而这种足弓形态的改变也势必会引起下肢一系列的生物力学变化，甚至引发病痛[2]。在过去的几十年中，足弓高度一直被认为是评价下肢病痛的一个重要风险指标[13,21]。已有研究报道指出，过度的高足弓与下肢骨的应力性骨折，膝、踝、足关节疼痛有关联[7,10,23]，而过度的低足弓（扁平足）与下肢软组织损伤，膝、踝关节炎以及跟腱损伤等有联系[14,18]。在近年，有学者研究发现，足弓高度与下肢运动链耦合（评价运动链共同协作的指标）之间存在着一定的相关关系[22]。足踝关节的角度不对称（Foot Asymmetry）或许可以在一定程度上解释为何足弓形态的改变会引起下肢生物力学的变化。一般来说，足弓形态的改变经常会伴随出现脚踝或者距下关节的角度不对称，即高足弓会导致足内翻（Supination），而低足弓会导致足外翻（Pronation）。可以看出，不同足弓形态所引发的下肢生物力学变化可能是导致下肢疾患的诱因。

有关足弓高度与踝关节肌力和运动能力之间是否存在关联目前还没有达成一致的共识。一项以儿童少年为研究对象的研究显示，足弓高度，特别是低足弓，会对儿童的运动技能和运动成绩产生一定的负面影响[14]，这种影响可能与足踝部的肌肉力量减弱有关，因为已有研究表明，足弓高度与踝关节的内旋肌力之间存在着显著的相关关系[5,28]。与此研究结果不同，日本学者研究发现，足弓高度不会对儿童少年的运动能力，包括速度、灵敏以及跳跃能力造成影响[16]。同样，我国学者研究发现，足弓高度不会对大学生以及运动员的运动能力产生影响[1,3]。鉴于以上研究结果的不同，有必要对足弓高度是否会影响踝关节肌力和运动能力做进一步的研究和验证。

足弓高度指数（Arch Height Index, AHI）是具有高信度和效度的评价足弓形态的一个临床指标[8]。足弓高度指数被定义为足背高度（Dorsum Height）与足弓凹陷长度（Truncated Foot Length）的比值，它是由Williams和McClay[25]两人在2000年时创造并使用的。此后，足弓高度指数在评价足弓形态的研究中得到了广泛应用。根据足弓高度指数的大小，足弓可以被划分为高、低和正常足弓。划分方法一般使用标准差法，即把足弓高度指数的平均值小于一个标准差或者0.5个标准差之内的数值范围定义为正常足弓，大于或小于此标准差的定义为高足弓或低足弓。例如，Teyhen[20]等人就利用标准差法把足弓被划分为高、低和正常足弓，并对足弓高度对足底压力的影响进行了研究。综上所述，足弓高度指数可以对足弓高度进行评价。

足部健康在一定程度上影响着人体的健康水平，而足形态，特别是足弓形态是足部健康的基础和前提。因此，有关足弓形态的研究应受到学者的广泛关注和重视。虽然，目前学界对足弓高度变化所导致的下肢生物力学变化可能是诱发下肢疾患的观点达成了一致意见，但是，对足弓高度是否会直接影响踝关节肌力和运动能力的相关研究报道仍存在分歧[1,3,15,16]。因此，本研究基于以往的研究基础，提出足弓高度与踝关节力矩之间存在显著性负相关关系的研究假设。为了验证此研究假设，本研究通过测量足弓高度、踝关节肌力和运动能力等指标参数，并在此基础上探讨不同的足弓高度对踝关节肌力以及运动能力的影响，以及它们之间是否存在着一定的相关关系。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

通过在报纸上刊登招募信息，以及在人群密集处张贴宣传海报的方式募集受试者。受试者进入此研究的筛选条件是：1）男性；2）30～60岁；3）无运动习惯（每周运动时间少于150 min）；4）无足病痛史和影响足功能的神经、肌肉等病患。

共有67名受试者符合筛选条件进入本研究，并分别对受试者足弓高度、踝关节肌力以及运动能力等指标参数进行测量。

1.2 身体形态测量

受试者首先进行裸足、短衣短裤状态下的身体形态学测量。利用身高计（YG-200; Yagami, Nagoya, Japan）和体重计（TBF-551; Tanita, Tokyo, Japan）对身高和体重进行测量，读数分别准确至0.1 cm和0.1 kg。体重指数（BMI, kg/m2）的值为体重（kg）除以身高（m）的平方。

1.3 足弓高度测量

利用三维足形态扫描仪（FSN-2100, Dream GP Inc., Japan）对足弓高度进行测量与分析。与传统利用卡尺测量的方法相比，三维足形态扫描仪具有快速、准确等特性。与以往的测试方法一样[27]，在本研究中，也仅对右足站立姿状态下的足弓进行数据采集与分析。

在测试前，受试者需在测试人员的指导下将右足放在三维足形态扫描仪指定的扫描位置上。然后，保持两脚自然站立与肩同宽、目视前方、两手自然下垂的状态，以保证体重均匀分配至双脚。在测试时，三维足形态扫描仪发出的激光束会对足部进行全方位的扫描。扫描结束后，此仪器的自带软件会自动重建足形态模型，并将重建出来的足形态模型自动保存在电脑上以待下一步分析评价。在足形态模型中可以测量足高度、宽度、围度等指标的数值，以计算足弓高度指数。每次测试均在15 s以内完成。每位受试者测试结束后，需要用酒精浓度为70%的医用酒精对站立部位进行擦拭，以备下位受试者进行测试。

本研究使用足弓高度指数对足弓高度进行评价。足弓高度指数为足背高度除以足弓凹陷长度的值。本研究采用和Williams[24]人相似的足弓高度分类方法，即利用0.5个标准差法将足弓高度划分为高、低和正常足弓组。

1.4 运动能力测试

本研究随机选取灵活性、跳跃能力、本体感受性等测试项目对运动能力进行评价，各个运动能力测试项目之间的休息时间为3～5 min。以下项目均测试两次，取最佳值。

左右跳跃移动（Stepping Side to Side）：受试者两脚跨立站在左右间隔为1 m的三条线的中间线上，然后受试者以最快速度重复性地进行左右跳跃移动。跳跃移动过程中，双脚需踩到或者跨过两边缘线。测试人员记录受试者在20 s内左右跳跃移动的最大重复次数（n）。

前后跨步移动（Stepping Forward and Back）：受试者站立在一横线的后方，然后右脚跨过此横线，待左脚也跨过横线后，右足、左足再次跨回原点。跨步过程中，两脚不得踩到中间横线。测试人员记录受试者在20 s内前后跨步的最大重复次数（n）。

垂直跳跃（Vertical Jump）：受试者在腰间佩戴垂直跳跃测试仪（Jump-MD, TKK 5106, Takei Scientific Instruments, Tokyo, Japan），此测试仪以一条连接线连接着足底部的起跳平台，然后受试者尽最大努力进行垂直跳跃，垂直跳跃测试仪则会自动显示出受试者的跳跃高度。测试人员记录受试者的垂直跳跃高度（cm）。

单腿闭眼平衡（Balancing on One Leg with Eyes Closed）：受试者须在闭眼的状态下双手叉腰，并用优势足进行单腿站立。测试人员记录受试者保持平衡的最大时间（s）。

1.5 踝关节肌力测试

使用多关节等速肌力测试训练系统（Biodex Medical System Inc., Shirley, NY, USA）对踝关节跖屈、背屈、内旋、外旋的绝对肌力（N·m）和相对肌力（N·m/kg×100%）进行测量与评价。根据以往研究的报道，30゜/s和120゜/s的角速度具有较高的信度和效度，且被多数研究者所广泛使用[1,7]。因此，本研究也选取30゜/s和120゜/s的角速度对踝关节肌力进行评价。踝关节肌力测试与运动能力测试的时间间隔为1～2天。

测试前，受试者需在测试人员的带领和指导下，进行3～5 min的针对下肢和踝关节的热身运动。在受试者进行热身运动的同时，测试人员根据仪器操作手册中的步骤对仪器进行调节与设定，以测试踝关节肌力。在正式肌力数据采集前，受试者需发挥大约50%的肌力进行2～3次的预测试以熟悉测试流程。正式测试时，受试者发挥最大肌力分别在角速度为30゜/s时进行3次测试，角速度为120゜/s时进行5次测试。本研究分别采用30゜/s和120゜/s的角速度测试时的最大力矩输出值进行数据分析。测试过程中，为了让受试者发挥最大肌力，测试人员对进行测试的受试者给予大声的加油鼓励。两组测试之间有3 min的间歇。为了减小测试误差，全部受试者的踝关节肌力测试都由同一测试人员独立操作完成。

1.6 统计方法

使用Shapiro-Wilks Test对数据进行正态分布检验。由于数据不呈正态分布，使用Kruskal-Wallis Test的非参数检验对不同足弓高度组的踝关节肌力和运动能力进行显著性检验，事后比较检验使用Mann-Whitney U Test。使用偏相关（校正年龄和BMI）分析足弓高度指数与踝关节肌力和运动能力的相关性。数据采用SPSS 22.0统计软件进行分析，显著性水平设定在＜0.05。

2 研究结果

2.1 受试者基本信息

本研究受试者不同足弓高度组的身体形态和足形态等基本信息见表1。根据足弓高度指数值，受试者的足弓被分为低足弓、正常足弓和高足弓3组。从表1可以看出，年龄、身高、体重等身体形态指标在这3组中没有显著差异，而足背高度、足弓凹陷长度和足弓高度指数差异显著（＜0.05）。

表1 本研究不同足弓高度组受试者的身体形态和足形态指标

注: *表示低足弓、正常足弓和高足弓组之间＜0.05，Kruskal-Wallis Test，下同。

2.2 不同足弓高度组的踝关节肌力对比情况

不同足弓高度组的踝关节肌力对比情况如表2所示，在踝关节绝对肌力方面，与正常足弓组相比，在角速度为120゜/s时，高足弓组具有显著较低的跖屈和内旋肌力（＜0.05）；相对肌力方面，在角速度为120゜/s时，与高足弓组相比，正常足弓组和低足弓组具有显著较高的跖屈肌力和内旋肌力（＜0.05）。在角速度为30゜/s时，正常足弓组和低足弓组具有显著较高的跖屈（＜0.05）。然而，未发现低足弓组和正常足弓组的踝关节肌力之间有显著差异。

表2 不同足弓高度组的踝关节肌力对比

注：†表示高足弓与正常足弓相比＜0.05；‡表示低足弓与高足弓相比＜0.05，Mann-Whitney U Test。下同。

2.3 不同足弓高度组的运动能力对比情况

不同足弓高度组的踝关节肌力对比情况如表3所示。与正常足弓相比，高足弓和低足弓组的运动能力指标值都没有显著差异。仅当对比低足弓和高足弓组时，发现高足弓组的左右跳跃移动、前后跨步移动能力显著优于低足弓组（＜0.05），而垂直跳跃能力却显著较低（＜0.05）。

表3 不同足弓高度组的运动能力对比

2.4 足弓高度指数与踝关节肌力的相关性情况

足弓高度指数与踝关节肌力的相关性情况如表4所示。在踝关节绝对肌力方面，角速度为120゜/s时，足弓高度指数与跖屈、外旋和内旋肌力呈显著负相关关系（=-0.24～-0.31,＜0.05）。但当校正年龄和BMI影响因素后发现，足弓高度指数仅与内旋肌力呈显著负相关关系（=-0.27,＜0.05）。相对肌力方面，足弓高度指数与跖屈、外旋和内旋肌力呈显著负相关（=-0.22～-0.38,＜0.05），与背屈无显著相关。校正年龄和BMI后，这种相关性依然存在（=-0.27～-0.36,＜0.05）。

表4 足弓高度指数与踝关节肌力的相关性（校正年龄和BMI）

注：#表示＜ 0.05。下同。

2.5 足弓高度指数与运动能力的相关性情况

足弓高度指数与运动能力的相关性情况如表5所示。足弓高度指数与发现高足弓组的左右跳跃移动、前后跨步移动和垂直跳跃能力均呈显著负相关关系（=-0.26～-0.33,＜0.05）。但当校正年龄和BMI后发现这种显著性消失。

表5 足弓高度指数与运动能力的相关性情况（校正年龄和BMI）

3 分析讨论

本研究利用足弓高度指数将受试者足弓分为低、正常和高足弓3组，以探讨不同足弓高度对踝关节肌力和运动能力等指标参数的影响。研究结果发现，高足弓组的跖屈和内旋绝对和相对肌力显著低于低足弓组。而低足弓组与正常足弓组的踝关节肌力无显著差异。此外，足弓高度指数与内旋、外旋绝对肌力呈显著正相关，与跖屈、内旋、外旋相对肌力呈显著负相关。未发现足弓高度指数与运动能力指标之间存在显著的相关关系。可以看出，足弓高度在一定程度上会影响踝关节肌力的大小，但不会对运动能力产生负面影响。

足弓在人体活动中起着非常重要的作用，它既要有一定的弹性以吸收来自地面的反作用力，又要有一定的硬度以防止足弓的塌陷，两种功能在运动中重复交替发生[6]。高足弓和低足弓对足的功能具有一定的影响。研究已表明，低足弓一般具有较强的足弹性，而高足弓一般足弹性较差[26]。与高足弓相比，具有较强足弹性的低足弓在体力活动或者运动中能够较好地支撑体重和吸收来自地面的反作用力。为了更好地适应和吸收来自地面增加的反作用力，足弓周围肌肉的肌力和韧带的强度等会得到一定程度的加强。这可能导致了低足弓人群较高足弓人群相比，具有较强的踝关节肌力。本研究的结果支持了上述观点。本研究发现，低足弓组的相对和绝对跖屈和内旋肌力明显高于高足弓组。

关于足弓高度是否会对运动能力造成影响，学术界的观点始终没有得到统一。Lin等[15]人调查儿童低足弓（扁平足）与运动关系的横断研究中发现，相对于正常足弓高度的儿童，低足弓儿童的运动技能和运动表现较差。而Oda[16]的研究却发现，低足弓不会对运动能力，特别是跳跃能力产生影响。我国学者也同样发现，扁平足不会影响普通大学生以及运动员的运动能力[1,3]。在本实验中，所得到的研究结果与Oda等人的研究结果相近，即足弓高度不会对运动能力产生影响。虽然足弓高度与运动能力指标呈负相关，但对年龄和BMI等影响因素进行校正后，发现这种相关关系不再存在。因此，笔者认为，运动能力应该是多种影响因素（如遗传、关节的协作性、肌肉和肌腱的力量等）共同作用的结果，仅足弓高度这一单一因素很难对运动能力产生决定性影响。

Aydog等[4]人针对足弓高度与踝关节肌力进行了研究，他们运用足印法对体操运动员足弓高度的调查发现，足弓高度与内旋肌力之间显著相关。虽然研究方法和研究对象不同，但本研究的研究结果与上述研究结果相似。本研究不但发现足弓高度与踝关节的内旋肌力相关，还与跖屈和外旋肌力有关联。综合这些研究表明，踝关节的内旋和外旋的肌力会随着足弓的降低而逐渐增大。但不能得出结论认为低足弓一定会引起踝关节肌力的增加，因为扁平足等病理性低足弓可能会由于其对足底的压迫而导致踝关节肌力的下降。因此，对扁平足是否会影响下肢肌力，还有待进一步的研究和验证。

过度的低足弓和高足弓被认为是下肢损伤和病痛的一个危险因素[8,23,27]。Giladi等[12]人对295名男性新兵进行足弓高度和下肢伤病关系的研究发现，高足弓的新兵发生应力性骨折的几率显著高于低足弓的新兵。Williams等[23]人对40名非专业运动员的足弓高度和足踝损伤的研究中发现，高足弓人群易发生足踝损伤，而低足弓人群易发生膝损伤和软组织损伤。虽然本研究未涉及过度低足弓和高足弓，但研究发现，高足弓一般会伴随着踝关节的肌力降低。而过度的低足弓（如扁平足）也会导致下肢肌力的下降[19]。提示，下肢肌力减弱可能是导致下肢损伤和病痛的主要原因之一。已有研究表明，踝关节肌力与足踝损伤以及老年人的跌倒等有关[11,17]。因此，对于过度的低足弓和高足弓人群，笔者鼓励增强下肢肌力的相关训练。

本研究在以下几个方面具有局限性。1）受试者年龄跨度较大（30～60岁）以及肥胖等因素会对本研究的测试结果产生一定的影响。因此，在本研究中使用偏相关统计方法对年龄和BMI进行校正，以最大限度地减少年龄和BMI因素对关键性指标的影响。2）尽管本研究招募的受试者均无运动习惯（每周运动时间少于150 min），但不同个体的身体活动量可能不尽相同，这也许会对足形态造成一定的影响。3）本研究结果是基于成年男性所获得的。因此，在研究结果的适用性方面，是否也适用于女性、老年人及儿童群体还有待验证。

4 结论

本研究通过测量足弓高度、踝关节肌力和运动能力等相关指标，探讨不同的足弓高度对踝关节肌力和运动能力的影响，以及它们之间的内在关系。研究表明：1）高足弓人群具有较低的踝关节肌力，而低足弓人群具有较高的踝关节肌力。低足弓人群与正常足弓人群的踝关节肌力没有显著差异。2）足弓高度会对踝关节肌力产生影响，即踝关节跖屈、内旋和外旋肌力会随着足弓高度的降低而有所增大，但足弓高度不会对运动能力产生影响。

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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

赵晓光,男,助理研究员,博士,主要研究方向为运动医学, Email: xiaoguangzhao1985@gmail.com。