张发宁 叶东强 孙晓乐 苏婉妍 张希妮 王少白 傅维杰

上海体育学院“运动健身科技”省部共建教育部重点实验室（上海200438）

作为人体足部与地面接触的媒介，鞋具被认为可保护足部并提升运动表现[1，2]。第1 跖趾关节（first metatarsophalangeal joint，1stMPJ）作为足部末端环节，在人体运动过程中与鞋构成一个整体，由此，鞋的特性对其功能甚至结构都具有很大影响[3]，如：中底刚度的增加减少了跖趾关节蹬伸期最大背屈角度，并降低了跖趾关节处所做的负功[4，5]，减少了跑步中的能量消耗；鞋前部翘度的增加能为足跟触地到蹬伸提供更流畅的过渡，减少1stMPJ 的屈伸活动范围，并降低该处的压力峰值[6，7]。然而，现阶段针对MPJ 的研究大多基于皮肤表面标记点的运动捕捉技术，但标记点会相对于跟踪的鞋或足部表面发生移动，从而产生运动伪影[8]。即使通过在鞋表面挖洞[9]，仍无法获取着鞋时足部关节真实的在体运动学特征，尤其是被鞋面包裹的足部小关节。虽然医学界可使用骨皮质标记钉[10]的方式量化1stMPJ 运动，但该方法具有侵入性与易感染性，并对正常运动造成影响。可见，由于受限于技术，目前研究难以获取1stMPJ 的真实运动。此外，不得不指出的是，鞋对1stMPJ 运动功能的影响也并非全是有益的：Shu等[11]发现，习惯裸足人群，其1stMPJ的骨骼对线排列会比习惯穿鞋的人群更直，即着鞋可能增加1stMPJ水平面内的内收角度，使足部呈现拇外翻症状；且不论鞋子是否合脚，都可能会增加拇外翻的风险[12]。因此，有必要采用更精准的技术获取运动中1stMPJ 在鞋包裹下六自由度（6 degree of freedom，6DOF）的运动学特征，为鞋具研究和临床判断提供准确依据。

鉴于上述，本研究采用高速双平面荧光透视成像系统（dual fluoroscopic imaging system，DFIS）——一种不受皮肤等软组织相对运动的影响、无创并能动态捕捉骨骼在体运动的医学影像测量技术[13]，探究跑步时着鞋与裸足条件下1stMPJ在体6DOF运动学的差异。研究假设：与裸足相比，着鞋限制了1stMPJ 6DOF运动，并增大了其在水平面内的峰值内收角度。

1 方法

1.1 研究对象

根据G*Power 样本量计算，本研究招募健康男性跑者15 名[14]（表1）。所有受试者均为习惯后跟着地跑者，周跑量大于20 km，近半年内无下肢相关损伤。受试者优势腿均为右侧，且在本实验前24小时内不进行任何剧烈运动，测试开始前由专业实验人员为受试者讲解实验内容及流程，并签署知情同意书。本研究通过了上海体育学院伦理委员会批准（批准号：102772021RT034）。

表1 受试者基本信息

1.2 实验仪器

1.2.1 电子计算机断层扫描仪（CT）

采用德国西门子公司64 排128 层螺旋CT（SOMATOM，德国）拍摄受试者右侧踝关节中立位时足部断层扫描图像。扫描层厚、层距均为0.6 mm，电压120 kV，电流140 mA，体素的长、宽、高分别设置为0.488 mm、0.488 mm、0.625 mm，体素大小为512×512×256。

1.2.2 高速双平面荧光透视成像系统（DFIS）

DFIS 由两组荧光透视成像系统组成，分别由产生X射线的荧光发射器和接受X射线并成像的影增组成，影增直径为431.8 mm（图1）。本研究中两个荧光发射器和影增之间的距离分别为132.2 cm 与128.6 cm，影增之间的夹角为119.6°；拍摄电压为60 kV，电流为63 mA，拍摄频率为100 Hz，曝光速度为1/1000 s，图像分辨率为1024×1024像素。

图1 本研究所采用的双平面荧光透视成像系统和实验环境设置

1.2.3 光栅计时系统

采用意大利Microgate 公司生产的WittyManual 光栅计时系统，以记录跑者通过特制跑道的速度。

1.2.4 光栅传感器

当受试者跑步经过目标采集区域，身体阻断GJ-2004光栅传感器发射出的红外线时启动DFIS，完成图像采集。

1.3 实验用鞋

选取市面上常见的一款普通跑鞋作为实验用鞋（图2），该款跑鞋中底材料由TPU与EVA构成，跟差为6 mm，且没有足弓支撑结构。

图2 本研究实验用鞋

1.4 实验测试流程

1.4.1 足部CT扫描

受试者到指定医院进行右侧足部CT图像拍摄，同时进一步确认无足部异常。在进行CT拍摄时，受试者仰卧平躺，使用硬质支具将右侧踝关节固定在中立位。图像拍摄完成后保存原始文件用于1stMPJ 的三维模型重建。

1.4.2 双平面荧光透视成像系统搭建

（1）确定拍摄范围：将圆形镜面平整粘贴在影增上，调整影增和荧光发射器之间的位置，使得两者中心相互对齐，随后固定荧光发射器与影增的位置。利用图像采集软件PhantomCameraControl（v.3.3）确认所采集的图像位于拍摄中心。

（2）空间标定使用立方体标定框对拍摄区域进行标定，并利用XMAlab（v.1.5.4）计算荧光发射器与图像接收器在空间内的相对位置。

（3）图像畸变矫正：将两个孔阵钢盘贴于影增表面，并利用XMAlab 对比计算孔阵钢盘与所捕捉的图像，以此完成对捕捉图像的畸变矫正。

1.4.3 测试流程

在测试开始之前，受试者进行信息登记，随后更换统一的测试服装。在正式实验开始前，要求受试者在跑步机上以3 m/s 的速度进行5 分钟的热身。热身结束后，受试者在实验人员的引导下在架设有DFIS的特定跑道上进行跑步练习，确保受试者足部处于图像采集的区域内（图1）。在此过程中，实验人员不告知受试者需要踏入目标采集区域，受试者能够完全自然地在跑道上进行跑步练习。练习完成后，要求受试者分别在裸足和着鞋条件下（随机顺序）以3 m/s（±5%）的速度通过实验跑道，并且右足成功踏入采集区域，且触地姿势为后跟触地。通过对X 线图像进行质量对比，裸足和着鞋条件分别选择图像质量最好的一次数据[15]。

1.5 数据处理

采用Mimics 软件（v.21.0）处理足部CT 扫描图像，通过阈值提取、多层操作和动态区域增长指令重建第1跖骨和第1近节趾骨的3D模型。为了提高重建后的模型表面的质量，利用软件中自带的插件对模型进行平滑处理，平滑参数为：迭代次数为2，平滑因子0.4。

将由XMAlab生成的环境标定文件导入Rhinoceros软件中（v.6.0），利用其建模模块在虚拟空间内重建拍摄空间并还原两对荧光发射器与图像接收器的相对位置，同时导入畸变校准后的足部X线图像和第1跖骨与第1近节趾骨的3D模型。参考以往文献标准建立第1跖骨和第1 近节趾骨的坐标系[16]，其坐标系的内外、前后及上下方向分别对应x、y与z轴，关节的屈/伸、旋前/后、内收/外展分别被定义为绕内外轴、前后轴与上下轴运动。随后在由Rhinoceros 软件重建的三维空间内对导入的骨骼模型进行2D-3D 配准：根据图片中骨骼的影像勾划出每块骨骼的外轮廓，在三维空间中通过平移和旋转工具调整骨骼在空间中的位置，直到骨骼模型的投影轮廓与透视图像上的骨骼轮廓相匹配，此时该块骨骼配准完成，另一块骨骼也按照此方法完成配准。

图3 本研究数据采集和处理过程

1.6 实验参数

使用Rhinoceros 软件中的坐标系计算插件计算1stMPJ（第1近节趾骨相对于第1跖骨）的6DOF数据，其中包括在3 个平动方向（内外、前后、上下）及3 个转动方向（屈/伸、旋前/旋后、内收/外展）的运动学数据（图4）。具体实验参数包括触地时刻1stMPJ 6DOF运动，最大角度、最小角度与关节活动范围（最大角度与最小角度的差值）。其中，正值代表第1近节趾骨相对于第1 跖骨向外、向前、向上平移以及伸展、旋后与外展；负值代表向内、向后、向下平移以及屈曲、旋前与内收；对应1stMPJ的关节运动则正值代表向外、向前、向上平移以及伸展、旋后与外展，负值代表向内、向后、向下平移以及屈曲、旋前与内收。

图4 第1近节趾骨（左，长骨）与第1跖骨（右，长骨）6DOF运动示意图

为便于与以往研究进行比较，通过线性插值法将不同时间长度的右足支撑期1stMPJ 运动学数据进行时间标准化，并采用Matlab软件对所得到的6DOF运动学数据与CT 重建模型中对应的结果进行标准化和滤波处理，其中，运动学截止频率为20 Hz[16]。

1.7 统计学方法

使用SPSS23.0对数据进行统计学分析。所有参数均使用平均值± 标准差（±s）表示。采用配对样本t检验比较着鞋与裸足条件下1stMPJ 在体6DOF 运动学特征的差异，显著性水平α设定为0.05。

2 结果

2.1 第1跖趾关节运动学特征

（1）关节平动：相比裸足，着鞋时1stMPJ在支撑期的50%向下移动距离更小（P=0.032），而在支撑期的90%和100%向上移动距离更小（P=0.014，P=0.007）；1stMPJ在支撑期20%、60%时刻前移距离显著更小（P＜0.05），在支撑期90%、100%时刻后移距离显著更小（P＜0.05）（图5，表2）。

（2）关节转动：在支撑期的大部分时间内，着鞋和裸足条件下1stMPJ均处于伸展、旋后和内收状态。相比裸足，着鞋时1stMPJ在支撑期的30%、40%、50%和60%时刻伸展角度更大（P＜0.05），但在支撑期90%和100%时刻伸展角度更小（P＜0.05）；1stMPJ在支撑期的10%、20%、50%和60%时刻内收角度更大（P＜0.05），并在支撑期的30%（P=0.061）和40%（P=0.062）时刻内收角度有显著更大的趋势；支撑期内1stMPJ的旋前、旋后没有显著性差异（图5，表2）。

表2 着鞋与裸足条件下第1跖趾关节支撑阶段运动学特征差异比较

图5 着鞋和裸足下第1跖趾关节支撑阶段6DOF运动特征比较

2.2 第1跖趾关节运动学特征值

（1）关节平动：在支撑阶段，相比裸足，着鞋时1stMPJ 向内移动峰值（P=0.039）、向后移动峰值（P＜0.001）、向上移动峰值（P=0.043）（图6）、前后移动关节活动范围（P=0.002）和上下移动关节活动范围（P＜0.001）显著更小（表3）。

（2）关节转动：着鞋和裸足条件下触地时刻1stMPJ屈/伸、旋前/后和内收/外展角度均无显著性差异。相比裸足，着鞋时1stMPJ伸展最大值（P＜0.001）更小，伸展最小值（P=0.009）更大，1stMPJ内收最小角度显著更大（P=0.009）（图6）。在关节活动范围中，着鞋条件下屈/伸活动范围显著小于裸足条件（P＜0.001），而旋前/后与内收/外展的关节活动范围两种条件下没有显著性差异（表3）。

图6 着鞋与裸足条件下第1跖趾关节峰值角度

表3 着鞋和裸足下第1跖趾关节触地时刻平动、转动与活动范围比较

3 讨论

本研究采用高速双平面正交荧光透视成像系统，探究跑步过程中着鞋与裸足条件下的1stMPJ 在体骨骼运动学特征差异。结果发现：在平动方向上，着鞋条件下峰值内移、后移和上移距离显著减少；在转动方向上，着鞋限制了1stMPJ的伸展，包括最大伸展角度、最小伸展角度和屈伸活动范围，同时增加了支撑前中期内收角度和最小内收角度。上述结果与研究假设相符，即着鞋限制了1stMPJ六自由度的部分运动。

具体而言，着鞋条件下1stMPJ在矢状面内的屈伸活动显著减少，这与以往的研究发现一致[3，7，9，17]，但其在支撑期的最小、最大伸展角度要比以往使用传统运动捕捉研究中的更大：在McDonald等[18]的研究中，受试者以2.7 m/s 速度跑步时裸足和着鞋条件下1stMPJ最小伸展角度接近0 度，而最大伸展角度分别为34.2° ±3.9°（裸足）和30.1° ± 2.8°（着鞋），远小于本研究中的角度（着鞋：44.7° ± 7.9°；裸足：52.6° ± 6.0°）。由于绞盘机制的作用，1stMPJ 的伸展会拉紧足底筋膜，除了能够储存弹性能量，还能够放大跟腱产生的力[19]；伴随第1 跖骨的跖屈，还会使得内侧纵弓升高。而着鞋减少了1stMPJ的伸展活动，由此潜在减少足底筋膜弹性能量的储存和释放，降低跟腱力的增强效果，进而降低步态效率[9]。本研究中更大的伸展角度可能是第1 跖骨跖屈的结果，而传统的运动捕捉方式受限于技术手段缺陷，难以探测第1跖骨真实的在体运动，因而无法获取准确的1stMPJ的运动。此外，1stMPJ的伸展角度对于计算关节动力学有着重要作用，传统的动作捕捉方式对1stMPJ 屈伸活动的低估或许影响了以往研究中的关节动力学结果。由于现阶段基于高速DFIS 的研究仍处起步阶段，本研究并没有计算1stMPJ的动力学参数，因此未来的研究可以对比两种不同动作捕捉方式获取的1stMPJ动力学结果的差异。

根据本研究结果，着鞋条件下1stMPJ峰值上移距离和上下移动的活动范围显著减少，导致该结果的原因或许与1stMPJ的解剖结构有关。人体第1跖骨头背侧关节表面偏向足背侧，同时有较宽的表面积，能够使第1 近节趾骨基底在其关节表面进行滑动，增加1stMPJ的伸展活动范围[17，20]。在行走过程中，第1 跖骨的下压能使1stMPJ 实现最大程度的伸展[21]，本研究中1stMPJ 的伸展运动趋势和上下移动运动趋势具有一致性，这进一步验证了以往的研究结果。而着鞋限制了1stMPJ的屈伸活动，因此矢状面内关节上下平动的活动范围也随之减少。此外，着鞋条件下蹬伸期峰值后移距离显著减少，这可能是因为着鞋时蹬伸期峰值伸展角度小于裸足，1stMPJ 受到的压力减少，使得关节囊受到的压缩小于裸足所致。

本研究中所有受试者支撑期内1stMPJ 最小内收角度在15°～20°，与轻度拇外翻的临床标准一致[22，23]。先前的研究表明，习惯穿鞋的人群第1跖趾关节和第2跖趾关节之间的距离通常要比习惯裸足的人群更窄，第1跖骨和第1近节趾骨之间正常骨骼对线被破坏，使得习惯着鞋的人群更易呈现足部拇外翻的形态[11]。本研究中习惯穿着运动鞋跑步的受试者，其1stMPJ正常骨骼对位可能受到了长期着鞋运动的影响。此外，着鞋条件下，1stMPJ 内收角度显著大于裸足，这与本研究的假设相符。Yu 等[24]使用有限元模拟发现，随着1stMPJ内收角度增加，其内侧关节囊所受应力增加，着鞋下内侧关节囊所受应力也要显著高于裸足；且着鞋运动时，1stMPJ 内侧关节囊会受到由正、负轴向应力产生的一个合力矩，并随着人体的周期性运动（如跑步）损伤内侧关节囊，这表明着鞋进行跑步可能会加速拇外翻的进展。相反，裸足时支撑前中期1stMPJ内收角度更小，由于裸足时前足有更多的活动空间，能潜在帮助改善1stMPJ形态与功能[25]，提示裸足可能有助于拇外翻的纠正。以往研究也证实了上述猜测，如Xiang等[22]对15 名患有轻度和中度拇外翻的受试者进行了12周五指鞋跑步干预，发现干预后拇外翻程度明显减轻；而五指鞋没有任何支撑和缓冲功能，仅提供保护足部皮肤的功能，被认为可模仿裸足条件[26]。相比穿着传统跑鞋，裸足跑已经被证实能够提升足部肌肉力量，改善足部形态变化和改变足部生物力学功能[27]。运动鞋虽然能够帮助足部抵御外部的伤害，但其鞋头较为狭小的空间不仅限制了1stMPJ的活动，还会使其内侧在跑步蹬伸过程中承受外力矩，进而潜在加速拇外翻的发生和进展。

本研究使用高速DFIS 为分析跑步着地时1stMPJ真实骨骼在体运动特征提供了新视角，但仍存在一定局限：只招募了男性习惯穿着跑鞋跑步的受试者，并没有探究性别差异；实验用鞋为传统跑鞋，未来研究可探究不同鞋头大小条件下1stMPJ的运动学差异。

4 结论

本研究采用高速双平面正交荧光透视成像系统，探究了整个跑步支撑期着鞋与裸足条件下第1跖趾关节在体关节六自由度运动学差异，为研究被鞋包裹的足部小关节运动创立了更精确的测量方法，并发现：着鞋限制了第1跖趾关节的伸展和3个方向的平动，同时增加了水平面内收角度，提示着鞋会限制第1 跖趾关节在鞋内的蹬伸效果和活动范围，并可能会增加拇外翻的发生及进展的风险，建议鞋具制造应在兼顾提高足前部运动能力的同时，尽量减小或避免由此带来的损伤风险。