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足部生物力学与人体亚健康
魏鹏绪
国家康复辅具研究中心，国家康复医院，中医科
北京市经济技术开发区荣华中路1号
各种足部问题不但会产生局部症状，也会对人体的其他部位带来不利影响。作为站立和步行时人体的支点，如果足部出现机能障碍，则会导致人体足部以上骨骼系统的对线不良，从而导致膝、髋、骨盆、脊柱椎体各部位关节出现问题，影响人体健康。
1. 足部解剖、足弓和足部生物力学
足部并不是一个刚体（rigid body），而是由26块骨，33个关节和多条肌肉、韧带和筋膜组成的。在负重、运动时，足部会发生不同程度的变形。四个可发挥弹性作用的足弓构成了足的基本功能单位。
足弓是由足部骨骼的拱形砌合，以及肌肉、足部的肌腱、韧带等组织共同构成的凸向上方的弓形结构。足弓的形态和功能是由韧带、足底筋膜、肌肉及骨骼系统共同维系的。人是唯一有足弓的脊椎动物。足弓对人体正常站立和步行功能的实现十分重要。可以认为，站立和步行时足部发挥的功能，是由足弓以及维持足弓的肌肉韧带等共同发挥作用而实现的。
足弓分为纵弓及横弓。纵弓又分为内侧纵弓和外侧纵弓。内侧纵弓较高，在足的内侧缘，由跟骨、距骨、舟骨、3块楔骨和内侧第1～3跖骨构成，弓背的最高点为距骨头。直立姿势下有前后两个支点，前支点为第1～3跖骨小头，后支点为跟骨结节。此弓由胫骨后肌腱、趾长屈肌腱、长屈肌腱、以及足底的短肌、跖长韧带及跟舟跖侧韧带等结构维持，其中最重要的是跟舟跖侧韧带，起着弓弦的作用。内侧纵弓曲度大、弹性强，适于跳跃，并能缓冲震荡。外侧纵弓较低，在足的外侧缘，由跟骨、骰骨及第4、5跖骨构成，骰骨为弓的最高点。前、后支点分别为第4、5跖骨小头和跟结节的跖面。维持此弓的结构有腓骨长肌腱、小趾侧的肌群、跖长韧带及跟骰跖侧韧带等，弓弦是跟骰跖侧韧带。此弓曲度小、弹性弱，主要与直立负重姿势的维持有关。横弓包括前横弓和后横弓。前横弓由第一到第五跖趾关节构成的，后横弓是由三块楔骨和骰骨构成的。
足弓可使重力从踝关节经距骨向前分散到跖骨小头，向后传向跟骨，以保证直立时足底支撑的稳固性。步行时，足弓吸收部份体重及步行时的能量，然后，在后跟离地过程中，将此能量转化为推动身体的能量。此外，足弓的弹性对身体重力下传和地面反弹力间的节奏有着缓冲作用，同时还可保护足底的血管和神经免受压迫。
在所有足弓中，以内纵弓变曲程度度最大，以前横弓变化程度最大。人体站立时，体重由距骨分别传递到跖骨和跟骨，足弓保持弓状结构，支撑人体重量。而步行时，人体的重心会随足的着地部位的移动而改变。当重心完全集中在一侧足的跖趾关节时，前横弓消失。随着足的继续运动，重心转移到另一侧，消失的前横弓会恢复到原来的弓状结构。
步行时，健康成人的单步长为一侧足跟着地到紧邻的对侧足跟再次着地间的距离，约50-80cm，步幅（stride length）又称为复步长，是一侧足跟着地到该侧足跟再次着地间的距离，一般是单步长的两倍。足行进角度（foot progression angle）是步行时足长轴与前进方向之间的夹角，一般在7-10度之间。
一个典型的步行周期包括站立期和摆动期。站立期占整个步行周期的62%，可分为开始触地期(initial contact)、承重反应期(loading response)、站立中间期(midstance)、站立终末期(terminal stance)和摆动前期(preswing)；摆动期占整个步行周期的38%，可分为开始摆动期(initial swing)、中间摆动期(midswing)和终末摆动期(terminal swing)。
正常步行时，基于支撑足的步态推进是依靠三个功能性摇杆（functional rockers）完成的：
足跟摇杆：足跟是足滚动到跖屈位的支点。胫前肌群进行离心收缩，以减缓足部落下的速度，并推动胫骨前移。
踝摇杆：此时踝关节作为支点，由于向前动量的作用，胫骨前移，主要由比目鱼肌进行离心收缩以减缓胫骨相对于距骨的前移。
前足摇杆：此时胫骨前移继续进行，小腿三头肌离心收缩，以减缓肢体的前移运动。此外，前移的动量，小腿后部肌肉存在的被动张力，小腿后部肌肉及足固有肌的主动收缩，和跖筋膜的绞盘作用（windlass effect）均发挥作用，使足跟离地。
足跟摇杆，踝摇杆和前足摇杆这三个摇杆机制都发生在足部，依赖于足部的正常功能。
值得重视的是，步行时当体重从一次肢体转移到另一次肢体时发生的足跟触地，是一个外源性的减速过程。此过程中产生的冲力必须得到减缓，以避免对人体产生不利影响。除足弓的弹性缓冲作用外，冲力的减缓是由四种不同的机制实现的：
踝跖屈：足跟触地时，胫前肌群进行离心收缩以减速足的落下过程。
距下关节旋前：当跟骨和地面的摩擦系数增加时，足跖屈、内收和外翻时距骨相对于跟骨会向前滑动。这一运动造成伴随的下肢内旋。上述运动会造成时间延迟，使冲力可以在一个更长的时间段内被吸收。
膝关节屈曲：膝关节屈曲是对足跟摇杆，胫骨前移，和小腿后部张力的反应。在腹肌活动以作为支点的基础上，股四头肌的离心收缩会减缓膝屈曲。
对侧骨盆下垂：当体重快速转换到对侧肢体时，同侧臀中肌为主的外展肌群和外侧肌腱、筋膜对侧骨盆下垂发挥减速作用。
三个功能性摇杆和四种冲力减缓机制，都依赖于所涉及的关节以及相连接的肌肉、韧带和软组织的的完整，依赖于足部正常的生物力学机制。
2. 足部局部疾患及原因
多种不良习惯均可导致高足弓、平足、足旋前、踇外翻（Bunions）、胼胝、足底筋膜炎等不同足部疾患。常见原因包括：
（1）鞋型与足部形状不符。鞋前部过窄是相当常见的问题，不但挤压前足，影响足部骨骼的正常排列，而且，还会进一步改变前足弓的正常形态，损害相关肌肉、韧带的功能，有导致后天性平足的风险。此外，仅仅“合脚”并不是鞋具理想的标准。当步行时，足各部的形状和尺寸会发生扩展、弯曲、伸长、收缩等各种各样的变化。因此，鞋必须能够适合这种变化。
（2）鞋跟过高。过高的鞋跟将足后部抬起，从而使足的内侧纵弓、外侧纵弓和横弓都承受过大的压力，不但容易导致疲劳，还阻碍足弓弹性作用的正常发挥。
（3）使用不适当的足部矫形器。足弓正常功能的实现，关键在于肌肉和韧带的功能，而不是足弓的外在形态。然而，在缺乏对足部生物力学机制充分了解的前提下，部分足部矫形器对足弓进行支持，抬高足弓。正常情况下，足部着地时，由于足弓的弹性，足部延长、变宽，从而发挥类似弹簧的蓄力机制。抬高足弓的足部矫形器阻碍了这一过程，不但无益于足部疾患的改善，随着时间的推移，还可能进一步加重足部疾患，并带来足部以外的问题。使用足弓垫，从而让足部受力均匀，是另一种典型的错误认识。由于正常人体足部结构的不均匀，在站立和步行时，足底压力正常情况下就不是均匀分布的。所以，人为使足底均匀受力，并不符合足部的生物力学机制。
（4）行走环境单一。目前在室内外的站立和步行环境基本都是坚硬的水平面，难以刺激到足部所有的骨骼、肌肉和韧带。而在类似爬山的野外活动中，足部需要适应不同的支撑面，使小腿、足部的所有肌肉都参与活动，刺激到足部所有的关节和软组织。
（5）步行姿势不良。例如，步行时足部过度外旋，不利于足部肌肉、关节和足弓正常发挥作用。
3. 足部问题导致的其他部位疾患
多位康复医学，包括足病领域的专家指出，对于非外伤性的下背痛、颈部疼痛和膝关节问题，必须注意是否为足部疾患所致。
足部是所有站立位活动（站立、坐-立位转换、步行、跑步、跳跃等）的支撑点。足部疾患容易引起与其连接的下肢关节对线不良，以及全身其他关节例如骶髂关节和脊柱关节的对线不良，从而导致多种健康问题。例如，临床实践发现，许多膝关节、髋关节和下背痛患者均存在平足或足部旋前。矫治足部疾患后，临床症状就可以获得明显改善。
4. 足部疾患的矫治与康复
除部分严重的畸形需要手术外，足部疾患的干预手段包括手法治疗、足部矫形器和足部锻炼法。
合理的足部矫形器能够对足部健康发挥重要作用。足部矫形器包括矫形鞋、矫形鞋垫和其他类型的足部矫形器。足部矫形器的作用包括对足部变形部位进行直接矫正或支撑，手术后对矫正肢位的保持，以及对腿长差及足长的补偿。此外，足部矫形器还可以改善站立、步行时足部的平衡状况。例如，对于足底筋膜炎，穿着具有弹性和吸震作用的功能鞋或鞋垫，可使患者减轻疼痛。踇外翻患者则应注意鞋具调整，选择宽、高鞋头的鞋子，使用脚趾保护垫、夜间夹板、脚趾绷带等。扁平足患者应穿着平跟鞋或负跟鞋，矫形鞋垫应保持后跟中立位、矫正足旋前，并避免足弓支持。
足部矫形器可以针对每个个体的情况处方订制。订制足部矫形器需要对个体进行足部和下肢的生物力学评估，然后使用模具取型，或采用仪器进行足部扫描取型，制作矫形器。在很多情况下，也可以使用成品（商品化的）足部矫形器。
矫形器学是康复医学的重要组成部分。了解矫形器的基本原理和足部生物力学机制，是合理应用足部矫形器的前提。但是，足部矫形器学不是一项距离民众遥远的技术。实际上，鞋内部、外部的修改、多种鞋垫、足垫均属于足部矫形器学范畴。在掌握矫形器技术原理和足部生物力学机制的前提下，一些简单的调整常可获得足部生物力学的改善，从而缓解足部乃至全身的不适症状。以鞋具调整为例，鞋靴前部过窄、老年人选用平跟鞋、童鞋的鞋面和后帮过软等属于常见的误区，需要改进或调试。再以鞋垫为例，目前部分市场销售的鞋垫不但具有对足部的支撑、稳定、防滑、抗扭等保护作用，还可以充分吸收运动中足部着地时产生的冲击力，减缓运动过程中上传冲力对足、踝、膝、髋及脊柱关节的影响，并将其转化为下一个起动动作的动力。
在发达国家，如美国，各种足部矫形器的应用已经极为广泛。近期我国这一领域的发展也十分迅速，目前国内已经能够生产多种足部矫形器。
除使用矫形器外，针对不同足部疾患，采用合理的足部锻炼法也有很好的效果。例如，对于扁平足患者，适度的弹跳类运动可以增强维持足弓的肌肉，自我牵拉练习则可以延展挛缩的跖筋膜和跟腱。国外学者还介绍有足部的踩球自我锻炼法，简便易行，对改善足部症状、乃至足部疾病引起的全身其他症状有很好的矫治效果。
5. 足与亚健康
世界卫生组织将机体无器质性病变，但是有一些功能改变的状态称为“第三状态”，我国称为“亚健康状态”。失眠、乏力、无食欲、易疲劳、心悸，抵抗力差、易激惹、经常患感冒或口腔溃疡、便秘等都可能是亚健康状态的表现。处于高度紧张的工作、学习状态，精神负担过重，脑力、体力劳动负担繁重，人际关系紧张，生活缺乏规律，饮食方案不合理，吸烟酗酒等都被认为可导致亚健康状态。
各种原因导致的足部疾患，不但影响足部自身，也会影响人体站立、步行等运动时的生物力学对线，带来其他部位的问题。此外，足部还分布有多个传统经穴，包含有全身各部分的反射区，关联着人体脏腑经络的气血变化。因此，足部机能与整个人体的健康状态是密切相关的。各种原因导致的足部生物力学机制失常，可能导致人体亚健康状态，并最终引起明显的疾病状态。因此，关注足部，保护足部，是保持人体健康的重要因素。
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