足部生物力學(xué)與人體亞健康
各種足部矯形不但會(huì)產(chǎn)生局部癥狀,也會(huì)對(duì)人體的其他部位帶來(lái)不利影響。
作為站立和步行時(shí)人體的支點(diǎn),如果足部出現(xiàn)機(jī)能障礙,則會(huì)導(dǎo)致人體足部以上骨骼系統(tǒng)的對(duì)線不良,從而導(dǎo)致膝、髖、骨盆、脊柱椎體各部位關(guān)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題,影響人體健康。
1. 足部解剖、足弓和足部生物力學(xué)
足部并不是一個(gè)剛體(rigid body),而是由26塊骨,33個(gè)關(guān)節(jié)和多條肌肉、韌帶和筋膜組成的。在負(fù)重、運(yùn)動(dòng)時(shí),足部會(huì)發(fā)生不同程度的變形。四個(gè)可發(fā)揮彈性作用的足弓構(gòu)成了足的基本功能單位。
足弓是由足部骨骼的拱形砌合,以及肌肉、足部的肌腱、韌帶等組織共同構(gòu)成的凸向上方的弓形結(jié)構(gòu)。足弓的形態(tài)和功能是由韌帶、足底筋膜、肌肉及骨骼系統(tǒng)共同維系的。人是唯一有足弓的脊椎動(dòng)物。足弓對(duì)人體正常站立和步行功能的實(shí)現(xiàn)十分重要??梢哉J(rèn)為,站立和步行時(shí)足部發(fā)揮的功能,是由足弓以及維持足弓的肌肉韌帶等共同發(fā)揮作用而實(shí)現(xiàn)的。
足弓分為縱弓及橫弓??v弓又分為內(nèi)側(cè)縱弓和外側(cè)縱弓。內(nèi)側(cè)縱弓較高,在足的內(nèi)側(cè)緣,由跟骨、距骨、舟骨、3塊楔骨和內(nèi)側(cè)第1~3跖骨構(gòu)成,弓背的最高點(diǎn)為距骨頭。直立姿勢(shì)下有前后兩個(gè)支點(diǎn),前支點(diǎn)為第1~3跖骨小頭,后支點(diǎn)為跟骨結(jié)節(jié)。此弓由脛骨后肌腱、趾長(zhǎng)屈肌腱、長(zhǎng)屈肌腱、以及足底的短肌、跖長(zhǎng)韌帶及跟舟跖側(cè)韌帶等結(jié)構(gòu)維持,其中最重要的是跟舟跖側(cè)韌帶,起著弓弦的作用。內(nèi)側(cè)縱弓曲度大、彈性強(qiáng),適于跳躍,并能緩沖震蕩。外側(cè)縱弓較低,在足的外側(cè)緣,由跟骨、骰骨及第4、5跖骨構(gòu)成,骰骨為弓的最高點(diǎn)。前、后支點(diǎn)分別為第4、5跖骨小頭和跟結(jié)節(jié)的跖面。維持此弓的結(jié)構(gòu)有腓骨長(zhǎng)肌腱、小趾側(cè)的肌群、跖長(zhǎng)韌帶及跟骰跖側(cè)韌帶等,弓弦是跟骰跖側(cè)韌帶。此弓曲度小、彈性弱,主要與直立負(fù)重姿勢(shì)的維持有關(guān)。橫弓包括前橫弓和后橫弓。前橫弓由第一到第五跖趾關(guān)節(jié)構(gòu)成的,后橫弓是由三塊楔骨和骰骨構(gòu)成的。
足弓可使重力從踝關(guān)節(jié)經(jīng)距骨向前分散到跖骨小頭,向后傳向跟骨,以保證直立時(shí)足底支撐的穩(wěn)固性。步行時(shí),足弓吸收部份體重及步行時(shí)的能量,然后,在后跟離地過(guò)程中,將此能量轉(zhuǎn)化為推動(dòng)身體的能量。此外,足弓的彈性對(duì)身體重力下傳和地面反彈力間的節(jié)奏有著緩沖作用,同時(shí)還可保護(hù)足底的血管和神經(jīng)免受壓迫。
在所有足弓中,以?xún)?nèi)縱弓變曲程度度最大,以前橫弓變化程度最大。人體站立時(shí),體重由距骨分別傳遞到跖骨和跟骨,足弓保持弓狀結(jié)構(gòu),支撐人體重量。而步行時(shí),人體的重心會(huì)隨足的著地部位的移動(dòng)而改變。當(dāng)重心完全集中在一側(cè)足的跖趾關(guān)節(jié)時(shí),前橫弓消失。隨著足的繼續(xù)運(yùn)動(dòng),重心轉(zhuǎn)移到另一側(cè),消失的前橫弓會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的弓狀結(jié)構(gòu)。
步行時(shí),健康成人的單步長(zhǎng)為一側(cè)足跟著地到緊鄰的對(duì)側(cè)足跟再次著地間的距離,約50-80cm,步幅(stride length)又稱(chēng)為復(fù)步長(zhǎng),是一側(cè)足跟著地到該側(cè)足跟再次著地間的距離,一般是單步長(zhǎng)的兩倍。足行進(jìn)角度(foot progression angle)是步行時(shí)足長(zhǎng)軸與前進(jìn)方向之間的夾角,一般在7-10度之間。
一個(gè)典型的步行周期包括站立期和擺動(dòng)期。站立期占整個(gè)步行周期的62%,可分為開(kāi)始觸地期(initial contact)、承重反應(yīng)期(loading response)、站立中間期(midstance)、站立終末期(terminal stance)和擺動(dòng)前期(preswing);擺動(dòng)期占整個(gè)步行周期的38%,可分為開(kāi)始擺動(dòng)期(initial swing)、中間擺動(dòng)期(midswing)和終末擺動(dòng)期(terminal swing)。
正常步行時(shí),基于支撐足的步態(tài)推進(jìn)是依靠三個(gè)功能性搖桿(functional rockers)完成的:
足跟搖桿:足跟是足滾動(dòng)到跖屈位的支點(diǎn)。脛前肌群進(jìn)行離心收縮,以減緩足部落下的速度,并推動(dòng)脛骨前移。
踝搖桿:此時(shí)踝關(guān)節(jié)作為支點(diǎn),由于向前動(dòng)量的作用,脛骨前移,主要由比目魚(yú)肌進(jìn)行離心收縮以減緩脛骨相對(duì)于距骨的前移。
前足搖桿:此時(shí)脛骨前移繼續(xù)進(jìn)行,小腿三頭肌離心收縮,以減緩肢體的前移運(yùn)動(dòng)。此外,前移的動(dòng)量,小腿后部肌肉存在的被動(dòng)張力,小腿后部肌肉及足固有肌的主動(dòng)收縮,和跖筋膜的絞盤(pán)作用(windlass effect)均發(fā)揮作用,使足跟離地。
足跟搖桿,踝搖桿和前足搖桿這三個(gè)搖桿機(jī)制都發(fā)生在足部,依賴(lài)于足部的正常功能。
值得重視的是,步行時(shí)當(dāng)體重從一次肢體轉(zhuǎn)移到另一次肢體時(shí)發(fā)生的足跟觸地,是一個(gè)外源性的減速過(guò)程。此過(guò)程中產(chǎn)生的沖力必須得到減緩,以避免對(duì)人體產(chǎn)生不利影響。除足弓的彈性緩沖作用外,沖力的減緩是由四種不同的機(jī)制實(shí)現(xiàn)的:
踝跖屈:足跟觸地時(shí),脛前肌群進(jìn)行離心收縮以減速足的落下過(guò)程。
距下關(guān)節(jié)旋前:當(dāng)跟骨和地面的摩擦系數(shù)增加時(shí),足跖屈、內(nèi)收和外翻時(shí)距骨相對(duì)于跟骨會(huì)向前滑動(dòng)。這一運(yùn)動(dòng)造成伴隨的下肢內(nèi)旋。上述運(yùn)動(dòng)會(huì)造成時(shí)間延遲,使沖力可以在一個(gè)更長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)被吸收。
膝關(guān)節(jié)屈曲:膝關(guān)節(jié)屈曲是對(duì)足跟搖桿,脛骨前移,和小腿后部張力的反應(yīng)。在腹肌活動(dòng)以作為支點(diǎn)的基礎(chǔ)上,股四頭肌的離心收縮會(huì)減緩膝屈曲。
對(duì)側(cè)骨盆下垂:當(dāng)體重快速轉(zhuǎn)換到對(duì)側(cè)肢體時(shí),同側(cè)臀中肌為主的外展肌群和外側(cè)肌腱、筋膜對(duì)側(cè)骨盆下垂發(fā)揮減速作用。
三個(gè)功能性搖桿和四種沖力減緩機(jī)制,都依賴(lài)于所涉及的關(guān)節(jié)以及相連接的肌肉、韌帶和軟組織的的完整,依賴(lài)于足部正常的生物力學(xué)機(jī)制。
2. 足部局部疾患及原因
多種不良習(xí)慣均可導(dǎo)致高足弓、平足、足旋前、拇外翻、胼胝、足底筋膜炎等不同足部疾患。常見(jiàn)原因包括:
(1)鞋型與足部形狀不符。
鞋前部過(guò)窄是相當(dāng)常見(jiàn)的問(wèn)題,不但擠壓前足,影響足部骨骼的正常排列,而且,還會(huì)進(jìn)一步改變前足弓的正常形態(tài),損害相關(guān)肌肉、韌帶的功能,有導(dǎo)致后天性平足的風(fēng)險(xiǎn)。此外,僅僅“合腳”并不是鞋具理想的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)步行時(shí),足各部的形狀和尺寸會(huì)發(fā)生擴(kuò)展、彎曲、伸長(zhǎng)、收縮等各種各樣的變化。因此,鞋必須能夠適合這種變化。
(2)鞋跟過(guò)高。
過(guò)高的鞋跟將足后部抬起,從而使足的內(nèi)側(cè)縱弓、外側(cè)縱弓和橫弓都承受過(guò)大的壓力,不但容易導(dǎo)致疲勞,還阻礙足弓彈性作用的正常發(fā)揮。
(3)使用不適當(dāng)?shù)淖悴砍C形器。
足弓正常功能的實(shí)現(xiàn),關(guān)鍵在于肌肉和韌帶的功能,而不是足弓的外在形態(tài)。然而,在缺乏對(duì)足部生物力學(xué)機(jī)制充分了解的前提下,部分足部矯形器對(duì)足弓進(jìn)行支持,抬高足弓。正常情況下,足部著地時(shí),由于足弓的彈性,足部延長(zhǎng)、變寬,從而發(fā)揮類(lèi)似彈簧的蓄力機(jī)制。抬高足弓的足部矯形器阻礙了這一過(guò)程,不但無(wú)益于足部疾患的改善,隨著時(shí)間的推移,還可能進(jìn)一步加重足部疾患,并帶來(lái)足部以外的問(wèn)題。使用足弓墊,從而讓足部受力均勻,是另一種典型的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。由于正常人體足部結(jié)構(gòu)的不均勻,在站立和步行時(shí),足底壓力正常情況下就不是均勻分布的。所以,人為使足底均勻受力,并不符合足部的生物力學(xué)機(jī)制。
(4)行走環(huán)境單一。
目前在室內(nèi)外的站立和步行環(huán)境基本都是堅(jiān)硬的水平面,難以刺激到足部所有的骨骼、肌肉和韌帶。而在類(lèi)似爬山的野外活動(dòng)中,足部需要適應(yīng)不同的支撐面,使小腿、足部的所有肌肉都參與活動(dòng),刺激到足部所有的關(guān)節(jié)和軟組織。
(5)步行姿勢(shì)不良。
例如,步行時(shí)足部過(guò)度外旋,不利于足部肌肉、關(guān)節(jié)和足弓正常發(fā)揮作用。
3. 足部問(wèn)題導(dǎo)致的其他部位疾患
多位康復(fù)醫(yī)學(xué),包括足病領(lǐng)域的專(zhuān)家指出,對(duì)于非外傷性的下背痛、頸部疼痛和膝關(guān)節(jié)問(wèn)題,必須注意是否為足部疾患所致。
足部是所有站立位活動(dòng)(站立、坐-立位轉(zhuǎn)換、步行、跑步、跳躍等)的支撐點(diǎn)。足部疾患容易引起與其連接的下肢關(guān)節(jié)對(duì)線不良,以及全身其他關(guān)節(jié)例如骶髂關(guān)節(jié)和脊柱關(guān)節(jié)的對(duì)線不良,從而導(dǎo)致多種健康問(wèn)題。例如,臨床實(shí)踐發(fā)現(xiàn),許多膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)和下背痛患者均存在平足或足部旋前。矯治足部疾患后,臨床癥狀就可以獲得明顯改善。
4. 足部疾患的矯治與康復(fù)
除部分嚴(yán)重的畸形需要手術(shù)外,足部疾患的干預(yù)手段包括手法治療、足部矯形器和足部鍛煉法。
合理的足部矯形器能夠?qū)ψ悴拷】蛋l(fā)揮重要作用。足部矯形器包括矯形鞋、矯形鞋墊和其他類(lèi)型的足部矯形器。足部矯形器的作用包括對(duì)足部變形部位進(jìn)行直接矯正或支撐,手術(shù)后對(duì)矯正肢位的保持,以及對(duì)腿長(zhǎng)差及足長(zhǎng)的補(bǔ)償。此外,足部矯形器還可以改善站立、步行時(shí)足部的平衡狀況。
例如,對(duì)于足底筋膜炎,穿著具有彈性和吸震作用的功能鞋或鞋墊,可使患者減輕疼痛。拇外翻患者則應(yīng)注意鞋具調(diào)整,選擇寬、高鞋頭的鞋子,使用腳趾保護(hù)墊、夜間夾板、腳趾繃帶等。扁平足患者應(yīng)穿著平跟鞋或負(fù)跟鞋,矯形鞋墊應(yīng)保持后跟中立位、矯正足旋前,并避免足弓支持。
足部矯形器可以針對(duì)每個(gè)個(gè)體的情況處方訂制。訂制足部矯形器需要對(duì)個(gè)體進(jìn)行足部和下肢的生物力學(xué)評(píng)估,然后使用模具取型,或采用儀器進(jìn)行足部掃描取型,制作矯形器。在很多情況下,也可以使用成品(商品化的)足部矯形器。
矯形器學(xué)是康復(fù)醫(yī)學(xué)的重要組成部分。了解矯形器的基本原理和足部生物力學(xué)機(jī)制,是合理應(yīng)用足部矯形器的前提。但是,足部矯形器學(xué)不是一項(xiàng)距離民眾遙遠(yuǎn)的技術(shù)。實(shí)際上,鞋內(nèi)部、外部的修改、多種鞋墊、足墊均屬于足部矯形器學(xué)范疇。在掌握矯形器技術(shù)原理和足部生物力學(xué)機(jī)制的前提下,一些簡(jiǎn)單的調(diào)整??色@得足部生物力學(xué)的改善,從而緩解足部乃至全身的不適癥狀。以鞋具調(diào)整為例,鞋靴前部過(guò)窄、老年人選用平跟鞋、童鞋的鞋面和后幫過(guò)軟等屬于常見(jiàn)的誤區(qū),需要改進(jìn)或調(diào)試。
再以鞋墊為例,目前部分市場(chǎng)銷(xiāo)售的鞋墊不但具有對(duì)足部的支撐、穩(wěn)定、防滑、抗扭等保護(hù)作用,還可以充分吸收運(yùn)動(dòng)中足部著地時(shí)產(chǎn)生的沖擊力,減緩運(yùn)動(dòng)過(guò)程中上傳沖力對(duì)足、踝、膝、髖及脊柱關(guān)節(jié)的影響,并將其轉(zhuǎn)化為下一個(gè)起動(dòng)動(dòng)作的動(dòng)力。
更多資訊請(qǐng)?jiān)L問(wèn)沈陽(yáng)奧萊醫(yī)療器械科技有限公司官網(wǎng):m.ytgosun.com