运动表现
阶梯举踵和上斜板举踵中的足弓和脚踝力学
Midfoot and Ankle Mechanics in Block and Incline Heel Raise Exercises
原文："The Journal of Strength and Conditioning Research" – V35 – I12
Chiu,LZF和Daehlin,TE.在平板阶梯举踵和上斜板举踵中的足弓和脚踝力学，J Strength Cond Res3303-3314,2021：尽管进行举踵练习是为了加强小腿肌肉，但小腿肌肉和地面反作用力的结合会产生使足部纵弓变形的力矩。本研究的主要目的是检查足部肌肉是否有助于支撑举踵时的纵弓；第二目的是比较传统的平板阶梯举踵和“22度”上斜板在举踵过程中的足部和踝关节的力学机制。六名女性和六名男性运动员分别以1.4倍体重（自重加40%）和1.6倍体重（自重加60%）进行举踵训练。研究中收集了三维运动分析和测力平台数据。从前足和后足之间的角度（即足弓）和可能升高或降低足弓高度的净关节力矩（NJM）来评估足弓。1.6倍自重组中足弓提升力矩大于1.4倍自重组，（p<0.05;cohen’sd=1.24-1.26）,足弓角度变化最小p<0.05;cohen’sd=0.15-0.19）。在两种负重练习中，足弓提升和足底肌力矩似乎在上斜板举踵中比平板阶梯举踵中更大。（p<0.05;cohen’sd=0.58-0.67）。足弓提升力矩的增加与足弓角度的微小变化支持了足部肌肉在足跟抬高过程中有助于纵向足弓支撑的假设。进行上斜板举踵训练可能比阶梯举踵更有效地刺激足部和小腿的肌肉。
▌关键词
足、内侧纵弓、小腿三头肌、抗阻训练
▌介绍
举踵或者蹠屈练习通常被用来锻炼小腿肌肉。举踵涉及脚底屈曲，主要使用比目鱼肌和腓肠肌，较少使用腿部深层肌肉和小腿外侧肌肉（1,16,31）。然而，举踵运动可能对加强其他肌肉也很重要，尤其是那些支撑足纵弓的肌肉。在举踵的过程中，地面反作用力作用在脚的远端靠近蹠骨头部的地方。垂直地面反作用力施加的力矩倾向于使前足背屈（图一）（11,29）。与此同时，跟腱施加的力矩会使后脚的足底弯曲（3）。总之，这些作用会降低足纵弓的高度。
据称足底筋膜是支撑足弓高度的主要结构（27）。然而，解剖研究表明，垂直轴向负荷或跟腱张力的增加会拉伸足底筋膜并降低足弓的高度（5,27）。足底筋膜承受的压力取决于其长度，需要脚趾伸展或足弓塌陷来拉伸足底筋膜以承担其被动施加的力。足纵弓的主要足外肌是胫骨后肌；然而，其作用相对较小（27）。相比之下，一些足底固有肌肉——外展拇趾肌、趾短屈肌、足底方肌——已被证明不仅能支撑纵弓，还能增加纵弓高度（13,14）。建议通过激活足底固有肌来强化更稳定的足纵弓，以增加传递到前足的力（15）。在前足施加更大的力可以提高运动表现，诸如增加跳跃高度（7）。
尽管足底肌可以主动发力，但它们的发力也受到足部形态和脚趾方向的影响。在解剖位置上，足底肌位于力—长度关系的上升轴，它们太短则无法主动发力（17）。通常情况下，举踵是悬空站在平台上进行的（图二A和B），当足跟下降到平台以下时，脚趾在蹠趾关节处弯曲，导致足底固有肌的进一步缩短。然而，可以在倾斜的表面上进行举踵训练（如图二C和D），类似于爬山。在倾斜的情况下，脚趾将在整个运动范围内处于中立或伸展状态，这将延长足底固有肌，可能使它们接近最佳长度，从而可以发挥最大力量。（如图三）
本研究的目的是研究举踵时足弓和脚踝的关节力学。第一个研究目的是研究肌力训练是否有助于足弓支撑。比较两种不同负重下举踵时足弓的净-关节力矩（NJM）、踝关节NJM和纵弓角度。假设在较重的负荷下，中足和踝关节的NJM会更高。如果纵弓角度在不同负荷下没有差异，这将表明肌肉作用参与了足跟抬高时的纵弓支撑。第二个目标是在阶梯举踵和斜板举踵中的NJM。已经假设，在斜板举踵下，足弓和踝关节的NJM会更大。
图一 举踵中，用于逆向动力学分析中前足和后足的动力分析
图二 在有导轨的装置中，用杠铃杆进行平板选阶梯举踵（A、B）和斜板举踵（C、D）。
▌方法
实验方法
研究中进行了一项横断面生物力学研究，包括了两种负荷下两种类型的举踵（平板阶梯式和上斜板式）。受试者进行了两种常见的训练，随后进行一次数据采集。
内容
实验招募了具有下肢抗阻训练经验的男性和女性作为样本。在测试前，排除了右足及足踝部受过伤或者右足及足踝部有过手术经历的受试者。六名女性受试者的平均年龄为26.7±4.9岁，身高为1.66±0.07米，体重66.5±11.6公斤。六名男性受试者的的年龄范围为19到29岁，平均年龄为28.8±7.5岁，身高1.76±0.05米，体重87.9±18.6公斤。受试者签署了书面知情同意，研究方案经阿尔伯塔大学研究理论委员会（批准文号00085801）批准。当d=0.3时，实验室踝关节角度和力矩的置信区间为0.92到0.95，当样本量n=12时，α=0.05的有效性大于80%。
实验过程
实验计划：在十厘米的平板阶梯进行举踵或22度的上斜板进行举踵。该倾斜角度的选择是基于实验之前的反复测试，过高的倾斜角度限制了可以使用的负重，并会导致脚的下滑。通过增加导轨对深蹲架进行了改造，在深蹲架上增加了20公斤的杆（如图二），两侧导轨将杆的运动严格限制在了垂直轴上，就类似于常见的史密斯机。受试者间隔五到七天分别完成两个训练计划和一个测试环节。在第一阶段的训练中，平板阶梯举踵和上斜板举踵均使用了重量为20公斤的杆，杆上的负荷为0.4倍受试者体重。在第二阶段的训练中，与第一阶段采用相同的方式进行平台阶梯举踵，但杠铃负荷增至0.6倍自重。
在测试阶段，受试者进行了平板阶梯和上斜板举踵。受试者的测试顺序是随机的。在1.4倍自重和1.6倍自重的情况下，只在右脚进行举踵。两轮测试中，每种负荷重复两组，每组三次。将反射标记（直径9毫米）放置在右脚和腿上（如图四）。用七个光学相机（型号为瑞典哥德堡ProReflex MCU240）以100hz的快门速度进行拍摄。地面反作用力以1000hz的频率从Bertec 4060测力平台（Columbus，OH）取样。测力平台安装在结构的顶部，允许测力平台在阶梯举踵和上斜板举踵测试中保持绝对平坦（零度）。
图三 足底固有肌肌节长度的理论阐释。在平板阶梯和上斜板举踵中，作为固定脚趾时足部旋转的函数，黑点表示解剖位置上估计的肌节长度。
▌数据处理
在上斜板举踵实验中，将测力平台数据转化到实验室坐标系。力和运动数据使用Butterworth以6hz的间隔频率进行四阶递归筛选。根据Nakamura和Kakurai（23）、Simkin和Leichter（26）以及Wang和Crompton（29）描述的模型，将前足、后足和跟腱为平面刚体。虽然在X轴（从左到右）、Y轴（从前到后）和Z轴（从下到上）收集标记数据，在生成失状轴模型建立中忽略X轴坐标。在实验室收集的作为中试数据的模型表明，正面和横向平面力矩几乎不存在。
图4 脚与腿模型的标记点和受力分析简图。FF：前足、RF：后足、P：近端终点；D：远端终点。
前足的远端被定义为第一和第五蹠骨之间的中点。前足近端和后足远端以舟状骨结节标记进行建模。后足近端采用根骨标记进行建模。足内髁和外髁与胫骨内侧髁和腓骨头之间的中点分别确定了下肢段的远端和近端。后足和前足段的质心在每个节段近端到远端长度的50%处建模。足部总质量被估计为受试者总体重的1.45%（30）。前足和后足的质量分别占整个脚部总质量的60%和40%（29）。
采用逆动力学方程式和截面法，从作用于远端前足的地面反作用力开始计算中足关节NJM，然后计算踝关节NJM。由于动作速度较慢，忽略了线性加速和角加速度。因此，逆动力学分析是准静态的（19）。NJM值为正值表示足弓抑制作用和踝关节背屈肌作用。而NJM为负值则表示足弓提升作用和踝关节蹠屈肌作用。计算中足关节或足弓角（后足相对于前足）和踝关节角（腿相对于后足），每次重复取中足关节NJM、踝关节NJM、足弓角的平均值进行统计比较。
为了评估足部模型是否符合理想化刚体，计算了整个前足、后足和下肢中前足部分和后足部分的各自长度。每次实验，计算每段长度的平均值、标准差和变异系数。
所有的计算都是用MATLAB软件执行。（版本信息：R2018a，Mathworks，Inc.c，Natick，MA）
▌统计分析
对两个不同动作、六种不同负荷的测试数据取平均值。采用2*2方差分析（负荷通过足跟升高测算）评估中足关节NJM、踝关节NJM和足弓角，并对这两个因素进行重复测量。分别比较1.4倍自重负荷与1.6倍自重的平板阶梯举踵（1）、1.4倍自重负荷与1.6倍自重负荷的上斜板举踵（2）、1.4倍自重负荷的平板阶梯举踵（3）与1.6倍自重负荷的上斜板举踵（4）。通过计算95%置信区间的均值差异（95%CI）（相当于t实验，a=0.05）和Cohen’s d效应大小。Flanagan等人（9）报道了增加5%体重（d=0.26-0.30）和10%体重（d=0.53-0.60）来增加举踵时足底屈肌NJM。基于这些数据，最小显著差异为d=0.3，当d＜0.3时，被认为无差异；0.6＜d＜0.9时，被认为是中等差异，当d＞0.9时，为大差异。统计数据根据95%的置信区间和Cohen’d进行解释。首先，效应量大于最小显著差异（d=0.3）表明可能存在差异。其次，当d=0.3且95%CI未超过零时，为可能存在差异。
▌结论
在实验受试者中，前足长度为10.4±0.2cm，后足长度为9.8±0.1cm，腿长35.5±0.1厘米。前足、后足和腿长的变异系数分别为1.7%、0.8%和0.3%，每部分肢体都被认为符合理想化刚体模型。平板阶梯举踵和上斜板举踵中中足（足弓）和脚踝的NJM在表5中展示。
负重对中足关节NJM（p＜0.001）和踝关节NJM（p＜0.001）有显著的主要影响，但对足弓角度无显著影响（p=0.55）。在平板阶梯举踵和上斜板举踵中，在1.6倍自重的负荷下，足纵弓提升和踝关节蹠屈NJM似乎大于1.4倍自重负荷下的NJM（如表1）。比较中足关节和踝关节NJM的效应量表明，两种负荷之间存在着很大的差异。中足关节NJM（p=0.04）和踝关节NJM（p=0.02）对足弓角度无显著差异（p=0.86）。足弓提升和踝蹠屈肌的NJM在上斜板举踵中似乎更大（如表1）。效应量表明变化之间存在一定差异，两种形式的举踵之间，足弓角度没有明显差异。
▌讨论
在中足关节处需要大量的NJM来支持两种举踵中的足纵弓。虽然在足底筋膜施加的力有助于提升足弓的NJM，但这种力是被动施加的。因此，为了施加更大的力矩，例如1.6倍自重负荷和1.4倍自重负荷中，足底筋膜必须拉伸到更长的长度（26）。然而，在较轻和较重的负载之间，足弓角度只有微不足道的差异。足底长、短韧带以及跟舟足底韧带也可能为纵弓提供支撑。然而，与足底筋膜一样，这些组织的支撑作用取决于它们的长度，而长度取决于中足关节处的角度。由于在两种情况下观察到的中足关节角度只有微小的差异，因此在1.6倍自重负荷与1.4倍自重时观察到的较大的足纵弓提升很可能是由肌肉主动发力产生的。
据称，外源性足部肌肉，如胫骨后肌、趾长屈肌和外展拇趾肌可以支撑足纵弓。然而，在一项尸体研究中，Thordarson（27）证明，当足部承受大约自重的1.5倍的垂直负荷时，只有胫骨后肌提供了显著的足弓支撑。支撑足弓的能力约为足底筋膜通过脚趾延伸所提供的能力的三分之一。此外，10°的踝关节蹠屈降低了胫骨后肌支撑足纵弓的能力。相比之下，Kelly等人（13）报道，当足底承受1.5倍的垂直负荷时，足底固有肌，如屈趾短肌和外展拇趾肌能主动支撑纵弓，综上所述，可以假设足底固有肌是在举踵中，足纵弓支撑的主要积极贡献者。
这项研究的第二个发现是，平板阶梯举踵相比，上斜板举踵时的足弓提升和踝关节蹠屈肌的NJM更大。因此。在刺激肌肉肥大和小腿三头肌的神经肌肉适应、以及通过中足关节的NJM支持足纵弓方面，斜板举踵可能被认为更有效。一些研究已经发现了训练足底固有肌肉的好处，包括提高垂直跳跃高度、站立平衡和增加足纵弓的高度(20,21,28)。然而，这些研究使用了同心或等距的脚趾屈肌动作。相比之下，在举踵的提升阶段，由于中足关节弓提升过程中NJM的存在以及足相对于固定脚趾的旋转、肌肉延长的作用，足底固有肌肉会在发力过程中偏离固有的轴心。
同样的动作也会发生在走、跑着上山或者爬楼梯上。使用身体受力分析图（如图1所示），在脚后跟离地且踝关节蹠屈肌的NJM存在的情况下，需要产生足弓提升的NJM。可以假设，足底固有肌对于在运动和其他的活动中动态足弓的稳定非常重要（2，8）。具体来说，这些肌肉会限制或防止后足足底的屈曲，与腓肠肌和比目鱼肌对后足施加的NJM相反。足底固有肌的这种作用已经在各种不同的实验中被证实（14,15）。然而，当这些动作被在斜板上进行时，如步行或爬山时，足底固有肌可能就特别重要，因为与在水平面上行走或跑步相比，踝关节足底屈肌的NJM大幅增加（18,32）。相比之下，在爬楼梯时，与在水平面上行走相比，脚踝足底屈肌的NJM较低（22,25）。因此可以假设这些肌肉的大小和力量取决于在倾斜表面上进行活动的数量。
本研究的一个局限性是NJM只提供了所需机械力的估计。在主要关节，如踝关节或膝关节，这种机械力主要是肌肉发力的结果。NJM被解释为肌肉力的估计（6）。然而，在中足关节，足底筋膜有助于足弓提升NJM，足底固有肌肉和足底筋膜的相对贡献无法确定。此外，还需要额外的信息来评估平板阶梯举踵和上斜板举踵抬升变化之间是否存在进一步的差异。例如，虽然上斜板和平板阶梯举踵的足弓角度是相同的，但在上斜板举踵中增加脚趾背屈会增加肌肉肌腱单位长度。有报道称，在不同长短的肌肉肌腱单位长度进行阻力训练时，肌肉适应性存在差异。在肌肉肌腱在更长的长度进行训练时，肌肉肥大的效果更加明显（24）。如果这种现象也适用于足底固有肌，那么上斜板举踵可能是有利的，因为它可能增加肌肉肌腱的单位长度。
综上所述，举踵运动既需要中足关节提升NJM，也需要踝关节足底屈肌NJM。由于在1.4倍自重和1.6倍自重负荷下足弓角度没有变化，而中足关节的NJM增加，因此在举踵运动中，肌肉活动、包括足底固有肌，必须有助于纵向足弓的支撑。与平板阶梯举踵相比，在22°的上斜板举踵中，中足关节和踝关节的NJM都更大。需要进一步的研究来证明，是否在上斜板举踵中的训练会有更好的结果。
▌实践应用
这项研究表明，举踵运动不仅需要足底屈肌的肌肉作用，还需要足底固有肌的作用。足底内在肌肉在举踵运动中通过维持足弓角度来提升NJM，并随着负荷的增加而增加。因此，举踵运动可能有利于加强足底内在肌肉。由于倾斜度的变化需要更大的足弓提升和踝关节足底NJM，这种变化对足底内在肌和足底屈肌提供了更多的机械应力。可以假设，上斜板举踵比平板阶梯举踵更能有效地强化这些肌肉。由于需要一个坚实的足纵弓来将力从后足传递到前足并最终传递到地面，因此可以假设，更强壮的足底肌群有利于跑、跳等运动表现。
致谢：T.E.Dæhlin 获得了加拿大Vanier研究生奖学金支持。
▌作者：
Loren Z.F. Chiu, and Torstein E. Dæhlin
- 埃德蒙顿·阿尔伯塔大学肌动学、运动与康复学院神经肌肉骨骼力学研究项目
▌译者：刘皓凡
- 现就职于国家税务总局大连市中山区税务局
- NSCA-CSCS、NSCA-CPT
- 硕士
▌校对：林冠廷
- ATC,CSCS*D,CSPS
- NSCA 官方讲师
- ARCA 亚洲康复体能学院
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