1、探索生物力学的一个新的范式希姆斯肯尼迪江苏省伤残人康复中心 陈晖 译目前的生物力学理论恰当地描述了脚及下肢的功能吗？最近，我写了一篇文章题为足部矫形的有效性(该文刊登于中国康复器具 2012 年第一期） 。文章提出了一些科学证据，支持了使用足部矫形器可以防止和治疗下肢创伤的观点。我相信矫形的价值，因为我多次看到矫形在帮助病人减轻疼痛，行走舒适，从伤病中恢复，并防止症状复发等方面的治疗优势。在该文章中，我利用互联网进行文献回顾，以支持我的观点。我获得的诸多的研究结论可以证明使用足部矫形器对足底筋膜炎，类风湿关节炎，胫后肌腱炎，脚部病痛，以及与糖尿病相关的足部问题有直接和明显的益处。然而，在研究过
2、程中，我发现，也有许多其他的论文，没有确凿证明使用矫形器的益处。一些研究和我自己的经验也表明，矫形器确实有效，但其疗效并不普遍适用。显然，足部的解剖结构和运动学是复杂的，并且我们面对的是复杂的人体以及几乎是有无限差异的个体。然而，出现这样的问题：是否因为人体足部动力学的复杂性或者是我们当前的模型太有限，而存在结果的一致性差的问题呢？当我完成文献回顾时，我读到了一本最近出版的新书， 运动鞋生物力学（Biomechanics of Sport Shoes） ，书的作者是尼格（Nigg）博士。尼格博士，是人类能力实验室主任，并且是加拿大阿尔伯塔省的卡尔加里大学生物力学教授。他花了 40 多年研究人体
3、运动的负载和能力。他已出版了大量的有关的运动鞋，鞋垫，矫形器，和运动表面(sport surfaces)的研究论文和成果。在 20 世纪 70 年代，他和许多足踝专家，致力于研究过度冲撞和肢体旋转以及他们与特定的伤害的联系。然而，几乎没有发现任何有说服力的证据。尼格在那个时代更有趣的研究结果之一是对 33 例跑步者的外部冲击力的研究。这些受试者分别被给予一套正规的商品跑鞋和一套特殊构造的为脚跟到足趾的运行提供了“极好的软垫”的跑鞋。令人惊讶的是，软垫鞋，显示出受到较高的外部冲击力（图 1） 。第二个实验针对三种不同的鞋底材料，将四个不同的运行速度下的冲击力进行量化。结果垂直冲击的峰值不因鞋底材
4、料的不同而产生变化，但随不同的运动速度而改变（图 2） 。数据表明，速度作为运动学的外部影响因素，可以改变冲击力，但缓冲却不会使冲击力改变。越来越明显，运动中的人体骨骼不是一个简单的有质量物体，其振动可以通过缓冲被抑制掉。人体运动系统在某种程度上也在缓解冲击的影响。在 20 世纪 80 年代后期开始，一个新的认识产生了：过度的冲击力和旋转并非是与运动有关的伤害的发展的主要因素（图 3 和 4） 。事实上，其他的研究表明，与运动有关的伤害的最好的预测因素是曝晒，时间以及前期的受伤。一个更好的模型需要去建立起来。一个新的范式 肌肉调谐（Muscle Tuning）运动中的身体对缓冲有响应，但在运动
5、过程中的实验表明，软组织振动时间很短并且被大大地减缓，与鞋与地面的结合情况无关。那么，身体是如何回应冲击和振动的呢？诸多观察导致对振动，频率和肌肉应激反应之间的联系作进一步研究。据观察，不同的软组织群通过改变肌肉的应激反应以改变其固有频率和阻尼特性，避免产生共振。这些肌肉应激反应的变化 称为肌肉调谐的效果（ muscle-tuning effects） 。尼格的著作中讨论的几个实验之一是，受试者（样本数为 11）躺在一个钟摆式的床上，床在一堵墙前，墙上装有侧力盘。每一次接触，墙所受的力都被量化，并且对四个肌肉的肌电信号进行测量。受试者穿两双鞋，每双具有不同的缓冲性能，并对接触前和接触后（即给予
6、刺激前和给予刺激后）的肌电信号进行分析。在这 11 例受试者中，有 9 例振幅的衰减是肌肉活动的结果。进一步的实验精确了肌肉对冲击力的应激反应的理解。肌肉调谐模式可归纳如下：冲击力提供了一个信号，这个信号被中枢神经系统感知，然后通过调节和激活相应的肌肉群产生反应。调谐的产生使软组织的振动最小化。这些效果有目标针对性，并且具体取决于软组织群的特点。看来，运动系统自动将软组织群的振动最小化。作为矫形器，假肢，鞋子以及其他各种辅助器具的设计者，我们应设法强化这一自然现象。什么是真正的矫形效果呢？如果肌肉的调谐是身体运动的重要组成部分，它是如何与传统的生物力学理论产生关联的呢？为了回答这个问题，尼格提
7、供了一个对功能生物力学的彻底回顾。耦合在踝关节处的运动被定义为跟骨和胫骨之间的运动传递。在生物力学研究中，胫骨的旋转和跟骨的内翻/外翻的之间的这种联系，经常被用来作为基础来确定矫形器和鞋的效果。通过几项研究过程可以明确：使用矫形器时，足部外翻和胫骨旋转的改变是不一致的，有目标针对性，通常很小（2 度） 。一个令人好奇的难题出现了：矫形确实有效，但骨骼系统似乎又将矫形的效果最小化。这就提出了一个有趣的问题。例如，如果坚固的内侧足弓支撑不能有效地限制足外翻，那么主流的生物力学理论和组织应力的方法的有效性又如何呢？这个问题在一个对 21 例健康跑步者的研究中被引起注意，这些受试对象穿着各种鞋垫跑了数
8、个星期。虽然运动学的变化有统计学意义，数值仍然偏小，一般约 2 度。更重要的是，在大多数情况下，鞋垫/矫形器确实增加肌肉的活动。这个结论被一组有 15 例受试者的实验进一步证实，这 15 个受试者穿着各种各样的内侧和外侧矫形器参加测试。这项研究测定在各种变化的情况下，跑动中脚跟到脚趾的运动路径中的压力中心（path of the center of pressure-COP）的路径。结果，再一次出现了结论的不一致性，并且在许多情况下，他们与所预期的完全相反！置于内侧的矫形器并不一定会可靠地使运动过程中的压力中心（COP）产生横向偏移，反之也是如此。首选的运动路径尼格得出结论认为，对于正常的，健
9、康的人来说，调整骨架的目标不是通过鞋垫的干预来实现的；鞋垫和矫形器的潜在影响在于改变肌肉的活动的可能性。他指出，改变鞋以及矫形的状况对下肢的运动学改变几乎没有影响。此外，脚部的“对线”和受伤的频率之间的相关性很小。由此引申，他开发了另一种模式，称为首选的运动路径（preferred movement path-PMP） 。首选的运动路径（PMP）是一个轨迹，这个轨迹部分决定于结构（如关节面的形状，韧带，肌腱，肌肉的交联）和运动控制（即肌肉对某一个给定运动的预编好的行动模式） 。这就是假设每个关节的运动目标，以保持首选的运动路径（PMP）或以“最小阻力路径（minimal resistance
10、path） ”为目标。这个新的概念，解释了为什么鞋垫对骨骼对线的影响不大，以及为什么矫形器的使用通常导致肌肉活动的增加。腿似乎在与辅具带来的运动学变化“战斗” ，并且肌肉也在对辅具引起的变化进行补偿。最后，另一个惊人的研究涉及的士兵（样本数达到 107） ，这些士兵被给予各种鞋垫用于他们的军靴中，并被要求评估舒适性。结果表明，穿着鞋垫确实提高舒适度评级，舒适性也是有目标针对性的，并且一般市场需要不同结构的鞋垫。此后，士兵们在为期四个月的日常活动中使用他们感觉最舒适的鞋垫。他们的伤害频率与未使用任何鞋垫的控制对照组进行比较。结果表明，他们的下肢受伤和病痛组相比较明显较低，令人信服地展示了鞋垫的价值。 看来，目前我们的下肢生物力学模型是不完善的。除了重新调整骨架和改变运动学之外，当身体按照首选的运动路径进行工作时，矫形器也在影响着肌肉功能。此外， “舒适性”的作用被知之甚少，但舒适性确实扮演一个重要的因素，需要更充分地探讨。已经有人为我们的专业一丝不苟地做了真正的服务，帮助我们理解了一些东西，同时使我们对我们的所知提出疑问，拓展我们对脚和脚踝的一般理解。我们也应对一些实践中出现的问题做出深入探讨，给出合理解释，使我们的知识体系更为完善。
