正常足部的生物力学

足的生物力学比较复杂。它与踝关节的生物力学明显的不同，但也有人认为足的一部分和踝是一个单位。第二跗跖关节在足中部回缩，与中间楔骨形成一个关键性结构，这种结构限制第二趾线的运动，加强第一趾线的稳定性。外侧趾线的活动大于第二趾线。所以第二趾线的相对僵硬在站立后期起重要作用，为了趾离地，负荷将转移至前足，这样加大的负荷将落在第二跖骨上，第二趾线的强度必须加大。过高的重力负荷传至这趾经上，可使第二跖骨变厚。在分析站立时负荷传导至各个跗骨关节时，虽无法追踪力通过的各个纵向行径，但负荷最大处应在纵弓的最高点，它们也承受最大的负荷。Lisfranc关节（由跗跖关节组成）是在足中部，可稳定第二跖骨，使之成为前足最坚实的部位，能在行走时承受最大的负荷；在站立时，负荷平均分布于后跟和跖骨头。第一足趾承受的负荷是其他跖骨所承受的2倍，在行走时，多数负荷传至第二跖骨；在行走时，地面反作用力在后跟着地时，略偏于后跟中心的外侧，然后再向外移至骰骨，最后在趾离地时，又移至第二跖骨和第一足趾。

足部的有效运动依赖于足部内侧纵弓的完整性，在足部传递力量过程中内侧纵弓的功能至关重要，有助于减震和分散传递至足部的力量。足弓的被动结构，即骨、韧带和关节囊，形成了足的纵弓和横弓。通常情况下，将前后方向的足弓称为纵弓，分内侧和外侧纵弓；内外方向的称为横弓。内侧纵弓的骨性结构由跟骨、距骨、足舟骨、内中外3块楔骨以及1～3跖骨共同构成；胫骨后肌肌腱、趾长屈肌肌腱、拇长屈肌腱、足底方肌、足底筋膜以及跟舟足底韧带等共同参与维持和稳定。内侧纵弓比外侧纵弓高，且具有弹性、较大的活动度和较强的缓冲作用，故内侧足弓亦称为弹性足弓。外侧纵弓相对较低，腓骨长肌肌腱、足底长韧带、跟骰足底韧带共同参与足弓的维持，外侧纵弓弹性较差，主要以支撑负重为主。横弓主要有腓骨长肌肌腱、胫骨前肌肌腱、拇指收肌横头参与维持，其中，跖骨头是横弓主要的力量传递结构，腓骨长肌肌腱是主要的稳定维持结构。

虽然这些足弓之间是相互独立的结构，足底筋膜和足底韧带支撑起足底的半弧形形态，但是，局部的动态支撑还是需要依靠足部固有的内在肌肉（intrinsic foot muscles）和间接的外在肌（extrinsic foot muscles）收缩。附着在足部的肌肉与肌腱也就是足部运动的主动结构，具有稳定足弓和控制足部外在整体运动的功能。由此可见，骨、韧带结构参与维持足弓的结构性稳定，而足的内、外在肌则维持了动态运动中足弓的功能与稳定性。

足弓的解剖结构和功能的相互生物力学作用是十分复杂的，其在静态和动态活动中扮演重要的角色。在站立中，足部主要起到支撑作用；运动中可将其视为一个动力链，在不同步态运动中，其最主要的两个功能为支撑与推动（propulsion）。在支撑早期，足部必须进行屈曲以吸收在不同平面着地而导致的冲击能量；在支撑后期，足可作为一个刚性的杠杆，将推进身体向前运动的力作用于地面；然而，在支撑中期，足部需要根据运动进行功能调整和负荷衰减。

人体足部作为一个灵活的结构，在下肢与地面之间保证力量传递的有效性，这种功能是通过足部很多小关节之间的相互作用实现的。在支撑期，足弓会发生拉长和压缩，并将冲击负载作为足弓的弹性应变能量进行吸收。在支撑末期，当跖趾关节伸展时，通过足部的绞盘效应（windlass mechanism）有效提高足弓的刚度，足底筋膜的被动弹性回弹产生向前推进身体的正功。这种压缩-回弹的过程被称为“足部弹簧”机制，在足部每一次着地时，可以进行机械能的贮存和随后的释放，提高步态的效率。

足底筋膜的绞盘效应在人类步态中维持足部的刚度是十分重要的。从支撑中期到支撑末期，跖趾关节的伸展可以增加足底筋膜的张力，随后通过屈曲和内收跖趾关节伴随后足旋后而缩短纵弓。这些骨结构之间的变化强化了足部的刚度，衰减足部的缓冲性能，使足部过渡成一个刚性的杠杆，配合踝关节跖屈力矩有效传递至地面。已有研究证实，该过程中被动的韧带结构对这种机制的贡献，但是却很少有研究关注纵弓的收缩成分在这一过程中的作用。

很多研究关注了足底筋膜贮存弹性势能的功能。这种韧带主要是保证足弓骨性结构的完整性，以及在推进过程中保障足部作为杠杆功能的刚度。足底筋膜可以进行弹性势能的贮存和释放，其这种功能在跑步中的贡献尚未充分研究。但是，足底筋膜是足部唯一可以因为足弓压缩和跖趾关节伸展而被拉长的结构。足底筋膜因为这种特点可以将其视为一个有效弹簧，当冲击力作用于足弓而使其产生压缩时，可以根据不同的应力调整足部的弹性功能，所以，弹性势能也可以贮存在内侧纵弓的其他韧带。

关于跑步中足底筋膜应变调节的研究提到，支撑期足底筋膜应变逐渐增加，直到支撑期的60%时，该应变达到峰值。这一过程中，足底筋膜贮存了弹性势能，在支撑期后40%阶段，由于内侧纵弓的回弹，足底筋膜的弹性势能开始释放。而足弓回弹的功能主要是产生重力势能和动能以推进身体向前运动。当对患有严重足底筋膜炎的病人实施足底筋膜切开术后发现，通过足底传递的力量会大打折扣。

除了足底筋膜本身的能量贮存和释放的特性外，足底筋膜还可以在跖趾关节和足弓之间传递能量，辅助其做功。这种功能并不罕见，如下肢双关节肌如腓肠肌，可以为近端关节和远端关节传递能量。足底筋膜传递能量的机制具有两个优势：①跖趾关节和内侧纵弓骨性结构之间传递额外的能量有利于帮助推进；②在推动阶段，足底筋膜对足弓做功的贡献，而不单纯依靠其之前储存的弹性应变能量，所以应变导致的足底筋膜的损伤风险会更低。

核心稳定性已经受到了临床医学和运动损伤领域的广泛关注。其概念主要专注于脊柱-骨盆-髋关节稳定性在正常的下肢运动模式中的作用，包含起到稳定效果的深层小肌群和外层控制运动范围的大肌肉群。现已有学者将核心稳定性的概念引入到足部，认为足部的内在肌和外在肌同样起到维持足弓的稳定性和整个足的运动。然而，近期几篇关于临床证据的研究和指南中提到，足底筋膜炎如胫后肌腱功能障碍、内侧胫骨应力综合征和下腿痛等疾病一样，都没有在治疗过程中加入足部肌肉力量强化。

足的内在肌和外在肌作为足弓的主动支撑结构附着在足部，可见足弓还受局部的稳定结构和外在运动控制结构影响。局部的稳定结构为足底内的4层起始于或止于足部的肌肉。对足底内在肌的描述最多的即其功能与纵弓和横弓的半弧形结构有关。浅层的两层肌肉排列与足内外侧纵弓一致，深层的两层肌肉与前后横弓相似。这些肌肉通常有较小的力臂，较小的横截面积，在每一次的步态中，4层足内肌控制着足弓的变化角度与速度，承担足弓的负荷，对足弓的运动进行协同与调整，稳定足弓。同时，足的外在肌，起始于小腿，跨过踝关节，止于足部，通过其较长的肌腱控制足部整体运动。这些肌肉有较大的横截面积，较大的力臂，是足部的主要动力，同时也为足弓提供一定的稳定性。例如，跟腱源自小腿三头肌，与足底腱膜有共同的接点，小腿三头肌的肌力增加会造成足底筋膜的张力增加。该现象对于足部的运动来说，是非常重要的，在步态中影响足部灵活性和刚性之间的协调与转换。足外在肌的肌腱方向清楚地说明了它们对纵向足弓和横向足弓提供动态支持和控制的能力。这些控制足部整体运动的肌肉在动态任务中既可以吸收冲击，也可以提供推进力。