评估老年人足部核心系统的功能

摘要

足部功能核心稳定性对人体的静态姿势和动态活动具有重要作用。本文提出了一种结合三个子系统的足部核心系统功能综合评估方法，可能为在不同人群中探究足部功能提供更深入的认识和多维度的研究方案。

摘要

足部作为连接身体与地面的复杂结构，在人体静态和动态活动中的姿势控制中发挥重要作用。足部核心的概念基于被动、主动和神经三个子系统之间的功能相互依赖性，这三个子系统共同构成控制足部运动与稳定性的足部核心系统。其中，负责承载负荷的足弓（被动子系统）被认为是足部的功能核心，其稳定性对足部正常功能至关重要。老年人群中普遍存在足部功能异常，例如趾屈肌力量减弱、足部姿势异常以及足底感觉敏感性下降。本文介绍了一种基于足部核心子系统的足部功能综合评估方法。通过评估足部固有肌与外在肌的形态与力量，来反映足部肌肉（主动子系统）的功能状态；其中，足弓抬升力量测试用于评估足部固有肌功能，而趾屈力量测试则更侧重于评估外在肌功能。采用舟骨下垂测试和足部姿势指数评估足弓（被动子系统）的功能。对于神经子系统，采用足底轻触觉阈值测试和两点辨别测试，评估足部九个区域的足底触觉敏感性。本研究为深入理解老年人群及其他人群的足部核心功能提供了新的视角。

引言

人类足部是一个高度复杂的结构，由骨骼、肌肉和附着于足部的肌腱组成。作为下肢的一个节段，足部持续与支撑面直接接触，因此在负重活动中发挥重要作用¹。基于肌肉与被动结构之间复杂的生物力学相互作用，足部参与缓冲冲击力、适应不规则表面以及产生运动动量。研究表明，足部在姿势稳定性、行走和跑步过程中具有重要意义^2,3,4。

根据 McKeon⁵ 在2015年提出的新范式，足部核心系统基于被动、主动和神经子系统之间的功能相互依赖性，这三个子系统共同构成控制足部运动与稳定性的足部核心系统。在此范式中，足部骨骼解剖结构形成一个功能性的半穹顶结构，包括纵弓和横跖骨弓，能够灵活适应负荷变化⁶。该半穹顶结构及韧带、关节囊等被动结构共同构成被动子系统。此外，主动子系统由足部固有肌、外在肌及肌腱组成。其中，固有肌作为局部稳定器，负责维持足弓结构、负荷依赖性及调节功能^7,8，而外在肌则作为整体运动器产生足部运动。在神经子系统方面，足底筋膜、韧带、关节囊、肌肉和肌腱中的多种感觉受体（如关节囊-韧带受体和皮肤受体）参与足部穹顶形变、步态及平衡的调控^9,10。

一些研究者推测，足部主要通过两种方式参与日常活动，其一是提供机械支撑。 通过 功能足弓及下肢肌肉间的调节作用。另一部分是足底关于位置的本体感觉信息输入¹¹根据足部核心系统理论，该系统的功能缺陷（包括足部姿势、足部固有肌与外在肌的肌力以及感觉敏感性）可能易导致运动能力和平衡能力下降^9,11,12,13.

然而，随着年龄增长，足部的外观、生物力学、结构和功能常会发生改变，包括足部或足趾畸形、足部或足趾力量减弱、足底压力分布异常以及足底触觉敏感性下降^14,15,16,17。足趾畸形的存在及拇外翻的严重程度与老年人的行动能力及跌倒风险相关^11,18。此外，以往常被忽视的足趾屈肌力量，对老年人的平衡能力具有重要作用¹⁹。同时，老年人也更容易出现与糖尿病、外周动脉疾病、神经病变和骨关节炎等病理状况相关的足部问题^20,21。

足部的评估、检查和医疗保健，尤其是在老年人群中，已受到越来越多的关注^14,21。然而，目前尚缺乏针对足部核心系统功能进行全面评估的深入研究。大量研究聚焦于探索老年人足部的病理问题，例如疼痛以及指甲、皮肤、骨骼/关节和神经血管方面的障碍^21,22,23。足部在日常活动中所承担的机械支撑和感觉输入功能，以及作为一个功能性核心系统的作用，亟需被认识和评估，而这一点在以往的研究中常被忽视。特别是足部的主动组成部分，包括内在肌和外在肌，作为局部稳定器和整体运动驱动者，在静态姿势维持和动态运动过程中对足部的稳定性与功能表现具有重要作用⁵。

趾屈肌力被单独用于表征足部肌肉力量，同时也被用来探讨足部功能与其他健康状况（如平衡能力和活动能力）之间的关系^24,25,26。然而，足部肌肉力量的测量本身难以区分足部固有肌与外在肌的作用。此外，一些测试方法，如纸张夹持试验和固有肌阳性试验，因缺乏定量性且信度和效度较差而受到批评^7,27。最近，一种新的足部拱起力量评估方法被提出，可用于量化足部固有肌力量，并已显示出良好的效度²⁸。通过测量拱起动作（短足运动）的力量，该方法能够直接量化足部固有肌的功能。

因此，本文提出了一项旨在基于足部核心系统（尤其是主动子系统的功能）探讨老年人足部特征的研究方案。该方案可对老年人足部核心稳定性进行全面评估，涵盖被动、主动及神经子系统。此外，已有研究报道，在多种健康状况下，足部核心功能会发生改变，例如足底筋膜炎、扁平足和糖尿病^24,29,30。在未来的研究中，该方案可能有助于通过多维度测量评估不同人群的足部功能。

方案

本研究在上海市体育学院运动医学与康复中心进行，并已获得上海体育学院伦理委员会批准（编号：102772020RT001）。测试前，向参与者详细说明了实验目的和流程；所有参与者均签署了知情同意书。

1. 受试者选择

1. 纳入标准：(1) 年龄超过60岁；(2) 能够独立维持站立姿势；(3) 能够独立行走，无需他人协助、假肢或助行器具；(4) 认知功能正常，能够理解测试流程与指令。排除标准：(1) 被诊断患有严重心肺疾病者；(2) 被诊断患有运动神经元疾病者，如阿尔茨海默病和帕金森病；(3) 近一年内有下肢外伤史者。
   注意：为了评估足部核心系统的功能，本研究招募了42名老年参与者和42名年轻参与者（对照组），后者的基线人口学数据与老年组相匹配。样本量是据此计算的 t使用α = 0.05、检验效能（1 − β）= 0.95、效应量 = 0.8 的参数进行检验效能分析，结果表明本研究每组应纳入42名参与者。

2. 活性子系统

注意：足部内在肌与外在肌的形态学与肌力测试用于评估主动子系统。

1. 肌肉形态学
   1. 开启肌肉骨骼超声系统，然后点击冻结按钮。将探头连接器插入主机背面的连接端口，并锁定探头锁定按钮。点击iStation按钮，然后点击新建患者。输入每位参与者的编号、姓名、性别和出生日期。
      注意：探头电缆应妥善布置，放置在不易被踩踏的位置，以确保电缆不会与其他物体缠绕。将探头放置在安全位置，避免碰撞和损坏。
   2. 拇展肌（AbH）：在跟骨结节与舟骨结节扫描线中点处涂抹超声耦合凝胶。将探头置于内侧跟骨结节处，朝向舟骨结节方向放置。轻微移动探头以捕捉AbH最厚的部分，然后点击保存按钮以保存静态图像。
      1. 随后，将探头旋转90°以获取AbH的横截面图像，并保存图像。
         注意：在进行肌肉形态学测量时，应保持探头与皮肤之间良好接触，避免施加过大的压力。
   3. 趾短屈肌（FDB）：将探头沿从跟骨内侧结节至第三趾的连线纵向对齐，扫描肌肉以测量其厚度。将探头旋转90°以获取横截面图像。
   4. 跖方肌（QP）：将探头沿距跟舟关节处的肌纤维方向纵向对齐。轻微移动探头以定位QP最厚的部分。采集三幅图像用于厚度测量。将探头旋转90°以获取横截面图像。
      注意：QP位于FDB深层。
   5. 拇短屈肌（FHB）：标记第一跖骨，涂抹超声耦合凝胶，然后将探头沿骨干纵向放置。轻微移动探头以捕捉FHB最厚的部分，随后将探头旋转90°以获取横截面图像。
   6. 腓骨长肌和腓骨短肌（PER）：指导参与者仰卧位躺下。标记腓骨头和外踝下缘，并标记连接两点的线段中点（50%位置）。涂抹耦合凝胶并放置探头以测量厚度。为获取横截面图像，在厚度测量位置将探头旋转90°。
   7. 胫骨前肌（TA）：在小腿前方，距腓骨头至外踝下缘距离的20%处涂抹耦合凝胶。将探头沿TA纵向放置以获取厚度测量值。
      注意：由于探头的扫描范围限制，无法完全捕捉TA的横截面积（CSA）。
   8. 图像测量：在屏幕右侧查找先前采集的图像。使用轨迹球移动光标，选择一幅图像并点击设置按钮。然后点击测量按钮。测量项目将显示在屏幕左侧。
      1. 厚度：使用轨迹球移动光标，选择距离测量功能并点击设置按钮。在图像中标记肌肉最厚部分的两个点（图1和图2）。记录该距离作为厚度值。
      2. 横截面积（CSA）：使用轨迹球移动光标，沿图像中肌肉周边进行描记。完成整个肌肉横截面的描记后，点击设置按钮（图1和图2）。记录该面积作为CSA值。
2. 肌肉力量
   1. 将测力计蓝牙适配器插入计算机的USB接口。打开测力计和FET数据采集软件，点击启动测力计按钮，等待自动配对。
   2. 足趾屈曲力量测试（FT1）
      1. 指导参与者坐在椅子上，膝关节和踝关节呈90°屈曲。将测力计固定在木架前侧。通过卡扣将大脚趾连接至测力计（图3B）。
         注意：调整合适的支撑杆，以避免测试过程中产生疼痛。
      2. 更换脚后方的面板，确保从足跟到第一跖骨头得到支撑，同时仍允许足趾自由屈曲。调整卡扣，使足趾产生稳定的基线力，然后点击重置按钮将测力计归零。
      3. 在软件中点击启动测力计按钮。指导参与者保持稳定，直到被指示屈曲大脚趾，尽可能用力拉拽3秒，然后放松。点击停止测力计按钮，并保存采集的数据。
   3. 足趾屈曲力量测试（FT2-3 和 FT2-5）
      1. 使用T形金属杆连接测力计。指导参与者屈曲第2-3趾或第2-5趾。执行与FT1测试类似的测试流程（图3C、D）。
   4. 足弓抬高测试（Doming test）
      1. 将测力计置于足舟骨结节处。指导参与者将前足向足跟方向滑动，或尽可能抬高足弓，但不得抬起或蜷曲脚趾，这会导致足部“缩短”并抬高内侧纵弓（图3A）。
      2. 然后，要求参与者进行最大自主收缩持续3秒。按照之前的足趾屈曲测试方法进行数据采集（步骤2.2.2和2.2.3）。
         ​注意：记录三次成功的试验数据用于后续处理，并在每次试验之间提供足够的休息时间，以避免疲劳。
   5. 打开程序软件处理窗口，导入原始力量数据的CSV文件。
      1. 足趾屈曲力（FT1、FT2-3、FT2-5）：点击运行按钮，在计算列表中选择自动计算选项，然后点击计算按钮。软件将自动计算足趾抓握的峰值力量（图4）。
      2. 足弓抬高力量数据：将原始数据导入软件并点击运行按钮。在计算列表中选择手动计算选项。然后手动拖动可移动的0.5秒窗口，选择力-时间曲线呈平台状的区域，软件将自动计算该窗口内的平均力量（图5）。

图1：三个固有肌的代表性超声图像。（A）拇展肌的厚度图像；（B）拇展肌的横截面积；（C）趾短屈肌的厚度图像；（D）趾短屈肌的横截面积；（E）足底方肌的厚度图像；以及（F）足底方肌的横截面积。请点击此处查看此图的放大版本。

图 2：三种外在肌的代表性超声图像。（A）拇短屈肌的厚度图像；（B）拇短屈肌的横截面积；（C）腓骨长肌和腓骨短肌的厚度图像；（D）腓骨长肌和腓骨短肌的横截面积；以及（E）胫骨前肌的厚度图像。请点击此处查看此图的放大版本。

图3：足部肌肉力量测试。（A）足弓抬升测试；（B）脚趾屈曲力量测试（FT1）；（C）脚趾屈曲力量测试（FT2-3）；（D）脚趾屈曲力量测试（FT2-5）。请点击此处查看此图的放大版本。

图4：典型的脚趾屈肌力量曲线图。脚趾屈肌的最大力量是通过所选峰值点周围六个数据点的平均值计算得出。在自定义软件中已编程设定，包含峰值在内的10个数据点需保持相对稳定，以避免出现伪峰值，即其余9个点的数值偏差不超过峰值的±0.5。 请点击此处查看该图的放大版本。

图5：典型的穹顶强度曲线图。 穹顶强度通过计算最大自主收缩力获得。图中设有一个可移动的0.5秒窗口，用于确定力曲线是否处于平台期，该窗口可手动拖动。穹顶强度程序设定为计算所选窗口（0.5 ms）内的平均值。 请点击此处查看该图的放大版本。

3. 被动子系统

注意：采用ND和足部姿势指数-6（FPI-6）测试来评估足部结构（被动子系统）。

1. 舟骨下垂（ND）试验
   1. 将高度游标卡尺与底座、固定块和划针爪组装在一起。为确定舟骨结节位置，将划针爪穿过一根细棒。将高度游标卡尺放置在水平平台上。
      注：ND 试验在相同的水平平台上进行。
   2. 指导受试者坐在高度可调的椅子上，并侧身以便观察内侧纵弓。触诊舟骨结节并标记其位置。指导受试者保持坐姿，使膝关节、髋关节和踝关节均呈 90° 角。
   3. 触诊受试者距骨头的内侧和外侧部分。使距下关节进行内翻和外翻运动，直至距骨的内侧和外侧位置相等。
   4. 将划针爪的头部对准标记的舟骨结节位置。读取并记录此非负重状态下的高度值（高度 1）。
   5. 指导受试者站立，保持正常的双侧负重站立姿势。一致地记录此时的高度值（高度 2）。
   6. 将舟骨结节在矢状面上的垂直移动距离（即高度 1 减去高度 2）定义为 ND。
      注：在进行 ND 试验过程中，受试者必须保持身体直立，目视正前方。
2. 足部姿势指数-6（FPI-6）
   1. 在水平平台上进行 FPI-6 试验，方法同 ND 试验（步骤 3.1.1）。
   2. 指导受试者行走几步，原地踏步，然后以双下肢支撑的自然放松姿势站立。告知其在评估期间保持静止约 2 分钟。
   3. 触诊距骨头，并对其在外侧和内侧的位置进行评分。
   4. 触诊外踝，对踝上和踝下的外侧轮廓曲度进行评分。
   5. 观察跟骨在额状面的位置，并对跟骨后部与足部长轴之间的夹角进行评分。
   6. 触诊距舟关节（TNJ），并对该区域的隆起或凹陷进行评分。
   7. 触诊并观察内侧纵弓的曲线，对其高度和协调性进行评分。
   8. 从跟部后方正对并沿足跟长轴方向观察前足，并对前足相对于后足的位置（外展/内收）进行评分。
      ​注：本试验中，每项评分分别为 -2、-1、0、1 和 2（见 补充文件 1）。

4. 神经子系统

注意：在评估神经子系统时，采用足底轻触觉阈值和两点辨别器（TPD）来评价足底敏感性。

1. 足底轻触觉阈值检测
   1. 准备一套Semmes-Weinstein单丝（SWM）检测套件，共包含20根单丝。每根SWM的编号范围为1.65至6.65（1.65、2.36、2.44、2.83、3.22、3.61、3.84、4.08、4.17、4.31、4.56、4.74、4.93、5.07、5.18、5.46、5.88、6.10、6.45和6.65），其编号对应于校准后的断裂力（例如，编号1.65相当于0.008 g的力）。
      注：编号越高，单丝越硬，越难弯曲。
   2. 标记足底测试区域，包括第一足趾（T1）、第一跖骨头（MT1）、第三跖骨头（MT3）、第五跖骨头（MT5）、中足（M）和足跟（H）。
   3. 使用4.74号SWM刺激受试者的大鱼际区域，使其感受在正式测试中足底将接受的刺激。指导受试者每次在任一测试部位感知到SWM的触觉刺激时，清晰大声地说出“是”，并准确告知检查者刺激位置。
      注：为便于记忆，每个标记区域可用一个特定数字代替。
   4. 让每位受试者俯卧于标准治疗床上，背对检查者，足部悬于床缘。指导其闭眼并佩戴耳机，以避免视觉辅助并减少外界干扰。
   5. 将SWM垂直施加于目标区域皮肤，施加压力直至尼龙单丝弯曲成“C”形，保持1秒后移除。首先在标记区域使用4.74号SWM，并采用4-2-1递进步骤算法以标准化评估过程²¹。随机测试六个足底区域。
      注：在各测试点之间留出数秒休息时间，以防区域间感觉干扰。最后检测到的SWM编号即为该部位的阈值。
2. 两点辨别觉测试（TPD）
   1. 准备两点辨别觉测试装置。该可调节装置的距离范围为1 mm至15 mm。
      注：旋钮一侧范围为1 mm至8 mm，旋转至另一侧则范围为9 mm至15 mm。
   2. 在足底标记六个测试区域，与足底轻触觉阈值测试中的区域相同（步骤4.1.2）。
   3. 为使受试者熟悉测试过程，先在其手指指尖使用两点辨别装置进行演示。告知其若感知为一个点则回答“一”，若感知为两个点则回答“二”。
      注：测试时受试者应闭眼，测试位置与足底轻触觉阈值测试相同。
   4. 从最大距离（8 mm）开始测试，随后每次减少5 mm，直至受试者报告仅感知一个点。之后以1 mm为增量逐步调整，并随机施加单点或两点刺激，直至受试者能在某一测试间距下持续正确识别两点刺激。
      注：在五次刺激中正确识别两次两点触觉即定义为阳性结果。最后一次能正确识别的两点间距即记录为TPD阈值。

结果

本研究共纳入84名受试者进行测量。青年组包括42名大学生，平均年龄为22.4 ± 2.9岁，平均身高为1.60 ± 0.05 m。老年组包括42名社区居住的老年人，平均年龄为68.9 ± 3.3岁，平均身高为1.59 ± 0.05 m。

主动子系统结果的典型示例
通过足部肌肉的形态和力量来评估主动子系统的功能。肌肉力量数据按体重进行归一化处理（N/kg）。如图6所示，与年轻受试者相比，老年受试者在所有测试中的足部肌肉力量均较低（足弓抬高试验，t₍₈₂₎ = -6.81，p < 0.001；第一跖骨测试，t₍₈₂₎ = -7.48，p < 0.001；第二至第三跖骨测试，t₍₈₂₎ = -5.51，p < 0.001；第二至第五跖骨测试，t₍₈₂₎ = -6.91，p < 0.001）。

关于肌肉形态（

讨论

本方案用于测量老年人足部的特征，通过全面评估足部核心稳定性，涵盖被动、主动及神经三个子系统。这一新范式揭示了足部在日常活动中通过各子系统相互作用以维持稳定性和感觉运动功能的机制³³。在以往的研究中，学者们更多关注探索足部畸形、趾屈肌力、足底感觉减退以及其他病理状况，如糖尿病、周围神经病变和足跟疼痛等^21,34,35,36。既往的足部评估忽略了足部固有肌的功能以及三个子系统之间的相互作用。随着对足部固有肌功能的关注增加，临床上已采用多种定性方法，如徒手肌力测试、纸张夹持试验和固有肌阳性试验等^7,37。然而，这些方法存在局限性，因其主要关注固有肌在产生趾屈动作中的作用，而非对足弓支撑功能的评估，而后者更为重要

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
诊断用超声系统	Mindray		用于临床超声诊断检查。
ergoFet 测力计	ergoFet		这是一种精确、便携式的推/拉力测量仪，设计用于在任何 工作条件下独立采集单个力值测量数据。
高度游标卡尺			用于精确测量高度的工具。
LabVIEW			用于强度分析的定制化程序软件。
Semmes-Weinstein 单丝	Baseline		包含 20 根单丝，每根单丝的编号范围为 1.65 至 6.65，对应经过校准的断裂力。
两点辨别器	Touch Test		由两片铝盘组成，每片铝盘上有一系列间距为 1 至 15 mm 的触针。