评估老年人足部核心系统的功能

摘要

足部的功能核心稳定性有助于人体的静态姿势和动态活动。本文提出了一种结合了三个子系统的足核系统功能综合评价。它可以提高认识和多方面的协议，以探索不同人群的足部功能。

摘要

作为连接身体和地面的复杂结构，脚有助于人体静态和动态活动中的姿势控制。足部核心植根于被动、主动和神经子系统的功能相互依存关系，这些子系统结合成控制足部运动和稳定性的足部核心系统。负责负荷的足弓（被动子系统）被认为是足部的功能核心，其稳定性是正常足部功能所必需的。足部功能异常在老年人中广泛报道，如脚趾屈肌无力、足部姿势异常、足底感觉敏感性下降等。本文介绍了一种基于足部核心子系统的足部功能评估综合方法。足部内在和外在肌肉的力量和形态用于评估足部肌肉（活动子系统）功能。穹顶力量测试用于确定足部内在肌肉的功能，而脚趾屈曲力量测试则更多地关注外在肌肉的功能。应用舟骨跌落试验和足部姿势指数评估足弓（被动子系统）功能。对于神经子系统，采用足底轻触阈值检验和两点辨别检验评估足部9个区域的足底触觉敏感性。这项研究为老年人和其他人群的足部核心功能提供了新的见解。

引言

人的脚是一个高度复杂的结构，由附着在脚上的骨骼、肌肉和肌腱组成。作为下肢的一部分，足部不断提供与支撑面的直接源接触，因此有助于负重任务¹.基于肌肉和被动结构之间复杂的生物力学相互作用，足部有助于减震，调整不规则表面并产生动量。有证据表明，足部对姿势稳定性、行走和跑步有重要贡献 ^2,3,4。

根据 McKeon⁵ 在 2015 年提出的新范式，足核植根于被动、主动和神经子系统的功能相互依存，它们结合成控制足部运动和稳定性的足核系统。在这种范式中，足骨解剖结构形成功能性半穹顶，包括纵弓和横跖弓，并灵活地适应负荷变化⁶.这个半圆顶和被动结构，包括韧带和关节囊，构成了被动子系统。此外，活动子系统由足部内在肌肉、外在肌肉和肌腱组成。内在肌肉充当局部稳定器，负责支撑足弓、负荷依赖性和调节 ^7,8，^而外在肌肉作为全局推动者产生足部运动。对于神经子系统，足底筋膜、韧带、关节囊、肌肉和肌腱中的几种感觉受体（例如包膜和皮肤受体）有助于足穹窘变形、步态和平衡 ^9,10。

一些研究人员推测，脚主要以两种方式促进日常活动。一种是通过功能弓的机械支撑和下肢肌肉的调节。另一个是关于位置¹¹的足底感觉信息的输入。基于足部核心系统，该系统的缺陷，包括足部姿势、足部内在和外在肌肉的力量以及感觉敏感性，可能导致活动和平衡能力的弱 ^9,11,12,13。

然而，随着年龄的增长，足部的方面、生物力学、结构和功能通常会发生改变，包括足部或脚趾畸形、足部或脚趾力量减弱、足底压力分布和足底触觉敏感性降低 14,15,16,17。脚趾畸形的存在和拇外翻的严重程度与老年人的活动能力和跌倒风险有关^11,18。此外，过去被忽视的脚趾屈肌的力量有助于老年人^{的平衡 19}.同时，老年人患与糖尿病、外周动脉疾病、神经病变和骨关节炎等病症相关的足部疾病的风险也更高^20,21。

足部的评估、检查和保健，尤其是老年人，越来越受到关注^14,21。然而，探索足核系统功能综合评估的研究有限。许多研究旨在探索老年人的足部病理问题，如疼痛和指甲、皮肤、骨骼/关节和神经血管疾病21,22,23。足部在日常活动中的机械支持和感觉输入中的作用以及作为功能性核心系统的作用需要得到认可和评估，这在以前的研究中被忽视了。特别是，足部活动成分，包括内在和外在肌肉，作为局部稳定器和全局推动者，有助于足部在静态姿势和动态运动中的稳定性和行为⁵.

据报道，脚趾屈曲力量代表足部肌肉力量，它还用于探索足部功能与其他健康状况（如平衡和活动能力）之间的关系 24,25,26。从本质上讲，足部肌肉力量仅限于区分内在肌肉和外在肌肉的作用。此外，一些测试，包括纸张抓地力测试和内在阳性测试，被批评为信度和效度差的非定量测试^7,27。最近，据报道，一项对足部凹陷力量的新评估量化了内在足部肌肉力量，并且已被证明具有良好的有效性²⁸。通过测量圆顶（短足运动）力量，它有助于直接量化内在肌肉的功能。

因此，本文提出了一种方案，旨在探索基于足部核心系统的老年人足部特征，特别是活动子系统的功能。该协议提供了全面的评估，以调查老年人的足部核心稳定性，包括被动、主动和神经子系统。此外，在几种健康状况中，足部核心功能的改变已经报道，例如足底筋膜炎、扁平足和糖尿病 24,29,30。在未来的研究中，它可能有助于在多维测量中评估不同人群的足部功能。

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研究方案

本研究在上海体育大学运动医学与康复中心进行，并已获得上海体育大学伦理委员会（编号:102772020RT001）的批准。在测试之前，参与者获得了有关实验目的和程序的详细信息;所有参与者都签署了知情同意书。

1. 参与者选择

1. 包括以下参与者:（1） 年龄超过 60 岁;（2）能单独保持站立姿势;（3）可以独立行走，无需他人、假肢或助行器的帮助;（4）能表现出正常的认知功能，能理解测试的程序和说明。排除以下参与者:（1）被诊断患有严重心肺疾病;（2）被诊断患有运动神经元疾病，如阿尔茨海默病和帕金森病;（3）过去一年有下肢外伤史者被排除在外。
   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 名人口统计数据与老年组（对照组）相匹配的年轻参与者。t 检验的样本量计算为α = 0.05，功效（1 − β）= 0.95，效应量= 0.8。结果表明，每组应包括 42 名参与者。

2. 活动子系统

注意:内在和外在足部肌肉的形态和力量测试用于评估活动子系统。

1. 肌肉形态
   1. 打开肌肉骨骼超声系统，然后单击 "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。单击 iStation 按钮，然后单击 New Patient。输入每个参与者的 ID、姓名、性别和出生日期。
      注意: 探头电缆应正确排列并放置在不容易被踩踏的位置，以确保电缆不会与其他物体缠绕在一起。将探头放置在安全的位置，以避免碰撞和损坏。
   2. 外展幻觉 （AbH）:将超声偶联凝胶涂抹在结节和舟状结节扫描线的中间。将探头放在跟骨内侧结节处，朝向舟骨结节。目视地移动探头以捕获 AbH 的最厚部分，然后单击 "保存 "按钮以保存静止图像。
      1. 然后，将探头旋转90°以获得AbH的横截面图像并保存图像。
         注意: 在肌肉形态测量中保持探头和皮肤之间的良好接触，不要施加过大的压力。
   3. 趾短屈肌 （FDB）:将探头纵向对准从跟骨内侧结节到第三脚趾的线，并扫描肌肉以测量厚度。将探头旋转 90° 以获得横截面图像。
   4. Quadratus plantae （QP）:将探针沿踝关节处的肌肉纤维纵向对齐。目视地移动探头以找到 QP 最厚的部分。捕获三张图像进行厚度测量。将探头旋转 90° 以获得横截面图像。
      注意:QP深藏在FDB中。
   5. 拇短屈肌 （FHB）:标记第一跖骨，涂抹超声偶联凝胶，然后将探头沿轴纵向放置。目视地移动探头以捕获FHB最厚的部分，然后将探头旋转90°以获得横截面图像。
   6. 腓骨长肌和短肌 （PER）:指导参与者仰卧。标记腓骨头和外踝的下缘，并标记连接两点的线的 50%。涂上偶联凝胶并放置探头以捕获厚度。要获得横截面图像，请在进行厚度测量的点将探头旋转 90°。
   7. 胫骨前缘 （TA）:将耦合凝胶涂抹在小腿前方，超过腓骨头与外踝下缘之间距离的 20%。沿 TA 纵向放置探头以获得厚度测量值。
      注意:由于探头的扫描范围，无法完全捕获TA的CSA。
   8. 图像测量:在屏幕右侧查找之前捕获的图像。使用轨迹球移动光标，选择一张图像，然后单击 "设置 "按钮。然后，单击 "测量 "按钮。测量项目显示在屏幕的左侧。
      1. 厚度:使用轨迹球移动光标，选择距离测量值，然后单击 "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）。记录厚度的距离。
      2. 横截面积 （CSA）:使用轨迹球移动光标以跟踪图像中肌肉的外围。描摹整个肌肉的横截面后，单击 "设置 "按钮（图 1 和 图 2）。记录 CSA 的区域。
2. 肌肉力量
   1. 将测功机蓝牙棒插入电脑的USB接口。打开测功机和 FET数据采集软件 ，点击 启动仪表 按钮等待自动配对。
   2. 脚趾屈曲力量测试（FT1）
      1. 指导参与者坐在椅子上，膝盖和踝关节屈曲 90°。将测功机固定在木架的正面。通过登山扣将大脚趾连接到测功机（图 3B）。
         注意: 调整适当的杠铃以避免测试过程中疼痛。
      2. 将面板互换在脚后，以确保脚后跟到第一跖骨头得到支撑，同时仍允许脚趾屈曲不受损害。调整登山扣，使脚趾产生稳定的基线力，然后单击 "重置 "按钮将测功机归零。
      3. 单击软件中的 "启动仪表 "按钮。指导参与者保持稳定，直到指示弯曲大脚趾，尽可能用力拉动 3 秒，然后放松握把。单击 Stop Gauge 按钮，然后保存收集的数据。
   3. 脚趾屈曲力量测试（FT2-3 和 FT2-5）
      1. 使用 T 形金属棒连接到测功机。指导参与者弯曲第 2-3 个脚趾或第 2-5 个脚趾。执行与FT1测试类似的测试程序（图3C，D）。
   4. 穹顶测试
      1. 将测力计靠在舟状结节上。指导参与者将前脚掌滑向脚后跟或尽可能抬高足弓，而不抬起或卷曲脚趾，这将导致足部"缩短"和内侧纵弓凸起（图 3A）。
      2. 然后，要求参与者做最大自主收缩 3 秒。像以前的脚趾屈曲测试一样执行数据收集（步骤 2.2.2 和 2.2.3）。
         注意:为数据处理记录三个成功的试验，并在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，导入原始强度数据的CSV文件。
      1. 脚趾屈曲力（FT1、FT2-3、FT2-5）:单击" 运行 "按钮，选择计算列表中的 "自动计算 "选项，然后单击" 计算 "按钮。该软件将主动计算脚趾握把的峰值强度（图 4）。
      2. 旋定力数据:将原始数据导入软件，然后单击 "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 s 窗口，其中力曲线呈平台状，软件会自动计算窗口中的平均力（图 5）。

图 1:三块内在肌肉的代表性超声图像。 （A） 外展肌幻觉的厚度图像;（二）外展器幻觉的横截面积;（C）趾短屈肌的厚度图;（D）趾短屈肌的横截面积;（E）方位植物的厚度图;（F）植物方位的横截面积。 请点击这里查看此图的较大版本.

图2:三块外在肌肉的代表性超声图像。 （A）拇短屈肌的厚度图;（B）拇短屈肌的横截面积;（C）腓骨长肌和短肌的厚度图;（D）腓骨长肌和短肌的横截面积;（E）胫骨前部的厚度图像。 请点击这里查看此图的较大版本.

图3:足部肌肉力量测试。 （一）圆顶试验;（二）趾屈力量试验（FT1）;（C）脚趾屈曲力量试验（FT2-3）;（四）趾屈力量试验（FT2-5）。 请点击这里查看此图的较大版本.

图 4:代表性脚趾屈曲力量图。 脚趾屈曲的峰值力计算为所选峰值周围六个数据点的平均值。在定制软件中，编程为10个点，包括峰值力保持相对稳定，以避免假峰，这意味着其余9个点不超过峰值的±0.5。 请点击这里查看此图的较大版本.

图5:具有代表性的穹顶强度图。 最大自主收缩力是针对穹顶强度计算的。存在一个可移动的 0.5 秒窗口，用于确定力曲线在平台形状中的位置，可以手动拖动。对穹顶强度进行编程，以计算选择窗口的平均值 （0.5 ms）。 请点击这里查看此图的较大版本.

3. 无源子系统

注意:应用 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. 舟状跌落 （ND） 试验
   1. 将高度游标卡尺与底座、夹具块和划线爪组装在一起。要指定舟状结节，请将划线爪伸过一根棍子。将高度游标卡尺放在水平平台上。
      注意: ND 测试在同一水平平台上进行。
   2. 指导参与者坐在高度可调的椅子上并侧身转身，以便可视化内侧纵弓。触诊舟状结节并标记其位置。指导参与者坐在膝关节、髋关节和踝关节成 90° 角的位置。
   3. 触诊参与者距骨头的内侧和外侧。旋后和旋前距下关节，直到距骨的内侧和外侧位置相等。
   4. 将划线爪的头部与标记的舟状结节对齐。读取并记录此非承重位置（高度 1）的高度。
   5. 指导参与者站立并保持正常的双侧负重姿势。始终如一地记录高度（高度 2）。
   6. 将舟状面中舟状结节（即高度 1-高度 2）的垂直运动定义为 ND。
      注意:在ND测试过程中，参与者必须保持笔直并直视前方。
2. 足部姿势指数-6 （FPI-6）
   1. 在水平平台上执行 FPI-6 测试，如 ND 测试（步骤 3.1.1）。
   2. 指导参与者走几步，原地行进，然后以放松的姿势站立，双臂支撑。在评估过程中，告知他们静止不动约 2 分钟。
   3. 触诊距骨头并评估其在外侧和内侧的位置。
   4. 触诊外踝，并对外踝和外踝下曲率进行评分。
   5. 观察跟骨额平面位置，并计算跟骨后侧与足长轴之间的角度。
   6. 上颚距舟关节 （TNJ） 并划伤该区域的隆起或凹陷。
   7. 上颚并观察内侧纵弓的曲线，并对其高度和一致性进行评分。
   8. 观察前脚掌正后方并与脚后跟的长轴对齐，并计算前脚掌在后脚掌上的相对位置（外展/内收）。
      注意:在此测试中，每个项目的评分为 -2、-1、0、1 和 2（参见 补充文件 1）。

4. 神经子系统

注意:在神经子系统的评估中，应用足底轻触阈值和两点鉴别器（TPD）来评估足底敏感性。

1. 足底轻触阈值
   1. 准备 Semmes-Weinstein 单丝 （SWM） 套件，由 20 件组成。每个 SWM 套件的索引号范围为 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），这与校准的断裂力有关（即指数 1.65 相当于 0.008 g 的力）。
      注意: 指数值越高，弯曲越硬、越难。
   2. 在足底标记测试区域，包括第一脚趾 （T1）、第一跖骨头 （MT1）、第三跖骨头 （MT3）、第五跖骨头 （MT5）、中足 （M） 和脚跟 （H）。
   3. 将 4.74 SWM 应用于参与者的足底隆起以感受刺激，他们将在正式测试中在足底上接受刺激。指导参与者说"是"，并在每次参与者在任何测试部位感知到 SWM 的感官刺激时，清晰而响亮地告知检查者准确的部位。
      注意:为了方便记忆，每个标记的区域都可以替换为一个特定数字。
   4. 将每个参与者以俯卧位放在标准治疗台上，背对检查者，脚悬在桌子边缘。分别指导他们闭上眼睛和戴上耳机，以避免视力的帮助并尽量减少分心。
   5. 将SWM垂直涂抹在目标区域的皮肤上。在尼龙SWM弯曲形成"C"形之前，压力是合适的。然后，在取下之前保持 1 秒。4.74 首先在标记区域上应用SWM，并利用4-2-1步进算法对评估^{进行标准化21}。随机测试六个足底区域。
      注意: 在标记区域之间出现感觉障碍的情况下，在小径间隔内提供几秒钟的休息时间。最后检测到的 SWM 被视为该站点的阈值。
2. 两点鉴别器 （TPD）
   1. 准备两点鉴别器装置。可调设备具有不同的距离，范围从 1 mm 到 15 mm。
      注意: 表盘的一侧范围为 1 毫米至 8 毫米，将表盘旋转到另一侧的范围为 9 毫米至 15 毫米。
   2. 在足底标记六个测试区域，这些区域与足底轻触阈测试（步骤4.1.2）中的测试区域相同。
   3. 为了让参与者熟悉测试过程，请在参与者的中指尖应用两点鉴别器。告诉他们，如果他们感觉到一点，就说"一"，如果他们感觉到两点，就说"二"。
      注意: 测试位置与足底轻触阈值测试中的位置相同。参与者应闭上眼睛。
   4. 从最大距离（8 毫米）开始测试，然后将宽度距离减小 5 毫米，直到参与者报告一分。以 1 毫米的增量移动设备，应用一个或两个点的随机化，直到参与者能够始终如一地识别测试宽度上的两个点。
      注意:五次触摸中正确识别两点触摸的三次定义为正数。最后两点值记录为 TPD 阈值。

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结果

在这项研究中，纳入了 84 名参与者进行测量。年轻组包括42名大学生，平均年龄在22.4岁±2.9岁之间，身高1.60±0.05米。长者组包括42名社区居长者，平均年龄68.9岁±3.3岁，身高1.59±0.05米。

具有代表性的活动子系统结果
足部肌肉的形态和力量用于确定活动子系统的功能。肌肉力量数据按体重 （N/kg） 归一化。如 图 6 所示，与年轻参与者相比...

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讨论

所提出的方案用于测量老年人足部的特征，为研究足部核心稳定性（包括被动、主动和神经子系统）提供了全面的评估。这种新范式阐明了足部功能，这些功能相互作用以稳定足部并维持日常活动中的感觉运动功能³³.在之前的研究中，研究人员更注重探索足部畸形;脚趾屈曲力;足底感觉减弱;和其他病理状况，如糖尿病、周围神经病变和足跟疼痛，在老年人^中 21,...

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材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Diagnostic Ultrasound System	Mindray		It is used in clinical ultrasonic diagnostic examination.
ergoFet dynamometer	ergoFet		It is an accurate, portable, push/pull force gauge, which is designed to be a stand-alone gauge for capturing individual force measurements under any job condition.
Height vernier caliper			It is an accurate measure tool for height.
LabVIEW			It is a customed program software for strength analysis.
Semmes-Weinstein monofilaments	Baseline		It consists of 20 pieces, and each SWM haves an index number ranging from 1.65 to 6.65, that is related with a calibrated breaking force.
Two-Point Discriminator	Touch Test		It is a set of two aluminum discs, each containing a series of prongs spaced between 1 to 15 mm apart.