王曉剛，李 娟，王向東

1 前言

由于慢跑這項運(yùn)動不受場地時間等條件的限制，因此成為越來越多民眾進(jìn)行體育鍛煉的首選。而長時間的慢跑以及裝備的不合適會造成人體下肢損傷，如足弓塌陷、足底筋膜炎、前掌疼痛、雞眼等傷病。

國內(nèi)外學(xué)者就不同速度或不同品牌慢跑鞋等方面的改變對足底壓力變化的影響已有研究。如宋雅偉等人[1]通過研究不同硬度鞋底的足底壓力變化得出不同硬度鞋底的鞋對于人體在行走時動作技術(shù)有一定影響，建議一般性散步選擇軟底鞋、長距離行走選擇中等硬度鞋、步行速度快時間不長的情況下可選擇硬底鞋；伍舒聞等人[2]在對步行及慢跑過程中運(yùn)動速度勻速變化對足底壓力分布情況的研究指出：隨著速度的增大，足跟區(qū)和前掌區(qū)壓力有增大的趨勢，但不均勻。而6km/h是最適合進(jìn)行跑步鍛煉的速度，其次為7km/h和8km/h；蘇宏倫等人[3]通過使用不同結(jié)構(gòu)和材料硬度的矯形鞋墊對扁平足矯正效果的研究，發(fā)現(xiàn)合適的鞋墊對改善扁平足畸形有良好的矯正作用；代浩然等人[4]針對4種不同品牌的慢跑鞋在速度為3m/s的情況下對15名受試者進(jìn)行了足底壓力測量。通過對最大壓強(qiáng)、平均壓強(qiáng)以及足-鞋接觸面積等參數(shù)分析，評價了各款慢跑鞋的穿著舒適性；石宏杰等人[5]通過對不同慢跑鞋的足底壓強(qiáng)分析與功能評價得出不同運(yùn)動鞋其性能存在較大差異，且因運(yùn)動速度不同，也會表現(xiàn)出不同的功能狀態(tài)；湯運(yùn)啟等人[6]采用德國Novel- pedarX鞋墊式足底壓力測量系統(tǒng)，對受試者進(jìn)行動力學(xué)數(shù)據(jù)的采集，獲得了站立、步行、慢跑三種狀態(tài)下運(yùn)動鞋鞋墊的最優(yōu)參數(shù)。

綜上所述，前人的研究多集中在對穿著不同運(yùn)動鞋的情況下足底壓力的分布情況，如不同款籃球鞋[7]、慢跑鞋[5]足底壓力的分析。雖說有關(guān)于鞋墊的研究說明，但更多的是一些矯形鞋墊，前腳掌硅膠鞋墊以及緩沖鞋墊[8]等，而此類鞋墊并不適合慢跑愛好者。為此，本研究嘗試通過在不同速度下對受試者穿著普通鞋墊與定制鞋墊所表現(xiàn)出來的足底壓力參數(shù)進(jìn)行分析，從而為慢跑愛好者選擇定制鞋墊提供有效的參考。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

選取11名中北大學(xué)田徑專業(yè)的國家二級運(yùn)動員作為本研究的受試者。受試者均自愿參與實驗并簽署知情同意書，受試者個人具體信息見表1。

表1 受試者個人基本信息

測試前均未進(jìn)行劇烈運(yùn)動，無下肢及足踝疾病。實驗中受試者統(tǒng)一著裝并且穿著由新百倫品牌統(tǒng)一提供的運(yùn)動鞋。在測試過程中，安排測試人員對受試者進(jìn)行保護(hù)，以防意外發(fā)生時對受試者造成身體傷害。

2.2 研究方法

2.2.1 測試儀器使用德國Novel公司的pedar-X壓力鞋墊。pedar系統(tǒng)基于電容式壓力傳感器測量技術(shù)，每只鞋墊上均有99個壓力傳感器，能完整覆蓋整個足底，以確保足底數(shù)據(jù)采集的完整性和準(zhǔn)確性；并且備有不同型號的鞋墊以符合受試者足部的大小，見表2；受試者鞋內(nèi)放置pedar鞋墊，聯(lián)接pedar-X box盒，通過藍(lán)牙設(shè)備和筆記本電腦連接,進(jìn)行足底壓力采集，采集頻率為100hz，見圖1所示。

表2 不同型號鞋墊所對應(yīng)的鞋碼

圖1pedar-X壓力鞋墊

2.2.2 定制鞋墊本試驗運(yùn)用比利時生產(chǎn)的Footscan足底壓力測量系統(tǒng)，長度為1米，每平方厘米包含4個壓力傳感器。受試者赤足自然站于測試板前，聽到試驗人員發(fā)出口令后，自然行走經(jīng)過測力板到達(dá)另一端。每位受試者左右兩腳各3次踏在平板上，以記錄足底壓力數(shù)據(jù)。北京復(fù)生生物技術(shù)研究院根據(jù)采集到的每位受試者的足底壓力數(shù)據(jù)生產(chǎn)出適合該個體的定制化鞋墊，使定制鞋墊更加貼合每位受試者足部生理曲線。

2.2.3 測試流程及測試指標(biāo)本研究主要是探討穿普通鞋墊與定制鞋墊在不同速度下對足底壓力變化的影響。由于在陸地上受試者的跑步速度難以準(zhǔn)確控制，無法使速度保持恒定，容易對實驗結(jié)果造成誤差，因此為了確保速度的穩(wěn)定性和實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，本研究的測試將在跑步機(jī)上進(jìn)行。

測試前受試者均被告知實驗流程并進(jìn)行熱身。測試中選擇與受試者相對應(yīng)鞋碼的足底壓力鞋墊放置于普通鞋墊的下面，進(jìn)行空載標(biāo)定?？蛰d標(biāo)定完成之后受試者穿上鞋并在跑步機(jī)上準(zhǔn)備，測試人員向受試者示意后在1分鐘內(nèi)將速度調(diào)至指定速度9km/h，待受試者處于跑步穩(wěn)定狀態(tài)時進(jìn)行約10s的足底壓力數(shù)據(jù)采集。測試人員向受試者示意后再將速度調(diào)至12km/h，待受試者處于跑步穩(wěn)定狀態(tài)后進(jìn)行采集，采集完成后受試者放松休息。測試人員查看數(shù)據(jù)是否正常。若不正常測試人員待受試者完全恢復(fù)后重新測量；如數(shù)據(jù)正常待受試者完全恢復(fù)后進(jìn)行定制化鞋墊的測量，采集過程同上。

測試指標(biāo)包括最大壓力(max-force)、最大壓強(qiáng)(peak-pressure)、平均壓強(qiáng)(mean-pressure)、沖量(impulse)。具體實驗過程如圖2、圖3所示。

注：P9表示：在速度9km/h下穿著普通鞋墊；P12表示：在速度12km/h下穿普通鞋墊；T9表示：在速度9km/h下穿著定制鞋墊；T12表示：在速度12km/h下穿著定制鞋墊。

圖2 空載標(biāo)定

2.2.4 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)采集與分析采用配套軟件Novel。根據(jù)足底壓力分布區(qū)域?qū)⒆愕追譃榈谝恢汗?Toe1，簡稱T1)、第2—5趾骨(Toe2—5，簡稱T2-5)、第1跖骨(Metal1，簡稱M1)、第2—3跖骨(Metal2—3，簡稱M2-3)、第4—5跖骨(Metal4—5，簡稱M4-5)、中足(Midfoot，簡稱MF)、足跟內(nèi)側(cè)(Heel Medial，簡稱HM)、足跟外側(cè)(Heel Lateral，簡稱 HL)共八大區(qū)。左足各區(qū)區(qū)域劃分如圖4(右足各區(qū)區(qū)域劃分與左足對稱)。

圖3 跑步前

2.2.5 統(tǒng)計分析首先為了排除個體差異，本研究將獲得的最大壓強(qiáng)、平均壓強(qiáng)、沖量和壓力的數(shù)據(jù)應(yīng)用Excel2007軟件進(jìn)行體重的標(biāo)準(zhǔn)化分析，隨后將標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS18.0軟件進(jìn)行配對樣本t檢驗。檢驗同一受試對象在不同速度下分別穿定制鞋墊與普通鞋墊時的足底壓力變化差別。結(jié)果以均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表現(xiàn)。顯著性水平設(shè)定在P<0.05，非常顯著性水平設(shè)定在P<0.01。

圖4 區(qū)域劃分圖

3 研究結(jié)果

速度9km/h和速度12km/h下穿普通鞋墊和定制鞋墊跑步時各區(qū)最大壓強(qiáng)分布情況如表3所示。在速度9km/h時，左腳普通鞋墊與定制鞋墊在T1區(qū)表現(xiàn)為顯著性差異(P<0.05)，在MF、HM、HL區(qū)表現(xiàn)出非常顯著性差異(P<0.01)；右腳的T1區(qū)表現(xiàn)為非常顯著性差異(P<0.01)，在T2-5和HL區(qū)表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)。MF、HM區(qū)表現(xiàn)出非常顯著性差異(P<0.01)。在速度12km/h時左腳普通鞋墊與定制鞋墊在MF、HM和HL區(qū)有非常顯著性差異(P<0.01)；右腳T1區(qū)有顯著性差異(P<0.05)。MF和HM區(qū)都表現(xiàn)出非常顯著性差異(P<0.01)，而HL區(qū)則表現(xiàn)為顯著性差異(P<0.05)。

表3 不同速度及鞋墊類型時各區(qū)最大壓強(qiáng)分布情況

注：*代表P<0.05，表示普通鞋墊與定制鞋墊有顯著性差異；**代表P<0.01，表示普通鞋墊與定制鞋墊有明顯顯著性差異，下同。

速度9km/h和速度12km/h下穿普通鞋墊和定制鞋墊下跑步時各區(qū)平均壓強(qiáng)分布情況如表4所示。在速度9km/h下左腳普通鞋墊與定制鞋墊在T2-5區(qū)和HL區(qū)表現(xiàn)為顯著性差異(P<0.05)；右腳T1區(qū)表現(xiàn)為非常顯著性差異(P<0.01)，在HM和HL區(qū)表現(xiàn)為顯著性差異(P<0.05)。在速度12km/h下左腳T2-5和HL區(qū)有顯著性差異(P<0.05)；右腳MF、HM、HL區(qū)表現(xiàn)為顯著性差異(P<0.05)。

速度9km/h和速度12km/h下穿普通鞋墊和定制鞋墊下跑步時各區(qū)壓力分布情況如表5所示。在速度9km/h下左腳T2-5區(qū)表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)；右腳T1區(qū)表現(xiàn)為非常顯著性差異(P<0.01)，HM區(qū)表現(xiàn)為顯著性差異(P<0.05)。在速度12km/h下左腳T2-5區(qū)表現(xiàn)為顯著性差異(P<0.05)；右腳MF和HM區(qū)則表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.01)。

表4 不同速度及鞋墊類型時各區(qū)平均壓強(qiáng)分布情況

表5 不同速度及鞋墊類型時各區(qū)壓力分布情況

速度9km/h和速度12km/h下穿普通鞋墊和定制鞋墊下跑步時各區(qū)沖量分布情況如表6所示。在速度9km/h下左腳T1、T2-5和HM區(qū)有顯著性差異(P<0.05)；右腳M2-3表現(xiàn)為顯著性差異(P<0.05)，而T2-5區(qū)和HL區(qū)表現(xiàn)出非常顯著性差異(P<0.01)。在速度12km/h下左腳T2-5、MF和HM區(qū)表現(xiàn)出非常顯著性差異(P<0.01)；右腳T2-5區(qū)也表現(xiàn)出非常顯著性差異(P<0.01)，而HL區(qū)表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)。

表6 不同速度及鞋墊類型時各區(qū)沖量分布情況

4 討論

足底壓強(qiáng)是足底單位面積所承受的地面反作用力，最大足底壓強(qiáng)(Pmax)所反映的則是特定區(qū)域內(nèi)所受地面反作用力最大的部位內(nèi)單位面積的作用力值[10]。本研究結(jié)果顯示：不同速度及鞋墊類型下足底最大壓強(qiáng)和平均壓強(qiáng)的最大值均出現(xiàn)在M2-3區(qū)，說明在慢跑過程中人體壓力中心偏向于前腳掌。這一部分容易出現(xiàn)疲勞，而過度疲勞是導(dǎo)致前足橫弓塌陷重要原因[11]。最大壓強(qiáng)的最小值均落在足跟區(qū)，而平均壓強(qiáng)的最小值則分別落在足跟區(qū)和足弓區(qū)。說明最大壓強(qiáng)和平均壓強(qiáng)有相當(dāng)高的一致性。這一結(jié)果與前人的研究結(jié)果相一致[12]。但在不同速度及鞋墊類型之間并沒有顯著性意義(P>0.05)。

Rodgera[13]指出：若在足部某一位置，承受過大壓強(qiáng)極易產(chǎn)生過度使用傷害；Roy[14]指出：Pmax往往和前足病變有極高的相關(guān)性。足與地面的接觸面積變小，則足底壓強(qiáng)必然增大。長時間某區(qū)承受過大的壓強(qiáng)必然會對足底造成傷害，因此要防止高壓強(qiáng)區(qū)的出現(xiàn)。

本研究結(jié)果顯示：隨著速度的增大，最大壓強(qiáng)也有變大的趨勢。在速度9km/h左腳下和速度12km/h右腳下，普通鞋墊與定制鞋墊在T1區(qū)有顯著性差異；在速度9km/h右腳下，普通鞋墊與定制鞋墊在T2-5區(qū)有顯著性差異。穿定制鞋墊后此區(qū)的最大壓強(qiáng)增大，說明大拇指在蹬伸階段所受的力比較大，因而此區(qū)受傷的幾率也會增大。在速度9km/h時，不管左腳或右腳HM區(qū)和HL區(qū)的最大壓強(qiáng)是各個分區(qū)中最小的。說明在足著地期間相較于其他區(qū)域所受到的地面沖擊力比較小。足弓是拱形結(jié)構(gòu)，隨著運(yùn)動速度的增加，其弓的高度和彈性降低，足弓底部的肌肉、肌腱拉伸應(yīng)力增大[15]。而在不同速度及不同鞋墊下，MF區(qū)均表現(xiàn)出非常顯著性差異，而且在穿定制鞋墊后足弓區(qū)的壓強(qiáng)均有小幅的增大。說明在慢跑過程中足弓區(qū)始終承受著較大的壓強(qiáng)。而隨著運(yùn)動時間的增長，會造成足弓塌陷，使足弓底部的肌腱變得松弛，從而會降低足弓緩沖減震的性能。

結(jié)果還顯示：在速度9km/h左腳T2-5區(qū)和HL區(qū)在穿定制鞋墊后平均壓強(qiáng)均有下降。T2-5區(qū)是慢跑時蹬伸階段，而HL區(qū)是緩沖階段。這兩個區(qū)平均壓強(qiáng)的下降可以在一定程度上緩解此區(qū)的疲勞感甚至是患足部疾病的概率。

Pmax并不能代表整個足底或某個區(qū)域內(nèi)壓強(qiáng)的分別情況，因此必須考慮整足或整個區(qū)域內(nèi)的平均足底壓強(qiáng)[9]。在速度9km/h時右腳普通鞋墊與定制鞋墊在T1區(qū)有明顯顯著性差異，而在穿定制鞋墊后平均壓強(qiáng)有小幅的增大，可知在跑步蹬伸階段大拇指具有重要的功能，能提供部分前進(jìn)的力量。但此區(qū)長時間過多頻繁的受到力的作用，會造成足局部不舒適甚至引起損傷。在速度9km/h和12km/h左腳穿定制鞋墊后在T2-5區(qū)平均壓強(qiáng)有所降低，從而減少了此區(qū)的壓力。

速度9km/h和12km/h下，普通鞋墊與定制鞋墊在HL區(qū)有顯著性差異，并且在穿定制鞋墊后平均壓強(qiáng)有所下降，說明定制鞋墊在一定程度上吸收和降低了地面沖擊力，從而會降低落地時的沖擊力對人體各部分造成的不同程度的傷害。在區(qū)域內(nèi)，壓強(qiáng)分布越均勻(最大壓強(qiáng)值與最小壓強(qiáng)值之差越小越好)，即應(yīng)力分布越分散，足局部越舒適[4]；在速度9km/h穿定制鞋墊的情況與在速度9km/h穿普通鞋墊、在速度12km/h穿普通鞋墊和定制鞋墊的情況下相比，速度9km/h穿定制鞋墊的最大壓強(qiáng)值與最小壓強(qiáng)值之差最小。說明在此情況下應(yīng)力分布較分散，足局部較舒適；在速度9km/h和12km/h時右腳HM區(qū)平均壓強(qiáng)均有小幅的增大，這可能是由于優(yōu)勢腿力量大而造成的；在速度12km/h時右腳，MF區(qū)在穿定制鞋墊后平均壓強(qiáng)有所增大，可能是將足跟區(qū)的平均壓強(qiáng)降低部分轉(zhuǎn)移到了足弓區(qū)，使壓強(qiáng)分布更加均勻，以期減少局部壓強(qiáng)過大。

由表5可知，在速度9km/h時左腳T2-5區(qū)和HL區(qū)在穿定制鞋墊后壓力均有下降，而其余區(qū)域沒有顯著性差異。右腳穿普通鞋墊與定制鞋墊時在T1區(qū)有明顯顯著性差異，而且在穿定制化鞋墊后壓力有所增加，說明增加了足趾蹬伸的力量。在HM區(qū)和HL區(qū)有顯著性差異。HM區(qū)在穿定制鞋墊后壓力增加，而HL區(qū)在穿定制鞋墊后壓力下降，但是在穿普通鞋墊時，HM和HL區(qū)壓力值分別為1.04和1.15,二者相差0.11，而穿定制鞋墊后二者相差0.04，說明足跟內(nèi)外側(cè)受力基本一致，有助于降低足外翻發(fā)生的幾率。

在速度12km/h時左腳穿定制鞋墊后在T2-5區(qū)和HL區(qū)壓力均有下降。隨著速度的增加，人體所受到的壓力也越大，同時也可以看出，定制鞋墊在此時為人體足底提供了很好的保護(hù)。從右腳來看，MF區(qū)為足弓區(qū)，在穿定制鞋墊后該區(qū)的壓力值增加了0.45，表明足底與定制鞋墊緊密接觸，足弓部位被墊起，從而中足有效分散了前掌和后跟的壓力，足弓受力增加，在很大程度上降低了前掌和后跟區(qū)受傷的幾率。HM區(qū)和HL區(qū)為足跟區(qū)。在穿普通鞋墊時兩區(qū)壓力值相差0.47，且足跟外側(cè)壓力大于足跟內(nèi)側(cè)，容易發(fā)生足外翻。而在穿定制鞋墊后兩區(qū)壓力值相差0.05，足跟內(nèi)外側(cè)受力相對平衡，增加了足跟落地時的穩(wěn)定性，減少了足內(nèi)翻或足外翻發(fā)生的幾率。

力量——時間積分值表明力在一定時間內(nèi)對足底各區(qū)域連續(xù)作用所產(chǎn)生的累積效應(yīng)。足底各區(qū)域沖量的大小受每個區(qū)域的壓力值和接觸時間兩個因素的影響[7]。沖量可表明足底各區(qū)分載負(fù)荷比例，也可以推知足底各區(qū)域?qū)Φ孛媸┝Φ南鄬Υ笮?。結(jié)合表5和表6可知，不同速度及鞋墊類型下，力量——時間積分值的最小值在T1區(qū)，結(jié)果與壓力分布數(shù)據(jù)基本吻合，壓力最小值也是在T1區(qū)。隨著速度的增加，足底接觸地面的時間減少，所以，雖然足底壓力在增大，但也使得力量——時間積分值隨著變小。

由表6可知，在不同速度及鞋墊類型的情況下，T2-5區(qū)的沖量存在顯著性差異。在穿定制鞋墊后沖量都有所降低，說明定制鞋墊在對此區(qū)的保護(hù)方面還是比較突出。這可能也是由于地面反作用力對此區(qū)的沖擊力并不是很大。速度9km/h和12km/h時右腳HL區(qū)在穿定制鞋墊后沖量降低，說明穿定制鞋墊可以起到一定程度緩沖壓力的作用。速度9km/h時左腳穿定制鞋墊后左腳T1區(qū)沖量有所增加，而右腳M2-3區(qū)在穿定制鞋墊后沖量有所降低。此區(qū)在蹬伸階段也扮有重要功能，可以緩解足底疲勞，降低運(yùn)動損傷發(fā)生的幾率。速度12km/h時左腳穿普通鞋墊與定制鞋墊在MF區(qū)和HM區(qū)有明顯顯著性差異。穿定制鞋墊后沖量增加，這可能是由于隨著速度的增加，足底受到的沖擊力也增加，而足弓是拱形結(jié)構(gòu)，足跟部位也有一些厚度，因此它們自身對沖擊力有一定的減震緩沖作用。

本研究不足與局限：(1)本研究為了減少誤差以及控制速度，而選擇在跑步機(jī)上進(jìn)行測試，畢竟跑步機(jī)與地面是有區(qū)別的，后續(xù)針對此問題可以想辦法進(jìn)行改進(jìn)完善；(2)本研究只分析了足底壓力的參數(shù)特征，并未分析動力學(xué)等參數(shù)特征，在后續(xù)研究中可將運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)結(jié)合起來分析。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

(1)在同一速度下，穿定制鞋墊后MF區(qū)的最大壓強(qiáng)、平均壓強(qiáng)、壓力和沖量都有所增大。這可能是為了更多地分散足跟區(qū)的壓力或者是由于鞋墊材質(zhì)等原因所致。

(2)不管穿普通鞋墊還是定制鞋墊，后跟區(qū)和前掌區(qū)在最大壓強(qiáng)、壓力和平均壓強(qiáng)方面都表現(xiàn)出了隨著速度增大而增大的趨勢。這是由于隨著速度增大，人體所受到的沖擊力增大，而這些區(qū)域會受到更大的壓力。慢跑時，足部最大壓強(qiáng)部位在第2趾骨，而前掌第1、2、3趾骨承擔(dān)了大部分沖量。由于沖量是力在一定時間內(nèi)對足底各區(qū)域連續(xù)作用所產(chǎn)生的累積效應(yīng)，所以在運(yùn)動過程中易發(fā)生運(yùn)動損傷。應(yīng)注意鍛煉時鞋具的選擇。

(3)在不同速度時，定制鞋墊與普通鞋墊相比，HL區(qū)右腳的沖量、壓力和平均壓強(qiáng)均有下降。這是由于足跟自身的緩沖作用以及定制鞋墊所起的作用。在跑步落地時定制鞋墊有效地保護(hù)了足跟外側(cè)區(qū)，減少了足跟著地期地面反作用力對此區(qū)長時間頻繁的沖擊。T2-5拇指區(qū)在平均壓強(qiáng)、壓力和沖量這三個參數(shù)方面均有下降，緩沖了蹬伸時期的地面反作用力，降低了運(yùn)動損傷風(fēng)險。

(4)在不同跑速下，穿定制鞋墊后MF、HM、HL區(qū)的最大壓強(qiáng)有所增加。這與前人所做的一些關(guān)于不同運(yùn)動鞋在慢跑時最大壓強(qiáng)的結(jié)論不一樣。造成這種結(jié)果不一致的原因可能與受試者的運(yùn)動方式或者鞋墊比較硬有關(guān)。

5.2 建議

(1)在平時的慢跑中，鍛煉者要盡量選擇適合自己的鞋墊，這樣可有效降低主要受力區(qū)的壓力，減緩疲勞發(fā)生，降低運(yùn)動損傷發(fā)生的幾率。

(2)在平時運(yùn)動中，鍛煉者要挑選適合自己的裝備，注意保護(hù)自己足部健康，防止出現(xiàn)足底某局部壓強(qiáng)過大，而造成足底損傷。