湯運啟, 張移帆, 王志康, 李 靜, 潘加浩, 魏書濤

(1.陜西科技大學(xué) 設(shè)計與藝術(shù)學(xué)院, 陜西西安 710021； 2.上海體育學(xué)院 運動科學(xué)學(xué)院, 上海 200438； 3.三六一度(中國)有限公司, 福建 廈門 361009)

0 引言

足弓作為人腳的重要組成部分，不僅具有支撐功能，還能降低地面對人體的沖擊力.但人腳的足弓形狀有著較大差異[1]，根據(jù)足弓高度可分為高足弓、正常足和扁平足三種類型，并且不同的足弓類型其損傷模式也有差異[2].有研究表明，在慢跑過程中，高弓足相比于正常足更容易出現(xiàn)踝關(guān)節(jié)、足底外側(cè)區(qū)域的損傷，扁平足更易出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)、足底內(nèi)側(cè)的損傷[3].另外，性別也是影響運動模式的一個重要因素[4].早在1997年就有研究者根據(jù)人體測量發(fā)現(xiàn)男女之間骨骼尺寸有明顯的差異[5].Wunderlich等[6]指出與男性運動員相比,女性運動員因過度運動導(dǎo)致?lián)p傷的發(fā)生率較高,但這些損傷機制仍不清楚.

足底壓力中心軌跡線是人體行走過程中足-地接觸作用力位置、大小、分布及力度順序及速度的綜合結(jié)果，能反映足與地面接觸全過程的作用方式，也是對人體行走運動姿態(tài)的間接反映[7].Cock等[8]國內(nèi)外多名研究者通過人體在運動過程中足底壓力中心軌跡的研究，探討人行走過程的規(guī)律，以期減少運動損傷.湯澄清[9]通過對比青年人和中老年人COP軌跡線形態(tài)及足底不同區(qū)域壓力分布，發(fā)現(xiàn)COP軌跡線在一定程度上反映了人體行走運動的特點.同樣有研究對健康女大學(xué)生步行和慢跑運動模式下足底壓力中心軌跡相似度分析，為足底壓力中心軌跡的對比提供了新的方法[10].Iii D S W等[3]將足底壓力中心的偏移量確定為運動過程中的內(nèi)翻扭傷和小腿疼痛的影響因素，通過壓力中心軌跡變化的研究可以為足部的損傷及足部矯形器的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)[11].

足底壓力中心軌跡作為足底壓力的重要參數(shù)指標，在性別與足弓類型對足底壓力中心軌跡形態(tài)特征影響方面的研究鮮有報道.因此本文旨在通過足底壓力中心軌跡來反映不同性別與足弓類型人群的運動特征，以期找到不同性別與足弓類型人群的足底壓力中心軌跡特征，從而為矯形鞋和矯形鞋墊的設(shè)計提供參考.

本研究假設(shè)為：

假設(shè)一：足弓類型對足底壓力中心的內(nèi)外側(cè)方向的位移產(chǎn)生影響，扁平足將會產(chǎn)生更大的橫向位移；

假設(shè)二：性別對足底壓力中內(nèi)外側(cè)方向的位移及速度產(chǎn)生影響，男性將會產(chǎn)生更大的橫向位移.

1 實驗部分

1.1 實驗對象

隨機選取47位大學(xué)生志愿者，其中男性19名，女性28名，所有受試者確定其下肢和足部半年內(nèi)無明顯損傷，身體狀況以及運動能力良好，BMI(體重指數(shù)，body mass index)為18～25，并且根據(jù)AI (足弓指數(shù)，arch index)進行分類，分類標準以Footscan軟件中，受試者在行走過程中中足接觸面積百分比，即AI=B/(A+B+C)，如圖1所示.

圖1 足弓指數(shù)示意圖

當AI的數(shù)值小于0.21為高足弓；數(shù)值介于0.21～0.28為正常足弓；數(shù)值大于0.28為扁平足[12]，分別納入扁平足15人(男5人、女10人)，高弓足12人(男4人、女8人)和正常足20人(男10人、女10人).受試者自愿參與研究并簽署知情同意書.受試者基本信息如表1所示.

表1 受試者基本情況

1.2 實驗儀器

本研究使用比利時RSscan公司的Footscan平板式足底壓力測試系統(tǒng)(Footscan 7 USB 2 gait system)，壓力平板尺寸為0.5 m，采樣頻率為300 Hz.

1.3 實驗方案

受試者按要求在裸足的狀態(tài)下以3 m/s的速度在10 m長的步道上完成慢跑測試.壓力平板嵌入步道內(nèi)，并用材料覆蓋壓力平板，以避免人的心理因素對測試結(jié)果造成影響.另外，在正式測試前要求受試者按照規(guī)定的速度進行適應(yīng)性訓(xùn)練[13]，待受試者適應(yīng)后，裸足狀態(tài)下以3 m/s的速度自然跑過壓力平板且足底完全落在壓力平板內(nèi)，目視前方，跑10 m的距離以確保測試狀態(tài)自然無調(diào)整，未采集到完整的足底數(shù)據(jù)即為測試失敗，需重新測試，本研究完整采集受試者左右足足底壓力數(shù)據(jù)各三次進行后續(xù)統(tǒng)計分析.

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)Cock A De等[8]定義的將 COP 軌跡線表示成直角坐標系下的一條曲線，如圖2所示，其中縱坐標軸Y定義為通過后跟中心與第二跖骨頭的連線，與其相垂直的橫坐標軸X被定義為COP在內(nèi)外側(cè)的位移，起始點(0，0)位于足最開始接觸平板的一邊[14].如圖3所示，F(xiàn)ootscan平板式足底壓力測試系統(tǒng)將足與地面接觸的動態(tài)過程分為四個時相，分別為初始著地階段( initial contact phase，ICP) 、前足著地階段(forefoot contact phase，F(xiàn)FCP) 、垂直支撐階段(foot flat phase，F(xiàn)FP) 和前足蹬伸階段( forefoot push off phase，F(xiàn)FPOP)[15]，并根據(jù)Cock[8]將支撐期的三個關(guān)鍵時刻分別定義為初始跖骨接觸時刻(initial metatarsal contact，IMC)，前足扁平時刻(fore foot flat，F(xiàn)FF)和腳跟離地時刻( heel off，HO).

本次實驗收集和整理每位受試者裸足慢跑(3 m/s)狀態(tài)下COP在整個支撐期內(nèi)X軸方向的總偏移量(總偏移量-X)、以及在每個時相內(nèi)COP在X軸方向的偏移量(COPx)、平均速度(COPvx)、每個時相所用時間(用支撐相時間進行標準化)及三個關(guān)鍵時刻(IMC、FFF、HO)上COP在X軸方向的位移(COPx).將得到的所有數(shù)據(jù)進行腳長、腳寬及時間標準化處理并求得三次試驗的平均數(shù).

圖2 壓力中心軌跡示意圖

圖3 支撐期四階段示意圖

1.5 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)均以平均值(標準差)表示，通過雙因素重復(fù)測量方差分析方法對比性別×足弓類型(2×3)對各項指標的影響，若重復(fù)測量方差分析具有顯著性，則采用LSD post-hoc 檢驗進行事后兩兩比較，統(tǒng)計顯著性水平設(shè)為0.05，本研究的統(tǒng)計學(xué)全部采用統(tǒng)計軟件SPSS21.0 (IBMS,NY,USA)進行處理.

2 結(jié)果與討論

本文研究結(jié)果顯示，性別與足弓類型對足底壓力中心軌跡動力學(xué)指標產(chǎn)生了不同程度的影響.這兩個因素對人體足底壓力中心軌跡的影響將會為矯形鞋、矯形鞋墊的設(shè)計以及預(yù)防人在運動過程中損傷提供理論依據(jù).

不同足弓類型的COPx的平均曲線如圖4(a)所示.不同性別的COPx的平均曲線如圖5(a)所示.最初以負值開始，表示COP在初始著地階段向足底內(nèi)側(cè)的位移，然后是在前足著地階段向外側(cè)移動.腳跟離地之后，COP又轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)移動以推離地面.研究結(jié)果支持假設(shè)一，在支撐期的三個關(guān)鍵時刻，不同足弓類型間的COPx指標的差異具有顯著性(P<0.05),如表2所示，相比于高弓足，扁平足與正常足顯示出更橫向的COPx與以往的研究[16-19]結(jié)果相似，均發(fā)現(xiàn)相比于高弓足，扁平足與正常足在整個支撐期中COP在X方向顯示出更大偏向內(nèi)側(cè)的位移.可能的解釋是扁平足和正常足，與高弓足相比，具有更低的足弓，在運動過程中，中足的接觸面積增大，導(dǎo)致出現(xiàn)了更偏向內(nèi)側(cè)的COPx[17,18].COP位移的偏差可能是足部負重的重要決定因素[8]，這就可能解釋為什么高弓足更容易受外側(cè)的損傷，而扁平足的損傷集中在內(nèi)側(cè).并且扁平足常伴有足部內(nèi)旋，高弓足則多為足部外旋[20]，在支撐期中外旋型足可能會降低足部的姿態(tài)控制，導(dǎo)致穩(wěn)定性下降[17].這些結(jié)果進一步為矯形鞋(墊)的設(shè)計提供了理論支持，高弓足可能需要更多的內(nèi)側(cè)支撐，而扁平足需要更多的內(nèi)側(cè)支撐來使COP的軌跡更趨近正常足，提高穩(wěn)定性及減少下肢應(yīng)力.

(a)平均位移

(b)平均速度圖4 不同足弓類型壓力中心X方向的平均位移和平均速度

實驗結(jié)果(表3)支持部分假設(shè)二，對于四個時相內(nèi)的COPx指標，僅發(fā)現(xiàn)男性和女性在FFPOP階段的差異具有顯著性(P=0.035)，且男性COPx大于女性.其余三個階段內(nèi)并沒有發(fā)現(xiàn)性別、足弓類型或性別與足弓類型的交互作用對COPx具有顯著性影響(P>0.05).在前足蹬伸階段，COPx表現(xiàn)出了向內(nèi)側(cè)的進展，表明了內(nèi)側(cè)趾骨與大拇指的蹬伸.有研究發(fā)現(xiàn)[4]，此階段趾骨的接觸是從外側(cè)向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)變的，這個過程中人們更希望COP向內(nèi)側(cè)的移動使人體達到平衡狀態(tài)，女性表現(xiàn)出更小的COP的內(nèi)側(cè)位移，表示女性相比男性處于更不穩(wěn)定的階段.可能由于女性的腿部力量比男性更小[5]，在前足推離地面的過程中，將更多的能量用在了與男性保持相同的速度上，從而降低了在此階段的穩(wěn)定性.

(a)平均位移

(b)平均速度圖5 不同性別壓力中心X方向的平均位移和平均速度

不同足弓類型的COPvx的平均曲線如圖4(b)所示.不同性別的COPvx的平均曲線如圖5(b)所示.COPvx最初以正值開始，并逐漸減小，在初始著地階段達到第一峰值.在前足著地階段達到第二峰值.在垂直支撐階段，速度變?yōu)楦愣ǖ牡退俣?腳跟離地后，前足蹬伸階段，內(nèi)側(cè)速度出現(xiàn)顯著的增加.根據(jù)研究結(jié)果(如表3所示)，性別和足弓類型對COP速度均無顯著性影響(P>0.05).這與Cock[8]、Chiu M C等[21]的研究結(jié)果相似，均沒有發(fā)現(xiàn)性別、足弓類型對COP速度的影響具有顯著性.

根據(jù)實驗結(jié)果，在四個時相占支撐期的時間百分比指標中，性別、性別與足弓類型的交互作用對各個時相的時間未產(chǎn)生顯著性影響(P>0.05).但足弓類型對FFP階段時間的差異具有顯著性(P<0.05)，根據(jù)事后檢驗，扁平足與高弓足在FFP階段時間之間上的差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.024)，且扁平足在此階段的時間占比最小.與李波等[22]的研究有所不同，他們的結(jié)果指出，F(xiàn)FP階段高弓足相比于正常足所用的時間更短， 可能造成這種差異的原因是本文研究受試者在裸足慢跑的狀態(tài)下，而他們是裸足行走的狀態(tài)，行走向慢跑轉(zhuǎn)變的過程，人調(diào)整了運動策略，從行走中的后足著地模式向更多的中足著地模式轉(zhuǎn)變[16]，改變了各時相所用的時間.FFP階段扁平足所占時間百分比最小，可能由于此階段是重量從后跟向前掌傳遞的過程，高弓足的足弓過高，足弓接觸面積小，從而造成高弓足更不穩(wěn)定，需要花費更長的時間在FFP階段來平衡軀干前進.不同足弓類型在FFPOP階段的時間差異具有顯著性(P<0.05)，根據(jù)事后檢驗，高弓足在FFPOP階段的時間占比顯著小于扁平足(P=0.033).可能的原因是此階段是前掌推離地面階段，足部需要呈現(xiàn)出更大的剛性特征，以為人體提供前行的動力.扁平足通常被認為是相對柔軟的腳，而高弓足較扁平足表現(xiàn)出是更具有剛性的腳，所以高弓足能夠更快的將軀干推離地面，但由于高弓足這種過大的剛性，導(dǎo)致減震效果降低，所以更容易引發(fā)應(yīng)力骨折等損傷[3].

本實驗研究在以下兩個方面具有局限性：(1)本次實驗僅對受試者進行動力學(xué)方面的研究，并沒有進行運動學(xué)方面的測試；(2)本研究結(jié)果是基于18～23歲的青年大學(xué)生所獲得的.因此，在研究結(jié)果的適用性方面，是否也適用中年人、老年人及兒童還有待進一步研究.

表2 慢跑運動中COP在支撐期三個關(guān)鍵時刻位移(%腳寬)

注： *代表具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)

表3 慢跑運動中COP的總偏移量、四個時相內(nèi)平均速度、偏移量及接觸時間

注： *代表具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)

3 結(jié)論

本研究通過研究足底壓力中心的相關(guān)指標探討性別與足弓類型對足底壓力中心軌跡的影響，這些結(jié)果進一步為不同性別與足弓類型人群的矯形鞋(墊)設(shè)計提供了理論支持,具體而言，對女性來說，需要在前掌蹬伸階段增大COP向內(nèi)側(cè)的位移，增強穩(wěn)定能力；高弓足可能需要更多的外側(cè)支撐，而扁平足需要更多的內(nèi)側(cè)支撐來控制COP，以提高人體穩(wěn)定性并減少下肢應(yīng)力.