鄭之欽，宋雅偉，潘 濤，吳夢涵

隨著全球老齡化的加速，一系列老年性問題接踵而來，跌倒是危害老年人健康的一大因素。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)每年因無意滑倒事件而骨折、扭傷的入院者的死亡比例大約占總死亡人數(shù)的35%，其中老人和孩子居多。老人因意外摔傷的死亡比例高達(dá)63.8%，因雨水和地面濕滑造成意外摔倒致疾的兒童和老年人累計達(dá)到96.9萬人。在日本和美國，超過1/3的兒童和65歲及以上老年人每年在生活中都會發(fā)生意外摔倒[1-2]，而每年在生活和工作的環(huán)境中意外跌倒造成老年人受傷的直接醫(yī)療費用約為57億美元[3]。

鞋底滑移是人在運動過程中由于鞋底摩擦力損失而發(fā)生的水平位移運動，是一種不自主的、非故意的體位改變。鞋底滑移的嚴(yán)重程度是由鞋底摩擦力相對于行人距離地面的最大移動距離和速度來決定的[4]。為了有效地解決此類情況，越來越多的研究人員對鞋底的安全防滑性能進(jìn)行研究，以降低跌倒風(fēng)險。

1 老年人跌倒事件的研究

防滑性作為科學(xué)術(shù)語，用來描述和確定地面與鞋之間相對滑動傾向的能力和特性，較強的鞋底防滑性能對減少滑倒和受傷事故的發(fā)生具有重要作用。

1.1 滑移的時間序列

鞋和地板之間的摩擦抓地力或其他防滑材料的性能通常以鞋底摩擦和抓地力系數(shù)COFs（Coefficient of Friction）進(jìn)行計算和測量，有關(guān)鞋和地板所需的摩擦和抓地力的摩擦程度等信息已有相關(guān)研究結(jié)果。摩擦和抓地力系數(shù)作為一個重要的關(guān)鍵因素，其值越高，說明鞋底花紋和防滑材料的性能和抓地力越好[5-6]。圖1是正常運動者在行走后，由于鞋底抗滑性和抓地力不足，腳跟著地時開始發(fā)生滑移的典型情況和順序[7]。這將直接導(dǎo)致運動者喪失穩(wěn)定性，造成摔倒或受傷。

圖1 滑倒和摔倒的典型時間序列[7]Figure1 Typical time series of slips and falls[7]

1.2 滑移的環(huán)境影響

地面和地面覆蓋物表面粗糙度是防止鞋跟與地板表面形成液膜的主要因素之一。例如，濕滑地面會導(dǎo)致防滑鞋的性能顯著降低，尤其是當(dāng)?shù)匕迳嫌兴r。在這種情況下，水成為了鞋底與地板之間的介質(zhì)，形成了一層液膜，大大降低了鞋底與地板之間的摩擦力。因此，對于地面不同類型的成膜因素，需要進(jìn)行深入的研究，以確定其所涉及的摩擦物理特性及對防滑性能的影響。

Proctor等[8]表示，研究者需要注意行人跌倒安全問題中鞋底表面粗糙度的重要性，在比較了各種摩擦測量裝置的COFs后，發(fā)現(xiàn)流體力學(xué)因素是決定鞋類和地板表面在不同類型流體污染環(huán)境下防滑性能的重要方面。Proctor等[8]還運用流體動力擠壓膜理論解釋了防滑性的提高需要一定的表面粗糙度，這取決于地面覆蓋物的粘度水平。Kim[5,9-10]的研究中分別介紹了從鞋底到表面的運動以及材料轉(zhuǎn)移（或材料嵌入）的新動力學(xué)理論概念和動力學(xué)模型，檢測了所有鞋的抗滑性能和地板之間的粗糙度、表面的粗糙度變化和磨損性能發(fā)展之間的相互關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行動態(tài)粗糙度和摩擦系數(shù)測量的過程中反復(fù)摩擦在很大程度上直接改變了鞋和地板的粗糙度及表面形貌。Kim[6,11]的研究還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在干燥和輕度空氣污染的環(huán)境下，抗滑性能與其表面變化和粗糙度之間的關(guān)系存在非線性相關(guān)。

杜少勛等[12]分別研究了同種材質(zhì)和花紋的鞋底在大理石、水泥和瓷磚3種路面上的摩擦力和防滑性能，結(jié)果顯示鞋底在瓷磚和大理石上的摩擦力和防滑性能最好，因為瓷磚和大理石表面最潤滑，鞋底與大理石路面的摩擦力和接觸面積最大，2個材質(zhì)界面之間的摩擦力和水平摩擦系數(shù)也最大。摩擦系數(shù)很大程度上取決于2個材質(zhì)表面的防滑性質(zhì)（特別是鞋底與地面）及不同的摩擦力和花紋結(jié)構(gòu)，如果二者的表面接觸，相對產(chǎn)生的水平摩擦力越大，摩擦系數(shù)就越大，其鞋底防滑的性能就越好，因此，在相同環(huán)境條件的不同界面下鞋底防滑性能有所不同。

國內(nèi)研究表明，不管是城市地區(qū)還是農(nóng)村，老年人跌倒均主要發(fā)生在家中[13-14]。為有效降低跌倒的風(fēng)險，增加鞋底防滑性能，家庭可采用瓷磚或大理石地板，盡可能保證地板的干凈，有水、油等介質(zhì)時需要及時擦除，以此來提高鞋底防滑性能。

2 老年人跌倒的生物力學(xué)研究

在國外，許多研究已經(jīng)確定了老年人跌倒的危險因素。老年人的內(nèi)在與外在因素以及環(huán)境的危害和需求，在不同程度上造成了大多數(shù)跌倒事故的發(fā)生[15-16]。通常，安全行走并保持平衡（將身體的質(zhì)心保持在支撐面上）的能力取決于完整的視覺、前庭覺、本體感覺和肌肉骨骼系統(tǒng)，但隨著年齡的增長，影響這些系統(tǒng)的各種生理變化可能會干擾步態(tài)和平衡，使年齡較大的人更可能發(fā)生跌倒事故。

2.1 老年人足底壓力的分布

在步行過程中，當(dāng)體重轉(zhuǎn)移到站立時肢體會對足底產(chǎn)生壓力[17-18]。足底壓力的分布測量在臨床上有助于檢測足部解剖結(jié)構(gòu)的畸形，從而預(yù)防足部壓力異常[19]。足部壓力異常是足部畸形的風(fēng)險以及疼痛的根源，這已成為了一個重要的研究問題[20]。研究老年人的行走特征，獲取老年人行走的各種運動學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)，有利于評定老年人的身體機能，有助于監(jiān)控老年人運動系統(tǒng)疾病的發(fā)病機理。

伍勰等[21]對上海50名60歲以上老年人進(jìn)行常速行走的步態(tài)分析，對老年人行走足—地接觸力的三維分析研究表明，隨著年齡的增大，垂直方向上的足—地接觸力表現(xiàn)為峰值減小、谷值增大的趨勢，反映了老年人運動機能的退化。李永強[22]使用足底壓力測試分析系統(tǒng)對60～69歲老年女性自然行走進(jìn)行研究，結(jié)果表明：足底各部位承受壓力及沖量最大處均為足跟和足前掌中部第2、第3跖骨處，這是老年人本體感受器發(fā)生改變和肌肉、足底脂肪墊的萎縮等因素造成；受試者行走時整足接觸階段、離地階段過長，前腳掌處壓力中心密集，長期壓力中心密集則會產(chǎn)生大負(fù)荷刺激和易疲勞積累。

Karen等[23]運用曼徹斯特足部疼痛和殘疾指數(shù)，建立基線足部疼痛和動態(tài)足底壓力的方法對年齡在60歲以上的158名男性和154名女性進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：跌倒者的足痛發(fā)生率（57.9%）比非跌倒者（42.1%）高。跌倒者在足底產(chǎn)生的峰值壓力和壓力時間積分也顯著高于非跌倒者。此外，患有足痛的個體比沒有足痛的個體具有明顯的高峰值壓力和足底壓力時間積分。由此可推測，步態(tài)過程中產(chǎn)生的足底壓力過高可能會造成足部疼痛和跌倒風(fēng)險。通過為足痛和足底高壓的老年人提供干預(yù)措施可能會降低他們跌倒的風(fēng)險。

2.2 老年人肌力的分析

老年人跌倒主要生理變化的研究始于20世紀(jì)20年代中期。正常的衰老會導(dǎo)致骨骼肌質(zhì)量和功能的逐漸喪失，肌肉等長收縮的強度在20～30歲達(dá)到峰值，從30～40歲開始肌肉減少，50歲以后開始加速下降[24-25]。肌肉力量的降低源于肌肉收縮機制的改變[26]，線粒體酶活性[27]和肌肉快速收縮的比例的改變[28]。最大等長自主收縮仍保持在45歲，但在65歲時減少25%，在70歲時減少35%。在接下來的幾十年里，這種力量的喪失更加明顯。Frontera等[29]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過12周的高強度抗阻訓(xùn)練后，老年女性的力量有所提高。主要表現(xiàn)為大腿橫截面積增加11.4%，肌肉力量增加100%。住院患者在進(jìn)行一段時間的漸進(jìn)式抗阻訓(xùn)練后，大腿橫截面積、肌肉力量、功能能力（如步速和上下樓梯的能力）增加了3%～9%。另外，耐力訓(xùn)練，如步行、騎自行車或跑步，不會導(dǎo)致肌肉質(zhì)量和肌肉力量的顯著改善。

紀(jì)仲秋等[30]從運動生物力學(xué)的角度，探究有外部干擾及疲勞滑動狀態(tài)對人體平衡能力的影響以及差異性。利用動態(tài)滑軌在受試者完成坐起動作和正常向前行走時突然產(chǎn)生的向前運動，使受試者產(chǎn)生向后跌倒的趨勢。運用Noraxon表面肌電測試系統(tǒng)、Kistler三維測力臺、BTS三維紅外動作捕捉系統(tǒng)，以及Ariel錄像分析系統(tǒng)，同步記錄受試者在正常坐起及向后滑倒過程中的運動學(xué)、動力學(xué)和肌電參數(shù)；運用Biodex多關(guān)節(jié)等速肌力測試系統(tǒng)進(jìn)行實驗，測量下肢關(guān)節(jié)肌肉的疲勞程度。研究發(fā)現(xiàn)人體在滑倒的瞬間需要通過充分的下肢支撐與上肢關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)，降低身體產(chǎn)生較大波動的可能。隨著年齡的增長，老年人的肌肉、韌帶彈性變?nèi)酰愎菔沟闷湎轮瘟Σ蛔?，因此易發(fā)生跌倒。李旭龍等[31]利用動態(tài)滑軌對10名受試者進(jìn)行滑倒測試，并測量受試者下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)的力矩，本體感覺和反應(yīng)時間。研究結(jié)果表明平衡恢復(fù)時，地面反作用力、動作完成時間和X、Y 2個方向上的壓力中心位移值顯著升高，且向后滑倒時脛骨前肌、豎脊肌和三角肌的積分肌電變化較正常狀態(tài)顯著升高。踝關(guān)節(jié)的力量和本體感覺與平衡調(diào)整時間相關(guān)性較大。老年人在跌倒的過程中受肌肉、韌帶、神經(jīng)等因素的限制，反應(yīng)時較長，因此跌倒的幾率較大。

李艷[32]運用表面肌電測試系統(tǒng)對健康老年人脛骨前肌、腓骨長肌、腓腸肌外側(cè)的表面肌電圖信號特征進(jìn)行分析，并結(jié)合老年人在步行過程中小腿肌群和足部之間的內(nèi)在聯(lián)系及肌肉疲勞程度等特點，探究老年人足外部肌群發(fā)力狀態(tài)和肌肉疲勞情況。研究發(fā)現(xiàn)脛骨前肌和腓腸肌外側(cè)對行走和站立起主要作用。持續(xù)的行走，使得老年人小腿肌群發(fā)力逐漸降低，導(dǎo)致老年人足外部肌群易疲勞。在自然行走過程中，負(fù)荷一定的情況下，老年人小腿肌群發(fā)力大于青年人，老年人小腿肌群參與活動的單位數(shù)量較多，消耗能量也更多。隨著運動的持續(xù)，老年人足部發(fā)力呈下降趨勢，小腿容易疲勞，小腿傳遞給足部的力量逐漸減小，致使足部疲勞。

2.3 老年人平衡能力的測定

平衡能力隨年齡增大而下降，因平衡問題而發(fā)生跌倒的概率隨之升高。正常青年人在其重心最適位置的時間約為健康老人的3倍，且健康老年人的姿勢反射在閉眼狀態(tài)下響應(yīng)時間明顯多于睜眼時，此結(jié)果說明在缺少視覺輸入時，直立姿勢控制系統(tǒng)受年齡的影響更明顯。動態(tài)平衡儀測試有助于老年跌倒風(fēng)險的早期檢測和預(yù)防。當(dāng)受試者閉眼站在左右方向擺動的平板上，身體的擺動情況能很好地反映其姿勢控制能力，且與老年人跌倒危險性相關(guān)。

平衡測試可用于測試?yán)夏耆松眢w壓力中心（Center of Pressure，COP）的變化幅度，它用面積來衡量[33]，同時也觀察重心線（Center of Gravity，COG）的平滑程度。線條越順滑表明平衡能力越強，反之越弱。它的生物力學(xué)原理是基于肌肉力量控制原理，肌肉控制能力越強，其線條越流暢順滑。有跌倒史的老年人姿勢調(diào)節(jié)及主動運動能力低于無跌倒史的老年人，反映了老年人采取踝關(guān)節(jié)策略穩(wěn)定平衡的難度。另外，心理因素也是導(dǎo)致老年人主動運動能力降低的原因之一。在一項針對老年人跌倒風(fēng)險的研究已經(jīng)提出一項耗時約5～8 min的老年人跌倒風(fēng)險篩查程序，其中包括穩(wěn)定極限實驗、平移測試和正弦測試等。Buatois等[34]認(rèn)為，動態(tài)平衡測試中當(dāng)活動框參照體位擺動時，視覺和本體感覺輸入受到干擾，即這種感覺競爭模式是反復(fù)性跌倒的重要預(yù)測方法，提出由于跌倒過2次以上的老年人即便重復(fù)進(jìn)行平衡測試也很難產(chǎn)生適應(yīng)性，所以在感覺競爭環(huán)境下進(jìn)行重復(fù)測試是評定反復(fù)性跌倒高危人群的敏感工具。

3 老年鞋的止滑性能研究

3.1 鞋底對止滑性能的影響

3.1.1 鞋底花紋對止滑性能的影響

研究鞋底的材質(zhì)及鞋底花紋的止滑性能，主要目的是充分保障鞋底的穿著形式和運動過程中的鞋底防滑性能[35]。鞋底花紋的種類和鞋底材質(zhì)不同，表現(xiàn)出來的鞋底防滑性能和效果也不同。Kim等[36]研究發(fā)現(xiàn)，鞋底粗糙度或表面花紋的粗糙度提供了必要的排水空間，避免在空氣污染嚴(yán)重的環(huán)境下形成擠壓排水膜。由此可以推斷，鞋跟或鞋底區(qū)域的微觀粗糙度或宏觀花紋通過提供清除空氣污染物的必要排水空間，增加其抗滑性能，間接地導(dǎo)致與污染物或地面的直接接觸和排水面積的增加。因此，大規(guī)模的鞋底粗糙度或胎面花紋通常被直接設(shè)計在同質(zhì)橡膠鞋底的區(qū)域。

3.1.1.1 花紋的形狀及密度

羅向東等[37]運用GT7012-BC型計算機系統(tǒng)的止滑性能試驗機，探索了同質(zhì)縱條紋橡膠鞋底、不同質(zhì)橡膠鞋底的花紋（縱條紋、橫條紋、折線紋、方塊狀花紋、小圓點狀花紋等）的鞋底止滑性能。通過這些止滑實驗初步發(fā)現(xiàn)不同花紋類型鞋底的有效止滑性能也不同。但這個早期的實驗僅從鞋底花紋的排列形態(tài)和種類的角度來探究橡膠鞋底的花紋與其止滑性能之間的密切關(guān)系。羅向東[38]等進(jìn)一步探究橡膠鞋底及其花紋的形狀排列和密度（包括疏波浪紋、密波浪紋）表現(xiàn)的各種止滑性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，花紋的深度和橡膠鞋底與路面的接觸面積對其止滑性能具有決定性影響，但其止滑性的研究僅局限于橡膠鞋底。鞋底對止滑性能的影響因素很多，除鞋底花紋的形狀種類、排列的密度等重要因素，鞋底花紋形狀的排列方式及其花紋的深度，也是直接影響鞋底花紋設(shè)計止滑性能的重要因素。

3.1.1.2 花紋排列方向

Li等[39]通過實驗研究鞋底花紋排列方向?qū)π谆y設(shè)計防滑性能的直接影響，結(jié)果表明：當(dāng)鞋底的花紋排列方向為0°～45°（橫紋）且深度為0.6 cm時，鞋與地面間的花紋摩擦系數(shù)較大，防滑性能較好；當(dāng)鞋底的花紋越深，在濕的和含有洗滌劑的路面上摩擦力也就越大；鞋底花紋的深度每增加1 mm，平均鞋底的摩擦系數(shù)值增加0.018～0.108。宋雅偉等[40]運用Instron材料力學(xué)實驗機，對不同花紋鞋底在地面上運動的摩擦力進(jìn)行測量，在木地板上，折線的花紋摩擦力較大，而交叉的花紋摩擦力較小；在塑膠地面上，線條的花紋摩擦力較大，而點狀的花紋摩擦力較小。綜上，為有效降低老年人跌倒風(fēng)險，老年鞋底的花紋需要采用條紋型，且花紋排列方向介于0°～45°（橫紋），深度為0.6 cm。

3.1.2 鞋底材料對止滑性能的影響

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，鞋底的材料不再僅僅是單一的天然皮革和其他天然橡膠（NR），取而代之的是各種高性能的新一代鞋底材料，材料對于鞋底防滑靜摩擦性能的影響主要可以分為鞋底材質(zhì)和其硬度2個主要方面。

3.1.2.1 鞋底材質(zhì)的防滑靜摩擦性能檢測

路正輝[41]采用NR、TPR、PVC、EVA 4種材質(zhì)的鞋底，對其防滑靜摩擦性能和硬度進(jìn)行了檢測，實驗有力證實了不同材質(zhì)的鞋底所能夠表現(xiàn)出的防滑性能有很大的差異，但該實驗僅從鞋底靜態(tài)的防滑性能角度出發(fā)，未能準(zhǔn)確證實在測定動態(tài)的摩擦系數(shù)下，不同鞋底材質(zhì)靜態(tài)防滑性能之間的差異。

3.1.2.2 鞋底的硬度對鞋底靜態(tài)防滑性能影響的檢測

路正輝[41]選用了NR、EVA 2種防滑材質(zhì)，對不同硬度的實驗樣品分別進(jìn)行鞋底靜態(tài)的防滑性能測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鞋底防滑性能的大小會隨著運動者鞋底硬度的增大而有所降低。該結(jié)論并不能直接推斷鞋底越軟其防滑型能越好。于是，甘長鳳等[42]在其研究中明確指出，鞋底硬度過軟或是過硬也有可能會大大提高老年人滑倒的風(fēng)險。隨著年齡的增長，老年人的腳部生理機能會出現(xiàn)變化，如肌肉松軟無力、支撐力量下降、韌帶僵硬等。因此對于老年鞋人底的設(shè)計需采用EVA材質(zhì)的鞋底，其防滑性能及材質(zhì)硬度可滿足老年人足底生理特征。

3.2 老年人防跌倒鞋的研究

老年人防跌倒鞋屬于特殊鞋類產(chǎn)品，國內(nèi)外的相關(guān)研究較少，研究層次較低。Hansen等[43]研究發(fā)現(xiàn)，鞋的減震效果并沒有降低老年人的應(yīng)力性骨折風(fēng)險，并指出老年人的鞋底并不是越軟越好。Forghany等[44]研究通過調(diào)節(jié)10名55歲老年人鞋的松緊，進(jìn)行腿部肌肉的調(diào)諧振動實驗，老年人鞋應(yīng)具有良好的包裹性，穿緊鞋的老年人其小腿肌肉組織振動頻率以及阻尼振動頻率對激活老年人的小腿三頭肌具有顯著性差異，指出肌肉調(diào)諧理論是未來老年鞋的一個研究方向。

國內(nèi)在老年人防跌倒鞋領(lǐng)域研究較少，無論是老年人防跌倒鞋還是相關(guān)的生物力學(xué)研究均較為罕見。運用生物力學(xué)原理去解決老年人預(yù)防跌倒的鞋類研究，目前在國內(nèi)也未發(fā)現(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn)。在國外，鞋類生物力學(xué)理論已經(jīng)進(jìn)化升級到第三代水平，而國內(nèi)學(xué)者基本上仍在第一代水平徘徊[45]。這與國內(nèi)在該領(lǐng)域研究人員數(shù)量較少有一定的關(guān)系。從目前市場上的鞋類產(chǎn)品來看，雖然有些專業(yè)老人鞋產(chǎn)品出現(xiàn)，其廣告中宣稱具有防跌倒功能，但是其只涉及到鞋底防滑的某一個方面，沒有觸及到人體的生物力學(xué)層面。真正具有高科技含量的國產(chǎn)老年人鞋類產(chǎn)品還未出現(xiàn)。

盡管還未出現(xiàn)專門性的老年人防跌倒鞋，但美國在哈佛大學(xué)健康出版物[46]發(fā)布的預(yù)防老年人摔倒的購鞋指南要求：結(jié)實且不易彎曲，低跟，厚度不能超過一英寸（約2.54 cm），具有良好的穩(wěn)定性；鞋子尺碼需要有適當(dāng)?shù)陌?，如果鞋太大，老年人的腳會在鞋子內(nèi)滑動，從而導(dǎo)致摔倒或失去平衡，太緊的鞋會導(dǎo)致足痛，使老年人難以走路；鞋不能太重，笨重的鞋可能會讓老年人無法抬腳，從而導(dǎo)致跌倒事件的發(fā)生。

4 結(jié)論及建議

4.1 影響鞋底防滑性能的關(guān)鍵因素包括鞋底的花紋、鞋底材料、地面材質(zhì)和腳下地面的覆蓋物。防滑鞋的性能大大降低了老年人跌倒的風(fēng)險，老年人可定制條紋型鞋底，其花紋排列方向介于0°～45°（橫紋），深度為0.6 cm。

4.2 老年人鞋類產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)充分考慮鞋底的防滑作用，總體設(shè)計要求結(jié)實，不易彎曲，鞋跟低且厚度不能超過2.5 cm，同時要求包裹性強，穩(wěn)定性好；條件允許的情況下可根據(jù)足形定制鞋墊。