不稳定结构鞋具的运动生物力学研究进展

马加彬，李蜀东，顾耀东，李建设

（1.宁波大学体育学院，浙江宁波315211；2.浙江体育职业技术学院，浙江杭州311231）

0 前 言

不稳定结构鞋具可以有效地刺激人体本体感觉和下肢肌肉的活动强度，从而增强身体的平衡能力和能量消耗。传统运动鞋的稳定性和支撑功能可能过分的保护足部，从而或许导致足部小肌肉群的功能衰退。然而，弧线形不稳定结构鞋底的设计可以增加运动感觉刺激，提高最佳化的姿势控制能力。不稳定性结构鞋对脚部小肌肉和下肢肌肉组织的感觉运动活动产生有益的功能效果，尤其是对慢收缩肌肉纤维，这将促进关节肌肉的稳定，以加强平衡能力。长期穿着不稳定结构鞋具可以起到提高身体平衡能力、减轻关节疼痛、改善人体的健康状况。本文总结了近期国内外研究文献对于不稳定鞋具的功能论证，对于各种不稳定结构设计的鞋具在加强肌肉力量训练、改善运动稳定和损失预防的不同效果上进行综述。

1 不稳定性结构鞋具对足底压力变化的研究

由于不稳定性结构鞋具的弧形底结构设计使得在穿不稳定性结构鞋时，足底压力产生实质性的变化。S t e w a r t等［1］的站立态实验中数据显示，受试者穿不稳定性结构鞋与综训鞋相对比，足中部压力峰值减少了21％，脚后跟处压力峰值减少了11％，而在脚趾部位压力值却有76％的增加（图1）。H s i等［2］对10名糖尿病患者前脚掌、后脚掌，和中部内－外侧压强进行测量，发现不稳定性结构鞋使压力峰值降低、压力－时间曲线的积累减少，使曲线变得更平缓；使后脚跟压力峰值出现了时间延迟，但在前脚掌区域没有改变。总体上，在站立状态下，穿不稳定性结构鞋具引起后脚跟区的足底压力降低，而在前脚掌区（尤其趾部区域）则表现为增大的趋势。对于糖尿病患者，不稳定结构鞋具可使患者脚趾的内侧和中央区域压力减少，而在足部的前后其他区域压力增大［3］。对于膝关节炎患者，有研究发现，穿不稳定性结构鞋具的患者在足后跟区中间和外侧的压力明显增大，这可能由于不稳定性可使与地面接触时腓侧肌肉活动增强，使得足后跟内侧区域的压力下降，而中间处的峰值压力上升［4］。

N i g g等［5］提出不稳定性结构鞋迫使受试者的负荷集中在脚中部，结果使不稳定性结构鞋与控制鞋在站立测试中跖曲与背曲运动表现出不同，在对受试者进行步行实验时发现，在脚抬起内收阶段，不稳定鞋的负荷显示出下降趋势。同时，R o m k e s等［6］在研究中也有报道穿不稳定性结构鞋步行时，脚的中部压强峰值和压力出现升高而前脚掌处呈现下降。

图1 步态足底压力分布（左：不稳定结构鞋具变化趋势；右：普通鞋具）

2 下肢姿态控制

踝关节周围肌肉的力量常作为下肢稳定性功能定量分析的重要指标，尤其在站立态，踝关节为保持身体平衡的重要部位；跑动时，髋关节对于平衡起了主导作用，因为此处可调整身体重心至最稳定状态［2］。长时间穿不稳定鞋必然引起的下肢肌肉的协调性，自然可影响人体的平衡能力［7］。T u r b a n s k i等［8］在跑台上进行步行实验时发现，M a s a i B a r ef o o t T e c h n o l o g y（简称MB T，前后摆动不稳定，图2）和R e f l e x C o n t r o l S c h u h（简称R C，内外侧摆动不稳定，图2）在每一步与跑台接触阶段，使踝关节周围肌肉（例：腓肠肌外侧、腓骨长肌）肌肉活动增加。因此，这种不稳定弧形鞋底构造的设计可以诱导增加运动感觉刺激，最终实现最佳化的姿势控制能力。B e n e d i k t等［9］发现不稳定性结构鞋对足部小肌肉群的运动锻炼产生非常有益的功能效果，尤其是对慢肌纤维，这将促进关节肌肉的稳定，以加强平衡能力。在运动学方面，N i g g等［5］通过八台高速摄像机来对受试者步态进行拍摄；发现穿不稳定性结构鞋组与穿普通鞋的对照组相比，踝关节表现出更显著地背屈态。在站立状态下，穿不稳定结构鞋具的受试者表现出更大的脚趾面背屈，前脚掌部分表现出明显的背屈；而足部关节角度上不存在太大差异，只是膝关节角和髋关节角表现出减少的趋势。N i g g认为正因为其正常姿态下的不稳定，从而迫使足部更多肌肉参与活动以维持平衡。因此，不稳定性结构鞋一直作为比较理想的训练鞋，尤其是针对足部小肌肉群的训练。

R a m s t r a n d等［10］最近在一项对不稳定性结构鞋在平衡测试中对31名50岁以上的妇女产生的效果的研究中发现，穿不稳定性结构鞋的受试者在闭目状态下，在上下旋转的不稳定测试板进行方向控制实验时，方向控制平衡能力得到显著性改善，而控制组没有出现明显提高。并且得出不稳定性结构鞋具对于超过50岁的妇女来说，作为方向平衡控制的训练工具具有积极的效果。K o r s t e n等［11］在进行一项比较传统鞋和MB T（前后不稳定结构）在感觉运动测试效果的长期试验中，使受试者穿不稳定性结构鞋每天参加不低于4h的日常生活活动，在这项研究中，穿不稳定性结构鞋的受试者在动态测试实验中，表现出姿势控制能力得到改善，在感觉运动测试中，不稳定表面和平衡板训练比MB T表现出更大的改善。

图2.左：MB T前后不稳定结构右：R C内外侧摆动不稳定结构

尽管不稳定结构鞋具可提高人体的平衡能力，摇摆设计上，内－外侧方向的不稳定似乎比前－后方向更有优势，L oh r e r等［13］在单腿站立实验中，内－外侧摆动设计鞋具对加强摆动姿势控制能力和加强踝关节周围肌肉（腓肠肌内侧、胫骨前肌、腓骨长肌等）的肌电活动强度都起到了显著的效果，而前－后不稳定设计鞋具却没有表现出显著性差异。L o h re r等［13］和T u r b a n s k i等［8］实验发现，在单足站立和步态特征实验中，受试者穿R C和MB T相比，穿R C表现出更大的不稳定性和更高的肌电活动。T u r b a n s k i等［12］推断认为，R C鞋底的中心线促使受试者在进行动态姿势控制实验时，感觉运动系统表现出对训练适应更大的需求。

图3不稳定鞋与控制鞋引起的压力中心轨迹变化

N i g g等［5］在对受试者在站立状态下足底压力中心轨迹描述时发现，穿不稳定结构鞋受试者与对照组相比，压力中心轨迹移动范围显著增大（图3）。H o r a k等［14］提出当给受试者一个不稳定性的外部环境，受试者就会通过感觉运动系统进行调整，慢慢地他们的神经系统就会获得和适应这种刺激。不稳定性结构鞋具的意义就在于提供了一个平衡反应和更小的方向控制程度使感觉运动锻炼变得更简洁有效。N a s h e r［15］当前的研究证实，平衡控制能力是依靠包括肌肉与骨骼、感觉器官、神经系统在内的多种系统的相互作用。可以发现，不稳定性结构鞋的圆底特征，尤其是R C（内外侧摆动不稳定），可以模拟动态平衡测试条件，提供适当感觉运动刺激从而达到改善姿势控制能力的效果。R a m s t r a n d等［7］对10名具有下肢运动障碍的残疾儿童为期8周的实验结果发现，残疾儿童长时间穿不稳定性结构鞋对静态站立平衡能力的改善具有一定的效果，值得注意的是，在节律性重心转移实验中，长期穿不稳定性结构鞋的受试者方向控制能力得到显著性提高，说明残疾儿童在受到外部刺激时控制稳定性的能力得到了加强。

3 运动损伤预防及恢复

大量的本体感觉、平衡能力和神经肌肉系统的综合能力测试已表明，穿不稳定结构鞋具进行锻炼对于运动员的伤痛预防和治疗以及减少老年人受伤的风险都有较显著的效果［16，17］。X a v e r K a l i n等［18］对30名存在踝关节损伤患者实验发现，穿不稳定结构鞋具的治疗组的前脚掌压力值与脚后跟内侧压力值出现明显的增加，治疗组“踝关节内翻角度”可以从4.07°降低到了3.16°，而控制组只是出现了轻微的减少，“踝关节的外翻角度”由开始时的1.73°降低到了0.45°。N i g g［19］对患有膝关节炎的患者进行为期3个月的实验证明，膝关节炎患者穿不稳定性结构鞋（前后不稳定结构）训练3个月，膝关节疼痛率可减少25％。在通过受试者穿不稳定性结构鞋训练后发现，不稳定性结构鞋不但可以发展腓肠肌、胫后肌和趾屈肌肌肉力量，而且可以改善中间外侧肌肉运动的运动控制，加强了肌肉力量、降低内旋幅度。

K r a u s s等［20］使具有髋关节损伤的受试者穿不稳定性结构鞋经过10周的训练发现，受试者的力量、移动能力、走路速度没有明显改善，但协调能力得到提高；另外，所有部位的疼痛感都有所下降，健康状况、生活质量都有明显好转，可见不稳定性结构鞋对髋关节以及植入体内的人造关节有很好的帮助。K a t h e r i n e等［21］对19名健康少年进行实验发现，在不改变步行速度时，穿不稳定结构鞋表现出膝关节肌肉力量和负荷下降；利用不稳定性结构鞋作为训练装备加强下肢肌肉稳定性和减少疼痛时，测试效果得到改善，表明不稳定结构鞋具对膝关节炎患者是有益的。

4 不稳定性结构鞋的肌电信号变化

大量的研究表明，多种类型的平衡测试可以促进神经肌肉控制的改善和增加膝关节的韧性［22－24］。通过总结前人的研究L o h r e r等［13］、T u r b a n s k i等［8］和王健等［25］发现穿不同款式不稳定性结构鞋进行单腿站立训练和在地面行走练习可以增强人体对姿势控制能力和增强踝关节周围肌肉（腓肠肌内侧、胫骨前肌、腓骨长肌等）的肌电活动。S c o t t等［26］在对28名健康受试者6周的实验结果发现，不稳定性结构鞋与赤脚或者穿普通鞋相比，在站立状态下的确可以增加脚外部肌肉肌电活动和增加姿势的稳定性。M u l a v a r a等［27］和K r i s h n a m o o r t h y等［28］在研究中发现，当受试者在站立状态下，身体重心向前倾斜时，腓肠肌肌肉活动增强，受试者身体重心向后倾斜，胫骨前肌肌肉活动增强。通过肌电的实验设计结合核磁共振数据发现，在站立状态实验时，不稳定结构鞋具能够增加小腿的曲趾长肌、腓骨、胫骨前肌的活动及增加脚部小肌肉群的肌肉活动。L o h r e r等［13］和T u r b a n s k i等［8］的研究已经证实，穿R C（内外侧不稳定结构鞋）与前后不稳定性结构鞋相比，在单脚站立实验和步态试验中，穿R C的受试者表现出更大的不稳定性和更高的肌电活动。E l kj a e r等［12］通过对E a s y T o n e（前后球状不稳定结构鞋具，图4）进行研究发现，E T可以有效提高腓肠肌、大腿后肌群和臀大肌的肌肉活动分别为11％、11％和28％。T u r b a n s k i等［8］研究发现，穿不稳定性结构鞋在站立实验中，下肢的一些肌肉的肌电活动显示出增大的趋势，这些肌肉包括：胫骨前肌、内侧腓肠肌、外侧腓肠肌、股二头肌、股内肌、股外肌、股直肌、臀中肌。

图4锐步－e a s y t o n e的前后球状不稳定结构

5结 论

运动鞋的技术发展对于人体运动姿势控制和训练效果已起到越来越重要的推进作用［30］。基于平衡能力和伤痛的发生率的相关性，运动感觉控制能力在运动预防损伤中可直接或间接主导。不稳定训练可以有效地降低下肢关节的伤病发生率，是因为运动感觉能力改善了关节

稳定性反射，优化补偿了姿势控制。穿着者处于一种自然不平稳的状态时，增加了肌肉活动，有利于调整和塑造身形；可帮助改善背部、臀部、双腿和脚部问题；并带动全身运动的认识。该鞋具带来不稳定的感觉，激发人体自身的平衡调节机制调动更多肌肉和骨骼参与到平衡调节中去，从而达到锻炼人体的肌肉、脊椎、关节等方面的作用。因此不稳定锻炼提倡的观点和概念，提供了体育锻炼者另外一种简单、直接的健身方式。

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