登山鞋上坡行走的足底压力特征研究

蒋 超，沈文文，李建设，顾耀东

(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)

登山鞋上坡行走的足底压力特征研究

蒋 超1，沈文文1，李建设2，顾耀东1

(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)

探索穿登山鞋平地与斜坡行走时足底压力分布趋势变化，以及登山运动中出现的损伤的生物力学机理。实验被试平地和斜坡上坡以正常步速行走下记录3个步态周期的足底压力数据。结果发现上坡行走时，M-H、MF-M、MF-L、FF-M、BT与OT的FTI值都显著大于平地行走(plt;0.05)，而FF-L分区相反(plt;0.05)，L-H分区相近。与平地行走相比，上坡时足底最大受力点往前内侧转移，最大峰值压强出现在BT、FF-M，而足跟区的峰值压强明显减小。穿登山鞋平地与上坡行走之间的足底压力分布差异性明显，上坡时足前部显著增加的冲击力给予鞋具设计者们一个较清晰的设计重点。

登山鞋；峰值压强；足底压力。

从20世纪60年代开始，登山运动爱好者迅速增长，阿尔卑斯式登山每年增加几千个登山者[1]。登山运动的普及使其爱好者在运动中出现损伤的可能性大大增加，如擦伤、肌肉拉伤、踝关节扭伤、骨折等在登山运动中经常出现[2-4]。Leroux等[5]认为人体在斜坡上行走时主要依靠身体躯干和骨盆的移动来维持身体重心的稳定。登山运动装备的质量和性能对提高登山运动的水平是非常重要的。Anderson等[1]证实了减轻登山装备重量可以降低损伤的发生率，并初步研究了鞋子硬度与损伤的关系。但是对于专业登山鞋的生物力学研究甚少。因此，本研究的目的在于探索穿登山鞋平地与斜坡行走时足底压力分布趋势变化，以及登山运动中出现的损伤的生物力学机理，为登山鞋具设计师们提供一定的理论依据。

1 研究方法

1.1实验对象

实验受试者共25名女性，足的大小分别为37码，适合实验所提供的登山鞋(图1A)，平均23.88±1.65周岁，平均身高162.00±3.30cm，平均体重52.19±3.68kg。身体健康，无临床病史，足部发育正常，无足病与运动性障碍，行走方式均为脚跟-脚趾型(Heel-Toe)，实验前48h无剧烈运动。

图1 实验所用鞋具(A)和足底分区(B)

1.2实验方法

实验测试在平地和斜坡(坡度为20°)上让被试以正常步速行走，同时记录足底压力数据。实验时，将压力鞋垫置于所要测试的鞋内，并通过数据线与系于被试腰间的信号转换盒连接，然后通过蓝牙传输与计算机相连，在计算机操作界面上，对实验数据进行记录和转换，同时根据图像与信号的变化，监控被试的行走步态，并给予及时的反馈与纠正。实验被试平地和斜坡上坡各行走3次，每次采集3个步态周期的数据。

1.3实验仪器

足底压力测量是步态分析、临床足疾诊疗和运动鞋设计等领域最重要的应用技术，也是生物力学研究的得力工具[6]。本实验采用Novel Pedar insole system(Novel公司，德国)，该系统可以反映静止状态和运动状态下的足底压力分布情况和受力分布范围大小情况。Novel Pedar是一种垂直压力测量系统，压力鞋垫根据被试的尺码大小可以选择，本实验中所用的鞋垫大小为37码，鞋垫厚度为2.6mm，分布了99个矩形压力传感器，压力鞋垫的测量频率为100Hz。实验所用的压力鞋垫在实验前都通过压力标定系统对0-60N/cm范围内的压力值进行标定，确保实验数据的准确性。

1.4数据处理

实验记录了双足的足底压力数据，但本研究只选择右足的数据进行分析。并且把压力鞋垫分成了8个区域(图1B)：足后跟内侧(Medial Heel (M-H))、足后跟外侧(Lateral Heel: L-H)、足中部内侧(Medial Mid-Foot (MF-M))、足中部外侧(Lateral Mid-Foot (MF-L))、足前部内侧(Medial Forefoot: FF-M)、足前部外侧(Lateral Forefoot: FF-L)、大脚趾区(Big Toe: BT)、其他脚趾区(Other Toe: OT)。选择每次行走步态中最稳定的一个步态周期，手动输出各分区峰值压强(Peak Pressure: PP)和力-时间积分(Force-time Integral: FTI)的值，并用配对样本t检验来确定这些数据是否具有显著性差异。数据分析用SPSS19.0统计软件进行。

2 结 果

2.1斜坡和平地条件对足底力-时间积分值的影响

从图2可以看出，除L-H外其他7个足底分区平地与斜坡的FTI值均有显著性差异(plt;0.05)。上坡行走时M-H、MF-M、MF-L、FF-M、BT与OT的FTI值都显著大于平地行走(plt;0.05)，而FF-L分区斜坡行走的FTI值显著小于平地行走(plt;0.05)。并且FF-M与FF-L之间的FTI差值斜坡要显著大于平地，这说明足前部的最大FTI明显向内侧偏移。从分布趋势上来看，平地与斜坡大致相似，且最小FTI值均出现在MF-M，最大FTI值均出现在FF-M。

图2 斜坡和平地条件下不同足底分区的力对时间的积分值(★表示plt;0.05)

2.2斜坡和平地条件对足底峰值压强的影响

图3反映的是斜坡和平地条件下足底峰值压强的分布情况，可以明显地发现主要足底受力区发生了变化。人体正常行走时，斜坡与平地相比，足底最大受力点往前内侧转移，最大PP值出现在BT、FF-M，而足跟区的PP值明显减小。研究数据显示(图4)，上坡行走时，M-H、L-H、FF-L的PP值显著小于平地条件下的PP值(plt;0.05)，而其他5个分区正好相反(plt;0.05)。

图3 平地和斜坡条件下行走时足底压强分布情况

图4 斜坡和平地条件下不同足底分区的峰值压强值(★表示plt;0.05)

3 分析与讨论

运动界面倾斜度的变化必然改变了运动者的步态生物力学[8]。即使是较小的倾斜角度，张彦龙[7]的研究发现坡度增加，跑动中足跟区的峰值压强变小而足前外侧和足前中间区变大。这一趋势与本研究相符，不过前者研究在跑台上开展，往往会改变人体正常的户外运动姿态。同时，在上坡行走研究的报道中，躯干前倾使身体重心的投影超出了支撑面，有利于蹬地时下肢产生更大的动量[5,9]。因此上坡行走时的蹬伸阶段的受力变大，使前足尤其是FF-M和BT分区的峰值压强值显著增大。如果某一部位峰值压强值过大时，容易产生过度使用伤害。而且足部长时间处在这种高峰值压强的情况下，很容易造成足的损伤，如跖骨疲劳性骨折等。因此登山鞋的设计应该注重鞋子的前部，增加鞋底的缓冲性能，以降低足前部的峰值压强。穿登山鞋平地与上坡行走之间的足底压力分布变化较显著。尤其是上坡行走时足前部的冲击力显著增加，对于登山鞋具设计师们给出了一个较重要的区域设计重点。

[1] L. Stewart Ande rson Jr, Cas ey M. Rebholz, Laura F. Whit e, et al. The Impact of Footwear and Packweight on Injury and Illness Among Long-Distance Hikers [J]. Wilderness and Environmental Medicine,2009,20:250-256.

[2] Lam Wai-Ho Oscar, Lui Tun-Hing, Chan Kai-Ming. The Epidemiology of Ankle Sprain during Hiking in Uniformed Groups [J]. J Orthopaedics, Trauma and Rehabilitation,2011,15:10-16

[3] Travis W. Heggie, Tracey M. Heggie. Viewing Lava Safely: An Epidemiology of Hiker Injury and Illness in Hawaii Volcanoes National Park [J]. Wilderness and Environmental Medicine, 2004,15:77-81.

[4] Matthew T. Hamonko, Scott E. McIntosh, Tod Schimelpfenig, et al. Injuries Related to Hiking with a Pack during National Outdoor Leadership School Courses: A Risk Factor Analysis [J]. Wilderness and Environmental Medicine, 2011,22:2-6.

[5] Leroux A，Fung J，Barbeau H. Postural adaptation to walking on inclined surfaces： I. Normal strategies [J]. Gait amp; Posture，2002，15(1)：64-74.

[6] 李建设,王立平.足底压力测量技术在生物力学研究中的应用与进展[J].北京体育大学学报,2008,28(2):191-193.

[7] 张彦龙.跑台的坡度与速度对人体足底压力的影响研究[D].东北师范大学,2008.

[8] 陆毅琛,李建设.人体坡面运动时足底压力及气垫运动鞋力学功效的实验研究[J].北京体育大学学报,2006,29(12):1654-1657.

[9] Lange GW, Hintermeister RA, Schlegel T, et al. Electromyographic and kinematic analysis of graded treadmill walking and the implications for knee rehabilitation [J]. J Orthop Sports Phys Ther,1996,23(5):294-301.

StudyonPlantarPressureduringTiltWalkingWithHikingShoe

JIANG Chao1,Shen Wen-wen1, LI Jian-she2,GU Yao-dong1

(1. Faculty of Sports Science, Ningbo University, Ningbo 315211， China；2.Zhejiang College of Sports, Hangzhou 311231, China)

This study aimed to explore the difference of plantar pressure distribution between flat and tilt walking interface, and hiking injury mechanism. Each subject walked 3 times on the flat and tilt surface at normal speed, while plantar pressure data was recorded 3 gait cycles each time. Compared with the flat walking surface, the FTI value of M-H, MF-M, MF-L, FF-M, BT and OT on tilt surface is significantly higher (plt;0.05), while the FF-L region is just in opposite trend (plt;0.05) and the L-H region is similar. In addition, the maximum plantar pressure regions were BT, FF-M during tile interface walking. It has been confirmed that planter pressure distribution was significantly difference between flat and tilt walking interface. The high impact in forefoot region during tilt interface has given the footwear designer a clearly focal point.

hiking shoe; peak pressure; plantar pressure

1004-3624(2013)04-0070-03

G804.61

A

浙江省大学生科技创新活动计划(新苗人才计划)项目(2012R405010)

2012-12-07

蒋 超(1989-)，男，浙江嘉兴人，研究方向为运动生物力学.