个性化鞋垫对慢跑者足底压力的影响

2019-05-30王晓刚王向东

体育研究与教育 2019年3期

王晓刚，李娟，王向东

1 前言

由于慢跑这项运动不受场地时间等条件的限制，因此成为越来越多民众进行体育锻炼的首选。而长时间的慢跑以及装备的不合适会造成人体下肢损伤，如足弓塌陷、足底筋膜炎、前掌疼痛、鸡眼等伤病。

国内外学者就不同速度或不同品牌慢跑鞋等方面的改变对足底压力变化的影响已有研究。如宋雅伟等人[1]通过研究不同硬度鞋底的足底压力变化得出不同硬度鞋底的鞋对于人体在行走时动作技术有一定影响，建议一般性散步选择软底鞋、长距离行走选择中等硬度鞋、步行速度快时间不长的情况下可选择硬底鞋；伍舒闻等人[2]在对步行及慢跑过程中运动速度匀速变化对足底压力分布情况的研究指出：随着速度的增大，足跟区和前掌区压力有增大的趋势，但不均匀。而6km/h是最适合进行跑步锻炼的速度，其次为7km/h和8km/h；苏宏伦等人[3]通过使用不同结构和材料硬度的矫形鞋垫对扁平足矫正效果的研究，发现合适的鞋垫对改善扁平足畸形有良好的矫正作用；代浩然等人[4]针对4种不同品牌的慢跑鞋在速度为3m/s的情况下对15名受试者进行了足底压力测量。通过对最大压强、平均压强以及足-鞋接触面积等参数分析，评价了各款慢跑鞋的穿着舒适性；石宏杰等人[5]通过对不同慢跑鞋的足底压强分析与功能评价得出不同运动鞋其性能存在较大差异，且因运动速度不同，也会表现出不同的功能状态；汤运启等人[6]采用德国Novel- pedarX鞋垫式足底压力测量系统，对受试者进行动力学数据的采集，获得了站立、步行、慢跑三种状态下运动鞋鞋垫的最优参数。

综上所述，前人的研究多集中在对穿着不同运动鞋的情况下足底压力的分布情况，如不同款篮球鞋[7]、慢跑鞋[5]足底压力的分析。虽说有关于鞋垫的研究说明，但更多的是一些矫形鞋垫，前脚掌硅胶鞋垫以及缓冲鞋垫[8]等，而此类鞋垫并不适合慢跑爱好者。为此，本研究尝试通过在不同速度下对受试者穿着普通鞋垫与定制鞋垫所表现出来的足底压力参数进行分析，从而为慢跑爱好者选择定制鞋垫提供有效的参考。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

选取11名中北大学田径专业的国家二级运动员作为本研究的受试者。受试者均自愿参与实验并签署知情同意书，受试者个人具体信息见表1。

表1 受试者个人基本信息

测试前均未进行剧烈运动，无下肢及足踝疾病。实验中受试者统一着装并且穿着由新百伦品牌统一提供的运动鞋。在测试过程中，安排测试人员对受试者进行保护，以防意外发生时对受试者造成身体伤害。

2.2 研究方法

2.2.1 测试仪器使用德国Novel公司的pedar-X压力鞋垫。pedar系统基于电容式压力传感器测量技术，每只鞋垫上均有99个压力传感器，能完整覆盖整个足底，以确保足底数据采集的完整性和准确性；并且备有不同型号的鞋垫以符合受试者足部的大小，见表2；受试者鞋内放置pedar鞋垫，联接pedar-X box盒，通过蓝牙设备和笔记本电脑连接,进行足底压力采集，采集频率为100hz，见图1所示。

表2 不同型号鞋垫所对应的鞋码

图1pedar-X压力鞋垫

2.2.2 定制鞋垫本试验运用比利时生产的Footscan足底压力测量系统，长度为1米，每平方厘米包含4个压力传感器。受试者赤足自然站于测试板前，听到试验人员发出口令后，自然行走经过测力板到达另一端。每位受试者左右两脚各3次踏在平板上，以记录足底压力数据。北京复生生物技术研究院根据采集到的每位受试者的足底压力数据生产出适合该个体的定制化鞋垫，使定制鞋垫更加贴合每位受试者足部生理曲线。

2.2.3 测试流程及测试指标本研究主要是探讨穿普通鞋垫与定制鞋垫在不同速度下对足底压力变化的影响。由于在陆地上受试者的跑步速度难以准确控制，无法使速度保持恒定，容易对实验结果造成误差，因此为了确保速度的稳定性和实验结果的准确性，本研究的测试将在跑步机上进行。

测试前受试者均被告知实验流程并进行热身。测试中选择与受试者相对应鞋码的足底压力鞋垫放置于普通鞋垫的下面，进行空载标定。空载标定完成之后受试者穿上鞋并在跑步机上准备，测试人员向受试者示意后在1分钟内将速度调至指定速度9km/h，待受试者处于跑步稳定状态时进行约10s的足底压力数据采集。测试人员向受试者示意后再将速度调至12km/h，待受试者处于跑步稳定状态后进行采集，采集完成后受试者放松休息。测试人员查看数据是否正常。若不正常测试人员待受试者完全恢复后重新测量；如数据正常待受试者完全恢复后进行定制化鞋垫的测量，采集过程同上。

测试指标包括最大压力(max-force)、最大压强(peak-pressure)、平均压强(mean-pressure)、冲量(impulse)。具体实验过程如图2、图3所示。

注：P9表示：在速度9km/h下穿着普通鞋垫；P12表示：在速度12km/h下穿普通鞋垫；T9表示：在速度9km/h下穿着定制鞋垫；T12表示：在速度12km/h下穿着定制鞋垫。

图2 空载标定

2.2.4 数据处理数据采集与分析采用配套软件Novel。根据足底压力分布区域将足底分为第一趾骨(Toe1，简称T1)、第2—5趾骨(Toe2—5，简称T2-5)、第1跖骨(Metal1，简称M1)、第2—3跖骨(Metal2—3，简称M2-3)、第4—5跖骨(Metal4—5，简称M4-5)、中足(Midfoot，简称MF)、足跟内侧(Heel Medial，简称HM)、足跟外侧(Heel Lateral，简称 HL)共八大区。左足各区区域划分如图4(右足各区区域划分与左足对称)。

图3 跑步前

2.2.5 统计分析首先为了排除个体差异，本研究将获得的最大压强、平均压强、冲量和压力的数据应用Excel2007软件进行体重的标准化分析，随后将标准化的数据应用SPSS18.0软件进行配对样本t检验。检验同一受试对象在不同速度下分别穿定制鞋垫与普通鞋垫时的足底压力变化差别。结果以均值±标准差的形式表现。显著性水平设定在P<0.05，非常显著性水平设定在P<0.01。

图4 区域划分图

3 研究结果

速度9km/h和速度12km/h下穿普通鞋垫和定制鞋垫跑步时各区最大压强分布情况如表3所示。在速度9km/h时，左脚普通鞋垫与定制鞋垫在T1区表现为显著性差异(P<0.05)，在MF、HM、HL区表现出非常显著性差异(P<0.01)；右脚的T1区表现为非常显著性差异(P<0.01)，在T2-5和HL区表现出显著性差异(P<0.05)。MF、HM区表现出非常显著性差异(P<0.01)。在速度12km/h时左脚普通鞋垫与定制鞋垫在MF、HM和HL区有非常显著性差异(P<0.01)；右脚T1区有显著性差异(P<0.05)。MF和HM区都表现出非常显著性差异(P<0.01)，而HL区则表现为显著性差异(P<0.05)。

表3 不同速度及鞋垫类型时各区最大压强分布情况

注：*代表P<0.05，表示普通鞋垫与定制鞋垫有显著性差异；**代表P<0.01，表示普通鞋垫与定制鞋垫有明显显著性差异，下同。

速度9km/h和速度12km/h下穿普通鞋垫和定制鞋垫下跑步时各区平均压强分布情况如表4所示。在速度9km/h下左脚普通鞋垫与定制鞋垫在T2-5区和HL区表现为显著性差异(P<0.05)；右脚T1区表现为非常显著性差异(P<0.01)，在HM和HL区表现为显著性差异(P<0.05)。在速度12km/h下左脚T2-5和HL区有显著性差异(P<0.05)；右脚MF、HM、HL区表现为显著性差异(P<0.05)。

速度9km/h和速度12km/h下穿普通鞋垫和定制鞋垫下跑步时各区压力分布情况如表5所示。在速度9km/h下左脚T2-5区表现出显著性差异(P<0.05)；右脚T1区表现为非常显著性差异(P<0.01)，HM区表现为显著性差异(P<0.05)。在速度12km/h下左脚T2-5区表现为显著性差异(P<0.05)；右脚MF和HM区则表现出显著性差异(P<0.01)。

表4 不同速度及鞋垫类型时各区平均压强分布情况

表5 不同速度及鞋垫类型时各区压力分布情况

速度9km/h和速度12km/h下穿普通鞋垫和定制鞋垫下跑步时各区冲量分布情况如表6所示。在速度9km/h下左脚T1、T2-5和HM区有显著性差异(P<0.05)；右脚M2-3表现为显著性差异(P<0.05)，而T2-5区和HL区表现出非常显著性差异(P<0.01)。在速度12km/h下左脚T2-5、MF和HM区表现出非常显著性差异(P<0.01)；右脚T2-5区也表现出非常显著性差异(P<0.01)，而HL区表现出显著性差异(P<0.05)。

表6 不同速度及鞋垫类型时各区冲量分布情况

4 讨论

足底压强是足底单位面积所承受的地面反作用力，最大足底压强(Pmax)所反映的则是特定区域内所受地面反作用力最大的部位内单位面积的作用力值[10]。本研究结果显示：不同速度及鞋垫类型下足底最大压强和平均压强的最大值均出现在M2-3区，说明在慢跑过程中人体压力中心偏向于前脚掌。这一部分容易出现疲劳，而过度疲劳是导致前足横弓塌陷重要原因[11]。最大压强的最小值均落在足跟区，而平均压强的最小值则分别落在足跟区和足弓区。说明最大压强和平均压强有相当高的一致性。这一结果与前人的研究结果相一致[12]。但在不同速度及鞋垫类型之间并没有显著性意义(P>0.05)。

Rodgera[13]指出：若在足部某一位置，承受过大压强极易产生过度使用伤害；Roy[14]指出：Pmax往往和前足病变有极高的相关性。足与地面的接触面积变小，则足底压强必然增大。长时间某区承受过大的压强必然会对足底造成伤害，因此要防止高压强区的出现。

本研究结果显示：随着速度的增大，最大压强也有变大的趋势。在速度9km/h左脚下和速度12km/h右脚下，普通鞋垫与定制鞋垫在T1区有显著性差异；在速度9km/h右脚下，普通鞋垫与定制鞋垫在T2-5区有显著性差异。穿定制鞋垫后此区的最大压强增大，说明大拇指在蹬伸阶段所受的力比较大，因而此区受伤的几率也会增大。在速度9km/h时，不管左脚或右脚HM区和HL区的最大压强是各个分区中最小的。说明在足着地期间相较于其他区域所受到的地面冲击力比较小。足弓是拱形结构，随着运动速度的增加，其弓的高度和弹性降低，足弓底部的肌肉、肌腱拉伸应力增大[15]。而在不同速度及不同鞋垫下，MF区均表现出非常显著性差异，而且在穿定制鞋垫后足弓区的压强均有小幅的增大。说明在慢跑过程中足弓区始终承受着较大的压强。而随着运动时间的增长，会造成足弓塌陷，使足弓底部的肌腱变得松弛，从而会降低足弓缓冲减震的性能。

结果还显示：在速度9km/h左脚T2-5区和HL区在穿定制鞋垫后平均压强均有下降。T2-5区是慢跑时蹬伸阶段，而HL区是缓冲阶段。这两个区平均压强的下降可以在一定程度上缓解此区的疲劳感甚至是患足部疾病的概率。

Pmax并不能代表整个足底或某个区域内压强的分别情况，因此必须考虑整足或整个区域内的平均足底压强[9]。在速度9km/h时右脚普通鞋垫与定制鞋垫在T1区有明显显著性差异，而在穿定制鞋垫后平均压强有小幅的增大，可知在跑步蹬伸阶段大拇指具有重要的功能，能提供部分前进的力量。但此区长时间过多频繁的受到力的作用，会造成足局部不舒适甚至引起损伤。在速度9km/h和12km/h左脚穿定制鞋垫后在T2-5区平均压强有所降低，从而减少了此区的压力。

速度9km/h和12km/h下，普通鞋垫与定制鞋垫在HL区有显著性差异，并且在穿定制鞋垫后平均压强有所下降，说明定制鞋垫在一定程度上吸收和降低了地面冲击力，从而会降低落地时的冲击力对人体各部分造成的不同程度的伤害。在区域内，压强分布越均匀(最大压强值与最小压强值之差越小越好)，即应力分布越分散，足局部越舒适[4]；在速度9km/h穿定制鞋垫的情况与在速度9km/h穿普通鞋垫、在速度12km/h穿普通鞋垫和定制鞋垫的情况下相比，速度9km/h穿定制鞋垫的最大压强值与最小压强值之差最小。说明在此情况下应力分布较分散，足局部较舒适；在速度9km/h和12km/h时右脚HM区平均压强均有小幅的增大，这可能是由于优势腿力量大而造成的；在速度12km/h时右脚，MF区在穿定制鞋垫后平均压强有所增大，可能是将足跟区的平均压强降低部分转移到了足弓区，使压强分布更加均匀，以期减少局部压强过大。

由表5可知，在速度9km/h时左脚T2-5区和HL区在穿定制鞋垫后压力均有下降，而其余区域没有显著性差异。右脚穿普通鞋垫与定制鞋垫时在T1区有明显显著性差异，而且在穿定制化鞋垫后压力有所增加，说明增加了足趾蹬伸的力量。在HM区和HL区有显著性差异。HM区在穿定制鞋垫后压力增加，而HL区在穿定制鞋垫后压力下降，但是在穿普通鞋垫时，HM和HL区压力值分别为1.04和1.15,二者相差0.11，而穿定制鞋垫后二者相差0.04，说明足跟内外侧受力基本一致，有助于降低足外翻发生的几率。

在速度12km/h时左脚穿定制鞋垫后在T2-5区和HL区压力均有下降。随着速度的增加，人体所受到的压力也越大，同时也可以看出，定制鞋垫在此时为人体足底提供了很好的保护。从右脚来看，MF区为足弓区，在穿定制鞋垫后该区的压力值增加了0.45，表明足底与定制鞋垫紧密接触，足弓部位被垫起，从而中足有效分散了前掌和后跟的压力，足弓受力增加，在很大程度上降低了前掌和后跟区受伤的几率。HM区和HL区为足跟区。在穿普通鞋垫时两区压力值相差0.47，且足跟外侧压力大于足跟内侧，容易发生足外翻。而在穿定制鞋垫后两区压力值相差0.05，足跟内外侧受力相对平衡，增加了足跟落地时的稳定性，减少了足内翻或足外翻发生的几率。

力量——时间积分值表明力在一定时间内对足底各区域连续作用所产生的累积效应。足底各区域冲量的大小受每个区域的压力值和接触时间两个因素的影响[7]。冲量可表明足底各区分载负荷比例，也可以推知足底各区域对地面施力的相对大小。结合表5和表6可知，不同速度及鞋垫类型下，力量——时间积分值的最小值在T1区，结果与压力分布数据基本吻合，压力最小值也是在T1区。随着速度的增加，足底接触地面的时间减少，所以，虽然足底压力在增大，但也使得力量——时间积分值随着变小。

由表6可知，在不同速度及鞋垫类型的情况下，T2-5区的冲量存在显著性差异。在穿定制鞋垫后冲量都有所降低，说明定制鞋垫在对此区的保护方面还是比较突出。这可能也是由于地面反作用力对此区的冲击力并不是很大。速度9km/h和12km/h时右脚HL区在穿定制鞋垫后冲量降低，说明穿定制鞋垫可以起到一定程度缓冲压力的作用。速度9km/h时左脚穿定制鞋垫后左脚T1区冲量有所增加，而右脚M2-3区在穿定制鞋垫后冲量有所降低。此区在蹬伸阶段也扮有重要功能，可以缓解足底疲劳，降低运动损伤发生的几率。速度12km/h时左脚穿普通鞋垫与定制鞋垫在MF区和HM区有明显显著性差异。穿定制鞋垫后冲量增加，这可能是由于随着速度的增加，足底受到的冲击力也增加，而足弓是拱形结构，足跟部位也有一些厚度，因此它们自身对冲击力有一定的减震缓冲作用。

本研究不足与局限：(1)本研究为了减少误差以及控制速度，而选择在跑步机上进行测试，毕竟跑步机与地面是有区别的，后续针对此问题可以想办法进行改进完善；(2)本研究只分析了足底压力的参数特征，并未分析动力学等参数特征，在后续研究中可将运动学与动力学结合起来分析。

5 结论与建议

5.1 结论

(1)在同一速度下，穿定制鞋垫后MF区的最大压强、平均压强、压力和冲量都有所增大。这可能是为了更多地分散足跟区的压力或者是由于鞋垫材质等原因所致。

(2)不管穿普通鞋垫还是定制鞋垫，后跟区和前掌区在最大压强、压力和平均压强方面都表现出了随着速度增大而增大的趋势。这是由于随着速度增大，人体所受到的冲击力增大，而这些区域会受到更大的压力。慢跑时，足部最大压强部位在第2趾骨，而前掌第1、2、3趾骨承担了大部分冲量。由于冲量是力在一定时间内对足底各区域连续作用所产生的累积效应，所以在运动过程中易发生运动损伤。应注意锻炼时鞋具的选择。

(3)在不同速度时，定制鞋垫与普通鞋垫相比，HL区右脚的冲量、压力和平均压强均有下降。这是由于足跟自身的缓冲作用以及定制鞋垫所起的作用。在跑步落地时定制鞋垫有效地保护了足跟外侧区，减少了足跟着地期地面反作用力对此区长时间频繁的冲击。T2-5拇指区在平均压强、压力和冲量这三个参数方面均有下降，缓冲了蹬伸时期的地面反作用力，降低了运动损伤风险。

(4)在不同跑速下，穿定制鞋垫后MF、HM、HL区的最大压强有所增加。这与前人所做的一些关于不同运动鞋在慢跑时最大压强的结论不一样。造成这种结果不一致的原因可能与受试者的运动方式或者鞋垫比较硬有关。