不同鞋帮类型足球鞋对踝关节稳定性的影响

2021-03-09魏书涛

皮革科学与工程 2021年1期

魏书涛

（三六一度（中国）有限公司，福建厦门361009）

引言

足球作为世界第一大运动，有着最为广泛的群众基础和最多的参与人数。但是，由于其高对抗性特征，往往伴随有较高的运动损伤风险，尤以下肢损伤居多，例如踝关节扭伤和膝关节前交叉韧带损伤[1-4]。运动损伤造成的短期影响主要包括：（1）减少身体活动；（2）缺席比赛；（3）高额医疗花费等[5，6]；造成的长期影响主要包括：（1）运动表现下降；（2）慢性踝关节不稳定；（3）重复的下肢运动损伤；（4）退行性病变等[7，8]。

足球鞋生产厂商和研究人员通过研发不同的鞋钉类型和分布特征，从而达到低抗扭转抵抗力（torsional resistance），希望这种手段能够有效的降低下肢运动损伤的风险[9,10]。其中一项为期3 年的队列研究发现长期穿着高扭转抵抗力的足球鞋的运动员其总体的损伤发生率显著性高于长期穿着低扭转抵抗力的足球鞋，尤其是其前交叉韧带撕裂的发生率为其它足球鞋的3.4[10]。此外，减少鞋钉的数量和尺寸也有利于减少膝关节的损伤[11]。因此，改变鞋钉类型和分布特征其主要影响是降低膝关节相关的运动损伤。但是，另一项研究发现减少鞋钉会增加前足的足底压力，从而增加趾跖关节损伤的风险[12]。因此，研究人员推荐增加鞋钉的数量和前足的缓冲性从而减少损伤的风险。根据上述研究，关于鞋钉类型和分布的研究虽然存在一定的矛盾，但是其似乎无法影响踝关节相关的运动学和动力学指标。

另一方面，近些年一种新技术逐渐应用于足球鞋，其通过增加鞋帮高度或同时增加鞋帮高度和改变鞋帮材料来提高踝关节的稳定性，从而降低运动损伤发生的风险[13,14]。但是相关研究却十分稀缺，仅有的研究都是使用一个内翻平台测试受试者在穿着不同鞋帮高度时踝关节的内翻角度或者关节活动度[13,14]。其结果分别显示穿着高帮足球鞋能够有效的减少内翻角度和关节活动度。上述发现使得研究人员假设穿着高帮足球鞋可能会降低踝关节相关的运动损伤。但是，这些研究却有着十分明显的局限性，尤其是其实验设计仅仅使用了相对被动的运动，与实际运动情况有着较大的差异。因此，使用设计更贴近真实运动项目动作的实验，能够进一步帮助我们理解高低帮足球鞋对踝关节生物力学影响的特征。

高帮篮球这一概念更早的被提出，而且相比较于足球鞋的研究，其测试场地更为常规，因此学者已经进行了大量的研究去验证其效果。通过增加篮球鞋的鞋帮高度，能够有效地增加踝关节的稳定性，在进行侧切动作时其主要表现为减少踝关节内翻关节活动度、减少触地瞬间踝关节的内翻和外旋角度并且降低踝关节的峰值内翻速度[15,16]。在进行落地动作时，高帮篮球鞋能够影响踝关节周围肌肉的预激活时间、减小踝关节的背屈角度以及减小跖屈力矩和峰值功率，从而起到限制踝关节活动的作用[17,18]。因此，根据上述研究，可以提出穿着高帮篮球鞋能够有效的限制踝关节活动，从而可能有利于降低踝关节运动损伤发生风险这一假设。但是受制于足球场地特殊性，对于足球鞋鞋帮的高低对真实运动状态下踝关节的运动学、动力学方面的影响尚未见公开报道。

综上所述，本研究主要通过对比三种不同鞋帮类型的足球鞋（高帮、袜套和低帮）在进行45°横跨步侧切（side-step cutting）运动时对踝关节运动学和动力学指标的影响。从而帮助我们了解不同鞋帮类型与踝关节关节角度、活动度和力矩之间的关系，从而为足球鞋的鞋帮设计提供一定的科学证据。

1 实验部分

本研究选取14 名（年龄：（21.2±2.0）岁；身高：(172.4±5.3)cm；体重：(66.5±9.7)kg）泉州师范学院体育学院足球专项男性运动员作为研究对象。所有受试者于实验前接受简易调查问卷，其准入标准包括：（1）至少参与三年以上专业的足球训练；（2）鞋码为欧码41 码；（3）优势腿为右腿；（4）近6 个月内无下肢运动损伤，例如骨折，踝关节扭伤，前交叉韧带损伤等；（5）测试前12 小时未进行剧烈运动。所有受试者在测试前需签署实验知情同意书。

1.1 主要材料和仪器

1.1.1 足球鞋情况

高帮足球鞋（Vapor untouchable 3 elite； Nike,Portland,OR,USA）：单只鞋质量300 g，鞋帮使用飞线技术，其高度为70 mm（图1a）。

袜套足球鞋（Vapor untouchable 3 pro；Nike,Portland,OR,USA）：单只鞋质量310 g，鞋帮使用飞织科技，其高度为35 mm（图1b）。

低帮足球鞋（Vapor untouchable 3 TD；Nike,Portland,OR,USA）：单只鞋重300 g（图1c）。

本实验采用的三双足球鞋，鞋面技术都使用轻质的飞线技术，中底版均为全碳材质，鞋钉使用TPU材质且鞋钉结构和分布相同。

1.1.2 测试场地

测试场地为6.6 m×15.4 m 室内足球场，场地表面铺设高质量的人工草皮，其中混有细碎的椰子纤维壳和微小橡胶粒，使其更接近真实草坪的脚感。场地正中位置设有一个长为90 cm，宽为60 cm，深度为10.5 cm 的长方形浅坑，用以放置测力台。

1.1.3 三维动态捕捉系统

采用十台英国Oxford 公司生产的光学三维动态捕捉系统（Vantage 8；Vicon,Oxford,UK），采集受试者进行45°横跨步侧切时的下肢运动学数据，采样频率为200 Hz，其配套使用的marker 直径为14 mm。十台摄像头之间分别间隔2～3 m，并且距离实验场地中心位置4～6 m，从而将整个实验场包围在内（图2a）。

1.1.4 三维测力系统

采用瑞士奇石乐公司生产的三维测力台（60 cm ×90 cm ×10 cm，9287C，Kistler, Winterthur,Switzerland），采集45°横跨步侧切时由足冲击地面产生的地面反作用力，采样频率为1000 Hz。测力台被放置于足球场中心的浅坑中，（图2a）在测力台表面固定与实验场地相同草坪的框架（60 cm×90 cm×0.5 cm），结构如图2b，从而确保采集的动力力学数据与真实状态一致。

图2a 实验场地设置Fig.2a Experiment setup

图2b 足球场地三维测力台安装剖面示意图Fig.2b Force plate setup in this experiment

1.1.5 光学计时设备

采用2 台澳大利亚Fusion Sport 公司生产的红外光门计时系统（Smart speed PT Gate System,fusion sport，Australia）记录受试者通过固定距离（3 m）的时间。该设备放置于距离测力台1 m 的位置（图2a）。

1.2 测试方法和评价参数

1.2.1 测试方法

本研究中，14 位受试者：年龄（21.1±1.0）岁，身高（175.4±5.1）cm，体重（67.6±6.5）kg 需随机穿着3 种不同鞋帮类型足球鞋，成功完成3 次45°横跨步侧切运动，所有测试在同一天内完成。其具体步骤如下所示：

受试者来到实验室后，实验测试人员先向受试者介绍实验流程并询问受试者基本情况。随后，受试者被要求换上统一的运动袜和紧身服，按照随机表换上对应的足球鞋，以避免运动装备和测试顺序造成的影响。实验测试人员将39 个反光marker 点固定于受试者的下肢，标定点位于右/左尖峰、第七颈椎、右/左髂嵴、右/左髂前上棘、右/左髂后上棘、右/左股骨外上髁、右/左股骨内上髁、右/左腓骨头近端、右/左胫骨粗隆、右/左外踝外侧粗隆、右/左内踝内侧粗隆、右/左第五趾跖关节头、右/左第二趾跖关节头和右/左第一趾跖关节头，跟踪点以3 个为一组固定于右/左大腿外侧和右/左小腿外侧（图3）。

受试者进行5min 的慢跑热身，以适应反光marker，避免由于不习惯而对受试者运动造成影响。对于每双鞋，在正式收集数据之前，受试者可以尝试至少三次目标任务，以熟悉测试速度和路线。随后，在测试人员的指导下，受试者进行至少3 次45°横跨步侧切练习。在该任务中，受试者站于距离测力台右下角6 m 处，与测力台成145°，随后按照地面上标记的路线以(5±0.5)m/s 的速度冲向测力台完成45°横跨步侧切运动[15]。受试者需同时满足（1）达到规定速度；（2）右脚落于测力台的中心位置；（3）沿地面标记完成侧切动作；（4）maker 点数据完整才视为成功完成目标任务。每次测试之间受试者可以休息2 分钟，每双鞋之间受试者可以休息5 分钟，以消除疲劳对测试造成的影响。

1.2.2 评价参数

图3 反光marker 分布位置示意图Fig.3 Reflective marker set used in current study

运动学数据采用NEXUS 软件（Vicon, Oxford,UK）进行预处理，将处理完成的数据导出为C3D 文件。使用Visual3D 对运动学和测力台数据进行处理，采用四阶巴特沃兹低通滤波器，截止频率分别为10 Hz 和100 Hz。足部接触和离开测力台的阈值设置为20 N，其被定义为接触阶段。在本研究中，接触阶段三个平面的踝关节的运动学和动力学参数被计算（图4）。关节角度的计算被定义为远端环节相对与近端环节的运动；关节力矩通过逆向动力学计算获得。关节角度和力矩值为正定义为屈、外翻和内旋，负值被定义为伸、内翻和外旋。关节活动度（ROM）定义为最大屈（内翻和内旋）角度与最大伸（外翻和外旋）角度的绝对差异。运动学参数包括：（1）触地瞬间关节角度；（2）最大关节角度和（3）关节活动度。动力学参数为（1）触地瞬间关节力矩和（2）最大关节力矩，且用体重进行标准化。

图4 不同鞋帮类型足球鞋支撑阶段矢状面、额状面和水平面关节角度（A）和力矩（B）示意图，正值定义为屈、外翻和内旋，负值定义为伸、内翻和外旋Fig.4 Ensemble curve of sagittal, frontal and transverse planes ankle joint ankle and moment during the stance phase (time %)of different shoe collar types, positive value presents dorsiflexion,eversion and internal rotation; negative value presents plantarflexion, inversion and external rotation.

1.3 数据统计

使用 Kolmogorov-Smirnov测试检查所有数据是否符合正态分布。主体内单因素方差分析（one-way within-subject analyses of variance）用于评价穿着不同类型鞋帮足球鞋时，各参数之间的统计学差异。主体内效用存在显著性差异时，配对（Pairwise）事后分析被执行用以比较不同类型鞋帮足球鞋之间的统计学差异。随后，对配对比较的效应量（Cohen’s dz effect size）进行分析。各数据参数均以平均值±标准差表示，统计软件采用SPSS（21.0,IBM Inc.；Chicago,IL,USA），其中显著性水平α 设为0.05。

2 结果

Kolmogorov-Smirnov 统计结果显示所有数据均呈现正态分布。踝关节所有变量的平均值和标准差及其事后分析和效应量分别呈现在表1 和表2。分析主体内效应结果发现仅有最大踝关节屈曲角度（Wilks’s Λ=0.471,F2,28=3.807,p=0.034）和总的矢状面关节活动度（Wilks’s Λ=0.604,F2,28=3.91,p=0.047）表现为显著性差异。事后分析发现袜套鞋的峰值踝关节屈曲角度是显著性大于低帮鞋（p=0.001, dz=0.68）（表1）。此外，总的矢状面踝关节活动度表现为高帮鞋显著性小于低帮鞋（p=0.009,dz=0.61）（表1）。虽然其余变量均为显著性差异，但是中到大的效应量是被发现在水平面上（表1 和2）。

3 讨论

在本研究中，受试者需穿着三种不同鞋帮类型的足球鞋，分别成功完成3 次45°横跨步侧切任务。侧切支撑阶段时的踝关节运动学和动力学数据被采集并分析。从本研究的结果中，仅发现袜套鞋的峰值踝关节屈曲角度是显著性大于低帮鞋并且总的矢状面踝关节活动度表现为高帮鞋显著性小于低帮鞋。除此之外，通过效应量的分析，结果显示在矢状面上峰值关节角度和关节活动度在袜套和高帮鞋之间表现为中等效应量。在水平面上触地瞬间的关节角度和峰值关节角度在低帮和袜套鞋之间分别表现为中等和高效应量，峰值关节角度和力矩在低帮和高帮鞋之间表现为中效应量，关节活动度在袜套和高帮鞋之间也表现为中效应量。对比中或高效应量的数据可以进一步的发现在矢状面上，袜套鞋的峰值踝关节屈曲角度大于低帮和高帮鞋，低帮和袜套鞋的关节活动度大于高帮鞋；在水平面上，袜套鞋的外旋角度大于低帮鞋，高帮和袜套鞋的峰值外旋角度大于低帮鞋，高帮鞋的关节活动度小于袜套鞋并且低帮鞋的峰值外旋力矩大于高帮（图4）。因此，不同鞋帮类型的足球鞋会对踝关节的稳定性造成一定的影响。

表2 不同鞋帮类型踝关节动力学相关指标（单位：牛米/千克）的结果的比较Tab.2 Effect of shoe collar conditions on ankle kinetic variables (unit: Nm/kg) during 45°side-step cutting

本研究中在矢状面上的研究结果与Lam 等[15]的发现是一致的，对比受试者穿着高低帮篮球鞋进行横跨步侧切时踝关节运动学和动力学之间的差异，其结果发现高帮篮球鞋可以有效减少矢状面上的关节活动度，但是并不会对关节力矩造成影响。此外，本研究并未发现袜套鞋在限制踝关节矢状面关节活动度上的作用。虽然此前没有直接证据支撑本研究的发现，但是有研究发现高刚度的鞋帮在抑制踝关节屈伸关节活动度的能力显著性优于低刚度鞋帮的篮球鞋[19]。傅维杰等[18]也发现在进行双脚落地反跳和单脚跨步跳时，穿着高帮篮球鞋能够显著减小踝关节的背屈角度，但是也同时减小跖屈力矩和峰值功率。关于关节力矩的发现与我们的发现是不一致的，造成这种可能的主要原因是本研究中受试者需要完成横跨步侧切运动。落地反跳动作是以矢状面的运动为主，而本研究的动作则是以额状面和水平面运动为主。

横跨步侧切是一种高风险的动作，例如常运用于篮球、足球和手球等运动的变向和突破过人中，因此常被应用于评判运动损伤风险[20]。其是造成踝关节扭伤的第二大主要原因[21]。踝关节内翻位置与踝关节损伤有着一定的相关性，也就是说减小踝关节内翻角度可能有利于减少踝关节扭伤的风险[22]。分析本研究中内外翻相关的指标，并未发现有显著性差异，因此可能建议，不同鞋帮类型的足球鞋在进行侧切运动时，对运动损伤的预防没有效果。但是本研究的结果与其他学者的研究结果并不相一致。Ricard 等[13]和Pizac 等[14]使用内翻平台测试受试者在穿着高低帮足球鞋时踝关节的内翻角度，其结果发现高帮足球鞋可以有效的限制踝关节的内翻角度。Lam 等[15]和Liu 等[16]通过比较穿着高低帮篮球鞋时，受试者进行横跨步侧切时踝关节额状面运动学和动力学的相关参数，其发现较小的踝关节内翻角度和内翻活动度被发现在穿着高帮篮球鞋的情况下。进一步分析本研究，受试者的内外翻关节活动度的范围在16°～19°之间，其小于其它研究中发现的关节活动度的变化。因此，可能的原因是由于受试者穿着专业的足球鞋在高质量的人工草坪上进行本次实验，而足球鞋的鞋钉能够使得足部在草地坏境下有很好的稳定性，鞋面本身的强度就能够抑制4m/s 速度下进行侧向运动产生的剪切力，足以使得受试者产生较小的内翻角度。

Robinson 等[19]研究发现高帮篮球鞋可以有效的抑制踝关节过旋，从而限制侧切运动时踝关节的活动。此外，Lam 等[15]也发现了横跨步侧切时，在着地瞬间穿着高帮篮球鞋的受试者有更小的外旋角度。在本研究中，并未发现水平面上关节角度和力矩有显著性差异。但是，中和高的效应量也从一定程度上说明了高帮足球鞋能够有效的降低关节活动度和峰值外旋力矩。可能的原因是由于鞋帮高度和材料可以影响整鞋的弯折和变形能力，从而可能在一定程度上提高了踝关节在水平上的稳定性。

本研究的主要局限性在于仅选取了健康受试者进行测试，有否患有踝关节不稳定的受试者能够表现出更好的效果，需要在以后的实验中再进行验证。此外，本研究仅分析了踝关节的角度和力矩，而下肢作为一个运动链，踝关节的运动会影响膝关节和髋关节的运动，因此下肢各关节或环节的相关性也需要进一步进行分析。