青年非竞技运动员脚型研究

周捷 李健 马秋瑞

摘要： 针对青年非竞技运动员脚型研究较少的问题，文章利用三维人体足部测量技术，对122名18～35岁的女性和84名男性非竞技运动员进行脚型特点对比。采用主成分因子分析，将17项足部指标降维至4个独立和标准化变量，以提取的4个主成分为分类标准进行K-均值聚类，将男性脚型分为跖低足（39.29%）、低长足（25.00%）和跖高足（35.71%），女性脚型分为壮足（30.33%）、细足（36.06%）和高长足（33.61%）。此外，在以足长尺寸将脚型参数标准化后，还观察到脚型存在左右足及性别差异。研究结果可为运动鞋的设计和制作提供数据参考。

关键词： 非竞技运动员;三维扫描;脚型分类;性别差异;鞋类

Abstract： In view of the lack of research on foot shapes of young non-competitive athletes， the foot shape characteristics of 122 female and 84 male non-competitive athletes aged 18-35 were compared using 3D human foot measuring technique. Through principal component and factor analysis， 17 foot indexes were reduced to 4 independent and standardized variables. With the four principal components extracted as the classification criteria， K-means clustering was carried out， male foot shapes were divided into low plantar foot（39.29%）， low long foot（25.00%） and high plantar foot（35.71%）， while female foot shapes were divided into sturdy foot（30.33%）， slender foot（36.06%） and high long foot（33.61%）. In addition， after foot shape parameters were standardized by foot length， it was also observed that there were differences between left and right feet and genders. The research results can offer a data reference for the design and manufacture of sneakers.

Key words： non-competitive athletes; 3D scanning; classification of foot shapes; gender difference; footwear

人體足部承载着行走、负重及平衡身体等功能，负重足承受1.5～3.0倍人体体重的运动负荷[1-2]。定期参加体育锻炼后，足部因长期承受异常的足底压力，导致脚型可能会发生改变，并引发相关的足部疾病[3-5]。足部尺寸是鞋类设计的依据，长期穿着不合脚的运动鞋会引起足部疾病或运动损伤[6]。因此，研究体育锻炼较多人群的脚型特征，对鞋类选择、足病预防和临床治疗具有重要意义。

目前，大量学者对不同性别[7-8]、年龄[9-11]、群体[12-13]及运动习惯[14-16]的脚型进行了研究。这些研究为鞋类设计提供了有益的参考，但非竞技运动员脚型特征的研究尚未见报道。随着全民运动时间和运动强度的增加，非竞技运动员已成为一个不容忽视的特殊群体。脚型受运动习惯等因素影响，运动员与锻炼较少者的足部特征存在差异[5，17]。为了增加足部与地面的接触时间及提高训练效果，运动员通常拥有更长的肌肉束、脚趾及更短的跟腱力矩臂[5]。因此，普通的休闲鞋并不一定适用于非竞技运动员，不合脚的鞋类会影响其行走或跑步时的运动性能。为避免这个问题，在设计鞋楦时应考虑非竞技运动员与普通群体的足形特征差异。更重要的是，在现行的制鞋技术中，女鞋的设计制造大多以男鞋按一定比例缩小而来[18-19]。由于男女脚型存在明显差异，脚型的性别差异应给予更多的关注。

随着现代科技的发展，三维足部扫描技术被认为较传统的手工测量方法更精确、更可靠[20]。目前中国脚型资料尚不完备，利用三维扫描技术获取足部尺寸对脚型研究具有重要意义。尽管运动员的足形特征已被证明与普通人不同，但关于非竞技运动员（即休闲运动员）是否也具有相似的足形特征的信息却很少。基于此，本文采用三维足部扫描仪，探究青年非竞技运动员脚型特征及其差异，研究结果将为非竞技运动员鞋类设计提供数据参考，以提高跑鞋的合脚性、舒适性和跑步性能。

1 实 验

1.1 对 象

从国内体育院校及健身俱乐部中招募230名受试者作为实验对象，参照相关研究[9，11-13，21]，样本量符合数理统计要求。在招募受试者时，要求受试者均为汉族，无足部疾病或畸形，且每周至少参加2次不少于30～60 min的中等至高强度的定期训练[22-23]。

在230名受试者中，共有24名受试者由于数据缺失或明显的足部畸形而被取消资格，最终纳入84名男性（年龄（27.3±51）岁，身高（174±5.9） cm，体重（70.1±10.3） kg，体重指数（23.4±3.0） kg/m2）和122名女性（年龄（25.6±7.8）岁，身高（162.9±5.5） cm，体重（53.1±8.9） kg，体重指数（20.0±22） kg/m2）。所有程序获得受试者的书面知情同意。

1.2 测试仪器

采用LSF脚型三维扫描仪（深圳市精易迅科技有限公司），扫描精度≤1.0 mm，扫描单只足约10 s。受试者将裤腿挽至小腿中部以上，使不遮挡足踝部。测试时，要求被测人员身体保持正直，保证足部的直立状态，左右脚各测一次。足部测量姿势如图1所示。

1.3 测量指标

足部是一个不规则的曲面实体，测试指标众多。测量指标依据项目的实际需要，分别从长度：足长（L1）、第一跖趾关节长（L2）、第五跖趾关节长（L3）、第五足趾端点长（L4）和踵心位置长（L5）;宽度：基本宽度（W1）、第一跖趾里宽（W2）、踵心宽度和跖趾斜宽（W3）;围度：跖围（G1）、前跗骨围（G2）和兜根围（G3）及高度：拇指高（H1）、第一跖趾高（H2）、前跗骨高（H3）、外踝下缘高（H4）和足弓高（H5）4个方面提取17项指标，足部各尺寸测量方法如图2所示。

1.4 数据分析

采用SPSS 26.0数据分析软件，对各项目分别求均值及标准差，再将标准化数据以±3σ为依据进行筛选。依次对长度、宽度、围度和高度指标进行正态性检验，结果显示足部数据均服从正态分布（P>0.05）。采用独立样本T检验，进行组间对比，检验脚型数据是否存在显著性差异。通过主成分分析提取青年非竞技运动员的足部变量，采用K-均值聚类进行脚型分类。

2 结果与分析

2.1 鞋码分布

鞋码是指衡量人体脚型以便选配鞋的标准系统。图3展示了受试者鞋码在欧制鞋码类别中的分布情况。由图3可知，青年女性非竞技运动员鞋码分布范围是34～39码，尤以36和37码居多（经计算占比66.4%）;而青年男性非竞技运动员鞋码分布范围是39～44码，以41、42和43码居多（经计算占比66.6%）。

2.2 脚型参数特征

青年非竞技运动员脚型指标数据的平均值及标准差见表1。表1结果显示：1）男性17个脚型指标的平均值及标准差均明显大于女性，即男性骨骼发育程度及差异性大于女性;2）女性在第一跖趾里宽（P<0.001）、兜跟围（P<0.01）和外踝下缘高（P<0.05）存在显著性差异，即女性在以上指标的发育情况差异较大;3）男性所有足部指标均不存在显著性差异，即男性在成长过程中双脚发育情况比较一致。

2.3 主成分分析

通过主成分分析提取主要特征参数来描述脚型差异，对17项脚型指标进行KMO和Barlette球度检验。结果显示，男性脚型指标的KMO值为0.830（>0.6），Barlette球度检验的Sig.值为0.000（<0.05）;女性脚型指标的KMO值为0.740（>0.6），Barlette球度检验的Sig.值为0.000（<0.05），即足部数据适用于主成分分析且效果较好[24]。

在SPSS 26.0软件中以主成分法提取因子，青年非竞技运动员脚型数据的主成分结果见表2。按特征值大于1和累计贡献率大于70%的原则，提取4个主成分。男性累计方差贡献率达到77.895%，女性累计方差贡献率达到75.528%，即4个主成分构成的信息足以反映原来变量的大部分信息[21]。对于男性，第1主成分F1包含L1、L2、L3、L4和L5指标，称为足长度因子，是用于描述人体足部长短的指标;第2主成分F2包含W1、W3、G1和G2指标，称为足躯干因子，是用于描述人体足部形态特征的指标;第3主成分F3包含H3、H4和H5指标，称为足高度因子，是用于描述人体足部高低的指标;第4主成分F4包含H2指标，称为跖趾高因子，是用于描述第一跖趾高低的指标。同样，对于女性，本文也依据主成分结果将女性4个主成分依次命名为足长度因子、足躯干因子、足宽度因子和足高度因子。

2.4 脚型分类

分类数的确定是脚型分类的基础。本文参照文献[7，10]的脚型分类方法，以因子分析提取的4个主成分为聚类指标，聚类数定为3进行K-均值聚类。青年非竞技运动员的脚型分型特征见图4。

为了便于描述脚型特征，以女性脚型为例，根据3种脚型在足长度因子、足躯干因子、足宽度因子和足高度因子方面的Z值得分情况，将脚型分别命名为壮足、细足和高长足。女性脚型的特征概括如下：

1）壯足（n=37，30.33%）：壮足的足宽度因子较大，Z值达到为0.840;足高度因子非常小，Z值仅为-0.499。即足长较短，基本宽度和足躯干较大，足弓非常低。

2）细足（n=44，36.06%）：细足在3种脚型中所占比例最多。细足的足长度因子、足躯干因子、足宽度因子和足高度因子非常小，Z值均为负值。即足长较短、足躯干较细、脚掌宽度较窄和足高度较低。

3）高长足（n=41，33.61%）：高长足的足长度因子和足高度因子的Z值为正值，分别为0.612和0.771;足宽度因子的Z值非常小，仅为-0.367。即足长度较大，足躯干和基本宽度较窄，足弓高度非常高。

同样的，根据男性脚型在足长度因子、足躯干因子、足高度因子和跖趾高因子方面的Z值得分情况，将脚型分别命名为跖低足（n=33，39.29%）、低长足（n=21，25.00%）和跖高足（n=30，35.71%）。

在进行脚型分类后，不同脚型在整个男女鞋码范围内的分布规律如图5所示。从图5可知，男性脚型鞋码相差4～5个，而女性脚型鞋码相差均为4个。男性跖高足和跖低足均以41码居多，男低长足以43码最多;女性壮足和高长足均以37码居多，女细足以36码最多。这样可以减少鞋码分级数量，并提供基于脚型的鞋码尺寸。因此，鞋类制造商可将这些结果应用于鞋码分级中，以获得更好的适应性和降低成本。

3 讨 论

本文分析了中国青年非竞技运动员的脚型特征，研究结果符合生理学常识，为鞋类设计提供了一定的启示。文献[19]指出，脚型指标通过足长尺寸完成标准化后，男女脚型指标存在显著性差异。为了比较脚型的性别差异及左右足差异，数据标准化是非常必要的。然而，本文是以绝对尺寸为依据探讨脚型特征，对标准化后的相对尺寸数据是否存在显著的性别差异及左右足差异，还有待深入探讨。本文采用的标准化处理公式[10]：

标准化长度/%=长度/足长×100（1）

标准化宽度/%=宽度/足长×100（2）

标准化围度/%=围度/足长×100（3）

标准化高度/%=高度/足长×100（4）

3.1 脚型的性别差异

将17项脚型特征参数按照统计学原理进行计算，得到18～35岁青年非竞技运动员足部尺寸的平均值、标准差和显著性。脚型参数标准化后性别间的差异见图6。

由图6可知，男女脚型存在显著的性别差异，且男性大多数指标对应数据显著大于女性，这与文献[8，10]结论一致。在右足中，青年男女非竞技运动员在第一跖趾里宽、前跗骨围和前跗骨高指标上，两者的差异具有统计学意义（P<0.05），余下指标间的比较未有显著性差异;在左足中，青年男女非竞技运动员在前跗骨围和前跗骨高指标上，两者的差异具有统计学意义（P<0.05），余下指标间的比较未有显著性差异。这说明男女的脚型差异不仅体现在尺寸的绝对值上，足长也会影响足部参数，分析认为这与男女骨骼发育程度及发育成熟时间不同有关。

3.2 脚型的左右足差异

文献[25]指出，正常青年的左右足在运动生物力学参数方面存在各种差异。然而，双脚形态之间是否完全对称或不存在显著性差异，尚未见这方面的报道。为进一步比较脚型的左右足差异，脚型参数标准化后左右足间的差异见图7。

由图7可知，经足长尺寸对其他指标作标准化后，男女脚型存在显著的左右足差异，且女性左右足差异大于男性。在男性中，脚型仅在第五跖趾关节长指标上，两者的差异具有统计学意义（P<0.05），余下指标间的比较未有显著性差异;在女性中，脚型在第一跖趾关节长、第五跖趾关节长、第五足趾端点长、第一跖趾里宽、拇指高和外踝下缘高指标上，两者的差异具有统计学意义（P<0.05），余下指标间的比较未有显著性差异。也就是说，由于运动员长期依赖特定脚进行训练的职业特点，可能造成左右足发育情况并非完全一致[26]。因此，在设计男鞋时只需考虑第五跖趾关节长指标的左右足差异，而设计女鞋时应考虑第一跖趾关节长、第五跖趾关节长、第五足趾端点长、第一跖趾里宽、拇指高和外踝下缘高指标的左右足差异。

3.3 非竞技运动员与普通群体的脚型差异

为说明非竞技运动员与普通人足部的差异，本文将测量数据与文献[27]中的脚长和跖围指标数据进行对比，足部数据分布情况见表3。由表3可知，青年非竞技运动员男女脚长均值较普通人脚型的均值略微减小，通过标准差的对比可知，本文研究的脚长在离散程度上表现更为集中，但不同脚型间存在较大差异;而青年非竞技运动员男女跖围均值较普通人脚型的均值增加约10 mm，这说明非竞技运动员较普通人脚型更为强壮。从标准差及全距的差距可知，青年非竞技运动员群体跖围的分散度较普通人脚型分散度有所减小。

综上所述，青年非竞技运动员脚型存在着显著的性别及左右足差异，且与普通群体的脚型也存在差异。因此，在运动鞋设计时以男鞋缩放代替女鞋及忽略左右足型差异的做法是不科学的[18-19]，这会损害鞋类舒适度及增加运动损伤的风险。同时，非竞技运动员鞋类设计也应考虑到与普通群體的脚型差异。在后续研究中，应扩大研究样本量以增强研究的可靠性，更好地认识青年非竞技运动员这类特殊群体的脚型特征。

4 结 论

通过对122名18～35岁的女性和84名男性非竞技运动员进行脚型特点对比分析，研究结果可为运动鞋的设计和制作提供数据参考。本文结论如下：

1）男性的17项脚型指标的平均值和标准差均明显大于女性，男女骨骼发育程度存在差异，且男性骨骼发育差异性大于女性。同时，非竞技运动员脚型与普通群体的脚型也存在差异。

2）男性脚型包括跖低足（39.29%）、低长足（25.00%）和跖高足（35.71%），脚型变量能以足长度因子、足躯干因子、足高度因子和跖趾高因子代替;女性脚型包括壮足（30.33%）、细足（36.06%）和高长足（33.61%），脚型变量能以足长度、足躯干、足宽度和足高度因子代替。

3）经脚型参数标准化后，青年非竞技运动员脚型存在显著的性别及左右足差异。在鞋类设计时，应重点考虑在第五跖趾关节长、第一跖趾里宽、前跗骨围及前跗骨高等指标脚型差异，以保证鞋子的合脚性。

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