护踝抗扭转功能鞋靴的运动稳定性测试

2022-03-22弓太生郭思逸高倩郭永刚吴婷

皮革科学与工程 2022年2期

弓太生，郭思逸，高倩，郭永刚，吴婷

（1.陕西科技大学设计与艺术学院，陕西西安 710021；2.陕西科技大学轻化工程国家级实验教学示范中心，陕西西安 710021；3.际华三五一五皮革皮鞋有限公司，河南漯河 462000）

踝关节是人体负重最大的屈戍关节，踝关节扭伤是日常生活中最易发生的运动损伤问题，占所有运动损伤的10%～30%。足部内翻是造成踝关节扭伤最为常见原因，占所有踝关节损伤70%～85%[1-2]。对大多数人来说，日常行走过程中踩到异物可能会致使足部外侧先落地造成踝关节内翻，过度内翻会导致踝关节扭伤，引起踝关节肿痛，严重时会影响行走并产生高额的医疗费用；对于运动员和运动爱好者来说，踝关节扭伤会延误训练进程甚至影响职业生涯[2-4]；对于部队官兵来说，踝关节扭伤会影响单兵作战能力进而影响部队战斗能力[2,5]。

为保护踝关节，部分研究设计了松紧度可调节的踝关节支持护具用以预防和减少足踝韧带损伤问题的发生。东华大学的关国平等[6]对国内外踝护具研究进展进行综述，依据弹性将踝护具分为弹性护踝和半刚性护踝两类，指出目前已有的踝护具可以减小内踝外翻角度，对运动防护和损伤后康复愈合都有显著效果，但在舒适性和保护程度等方面仍有提升空间。对于已经发生的踝关节损伤问题，医学上常采用贴扎、佩戴护具或支持带包扎固定的方式进行治疗[7]，其中踝护具效果最好且价格最低，仅为贴扎的三分之一[6,8-11]。

依据上述研究现状，针对在运动竞技和部队训练中频发的踝关节扭伤等足踝韧带损伤问题，本研究将护踝抗扭转结构设计在鞋靴上，制作具有不同护踝抗扭转结构的功能鞋靴，并对每双鞋靴的运动稳定性进行测试，从运动生物力学的角度研究各护踝抗扭转结构对受试者足踝部的影响。

1 鞋靴护踝抗扭转功能的探索研究

人在运动过程中穿着的鞋靴内转、外转所需的扭矩越大，其抵抗脚形变的能力就越强，可以起到降低旋转速度和旋转角度的作用，从而保护脚踝的正常活动，达到预防运动过程中踝关节损伤的目的。为探究影响鞋靴护踝抗扭转性能的具体结构，选取篮球鞋、登山鞋、作训鞋（15 式）、作战靴（17式）等四款鞋靴，进行护踝抗扭转结构的探索研究。参照国家标准《GB/T 32024-2015 鞋类整鞋试验方法扭转性能》[12]，用成鞋扭转试验机测试四款鞋靴的抗扭转性能，设置参数为扭转速度300°/min，纵向轴内转（30.0±0.5）°，外转（30.0±0.5）°，测试结果见表1。

表1 抗扭转测试结果汇总Tab.1 Results of anti-torsion test

由表1，对四款鞋靴进行成鞋抗扭转性能测试发现，具有足弓处碳纤维支撑板的篮球鞋和具有双向踝关节弯曲设计的登山鞋在相同条件下内、外转扭矩较大，作训鞋内、外转扭矩最小。

鞋靴抗扭转性能与其自身抗扭转系统有着直接联系，本次测试四款鞋靴因其各自功能不同，抗扭转系统也有所不同。对试验选取的四双鞋靴结构特点进行分析，与其他试验鞋相比，篮球鞋具有丰富的抗扭转系统和优质的抗扭转材质，后跟环绕的TPU 支撑板与足弓处的碳纤维支撑板均为及具代表性的抗扭转结构，为整双鞋提供很好的稳定支撑和平衡性；登山鞋拥有双向踝关节弯曲设计，脚踝发泡材料实现包裹效果，中底两种不同密度发泡材料组合实现缓震支撑效果；作战靴以双密度鞋底提供缓冲减震功能，鞋靴内踝两侧设计护踝软垫以保护足部，鞋跟外侧设计防磨损硬块，增强抓地力；作训鞋足弓安全防扭系统能够防止扭伤，起到保护踝关节的作用，但本次测试未表现出优异的抗扭转性能，推测低帮结构影响了作训鞋稳定性。

根据预模拟试验结论及试验分析，初步推测影响鞋靴抗扭转性能的主要因素为合理的踝关节保护结构和足弓处碳纤维板结构。

2 试验鞋靴及运动稳定性测试

将足弓碳纤维板和踝关节保护绑带两种结构排列组合，运用到护踝抗扭转功能鞋靴的设计中，设计并制作出四双具有不同护踝抗扭转结构的功能鞋靴。足弓处碳纤维板结构设计如图1（a）所示，制作材料为3 mm 碳纤维板，长度约18 cm；踝关节保护绑带结构设计如图1（b）所示，制作材料为超纤皮革，绑带宽2.5 cm。

图1 足弓碳纤维板和踝关节保护绑带结构

2.1 试验鞋靴

试验设计制作出的四双具有不同护踝抗扭转结构的功能鞋靴（男鞋255 码），结构如下：款式1有碳板有绑带、款式2 无碳板有绑带、款式3 无碳板无绑带、款式4 有碳板无绑带。

2.2 运动稳定性测试

2.2.1 受试者选取

随机选取10 名在校男大学生为受试者，受试者身体状况良好，无足踝损伤史，优势腿均为右腿，近12 个月内没有发生过下肢肌肉损伤，年龄（22±2.5）岁，身高（175.6±4.5）cm，体重（69.8±8.1）kg，脚长（258±5.2）mm，体重指数（BMI，body mass index）为20.64±1.85。

2.2.2 试验材料及仪器设备

试验材料：试验用贴身运动服、纯棉袜子、荧光标记点、医用酒精棉球、医用透气胶带、医学敷料等。

测试用仪器设备：身高体重测量仪、脚型测量仪、Footscan 足底压力测试系统、Kistler 三维测力台、Motive 三维运动捕捉系统、60 cm 高跳台。

2.2.3 试验步骤

在受试者相应的体表解剖位置上粘贴35 个荧光标记点，标记点位置名称及对应数量见表2。

表2 标记点名称及位置Tab.2 Name and location of marking points

由标记点建立人体下肢骨骼模型，模型包含盆骨、左右股骨、左右小腿、左右足7 个部分。每次测试之前须对受试者的静态数据进行采集：受试者双脚与肩同宽直立于三维测力台上，双手抱肩目视前方保持静止不动，观察仪器上荧光标记点的个数为35 个。每名受试者分别穿着四双具有不同护踝抗扭转结构的功能鞋靴进行45°侧切运动和60 cm 跳台运动两种测试动作，采集试验数据，研究足弓处碳纤维板结构和踝关节保护绑带结构对鞋靴运动稳定性的影响。

2.2.4 测试方法

（1）测试一：45°侧切运动试验

受试者从起点开始沿着地面标记的轨迹运动，在距离测力台4 m 处直线加速，右脚踏在测力台中心，随后向原运动方向左侧45°方向上做侧切动作，3 m 后奔跑动作停止。试验过程中受试者无需做任何步伐调整，右脚完全踏在三维测力台上视为一次有效的数据收集，见图2。

图2 45°侧切运动试验

（2）测试二：60 cm 跳台运动

受试者双手抱肩静止站立于60 cm 高的跳台上，双脚与肩同宽，保持躯干尽可能静止的状态下，优势腿向前迈出，由60 cm 高的跳台上无初速度跳下跳台。试验要求受试者双脚同时着地，落地后右脚落在三维测力台之上，左脚落在三维测力台之外，见图3。

图3 60 cm 跳台运动试验

2.3 数据采集与处理

采集四双具有不同护踝抗扭转结构的功能鞋靴在两种动作下的运动生物力学数据，每双测试鞋靴、每个动作需采集三条有效数据。对丢失的荧光标记追踪点，使用Motive 三维运动捕捉系统，以各个部位上的刚体追踪点作为参考点，运用刚体模型补点（Rigid Body Fill）方式对采集到的试验数据进行补点。运用Visual 3D v6 Professional 软件对数据进行处理并建立静态骨骼模型。

所有躯干局部坐标系都遵循右手原则，运用软件GraphPad Prism 8 按照XYZ 的旋转方式[13-14]，计算每位受试者右侧踝关节在整个支撑期内三维踝关节角度和踝关节力矩，踝关节角度定义为小腿坐标系和虚拟足坐标系之间的欧拉角，围绕X 轴，获得跖屈背屈角及角速度（正值为背屈、负值为跖屈），围绕Y 轴旋转，获得内翻外翻角及角速度（正值为内翻、负值为外翻），围绕Z 轴旋转，获得内旋外旋角及角速度（正值为内旋、负值为外旋）[15]。

使用双因素重复测量方差分析，研究足弓处碳纤维板结构和踝关节保护绑带结构对受试者下肢生物力学上的影响。对有交互作用的指标进行简单效应分析做进一步的统计分析，对主效应有显著性差异的指标使用图基检验（Tukey’s post-hoc）进行事后检验，显著性水平设为0.05。

3 结果与讨论

45°侧切运动下足弓处碳纤维板和踝关节保护绑带结构对踝关节角度及力矩的影响见表3，60 cm跳台运动下足弓处碳纤维板和踝关节保护绑带结构对踝关节角度及力矩的影响见表4。

表3 45°侧切运动下碳板和绑带对踝关节角度及力矩的影响（）Tab.3 Effect of the ankle protectors and torsion resistant structure on the angle and torque of the ankle joint during 45° side-cut motion

1）代表具有统计学意义（P ＜0.05）

表4 60 cm 跳台运动下碳板和绑带对踝关节角度及力矩的影响（）Tab.4 Effect of the ankle protectors and torsion resistant structure on the angle and torque of the ankle joint during 60 cm jump motion

1）代表具有统计学意义（P ＜0.05）

3.1 45°侧切运动测试结果分析

3.1.1 X轴方向踝关节角度

45°侧切运动在X 轴方向上的最大踝关节角度见图4。由图4，与踝关节保护绑带相比，足弓处碳纤维板对踝关节触地时关节角度的影响更为显著。经统计学计算，足弓处碳纤维板和踝关节保护绑带均对踝关节触地时关节角度的影响具有统计学意义（P=0.031，P=0.013）。根据事后检验，与踝关节保护绑带结构相比，足弓处碳纤维板结构可以减小踝关节背屈角度（总变异百分比为2.448），进而提升踝关节在矢状面上的稳定性。

图4 45°侧切运动X 轴最大踝关节角度

3.1.2 X轴方向踝关节力矩

45°侧切运动在X 轴方向上最小踝关节力矩见图5。由图5，足弓处碳纤维板和踝关节保护绑带结构均对踝关节触地时的关节力矩造成影响。经统计学计算，足弓处碳纤维板对踝关节触地时关节力矩的影响具有统计学意义，P=0.027；踝关节保护绑带对踝关节触地时关节力矩的影响未见统计学意义，P=0.782。根据事后检验，足弓处碳纤维板结构可以减小踝关节跖屈力矩（总变异百分比为1.215），进而提升踝关节在X 轴上的稳定性[16]。

图5 45°侧切运动X 轴最小踝关节力矩

此外，经统计学计算，当受试者做45°侧切运动时，在Y 轴与Z 轴方向上，踝关节角度、踝关节力矩的P值均大于0.05，未见统计学意义。

3.2 60 cm跳台运动测试结果分析

Y 轴方向踝关节角度。60 cm 跳台运动在Y 轴方向上最大踝关节角度见图6。由图6 可知，足弓处碳纤维板结构和踝关节保护绑带结构均能够减小人体在跳跃运动时踝关节在Y 轴方向上的内翻角度，其中踝关节保护绑带结构在Y 轴上对踝关节触地时关节角度造成显著影响。经统计学计算，踝关节保护绑带对触地时踝关节角度的影响具有统计学意义，P=0.009；足弓处碳纤维板在Y 轴方向上对触地时踝关节角度的影响未见统计学意义，P=0.854。根据事后检验，踝关节保护绑带结构减小了踝关节内翻角度（总变异百分比为3.046），可以起到降低踝关节扭伤风险的作用[17-18]。

图6 60 cm 跳台Y 轴最大踝关节角度

此外，经统计学计算，当受试者做60 cm 跳台运动时，在X 轴与Z 轴方向上，踝关节角度的P值均大于0.05，未见统计学意义；在X 轴、Y 轴和Z 轴方向上，踝关节力矩的P 值均大于0.05，未见统计学意义。

3.3 讨论

测试结果表明，45°侧切运动中，受试者在穿戴有足弓处碳纤维板结构的鞋靴后，踝关节X 轴方向上背屈角度减小、跖屈力矩缩短。上海体育学院的傅维杰等[19]对Nike NEXT%跑鞋升级款ZoomX 中底结构进行分析，以其原型跑鞋Nike Vaporfly 为主要研究对象探究跑鞋对人体下肢生物力学的影响，对Hoogkamer、Zhu 等人[20-22]的研究进行了综述，总结出碳纤维板结构的介入可以增加跑鞋的纵向屈曲刚度，穿着含碳纤维板结构的硬底鞋增加了相邻踝关节的杠杆作用，且在保持站姿过程中踝关节背屈的峰值较少，这与本研究提出的结论相符。

本研究中受试者在进行45°侧切运动时，碳板和绑带结构在Y 轴与Z 轴方向上对踝关节角度、踝关节力矩均未见显著性差异，这与试验预期不符。研究文献发现，北京体育大学的赵承坤等人[23]在进行侧切试验时发现，穿戴踝关节护具的受试者最大背屈角度显著小于空白组（P＜0.05），踝关节最大内翻角度和踝关节最大外翻力矩显著大于空白组（P＜0.05），但贴扎组的最大内翻角度明显小于空白组（P＜0.05）和护具组（P＜0.05）。出现上述实验结果可能是由于实验采用的护具不能很好的限制踝关节活动，同时，不同保护措施在同一测试条件下进行同一测试动作出现不同结果，虽然实验过程护具组足内翻角度并不足以造成受试者踝关节扭伤，但也说明进行运动时应该根据运动动作的具体情况选用不同结构的踝关节保护措施[24]，否则非但不能起到保护作用，可能还会增大扭伤风险。基于此，推测本试验中45°侧切运动在Y 轴与Z 轴方向上未见显著性差异可能有以下三点原因：一是受场地影响，受试者每次进行进行侧切运动时动作和角度不能保证完全一致，对实验数据造成了影响；二是受试者穿戴试验装置进行侧切运动时，受心理因素影响，在踏上测力板时可能会下意识改变运动策略，造成试验误差；三是推测本研究设计的鞋靴碳板刚性过大，绑带调节过紧，束缚程度过大，限制了关节活动度。此外，为保护受试者，本研究未采用侧向内翻倾斜的测力板设计踝关节扭伤风险更大的试验动作，因而测试结果可能不能很好的表征碳板和绑带结构的护踝抗扭转性能。

60 cm 跳台运动中，受试者在穿戴有踝关节保护绑带结构的鞋靴后，踝关节Y 轴方向上内翻角度减小。这可能是由于足弓处碳纤维板结构使得人脚在落地时，脚掌和脚跟处的受力相对均衡，减小了脚掌与后跟之间的受力差；而踝关节保护绑带对足部踝关节有固定和包覆作用，可以较好的将踝关节周围的肌肉群加以束缚，将踝关节周围的肌肉、肌腱、韧带的状态协调统一，并对踝关节予以额外支持，减少了跳跃落地时韧带伸展过快而导致的踝关节损伤发生[1]。此外，南京体育学院的冯雷等[25]设计了一种预防足内翻的支持带篮球鞋，测试发现与无支持带篮球鞋相比，有支持带篮球鞋于地面或斜面落地时均能减小踝关节内收和内旋角度，在维持踝关节稳定性上表现出一定优势；三六一度有限公司的魏书涛等[18-19]也在研究中指出“减小踝关节内翻角度可能有利于减少踝关节扭伤的风险”。本研究提出的踝关节保护绑带结构对踝关节角度的影响与上述学者研究中提到的有利于维持或增强踝关节稳定性的数据规律相吻合，由此证明本研究设计的踝关节保护绑带结构对踝关节稳定性有一定提升作用，能够降低踝关节扭伤风险，并于X、Y 轴的方向上对踝关节起到较好的保护作用。