不稳定鞋对下肢生物力学影响的研究进展

汤运启，任慧，邹利民，杜特刚，梁佩瑶，程诗哲

（1.陕西科技大学设计与艺术学院，陕西 西安 710021；2.井冈山大学体育学院，江西 吉安 343009；3.际华三五一三实业有限公司，陕西 西安 710068）

在行走或跑步过程中保持平衡稳定是人体神经肌肉骨骼系统的一项基本功能[1]。研究表明，鞋底结构可以影响人体在运动过程中的稳定性[2]。鞋子设计的初衷是为了保护人脚免受伤害并提高穿着的舒适性，但是鞋子在维持人体平衡稳定的同时，可能会使维持身体平衡的下肢肌肉减弱[3-4]。近年来，一种鞋底结构为弧形的鞋子在市场上颇受欢迎，这种鞋子由于其鞋底中部凸出，前后弧度较大，在运动时给人体带来一种不稳定的感觉，俗称不稳定鞋（Unstable shoe）或摇摆鞋（Rocker shoe）。目前比较流行的不稳定鞋鞋底结构主要包括前后不稳定结构、前后球状不稳定结构和内外侧不稳定结构[5]。本研究所指的不稳定鞋是鞋底为前后不稳定结构的鞋具。研究表明，不稳定鞋不仅具有健身功能，还具有一定治疗作用，可以改善人体控制平衡的能力[6]。

不稳定鞋的使用可以改变人体运动系统的运动学和动力学，从而更充分地调动运动系统。已有研究表明，行走时穿着不稳定鞋会对下肢生物力学产生显著影响[7-11]。一些研究表明，不稳定鞋可以使支撑早期踝关节跖屈减小[7]，推离期膝关节屈曲增加、髋关节伸展增大[9]。然而，Peterson 等的研究[11]发现，穿着不稳定鞋会导致支撑早期踝关节跖屈和活动度增加，推离期膝关节屈曲减少，而对髋关节运动学的影响较小。同时，也有研究发现，穿着不稳定鞋引起支撑早期踝关节跖屈力矩增大[8,11]，而踝关节峰值功率、膝关节和髋关节的屈曲力矩减小[10]，同时也会引起推离期踝关节跖屈力矩和峰值功率减小[11]。此外，Stewart 等人的研究[8]发现，穿着不稳定鞋可以降低足中部压力峰值21%，足跟处的压力峰值11%，但脚趾部位的压力值会增加76%。以上研究表明，不稳定鞋对人体下肢关节运动的影响比较复杂，目前尚未形成统一结论。

近期研究表明，穿不稳定鞋可以提高肌肉活动和关节的灵活性[9]，从而增强人体在静态和动态平衡姿势下的控制能力[12]。穿不稳定鞋行走时，足部和下肢肌肉的活动会被进一步激活，进而增强下肢关节的稳定性和平衡控制能力[4,13]。相较于普通的运动鞋，穿着不稳定鞋需要更多肌肉活动来控制运动，这可以有效改善本体感觉、增强肌肉力量以及提高身体对平衡的控制能力[8]。Ramstrand 等[14]对31 名妇女进行方向控制平衡测试，结果表明穿不稳定鞋可以显著提高方向控制平衡能力。除了姿势控制的改善，穿不稳定鞋还可以降低肌肉骨骼损伤发生率[6]。Nigg 等[4]对患有膝关节炎的患者进行了为期三个月的实验测试，结果表明穿不稳定鞋训练3 个月后，膝关节疼痛率减少了25%。

综上，不稳定鞋的弧形鞋底造型会对人体行走时下肢的运动特征和肌肉活动产生显著影响，近年来一直是运动生物力学研究的热点。但是，目前不稳定鞋对人体下肢生物力学的影响研究进展尚缺少系统的综述与评价。本研究通过文献调研的方法对近十年来国内外有关不稳定鞋的生物力学研究进行梳理，综述不稳定鞋对人体下肢的生物力学影响，以期为大众合理选用不稳定鞋，同时也为制鞋企业设计研发运动鞋提供理论参考。

1 文献检索与梳理方法

1.1 文献检索策略

本研究检索了Pubmed、Cochrane Library、Embase、Web of Science、CINAHL、Scopus 等英文数据库，英文检索词为：(“masai barefoot technology”)OR((“unstable”OR “rocker”OR “MBT”) AND (“shoe”OR“shoes”OR“footwear”))。检索了中国知网、万方和维普等中文数据库，中文检索词为：“不稳定鞋”OR“MBT 鞋”OR“摇摆鞋”。时间跨度为2012 年10月1 日～2022 年10 月1 日。

1.2 文献纳入排除标准

纳入标准：①研究变量是前后结构不稳定鞋；②结果指标包含步态参数、运动学、动力学或肌肉活动；③研究设计为随机对照实验、交叉对照实验或非随机对照实验。

排除标准：①会议论文；②个案研究文章；③综述论文；④评论性研究；⑤未经同行评议的研究论文；⑥硕博论文。

1.3 纳入文献质量评估

对所得文献采用佩德罗量表（PEDro）进行质量评估[15]，该量表有11 个条目，用于评估随机对照试验的内部效度和统计信息。除了与外部效度相关的项目1 不加分外，每个充分满足的项目都加1 分，最高分为10 分。文献质量评估由2 位研究者独立进行。若2位研究者的评价出现分歧，由第3 位研究者进行评价。最终质量分数小于3 分的文献被排除在外。

2 结果

文献检索筛选过程如图1 所示。依据上述关键词，通过检索Pubmed、Cochrane Library、Embase、Web of Science、中国知网、万方和维普等数据库，共检索到424 篇文献，其中英文文献393 篇、中文文献31 篇。去掉重复文献125 篇，获得中英文文献299 篇，其中英文文献282 篇，中文文献17 篇。之后对文献进行纳入排除标准筛选，获得中英文文献32篇，其中英文文献28 篇，中文文献4 篇。对得到的文献进行文献质量评估，最终纳入中英文文献14篇。纳入文献基本特征如表1 所示。

表1 纳入文献基本特征Tab.1 Basic characteristics of included literatures

图1 文献检索筛选过程Fig.1 Article retrieval and screening process

3 讨论

3.1 步态参数

纳入的文献中共有5 篇文献[18,20,22,24,27]涉及不稳定鞋对步态参数的影响，与普通鞋相比，穿着不稳定鞋会导致双支撑时间缩短，摆动期时间增长，但是步幅、步长、步速和步频等指标无显著性差异。弧形鞋底可以顺应足部活动，使足跟着地和足尖离地速度提高，快速过渡到下一个阶段，因此缩短了双支撑期时间[20]。尽管双支撑时间缩短会增加前后方向的不稳定性，但人体会利用自身的感觉机制来保持稳定，从而延长单支撑期调整自身稳定的时间[20]，增长了摆动期时间。然而，由于穿不稳定鞋的适应时间较短，足部未能及时适应鞋具变化，因此在步幅、步长、步速和步频等方面，穿不稳定鞋与穿普通鞋进行相似的运动，未对步态参数产生显著影响[18,20,22,24,27]。

3.2 运动学特征

在纳入的文献中，有7 篇研究探讨了不稳定鞋对下肢运动学特征的影响。多数研究发现，相较于普通鞋，穿不稳定鞋会导致膝关节的最大屈曲角度和矢状面活动度增加[19,24,26,27]，同时髋关节的最大伸展角度和矢状面活动度减小[22,24,26,27]。这些变化可能是由于不稳定鞋的弧形鞋头和鞋底弧线较长，从而导致膝关节的屈曲角度和矢状面活动度增加。同时，穿不稳定鞋行走时，髋关节的活动幅度会减小，这表明穿着不稳定鞋可以降低髋关节的活动[20,24,26,27]。

然而，对于不稳定鞋对踝关节运动学的影响，研究结果存在差异。一些研究[20,24,28]表明，相较于穿普通鞋，穿着不稳定鞋会导致踝关节的最大背屈角度、最大跖屈角度和矢状面活动度增加。这是因为不稳定鞋的前后方向弧形鞋底使得着地时刻的背屈角度和离地时刻的跖屈角度增加，从而导致踝关节矢状面活动度增加。然而，还有一些研究[22,27]发现，穿着不稳定鞋会降低初始触地时踝关节的背屈角度。这些研究结果的差异可能是由于不稳定鞋的前后跷角度不一致，导致踝关节反应的不同。有些研究所使用的鞋的前后跷角度比其他研究大，因此，在足部着地和离开地面前，不稳定鞋的鞋底形状会改变足底与地面间的绝对距离，进而使踝关节的背屈更明显[30]。

3.3 动力学特征

3.3.1 关节力矩

在纳入的文献中，有3 篇研究[19,22,24]探讨了不稳定鞋对关节力矩的影响。研究发现，相较于普通鞋，穿着不稳定鞋会增加膝关节伸展力矩，减小髋关节伸展力矩，但对踝关节力矩的影响存在争议。

具体而言，Nakagawa 等[19]、Sobhani 等[22]和Buchecker 等[24]的研究表明，穿着不稳定鞋会使膝关节伸展力矩增大。这可能是由于不稳定鞋的顶点位置相较于普通鞋更靠近足中部，将地面反作用力矢量的施加点转移到膝关节后方造成。这种影响可能会使膝关节处于过度使用伤害的风险中。因此，需要进一步研究以确定确切的机制和策略，以最大限度地减少这种负面影响[22]。另外，不稳定鞋可以通过改变运动学来改善髋关节动力学结果，因为髋关节伸展力矩减小与髋关节运动学结果最大伸展角度减小相互关联。

关于踝关节的影响，Sobhani 等[22]的研究表明，穿着不稳定鞋会使踝关节跖屈力矩增加。然而，Buchecker 等[24]的研究结果与之相反。造成这些不同结果的原因可能是测试用鞋不同导致的。Sobhani 等[22]所用的摇摆鞋的顶点位置在鞋长的53%处（靠近跖骨位置），而Buchecker 等[24]研究所用的不稳定鞋的顶点位置在鞋长的约70%处（靠近脚趾附近），不同的顶点位置影响地面反作用力作用于踝关节矢状面的力臂，所以可能造成结果不一致。此外，研究[31]表明，摇摆顶点越靠近中足，踝关节跖屈角度越大，踝关节跖屈力矩越大。

3.3.2 关节做功

纳入的文献中共有1 篇文献涉及到不稳定鞋对关节做功的影响，研究发现，穿着不稳定鞋相较于普通鞋，可以降低踝关节的正功和负功，但同时增加膝关节的正功、净功和髋关节的净功[22]。

Sobhani 等[22]认为，不稳定鞋减少了踝关节的能量吸收和产生，导致膝关节周围大肌肉群做功增加，从而使膝关节的正净功增加。然而，膝关节在跑步中的主要缓冲作用使其容易受伤[32]，增加膝关节的能量释放可能会增加其受伤风险。相比之下，弧形鞋底的改变可能会促使跑者调整其关节主导策略和动作，以达到最优化的能量和效率需求，进而可能导致髋关节做净功的增加。在跑步时，使用更长的弧形鞋底可能会增加下肢的能量需求，促使髋关节周围的大肌群更多地参与做功，从而增强髋关节周围肌肉的锻炼，提高整体运动能力。

3.3.3 地面反作用力

纳入的文献中共3 篇文献涉及到不稳定鞋对垂直地面反作用力的影响，但研究结果存在争议。Gu 等[28]和Sacco 等[29]的研究发现，与穿普通鞋相比，穿着不稳定鞋行走会产生更大的垂直地面反作用力，这表明肌肉骨骼系统的负荷增加。当处于足尖离地时期，身体重心移动至前支撑脚，后脚跟向后发力加速离开地面。此时，踝关节由背屈状态变为跖屈状态，需要比普通鞋在垂直方向上克服更大的力量。然而，Trama 等[17]的研究表明，不稳定鞋未显著影响垂直地面反作用力。这些研究结果的不同可能是由于标准化地面反作用力数值受到多种因素的影响，包括鞋类、地面材质、着地方式、行走速度和步幅等[33]。

3.3.4 足底压力

纳入的文献中共3 篇文献[20,21,23]涉及到不稳定鞋对足底压力的影响，研究发现穿着不稳定鞋会导致足底压力重新分布。具体地，不稳定鞋中足区域的接触面积、峰值压力和峰值压强大于普通鞋，而在前足区域和后跟区域的峰值压力则有不同程度的降低。这种足底压力分布的变化主要是因为不稳定鞋的鞋底中部呈弧形凸起状态，导致中足部位鞋底形变后迅速将地面反作用力传递到足弓区域，从而增大了中足区域的足底负荷。因此，足弓区域的接触面积、峰值压力和峰值压强均相应增加，而足底前掌和后跟的足底压力则减小。此外，Lin 等[20]的研究表明，鞋底材料越软的不稳定鞋足底峰值压力越小。相对而言，较硬的鞋底会导致足触地过程所受的压强和冲量增大，而较软鞋底的不稳定鞋则能够在行走过程中增加接触时间，从而缓冲足触地过程中的力，降低地面对人体的冲击力[20]。

3.4 肌肉活动特征

纳入的文献中共3 篇文献涉及到不稳定鞋对肌肉活动特征的影响，其中2 篇[17,29]发现短时间穿不稳定鞋未对下肢肌肉活动产生显著影响，另一篇研究[25]则发现长时间穿着不稳定鞋会增加下肢肌肉活动，使胫骨前肌、腓肠肌、股二头肌和股直肌的激活程度增大。

Trama 等[17]和Sacco 等[29]的研究均测试了没有穿过不稳定鞋的受试者，在短时间内适应不稳定鞋，穿上不稳定鞋行走时肌肉激活无显著变化。而Branthwaite 等[25]的研究发现，让受试者穿着不稳定鞋适应1 个月后，胫骨前肌、比目鱼肌和腓肠肌的肌肉活动显著增加，肌肉激活时间显著延长并且平均振幅显著增大。这说明长期穿着不稳定鞋会增加小腿肌肉的激活程度。由于不稳定鞋的弧形鞋底结构可以增大踝关节矢状面活动度，腓肠肌需要更大的收缩才能过渡到全脚掌支撑，这增加了肌肉持续收缩的时间，有利于蹬伸阶段的功率输出。同时，股二头肌在维持膝关节稳定方面有着重要作用，在穿不稳定鞋行走时，股二头肌的肌电活动显著增强，膝关节屈曲力量也增大。穿不稳定鞋行走时，股直肌和股二头肌的协同收缩作用加强，增大髋关节屈曲，同时在伸膝过程中稳定膝关节。因此，穿着不稳定鞋行走对于胫骨前肌力量不足、腓肠肌较短而导致腓肠肌拉伤、股二头肌训练不足易损伤，或者患有股直肌综合征的人群是一种理想的治疗手段。

此外，Stewart 等[8]的研究还发现穿不稳定鞋可以锻炼足部小肌肉群，促进慢肌纤维的增长，增强关节肌肉的稳定性，提高身体的平衡控制能力。类似地，Nigg[34]认为不稳定鞋的弧形结构会刺激足部更多的肌肉参与运动，从而维持身体平衡。因此，不稳定鞋的设计可以提高下肢肌肉收缩强度和频率，提高运动感知能力，进而增强对下肢的控制能力。

4 结论与建议

综述了不稳定鞋对人体下肢生物力学的影响，主要涉及步态参数、运动学、动力学和肌肉活动四个方面。相对于普通鞋，即刻穿着不稳定鞋会导致双支撑时间缩短，摆动期时间增长，膝关节最大屈曲角度和伸展力矩增加，髋关节最大伸展角度和伸展力矩减小，从而改变足底压力分布，增加中足区域的接触面积和峰值压强，减少前足和后跟区域的峰值压强。同时，长时间穿着不稳定鞋会增加下肢肌肉活动，提高胫骨前肌、腓肠肌、股二头肌和股直肌的激活程度。

建议大众在穿着不稳定鞋时，需要循序渐进，新手尤其需要注意使用的时间和频率，以最大程度地降低损伤风险。目前仍需进一步研究长时间穿着不稳定鞋对下肢生物力学的影响。建议未来在研究不稳定鞋的功能或治疗效果时，可以考虑不稳定鞋的特征，例如摇摆顶点和前后跷角度等因素，为不稳定鞋的结构设计提供可参考的数据。