登山鞋上坡行走的足底壓力特征研究

蔣 超，沈文文，李建設(shè)，顧耀東

(1.寧波大學(xué) 體育學(xué)院，浙江 寧波 315211；2.浙江體育職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311231)

登山鞋上坡行走的足底壓力特征研究

蔣 超1，沈文文1，李建設(shè)2，顧耀東1

(1.寧波大學(xué) 體育學(xué)院，浙江 寧波 315211；2.浙江體育職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311231)

探索穿登山鞋平地與斜坡行走時足底壓力分布趨勢變化，以及登山運動中出現(xiàn)的損傷的生物力學(xué)機理。實驗被試平地和斜坡上坡以正常步速行走下記錄3個步態(tài)周期的足底壓力數(shù)據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)上坡行走時，M-H、MF-M、MF-L、FF-M、BT與OT的FTI值都顯著大于平地行走(plt;0.05)，而FF-L分區(qū)相反(plt;0.05)，L-H分區(qū)相近。與平地行走相比，上坡時足底最大受力點往前內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)移，最大峰值壓強出現(xiàn)在BT、FF-M，而足跟區(qū)的峰值壓強明顯減小。穿登山鞋平地與上坡行走之間的足底壓力分布差異性明顯，上坡時足前部顯著增加的沖擊力給予鞋具設(shè)計者們一個較清晰的設(shè)計重點。

登山鞋；峰值壓強；足底壓力。

從20世紀60年代開始，登山運動愛好者迅速增長，阿爾卑斯式登山每年增加幾千個登山者[1]。登山運動的普及使其愛好者在運動中出現(xiàn)損傷的可能性大大增加，如擦傷、肌肉拉傷、踝關(guān)節(jié)扭傷、骨折等在登山運動中經(jīng)常出現(xiàn)[2-4]。Leroux等[5]認為人體在斜坡上行走時主要依靠身體軀干和骨盆的移動來維持身體重心的穩(wěn)定。登山運動裝備的質(zhì)量和性能對提高登山運動的水平是非常重要的。Anderson等[1]證實了減輕登山裝備重量可以降低損傷的發(fā)生率，并初步研究了鞋子硬度與損傷的關(guān)系。但是對于專業(yè)登山鞋的生物力學(xué)研究甚少。因此，本研究的目的在于探索穿登山鞋平地與斜坡行走時足底壓力分布趨勢變化，以及登山運動中出現(xiàn)的損傷的生物力學(xué)機理，為登山鞋具設(shè)計師們提供一定的理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1實驗對象

實驗受試者共25名女性，足的大小分別為37碼，適合實驗所提供的登山鞋(圖1A)，平均23.88±1.65周歲，平均身高162.00±3.30cm，平均體重52.19±3.68kg。身體健康，無臨床病史，足部發(fā)育正常，無足病與運動性障礙，行走方式均為腳跟-腳趾型(Heel-Toe)，實驗前48h無劇烈運動。

圖1 實驗所用鞋具(A)和足底分區(qū)(B)

1.2實驗方法

實驗測試在平地和斜坡(坡度為20°)上讓被試以正常步速行走，同時記錄足底壓力數(shù)據(jù)。實驗時，將壓力鞋墊置于所要測試的鞋內(nèi)，并通過數(shù)據(jù)線與系于被試腰間的信號轉(zhuǎn)換盒連接，然后通過藍牙傳輸與計算機相連，在計算機操作界面上，對實驗數(shù)據(jù)進行記錄和轉(zhuǎn)換，同時根據(jù)圖像與信號的變化，監(jiān)控被試的行走步態(tài)，并給予及時的反饋與糾正。實驗被試平地和斜坡上坡各行走3次，每次采集3個步態(tài)周期的數(shù)據(jù)。

1.3實驗儀器

足底壓力測量是步態(tài)分析、臨床足疾診療和運動鞋設(shè)計等領(lǐng)域最重要的應(yīng)用技術(shù)，也是生物力學(xué)研究的得力工具[6]。本實驗采用Novel Pedar insole system(Novel公司，德國)，該系統(tǒng)可以反映靜止狀態(tài)和運動狀態(tài)下的足底壓力分布情況和受力分布范圍大小情況。Novel Pedar是一種垂直壓力測量系統(tǒng)，壓力鞋墊根據(jù)被試的尺碼大小可以選擇，本實驗中所用的鞋墊大小為37碼，鞋墊厚度為2.6mm，分布了99個矩形壓力傳感器，壓力鞋墊的測量頻率為100Hz。實驗所用的壓力鞋墊在實驗前都通過壓力標定系統(tǒng)對0-60N/cm范圍內(nèi)的壓力值進行標定，確保實驗數(shù)據(jù)的準確性。

1.4數(shù)據(jù)處理

實驗記錄了雙足的足底壓力數(shù)據(jù)，但本研究只選擇右足的數(shù)據(jù)進行分析。并且把壓力鞋墊分成了8個區(qū)域(圖1B)：足后跟內(nèi)側(cè)(Medial Heel (M-H))、足后跟外側(cè)(Lateral Heel: L-H)、足中部內(nèi)側(cè)(Medial Mid-Foot (MF-M))、足中部外側(cè)(Lateral Mid-Foot (MF-L))、足前部內(nèi)側(cè)(Medial Forefoot: FF-M)、足前部外側(cè)(Lateral Forefoot: FF-L)、大腳趾區(qū)(Big Toe: BT)、其他腳趾區(qū)(Other Toe: OT)。選擇每次行走步態(tài)中最穩(wěn)定的一個步態(tài)周期，手動輸出各分區(qū)峰值壓強(Peak Pressure: PP)和力-時間積分(Force-time Integral: FTI)的值，并用配對樣本t檢驗來確定這些數(shù)據(jù)是否具有顯著性差異。數(shù)據(jù)分析用SPSS19.0統(tǒng)計軟件進行。

2 結(jié) 果

2.1斜坡和平地條件對足底力-時間積分值的影響

從圖2可以看出，除L-H外其他7個足底分區(qū)平地與斜坡的FTI值均有顯著性差異(plt;0.05)。上坡行走時M-H、MF-M、MF-L、FF-M、BT與OT的FTI值都顯著大于平地行走(plt;0.05)，而FF-L分區(qū)斜坡行走的FTI值顯著小于平地行走(plt;0.05)。并且FF-M與FF-L之間的FTI差值斜坡要顯著大于平地，這說明足前部的最大FTI明顯向內(nèi)側(cè)偏移。從分布趨勢上來看，平地與斜坡大致相似，且最小FTI值均出現(xiàn)在MF-M，最大FTI值均出現(xiàn)在FF-M。

圖2 斜坡和平地條件下不同足底分區(qū)的力對時間的積分值(★表示plt;0.05)

2.2斜坡和平地條件對足底峰值壓強的影響

圖3反映的是斜坡和平地條件下足底峰值壓強的分布情況，可以明顯地發(fā)現(xiàn)主要足底受力區(qū)發(fā)生了變化。人體正常行走時，斜坡與平地相比，足底最大受力點往前內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)移，最大PP值出現(xiàn)在BT、FF-M，而足跟區(qū)的PP值明顯減小。研究數(shù)據(jù)顯示(圖4)，上坡行走時，M-H、L-H、FF-L的PP值顯著小于平地條件下的PP值(plt;0.05)，而其他5個分區(qū)正好相反(plt;0.05)。

圖3 平地和斜坡條件下行走時足底壓強分布情況

圖4 斜坡和平地條件下不同足底分區(qū)的峰值壓強值(★表示plt;0.05)

3 分析與討論

運動界面傾斜度的變化必然改變了運動者的步態(tài)生物力學(xué)[8]。即使是較小的傾斜角度，張彥龍[7]的研究發(fā)現(xiàn)坡度增加，跑動中足跟區(qū)的峰值壓強變小而足前外側(cè)和足前中間區(qū)變大。這一趨勢與本研究相符，不過前者研究在跑臺上開展，往往會改變?nèi)梭w正常的戶外運動姿態(tài)。同時，在上坡行走研究的報道中，軀干前傾使身體重心的投影超出了支撐面，有利于蹬地時下肢產(chǎn)生更大的動量[5,9]。因此上坡行走時的蹬伸階段的受力變大，使前足尤其是FF-M和BT分區(qū)的峰值壓強值顯著增大。如果某一部位峰值壓強值過大時，容易產(chǎn)生過度使用傷害。而且足部長時間處在這種高峰值壓強的情況下，很容易造成足的損傷，如跖骨疲勞性骨折等。因此登山鞋的設(shè)計應(yīng)該注重鞋子的前部，增加鞋底的緩沖性能，以降低足前部的峰值壓強。穿登山鞋平地與上坡行走之間的足底壓力分布變化較顯著。尤其是上坡行走時足前部的沖擊力顯著增加，對于登山鞋具設(shè)計師們給出了一個較重要的區(qū)域設(shè)計重點。

[1] L. Stewart Ande rson Jr, Cas ey M. Rebholz, Laura F. Whit e, et al. The Impact of Footwear and Packweight on Injury and Illness Among Long-Distance Hikers [J]. Wilderness and Environmental Medicine,2009,20:250-256.

[2] Lam Wai-Ho Oscar, Lui Tun-Hing, Chan Kai-Ming. The Epidemiology of Ankle Sprain during Hiking in Uniformed Groups [J]. J Orthopaedics, Trauma and Rehabilitation,2011,15:10-16

[3] Travis W. Heggie, Tracey M. Heggie. Viewing Lava Safely: An Epidemiology of Hiker Injury and Illness in Hawaii Volcanoes National Park [J]. Wilderness and Environmental Medicine, 2004,15:77-81.

[4] Matthew T. Hamonko, Scott E. McIntosh, Tod Schimelpfenig, et al. Injuries Related to Hiking with a Pack during National Outdoor Leadership School Courses: A Risk Factor Analysis [J]. Wilderness and Environmental Medicine, 2011,22:2-6.

[5] Leroux A，F(xiàn)ung J，Barbeau H. Postural adaptation to walking on inclined surfaces： I. Normal strategies [J]. Gait amp; Posture，2002，15(1)：64-74.

[6] 李建設(shè),王立平.足底壓力測量技術(shù)在生物力學(xué)研究中的應(yīng)用與進展[J].北京體育大學(xué)學(xué)報,2008,28(2):191-193.

[7] 張彥龍.跑臺的坡度與速度對人體足底壓力的影響研究[D].東北師范大學(xué),2008.

[8] 陸毅琛,李建設(shè).人體坡面運動時足底壓力及氣墊運動鞋力學(xué)功效的實驗研究[J].北京體育大學(xué)學(xué)報,2006,29(12):1654-1657.

[9] Lange GW, Hintermeister RA, Schlegel T, et al. Electromyographic and kinematic analysis of graded treadmill walking and the implications for knee rehabilitation [J]. J Orthop Sports Phys Ther,1996,23(5):294-301.

StudyonPlantarPressureduringTiltWalkingWithHikingShoe

JIANG Chao1,Shen Wen-wen1, LI Jian-she2,GU Yao-dong1

(1. Faculty of Sports Science, Ningbo University, Ningbo 315211， China；2.Zhejiang College of Sports, Hangzhou 311231, China)

This study aimed to explore the difference of plantar pressure distribution between flat and tilt walking interface, and hiking injury mechanism. Each subject walked 3 times on the flat and tilt surface at normal speed, while plantar pressure data was recorded 3 gait cycles each time. Compared with the flat walking surface, the FTI value of M-H, MF-M, MF-L, FF-M, BT and OT on tilt surface is significantly higher (plt;0.05), while the FF-L region is just in opposite trend (plt;0.05) and the L-H region is similar. In addition, the maximum plantar pressure regions were BT, FF-M during tile interface walking. It has been confirmed that planter pressure distribution was significantly difference between flat and tilt walking interface. The high impact in forefoot region during tilt interface has given the footwear designer a clearly focal point.

hiking shoe; peak pressure; plantar pressure

1004-3624(2013)04-0070-03

G804.61

A

浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃(新苗人才計劃)項目(2012R405010)

2012-12-07

蔣 超(1989-)，男，浙江嘉興人，研究方向為運動生物力學(xué).