慢跑技術(shù)動作的足底壓力分布特征研究

胡宗祥，呂仁和，陳育青

(集美大學(xué)體育學(xué)院，福建 廈門 361021)

慢跑作為一項(xiàng)健身運(yùn)動，以其簡單、經(jīng)濟(jì)，并能改善新陳代謝，提高健康水平以及防治疾病的優(yōu)點(diǎn)，受到廣大群眾的歡迎。近些年來，隨著參加慢跑運(yùn)動的人數(shù)的增加，由慢跑引發(fā)的運(yùn)動損傷也越來越受到人們的重視，有數(shù)據(jù)顯示其損傷率高達(dá)37 %～56 %[1]。這些損傷不僅影響到行走，而且還影響到人們的身體健康。在日常生活中單純由慢跑引起的運(yùn)動損傷主要是以慢性損傷為主，很少發(fā)生急性的嚴(yán)重?fù)p傷，損傷的部位主要集中在下肢，這與慢跑中人體足部的受力特征有著直接的關(guān)系[2]。由于足底壓力分布研究可獲取跑步時足底與支撐面之間的壓力分布狀態(tài)，包括步態(tài)周期中的有關(guān)時間和力學(xué)參數(shù)值，以及下肢結(jié)構(gòu)功能與整個身體姿勢控制等情況，成為步態(tài)分析的重要組成部分，對分析慢跑下肢動作特點(diǎn)以及存在的危險因素具有重要意義。因此本研究通過運(yùn)用足底壓力分布測試系統(tǒng)，獲得慢跑下肢技術(shù)動作中足底的各個區(qū)域的壓強(qiáng)峰值、沖量以及足底壓力的各時間參數(shù)，以期揭示慢跑動作技術(shù)的足底壓力分布特征及致傷危險因素，為制定合理的慢跑動作技術(shù)和預(yù)防損傷提供一定的理論依據(jù)。另外，由于幾乎所有的健身慢跑都是在穿鞋的情況下進(jìn)行的，而鞋對足底壓力的分布有較大的影響，為了能更客觀地了解足底壓力的特征，我們同時測試了光腳跑狀態(tài)的足底壓力分布情況，并與穿鞋跑狀態(tài)下的足底壓力進(jìn)行對比，從而避免了單純由鞋所造成的影響，也可為跑鞋的設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究方法

1.1 研究對象

本研究挑選青年男大學(xué)生共51名作為受試者，受試者足部無平足、拇外翻等畸形現(xiàn)象，體型勻稱，身體健康，也無踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)等下肢關(guān)節(jié)損傷史，具體情況如表1。

表1 研究對象個人數(shù)據(jù)資料

1.2 測試儀器

應(yīng)用Footscn足底壓力分布測試系統(tǒng)獲得慢跑支撐階段足底壓力分布及變化情況。該系統(tǒng)由1米壓力平板(長100厘米，寬45厘米)、數(shù)據(jù)采集盒和筆記本電腦組成，足底壓力測試的采集時間為6秒，采集頻率為125赫茲。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

一般認(rèn)為慢跑的速度是在2.5m/s到4m/s之間，目前國內(nèi)外對慢跑的研究多集中在3m/s～4m/s之間，本研究則選用3.15m/s左右的速度。

在測試前要求受試者做好充分的準(zhǔn)備活動，在測試過程中，要求受試者的右腿正好落在平板上，每名受試者共測光腳5組和穿鞋5組。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本次對足底壓力的研究，采用Footscn足底壓力系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，運(yùn)用Footscan足底壓力系統(tǒng)分析軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，后用Microsoft Excel軟件進(jìn)行分析和處理。

本研究把足底分為8個區(qū)域(圖1)，即內(nèi)側(cè)足跟(H1)、外側(cè)足跟(H2)、第1跖骨頭(M1)、第2跖骨頭(M2)、第3跖骨頭(M3)、第4跖骨頭(M4)、第5跖骨頭(M5)和大拇趾(T1)。

分析指標(biāo)主要有：計(jì)算腳底 8 個區(qū)域的壓強(qiáng)峰值、絕對沖量(平均壓力×著地時間)；到達(dá)最大壓強(qiáng)的時間、各個區(qū)觸地瞬間時間、各個區(qū)離地瞬間時間、總觸地時間(TFC)、足最初觸地時間(IFC)、第一跖骨觸地時間(IMC)、前腳掌觸地時間(FFF)、足跟離地瞬間時間(HO)、足離地瞬間時間(LFC)。通常我們把整個支撐過程劃分為4個階段(如圖13所示)，即最初觸地階段(即ICP=IMC-IFC)、前腳掌觸地階段(即FFCP=FFF-IMC)、全腳掌觸地階段(即FFP=HO-FFF)和前腳掌蹬離地階段(即FFPOP=LFC-HO)。

圖1 足底壓力各分區(qū)

2 結(jié)果與分析

2.1 足底各區(qū)域壓強(qiáng)和沖量的分析

壓強(qiáng)峰值是反映足底壓力分布的重要指標(biāo)，壓強(qiáng)峰值的大小和部位對于足部疲勞的積累和損傷的發(fā)生具有重要的影響[3]。一般以足大趾、第 1、2、3、4、5 跖骨和足跟內(nèi)側(cè)、外側(cè) 8 個點(diǎn)的最大壓強(qiáng)來反映足底的整體最大壓強(qiáng)分布(圖2)。從表2中可以看出，在穿鞋跑中最大壓強(qiáng)發(fā)生在前足的中部即第 2 跖骨區(qū)，然后依次是第1跖骨、第3跖骨、跟骨、第1腳趾、第4跖骨和第5跖骨。而在光腳跑中最大壓強(qiáng)值也是發(fā)生在第2跖骨，然后依次是跟骨、第1跖骨、第3跖骨、第1趾骨、第4跖骨和第5跖骨。最大壓強(qiáng)也反映對外來沖擊起負(fù)荷作用的部位，由此可以看出在穿鞋跑時，足的前內(nèi)側(cè)部是最主要的承受沖擊性負(fù)荷的部位，而光腳跑時足跟與足前內(nèi)中部則是主要的承受沖擊性負(fù)荷的部位。有多項(xiàng)研究表明，沖擊力與疲勞性運(yùn)動損傷有關(guān)[4]，因此這些部位也是過度疲勞易發(fā)位置。

圖2 支撐過程各特征畫面及各相對階段

表2 右足底各部位最大壓強(qiáng)值

雖然最大足底壓強(qiáng)值的大小和部位對疲勞的積累和損傷有重要關(guān)系，但是在探討足部傷害機(jī)制時，除了要考慮最大足底壓強(qiáng)值外，也需要考慮足底與地面接觸時間的累積效應(yīng)[5]。事實(shí)上，無論是物體的運(yùn)動還是人體的運(yùn)動，都存在連續(xù)受到外力作用的現(xiàn)象，最大壓強(qiáng)反映的是每個區(qū)域單位面積瞬間受到的最大絕對作用力的值，而不能說明物體在受外力作用過程中運(yùn)動狀態(tài)變化的情況。因此探討足底壓強(qiáng)與時間的積分值對判斷運(yùn)動對人足的傷害也是非常重要的。在足底壓力分析中，足底壓強(qiáng)-時間積分值正好反映了力在一定時間間隔內(nèi)的累積效應(yīng)。從表3可以看出，最大沖量也是在第2跖骨，然后依次是第1跖骨、第3跖骨、拇趾、第4跖骨、第5跖骨，最后才是跟骨，而在光腳跑中，最大沖量發(fā)生在第2跖骨，然后依次是第1跖骨、第3跖骨、第1趾骨、跟骨、第4跖骨和第5跖骨。雖然光腳跑和穿鞋跑存在著非常顯著的差異，但是在這8個區(qū)域中，無論是穿鞋跑還是光腳跑，第2、1、3跖骨所受的沖量和壓強(qiáng)都比較大，尤其是第2跖骨，而跟骨和第5跖骨所受的沖量和壓強(qiáng)比較小。由此可見，第2、1、3跖骨區(qū)域尤其是第2跖骨是慢跑慢性病多發(fā)地方。另外第2、1、3跖骨都位于足內(nèi)側(cè)，所以足內(nèi)側(cè)受力要比足外側(cè)大得多，內(nèi)側(cè)壓力增大和足內(nèi)翻扭傷有一定關(guān)系。 Becker等人認(rèn)為，內(nèi)側(cè)負(fù)荷和足內(nèi)翻雖然沒有直接關(guān)系，但是有間接關(guān)系，這是由于在跑動過程中為避免外踝扭傷而使代償性負(fù)荷發(fā)生在內(nèi)側(cè)，從而使足內(nèi)側(cè)壓強(qiáng)增加，同時伴隨的足翻轉(zhuǎn)概率也增加。

表3 右足底各部位壓強(qiáng)-時間積分值

2.2 各區(qū)域時間參數(shù)的分析

探討足部傷害機(jī)制時，除了要考慮最大足底壓強(qiáng)值外，也需要衡量足底與地面接觸時間的差異效應(yīng)。足底接觸時間也反映了人足在運(yùn)動時，足底接觸累計(jì)時間的長短，還可以較好地衡量運(yùn)動時付出的功。累積的時間越多，造成足疲勞損傷的可能性越大。

從表4可以看出，無論是穿鞋跑還是光腳跑，其著地時足底各個部位的著地順序均是由足跟開始，然后由足外側(cè)向前內(nèi)側(cè)滾動。但是除了足跟外，穿鞋跑的著地時間要明顯晚于光腳跑，從t檢驗(yàn)(p均為0)也反映出他們之間的極大差異。這說明穿鞋跑在著地時，有比較長的緩沖時間，這就可以降低著地時對足的沖擊力。

表4 開始時間百分比

從表5各部位結(jié)束的時間看，除了第2跖骨區(qū)有較弱的顯著性差異外(P=0.048)，其余部位的離地時間沒有顯著性差異。

表5 各區(qū)域結(jié)束時間

從6表可以看出，在各個部位總的接觸時間中，穿鞋跑和光腳跑有極高的顯著性差異(P約為0)，穿鞋跑總的接觸時間明顯少于光腳跑，這說明光腳跑要比穿鞋跑付出更多的功。

表6 各區(qū)域總的接觸時間

由表7顯示，在各個區(qū)域到達(dá)最大壓強(qiáng)值的時間上，穿鞋跑和光腳跑在足跟區(qū)有極高的顯著性差異(P接近為0)；第3和第4跖骨區(qū)也存在著顯著性差異(P分別為0.03和0.039)，也就是說第3和第4跖骨區(qū)和足跟區(qū)在最大壓強(qiáng)出現(xiàn)時間上，光腳跑要早于穿鞋跑。由于在各區(qū)域接觸時間的結(jié)束上沒有顯著性差異，因此，在足跟區(qū)和第3、第4跖骨區(qū)上，光腳跑要比穿鞋跑承受更多時間的負(fù)荷。

表7 各區(qū)域到達(dá)最大壓力值時間

初始接觸階段(即ICP)以足最初觸地(IFC)開始，以IMC結(jié)束。從表8可以看出，在ICP期，初始觸地階段穿鞋跑占總支撐時間的12.0%左右，遠(yuǎn)長于光腳跑的5.7%。在穿鞋跑中，內(nèi)外2個足跟的最大壓強(qiáng)值分別在10.7%和10.4%的總支撐時間出現(xiàn)，而光腳跑則是在4.8%和4.3%的總支撐時間出現(xiàn)，都處在初始接觸階段。腳跟最大壓強(qiáng)出現(xiàn)的時間在一定程度上反映了沖量大小。

表8 各特征畫面的相對時間

前腳掌著地階段開始于IMC，結(jié)束于所有跖骨和地面接觸(FFF)。根據(jù)先前的研究，第5跖骨最先著地，但是也有研究表明在最初著地時，第4和第5跖骨沒有顯著性差異，這兩跖骨在跑步中可看成最初著地的外側(cè)部。因此前腳掌著地是從外向內(nèi)，穿鞋跑時是在總支撐時間的17.1%左右前腳掌全部著地，而光腳跑的落地時間則為總支撐時間的9.5%。在ICP和FFCP期間，壓力分布也能反映出踝關(guān)節(jié)的快速跖屈。從全前腳掌著地(穿鞋跑為17.1%，光腳跑為9.5 %)到腳跟離地(穿鞋跑為47.7%，光腳跑為48.3 %)，腳跟和所有跖骨都和地面接觸，在此位置時，踝關(guān)節(jié)處于背屈狀態(tài)。前腳掌離地階段(FFPOP)開始于足跟離地即47.7%支撐階段，結(jié)束于LFC。跖骨最大壓強(qiáng)就發(fā)生在FFPOP階段，此時跖骨的作用是為蹬離地提供一個堅(jiān)硬杠桿作用以及為跖屈做準(zhǔn)備。最大壓強(qiáng)的增大從外側(cè)開始，接著M4、M3和M1等離地，最后第2跖骨到達(dá)最大壓強(qiáng)，在接近結(jié)束前腳掌離地時，跖骨離地，這和Blanc等人的研究結(jié)果一致。此外，M1和M3最后接觸在時間上也沒有顯著的不同。M2是最后一個到達(dá)最大值也是最后離地的跖骨。但是這并不意味著只有M2在蹬地，因?yàn)?，在離地過程中M1和M2幾乎同時承擔(dān)了負(fù)荷。

從表9可以看出，在整個支撐的四個階段中，最長的是全腳掌離地階段，然后依次是全腳掌著地階段、前腳掌著地階段和初始觸地階段。在這4個階段中，光腳跑和穿鞋跑在ICP和FFP差異最大，在ICP階段光腳跑明顯短于穿鞋跑，由此可見光腳跑足跟所受壓強(qiáng)大是因?yàn)榫彌_時間短所致；而在FFP階段穿鞋跑短于光腳跑，這是因?yàn)榇穗A段光腳跑必須通過延長背屈動作時間來緩沖外界的沖擊力。

表9 各階段相對時間

3 結(jié)論

(1)穿鞋跑時，足的前內(nèi)側(cè)部是最主要的承受沖擊性負(fù)荷的部位，而光腳跑時，足跟與足前內(nèi)中部是主要的承受沖擊性負(fù)荷的部位。這些部位也是過度疲勞易發(fā)位置。

(2)無論是穿鞋跑還是光腳跑，第2、1、3跖骨所受的沖量都比較大，尤其是第2跖骨，而跟骨和第5跖骨所受的沖量比較小。因此在第2、1、3跖骨區(qū)域，尤其是第2跖骨是慢跑慢性病多發(fā)地方；另足內(nèi)側(cè)受力要比足外側(cè)大得多，內(nèi)側(cè)壓力增大和足內(nèi)翻扭傷有一定關(guān)系。

(3)穿鞋跑在著地時，有比較長的緩沖時間，這就可以降低著地時對足的沖擊力，但總的接觸時間明顯少于光腳跑，這說明光腳跑要比穿鞋跑付出更多的功。

(4)在支撐過程的4個階段中，光腳跑和穿鞋跑在ICP和FFP上差異最大:在ICP階段，光腳跑明顯短于穿鞋跑，由此可見光腳跑足跟所受壓強(qiáng)大是緩沖時間短所致；而在FFP階段，穿鞋跑短于光腳跑，這是因?yàn)榇穗A段光腳跑必須通過延長背屈動作時間來緩沖外界的沖擊力。