鞋底硬度對(duì)閩南地區(qū)中老年男性足底壓力的影響

王 欣，原競(jìng)杰

(黎明職業(yè)大學(xué) 新材料與鞋服工程學(xué)院， 福建 泉州 362000)

目前，中老年人的健康成為全世界日益關(guān)注的焦點(diǎn)問題。中老年人在串聯(lián)行走時(shí)，足底筋膜技能減退可能導(dǎo)致中老年人姿勢(shì)控制能力下降。而慢步行走因其鍛煉效果明顯，不受時(shí)間和場(chǎng)地條件的限制，而成為目前國(guó)際上流行的健身運(yùn)動(dòng)。該運(yùn)動(dòng)強(qiáng)調(diào)鞋的緩沖減震性能及省力情況，不僅促進(jìn)了鞋業(yè)的發(fā)展，也促使人們對(duì)科學(xué)健康的行走更加重視[1-2]。足部神經(jīng)器官遍布，其壓力舒適性與鞋靴舒適度，尤其是鞋底硬度密切相關(guān)。Benjamin等[3]利用鞋墊式足底壓力系統(tǒng)，測(cè)量跑步過程中足底壓力的分布特征，認(rèn)為整體舒適度和前足底舒適度在跑步過程中會(huì)發(fā)生變化，第一跖骨、中足內(nèi)側(cè)和足跟的峰值壓力顯著增大。高毅等[4]經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著年齡的增長(zhǎng)，足跟區(qū)峰值壓強(qiáng)會(huì)逐步降低，有效接觸面積增大，有效接觸時(shí)間延長(zhǎng)。馬新穎等[5]認(rèn)為人體的健康狀況對(duì)足底多個(gè)區(qū)域的壓力及足部形態(tài)均有顯著影響，影響人體足部壓力舒適性，甚至造成人體平衡能力的下降。足部壓力還與年齡、體重等因素有一定相關(guān)性。周新楚等[6]認(rèn)為中老年人因年齡增長(zhǎng)，下肢控制能力降低，足前掌長(zhǎng)時(shí)間與地面接觸面積增大、接觸時(shí)間增長(zhǎng)，可以增加支撐的穩(wěn)定性，從而預(yù)防跌倒損傷的發(fā)生。基于此，本課題組對(duì)閩南地區(qū)中老年男性在穿著不同鞋底硬度的樣鞋行走時(shí)足底受力情況進(jìn)行測(cè)試，通過對(duì)比足底受力差異，以期為中老年鞋在鞋底設(shè)計(jì)、選材和消費(fèi)者選購(gòu)上提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與過程

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備選擇比利時(shí)RS-scan公司的Foot scan USB2平板式足底壓力測(cè)試系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)顯示足底壓力分布及足底形象的輪廓和各種數(shù)據(jù)。系統(tǒng)由硬件和軟件組成，硬件主要包括PC接口板、壓脈帶組件、線纜、尼龍護(hù)套和鞋墊式傳感器(平板式傳感器)，軟件為基于MS Windows 的壓力顯示和分析軟件，軟件界面如圖1所示。

圖1 Foot scan USB2分析系統(tǒng)界面

Foot scan USB2測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)功能包括實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示、連續(xù)幀回放、中心壓力檢測(cè)、接觸面積計(jì)算、二維輪廓顯示、三維壓力顯示、峰值壓力描繪、壓力和時(shí)間積分計(jì)算、圖形分析等。

1.2 試驗(yàn)對(duì)象

2018年10～12月，課題組聯(lián)合校企合作企業(yè)選取泉州市、廈門市和漳州市的328名中老年男性志愿者(年齡介于45歲到74歲之間)，試驗(yàn)對(duì)象平均年齡57.1歲，平均身高171 cm，平均體重67.8 kg。受試者均身體健康，無(wú)足踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)畸形，無(wú)足踝急慢性損傷。因文獻(xiàn)研究表明男女足底壓力分布規(guī)律和特征無(wú)明顯性別差異[7]，因此暫不針對(duì)不同性別進(jìn)行分析。

1.3 試驗(yàn)方法

運(yùn)用Instron材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)量，選取彈性模量為：1.1、2.3、6.3 MPa的材料作為鞋底材料，分別記為軟(1#)、中等硬(2#)和較硬(3#)。用厚度為10 mm鞋底片材制作測(cè)試鞋，鞋跟高15 mm，款式如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)用鞋

設(shè)定采樣頻率為300 Hz，328名身體健康狀況良好的中老年男性試驗(yàn)者分別穿著3種硬度鞋底的樣鞋和赤足(0#)以自然步速進(jìn)行行走測(cè)試，所有受試者每種樣鞋平行測(cè)定3次，實(shí)驗(yàn)數(shù)值取328名測(cè)試者的平均值。

2 結(jié)果與分析

足底最大壓力值和負(fù)荷率可以反映鞋底舒適與否。局部最大壓力峰值和負(fù)荷率小，表明穿著較舒適，若僅從足底最大壓力峰值和負(fù)荷率看鞋底材料，軟質(zhì)地比硬質(zhì)地好，可以分散足底壓力，在運(yùn)動(dòng)中有更多的能量回歸，并能吸收部分地面帶來(lái)的沖擊力。沖量和最大壓力出現(xiàn)時(shí)間可以反映鞋底是否提供足夠的動(dòng)力，穿軟鞋底的鞋沖量大、最大壓力出現(xiàn)時(shí)間晚，不一定能給人的雙腳在運(yùn)動(dòng)中提供更充足的動(dòng)力，地面反作用推動(dòng)人體前進(jìn)的力小。因?yàn)椋浀男讜?huì)產(chǎn)生所謂的浮行運(yùn)動(dòng)，腳蹬地時(shí)就會(huì)把作用于地面的力吸收很大一部分用于自身的形變，長(zhǎng)時(shí)間行走易產(chǎn)生疲勞。

2.1 對(duì)沖量的影響

同種狀態(tài)下，由于足底各部位壓力不斷變化，沖量的大小等于動(dòng)量的變化量，即沖量越小，動(dòng)量變化越小。正常行走時(shí)，不同硬度鞋底各個(gè)部位沖量值的算術(shù)平均值結(jié)果如表1所示。

表1 不同硬度鞋底各部位壓力沖量比較 單位：N/s

以所有受試者穿著0#樣鞋(赤足)所得各部位壓力沖量值為基準(zhǔn)數(shù)組，對(duì)所有受試者分別穿著1#，2#，3#樣鞋所得各部位壓力沖量值數(shù)組與之兩兩比較，并進(jìn)行T檢驗(yàn)，所得P值均小于0.05，因此，不同硬度鞋底所得各部位沖量值差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖3正常行走狀態(tài)下不同硬度鞋底沖量均值的比較。

圖3 正常行走狀態(tài)下沖量均值比較

由圖3可知，在鞋后跟部位，穿較硬鞋底的沖量小于赤足沖量，而穿中等硬度鞋底和軟鞋底的沖量大于赤足沖量，即鞋底后跟部位越硬，沖量越小。在鞋中部(足弓部位)，穿不同硬度鞋底的沖量遠(yuǎn)大于赤足沖量。因?yàn)槌嘧銜r(shí)，足弓接觸測(cè)力板較少，受力主要集中在前掌和后跟，穿鞋后鞋底足弓對(duì)應(yīng)部位承擔(dān)部分受力，使得足弓處沖量增大。在鞋前掌部位，赤足沖量大于穿鞋沖量，即穿鞋后前掌沖量較小。且硬鞋底沖量最小，中等硬度鞋底的沖量大于軟鞋底的沖量。

2.2 對(duì)最大壓力影響

鞋底(足底)三部位最大壓力分布狀況說明各部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象。正常情況下，應(yīng)力越大，局部越容易受到傷害，尤其是中老年糖尿病患者，其身體穩(wěn)定性和靈活性較正常老年人降低[8]。表2為不同硬度鞋底各個(gè)部位最大壓力的算術(shù)平均值試驗(yàn)結(jié)果。

表2 不同硬度鞋底各部位最大壓力比較 單位：N

以所有受試者穿著0#樣鞋(赤足)所得各部位最大壓力值為基準(zhǔn)數(shù)組，對(duì)所有受試者分別穿著1#，2#，3#樣鞋所得各部位最大壓力值數(shù)組與之兩兩比較，并進(jìn)行T檢驗(yàn)，所得P值均小于0.05，因此，不同硬度鞋底各部位最大壓力值差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖4為正常行走狀態(tài)下最大足底壓力值比較。

圖4 正常行走狀態(tài)下最大足底壓力值比較

由圖4可知，在后跟部位，穿鞋后最大壓力小于赤腳最大壓力，且穿中等硬度鞋底的鞋最大壓力最小。在鞋中部(足弓部位)，穿鞋后最大壓力均大于赤腳最大壓力，且鞋底越硬，最大壓力越大。在前掌部位，類似于后跟部位，中等硬度鞋底的鞋最大壓力最小。

2.3 對(duì)最大壓力出現(xiàn)時(shí)間影響

相同狀態(tài)下，峰值壓力出現(xiàn)的時(shí)間越晚，說明鞋底的緩沖減震性能越好。由于人腳行走的特殊性，利用最大壓力出現(xiàn)時(shí)間步態(tài)周期的百分比例進(jìn)行比較。表3為不同硬度鞋底各個(gè)部位最大壓力出現(xiàn)時(shí)間百分比的比較結(jié)果。

表3 不同硬度鞋底各部位峰值壓力出現(xiàn)時(shí)間百分比 (%)

以所有受試者穿著0#樣鞋(赤足)所得各部位最大壓力出現(xiàn)時(shí)間為基準(zhǔn)數(shù)組，對(duì)所有受試者分別穿著1#，2#，3#樣鞋所得各部位最大壓力出現(xiàn)時(shí)間數(shù)組與之兩兩比較，并進(jìn)行T檢驗(yàn)，所得P值均小于0.05，因此，不同硬度鞋底各部位最大壓力出現(xiàn)時(shí)間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖5為正常行走狀態(tài)下峰值壓力出現(xiàn)時(shí)間所占比例比較。

圖5 正常行走狀態(tài)下峰值壓力出現(xiàn)時(shí)間所占比例比較

圖5中，在后跟部位，鞋底越硬最大壓力峰值出現(xiàn)時(shí)間越快，硬鞋底最大壓力出現(xiàn)時(shí)間比赤足最大壓力出現(xiàn)時(shí)間早，中等硬度和軟鞋底最大壓力出現(xiàn)時(shí)間比赤足最大壓力出現(xiàn)時(shí)間晚。在鞋中部(足弓部位)，各情況最大壓力出現(xiàn)時(shí)間差異較小，穿鞋比赤腳晚，硬鞋底最大壓力出現(xiàn)時(shí)間最晚。在前掌部位，類似于后跟部位。

2.4 對(duì)負(fù)荷率(Load rate)的影響

負(fù)荷率是指三部位壓力達(dá)到最大值的速度，即單位時(shí)間內(nèi)壓力的增量。負(fù)荷率越大，達(dá)到最大壓力所用的時(shí)間越短，鞋底緩沖越差。表4為不同硬度鞋底各個(gè)部位負(fù)荷率的比較結(jié)果。

表4 不同硬度鞋底各部位負(fù)荷率比較 單位：N/s

以受試者穿著0#樣鞋(赤足)所得各部位負(fù)荷率為基準(zhǔn)數(shù)組，對(duì)分別穿著1#，2#，3#樣鞋所得各部位負(fù)荷率數(shù)組與之兩兩比較，并進(jìn)行T檢驗(yàn)，所得P值均小于0.05，因此，不同硬度鞋底各部位負(fù)荷率差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖6為正常行走狀態(tài)下的負(fù)荷比較。

圖6 正常行走狀態(tài)下負(fù)荷比較

圖6中，在后跟部位，鞋底越硬，負(fù)荷率越大，即局部壓力達(dá)到最大值越快，鞋底的緩沖效果越差。硬鞋底負(fù)荷率大于赤足負(fù)荷率，中等硬度和軟鞋底負(fù)荷率小于赤足負(fù)荷率。在鞋中部(足弓部位)，穿鞋后負(fù)荷率大于赤足負(fù)荷率(中等硬度相等)，硬鞋底負(fù)荷率最大。在前掌部位，穿鞋后負(fù)荷率小于赤足負(fù)荷率。

3 結(jié) 論

可見，閩南地區(qū)的中老年男性穿著不同鞋底硬度的樣鞋在正常行走過程中，鞋底越硬，其對(duì)應(yīng)部位足底的沖量越小，足底受到的壓力越大，即消耗較少的動(dòng)量，能達(dá)到最大的力。此外，鞋底硬度越大，減震和緩沖性能越差，尤其在足后跟部位表現(xiàn)明顯。基于閩南地區(qū)中老年人的生活環(huán)境(行走環(huán)境多有坡度)，中老年鞋應(yīng)選擇中等硬度的鞋底材料，避免過于疲勞，并兼顧一定的減震和緩沖性能。