不同高度鞋跟的運動鞋對男性踝關(guān)節(jié)生物力學(xué)參數(shù)的影響

摘要：目的：對比受試者在正常行走過程中，不同高度鞋跟的運動鞋對男性踝關(guān)節(jié)生物力學(xué)參數(shù)所可能產(chǎn)生的影響，通過多項參數(shù)和相關(guān)指標(biāo)來評價不同鞋類的適用性，以推廣運用于運動康復(fù)訓(xùn)練領(lǐng)域。方法：該研究采集72名男性在依次穿鞋跟高度為負(fù)值（負(fù)跟運動鞋）、平底運動鞋和在裸足狀態(tài)下進行步行能力實驗時的相關(guān)指標(biāo)，并對踝關(guān)節(jié)的運動學(xué)參數(shù)使用單因素方差分析的方法進行統(tǒng)計分析，顯著性水平為Plt;0.05。結(jié)果：受試者分別在穿著負(fù)跟運動鞋和平底運動鞋行走時，在左腳落地時期和左腳離地時期所受到的標(biāo)準(zhǔn)化地反作用力明顯大于裸足狀態(tài)（Plt;0.01）。在矢狀面位置，負(fù)跟鞋組、裸足組的跖屈角度在左腳落地時期大于平底運動鞋組（Plt;0.05）。在冠狀面位置，負(fù)跟鞋組與平底運動鞋組關(guān)節(jié)角度在第二峰值時期具有極高顯著性（Plt;0.01）。結(jié)論：鞋跟高度為負(fù)值的鞋類（負(fù)跟運動鞋）相比于平底運動鞋和裸足，有利于提高在單個步態(tài)周期中人體步態(tài)的穩(wěn)定性，但需要在擺動相時期加以緩沖材料進行減震。

關(guān)鍵詞：鞋跟" 運動學(xué)" 動力學(xué)" 關(guān)節(jié)角度

足位于人體下肢的底端，不僅有著負(fù)重行走、緩沖壓力、適應(yīng)穩(wěn)定等多種功能，還呈現(xiàn)出與周圍肌肉緊密復(fù)雜的聯(lián)系。伴隨著人體行走、跳躍、跑步等日常生活活動，踝關(guān)節(jié)既要有著強大的支撐性來適應(yīng)不同地面材質(zhì)、坡度高低的環(huán)境變化，還要為整個關(guān)節(jié)受力提供足夠的柔韌性。目前市場上的鞋類根據(jù)鞋跟高度可將鞋類分為高跟鞋、平底鞋和負(fù)跟鞋。其中，鞋跟高度為負(fù)的鞋被稱為負(fù)跟鞋，這種結(jié)構(gòu)使負(fù)跟鞋在一定程度上能夠提供穩(wěn)定性，并且對維持人體靜態(tài)平衡穩(wěn)定產(chǎn)生積極的作用，負(fù)跟鞋的應(yīng)用為踝關(guān)節(jié)損傷康復(fù)提供一個良好的思路。隨著鞋類的不斷演變，市場上出現(xiàn)了多種形態(tài)的鞋，如高跟鞋、船型鞋、板鞋等等，在足部疾病的患者數(shù)量與日俱增的情況下，踝關(guān)節(jié)損傷作為足部疾病中常見的運動損傷，常見的殘留損傷是踝關(guān)節(jié)疼痛，面對平衡功能下降與關(guān)節(jié)活動度障礙的問題，不同的人會根據(jù)自身實際采取康復(fù)措施，但其背后的運動學(xué)原因仍需要從鞋類相關(guān)數(shù)值進行分析。

1、對象與方法

1.1、研究對象

本研究共招募72名男性。在實驗正式開始前，告知每一位受試者關(guān)于本實驗的操作流程和注意事項，并簽訂《受試者知情同意書》。有關(guān)受試者的篩選指標(biāo)如下：

（1）受試者納入標(biāo)準(zhǔn)。

①受試者足部無畸形、無異常；②身體質(zhì)量指數(shù)在18.5-23.9之間；③一年內(nèi)無下肢損傷史；④受試者鞋碼大小在40-44碼（EUR標(biāo)準(zhǔn)）；⑤無心血管系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)疾??；⑥受試者在實驗開始前24小時內(nèi)未參加體育活動。

（2）受試者剔除標(biāo)準(zhǔn)。

①不符合上述納入標(biāo)準(zhǔn)且依從性差的人員；②扁平足、高弓足者；③有下肢手術(shù)史或關(guān)節(jié)置換術(shù)史的；④存在局部皮膚破損等其他皮膚疾病者。

經(jīng)篩選后，符合上述條件的72名受試者個人基本情況如表1所示：

1.2、研究方法

所有受試者穿上運動服，在實驗人員指導(dǎo)下依次測量身高和體重。隨后實驗人員按照說明書在受試者指定部位貼上marker標(biāo)志點后，讓受試者在紅外高速系統(tǒng)中進行靜態(tài)標(biāo)定；待標(biāo)定完成后，進行動態(tài)測試，此時每位受試者采用自然步速行走，先后在穿負(fù)跟運動鞋、平底運動鞋和裸足的狀態(tài)從測力臺上走過。選定采集頻率為1000Hz，受試者的腳踏進測力臺為基準(zhǔn)開始采集數(shù)據(jù)。每名受試者完成三次并由實驗人員采集有效數(shù)據(jù)后停止。采集到的數(shù)據(jù)在Visual 3D Version軟件中進行分析處理。在對步行過程的錄像分析時，截取實驗對象進入測試區(qū)時，統(tǒng)一倒推30幀運動圖像畫面為開始時刻。當(dāng)受試者離開測試區(qū)后，再向前取30幀畫面為終止點，并在后續(xù)完成對步態(tài)時空參數(shù)以及關(guān)節(jié)動力學(xué)指標(biāo)的數(shù)據(jù)收集。上述測試完成后，實驗人員囑受試者進行平衡能力測定。所有受試者依次在穿著負(fù)跟運動鞋、平底運動鞋和裸足狀態(tài)下站立于動態(tài)平衡儀上，用優(yōu)勢足單腳站在測力平板，先睜眼站立，軀干保持直立，支撐腳足跟與第3跖趾尖連線位于矢狀軸上，雙目注視控制電腦的屏幕。此時在屏幕系統(tǒng)的測試模塊中，將顯示受試者COG的軌跡，受試者需盡量控制軌跡不偏離X軸與Y軸交匯處。測試靜態(tài)平衡能力選定LOCK狀態(tài)，測試靜態(tài)平衡能力選定測力平臺5級水平，測試時間均為30s。然后再囑受試者閉眼進行上述流程。每次測試開始后，受試者應(yīng)控制COG軌跡靠近坐標(biāo)軸交匯點的原點位置，實驗者記錄數(shù)據(jù)；每一位受試者依次進行上述實驗，實驗者需記錄所有數(shù)據(jù)指標(biāo)。

實驗用鞋：本研究中使用的負(fù)跟運動鞋（圖1）是鞋中底跟掌差為-10mm， 即鞋底前高后低。研究中所用平底運動鞋（圖2）是男款平底運動鞋（鞋中底跟掌差：0mm）。

（1）實驗選取指標(biāo)。

根據(jù)歐拉角與逆動力學(xué)算法選取在步行過程中一個步態(tài)周期內(nèi)踝關(guān)節(jié)所受到的地面反作用力（N）和力矩（N·m）。為了抵消受試者自身的身高體重對實驗所可能帶來的誤差，采用標(biāo)準(zhǔn)化地反力（BW）和標(biāo)準(zhǔn)化踝關(guān)節(jié)力矩（BW· BH）進行分析討論。

（2）統(tǒng)計學(xué)方法。

實驗前后測量的關(guān)節(jié)生物力學(xué)數(shù)據(jù)使用Visual 3D Version軟件進行采集和整理，將所有受試者數(shù)據(jù)輸出為.c3d文件后保存。靜態(tài)平衡指標(biāo)數(shù)據(jù)使用Prokin軟件進行采集和整理，將采集到的數(shù)據(jù)以.txl文件格式輸出后保存。實驗前后測量指標(biāo)數(shù)據(jù)采用SPSS 24.0統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)處理，所有測試指標(biāo)的計數(shù)資料以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。實驗前后各組組間的方差齊性選用LSD法，方差不齊選用Tamhane’s T2檢驗，組間變化差異比較采用單因素方差分析；當(dāng)組間數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計學(xué)差異時，以Plt;0.05為差異顯著，P＜0.01為差異非常顯著。

2、研究結(jié)果

2.1、地面反作用力特征（GRF，Ground Reaction Force）

本實驗以受試者左腳著地為起點，左腳離地為終點進行研究，各個階段受試者所受到的標(biāo)準(zhǔn)化GRF結(jié)果分別如表2所示：

如圖3所示，當(dāng)處于左腳落地時期，受試者在穿負(fù)跟運動鞋組和穿平底運動鞋組在觸地時所產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)化GRF分別與裸足組間有極高顯著性差異（P＜0.01）而穿負(fù)跟運動鞋組與平底運動鞋組的組間無統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05）。當(dāng)受試者右腳抬離地面，左腳進入單支撐相階段，此時標(biāo)準(zhǔn)化GRF達(dá)到峰值。通過統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)，受試者在穿不同高度鞋跟類型的運動鞋時，在單支撐相階段各組組間無顯著性差異（P＞0.05）。隨著右腳廓清完成，腳跟接觸地面瞬間，地反作用力數(shù)值再次增大，達(dá)到第二個峰值。在該階段（如圖4所示），各組組間數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計分析后無顯著性差異（P＞0.05）。在左腳離地時，受試者在穿著負(fù)跟運動鞋、裸足和平底運動鞋步行時，負(fù)跟運動鞋組與平底運動鞋組、裸足組組間均有極高顯著性差異（P＜0.01）。

2.2、 踝關(guān)節(jié)角度變化特征

步行過程中踝關(guān)節(jié)在矢狀面角度變化如表3所示，在左腳落地時期，踝關(guān)節(jié)運動以背屈方向落地，其角度數(shù)值經(jīng)單因素方差分析后發(fā)現(xiàn)，受試者在穿著負(fù)跟運動鞋、裸足狀態(tài)下與穿平底運動鞋時有顯著性差異（P＜0.05），而穿負(fù)跟運動鞋組與裸足組的組間值無統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05）。當(dāng)步行過程繼續(xù)進行，受試者右腳抬離地面，此時左腳進入單支撐相階段。通過統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)，受試者在穿不同高度鞋跟類型的鞋時，負(fù)跟運動鞋組、裸足組和平底運動鞋組各組組間無顯著性差異（P＞0.05）。隨著右腳廓清完成，腳跟接觸地面瞬間，踝關(guān)節(jié)運動由背屈向跖屈變化，在這個階段的關(guān)節(jié)角度數(shù)值經(jīng)過統(tǒng)計分析后，各組組間無顯著性差異（P＞0.05）。左腳離地時，踝關(guān)節(jié)跖屈角度繼續(xù)增大，此時步態(tài)周期再次進入右腳單支撐相。通過對關(guān)節(jié)跖屈角度進行單因素方差分析后發(fā)現(xiàn)：受試者在穿著負(fù)跟運動鞋、裸足和平底運動鞋步行時，各組組間無顯著性差異（P＞0.05）。

步行過程中各時期踝關(guān)節(jié)角度在冠狀面變化數(shù)值如表4所示，在左腳落地時期，踝關(guān)節(jié)起始運動方向為內(nèi)翻，其角度數(shù)值經(jīng)單因素方差分析后得出，受試者分別在穿著負(fù)跟運動鞋、裸足狀態(tài)下與穿平底運動鞋時組間沒有統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05）。當(dāng)步行過程繼續(xù)進行，受試者右腳抬離地面，此時左腳進入單支撐相階段。通過統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)，受試者在穿不同高度鞋跟類型的鞋時，負(fù)跟運動鞋組、裸足組和平底運動鞋組各組組間無顯著性差異（P＞0.05）。隨著右腳廓清完成，腳跟接觸地面瞬間，踝關(guān)節(jié)運動由內(nèi)翻向外翻變化，在這個階段的關(guān)節(jié)角度數(shù)值經(jīng)過統(tǒng)計分析后，穿負(fù)跟運動鞋組與平底運動鞋組組間具極高顯著性差異（P＜0.01），平底運動鞋組與裸足組具有統(tǒng)計學(xué)差異（Plt;0.05）。左腳離地時，踝關(guān)節(jié)外翻角度繼續(xù)增大，此時步態(tài)周期再次進入右腳單支撐相。通過對關(guān)節(jié)外翻角度進行單因素方差分析后發(fā)現(xiàn)：受試者在穿著負(fù)跟運動鞋和平底運動鞋步行時的冠狀面關(guān)節(jié)角度與裸足組之間具有極高顯著性（P＜0.01）。

2.3、踝關(guān)節(jié)力矩變化特征

步行過程中各個時期的踝關(guān)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)化力矩在矢狀面的變化特征結(jié)果如表5所示。

在左腳落地時期，穿負(fù)跟運動鞋組的受試者在矢狀面表現(xiàn)為跖屈力矩，且在數(shù)值上與裸足組具有顯著性差異（Plt;0.05），同時穿平底運動鞋組的力矩與裸足組組間具有極高顯著性差異（P＜0.01）。當(dāng)右腳抬離地面，進入左腳單支撐相階段時，受試者表現(xiàn)出背屈力矩，且數(shù)值上與裸足組和穿平底運動鞋組組間具有顯著性差異（P＜0.05）。當(dāng)進入右腳觸地時期，左側(cè)踝關(guān)節(jié)力矩達(dá)到最大，此時穿平底運動鞋組與裸足組之間具有顯著性差異（P＜0.05），而與負(fù)跟運動鞋組之間無顯著性差異（P＞0.05）。左腳離地時期，此時各組受試者的踝關(guān)節(jié)矢狀面力矩為跖屈力矩，但各組組間的力矩數(shù)值無統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05）。

步行過程中各個時期的踝關(guān)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)化力矩在冠狀面的變化特征結(jié)果如表6所示。

在左腳落地時期（如圖10所示），穿負(fù)跟運動鞋組的受試者在冠狀面表現(xiàn)為內(nèi)翻力矩，且在數(shù)值上與裸足組和相比無統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05）。當(dāng)右腳抬離地面，進入左腳單支撐相階段時（如圖11所示），受試者在穿負(fù)跟運動鞋和穿平底運動鞋行走時，與裸足狀態(tài)時相比，踝關(guān)節(jié)冠狀面背屈力矩組間均有顯著性差異（P＜0.05），但兩者組間無統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05）。當(dāng)進入右腳觸地時期（如圖12所示），左側(cè)踝關(guān)節(jié)產(chǎn)生外翻力矩并逐漸增加，但此時各組組間的力矩數(shù)值無統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05）。左腳離地時期（如圖10所示），此時各組受試者的踝關(guān)節(jié)冠狀面力矩仍為內(nèi)翻力矩，但各組組間的力矩數(shù)值無統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05）。

3、討論分析

本研究基于功能解剖學(xué)、人體運動學(xué)理論，在鞋類跟掌差研究中加入了負(fù)跟運動鞋這一對照組別，直接對比與裸足、平底運動鞋之間的指標(biāo)變化特征來補充負(fù)跟運動鞋對踝關(guān)節(jié)背屈位置行走的可行性研究。有文獻(xiàn)指出，通過減小跟掌差使踝關(guān)節(jié)處于背屈位置的鞋類具有拉伸人體脊柱、防止崴腳等作用。

單個步態(tài)周期可分成四個時期，參與實驗的受試者們均為后腳跟著地逐漸過渡至前腳掌的步態(tài)，因此垂直軸方向所產(chǎn)生的GRF表現(xiàn)為“雙峰一谷”形狀。其中的“雙峰”分別對應(yīng)左腳觸地瞬間地面施加于肢體上的初始負(fù)載所產(chǎn)生沖擊峰值以及左腳后蹬推動下肢離開地面時的蹬伸峰值。

研究結(jié)果顯示，負(fù)跟運動鞋組和平底運動鞋組在左腳落地和左腳離地時期所受到的標(biāo)準(zhǔn)化GRF明顯大于裸足組。在左腳離地時期，負(fù)跟運動鞋組受到的標(biāo)準(zhǔn)化GRF大于平底運動鞋組。剛落地瞬間，負(fù)跟運動鞋的結(jié)構(gòu)決定了受試者采用足后跟觸地的模式參與行走。在裸足狀態(tài)下，踝關(guān)節(jié)未受到鞋型所帶來的限制，因此更容易在落地時期采用中足著地模式。國外學(xué)者研究指出，穿平底運動鞋進行跑步時，踝關(guān)節(jié)背屈更加明顯，而后跟落地的跑步人群在觸地時要吸收高達(dá)3倍標(biāo)準(zhǔn)化GRF的沖擊力，這提示落地時期穿鞋更容易對足后跟產(chǎn)生沖擊，必要時可添加緩沖鞋墊進行保護來緩解沖擊力。離地時期，身體重心移動至前支撐腳，后腳跟向后發(fā)力加速離開地面，此時負(fù)跟運動鞋組的受試者要從踝背屈狀態(tài)變?yōu)轷徘鼤r，需要在垂直方向上克服更大的力量。有研究指出，隨著鞋跟高度增加，足底所受到的沖擊力數(shù)值將繼續(xù)增大，向后蹬地時身體重心加速度增加，垂直GRF峰值增大。負(fù)跟運動鞋雖然與高跟鞋的設(shè)計相反，其跟掌差數(shù)值仍大于裸足和平底運動鞋，相比之下它在離地時容易失穩(wěn)，對于步行速度下降、擺動相比例改變等步態(tài)異常問題，負(fù)跟運動鞋受試者通過步長變長、步速降低來進行平衡調(diào)整。因此，對于單個步態(tài)周期，負(fù)跟運動鞋能在支撐時期帶來穩(wěn)定，而在擺動相的穩(wěn)定性小于裸足和平底運動鞋，且受力在擺動相更向后跟部位集中，提示在步態(tài)起始和結(jié)束時需要注意姿勢控制。

于距上關(guān)節(jié)的活動。本實驗重點關(guān)注人在步行過程中踝關(guān)節(jié)在矢狀面屈伸功能特征，根據(jù)實驗結(jié)果，習(xí)慣穿平底運動鞋人群短期處于裸足狀態(tài)下步行時，關(guān)節(jié)跖屈數(shù)值的增加能加大與地面的接觸面積，屬于提高支撐期穩(wěn)定性的策略之一。當(dāng)受試者穿負(fù)跟運動鞋后，踝關(guān)節(jié)觸地瞬間受到鞋型因素改變了足底觸地時的接觸點與運動角度，為了保持平衡需要產(chǎn)生一個跖屈的力矩和足夠的跖屈角度來與負(fù)跟運動鞋形態(tài)相互平衡，此時力矩方向與關(guān)節(jié)運動方向一致，因此落地時期的踝關(guān)節(jié)角度偏大。隨著步行周期進行至同側(cè)支撐期時，會在背屈方向產(chǎn)生更大的力來平衡落地時的受力，才能保證平穩(wěn)過渡。此外有研究顯示，被診斷為慢性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)的人群，其踝關(guān)節(jié)和髖部等長峰值扭矩相比于普通健康人群較低，這樣的結(jié)果不僅取決于關(guān)節(jié)自身結(jié)構(gòu)所處位置以及鞋類結(jié)構(gòu)所帶來的影響，還與周圍肌肉的收縮程度有關(guān)。因此，跟掌差為負(fù)值的鞋類會激活更大的肌肉力量來維持步行的穩(wěn)定。

4、結(jié)論與建議

在單個步態(tài)周期中，鞋跟高度為負(fù)值的鞋類比平底運動鞋和裸足在單支撐相時期有更好的穩(wěn)定性，主要體現(xiàn)為矢狀面力矩和關(guān)節(jié)角度的減少，起到提高步行功能穩(wěn)定性的作用。但在擺動相時期容易承受到更大的地反作用力，需要加以鞋墊材料進行緩沖減震。由于存在個體穿鞋經(jīng)驗的不同，實驗將后續(xù)加入女性受試者與高跟鞋穿著經(jīng)驗的人群作為影響因素進行詳細(xì)分析。

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