3D功能性鞋墊對(duì)大學(xué)生高山滑雪運(yùn)動(dòng)中下肢肌電的影響研究

摘要：本研究運(yùn)用文獻(xiàn)資料法、實(shí)驗(yàn)法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)法等研究方法，采用中國(guó)智蕓薇?無(wú)線肌電測(cè)試系統(tǒng)獲取大學(xué)生高山滑雪運(yùn)動(dòng)中下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)積分肌電值（iEMG）數(shù)據(jù)，并通過(guò)配對(duì)樣本T檢驗(yàn)對(duì)比三種鞋墊對(duì)大學(xué)生高山滑雪中下肢肌電的影響，幫助滑雪運(yùn)動(dòng)員選擇合適的滑雪鞋墊。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在室內(nèi)模擬滑雪機(jī)坡面14°和運(yùn)行速度25km/h情況下，3D功能性鞋墊能顯著減輕下肢疲勞，增強(qiáng)肌肉貢獻(xiàn)率與關(guān)節(jié)穩(wěn)定性，相比其他兩種鞋墊功能更具優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：3D功能性鞋墊 高山滑雪 積分肌電值

中圖分類(lèi)號(hào)：G818 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8902-（2024）-20-151-3-TBB

1、前言

近年來(lái)，3D打印技術(shù)快速發(fā)展，尤其在運(yùn)動(dòng)輔具制造方面展現(xiàn)出巨大潛力。在國(guó)外，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)鞋墊領(lǐng)域，為運(yùn)動(dòng)員提供個(gè)性化的支撐和矯正。然而，在國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用仍處于起步階段。高山滑雪中，雙足的保護(hù)和支撐至關(guān)重要，其鞋墊通常被視作鞋底的內(nèi)底結(jié)構(gòu)，不僅能提升足部舒適度與貼合度，同時(shí)提示部分減震緩沖的功能，降低傳輸至足部的能量，減少完成特定動(dòng)作所需的肌肉力量，但其自帶鞋墊的功效有限。因此，利用3D打印技術(shù)為高山滑雪運(yùn)動(dòng)員定制個(gè)性化鞋墊，有望提高其運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)性與安全性。此外，一款適合腳型的鞋墊能有效延長(zhǎng)雪鞋的使用壽命，同時(shí)還具備吸附汗?jié)n、除臭、防滑等附加功能。本研究旨在比較高山滑雪鞋自帶鞋墊、普通功能性鞋墊和3D功能性鞋墊等三種鞋墊在高山滑雪運(yùn)動(dòng)中對(duì)大學(xué)生下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)肌電表現(xiàn)的影響。通過(guò)鞋墊真實(shí)功能性分析，為高山滑雪運(yùn)動(dòng)員提供關(guān)于滑雪鞋墊選擇的科學(xué)建議。

2、研究對(duì)象及方法

2.1、研究對(duì)象

鞋墊簡(jiǎn)介：本研究共選用室內(nèi)雪場(chǎng)提供雙板滑雪鞋（雪鞋自帶鞋墊）、淘寶購(gòu)入普通功能性鞋墊和定制3D功能性鞋墊三款鞋墊。

從東北師范大學(xué)體育學(xué)院冰雪專(zhuān)項(xiàng)班選拔了12名同學(xué)作為測(cè)試對(duì)象。入選標(biāo)準(zhǔn)為熟練掌握高山滑雪基本技能、身體健康狀況良好、無(wú)不良嗜好、近6個(gè)月內(nèi)未出現(xiàn)嚴(yán)重下肢損傷、無(wú)長(zhǎng)短腿問(wèn)題，并持有滑雪社會(huì)指導(dǎo)員職業(yè)資格證書(shū)。分析所有測(cè)試對(duì)象在室內(nèi)模擬滑雪機(jī)（Alpine Engineering）上分別穿著雪鞋自帶鞋墊、普通功能性鞋墊以及3D功能性鞋墊按滑行坡面14°和滑行速度25km/h直線滑行時(shí)10s的下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)股直肌、股外側(cè)肌、股外側(cè)肌、腘繩肌和臀大肌的積分肌電值（iEMG）。由于高山滑雪鞋鞋幫較高，不便測(cè)試小腿相關(guān)肌群的iEMG。

2.2、研究方法

（1）文獻(xiàn)資料法。

通過(guò)在中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方、維普和讀秀等中文數(shù)據(jù)庫(kù)以及Web of Science英文數(shù)據(jù)庫(kù)中使用“3D功能性鞋墊”“鞋墊”“3D functional insole”等關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，獲取相關(guān)文獻(xiàn)資料。通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的梳理和歸納，為本文的撰寫(xiě)及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了充足的理論基礎(chǔ)。

（2）實(shí)驗(yàn)法。

采用中國(guó)智蕓薇?無(wú)線肌電測(cè)試系統(tǒng)對(duì)測(cè)試對(duì)象下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)各肌群的積分肌電值（iEMG）進(jìn)行精確采集。在測(cè)試開(kāi)始的前一天，特別提醒測(cè)試者注意身體清潔，以確保測(cè)試部位符合標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試當(dāng)天，測(cè)試者需穿著校服短褲參與實(shí)驗(yàn)。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，用酒精棉球?qū)π枰迟N肌電貼的部位進(jìn)行仔細(xì)擦拭，以確保肌電貼與皮膚的緊密粘貼（毛發(fā)較為茂密者需進(jìn)行毛發(fā)剔除，避免毛發(fā)對(duì)肌電信號(hào)傳導(dǎo)的影響）。一切準(zhǔn)備就緒后，打開(kāi)滑雪機(jī)開(kāi)關(guān)，讓測(cè)試對(duì)象在滑雪機(jī)上進(jìn)行1min的適應(yīng)性滑行，使其逐漸熟悉測(cè)試環(huán)境和滑行動(dòng)作。適應(yīng)性滑行結(jié)束后，通過(guò)中國(guó)智蕓薇?無(wú)線肌電測(cè)試系統(tǒng)精確捕捉10s測(cè)試對(duì)象直滑降時(shí)下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)iEMG數(shù)據(jù)。按照雪鞋自帶鞋墊、普通功能性鞋墊以及3D功能性鞋墊的順序進(jìn)行測(cè)試。每次更換鞋墊后，給測(cè)試對(duì)象1min間歇時(shí)間，具體間歇時(shí)間以測(cè)試對(duì)象的體能恢復(fù)情況為準(zhǔn)。

（3）數(shù)理統(tǒng)計(jì)法。

運(yùn)用Excel表格對(duì)測(cè)試對(duì)象的身高、體重、年齡、性別以及優(yōu)勢(shì)側(cè)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并在實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)束后對(duì)測(cè)試對(duì)象的下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)的iEMG進(jìn)行整理。運(yùn)用SPSS26.0軟件對(duì)測(cè)試后的數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)樣本T檢驗(yàn)，對(duì)比分析測(cè)試對(duì)象穿著雪鞋自帶鞋墊、普通功能性鞋墊以及3D功能性鞋墊直滑降時(shí)優(yōu)勢(shì)側(cè)各肌肉iEMG的差異情況。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)P值≤0.05時(shí)，我們認(rèn)為存在統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著差異；當(dāng)P值≤0.01時(shí)，表明差異非常顯著；若P值＞0.05，則意味著差異不顯著。

（4）邏輯分析法。

在采用文獻(xiàn)資料法的基礎(chǔ)上，采用歸納分析法對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行了系統(tǒng)的整理，并通過(guò)對(duì)比類(lèi)似文章的研究?jī)?nèi)容和觀點(diǎn)，全面了解3D功能性鞋墊的研究現(xiàn)狀及其在體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展情況，確保文章撰寫(xiě)準(zhǔn)確。

3、研究結(jié)果與分析

3.1、下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)積分肌電值的測(cè)試結(jié)果與分析

在穿著不同鞋墊的條件下，對(duì)受試者滑行過(guò)程中下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)股直肌、股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌、腘繩肌、臀大肌的積分肌電值數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。測(cè)試對(duì)象下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)iEMG的具體數(shù)值（如表2所示），并通過(guò)簇狀柱圖（如圖2所示）進(jìn)行直觀展示。

通過(guò)對(duì)測(cè)試對(duì)象的下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)iEMG的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)樣本T檢驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)3D功能性鞋墊與雪鞋自帶鞋墊對(duì)下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)股外側(cè)肌、腘繩肌以及臀大肌的iEMG均有影響，對(duì)股外側(cè)肌iEMG的影響存有顯著差異（P＜0.05），對(duì)腘繩肌和臀大肌iEMG的影響存有非常顯著的差異（P＜0.01）。與普通功能性鞋墊相比，雪鞋自帶鞋墊對(duì)股外側(cè)肌的影響非常顯著（P＜0.01）。此外，3D功能性鞋墊與普通功能性鞋墊對(duì)腘繩肌的iEMG影響也存有顯著差異（P＜0.05）。其他不同類(lèi)型鞋墊相比較的情況下下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)肌群iEMG無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

圖2 下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)積分肌電值圖

3.2、下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)不同肌群貢獻(xiàn)率的測(cè)試結(jié)果與分析

在穿著不同鞋墊的條件下，對(duì)受試者滑行過(guò)程中下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)股直肌、股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌、腘繩肌、臀大肌的貢獻(xiàn)率數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。測(cè)試對(duì)象下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)肌群貢獻(xiàn)率的具體數(shù)值（如表3所示），并通過(guò)簇狀柱圖（如圖3所示）進(jìn)行直觀展示。

通過(guò)對(duì)測(cè)試對(duì)象的下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)iEMG的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)樣本T檢驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)3D功能性鞋墊與雪鞋自帶鞋墊對(duì)測(cè)試對(duì)象下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)股直肌貢獻(xiàn)率的影響有非常顯著差異（P＜0.01），而對(duì)股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌、腘繩肌的貢獻(xiàn)率僅有顯著差異（P＜0.05）。此外，雪鞋自帶鞋墊與普通功能性鞋墊對(duì)測(cè)試對(duì)象下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)股內(nèi)側(cè)肌貢獻(xiàn)率的影響也存有顯著差異（P＜0.05）。其他不同類(lèi)型鞋墊相比較而言，在這些肌群上的iEMG無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

4、討論

4.1、不同鞋墊類(lèi)型對(duì)下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)積分肌電值的影響

肌電信號(hào)源于脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，iEMG是表面肌電信號(hào)中的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，用于量化一定時(shí)間內(nèi)參與活動(dòng)的肌肉放電總量。它不僅能夠揭示參與活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)單位數(shù)量及其放電情況，還能實(shí)時(shí)反映肌肉的活動(dòng)狀態(tài)和收縮特性。此外，iEMG值的大小直接反映了肌肉運(yùn)動(dòng)單位所消耗的能量多少，因此其幅值的大小可以作為評(píng)估肌肉疲勞程度的重要指標(biāo)。

本研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于測(cè)試對(duì)象的下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)，不同鞋墊對(duì)于引起的下肢疲勞具有差異。如表2所示，當(dāng)測(cè)試對(duì)象穿著3D功能性鞋墊滑行時(shí)，與雪鞋自帶的鞋墊相比，在相同滑行條件下，下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)的整體疲勞程度明顯較低。盡管股直肌的iEMG有輕微上升，但這種變化并不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著性（P＞0.05）。與此同時(shí)，雪鞋自帶鞋墊與普通功能性滑雪鞋在股外側(cè)肌方面的差異極為顯著（P＜0.01）。值得注意的是，3D功能性鞋墊與普通功能性鞋墊不僅在腘繩肌方面存在顯著差異（P＜0.05），而且在減輕臀大肌和股外側(cè)肌的疲勞程度方面也有所幫助，盡管這些幫助尚未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著性差異水平。

綜上，從下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)各肌群的疲勞情況來(lái)看，定制的個(gè)性化3D功能性鞋墊在完成相同難度任務(wù)時(shí)，能夠有效減輕使用者的疲勞感，從而延長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)間或在有限水平的基礎(chǔ)上挑戰(zhàn)更高難度的任務(wù)。這一點(diǎn)也得到了Tomaro和Vanicek等研究者的進(jìn)一步證實(shí)，他們發(fā)現(xiàn)3D打印矯正功能性鞋墊在減少股外側(cè)肌疲勞方面具有顯著效果，這種作用可以有效延長(zhǎng)下肢肌肉的活動(dòng)時(shí)間?？紤]到高山滑雪運(yùn)動(dòng)通常在廣闊且海拔較高的雪地進(jìn)行，那里的空氣稀薄，使得在進(jìn)行相同的運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)員更容易產(chǎn)生疲勞。對(duì)于熱衷于滑雪的業(yè)余愛(ài)好者而言，滑雪活動(dòng)往往持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。為了降低疲勞感并提升身體適應(yīng)性，除了提升有氧代謝能力外，擁有一副符合個(gè)人足部特征的定制化鞋墊顯得尤為重要。

4.2、不同鞋墊類(lèi)型對(duì)下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)肌群貢獻(xiàn)率的影響

當(dāng)肌肉承受更大的負(fù)荷時(shí)，其收縮力度會(huì)增強(qiáng)，同時(shí)，iEMG也會(huì)相應(yīng)增加，兩者呈現(xiàn)正比關(guān)系。表面肌電技術(shù)能夠揭示運(yùn)動(dòng)單位的活化狀態(tài)及神經(jīng)支配特點(diǎn)，并精確評(píng)估參與運(yùn)動(dòng)的肌肉的貢獻(xiàn)率。具體而言，肌肉貢獻(xiàn)率指的是在一次特定測(cè)試動(dòng)作中，各肌肉所產(chǎn)生的積分肌電值占所有測(cè)試肌肉積分肌電值總和的百分比。

本研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于提升臀大肌在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的貢獻(xiàn)率，3D功能性鞋墊與其他兩種鞋墊無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。3D功能性鞋墊與雪鞋自帶鞋墊相比較而言，在股直肌、股內(nèi)側(cè)肌以及股外側(cè)肌方面都有提升貢獻(xiàn)率，且存有顯著性統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.05），3D功能性鞋墊與普通功能性鞋墊相比較而言，僅在股外側(cè)肌貢獻(xiàn)率方面存有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.05）。此外，在股直肌和股內(nèi)側(cè)肌貢獻(xiàn)率方面存有較好的優(yōu)勢(shì)，盡管沒(méi)有表現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)學(xué)上的差異。普通功能性鞋墊與雪鞋自帶鞋墊比較而言，在提升股直肌、股內(nèi)側(cè)肌以及股外側(cè)肌貢獻(xiàn)率方面較好，其中對(duì)于提升股內(nèi)側(cè)肌的貢獻(xiàn)率方面存有顯著性的差異（P＜0.05）。眾所周知，高山滑雪是一項(xiàng)速度與技巧的完美結(jié)合的高度危險(xiǎn)性運(yùn)動(dòng)，它要求運(yùn)動(dòng)員具備高度敏捷、反應(yīng)迅速、平衡能力等素質(zhì)。下肢肌肉力量貢獻(xiàn)率的提高不僅為運(yùn)動(dòng)提供充足的源動(dòng)力，還通過(guò)穩(wěn)定骨關(guān)節(jié)來(lái)確保運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性、流暢性和安全性。

綜上，在同等運(yùn)動(dòng)情況與自身能力水平下，3D功能性鞋墊能夠有效提升下肢各肌群的肌肉貢獻(xiàn)率，增強(qiáng)下肢關(guān)節(jié)穩(wěn)定性，減少運(yùn)動(dòng)損傷發(fā)生與提升運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。對(duì)于提升滑行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中下肢肌肉整體貢獻(xiàn)率，3D功能性鞋墊有效性＞普通功能性滑雪鞋墊＞雪鞋自帶鞋墊。

5、結(jié)論與建議

5.1、結(jié)論

3D功能性鞋墊能有效減輕下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)肌群的疲勞程度，延長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)間或適合更高難度的任務(wù)。

3D功能性鞋墊在提升滑行運(yùn)動(dòng)中下肢肌肉貢獻(xiàn)率和關(guān)節(jié)穩(wěn)定性方面優(yōu)于普通功能性鞋墊和雪鞋自帶鞋墊，對(duì)于需要高度敏捷和平衡能力的高山滑雪運(yùn)動(dòng)員至關(guān)重要。

5.2、建議

對(duì)于參與滑雪活動(dòng)的愛(ài)好者，建議選購(gòu)功能性滑雪鞋墊。選購(gòu)時(shí)，應(yīng)依據(jù)個(gè)人的肌肉狀態(tài)和身體條件，有針對(duì)性地挑選功能性滑雪鞋墊，以便在提升滑雪舒適度的同時(shí)，確保運(yùn)動(dòng)安全。

對(duì)于專(zhuān)業(yè)高山滑雪運(yùn)動(dòng)員而言，應(yīng)優(yōu)先考慮穿著個(gè)性化定制的3D功能性鞋墊。這能夠精確保護(hù)下肢肌群，預(yù)防潛在的運(yùn)動(dòng)損傷，提高肌肉的工作效率，幫助運(yùn)動(dòng)員在競(jìng)技場(chǎng)上表現(xiàn)更加卓越。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉夢(mèng)媛，劉浩，晏詩(shī)陽(yáng)，等.扁平足矯形鞋墊的研究進(jìn)展[J].皮革科學(xué)與工程，2021，31（02）.

[2]侯亞麗，馮通，王向東，等.鞋墊對(duì)跑步運(yùn)動(dòng)中下肢肌電的影響研究[J].體育研究與教育，2021，36（04）.

[3]方明珠，胡潔，王伶羽，等.基于表面肌電信號(hào)的人因與工效學(xué)評(píng)估研究綜述[J].包裝工程，2023，44（12）.

[4]Lucy Hatton A， Dixon J， Rome K， et al. Effect of foot orthoses on lower limb muscle activation： a critical review[J]. Physical Therapy Reviews， 2008，13（4）.

[5]馬靜，劉功聚.表面肌電及等速肌力測(cè)試技術(shù)在膝關(guān)節(jié)力電關(guān)系研究中的應(yīng)用[J].浙江體育科學(xué)，2020，42（03）.

[6]孫強(qiáng)，于翠蘭.石鎖花樣基本動(dòng)作表面肌電特征研究[J].當(dāng)代體育科技，2020，10（25）.