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(shí)足底壓力分布趨勢變化，以及登山運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)的損傷的生物力學(xué)機(jī)理。實(shí)驗(yàn)被試平地和斜坡上坡以正常步速行走下記錄3個(gè)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(shí)，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(shí)足底最大受力點(diǎn)往前內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)移，最大峰值壓強(qiáng)出現(xiàn)在BT、FF-M，而足跟區(qū)的峰值壓強(qiáng)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(shí)足前部顯著增加的沖擊力給予鞋具設(shè)計(jì)者們一個(gè)較清晰的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

登山鞋；峰值壓強(qiáng)；足底壓力。

從20世紀(jì)60年代開始，登山運(yùn)動(dòng)愛好者迅速增長，阿爾卑斯式登山每年增加幾千個(gè)登山者[1]。登山運(yùn)動(dòng)的普及使其愛好者在運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)中經(jīng)常出現(xiàn)[2-4]。Leroux等[5]認(rèn)為人體在斜坡上行走時(shí)主要依靠身體軀干和骨盆的移動(dòng)來維持身體重心的穩(wěn)定。登山運(yùn)動(dòng)裝備的質(zhì)量和性能對提高登山運(yùn)動(dòng)的水平是非常重要的。Anderson等[1]證實(shí)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(shí)足底壓力分布趨勢變化，以及登山運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)的損傷的生物力學(xué)機(jī)理，為登山鞋具設(shè)計(jì)師們提供一定的理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1實(shí)驗(yàn)對象

實(shí)驗(yàn)受試者共25名女性，足的大小分別為37碼，適合實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)性障礙，行走方式均為腳跟-腳趾型(Heel-Toe)，實(shí)驗(yàn)前48h無劇烈運(yùn)動(dòng)。

圖1 實(shí)驗(yàn)所用鞋具(A)和足底分區(qū)(B)

1.2實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)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(shí)記錄足底壓力數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(lán)牙傳輸與計(jì)算機(jī)相連，在計(jì)算機(jī)操作界面上，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和轉(zhuǎn)換，同時(shí)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(shí)的反饋與糾正。實(shí)驗(yàn)被試平地和斜坡上坡各行走3次，每次采集3個(gè)步態(tài)周期的數(shù)據(jù)。

1.3實(shí)驗(yàn)儀器

足底壓力測量是步態(tài)分析、臨床足疾診療和運(yùn)動(dòng)鞋設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)采用Novel Pedar insole system(Novel公司，德國)，該系統(tǒng)可以反映靜止?fàn)顟B(tài)和運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)中所用的鞋墊大小為37碼，鞋墊厚度為2.6mm，分布了99個(gè)矩形壓力傳感器，壓力鞋墊的測量頻率為100Hz。實(shí)驗(yàn)所用的壓力鞋墊在實(shí)驗(yàn)前都通過壓力標(biāo)定系統(tǒng)對0-60N/cm范圍內(nèi)的壓力值進(jìn)行標(biāo)定，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.4數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)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(jìn)行分析。并且把壓力鞋墊分成了8個(gè)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(gè)步態(tài)周期，手動(dòng)輸出各分區(qū)峰值壓強(qiáng)(Peak Pressure: PP)和力-時(shí)間積分(Force-time Integral: FTI)的值，并用配對樣本t檢驗(yàn)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(jì)軟件進(jìn)行。

2 結(jié) 果

2.1斜坡和平地條件對足底力-時(shí)間積分值的影響

從圖2可以看出，除L-H外其他7個(gè)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(shí)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(shí)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(qiáng)的影響

圖3反映的是斜坡和平地條件下足底峰值壓強(qiáng)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(shí)，斜坡與平地相比，足底最大受力點(diǎn)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(shí)，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(gè)分區(qū)正好相反(plt;0.05)。

圖3 平地和斜坡條件下行走時(shí)足底壓強(qiáng)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(qiáng)值(★表示plt;0.05)

3 分析與討論

運(yùn)動(dòng)界面傾斜度的變化必然改變了運(yùn)動(dòng)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(dòng)中足跟區(qū)的峰值壓強(qiáng)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(huì)改變?nèi)梭w正常的戶外運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。同時(shí)，在上坡行走研究的報(bào)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(shí)下肢產(chǎn)生更大的動(dòng)量[5,9]。因此上坡行走時(shí)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(qiáng)值顯著增大。如果某一部位峰值壓強(qiáng)值過大時(shí)，容易產(chǎn)生過度使用傷害。而且足部長時(shí)間處在這種高峰值壓強(qiáng)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(jì)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(qiáng)。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(shí)足前部的沖擊力顯著增加，對于登山鞋具設(shè)計(jì)師們給出了一個(gè)較重要的區(qū)域設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

[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.

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[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(jìn)展[J].北京體育大學(xué)學(xué)報(bào),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(yùn)動(dòng)時(shí)足底壓力及氣墊運(yùn)動(dòng)鞋力學(xué)功效的實(shí)驗(yàn)研究[J].北京體育大學(xué)學(xué)報(bào),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(dòng)計(jì)劃(新苗人才計(jì)劃)項(xiàng)目(2012R405010)

2012-12-07

蔣 超(1989-)，男，浙江嘉興人，研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué).