羅向東，段思岐＊，薛朝華＊＊，韓思晨，韓雯靜

（陜西科技大學設計與藝術(shù)學院，陜西 西安 710021；2.陜西省人工智能聯(lián)合實驗室（陜西科技大學），陜西 西安 710021）

引言

足部健康與人的日常生活息息相關(guān)，足部具有豐富的感覺神經(jīng)，對于舒適性的感知十分靈敏。鞋靴在日常生活中具備保護、支撐足部的重要功能，內(nèi)腔與足部直接接觸，對足部壓力舒適性有重要影響。根據(jù)足部解剖區(qū)域[1]劃分，足部壓力分為足底壓力和跗面壓力，足底壓力測量技術(shù)與舒適性的評估方法目前已相當成熟，足底壓力與壓強的分布可反映足部的動力學特征甚至健康狀況[2]。但針對跗面和足部其他部位的舒適度研究相對較少，缺少進行足面壓力測量的直接手段，且足面壓力表征的標準也需進一步完善[3]。足面壓力研究的難點之一在于足面的形態(tài)變化較強，測量難度較大且準確性難以保證。

許多學者選擇分析足-鞋界面足面壓力，即幫面壓力的分布情況。為了探究兒童網(wǎng)球球員的鞋內(nèi)容積對舒適度的影響，Herbaut等用一只裝有紡織傳感器的襪子測量其腳上施加的壓力，從而反映了足面受不同鞋結(jié)構(gòu)變化造成的壓力差異，并且進行了主觀舒適性評價[4]。阮果清等使用Novel pedar壓力感應片對受試者右腳鞋幫的內(nèi)踝、外踝、跖趾關(guān)節(jié)外側(cè)和跖趾關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)四個部位進行鞋幫壓力的測量，來分析不同運動鞋鞋幫壓力的異同點[5]。上述研究均只研究了單一運動狀態(tài)下的壓力表征。有研究表明，運動狀態(tài)改變時，壓力表征也會發(fā)生改變[6]，不同運動狀態(tài)下幫面壓力的變化情況也應進一步分析。

為了進一步探究足面壓力與足面舒適性的評價標準，從而確定與最佳舒適度感知區(qū)域，從幫面角度出發(fā)，研究幫面結(jié)構(gòu)對人體運動機能的影響，從而為鞋類定制與足部舒適度評估提供數(shù)據(jù)參考。

本研究選取非足底部位進行壓力實驗，以不同幫面結(jié)構(gòu)的正裝男鞋為載體，其款式較為固定，結(jié)構(gòu)變化可直接反映與足部壓力變化的關(guān)系。結(jié)合主觀舒適度分級評價，研究不同鞋款幫面對感知部位壓力影響狀況，并進一步探究幫面壓力舒適感知點，為設計更符合人腳幫面覆蓋部位的鞋款提供參考依據(jù)。

1 實驗條件與方法

1.1 實驗部位確定

針對日常舒適感體驗的問卷調(diào)查研究，針對男士正裝鞋不適部位和不適感產(chǎn)生原因，采用隨機抽樣方法面向西安地區(qū)20~40歲的男性發(fā)放調(diào)查問卷323份，回收有效問卷302份，有效回收率為93.50%，要求經(jīng)常穿著男士皮鞋，身體健康，無足部及下肢疾病。

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，不適感中壓腳、擠腳、磨腳占主要部分，占比分別為15%、26%和17%，鞋發(fā)生了磨損情況的占30%。不適感各部位分布百分比的詳細情況如圖1所示：壓腳感主要集中在足背最高點（72.73%）和腳趾最高點（60.61%）；擠腳感主要為大拇指外側(cè)及凸點（60%）和小拇指外側(cè)及凸點（57.39%），集中在前足兩側(cè)；磨腳感主要發(fā)生在足后跟（73.33%）、第五腳趾外側(cè)凸點（58.67%）、大拇指外側(cè)凸點（48.67%）、鞋口（28%）位置；磨損主要發(fā)生在后跟（57.69%）和第一跖趾關(guān)節(jié)部位（53.08%），腳趾（13.85%）和鞋口（9.23%）部分也有部分磨損狀況。在鞋幫部位中，不適感和磨損嚴重的的部位集中在足背、足后跟、前足兩側(cè)（跖趾部位），和前期研究結(jié)論一致[3]，正裝鞋鞋口較淺，與足接觸主要部位為外踝處，鞋口部分的磨腳和磨損狀況可能是由于男士皮鞋特殊的鞋幫結(jié)構(gòu)導致的。綜合相關(guān)研究和前期調(diào)研結(jié)果，本研究的鞋幫舒適度測試部位為：足部跖趾部位外邊緣點、跗背部位、外踝骨下端點、后跟部位，測試部位如圖2所示。

圖1 不適感各部位分布百分比Fig.1 Distributing percentage of each part of discomfort

圖2 舒適度測試部位示意圖Fig.2 Diagram of comfort test site

1.2 實驗對象

選取20名健康男性作為實驗受試者，年齡為（24±2.3）歲，足部無破損，腳踝凸出，腳寬為跖圍的（40±5）%，滿足腳寬與跖圍間相關(guān)性[7]。腳型端正無畸形，指甲不可過長，正常步態(tài)。穿著鞋碼為42碼。（受試者簽署了相關(guān)知情同意書。）

1.3 實驗儀器

采用德國Pliance-X system壓力測試系統(tǒng)，測試儀共有4個測試片，每個測試片分為四個區(qū)域，用于采集幫面對腳部的壓力情況，通過Pliance-X軟件分析系統(tǒng)對壓力信息進行數(shù)據(jù)分析；42碼男士正裝鞋三雙，款式分別為內(nèi)耳式、外耳式和舌式鞋，其幫面結(jié)構(gòu)如圖3所示；棉襪若干雙。

圖3 正裝鞋幫面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Formal upper structure schematic diagram

1.4 實驗方法及過程

1.4.1 幫面壓力實驗

確定測試部位后，通過Pliance-X system壓力測試系統(tǒng)獲取壓力數(shù)據(jù)，受試者分別穿著三種正裝鞋進行幫面壓力實驗。實驗前選用濃度為75%的酒精棉擦拭測試點，去除皮膚表層的角質(zhì)層，以減少實驗誤差。將4個壓力傳感器分別置于足部跖趾部位外邊緣點、跗背部位、外踝骨球下端點、后跟部位，實驗示意圖如圖4。使被試者分別以自然狀態(tài)站立3 min和正常步態(tài)步速（90~115步/min）[8]勻速行走3 min。幫面壓力實驗數(shù)據(jù)采集分為靜止站立與動態(tài)行走兩部分。

圖4 幫面壓力實驗示意圖Fig.4 Diagram of lateral pressure test

每組進行三次相同實驗，平均峰值壓強為三次實驗各部位峰值壓強數(shù)據(jù)的平均值。靜止站立狀態(tài)下，峰值壓強恒定；動態(tài)行走狀態(tài)下，峰值壓強取整個測量過程目標區(qū)域上的感應器所承受壓強的最大值。

1.4.2 主觀舒適性分級評價

穿著實驗用鞋時，分別進行三款鞋動態(tài)行走和靜態(tài)站立25 min內(nèi)的舒適度評分，穿著2 min時第一次評價，5 min時第二次評價，以5 min為間隔進行5次評價，并記錄評價得分。采用心理學標尺[9，10]測量幫面舒適性，主要包含舒適性評價標尺的確定和舒適性表征詞語的選擇。

參考服裝舒適度評價方法，采用等距且對稱的舒適感標尺[11]，將舒適度作為舒適性感知詞匯。采用5點法[12]舒適性評價標尺，如圖5所示，將比較舒適定為0、舒適定為1、很舒適定義為2、不舒適定為-1、很不舒適定為-2。

圖5 舒適度標尺Fig.5 Comfort index

語義標尺法注意事項：

（1）關(guān)于舒適性的詞語描述對稱出現(xiàn)。

（2）受試者對舒適度的主觀評價一致。

1.4.3 方差分析

以運動狀態(tài)和款式分別作為分組標準，采用SPSS 25.0軟件進行平均峰值壓強的方差分析，分析差異是否存在顯著性意義，驗證不同實驗條件下對平均峰值壓強的影響。

2 結(jié)果與討論分析

2.1 幫面壓力實驗結(jié)果

表1為穿著不同鞋款在不同運動狀態(tài)下各部位平均峰值壓強大小。

表1 不同運動狀態(tài)下各部位平均峰值壓強統(tǒng)計表(單位:N/cm2)Tab.1 Statistical table of average peak pressure of different parts under different motion states(Unit:N/cm2)

2.2 不同款式下平均峰值壓強分析

以款式分組，研究不同運動狀態(tài)下各部位平均峰值壓強變化間是否具有統(tǒng)計學差異，進行重復測量方差分析，分析結(jié)果舌式鞋和內(nèi)耳式鞋滿足Mauchly球形檢驗(P＞0.05)，采用主體內(nèi)效應檢驗結(jié)果；外耳式鞋不滿足Mauchly球形檢驗(P＜0.05)，采用多變量檢驗結(jié)果。

根據(jù)方差分析結(jié)果，各鞋款組內(nèi)差異（即各部位之間平均峰值壓強差異）和組間差異（即不同運動狀態(tài)下平均峰值壓強）顯著（P＜0.001），表示本次實驗方法選取的特征部位獨立性強，實驗方法設計可靠。

圖6所示為三種款式下各特征部位的平均峰值壓強均值，使用不同顏色標注鞋款分組，不同線性標注不同運動狀態(tài)，由數(shù)據(jù)趨勢分析，行走狀態(tài)下各鞋款均值壓強圖像趨勢一致性很高，站立狀態(tài)下各鞋款均值壓強趨勢差異較大。

圖6 三種款式下不同運動狀態(tài)各部位壓強均值Fig.6 The average value of the pressure in each part of the different motion states under the three styles

2.3 不同運動狀態(tài)下平均峰值壓強分析

以運動狀態(tài)分組，研究不同款式之間各部位下各部位平均峰值壓強變化間是否具有統(tǒng)計學差異，進行單變量方差分析，分析結(jié)果如表2。

表2 各款式對特征部位平均峰值壓強影響的LSD分析Tab.2 LSD multi-comparisonfor various parameters in characteristics of different styles

在行走狀態(tài)下，穿著舌式鞋和內(nèi)耳式鞋對跗背部位、跖趾部位和后跟部位處壓強影響無顯著差異，站立狀態(tài)下，穿著三種鞋款對不同特征部位壓強影響均有顯著差異。

2.4 主觀評價實驗結(jié)果

繪制不同運動狀態(tài)下主觀評價得分均值以折線圖，不同線型標注鞋款類別。

2.5 討論與分析

（1）由表1可知，穿著三種款式正裝鞋在行走狀態(tài)下，其平均峰值壓強大小均呈現(xiàn)跖趾部位外邊緣點＞后跟部位＞跗背部位＞外踝部位。

（2）舌式鞋的跗背部位壓強最大，跖趾部位外邊緣點壓強最小，可能是由于舌式鞋款式口門部位橡筋布結(jié)構(gòu)限制了跗背的運動，同時其前幫部位圍度較大，使得跖趾部位活動舒適性最高，而外耳和內(nèi)耳式的口門開合結(jié)構(gòu)對調(diào)節(jié)跗背部位運動有積極作用，但前幫的尖頭結(jié)構(gòu)限制了跖趾部位。行走過程中跖趾部位外邊緣點的峰值壓強明顯大于其他部位，說明跖趾關(guān)節(jié)對于足部運動作用十分重要。跖趾關(guān)節(jié)的屈伸彎折在足運動支撐后期的離地階段有顯著影響，行走過程足部為了保持前移，需要跖趾部位彎折[14]，足部產(chǎn)生形變擠壓幫面使得跖趾部位壓力增大。因此，在長時間行走的過程中，跖趾部位容易產(chǎn)生疲勞。從圖7中也可得到證實，在行走狀態(tài)下，時間越長，跖趾部位外邊緣點壓強較大的耳式鞋組的舒適性得分低于舌式鞋組。

圖7 不同運動狀態(tài)下舒適性評分Fig.7 Comfort score in different movement state

（2）表2顯示在行走狀態(tài)下，舌式鞋和內(nèi)耳式鞋在跗背部位、跖趾、后跟部位的差異不明顯，而在外踝骨下端點部位差異明顯，可能是與幫面的包覆性特征有關(guān)，外耳式鞋整體包覆性較好，且有更好的口門調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，在運動過程中能更好地調(diào)節(jié)跗背至踝骨部分的壓力。

（3）由圖6可知，站立狀態(tài)下各部位的壓力分布較為平均，跖趾部位外邊緣點、跗背部位和后跟部位在站立狀態(tài)下的平均壓強均小于行走狀態(tài)，外踝骨下端點在站立狀態(tài)下的平均峰值壓強與行走狀態(tài)相差不大。

在站立狀態(tài)下，人體重量分布于雙足，使得足后跟受力小于行走過程中單足著地的受力，此外，站立狀態(tài)下沒有跖趾關(guān)節(jié)和跗背部位相應肌群的明顯活動，導致其峰值壓強小于行走狀態(tài)。但站立狀態(tài)下足弓持續(xù)受到載荷累積[15]，長時間的受力可能導致疲勞。

站立時外踝骨下端點受力增大可能是由于站立狀態(tài)下的足部處于靜止狀態(tài)，足部踝關(guān)節(jié)用于支撐身體，不會發(fā)生關(guān)節(jié)運動來分散壓力[16]，踝關(guān)節(jié)受力集中在關(guān)節(jié)橫截面，導致踝關(guān)節(jié)與鞋幫面之間的力大于運動狀態(tài)。

（4）根據(jù)圖7主觀評價實驗結(jié)果，站立和行走在最初3 min內(nèi)的舒適性感知基本相同，隨著穿著時間的延長，站立狀態(tài)不適感出現(xiàn)在10~15 min，行走狀態(tài)下不適感出現(xiàn)在15~20 min，之后處于穿著不適狀態(tài)。實驗表明，舒適性與穿著時間呈反比，行走和站立兩種狀態(tài)不適感出現(xiàn)的時間點不同，行走狀態(tài)下足部更易產(chǎn)生不適感。

（5）根據(jù)表2的分析結(jié)果，本實驗所選取的后跟部位、外踝骨下端點、跖趾部位外邊緣點和跗背部位4個點在不同運動狀態(tài)具有統(tǒng)計學差異，且在行走狀態(tài)下外耳式鞋與舌式鞋、內(nèi)耳式鞋的各特征部位差異顯著，站立狀態(tài)下三種鞋款各特征部位的差異均顯著，表明實驗方法與特征點的選取具備合理性，為壓力感知點部位的確定提供了參考依據(jù)。

3 結(jié)論

（1）行走狀態(tài)下，三種鞋款跗背部位壓強位置未見明顯差異，易感疲勞程度為跖趾部位外邊緣點＞后跟＞跗背部位＞外踝部位，減小在行走過程跖趾部位受到的壓力可有效提高舒適度。經(jīng)方差分析，該研究方案結(jié)果差異顯著，為研究幫面壓力和足觸點提供了參考。

（2）站立狀態(tài)下，外踝骨受到的壓強大于行走狀態(tài)，跗背部位、跖趾部位外邊緣點和后跟部位受到的壓強小于行走狀態(tài)。舌式鞋跗背部位受壓程度最大，內(nèi)耳式鞋跖趾部位外邊緣點、后跟、外踝部位受壓程度最大，外耳式鞋壓力分布較分散，舒適性較好，可見提高幫面結(jié)構(gòu)開放性可有效提升穿著整體舒適度。