弓太生，郭思逸，高倩，郭永剛，吳婷

（1.陜西科技大學設計與藝術學院，陜西 西安 710021；2.陜西科技大學輕化工程國家級實驗教學示范中心，陜西 西安 710021；3.際華三五一五皮革皮鞋有限公司，河南 漯河 462000）

踝關節(jié)是人體負重最大的屈戍關節(jié)，踝關節(jié)扭傷是日常生活中最易發(fā)生的運動損傷問題，占所有運動損傷的10%～30%。足部內(nèi)翻是造成踝關節(jié)扭傷最為常見原因，占所有踝關節(jié)損傷70%～85%[1-2]。對大多數(shù)人來說，日常行走過程中踩到異物可能會致使足部外側先落地造成踝關節(jié)內(nèi)翻，過度內(nèi)翻會導致踝關節(jié)扭傷，引起踝關節(jié)腫痛，嚴重時會影響行走并產(chǎn)生高額的醫(yī)療費用；對于運動員和運動愛好者來說，踝關節(jié)扭傷會延誤訓練進程甚至影響職業(yè)生涯[2-4]；對于部隊官兵來說，踝關節(jié)扭傷會影響單兵作戰(zhàn)能力進而影響部隊戰(zhàn)斗能力[2,5]。

為保護踝關節(jié)，部分研究設計了松緊度可調(diào)節(jié)的踝關節(jié)支持護具用以預防和減少足踝韌帶損傷問題的發(fā)生。東華大學的關國平等[6]對國內(nèi)外踝護具研究進展進行綜述，依據(jù)彈性將踝護具分為彈性護踝和半剛性護踝兩類，指出目前已有的踝護具可以減小內(nèi)踝外翻角度，對運動防護和損傷后康復愈合都有顯著效果，但在舒適性和保護程度等方面仍有提升空間。對于已經(jīng)發(fā)生的踝關節(jié)損傷問題，醫(yī)學上常采用貼扎、佩戴護具或支持帶包扎固定的方式進行治療[7]，其中踝護具效果最好且價格最低，僅為貼扎的三分之一[6,8-11]。

依據(jù)上述研究現(xiàn)狀，針對在運動競技和部隊訓練中頻發(fā)的踝關節(jié)扭傷等足踝韌帶損傷問題，本研究將護踝抗扭轉結構設計在鞋靴上，制作具有不同護踝抗扭轉結構的功能鞋靴，并對每雙鞋靴的運動穩(wěn)定性進行測試，從運動生物力學的角度研究各護踝抗扭轉結構對受試者足踝部的影響。

1 鞋靴護踝抗扭轉功能的探索研究

人在運動過程中穿著的鞋靴內(nèi)轉、外轉所需的扭矩越大，其抵抗腳形變的能力就越強，可以起到降低旋轉速度和旋轉角度的作用，從而保護腳踝的正?；顒?，達到預防運動過程中踝關節(jié)損傷的目的。為探究影響鞋靴護踝抗扭轉性能的具體結構，選取籃球鞋、登山鞋、作訓鞋（15 式）、作戰(zhàn)靴（17式）等四款鞋靴，進行護踝抗扭轉結構的探索研究。參照國家標準《GB/T 32024-2015 鞋類整鞋試驗方法扭轉性能》[12]，用成鞋扭轉試驗機測試四款鞋靴的抗扭轉性能，設置參數(shù)為扭轉速度300°/min，縱向軸內(nèi)轉（30.0±0.5）°，外轉（30.0±0.5）°，測試結果見表1。

表1 抗扭轉測試結果匯總Tab.1 Results of anti-torsion test

由表1，對四款鞋靴進行成鞋抗扭轉性能測試發(fā)現(xiàn)，具有足弓處碳纖維支撐板的籃球鞋和具有雙向踝關節(jié)彎曲設計的登山鞋在相同條件下內(nèi)、外轉扭矩較大，作訓鞋內(nèi)、外轉扭矩最小。

鞋靴抗扭轉性能與其自身抗扭轉系統(tǒng)有著直接聯(lián)系，本次測試四款鞋靴因其各自功能不同，抗扭轉系統(tǒng)也有所不同。對試驗選取的四雙鞋靴結構特點進行分析，與其他試驗鞋相比，籃球鞋具有豐富的抗扭轉系統(tǒng)和優(yōu)質(zhì)的抗扭轉材質(zhì)，后跟環(huán)繞的TPU 支撐板與足弓處的碳纖維支撐板均為及具代表性的抗扭轉結構，為整雙鞋提供很好的穩(wěn)定支撐和平衡性；登山鞋擁有雙向踝關節(jié)彎曲設計，腳踝發(fā)泡材料實現(xiàn)包裹效果，中底兩種不同密度發(fā)泡材料組合實現(xiàn)緩震支撐效果；作戰(zhàn)靴以雙密度鞋底提供緩沖減震功能，鞋靴內(nèi)踝兩側設計護踝軟墊以保護足部，鞋跟外側設計防磨損硬塊，增強抓地力；作訓鞋足弓安全防扭系統(tǒng)能夠防止扭傷，起到保護踝關節(jié)的作用，但本次測試未表現(xiàn)出優(yōu)異的抗扭轉性能，推測低幫結構影響了作訓鞋穩(wěn)定性。

根據(jù)預模擬試驗結論及試驗分析，初步推測影響鞋靴抗扭轉性能的主要因素為合理的踝關節(jié)保護結構和足弓處碳纖維板結構。

2 試驗鞋靴及運動穩(wěn)定性測試

將足弓碳纖維板和踝關節(jié)保護綁帶兩種結構排列組合，運用到護踝抗扭轉功能鞋靴的設計中，設計并制作出四雙具有不同護踝抗扭轉結構的功能鞋靴。足弓處碳纖維板結構設計如圖1（a）所示，制作材料為3 mm 碳纖維板，長度約18 cm；踝關節(jié)保護綁帶結構設計如圖1（b）所示，制作材料為超纖皮革，綁帶寬2.5 cm。

圖1 足弓碳纖維板和踝關節(jié)保護綁帶結構

2.1 試驗鞋靴

試驗設計制作出的四雙具有不同護踝抗扭轉結構的功能鞋靴（男鞋255 碼），結構如下：款式1有碳板有綁帶、款式2 無碳板有綁帶、款式3 無碳板無綁帶、款式4 有碳板無綁帶。

2.2 運動穩(wěn)定性測試

2.2.1 受試者選取

隨機選取10 名在校男大學生為受試者，受試者身體狀況良好，無足踝損傷史，優(yōu)勢腿均為右腿，近12 個月內(nèi)沒有發(fā)生過下肢肌肉損傷，年齡（22±2.5）歲，身高（175.6±4.5）cm，體重（69.8±8.1）kg，腳長（258±5.2）mm，體重指數(shù)（BMI，body mass index）為20.64±1.85。

2.2.2 試驗材料及儀器設備

試驗材料：試驗用貼身運動服、純棉襪子、熒光標記點、醫(yī)用酒精棉球、醫(yī)用透氣膠帶、醫(yī)學敷料等。

測試用儀器設備：身高體重測量儀、腳型測量儀、Footscan 足底壓力測試系統(tǒng)、Kistler 三維測力臺、Motive 三維運動捕捉系統(tǒng)、60 cm 高跳臺。

2.2.3 試驗步驟

在受試者相應的體表解剖位置上粘貼35 個熒光標記點，標記點位置名稱及對應數(shù)量見表2。

表2 標記點名稱及位置Tab.2 Name and location of marking points

由標記點建立人體下肢骨骼模型，模型包含盆骨、左右股骨、左右小腿、左右足7 個部分。每次測試之前須對受試者的靜態(tài)數(shù)據(jù)進行采集：受試者雙腳與肩同寬直立于三維測力臺上，雙手抱肩目視前方保持靜止不動，觀察儀器上熒光標記點的個數(shù)為35 個。每名受試者分別穿著四雙具有不同護踝抗扭轉結構的功能鞋靴進行45°側切運動和60 cm 跳臺運動兩種測試動作，采集試驗數(shù)據(jù)，研究足弓處碳纖維板結構和踝關節(jié)保護綁帶結構對鞋靴運動穩(wěn)定性的影響。

2.2.4 測試方法

（1）測試一：45°側切運動試驗

受試者從起點開始沿著地面標記的軌跡運動，在距離測力臺4 m 處直線加速，右腳踏在測力臺中心，隨后向原運動方向左側45°方向上做側切動作，3 m 后奔跑動作停止。試驗過程中受試者無需做任何步伐調(diào)整，右腳完全踏在三維測力臺上視為一次有效的數(shù)據(jù)收集，見圖2。

圖2 45°側切運動試驗

（2）測試二：60 cm 跳臺運動

受試者雙手抱肩靜止站立于60 cm 高的跳臺上，雙腳與肩同寬，保持軀干盡可能靜止的狀態(tài)下，優(yōu)勢腿向前邁出，由60 cm 高的跳臺上無初速度跳下跳臺。試驗要求受試者雙腳同時著地，落地后右腳落在三維測力臺之上，左腳落在三維測力臺之外，見圖3。

圖3 60 cm 跳臺運動試驗

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

采集四雙具有不同護踝抗扭轉結構的功能鞋靴在兩種動作下的運動生物力學數(shù)據(jù)，每雙測試鞋靴、每個動作需采集三條有效數(shù)據(jù)。對丟失的熒光標記追蹤點，使用Motive 三維運動捕捉系統(tǒng)，以各個部位上的剛體追蹤點作為參考點，運用剛體模型補點（Rigid Body Fill）方式對采集到的試驗數(shù)據(jù)進行補點。運用Visual 3D v6 Professional 軟件對數(shù)據(jù)進行處理并建立靜態(tài)骨骼模型。

所有軀干局部坐標系都遵循右手原則，運用軟件GraphPad Prism 8 按照XYZ 的旋轉方式[13-14]，計算每位受試者右側踝關節(jié)在整個支撐期內(nèi)三維踝關節(jié)角度和踝關節(jié)力矩，踝關節(jié)角度定義為小腿坐標系和虛擬足坐標系之間的歐拉角，圍繞X 軸，獲得跖屈背屈角及角速度（正值為背屈、負值為跖屈），圍繞Y 軸旋轉，獲得內(nèi)翻外翻角及角速度（正值為內(nèi)翻、負值為外翻），圍繞Z 軸旋轉，獲得內(nèi)旋外旋角及角速度（正值為內(nèi)旋、負值為外旋）[15]。

使用雙因素重復測量方差分析，研究足弓處碳纖維板結構和踝關節(jié)保護綁帶結構對受試者下肢生物力學上的影響。對有交互作用的指標進行簡單效應分析做進一步的統(tǒng)計分析，對主效應有顯著性差異的指標使用圖基檢驗（Tukey’s post-hoc）進行事后檢驗，顯著性水平設為0.05。

3 結果與討論

45°側切運動下足弓處碳纖維板和踝關節(jié)保護綁帶結構對踝關節(jié)角度及力矩的影響見表3，60 cm跳臺運動下足弓處碳纖維板和踝關節(jié)保護綁帶結構對踝關節(jié)角度及力矩的影響見表4。

表3 45°側切運動下碳板和綁帶對踝關節(jié)角度及力矩的影響（）Tab.3 Effect of the ankle protectors and torsion resistant structure on the angle and torque of the ankle joint during 45° side-cut motion

表3 45°側切運動下碳板和綁帶對踝關節(jié)角度及力矩的影響（）Tab.3 Effect of the ankle protectors and torsion resistant structure on the angle and torque of the ankle joint during 45° side-cut motion

1）代表具有統(tǒng)計學意義（P ＜0.05）

?

表4 60 cm 跳臺運動下碳板和綁帶對踝關節(jié)角度及力矩的影響（）Tab.4 Effect of the ankle protectors and torsion resistant structure on the angle and torque of the ankle joint during 60 cm jump motion

表4 60 cm 跳臺運動下碳板和綁帶對踝關節(jié)角度及力矩的影響（）Tab.4 Effect of the ankle protectors and torsion resistant structure on the angle and torque of the ankle joint during 60 cm jump motion

1）代表具有統(tǒng)計學意義（P ＜0.05）

?

3.1 45°側切運動測試結果分析

3.1.1 X軸方向踝關節(jié)角度

45°側切運動在X 軸方向上的最大踝關節(jié)角度見圖4。由圖4，與踝關節(jié)保護綁帶相比，足弓處碳纖維板對踝關節(jié)觸地時關節(jié)角度的影響更為顯著。經(jīng)統(tǒng)計學計算，足弓處碳纖維板和踝關節(jié)保護綁帶均對踝關節(jié)觸地時關節(jié)角度的影響具有統(tǒng)計學意義（P=0.031，P=0.013）。根據(jù)事后檢驗，與踝關節(jié)保護綁帶結構相比，足弓處碳纖維板結構可以減小踝關節(jié)背屈角度（總變異百分比為2.448），進而提升踝關節(jié)在矢狀面上的穩(wěn)定性。

圖4 45°側切運動X 軸最大踝關節(jié)角度

3.1.2 X軸方向踝關節(jié)力矩

45°側切運動在X 軸方向上最小踝關節(jié)力矩見圖5。由圖5，足弓處碳纖維板和踝關節(jié)保護綁帶結構均對踝關節(jié)觸地時的關節(jié)力矩造成影響。經(jīng)統(tǒng)計學計算，足弓處碳纖維板對踝關節(jié)觸地時關節(jié)力矩的影響具有統(tǒng)計學意義，P=0.027；踝關節(jié)保護綁帶對踝關節(jié)觸地時關節(jié)力矩的影響未見統(tǒng)計學意義，P=0.782。根據(jù)事后檢驗，足弓處碳纖維板結構可以減小踝關節(jié)跖屈力矩（總變異百分比為1.215），進而提升踝關節(jié)在X 軸上的穩(wěn)定性[16]。

圖5 45°側切運動X 軸最小踝關節(jié)力矩

此外，經(jīng)統(tǒng)計學計算，當受試者做45°側切運動時，在Y 軸與Z 軸方向上，踝關節(jié)角度、踝關節(jié)力矩的P值均大于0.05，未見統(tǒng)計學意義。

3.2 60 cm跳臺運動測試結果分析

Y 軸方向踝關節(jié)角度。60 cm 跳臺運動在Y 軸方向上最大踝關節(jié)角度見圖6。由圖6 可知，足弓處碳纖維板結構和踝關節(jié)保護綁帶結構均能夠減小人體在跳躍運動時踝關節(jié)在Y 軸方向上的內(nèi)翻角度，其中踝關節(jié)保護綁帶結構在Y 軸上對踝關節(jié)觸地時關節(jié)角度造成顯著影響。經(jīng)統(tǒng)計學計算，踝關節(jié)保護綁帶對觸地時踝關節(jié)角度的影響具有統(tǒng)計學意義，P=0.009；足弓處碳纖維板在Y 軸方向上對觸地時踝關節(jié)角度的影響未見統(tǒng)計學意義，P=0.854。根據(jù)事后檢驗，踝關節(jié)保護綁帶結構減小了踝關節(jié)內(nèi)翻角度（總變異百分比為3.046），可以起到降低踝關節(jié)扭傷風險的作用[17-18]。

圖6 60 cm 跳臺Y 軸最大踝關節(jié)角度

此外，經(jīng)統(tǒng)計學計算，當受試者做60 cm 跳臺運動時，在X 軸與Z 軸方向上，踝關節(jié)角度的P值均大于0.05，未見統(tǒng)計學意義；在X 軸、Y 軸和Z 軸方向上，踝關節(jié)力矩的P 值均大于0.05，未見統(tǒng)計學意義。

3.3 討論

測試結果表明，45°側切運動中，受試者在穿戴有足弓處碳纖維板結構的鞋靴后，踝關節(jié)X 軸方向上背屈角度減小、跖屈力矩縮短。上海體育學院的傅維杰等[19]對Nike NEXT%跑鞋升級款ZoomX 中底結構進行分析，以其原型跑鞋Nike Vaporfly 為主要研究對象探究跑鞋對人體下肢生物力學的影響，對Hoogkamer、Zhu 等人[20-22]的研究進行了綜述，總結出碳纖維板結構的介入可以增加跑鞋的縱向屈曲剛度，穿著含碳纖維板結構的硬底鞋增加了相鄰踝關節(jié)的杠桿作用，且在保持站姿過程中踝關節(jié)背屈的峰值較少，這與本研究提出的結論相符。

本研究中受試者在進行45°側切運動時，碳板和綁帶結構在Y 軸與Z 軸方向上對踝關節(jié)角度、踝關節(jié)力矩均未見顯著性差異，這與試驗預期不符。研究文獻發(fā)現(xiàn)，北京體育大學的趙承坤等人[23]在進行側切試驗時發(fā)現(xiàn)，穿戴踝關節(jié)護具的受試者最大背屈角度顯著小于空白組（P＜0.05），踝關節(jié)最大內(nèi)翻角度和踝關節(jié)最大外翻力矩顯著大于空白組（P＜0.05），但貼扎組的最大內(nèi)翻角度明顯小于空白組（P＜0.05）和護具組（P＜0.05）。出現(xiàn)上述實驗結果可能是由于實驗采用的護具不能很好的限制踝關節(jié)活動，同時，不同保護措施在同一測試條件下進行同一測試動作出現(xiàn)不同結果，雖然實驗過程護具組足內(nèi)翻角度并不足以造成受試者踝關節(jié)扭傷，但也說明進行運動時應該根據(jù)運動動作的具體情況選用不同結構的踝關節(jié)保護措施[24]，否則非但不能起到保護作用，可能還會增大扭傷風險?；诖耍茰y本試驗中45°側切運動在Y 軸與Z 軸方向上未見顯著性差異可能有以下三點原因：一是受場地影響，受試者每次進行進行側切運動時動作和角度不能保證完全一致，對實驗數(shù)據(jù)造成了影響；二是受試者穿戴試驗裝置進行側切運動時，受心理因素影響，在踏上測力板時可能會下意識改變運動策略，造成試驗誤差；三是推測本研究設計的鞋靴碳板剛性過大，綁帶調(diào)節(jié)過緊，束縛程度過大，限制了關節(jié)活動度。此外，為保護受試者，本研究未采用側向內(nèi)翻傾斜的測力板設計踝關節(jié)扭傷風險更大的試驗動作，因而測試結果可能不能很好的表征碳板和綁帶結構的護踝抗扭轉性能。

60 cm 跳臺運動中，受試者在穿戴有踝關節(jié)保護綁帶結構的鞋靴后，踝關節(jié)Y 軸方向上內(nèi)翻角度減小。這可能是由于足弓處碳纖維板結構使得人腳在落地時，腳掌和腳跟處的受力相對均衡，減小了腳掌與后跟之間的受力差；而踝關節(jié)保護綁帶對足部踝關節(jié)有固定和包覆作用，可以較好的將踝關節(jié)周圍的肌肉群加以束縛，將踝關節(jié)周圍的肌肉、肌腱、韌帶的狀態(tài)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，并對踝關節(jié)予以額外支持，減少了跳躍落地時韌帶伸展過快而導致的踝關節(jié)損傷發(fā)生[1]。此外，南京體育學院的馮雷等[25]設計了一種預防足內(nèi)翻的支持帶籃球鞋，測試發(fā)現(xiàn)與無支持帶籃球鞋相比，有支持帶籃球鞋于地面或斜面落地時均能減小踝關節(jié)內(nèi)收和內(nèi)旋角度，在維持踝關節(jié)穩(wěn)定性上表現(xiàn)出一定優(yōu)勢；三六一度有限公司的魏書濤等[18-19]也在研究中指出“減小踝關節(jié)內(nèi)翻角度可能有利于減少踝關節(jié)扭傷的風險”。本研究提出的踝關節(jié)保護綁帶結構對踝關節(jié)角度的影響與上述學者研究中提到的有利于維持或增強踝關節(jié)穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)規(guī)律相吻合，由此證明本研究設計的踝關節(jié)保護綁帶結構對踝關節(jié)穩(wěn)定性有一定提升作用，能夠降低踝關節(jié)扭傷風險，并于X、Y 軸的方向上對踝關節(jié)起到較好的保護作用。

4 結論

（1）踝關節(jié)保護綁帶結構可以減小跳躍運動時踝關節(jié)在Y 軸方向上的內(nèi)翻角度，降低踝關節(jié)扭傷風險，起到護踝作用，建議用于運動動作多發(fā)生于Y軸的防護鞋具設計。

（2）足弓處碳纖維板結構可以降低側向運動時踝關節(jié)的背屈角度，縮短踝關節(jié)跖屈力矩，提升踝關節(jié)的穩(wěn)定性，但會降低踝關節(jié)靈活程度，建議用于運動動作多發(fā)生于X 軸的防護鞋具設計。