不同硬度鞋底跑鞋對足部運動、足底壓力分布及感知舒適度影響的研究

于建成，洪友廉，王 琳，王 健

不同硬度鞋底跑鞋對足部運動、足底壓力分布及感知舒適度影響的研究

于建成1，2，洪友廉3，王 琳3，王 健4

采用問卷調(diào)查法對18名男性業(yè)余跑步愛好者在跑步時腳感知舒適度進(jìn)行調(diào)查，并運用運動生物力學(xué)方法對18名跑步愛好者穿著不同硬度鞋底跑鞋的足部運動和足底壓力、壓強(qiáng)進(jìn)行測試，旨在驗證不同硬度材料跑鞋底對足部運動、足底壓力及感知舒適度的影響。研究結(jié)果表明：隨著鞋底硬度值的增加，足弓和前腳掌外側(cè)部位的峰值壓力和峰值壓強(qiáng)逐漸增大；受試者穿著硬度稍軟鞋底的跑鞋跑步時，腳后跟緩沖能力較好，表現(xiàn)出較好的感知舒適度，發(fā)現(xiàn)腳后跟的感知舒適度是影響感覺和神經(jīng)肌肉系統(tǒng)調(diào)整跑步模式的一個重要因素；受試者穿著較硬鞋底的跑鞋測試時，腳部外翻角度較小，能在足弓外側(cè)和前腳掌外側(cè)產(chǎn)生較大壓力及壓強(qiáng)。

鞋底；硬度；足部運動；足底壓力；感知舒適度

跑步是廣大民眾最普遍的健身運動之一[1-2]。跑步時，腳觸地的瞬間，受到地面的沖擊力將達(dá)到人體重量的2～4倍。跑鞋的性能與預(yù)防損傷和舒適度緊密相連[3-4]。有研究發(fā)現(xiàn)，過度的后足角度、反復(fù)或者過高的沖擊力和高的足底壓力是造成跑步運動損傷的主要因素[5]。研究人員和制造商試圖通過改變跑鞋鞋底的結(jié)構(gòu)特點和材料，以減輕跑鞋對腳造成損傷的負(fù)面影響，其中一個被考慮的重要因素就是跑鞋中鞋底材料的硬度。

現(xiàn)有針對不同硬度鞋底跑鞋的研究發(fā)現(xiàn)，跑步時，不同硬度的跑鞋鞋底不會影響矢狀面的運動參數(shù)[6-9]。一些研究表明，隨著跑鞋鞋底材料硬度的變化，人體的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)會產(chǎn)生運動適應(yīng)[7-9]，從而維持人體在穿不同硬度鞋底跑鞋的舒適度，使人體感受到在同等跑步速度下有著類似的沖擊力和沖擊負(fù)荷[9，10-12]；另有研究發(fā)現(xiàn)，鞋底硬度較軟的跑鞋會在跑步時表現(xiàn)一個較大的外翻角度，并且達(dá)到最高值所需的時間也更短[6，10，13]。

研究者針對關(guān)于跑鞋鞋底材料硬度對人體跑步時的腳在運動學(xué)和動力學(xué)方面的變化都進(jìn)行了研究，忽視了受試者穿著不同硬度底的跑鞋，在跑步時的足部運動、足底壓力及感知舒適度影響的研究。因此，本研究以此為切入點，從生物力學(xué)的角度分析對不同硬度鞋底的跑鞋對足部運動、足底壓力及腳部感知舒適度的影響。

1 研究對象與方法

1.1 鞋

采用委托專業(yè)制造商生產(chǎn)只在鞋中底材料硬度上不同（EVA材料，硬度不同）的原型運動鞋，鞋底夾層的硬度基于Asker C的橡膠硬度測定標(biāo)準(zhǔn)測定材料的硬度（A鞋材料硬度=50；B鞋材料硬度=70）。對每一名受試者都發(fā)放兩雙不同底硬度的跑鞋，分別進(jìn)行足部運動、足底壓力和感知舒適度的測試。

1.2 調(diào)查對象

18名男性業(yè)余跑步者參加了這項研究（年齡：20.27±1.53歲；體重：62.51±9.07 kg；身高：173.29±5.03 cm），所有受試者都是后足著地跑步者，在最近6個月內(nèi)均無下肢運動損傷史，受試者鞋的尺寸大小為歐碼41～43碼（在研究開始之前，經(jīng)過有關(guān)部門同意，與受試者簽訂了知情同意書。）

1.3 數(shù)據(jù)收集

1.3.1 足部運動測試 在可移動的多功能跑臺正后方架設(shè)一臺固定位置的攝像機(jī)（9800，JVC Inc.，Japan），以頻率為200 Hz拍攝受試者跑步時足部的運動軌跡。為了能更好進(jìn)行解析畫面和分析數(shù)據(jù)，根據(jù)查閱的文獻(xiàn)以及美國測試與材料學(xué)會批準(zhǔn)的用于研究跑鞋對足部運動控制的標(biāo)準(zhǔn)測試方法［12，14-15］，將4個固定的反光球粘貼在受試者的小腿上。第1個反光球貼于跟腱上踝關(guān)節(jié)上方4 cm處，第2個反光球貼于膝關(guān)節(jié)后側(cè)中點和第一個球連線的中點位置處，第3個反光球貼于鞋后跟鞋幫中線上跟腱的附著點處，第4個反光球貼于鞋后跟鞋幫的中線上鞋底的上方位置處。足跟相對小腿的內(nèi)翻或者外翻的角度（以下簡稱為后足角度）是通過第1和第2個反光球的連線與第3和第4個反光球連線的夾角表現(xiàn)出來的。為了減小個體差異造成的誤差，試驗開始之前對所有受試者在標(biāo)準(zhǔn)姿勢下的后足角度進(jìn)行了測量。標(biāo)準(zhǔn)姿勢指的是受試者正常站立，足跟分開5 cm，兩腳外翻7°［1，15］。得出每位受試者的標(biāo)準(zhǔn)姿勢下的后足角度，能最大限度的減小個體差異造成的誤差，增加研究的普適性。在完成后足角度的基本測試之后，受試者在提前設(shè)置好的炮臺上，以3.8m/s的速度跑步3 min，通過固定攝像機(jī)記錄下來，采用運動分析系統(tǒng)（APAS，Ariel Dynamics Inc.，USA）對錄像記錄的最后30 s優(yōu)勢腿的10個落地動作進(jìn)行處理計算跑步時的后足角度。計算出的后足角度的正負(fù)值僅表示方向的不同，正值表示足跟相對于小腿的內(nèi)翻，負(fù)值表示足跟相對于小腿的外翻。通過運動分析系統(tǒng)得出后足落地角、后足最大外翻角、后足角變化范圍（即后足最大內(nèi)翻角減最大外翻角的絕對值）3個參數(shù)來評價足部運動。

1.3.2 足底壓力測試 為了獲得受試者在跑步時的足底壓力選取鞋墊測力系統(tǒng)（Novel Pedar System，Germany），以100 Hz的頻率進(jìn)行采樣，研究人員指導(dǎo)受試者以3.3 m/s的速度在多功能跑臺上完成2 min的測試練習(xí)，對優(yōu)勢腿完成的10個成功步態(tài)以獲得足底壓力。測試前，借鑒已報道的相關(guān)研究中的區(qū)域區(qū)分方法和本研究的具體特點，依據(jù)足部的解剖特征將鞋墊劃分為9個區(qū)域［13，16］，分別是M01為足跟內(nèi)側(cè)區(qū)，M02為足跟外側(cè)區(qū)，M03為足弓內(nèi)側(cè)區(qū)，M04為足弓外側(cè)區(qū)，M05為第1跖趾關(guān)節(jié)區(qū)，M06為第2和第3跖趾關(guān)節(jié)區(qū)，M07為第4和第5跖趾關(guān)節(jié)區(qū)，M08為大拇趾區(qū)，M09為其他腳趾區(qū)（見圖2）。

1.3.3 感知舒適度測試 采用一份經(jīng)檢驗證實可靠的問卷（視覺評價量表）評價受試者穿著跑鞋的舒適感［1，7，17］。引用了加拿大科學(xué)家研究設(shè)計的感知舒適度量表，受試者需要根據(jù)自己的感知度回答問卷9個方面的問題：Q1代表總體舒適，Q2代表后跟緩沖，Q3代表前腳掌緩沖，Q4代表內(nèi)-外方向上的控制，Q5代表足弓高度，Q6代表后跟鞋幫的貼腳，Q7代表后跟的寬度，Q8代表鞋前腳的寬度，Q9代表鞋的長度［1，17］。受試者根據(jù)自己的主觀感受來回答問卷的問題，在一條10 cm長的橫線上（“0”代表最不舒適；“10”代表最舒適）劃一條豎線表示自己對穿著跑鞋進(jìn)行運動的感知舒適程度。在田徑場跑道上，最大程度的避免受試者被干擾，受試者通過穿著兩雙不同鞋底硬度的跑鞋進(jìn)行測試，完成相同的測試內(nèi)容，避免無關(guān)因素的干擾。每位受試者穿著每一雙鞋完成400米的運動后完成問卷的填寫，兩次測試之間進(jìn)行一個較長時間的間歇，以確保受試者完成的測試測試前足部感知舒適度是相同的。

1.4 統(tǒng)計分析及相關(guān)拍攝圖片

所有參數(shù)均表示為平均數(shù)（X）和標(biāo)準(zhǔn)差（s）。采用SPSS 17.0統(tǒng)計學(xué)軟件進(jìn)行配對樣本T檢驗，驗證兩款運動鞋是否存在差異，顯著性差異水平為P＜0.05。相關(guān)拍攝圖片見圖1至圖3。

圖1 足部運動測試標(biāo)定點的位置

圖2 足底壓力測試

圖3 足底壓力分區(qū)圖

2 結(jié)果與分析

2.1 足部運動的測試結(jié)果

表1顯示，對受試者進(jìn)行足部運動測試，在進(jìn)行的4個測試項目中，針對2種不同類型的跑鞋測試得到的數(shù)據(jù)，只有足部最大外翻角度（RMP）呈現(xiàn)顯著性差異，具有統(tǒng)計學(xué)的意義。在數(shù)值上，A-鞋的后足最大外翻角度（RMP）大于B-鞋；其他3個指標(biāo)，雖然不具有統(tǒng)計學(xué)的意義，但各個指標(biāo)在數(shù)值上存在一定的差異，A-鞋的測試后足落地角（TDR）和角度運動動量（MV）數(shù)值大于B-鞋，B-鞋在后足角變化范圍（TRM）大于A-鞋。

表1 足部運動測試參數(shù)Table 1 Parameters in the rearfoot motion testing

2.2 足底壓力的測試結(jié)果

2.2.1 峰值壓力 我們在足底壓力測試試驗中將足底分為9個區(qū)域，對兩種硬度鞋底的跑鞋進(jìn)行最大壓力比較，其中A型鞋在足跟內(nèi)側(cè)（M01）、足跟外側(cè)（M02）、足弓內(nèi)側(cè)（M03）、第2、3跖骨關(guān)節(jié)（M06）、第4、5跖骨關(guān)節(jié)（M07）5個區(qū)域上最大力量數(shù)值比B型鞋大，A型鞋在M04、M05、M08 3個區(qū)域上最大力量數(shù)值比B型鞋小，對測試的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理（見表2），在9塊足底區(qū)域中，僅有M04和M09兩個區(qū)域，即足弓外側(cè)和第2～5跖骨具有顯著性差異，且B型鞋在M04和M09區(qū)域承受的最大壓力比A型鞋大。

表2 每塊區(qū)域的最大壓力值（%體重）Table 2 Values of maximal force（%body weight）for each area

2.2.2 峰值壓強(qiáng) 由于視頻圖像與足底壓力測試的同步性，我們可以根據(jù)視頻圖像解析中的特征時相來確定該特征時刻的足底壓力參數(shù)。在足底壓力測試中，對測試獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理（見表3），僅在M04區(qū)（P=0.001）和M09區(qū)（P=0.032）兩塊區(qū)域具有顯著性差異，具有統(tǒng)計學(xué)意義，且從數(shù)值來看，在M04和M09這兩塊區(qū)域上，B型鞋較A型鞋表現(xiàn)出更大的足底壓強(qiáng)。

表3 每塊區(qū)域的峰值壓強(qiáng)數(shù)值（kPa）Table 3 Values of peak pressure（kPa）for each area

2.3 主觀舒適度的調(diào)查結(jié)果

在主觀舒適度測試分析中，對填寫的感知舒適度問卷進(jìn)行統(tǒng)計分析，運用配對樣本T檢驗方法對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)9個測試項目中，僅有后跟緩沖（Q2）顯示兩種類型的跑鞋之間具有顯著性差異，其他8個項目不具有顯著性差異；在數(shù)值上，除了內(nèi)-外方向上的控制（Q4）和足弓高度（Q5）兩個測試項目是B型鞋高于A型鞋，而其他7個測試項目，Q1總體舒適，Q2后跟緩沖，Q3前腳掌緩沖，Q6后跟鞋幫的貼腳，Q7后跟的寬度，Q8鞋前腳的寬度，Q9鞋的長度均是A型鞋高于B型鞋。

表4 A型鞋與B型鞋感知舒適度測試的比較Table 4 Comparison between the A-shoe and the B-shoe in perceived comfort test

3 討論

跑鞋的選擇被認(rèn)為是預(yù)防傷害和增加跑步舒適度的方法。在目前的研究中，人們認(rèn)為感知舒適度的高低和足部承受較低壓力的大小與鞋底材料硬度高低有關(guān)。因此，可以通過優(yōu)化跑鞋的鞋底硬度材料來提高跑步者運動能力和感知舒適度。以往研究表明，較低硬度鞋底的跑鞋有較大的外翻角度[6，10，13，18]；NIGG曾經(jīng)提出假設(shè)，在鞋底內(nèi)側(cè)夾層增加一個硬結(jié)構(gòu)，將可能有助于防止腳在跑步時的外翻[17]。另有研究表明，較低硬度鞋底的跑鞋可能有助于降低跑步落地時的沖擊力、負(fù)荷率和足跟部分的壓力，但當(dāng)腳承受身體重量時，將會加大外翻角度和外翻速率。在本研究中，受試者穿著較硬鞋底的跑鞋比穿著硬度較低鞋底的跑鞋表現(xiàn)了一個較小的外翻角度，但在外翻角速度上，兩種硬度鞋底的跑鞋沒有明顯差別，與以往研究相吻合，同時也驗證了上述假設(shè)。

對跑鞋舒適性的研究是一種復(fù)雜的研究，它受到人體一系列的感覺和多種測量因素的影響，如觸覺靈敏度和下肢運動方式等；同時還與鞋的設(shè)計特性有關(guān)，如鞋底硬度與柔韌性、扭轉(zhuǎn)硬度、鞋面長度以及鞋的重量等。在已有的感知舒適度研究中，研究者發(fā)現(xiàn)足底壓力和足外翻之間具有高度相關(guān)性[9，19，20]。在跑步過程中，由于人體感覺和神經(jīng)肌肉調(diào)節(jié)功能，人體可以根據(jù)鞋底材料的硬度，調(diào)節(jié)下肢的運動，從而獲得一個穩(wěn)定的沖擊力和負(fù)荷，進(jìn)一步用適合自身特點的跑步模式進(jìn)行跑步，足跟的感知舒適度是影響人體感覺和神經(jīng)肌肉系統(tǒng)對跑步模式進(jìn)行調(diào)整的重要因素，因此鞋底材料的硬度對跑步模式至關(guān)重要。在本研究中，對穿著兩種不同硬度鞋底跑鞋的受試者進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)足跟緩沖部位的感知舒適度表現(xiàn)出顯著性差異（P=0.035），表明鞋底硬度較低的跑鞋比鞋底硬底較高的跑鞋具有更高的舒適性。

一些研究將足底壓力測試系統(tǒng)用于研究不同硬度鞋底跑鞋的足底緩沖情況，對不同硬度鞋底的跑鞋進(jìn)行的足底壓力測試研究中，研究者將壓力傳感器安放在足底特定位置，沒有發(fā)現(xiàn)鞋底硬度會對足底沖擊力產(chǎn)生影響[9，10，21-23]。在本研究中，使用了Novel Pedar-X系統(tǒng)測量足底壓力，結(jié)果表明，峰值壓力和峰值壓強(qiáng)在足跟處的差異并不明顯。在穿著較硬鞋底跑鞋測試時，足弓和前腳掌外側(cè)部位產(chǎn)生較大的峰值壓力及壓強(qiáng)，減小了腳部的外翻角度，從而可以提示跑步者調(diào)整他們的跑步模式，避免在穿較硬鞋底的跑鞋跑步時對腳跟造成過高的壓力，同時發(fā)現(xiàn)在足弓和前腳掌外側(cè)產(chǎn)生了較大的壓力與壓強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)，在跑步時，鞋底硬度材料的變化與足弓和前腳掌外側(cè)的峰值壓力、壓強(qiáng)的變化關(guān)聯(lián)度密切。在重復(fù)和長時間穿著鞋底材料硬度較高跑鞋的情況下，容易引起其它傷害情況的出現(xiàn)，較大的壓力也可能會導(dǎo)致人的運動系統(tǒng)過載，因此，穿著鞋底硬度較低的跑鞋可能較穿著鞋底硬度較高的跑鞋更安全、舒適。

4 結(jié)論

（1）隨著鞋底硬度值的增加，足弓和前腳掌外側(cè)部位的峰值壓力和峰值壓強(qiáng)逐漸增大。（2）受試者穿著硬度稍軟鞋底的跑鞋跑步時，腳后跟緩沖能力較好，表現(xiàn)出較好的感知舒適度，發(fā)現(xiàn)腳后跟的感知舒適度是影響感覺和神經(jīng)肌肉系統(tǒng)調(diào)整跑步模式的一個重要因素。（3）受試者穿著較硬鞋底的跑鞋測試時，腳部外翻角度較小，能在足弓外側(cè)和前腳掌外側(cè)產(chǎn)生較大壓力及壓強(qiáng)。

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Influence of Shoe Midsole Hardness on foot Motion，Plantar Pressure and Perceived Comfort

YU Jiancheng1，2，HONG Youlian3，WANG Lin3，WANG Jian4
（1.Dept．of Graduate，Tianjin University of Sport，Tianjin 300381，China；2.School of PE，Zaozhuang University，Zaozhuang 277160，Chi?na，3.Center for Sports Medicine and Rehabilitation，Shanghai University of Sport，Shanghai 200438，China，；4 Dept．of Research，Tian?jin University of Sport，Tianjin 300381，China）

The purpose of this study was to verify the influence of different midsole hardness on foot motion，plantar pressure and perceived comfort，used sports biomechanics and questionnaires to study 18 injury-free male amateur runners.Research indicated：With the increase of the hardness value of the sole，the peak force and pressure in the lateral of foot and forefoot areas increased；When the runners wore shoes with softer harderness soles，heel's buffer capacity and subjec?tive comfort was better，found that the perceived comfort of the heel was an important factor in the sensory and neuromuscular adjustment of the running pattern；when the runners wore shoes with hard soles，greater force and pressure were found in the lateral side of the foot and the forefoot，the Angle of foot evaginate was small，which may be attributed to a smaller pronation，mainly led small foot eversion.

shoes；hardness；foot movement；plantar pressure；perceived comfort

G 804.6

A

1005-0000（2017）03-252-04

2017-01-11；

2017-04-20；錄用日期：2017-04-21

天津市科技計劃重點項目（項目編號：16KPXMSF00270）；國家體育總局科學(xué)健身示范區(qū)建設(shè)重點領(lǐng)域項目（項目編號：2015B021）；山東省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題（項目編號：2013GG209）；山東省社會科學(xué)規(guī)劃課題（項目編號：11DTYZ01）

于建成（1979-），男，山東文登人，講師，在讀博士研究生，研究方向為運動技能與教學(xué)設(shè)計。

1.天津體育學(xué)院研究生部，天津300381；2.棗莊學(xué)院體育學(xué)院，山東棗莊277160；3.上海體育學(xué)院運動醫(yī)學(xué)康復(fù)中心，上海200438；4.天津體育學(xué)院科研處，天津300381。

10.13297/j.cnki.issn1005-0000.2017.03.012