鞋墊對跑步運動中下肢肌電的影響研究

侯亞麗，馮 通，王向東，秦壯利

1 前言

當下，為更好地輔助跑步人群運動，跑步鞋和多功能跑步鞋墊應運而生。功能跑步鞋可以起到減震緩沖、支撐足部的作用，從而保護雙足，減少運動中的損傷風險，提高運動能力[1]，但單純依靠運動鞋的鞋幫和外部鞋底緩沖人體高強度動作的沖擊力還是遠遠不夠的[2]。跑步鞋的鞋底一般分為三層:摩擦性較好的外底、緩沖性較好的中底以及貼合度較佳的內(nèi)底。一般情況下，跑步鞋的鞋墊被認為是鞋底的內(nèi)底結(jié)構(gòu)，可以提高足部舒適度，完善與足部的貼合度，承擔部分減震緩沖的功能。研究發(fā)現(xiàn)運動鞋墊可以有效改善鞋底與足的接觸面積，從而調(diào)節(jié)足底壓力分布;可以降低脛骨前肌、腓骨長肌、腓腸肌外側(cè)肌的肌肉收縮的力量。主要是由于鞋底和鞋墊的減震緩沖結(jié)構(gòu)可以吸收較多的沖擊力，從而消耗傳輸?shù)阶悴康哪芰?，使得完成同樣動作所需的肌力變小[3]，而且鞋墊的設計還可以延長運動鞋的使用壽命，增加吸附汗?jié)n、除臭、防滑等附加功能，所以功能鞋墊深受廣大用戶的喜愛與關(guān)注。目前市場上有較多款式的功能鞋墊，如緩沖墊、穩(wěn)定墊、控制墊等。其中緩沖墊使用人群較多。其基本減震材料有EVA、壓縮 EVA、PU、PVC或由這幾種材料混合制成[5]。常見的單一材質(zhì)鞋墊、PU+EVA復合鞋墊、普通硅膠鞋墊、足弓支撐鞋墊等，均是減震緩沖、舒適性較佳的吸震鞋墊[4]。但由于不同材料厚度和彈性對于鞋墊的回彈性有很大的影響，所以市面上還有一些吸震墊片、緩沖囊等輔助性材料，主要針對足底不同位置進行設計搭配，因而進一步增加了鞋墊彈性和功能。本研究主要對目前市面上流行的兩款跑步鞋墊(有墊片的鞋墊及混合底材鞋墊)進行跑步機測試研究，對比其與運動鞋自帶鞋墊(單一材質(zhì)鞋墊)、以及沒有任何鞋墊跑步運動時的肌電表現(xiàn)，從跑步鞋墊的功能真實性角度進行探究，為消費者正確消費提供參考。

2 研究對象及方法

2．1 研究對象及鞋墊說明

測試對象選取北京體育大學中長跑專項的學生14名，其中男11名，女3名。身體健康，測試前無大強度運動，均為右利腿，具體信息如表1所示。分析所有受試者在10km/h的跑步機速度下分別著無鞋墊、跑鞋自帶鞋墊、鞋墊A和鞋墊B的跑鞋跑步時右側(cè)下肢腓腸肌內(nèi)側(cè)、腓腸肌外側(cè)、股直肌和股二頭肌的肌電信號。為排除鞋底其他材料對實驗的干擾，特選取多威馬拉松競速跑鞋為實驗統(tǒng)一用鞋，型號為MR9666(如圖1所示)。

圖1 多威馬拉松競速跑鞋(型號MR9666)

表1 受試者基本信息(ˉ±SD，n=14)

表1 受試者基本信息(ˉ±SD，n=14)

BMI 19．07 ±2．50 175．29 ±6．16 61．93 ±6．05 20．11 ±1．34年齡(歲) 身高(cm) 體重(kg)

實驗的三款鞋墊功能及參數(shù)如下:

鞋墊類型:跑鞋自帶鞋墊。材質(zhì):全面BK布。功能:緩沖、透氣、增加貼合度和舒適感。其他設計:整體打透氣孔。

鞋墊類型:慢跑鞋墊A。材質(zhì)及面材:水藍色BK布;底材:軍綠色涼感除臭材料(聚氨酯發(fā)泡)。功能:止滑、減震、緩沖、透氣、抗菌、足跟穩(wěn)定性強。其他設計:墊片為2mm，后跟包裹設計;厚度為 前掌5mm后跟7mm;硬度為邵C25～30度(背面測量);回彈性為大于45%;壓縮變形率為小于10%。

鞋墊類型:中長跑鞋墊B。材質(zhì)及面布:水藍色 BK布;底材:白色E－TPU顆料與PU混合灌注成型。功能:止滑、高回彈、耐壓縮、足弓支撐、足跟穩(wěn)定性強。其他設計:后跟包裹設計;厚度為前掌4．3mm、后跟5．3mm;硬度為邵 C 35 ～40 度(背面測量);回彈性為大于55%;壓縮變形率為小于20%。

2．2 研究方法

2．2．1 文獻資料法在中國知網(wǎng)、百度學術(shù)搜索“鞋墊、跑步、肌電”等中英文關(guān)鍵詞，對文獻進行下載、研讀。

2．2．2 肌電測試法采用美國NORAXON無線表面肌電測試儀對受試者的右側(cè)下肢肌電進行了采集。測試前對著無鞋墊跑鞋的受試者右側(cè)下肢肌肉進行擦拭、剃毛、粘貼肌電電極、測試電極信號等工作，然后待受試者熱身后在跑步機上2分鐘內(nèi)進入到10km/h的跑步狀態(tài)，待其跑步狀態(tài)穩(wěn)定時采集10s左右的肌電數(shù)據(jù)，檢查數(shù)據(jù)有效性后緩緩停止跑步，再依次采集穿著跑鞋自帶鞋墊、慢跑鞋墊A和慢跑鞋墊B的下肢肌電數(shù)據(jù)，且各次采集間受試者均充分休息;測試后運用MR3．0對肌電數(shù)據(jù)進行整流、平滑、濾波，再結(jié)合測試視頻，觀察截取三個完整復步的肌電數(shù)據(jù)并導出。

2．2．3 數(shù)理統(tǒng)計法運用Excel表格對預處理后的肌電數(shù)據(jù)進行整理，并運用SPSS對數(shù)據(jù)進行配對t檢驗，對比分析四種不同鞋墊狀態(tài)下各肌肉肌電的差異情況。P值小于或等于0．05代表有統(tǒng)計學差異;P值小于或等于0．01代表有顯著統(tǒng)計學差異;P值小于或等于0．001代表有極其顯著的統(tǒng)計學差異。

3 研究結(jié)果與分析

對四種狀態(tài)下，受試者一個復步中下肢腓腸肌內(nèi)側(cè)肌、腓腸肌外側(cè)肌、股二頭肌、股直肌的表面肌電數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析。首先對各肌肉在四種狀態(tài)下一個復步所用的時間進行統(tǒng)計學分析，發(fā)現(xiàn)四種狀態(tài)下單個復步所用時間沒有統(tǒng)計學差異。由于肌電信號與個體體重有關(guān)，因此對各肌肉在四種狀態(tài)下一個復步的積分肌電進行體重標準化(即每個樣本的積分積電分別除以自身的體重)后，再進行配對t檢驗，結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，股直肌積分肌電值著鞋墊B低于無鞋墊、自帶鞋墊以及鞋墊A(P＜0．05)。股二頭肌積分肌電值無鞋墊高于自帶鞋墊(P＜0．01)、鞋墊A、鞋墊B(P＜0．01)，股二頭肌積分肌電值自帶鞋墊高于鞋墊A、鞋墊B(P＜0．05);腓腸肌外側(cè)肌積分肌電值無鞋墊高于鞋墊B(P＜0．05)，腓腸肌內(nèi)側(cè)肌積分肌電值無鞋墊高于鞋墊A、鞋墊B(P≤0．01)。其他類型無統(tǒng)計學差異。

表2 著不同類型鞋墊條件下下肢肌肉貢獻率對比(n=14)

對四種類型的下肢肌肉貢獻率進行配對t檢驗，結(jié)果如表2所示。四塊肌肉的貢獻率均沒有表現(xiàn)出統(tǒng)計學差異。各鞋墊類型下跑步時下肢各塊肌肉的肌電貢獻率大致表現(xiàn)為腓腸肌內(nèi)側(cè)肌的貢獻率最大，其次為腓腸肌外側(cè)肌、股二頭肌和股直肌。

由于肌電信號與個體的體重有關(guān)，對四種類型的下肢各肌肉肌電最大值進行各自體重標準化處理后對其進行配對t檢驗，結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，股直肌標準化積分肌電值無鞋墊高于著鞋墊B(P＜0．05)，著鞋墊A高于著鞋墊B(P＜0．05);股二頭肌標準化積分肌電值無鞋墊高于鞋墊A、鞋墊B(P＜0．05);腓腸肌外側(cè)標準化積分肌電值無鞋墊高于著鞋墊B(P＜0．05)，腓腸肌內(nèi)側(cè)肌標準化積分肌電值無鞋墊高于著鞋墊B類型(P＜0．50)。其他各組標準化肌電最大值無統(tǒng)計學差異。

表3 著不同類型鞋墊條件下下肢肌肉標準化肌電最大值(n=14)

4 討論

肌電是由神經(jīng)、肌肉興奮發(fā)放生物電產(chǎn)生。表面肌電信號就是從皮膚表面通過電極引導、記錄的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動[6]，因此其時頻特征可以直觀反映肌肉的活動狀態(tài)和用力大小[7]。在跑步運動中，機體通過足與地面進行緩沖、蹬伸動作過程，完成內(nèi)力與外力的相互轉(zhuǎn)化。因此在外力一定的情況下，足的接觸面積、接觸時間改變，會使得肌肉力量不同。對于長時間的跑步運動而言，跑鞋的優(yōu)勢表現(xiàn)在下肢負荷的分配管理和性能增強上[4，8]。前人研究認為單純的跑鞋由于鞋腔內(nèi)有一定的空余量和個體差異的原因，無法很好地實現(xiàn)跑鞋的減震性和穩(wěn)定性[4]。市面上產(chǎn)出的較多的專業(yè)跑步鞋墊，通過選擇不同厚度、材質(zhì)、硬度可以有效地調(diào)整足的著地負荷[9]，減少著地沖擊力，調(diào)整運動中足底壓力的分布等[10]，從而影響下肢各肌群的肌電活動。

前人對不同厚度和硬度的鞋墊進行舒適度研究認為硬度在35度左右，厚度在前4．5mm、后7mm左右的鞋墊在行走中較為舒適[11，12]。龐陽康[13]等人對著不同跑鞋跑步時的下肢肌電進行研究，發(fā)現(xiàn)不同跑鞋結(jié)構(gòu)對下肢肌電信號存在影響。本研究通過對著不同鞋墊跑步時下肢肌電情況進行研究，也同樣發(fā)現(xiàn)，不同鞋墊結(jié)構(gòu)對下肢肌肉放電情況產(chǎn)生影響。從圖2各類型跑步時積分積電的表現(xiàn)可以看出著無鞋墊跑步對下肢各肌肉的積電積累均較其他類型大，說明無鞋墊長時間跑步會更易疲勞[14]。對比下肢四塊肌肉的積分積電可以發(fā)現(xiàn)，鞋墊B在跑步運動中的吸震效果最佳，鞋墊A次之，運動鞋自帶鞋墊其次，最后是無鞋墊。由此可見，鞋墊在運動中具有吸震緩沖的作用，專業(yè)的運動鞋墊吸震效果更佳。不同鞋墊類型下股直肌和股二頭肌的積分肌電差異較大，說明鞋墊的減震作用對人體近端肌群的影響較大。對比鞋墊A和鞋墊B可以發(fā)現(xiàn)，兩款鞋墊的厚度和硬度不同。前人曾研究發(fā)現(xiàn)材料厚度對彈性值的影響約為63%，而材料硬度對其彈性值的影響約為50%[4，8]。硬度太小(小于11．7度)，鞋墊太軟，對足的定型能力差，相對吃力，能量回歸差;而硬度太大時(大于80度)避震效果差、易疲勞且不舒適[11]。從兩款專業(yè)鞋墊的參數(shù)對比來看，兩款鞋墊硬度相差不大，均在較適宜的硬度上，但鞋墊A相對較鞋墊B厚且軟，因此在10km/h的速度跑步時鞋墊A壓實，不利于發(fā)揮其緩沖作用[15]，所以其吸震作用和能量回歸相對較差。運動鞋自帶鞋墊的腓腸肌內(nèi)側(cè)肌肉的積分肌電較其他類型大，可能是由于自帶鞋墊硬度相對較低，填充了運動中足縱弓與鞋底的接觸，使得緩沖中足內(nèi)側(cè)壓力較大[16]，從而使得腓腸肌內(nèi)側(cè)肌的積分肌電上升，也說明長時間跑步易造成小腿內(nèi)側(cè)疲勞。

圖2 不同狀態(tài)下肌肉的積分肌電對比分析

從不同鞋墊類型下肌肉貢獻率上來看，未表現(xiàn)出統(tǒng)計學差異，說明穿鞋墊跑步對下肢動作的運動模式無大影響。腓腸肌內(nèi)側(cè)肌用力最大，其次是腓腸肌外側(cè)肌，再次是股二頭肌，最后是股直肌。雖然個別貢獻率有所變化，主要是鞋墊不同程度地減少了各肌肉的參與度，而且鞋墊B可以更有效地降低了股直肌的參與，延遲了疲勞的出現(xiàn)。而小腿肌的肌電貢獻率上升主要是由于整體肌電下降造成的。從不同鞋墊類型下各肌肉在一個跑步周期里的最大值統(tǒng)計中，可以看出穿鞋墊跑步均有效降低了跑步中下肢肌肉的最大值，且鞋墊B的降低最大，說明其減震效果最好。鞋墊A由于在足跟部設有墊片，所以對后側(cè)肌群，尤其是對股二頭肌的積分肌電、貢獻率、最大值降低程度更大，說明鞋墊A更有利于保護股二頭肌，延緩大腿后側(cè)肌群的疲勞。

5 結(jié)論與建議

5．1 結(jié)論

(1)在10km/h的速度下，著鞋墊跑步比無鞋墊跑步，可以有效減少下肢肌肉的沖擊，起到更好的減震作用，延緩肌肉疲勞的發(fā)生。

(2)在10km/h的速度下，專業(yè)跑步鞋墊比運動鞋自帶鞋墊的減震作用更好，且對大腿肌群的疲勞有更好的延遲作用。鞋墊A有利于保護大腿后側(cè)肌群;鞋墊B較其他鞋墊優(yōu)勢更為明顯，更有利于保護大腿前側(cè)肌群。

5．2 建議

(1)在參與體育鍛煉時，應盡量著鞋墊，保護下肢肌群，預防損傷。

(2)針對長時間的跑步愛好者，建議選擇專業(yè)跑步鞋墊。購買時應根據(jù)自身肌肉狀態(tài)和身體情況，有側(cè)重地選擇保護性更強的鞋墊。