鞋底厚度對下肢生物力學(xué)參數(shù)的作用探究,運(yùn)動生物力學(xué)論文摘要：目的比擬穿不同鞋底厚度運(yùn)動鞋對人體行走、跑和跳躍經(jīng)過中,人體下肢相關(guān)生物力學(xué)參數(shù)的影響。選取健康男性大學(xué)生12名作為受試對象。方式方法使用VICON紅外運(yùn)動捕捉系統(tǒng)采集人體運(yùn)動學(xué)參數(shù);Noraxon外表肌電信號采集系統(tǒng)采集軀干及下肢外表肌電信號;AMTI三維測力臺采集人體地面反作用力參數(shù)。測試用鞋使用EVA材料對鞋底厚度進(jìn)行調(diào)整,分為普通厚度、增厚1cm、2cm和3cm共4種厚度。結(jié)果(1)跑步測試結(jié)果表示清楚,鞋底厚度增加2cm和3cm時,股直肌激活程度測試后比測試前分別增加124.6%和146.2%;(2)與其他厚度相比,鞋底厚度增加1cm時,測試前后的下肢肌肉共收縮指數(shù)(Co-contractionIndex)顯著降低;(3)鞋底厚度增加23cm時,人體步行支撐腳離地時刻膝關(guān)節(jié)角度將顯著增加;(4)在步行著地時刻,踝關(guān)節(jié)背屈力矩顯著增加(P=0.049)。結(jié)論(1)考慮到下肢肌肉協(xié)調(diào)和降低能耗因素,鞋底厚度以1cm左右為宜,過厚或過薄,都會對下肢肌肉協(xié)調(diào)性產(chǎn)生不利影響;(2)鞋底厚度增加會使行走經(jīng)過中足蹬離地面時的踝關(guān)節(jié)角度增大,降低足部趾屈動作的效率;(3)鞋底厚度的增加會增大跳躍經(jīng)過中足部額狀面方向的分力,進(jìn)而增加踝關(guān)節(jié)內(nèi)、外側(cè)副韌帶損傷的風(fēng)險。本文關(guān)鍵詞語：鞋底厚度;生物力學(xué);運(yùn)動學(xué);Abstract：ObjectiveThepurposeofthisstudyistocomparetheinfluenceofdifferentsolethicknessonthebiomechanicalperformanceoflowerextremitywhenwalking,runningandjumping.Method12malecollegestudentsparticipatedinthetest.AVICONmotioncapturesystemwasusedtoobtainthekinematicdata.ANoraxonwirelessEMGsystemwasusedtoobtainthesEMGdata.TheAMTIplatformswereusedtoobtainthegroundreactionforce.Thereare4solethicknesseswithintherangeofnormalsoleto3cmmadebyEVA.Results(1)Undertheconditionof2cmand3cm,theEMGofrectusfemorisincreasedby124.6%and146.2%beforeandafterrunningtest.(2)Theco-contractionindexoflowerextremitysignificantlyreducedunderthe1cmsolethicknesscomparedtotheothersolethickness.(3)Whenwalkingwith2cmand3cm,thekneeangleofsupportingleginthetakeoffinstanceincreasedsignificantly.(4)Thedorsiflexionmomentofankleincreasedsignificantlywhenthefoottouchdowninwalking.Conclusion(1)Thesolethicknessof1cmissuitableformuscleco-contractionreducingenergyconsumption.Neithertoothicknortoothinisfavorableformuscleco-contraction.(2)Theangleofanklejointwillincreaseaccompanywiththeincreasingofsolethicknessatthetimeofpushoffwhenwalking.Thiswillreducetheflexormovementefficiencyofanklejoint.(3)Theincreasingofsolethicknesswillincreasethefrontalplaneforceofanklejointwhenjumping,therebyincreasetheriskofanklejointlateralandcollateralligamentinjury.Keyword：solethickness;biomechanics;kinematic;運(yùn)動鞋是人類從事體育鍛煉和競技比賽的必須裝備,合適的運(yùn)動鞋不僅能夠?qū)θ梭w起到緩沖和保衛(wèi)作用,還能夠到達(dá)改善動作效果和提高運(yùn)動成績的目的。有研究表示清楚,老年人在不穿鞋的情況下發(fā)生跌倒的幾率比穿鞋時高出171%[1]。另有研究表示清楚,鞋底厚度增加8mm,能夠使前腳掌峰值壓力降低26.9%,足跟峰值壓力降低19.5%,進(jìn)而增加穿著舒適性[2]。另外,在慢跑時,穿著能量回歸運(yùn)動鞋與穿著普通鞋相比,人體最大攝氧量可減少4%[3]。穿鞋底帶有氣墊構(gòu)造的運(yùn)動鞋與普通運(yùn)動鞋相比,可節(jié)省能耗2.4%[4]。由此可見,合適的鞋子不僅能夠增加舒適感,還能夠提高運(yùn)動的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)代運(yùn)動鞋鞋底的主要材料是乙烯-醋酸乙烯共聚物(簡稱EVA)。用EVA材料制成的粘彈性鞋底的形變能夠有效地衰減機(jī)械應(yīng)力波。Nigg等研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)EVA材質(zhì)的運(yùn)動鞋鞋底厚度每減小50%,人體足部承受的壓力將增加19%[5]。然而,這并不意味著鞋底越厚,對人體運(yùn)動越有利。Ramanathan等研究發(fā)現(xiàn),鞋底過厚會增加人體下肢腓骨長肌的負(fù)荷,還有可能增加踝關(guān)節(jié)外側(cè)韌帶損傷的風(fēng)險[6]。還有些研究表示清楚,赤腳跑步比穿著慢跑鞋的能量消耗更低[7,8]。由此可見,鞋底厚度增加或減小,都有可能對人體運(yùn)動效果帶來影響。同樣,選擇適宜鞋底厚度的運(yùn)動鞋,也是提高穿著舒適性與運(yùn)動效率的重要途徑。當(dāng)前,已有學(xué)者將鞋底的材料、硬度、形狀、重量以及鞋跟的高度等作為變量,來討論其在運(yùn)動經(jīng)過中對人體下肢構(gòu)造和功能的影響,但單獨將鞋底厚度作為變量因從來考察其對下肢生物力學(xué)參數(shù)影響的研究卻鮮有報道。鑒于此,將4種不同的鞋底厚度作為變量因素水平進(jìn)行比擬研究,討論:(1)鞋底厚度變化對人體下肢肌肉外表肌電信號的影響;(2)對人體跳躍經(jīng)過中下肢動力學(xué)參數(shù)的影響;(3)對人體步行經(jīng)過中相關(guān)動力學(xué)參數(shù)的影響。1研究方式方法1.1受試者研究共選取12名男性大學(xué)生作為受試者,年齡(20.90.7)歲,身高(172.02.1)cm,體重(63.03.4)kg。所有受試者均無下肢損傷和殘疾或手術(shù)史,無心血管疾病,并且在測試前了解測試內(nèi)容和要求,能夠根據(jù)測試者的指令完成測試。1.2測試用鞋圖1是為此次研究特制的4種不同厚度運(yùn)動鞋,分別為無增高(0cm)和增高1cm、2cm、3cm。華而不實,鞋中底采用當(dāng)前較為常用的乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)制成的橡塑發(fā)泡材料,鞋外底采用熱塑橡膠(TPR)材料(俗稱牛筋底),并采用PU共聚合物制鞋膠進(jìn)行粘合。圖1測試用鞋F(xiàn)ig.1Theshoesfortesting1.3實驗部分研究的實驗部分由鞋底彈性模量測試、跑步測試、跳躍測試以及步行測試3部分組成。1.3.1鞋底材料性能測試鞋底試樣使用美國產(chǎn)Instron-5544型萬能材料力學(xué)性能實驗機(jī)進(jìn)行測試。華而不實,彈性模量測試以載荷為200N、速度為5mm/min施加預(yù)載荷,循環(huán)5次后施行最大加載,最大加載載荷為2000N。最大位移量為9.5~22.5mm。應(yīng)力松弛測量最大加壓載荷為1400N,加載速率為30mm/min,保持時間為130s,位移量為7.5~22.5mm。1.3.2跑步測試跑步測試主要考察鞋底厚度對下肢肌肉外表肌電信號的影響。所有的跑步測試均在跑臺(德國Zebirs公司生產(chǎn),型號為FMD-TLR)上完成。跑步的時長以及跑速的設(shè)定參照Losleben等人提出的方案[9],即在跑臺上以12km/h的跑速連續(xù)奔跑8min。所有受試者均以右側(cè)肢體作為被測肢體。測試肌肉分別為股直肌、股二頭肌、脛骨前肌和腓腸肌外側(cè)。外表肌電信號使用美國產(chǎn)Noraxon16導(dǎo)無線外表肌電信號遙測系統(tǒng)進(jìn)行采集,采樣頻率為1000Hz。測試前,首先用剃須刀將被測肌肉外表進(jìn)行汗毛清理,并用醫(yī)用酒精進(jìn)行擦拭后,將雙極電極片以及肌電信號發(fā)射器黏貼于被測肌肉肌腹外表,電極間距為20mm。受試者運(yùn)動視頻采用2臺Basler高速攝像機(jī)(BaslerpiA640-210gc)進(jìn)行同步采集,拍攝頻率為100Hz。高速攝像機(jī)與外表肌電采集系統(tǒng)采用英國OxfordMetricsLimited生產(chǎn)的GiganetEthernet數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行同步。在正式測試之前,還對被測肌肉進(jìn)行最大隨意收縮(MaxVoluntaryContraction,MVC)時的肌電信號采集。MVC的采集參考Burden等人的方式方法[10],要求受試者分別采取坐位和俯臥位等姿勢對所測肌肉進(jìn)行最大隨意收縮,采集時間為10s,取華而不實3s的EMG均值作為MVC基準(zhǔn)值。采用美國Noraxon公司MR3.6系統(tǒng)軟件對原始肌電信號進(jìn)行帶通濾波,濾波頻率為20~500Hz,并對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行整流。后續(xù)計算在MATLABR2020軟件中完成。1.3.3跳躍測試跳躍能力測試分為立定跳遠(yuǎn)(StandingLongJump,SLJ)測試與下蹲跳(CounterMovementJump,CMJ)測試2項。SLJ測試要求受試者從直立狀態(tài)開場,在進(jìn)行一次擺臂之后,全力向上跳。CMJ測試要求受試者雙手叉腰,從直立狀態(tài)開場,下蹲至膝關(guān)節(jié)90左右后迅速全力垂直起跳。取受試者成績最好一次的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。跳躍能力測試使用英國產(chǎn)VICON紅外動作捕捉系統(tǒng)(12臺高清紅外攝像機(jī),型號為T40-S)采集人體運(yùn)動學(xué)參數(shù),拍攝頻率為200Hz。使用美國產(chǎn)AMTI-BP400600測力臺采集人體地面反作用力(GroundReactionForce,GRF)參數(shù)以及壓力中心(CenterofPressure,COP)位移坐標(biāo),采樣頻率為1000Hz。紅外攝像機(jī)與測力臺信號采用英國OxfordMetricsLimited生產(chǎn)的GiganetEthernet數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行同步處理。1.3.4步行測試受試者在間距為5m的兩條標(biāo)志線間,分別穿著不同厚度鞋以其的正常步速勻速行走3次。通過自主研發(fā)的光感染控計時系統(tǒng)(見圖2)對受試者步行速度進(jìn)行計時,并計算相應(yīng)的步速。取最接近平均速度的一次測試數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。運(yùn)動學(xué)與地面反作用力參數(shù)的測量方式方法與跳躍能力測試一樣。圖2自制光感染控計時系統(tǒng)Fig.2Thelightingcontroltimingsystem1.4下肢剛體模型的建立及逆動力學(xué)計算采用Cappozzo等人的標(biāo)志點黏貼方案[11]建立下肢剛體模型,包括骨盆段、大、小腿段和足段。華而不實,用于定義環(huán)節(jié)段的標(biāo)志點為26個,分別為左、右側(cè)髂前、后上棘,股骨大轉(zhuǎn)子,股骨內(nèi)、外側(cè)髁,脛骨粗隆,內(nèi)、外踝,足跟點,趾骨間關(guān)節(jié)點,跗跖關(guān)節(jié)點,第五足趾近節(jié)趾骨頭,第五跖骨頭;另有16個標(biāo)志點用于跟蹤大腿段與小腿段的空間位置。利用跳躍和步行測試環(huán)節(jié)得到的標(biāo)志點原始坐標(biāo),計算得到髖、膝和踝關(guān)節(jié)點的位置坐標(biāo)。逆動力學(xué)計算采用Winter等人提出的環(huán)節(jié)互動動力學(xué)方式方法[12],利用測力臺得到的地面反作用力參數(shù),計算下肢各關(guān)節(jié)內(nèi)力、關(guān)節(jié)力矩。慣性參數(shù)的計算選取Dempster人體慣性參數(shù)模型進(jìn)行。運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)采用低通數(shù)字濾波法進(jìn)行濾波和平滑處理,截斷頻率分別為10Hz和30Hz[13]。運(yùn)動學(xué)參數(shù)以及逆動力學(xué)計算均在Visual3D軟件中完成。1.5動作時相的劃分與界定分別將受試者在跑臺進(jìn)行跑步運(yùn)動的第1min與最后1min定義為跑步測試的開場階段和結(jié)束階段。跳躍能力的蹬伸階段定義為起跳前人體重心最低點時刻至雙腳離地時刻,緩沖階段定義為受試者落地時腳著地時刻至重心最低點時刻。步態(tài)周期的劃分參照宋雅偉等人提出的方式方法[14],將一個完好的步態(tài)周期劃分為足跟著地、全腳掌著地、足跟離地、足尖離地、加速擺動、擺動中期和擺動末期7個階段。1.6統(tǒng)計學(xué)分析所有統(tǒng)計學(xué)計算均采用單因素方差分析法(ANOVA)進(jìn)行。顯著性水平定義為=0.05。分析軟件采用SPSS19.0統(tǒng)計軟件。2研究結(jié)果2.1材料力學(xué)性能測試結(jié)果圖3a是不同厚度鞋底的載荷-時間變化曲線,經(jīng)5次循環(huán)載荷后,載荷-時間曲線基本趨于穩(wěn)定。隨著鞋底厚度的增加,鞋底的整體粘滯性增大,最大載荷的時間歷程也不斷延長,彈性模量則呈遞減趨勢(見表1)。根據(jù)計算得到的彈性模量大小,4種厚度的鞋底中厚度2的剛度較大,不易變形,脆性較高。圖3彈性模量及應(yīng)力松弛測試結(jié)果Fig.3Testresultsofelasticmodulusandstressrelaxation圖3b是不同厚度鞋底的應(yīng)力松弛曲線。從圖中看出,在一樣載荷加載下,鞋底厚度2的應(yīng)力衰減最快,其余依次為厚度3、厚度4和厚度1。表1不同鞋底厚度對應(yīng)彈性模量MPaTab.1Elasticmodulusofdifferentshoethickness2.2穿著不同鞋底厚度鞋慢跑時軀干及下肢主要肌肉積分肌電變化情況為使不同受試者之間的EMG參數(shù)具有可比性,首先對原始EMG參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,其詳細(xì)經(jīng)過是以1個步幅,即右足跟著地時刻開場到右足跟再次著地時刻為止,將測試開場1min和最后1min內(nèi)的EMG信號各截取1個復(fù)步長度的數(shù)據(jù)作為1個步幅的EMG信號,并計算和比擬運(yùn)動開場階段和結(jié)束階段,1個步幅內(nèi)的EMG參數(shù),觀察不同鞋底厚度對其變化的影響。表2為測試前后的外表肌電信號情況。在測試開場階段,有多塊肌肉在0cm時的肌肉激活度顯著高于其他厚度,如股直肌(P=0.005)和脛骨前肌(P=0.017)。另外,在0cm時,股二頭肌顯著高于1cm(P=0.018)和3cm(P=0.036)。而在其他厚度上,無顯著性差異。在測試結(jié)束階段,則表現(xiàn)出1cm時的肌肉激活度較低,如股二頭肌(P=0.01)和腓腸肌(P=0.018)的肌肉激活度與其他厚度相比明顯偏低。測試前后比擬結(jié)果,除個別肌肉外,測試后的肌肉激活程度均高于測試前。華而不實,穿著鞋底厚度為2cm和3cm鞋時,股直肌的增加率到達(dá)了146.2%。表2軀干及下肢主要肌肉外表肌電信號情況統(tǒng)計表Tab.2Statisticsonsurfaceelectromyographyoftrunkandlowerextremities2.3共同收縮指數(shù)(Co-contractionIndex,CI)比擬為了愈加深切進(jìn)入地了解鞋底厚度對人體下肢肌肉活動的影響,選擇用共同收縮指數(shù)評估鞋底厚度對人體下肢肌肉活動影響的指標(biāo)。CI是評價人體肌肉活動協(xié)調(diào)性的重要指標(biāo),從現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料來看,CI有多種計算方式方法[15],鑒于跑步屬于周期性運(yùn)動,因此選擇Falconer等人提出的算法[16]進(jìn)行計算。根據(jù)Falconer等人的定義,CI為固定時間段內(nèi)雙倍拮抗肌積分肌電值(Iant)與一樣時間段內(nèi)主動肌和拮抗肌總積分肌電值之比(公式1)。CI值越高,講明在做特定動作時,人體肌肉活動的協(xié)調(diào)性越低,即總肌肉效率越低。圖4是穿著不同鞋底厚度鞋跑步測試前后下肢肌肉CI情況。單因素方差分析結(jié)果表示清楚,不管在測試開場或結(jié)束階段,鞋底厚度為1cm時的下肢肌肉CI值最低,分別為0.550.14和0.530.13,均小于其他厚度,且差異顯著(P=0.04和P=0.013)。0cm、2cm和3cm之間無顯著性差異。另外,除0cm之外,其他3個厚度上,測試開場階段CI均高于結(jié)束階段,但無顯著性差異。圖4不同鞋底厚度下CI統(tǒng)計圖Fig.4TheCIindifferentsolethickness2.4不同鞋底厚度對跳躍能力的影響表3不同鞋底厚度下跳躍成績統(tǒng)計表Tab.3Jumpingresultsunderdifferentsolethicknessl/m表3是穿著不同鞋底厚度鞋進(jìn)行2種跳躍的成績統(tǒng)計情況。從結(jié)果來看,不管SLJ或CMJ,跳躍成績呈現(xiàn)出隨著鞋底厚度增加而降低的趨勢,但差異不顯著。統(tǒng)計學(xué)分析結(jié)果表示清楚,除0cm和3cm鞋底厚度進(jìn)行SLJ時(P=0.0370.05)具有顯著性差異外,其他結(jié)果并沒有顯著性差異。表4不同鞋底厚度和跳躍類型起跳蹬伸階段地面反作用力最大力值Tab.4Maximumforceofgroundreactionforceduringtake-offandextensionstagewithdifferentshoethicknessandjumpingtype表4是起跳蹬伸階段地面反作用力情況。進(jìn)行SLJ動作時,X軸方向地面反作用力隨鞋底厚度增加而增加,Y軸方向則相反,Z軸方向無明顯趨勢。而在進(jìn)行CMJ動作時,地面反作用力未表現(xiàn)出明顯趨勢和差異。圖5SLJ和CMJ的COP極差值Fig.5TheextremedifferenceofCOPinSLJandCMJCOP極差值是指人體地面反作用力的壓力中心點在X軸或Y軸方向上的最大值與最小值之差,它是反映人體在行走和起跳用力階段平衡性和穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。某動作經(jīng)過中的COP振幅越大,則講明此方向上的力越不集中。圖5是此次對SLJ和CMJ動作經(jīng)過中COP極差值在X軸(額狀面)方向的測試結(jié)果。通過測試,在SLJ蹬伸階段,0cm時COP值最大(85.425.79)mm,3cm時最小(59.872.57)mm。COP極差值隨著鞋底厚度的增加而減小,而對于CMJ則表現(xiàn)出相反的趨勢,在0cm時COP極差值最小(80.497.79)mm,3cm時最大(110.023.44)mm,COP極差值隨著鞋底厚度的增加而加大。2.5鞋底厚度對步行的影響從GRF峰值情況來看(見表5),在緩沖期,隨鞋底厚度的增加,地面反作用力無明顯變化趨勢,2cm時的GRF最小(718.1146.8)N,1cm時最大(743.4116.7)N;而在蹬伸階段,則表現(xiàn)出GRF峰值隨鞋底厚度增加而減小的趨勢。表5步行階段地面反作用力峰值情況統(tǒng)計Tab.5Statisticsofpeakgroundreactionforceduringwalkingstage圖6是步行測試階段,地面反作用力和下肢關(guān)節(jié)角度變化情況。從不同階段關(guān)節(jié)角度最大值結(jié)果來看,在著地時刻,髖關(guān)節(jié)角和踝關(guān)節(jié)角隨鞋底厚度的增加而減小,膝關(guān)節(jié)無明顯趨勢;在離地時刻,髖關(guān)節(jié)角隨鞋底厚度的增加而減小,其他關(guān)節(jié)無明顯變化趨勢。表6不同鞋底厚度在不同運(yùn)動階段關(guān)節(jié)角度情況統(tǒng)計Tab.6Statisticsofjointanglesofdifferentshoethicknessatdifferentsportsstages注:*表示兩兩比擬結(jié)果呈顯著性差異。圖6不同鞋底厚度下的地面反作用力和下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)參數(shù)Fig.6GRFandjointangleoflowerextremityindifferentsolethickness2.6鞋底厚度對關(guān)節(jié)力矩的影響圖7不同鞋底厚度情況下步行的踝膝關(guān)節(jié)力矩Fig.7Jointmomentofankleandkneeinwalkingunderdifferentsolethicknesscondition圖7是步行階段,不同鞋底厚度對下肢踝、膝關(guān)節(jié)力矩的影響情況。在支撐前期,膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩最大(0.650.11)Nm/kg,內(nèi)旋力矩最小(0.010.02)Nm/kg;而踝關(guān)節(jié)則是在趾屈方向力矩最大(0.140.06)Nm/kg,內(nèi)旋方向力矩最小(0.010.01)Nm/kg。在支撐后期,膝關(guān)節(jié)屈曲力矩最大(0.280.06)Nm/kg,內(nèi)旋力矩最小(0.170.02)Nm/kg;踝關(guān)節(jié)趾屈力矩最大(1.490.07)Nm/kg,內(nèi)翻力矩最小(0.110.02)Nm/kg。另外,在著地階段,膝關(guān)節(jié)力矩普遍大于踝關(guān)節(jié)。在蹬離地面階段,踝關(guān)節(jié)力矩大于膝關(guān)節(jié)。3分析與討論3.1外表肌電信號特征分析鞋的因素對人體下肢肌肉活動會產(chǎn)生一定的影響。關(guān)于利用外表肌電信號研究鞋對人體下肢肌肉活動影響的研究,能夠追溯到20世紀(jì)90年代。Lee等首先研究了改變鞋跟高度對腓腸肌和脛骨前肌EMG信號的影響[17]。結(jié)果表示清楚,隨著鞋跟高度的增加,腓腸肌EMG活動有明顯的下降,而脛骨前肌EMG活動增加。隨后,大量的報道集中在高跟鞋對女性下肢肌肉活動的影響方面[18,19,20,21,22]。從此次研究的結(jié)果來看,鞋底厚度的變化對人體下肢肌肉活動的影響是明顯的,其趨勢呈U型分布,主要表現(xiàn)為多數(shù)肌肉的激活程度在1cm時偏低,0cm和2~3cm厚度偏高。不管在測試開場階段或結(jié)束階段,0cm厚度時的脛骨前肌激活程度均顯著高于其他厚度,講明在慢跑經(jīng)過中,鞋底厚度較薄時會明顯增加脛骨前肌的負(fù)荷,可能的原因是鞋底厚度減少會引起足底屈曲力矩增加。Scott等研究了著地階段光腳和穿著運(yùn)動鞋行走時人體脛骨前肌外表肌電信號的差異[23],結(jié)果表示清楚,光腳行走時的肌肉激活程度與穿著軟底鞋和穩(wěn)定性跑鞋比擬,分別高出21%和24%。結(jié)合研究的結(jié)果能夠推斷,造成脛骨前肌的負(fù)荷增加的原因,極有可能是由于在慢跑的蹬伸經(jīng)過中,鞋底厚度變薄導(dǎo)致足底屈曲力矩增大的結(jié)果。另外,從圖9和圖10顯示的結(jié)果可以以看出,在蹬伸階段,在0cm厚度時由于踝關(guān)節(jié)角度偏低而導(dǎo)致關(guān)節(jié)力矩大于其他厚度。另外,研究結(jié)果還反映出,鞋底厚度增加會加大腹直肌和多裂肌的負(fù)荷。這可能與鞋底厚度的增加會降低脊柱和骨盆的穩(wěn)定性有關(guān)。有研究結(jié)果證明,步行速度的增加[24]以及鞋跟高度的增加[25]都會導(dǎo)致軀干運(yùn)動幅度和運(yùn)動速度的增加,繼而增加了控制脊柱與骨盆穩(wěn)定性肌肉的激活程度。3.2CI指數(shù)分析CI是反映人體進(jìn)行特定運(yùn)動時,關(guān)節(jié)主動肌與拮抗肌互相協(xié)調(diào)配合程度的重要指標(biāo),其數(shù)值越高,講明拮抗肌介入活動的程度越大。此次研究的結(jié)果表示清楚,在鞋底厚度為1cm時,人體下肢肌肉的CI顯著低于其他厚度。同時,鞋底材料性能測試的結(jié)果顯示在鞋底厚度增加1cm時,其彈性模量最高。因而,能夠推斷下肢肌肉CI值的變化很可能與鞋底彈性模量的變化相關(guān)。另外,隨著鞋底厚度的增加,足部在跖骨頭關(guān)節(jié)處的活動度會相應(yīng)減小,其效果與增加鞋底硬度類似。Burstein等的研究發(fā)現(xiàn),固然鞋底硬度對人體步行時下肢運(yùn)動學(xué)參數(shù)沒有顯著性影響,但鞋底硬度的增加會改變足底跖屈肌力臂長度,使下肢肌肉調(diào)整其用力形式以維持足部運(yùn)動學(xué)參數(shù)的穩(wěn)定,其結(jié)果可能誘發(fā)肌肉疲憊和跟腱炎[26]。而2cm、3cm時的CI值增加,其可能的原因有2種:第一種是鞋底厚度的增加可能導(dǎo)致足部本體感覺減弱的結(jié)果。Klinke等研究了不同運(yùn)動鞋對人體下肢肌肉外表肌電信號的影響后發(fā)現(xiàn),下肢伸肌肌電信號的加強(qiáng)與足部本體感覺的減弱存在相關(guān)關(guān)系[27]。鞋底厚度的增加,在一定程度上會造成人體對地面反作用力反應(yīng)效果的減弱,進(jìn)而導(dǎo)致足部本體感覺減弱。另一種可能性則與鞋的重量有關(guān)。Kim等的研究則表示清楚,股內(nèi)側(cè)肌的肌電信號活動強(qiáng)度會隨著鞋重量的增加而加強(qiáng)[28]。因而,不管從力學(xué)角度或從肌肉激活特征上分析,鞋底厚度過薄或者過厚,對人體下肢肌肉的協(xié)調(diào)性都會產(chǎn)生不利影響。另外,通過對CI的研究還發(fā)現(xiàn),除0cm厚度外,其他厚度在慢跑后均出現(xiàn)了CI值下降的情況。根據(jù)Hautier等的研究結(jié)果[29],CI值在疲憊時下降,可能的原因是由于主動肌肌力的流失導(dǎo)致。從課題研究的結(jié)果來看,0cm厚度時踝、膝關(guān)節(jié)內(nèi)/外旋力矩均高于其他組別(見圖7),其原因與足內(nèi)旋動作有關(guān)。在支撐腳著地經(jīng)過中,隨著人體重心前移,足跟內(nèi)傾,在離地時產(chǎn)生一個自然向上翻轉(zhuǎn)的動作,隨即產(chǎn)生足內(nèi)旋動作,此內(nèi)旋力矩由踝關(guān)節(jié)逐步過渡到膝關(guān)節(jié)。適宜厚度的鞋底,能夠在一定程度上緩解由足內(nèi)旋動作給膝關(guān)節(jié)帶來的負(fù)荷,但若鞋底過薄,其緩解作用將降低。鑒于此,CI的增加有可能與支撐腿蹬伸階段的內(nèi)/外旋力矩的增加相關(guān)。而Potvin等的研究結(jié)果與課題研究相反[30]。造成此結(jié)果的原因可能與CI計算經(jīng)過中對相關(guān)參數(shù)的定義不同有關(guān)。另外,Silva等通過對股內(nèi)、外側(cè)肌進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn),肌肉疲憊前后,CI并無顯著性變化[31]。3.3鞋底厚度變化對人體下肢運(yùn)動學(xué)參數(shù)的影響分析COP軌跡情況是反映人體運(yùn)動姿態(tài)穩(wěn)定性的重要參考指標(biāo)。課題研究發(fā)現(xiàn),鞋底厚度的增加有助于人體SLJ蹬地階段對身體穩(wěn)定性的控制,這似乎與先前的研究假設(shè)產(chǎn)生矛盾。有可能的原因是,人體通過積極的擺臂動作,來對身體姿態(tài)進(jìn)行調(diào)控的結(jié)果。而在CMJ測試中,由于受試者上肢相對位置固定,則無法完成這種調(diào)控,因此產(chǎn)生與SLJ相反的結(jié)果。在整個步態(tài)周期,隨著鞋底厚度的增加,髖關(guān)節(jié)角度有減小的趨勢,但差異并不顯著。在足跟著地階段,踝關(guān)節(jié)角有隨鞋底厚度增加而減小的趨勢,而在蹬離地面階段則表現(xiàn)出相反的趨勢。Tsai等曾進(jìn)行過研究,發(fā)現(xiàn)隨著鞋底硬度的增加,在腳著地時刻,人體質(zhì)心的速度及加速度將隨之減小,步幅長度縮短,踝關(guān)節(jié)背屈角度減小[32]。若考慮到鞋底能量回歸的問題,不難發(fā)現(xiàn),隨著鞋底厚度的增加,有助于吸收較多的地面反作用力對人體下肢關(guān)節(jié)帶來的沖擊,但同時也會削弱足部蹬離地面經(jīng)過中對地面反作用力的利用率。研究中,鞋底厚度的增加導(dǎo)致足部繞跖趾關(guān)節(jié)進(jìn)行跖屈扒地動作的行程增加,繼而使得離地時踝關(guān)節(jié)角度加大,降低了動作效果。隨著鞋底厚度的增加,膝關(guān)節(jié)角度并沒有表現(xiàn)出明顯的變化趨勢。3.4鞋底厚度變化對人體下肢動力學(xué)參數(shù)的影響分析從SLJ的成績來看,固然跳躍成績隨鞋底厚度的增加而減小,但不同鞋底厚度之間的成績并沒有表現(xiàn)出顯著差異。Tsai等的研究結(jié)果表示清楚,穿著硬底鞋時,地面摩擦力峰值明顯減小[32]。從GRF的測試結(jié)果來看,鞋底厚度的增加會影響到受試者起跳離地霎時的用力方向,即左右方向力的分量增加,前后方向力的分量減小,進(jìn)而影響到向前用力的效果。而這一效果從先前對COP極差值的實驗結(jié)果中也能得到證明。Ramanathan等通過對人體穿著不同鞋底厚度鞋在坡面站立的情況進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),鞋底厚度的增加會導(dǎo)致地面反作用力相對于踝關(guān)節(jié)的力臂增加,繼而提高腓骨長肌的肌肉活動水平,并造成踝關(guān)節(jié)的不穩(wěn)定和增加踝關(guān)節(jié)外側(cè)韌帶損傷風(fēng)險[6]。而從課題研究的結(jié)果來看,不管地面能否有傾斜度,隨著鞋底厚度的增加,人體踝關(guān)節(jié)在左右方向的受力都會增加。對CMJ的測試結(jié)果講明,固然跳躍高度隨鞋底厚度的增加而減小,但無顯著性差異。假如考慮到鞋本身重量的因素,能夠以為鞋底厚度對人體跳躍的高度并沒有影響。從GRF的測試結(jié)果來看,進(jìn)行CMJ跳躍時,Z軸方向的分力無顯著性差異。4結(jié)論(1)鞋底厚度為1cm時,鞋底彈性模量值最大,下肢肌肉CI指數(shù)最低,肌肉用力協(xié)調(diào)性較好,考慮到下肢肌肉協(xié)調(diào)和降低能耗因素,鞋底過厚或過薄,都會對下肢肌肉協(xié)調(diào)性產(chǎn)生不利影響。(2)鞋底厚度增加會使行走經(jīng)過中足蹬離地面時的踝關(guān)節(jié)角度增大,降低了足部趾屈動作的效率。(3)鞋底厚度的增加會增大跳躍經(jīng)過中足部額狀面方向的分力,進(jìn)而增加踝關(guān)節(jié)內(nèi)、外側(cè)副韌帶損傷的風(fēng)險。以下為參考文獻(xiàn)：[1]ROBBINSS,GOUWGJ,MCCLARANJ.Shoesolethicknessandhardnessinfluencebalanceinoldermen[J].JournaloftheAmericanGeriatricsSociety,1992,40(11):1089.[2]CHANY,LEUNGK.Theeffectofshoesolethicknessoninshoeplantarpressureandperceivedcomfortforpatientwithmetatarsalgia[J].JournalofNutritionHealthAging,2018,14(2):121-130.[3]SINCLAIRJ,MCGRATHR,BROOKO.Influenceoffootweardesignedtoboostenergyreturnonrunningeconomyincomparisontoaconventionalrunningshoe[J].JournalofSportsSciences,2021,25:1-5.[4]FREDERICKEC,HOWLEYET,POWERSSK.Loweroxygendemandsofrunninginsoft-soledshoes[J].ResearchQuarterlyforExerciseSport,1986,57:174-177.[5]NIGGBM,STEFANYSHYND,COLEG.Theeffectofmaterialcharacteristicsofshoesolesonmuscleactivationandenergyaspectsduringrunning[J].JournalofBiom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