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

采用問卷調查法對18名男性業余跑步愛好者在跑步時腳感知舒適度進行調查，并運用運動生物力學方法對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、壓強進行測試，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。研究結果表明：隨著鞋底硬度值的增加，足弓和前腳掌外側部位的峰值壓力和峰值壓強逐漸增大；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，表現出較好的感知舒適度，發現腳后跟的感知舒適度是影響感覺和神經肌肉系統調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，能在足弓外側和前腳掌外側產生較大壓力及壓強。

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到人體重量的2～4倍。跑鞋的性能與預防損傷和舒適度緊密相連[3-4]。有研究發現，過度的后足角度、反復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構特點和材料，以減輕跑鞋對腳造成損傷的負面影響，其中一個被考慮的重要因素就是跑鞋中鞋底材料的硬度。

現有針對不同硬度鞋底跑鞋的研究發現，跑步時，不同硬度的跑鞋鞋底不會影響矢狀面的運動參數[6-9]。一些研究表明，隨著跑鞋鞋底材料硬度的變化，人體的神經肌肉系統會產生運動適應[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荷[9，10-12]；另有研究發現，鞋底硬度較軟的跑鞋會在跑步時表現一個較大的外翻角度，并且達到最高值所需的時間也更短[6，10，13]。

研究者針對關于跑鞋鞋底材料硬度對人體跑步時的腳在運動學和動力學方面的變化都進行了研究，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

采用委托專業制造商生產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的橡膠硬度測定標準測定材料的硬度（A鞋材料硬度=50；B鞋材料硬度=70）。對每一名受試者都發放兩雙不同底硬度的跑鞋，分別進行足部運動、足底壓力和感知舒適度的測試。

1.2 調查對象

18名男性業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，經過有關部門同意，與受試者簽訂了知情同意書。）

1.3 數據收集

1.3.1 足部運動測試 在可移動的多功能跑臺正后方架設一臺固定位置的攝像機（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。為了能更好進行解析畫面和分析數據，根據查閱的文獻以及美國測試與材料學會批準的用于研究跑鞋對足部運動控制的標準測試方法［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節上方4 cm處，第2個反光球貼于膝關節后側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準姿勢下的后足角度進行了測量。標準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準姿勢下的后足角度，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，受試者在提前設置好的炮臺上，以3.8m/s的速度跑步3 min，通過固定攝像機記錄下來，采用運動分析系統（APAS，Ariel Dynamics Inc.，USA）對錄像記錄的最后30 s優勢腿的10個落地動作進行處理計算跑步時的后足角度。計算出的后足角度的正負值僅表示方向的不同，正值表示足跟相對于小腿的內翻，負值表示足跟相對于小腿的外翻。通過運動分析系統得出后足落地角、后足最大外翻角、后足角變化范圍（即后足最大內翻角減最大外翻角的絕對值）3個參數來評價足部運動。

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（Novel Pedar System，Germany），以100 Hz的頻率進行采樣，研究人員指導受試者以3.3 m/s的速度在多功能跑臺上完成2 min的測試練習，對優勢腿完成的10個成功步態以獲得足底壓力。測試前，借鑒已報道的相關研究中的區域區分方法和本研究的具體特點，依據足部的解剖特征將鞋墊劃分為9個區域［13，16］，分別是M01為足跟內側區，M02為足跟外側區，M03為足弓內側區，M04為足弓外側區，M05為第1跖趾關節區，M06為第2和第3跖趾關節區，M07為第4和第5跖趾關節區，M08為大拇趾區，M09為其他腳趾區（見圖2）。

1.3.3 感知舒適度測試 采用一份經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］。引用了加拿大科學家研究設計的感知舒適度量表，受試者需要根據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-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行測試，完成相同的測試內容，避免無關因素的干擾。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 統計分析及相關拍攝圖片

所有參數均表示為平均數（X）和標準差（s）。采用SPSS 17.0統計學軟件進行配對樣本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。相關拍攝圖片見圖1至圖3。

圖1 足部運動測試標定點的位置

圖2 足底壓力測試

圖3 足底壓力分區圖

2 結果與分析

2.1 足部運動的測試結果

表1顯示，對受試者進行足部運動測試，在進行的4個測試項目中，針對2種不同類型的跑鞋測試得到的數據，只有足部最大外翻角度（RMP）呈現顯著性差異，具有統計學的意義。在數值上，A-鞋的后足最大外翻角度（RMP）大于B-鞋；其他3個指標，雖然不具有統計學的意義，但各個指標在數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Table 1 Parameters in the rearfoot motion testing

2.2 足底壓力的測試結果

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個區域，對兩種硬度鞋底的跑鞋進行最大壓力比較，其中A型鞋在足跟內側（M01）、足跟外側（M02）、足弓內側（M03）、第2、3跖骨關節（M06）、第4、5跖骨關節（M07）5個區域上最大力量數值比B型鞋大，A型鞋在M04、M05、M08 3個區域上最大力量數值比B型鞋小，對測試的結果進行統計學處理（見表2），在9塊足底區域中，僅有M04和M09兩個區域，即足弓外側和第2～5跖骨具有顯著性差異，且B型鞋在M04和M09區域承受的最大壓力比A型鞋大。

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

2.2.2 峰值壓強 由于視頻圖像與足底壓力測試的同步性，我們可以根據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。在足底壓力測試中，對測試獲得的數據進行統計學處理（見表3），僅在M04區（P=0.001）和M09區（P=0.032）兩塊區域具有顯著性差異，具有統計學意義，且從數值來看，在M04和M09這兩塊區域上，B型鞋較A型鞋表現出更大的足底壓強。

表3 每塊區域的峰值壓強數值（kPa）Table 3 Values of peak pressure（kPa）for each area

2.3 主觀舒適度的調查結果

在主觀舒適度測試分析中，對填寫的感知舒適度問卷進行統計分析，運用配對樣本T檢驗方法對獲得的數據進行統計學分析，發現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；在數值上，除了內-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

跑鞋的選擇被認為是預防傷害和增加跑步舒適度的方法。在目前的研究中，人們認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。因此，可以通過優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曾經提出假設，在鞋底內側夾層增加一個硬結構，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、負荷率和足跟部分的壓力，但當腳承受身體重量時，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。

對跑鞋舒適性的研究是一種復雜的研究，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；同時還與鞋的設計特性有關，如鞋底硬度與柔韌性、扭轉硬度、鞋面長度以及鞋的重量等。在已有的感知舒適度研究中，研究者發現足底壓力和足外翻之間具有高度相關性[9，19，20]。在跑步過程中，由于人體感覺和神經肌肉調節功能，人體可以根據鞋底材料的硬度，調節下肢的運動，從而獲得一個穩定的沖擊力和負荷，進一步用適合自身特點的跑步模式進行跑步，足跟的感知舒適度是影響人體感覺和神經肌肉系統對跑步模式進行調整的重要因素，因此鞋底材料的硬度對跑步模式至關重要。在本研究中，對穿著兩種不同硬度鞋底跑鞋的受試者進行研究，發現足跟緩沖部位的感知舒適度表現出顯著性差異（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，沒有發現鞋底硬度會對足底沖擊力產生影響[9，10，21-23]。在本研究中，使用了Novel Pedar-X系統測量足底壓力，結果表明，峰值壓力和峰值壓強在足跟處的差異并不明顯。在穿著較硬鞋底跑鞋測試時，足弓和前腳掌外側部位產生較大的峰值壓力及壓強，減小了腳部的外翻角度，從而可以提示跑步者調整他們的跑步模式，避免在穿較硬鞋底的跑鞋跑步時對腳跟造成過高的壓力，同時發現在足弓和前腳掌外側產生了較大的壓力與壓強。研究發現，在跑步時，鞋底硬度材料的變化與足弓和前腳掌外側的峰值壓力、壓強的變化關聯度密切。在重復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，較大的壓力也可能會導致人的運動系統過載，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 結論

（1）隨著鞋底硬度值的增加，足弓和前腳掌外側部位的峰值壓力和峰值壓強逐漸增大。（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，表現出較好的感知舒適度，發現腳后跟的感知舒適度是影響感覺和神經肌肉系統調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，能在足弓外側和前腳掌外側產生較大壓力及壓強。

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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）；國家體育總局科學健身示范區建設重點領域項目（項目編號：2015B021）；山東省教育科學“十二五”規劃課題（項目編號：2013GG209）；山東省社會科學規劃課題（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設計。

1.天津體育學院研究生部，天津300381；2.棗莊學院體育學院，山東棗莊277160；3.上海體育學院運動醫學康復中心，上海200438；4.天津體育學院科研處，天津300381。

10.13297/j.cnki.issn1005-0000.2017.03.012