不同高度鞋跟的運動鞋對男性踝關節生物力學參數的影響

摘要：目的：對比受試者在正常行走過程中，不同高度鞋跟的運動鞋對男性踝關節生物力學參數所可能產生的影響，通過多項參數和相關指標來評價不同鞋類的適用性，以推廣運用于運動康復訓練領域。方法：該研究采集72名男性在依次穿鞋跟高度為負值（負跟運動鞋）、平底運動鞋和在裸足狀態下進行步行能力實驗時的相關指標，并對踝關節的運動學參數使用單因素方差分析的方法進行統計分析，顯著性水平為Plt;0.05。結果：受試者分別在穿著負跟運動鞋和平底運動鞋行走時，在左腳落地時期和左腳離地時期所受到的標準化地反作用力明顯大于裸足狀態（Plt;0.01）。在矢狀面位置，負跟鞋組、裸足組的跖屈角度在左腳落地時期大于平底運動鞋組（Plt;0.05）。在冠狀面位置，負跟鞋組與平底運動鞋組關節角度在第二峰值時期具有極高顯著性（Plt;0.01）。結論：鞋跟高度為負值的鞋類（負跟運動鞋）相比于平底運動鞋和裸足，有利于提高在單個步態周期中人體步態的穩定性，但需要在擺動相時期加以緩沖材料進行減震。

關鍵詞：鞋跟" 運動學" 動力學" 關節角度

足位于人體下肢的底端，不僅有著負重行走、緩沖壓力、適應穩定等多種功能，還呈現出與周圍肌肉緊密復雜的聯系。伴隨著人體行走、跳躍、跑步等日常生活活動，踝關節既要有著強大的支撐性來適應不同地面材質、坡度高低的環境變化，還要為整個關節受力提供足夠的柔韌性。目前市場上的鞋類根據鞋跟高度可將鞋類分為高跟鞋、平底鞋和負跟鞋。其中，鞋跟高度為負的鞋被稱為負跟鞋，這種結構使負跟鞋在一定程度上能夠提供穩定性，并且對維持人體靜態平衡穩定產生積極的作用，負跟鞋的應用為踝關節損傷康復提供一個良好的思路。隨著鞋類的不斷演變，市場上出現了多種形態的鞋，如高跟鞋、船型鞋、板鞋等等，在足部疾病的患者數量與日俱增的情況下，踝關節損傷作為足部疾病中常見的運動損傷，常見的殘留損傷是踝關節疼痛，面對平衡功能下降與關節活動度障礙的問題，不同的人會根據自身實際采取康復措施，但其背后的運動學原因仍需要從鞋類相關數值進行分析。

1、對象與方法

1.1、研究對象

本研究共招募72名男性。在實驗正式開始前，告知每一位受試者關于本實驗的操作流程和注意事項，并簽訂《受試者知情同意書》。有關受試者的篩選指標如下：

（1）受試者納入標準。

①受試者足部無畸形、無異常；②身體質量指數在18.5-23.9之間；③一年內無下肢損傷史；④受試者鞋碼大小在40-44碼（EUR標準）；⑤無心血管系統和神經系統疾?。虎奘茉囌咴趯嶒為_始前24小時內未參加體育活動。

（2）受試者剔除標準。

①不符合上述納入標準且依從性差的人員；②扁平足、高弓足者；③有下肢手術史或關節置換術史的；④存在局部皮膚破損等其他皮膚疾病者。

經篩選后，符合上述條件的72名受試者個人基本情況如表1所示：

1.2、研究方法

所有受試者穿上運動服，在實驗人員指導下依次測量身高和體重。隨后實驗人員按照說明書在受試者指定部位貼上marker標志點后，讓受試者在紅外高速系統中進行靜態標定；待標定完成后，進行動態測試，此時每位受試者采用自然步速行走，先后在穿負跟運動鞋、平底運動鞋和裸足的狀態從測力臺上走過。選定采集頻率為1000Hz，受試者的腳踏進測力臺為基準開始采集數據。每名受試者完成三次并由實驗人員采集有效數據后停止。采集到的數據在Visual 3D Version軟件中進行分析處理。在對步行過程的錄像分析時，截取實驗對象進入測試區時，統一倒推30幀運動圖像畫面為開始時刻。當受試者離開測試區后，再向前取30幀畫面為終止點，并在后續完成對步態時空參數以及關節動力學指標的數據收集。上述測試完成后，實驗人員囑受試者進行平衡能力測定。所有受試者依次在穿著負跟運動鞋、平底運動鞋和裸足狀態下站立于動態平衡儀上，用優勢足單腳站在測力平板，先睜眼站立，軀干保持直立，支撐腳足跟與第3跖趾尖連線位于矢狀軸上，雙目注視控制電腦的屏幕。此時在屏幕系統的測試模塊中，將顯示受試者COG的軌跡，受試者需盡量控制軌跡不偏離X軸與Y軸交匯處。測試靜態平衡能力選定LOCK狀態，測試靜態平衡能力選定測力平臺5級水平，測試時間均為30s。然后再囑受試者閉眼進行上述流程。每次測試開始后，受試者應控制COG軌跡靠近坐標軸交匯點的原點位置，實驗者記錄數據；每一位受試者依次進行上述實驗，實驗者需記錄所有數據指標。

實驗用鞋：本研究中使用的負跟運動鞋（圖1）是鞋中底跟掌差為-10mm， 即鞋底前高后低。研究中所用平底運動鞋（圖2）是男款平底運動鞋（鞋中底跟掌差：0mm）。

（1）實驗選取指標。

根據歐拉角與逆動力學算法選取在步行過程中一個步態周期內踝關節所受到的地面反作用力（N）和力矩（N·m）。為了抵消受試者自身的身高體重對實驗所可能帶來的誤差，采用標準化地反力（BW）和標準化踝關節力矩（BW· BH）進行分析討論。

（2）統計學方法。

實驗前后測量的關節生物力學數據使用Visual 3D Version軟件進行采集和整理，將所有受試者數據輸出為.c3d文件后保存。靜態平衡指標數據使用Prokin軟件進行采集和整理，將采集到的數據以.txl文件格式輸出后保存。實驗前后測量指標數據采用SPSS 24.0統計分析軟件進行數據處理，所有測試指標的計數資料以平均數±標準差表示。實驗前后各組組間的方差齊性選用LSD法，方差不齊選用Tamhane’s T2檢驗，組間變化差異比較采用單因素方差分析；當組間數據具有統計學差異時，以Plt;0.05為差異顯著，P＜0.01為差異非常顯著。

2、研究結果

2.1、地面反作用力特征（GRF，Ground Reaction Force）

本實驗以受試者左腳著地為起點，左腳離地為終點進行研究，各個階段受試者所受到的標準化GRF結果分別如表2所示：

如圖3所示，當處于左腳落地時期，受試者在穿負跟運動鞋組和穿平底運動鞋組在觸地時所產生的標準化GRF分別與裸足組間有極高顯著性差異（P＜0.01）而穿負跟運動鞋組與平底運動鞋組的組間無統計學差異（P＞0.05）。當受試者右腳抬離地面，左腳進入單支撐相階段，此時標準化GRF達到峰值。通過統計分析后發現，受試者在穿不同高度鞋跟類型的運動鞋時，在單支撐相階段各組組間無顯著性差異（P＞0.05）。隨著右腳廓清完成，腳跟接觸地面瞬間，地反作用力數值再次增大，達到第二個峰值。在該階段（如圖4所示），各組組間數據經過統計分析后無顯著性差異（P＞0.05）。在左腳離地時，受試者在穿著負跟運動鞋、裸足和平底運動鞋步行時，負跟運動鞋組與平底運動鞋組、裸足組組間均有極高顯著性差異（P＜0.01）。

2.2、 踝關節角度變化特征

步行過程中踝關節在矢狀面角度變化如表3所示，在左腳落地時期，踝關節運動以背屈方向落地，其角度數值經單因素方差分析后發現，受試者在穿著負跟運動鞋、裸足狀態下與穿平底運動鞋時有顯著性差異（P＜0.05），而穿負跟運動鞋組與裸足組的組間值無統計學差異（P＞0.05）。當步行過程繼續進行，受試者右腳抬離地面，此時左腳進入單支撐相階段。通過統計分析后發現，受試者在穿不同高度鞋跟類型的鞋時，負跟運動鞋組、裸足組和平底運動鞋組各組組間無顯著性差異（P＞0.05）。隨著右腳廓清完成，腳跟接觸地面瞬間，踝關節運動由背屈向跖屈變化，在這個階段的關節角度數值經過統計分析后，各組組間無顯著性差異（P＞0.05）。左腳離地時，踝關節跖屈角度繼續增大，此時步態周期再次進入右腳單支撐相。通過對關節跖屈角度進行單因素方差分析后發現：受試者在穿著負跟運動鞋、裸足和平底運動鞋步行時，各組組間無顯著性差異（P＞0.05）。

步行過程中各時期踝關節角度在冠狀面變化數值如表4所示，在左腳落地時期，踝關節起始運動方向為內翻，其角度數值經單因素方差分析后得出，受試者分別在穿著負跟運動鞋、裸足狀態下與穿平底運動鞋時組間沒有統計學差異（P＞0.05）。當步行過程繼續進行，受試者右腳抬離地面，此時左腳進入單支撐相階段。通過統計分析后發現，受試者在穿不同高度鞋跟類型的鞋時，負跟運動鞋組、裸足組和平底運動鞋組各組組間無顯著性差異（P＞0.05）。隨著右腳廓清完成，腳跟接觸地面瞬間，踝關節運動由內翻向外翻變化，在這個階段的關節角度數值經過統計分析后，穿負跟運動鞋組與平底運動鞋組組間具極高顯著性差異（P＜0.01），平底運動鞋組與裸足組具有統計學差異（Plt;0.05）。左腳離地時，踝關節外翻角度繼續增大，此時步態周期再次進入右腳單支撐相。通過對關節外翻角度進行單因素方差分析后發現：受試者在穿著負跟運動鞋和平底運動鞋步行時的冠狀面關節角度與裸足組之間具有極高顯著性（P＜0.01）。

2.3、踝關節力矩變化特征

步行過程中各個時期的踝關節標準化力矩在矢狀面的變化特征結果如表5所示。

在左腳落地時期，穿負跟運動鞋組的受試者在矢狀面表現為跖屈力矩，且在數值上與裸足組具有顯著性差異（Plt;0.05），同時穿平底運動鞋組的力矩與裸足組組間具有極高顯著性差異（P＜0.01）。當右腳抬離地面，進入左腳單支撐相階段時，受試者表現出背屈力矩，且數值上與裸足組和穿平底運動鞋組組間具有顯著性差異（P＜0.05）。當進入右腳觸地時期，左側踝關節力矩達到最大，此時穿平底運動鞋組與裸足組之間具有顯著性差異（P＜0.05），而與負跟運動鞋組之間無顯著性差異（P＞0.05）。左腳離地時期，此時各組受試者的踝關節矢狀面力矩為跖屈力矩，但各組組間的力矩數值無統計學差異（P＞0.05）。

步行過程中各個時期的踝關節標準化力矩在冠狀面的變化特征結果如表6所示。

在左腳落地時期（如圖10所示），穿負跟運動鞋組的受試者在冠狀面表現為內翻力矩，且在數值上與裸足組和相比無統計學差異（P＞0.05）。當右腳抬離地面，進入左腳單支撐相階段時（如圖11所示），受試者在穿負跟運動鞋和穿平底運動鞋行走時，與裸足狀態時相比，踝關節冠狀面背屈力矩組間均有顯著性差異（P＜0.05），但兩者組間無統計學差異（P＞0.05）。當進入右腳觸地時期（如圖12所示），左側踝關節產生外翻力矩并逐漸增加，但此時各組組間的力矩數值無統計學差異（P＞0.05）。左腳離地時期（如圖10所示），此時各組受試者的踝關節冠狀面力矩仍為內翻力矩，但各組組間的力矩數值無統計學差異（P＞0.05）。

3、討論分析

本研究基于功能解剖學、人體運動學理論，在鞋類跟掌差研究中加入了負跟運動鞋這一對照組別，直接對比與裸足、平底運動鞋之間的指標變化特征來補充負跟運動鞋對踝關節背屈位置行走的可行性研究。有文獻指出，通過減小跟掌差使踝關節處于背屈位置的鞋類具有拉伸人體脊柱、防止崴腳等作用。

單個步態周期可分成四個時期，參與實驗的受試者們均為后腳跟著地逐漸過渡至前腳掌的步態，因此垂直軸方向所產生的GRF表現為“雙峰一谷”形狀。其中的“雙峰”分別對應左腳觸地瞬間地面施加于肢體上的初始負載所產生沖擊峰值以及左腳后蹬推動下肢離開地面時的蹬伸峰值。

研究結果顯示，負跟運動鞋組和平底運動鞋組在左腳落地和左腳離地時期所受到的標準化GRF明顯大于裸足組。在左腳離地時期，負跟運動鞋組受到的標準化GRF大于平底運動鞋組。剛落地瞬間，負跟運動鞋的結構決定了受試者采用足后跟觸地的模式參與行走。在裸足狀態下，踝關節未受到鞋型所帶來的限制，因此更容易在落地時期采用中足著地模式。國外學者研究指出，穿平底運動鞋進行跑步時，踝關節背屈更加明顯，而后跟落地的跑步人群在觸地時要吸收高達3倍標準化GRF的沖擊力，這提示落地時期穿鞋更容易對足后跟產生沖擊，必要時可添加緩沖鞋墊進行保護來緩解沖擊力。離地時期，身體重心移動至前支撐腳，后腳跟向后發力加速離開地面，此時負跟運動鞋組的受試者要從踝背屈狀態變為跖屈時，需要在垂直方向上克服更大的力量。有研究指出，隨著鞋跟高度增加，足底所受到的沖擊力數值將繼續增大，向后蹬地時身體重心加速度增加，垂直GRF峰值增大。負跟運動鞋雖然與高跟鞋的設計相反，其跟掌差數值仍大于裸足和平底運動鞋，相比之下它在離地時容易失穩，對于步行速度下降、擺動相比例改變等步態異常問題，負跟運動鞋受試者通過步長變長、步速降低來進行平衡調整。因此，對于單個步態周期，負跟運動鞋能在支撐時期帶來穩定，而在擺動相的穩定性小于裸足和平底運動鞋，且受力在擺動相更向后跟部位集中，提示在步態起始和結束時需要注意姿勢控制。

于距上關節的活動。本實驗重點關注人在步行過程中踝關節在矢狀面屈伸功能特征，根據實驗結果，習慣穿平底運動鞋人群短期處于裸足狀態下步行時，關節跖屈數值的增加能加大與地面的接觸面積，屬于提高支撐期穩定性的策略之一。當受試者穿負跟運動鞋后，踝關節觸地瞬間受到鞋型因素改變了足底觸地時的接觸點與運動角度，為了保持平衡需要產生一個跖屈的力矩和足夠的跖屈角度來與負跟運動鞋形態相互平衡，此時力矩方向與關節運動方向一致，因此落地時期的踝關節角度偏大。隨著步行周期進行至同側支撐期時，會在背屈方向產生更大的力來平衡落地時的受力，才能保證平穩過渡。此外有研究顯示，被診斷為慢性踝關節不穩的人群，其踝關節和髖部等長峰值扭矩相比于普通健康人群較低，這樣的結果不僅取決于關節自身結構所處位置以及鞋類結構所帶來的影響，還與周圍肌肉的收縮程度有關。因此，跟掌差為負值的鞋類會激活更大的肌肉力量來維持步行的穩定。

4、結論與建議

在單個步態周期中，鞋跟高度為負值的鞋類比平底運動鞋和裸足在單支撐相時期有更好的穩定性，主要體現為矢狀面力矩和關節角度的減少，起到提高步行功能穩定性的作用。但在擺動相時期容易承受到更大的地反作用力，需要加以鞋墊材料進行緩沖減震。由于存在個體穿鞋經驗的不同，實驗將后續加入女性受試者與高跟鞋穿著經驗的人群作為影響因素進行詳細分析。

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