3D功能性鞋墊對大學生高山滑雪運動中下肢肌電的影響研究

摘要：本研究運用文獻資料法、實驗法和數理統計法等研究方法，采用中國智蕓薇?無線肌電測試系統獲取大學生高山滑雪運動中下肢優勢側積分肌電值（iEMG）數據，并通過配對樣本T檢驗對比三種鞋墊對大學生高山滑雪中下肢肌電的影響，幫助滑雪運動員選擇合適的滑雪鞋墊。研究結果發現，在室內模擬滑雪機坡面14°和運行速度25km/h情況下，3D功能性鞋墊能顯著減輕下肢疲勞，增強肌肉貢獻率與關節穩定性，相比其他兩種鞋墊功能更具優勢。

關鍵詞：3D功能性鞋墊 高山滑雪 積分肌電值

中圖分類號：G818 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8902-（2024）-20-151-3-TBB

1、前言

近年來，3D打印技術快速發展，尤其在運動輔具制造方面展現出巨大潛力。在國外，該技術已廣泛應用于運動鞋墊領域，為運動員提供個性化的支撐和矯正。然而，在國內該領域的研究和應用仍處于起步階段。高山滑雪中，雙足的保護和支撐至關重要，其鞋墊通常被視作鞋底的內底結構，不僅能提升足部舒適度與貼合度，同時提示部分減震緩沖的功能，降低傳輸至足部的能量，減少完成特定動作所需的肌肉力量，但其自帶鞋墊的功效有限。因此，利用3D打印技術為高山滑雪運動員定制個性化鞋墊，有望提高其運動表現性與安全性。此外，一款適合腳型的鞋墊能有效延長雪鞋的使用壽命，同時還具備吸附汗漬、除臭、防滑等附加功能。本研究旨在比較高山滑雪鞋自帶鞋墊、普通功能性鞋墊和3D功能性鞋墊等三種鞋墊在高山滑雪運動中對大學生下肢優勢側肌電表現的影響。通過鞋墊真實功能性分析，為高山滑雪運動員提供關于滑雪鞋墊選擇的科學建議。

2、研究對象及方法

2.1、研究對象

鞋墊簡介：本研究共選用室內雪場提供雙板滑雪鞋（雪鞋自帶鞋墊）、淘寶購入普通功能性鞋墊和定制3D功能性鞋墊三款鞋墊。

從東北師范大學體育學院冰雪專項班選拔了12名同學作為測試對象。入選標準為熟練掌握高山滑雪基本技能、身體健康狀況良好、無不良嗜好、近6個月內未出現嚴重下肢損傷、無長短腿問題，并持有滑雪社會指導員職業資格證書。分析所有測試對象在室內模擬滑雪機（Alpine Engineering）上分別穿著雪鞋自帶鞋墊、普通功能性鞋墊以及3D功能性鞋墊按滑行坡面14°和滑行速度25km/h直線滑行時10s的下肢優勢側股直肌、股外側肌、股外側肌、腘繩肌和臀大肌的積分肌電值（iEMG）。由于高山滑雪鞋鞋幫較高，不便測試小腿相關肌群的iEMG。

2.2、研究方法

（1）文獻資料法。

通過在中國知網、萬方、維普和讀秀等中文數據庫以及Web of Science英文數據庫中使用“3D功能性鞋墊”“鞋墊”“3D functional insole”等關鍵詞進行檢索，獲取相關文獻資料。通過對文獻的梳理和歸納，為本文的撰寫及實驗設計提供了充足的理論基礎。

（2）實驗法。

采用中國智蕓薇?無線肌電測試系統對測試對象下肢優勢側各肌群的積分肌電值（iEMG）進行精確采集。在測試開始的前一天，特別提醒測試者注意身體清潔，以確保測試部位符合標準，測試當天，測試者需穿著校服短褲參與實驗。在數據采集過程中，用酒精棉球對需要粘貼肌電貼的部位進行仔細擦拭，以確保肌電貼與皮膚的緊密粘貼（毛發較為茂密者需進行毛發剔除，避免毛發對肌電信號傳導的影響）。一切準備就緒后，打開滑雪機開關，讓測試對象在滑雪機上進行1min的適應性滑行，使其逐漸熟悉測試環境和滑行動作。適應性滑行結束后，通過中國智蕓薇?無線肌電測試系統精確捕捉10s測試對象直滑降時下肢優勢側iEMG數據。按照雪鞋自帶鞋墊、普通功能性鞋墊以及3D功能性鞋墊的順序進行測試。每次更換鞋墊后，給測試對象1min間歇時間，具體間歇時間以測試對象的體能恢復情況為準。

（3）數理統計法。

運用Excel表格對測試對象的身高、體重、年齡、性別以及優勢側進行統計并在實驗測試結束后對測試對象的下肢優勢側的iEMG進行整理。運用SPSS26.0軟件對測試后的數據進行配對樣本T檢驗，對比分析測試對象穿著雪鞋自帶鞋墊、普通功能性鞋墊以及3D功能性鞋墊直滑降時優勢側各肌肉iEMG的差異情況。根據統計學標準，當P值≤0.05時，我們認為存在統計學顯著差異；當P值≤0.01時，表明差異非常顯著；若P值＞0.05，則意味著差異不顯著。

（4）邏輯分析法。

在采用文獻資料法的基礎上，采用歸納分析法對相關文獻資料進行了系統的整理，并通過對比類似文章的研究內容和觀點，全面了解3D功能性鞋墊的研究現狀及其在體育運動領域的發展情況，確保文章撰寫準確。

3、研究結果與分析

3.1、下肢優勢側積分肌電值的測試結果與分析

在穿著不同鞋墊的條件下，對受試者滑行過程中下肢優勢側股直肌、股內側肌、股外側肌、腘繩肌、臀大肌的積分肌電值數據進行統計學分析。測試對象下肢優勢側iEMG的具體數值（如表2所示），并通過簇狀柱圖（如圖2所示）進行直觀展示。

通過對測試對象的下肢優勢側iEMG的測試數據進行配對樣本T檢驗后，發現3D功能性鞋墊與雪鞋自帶鞋墊對下肢優勢側股外側肌、腘繩肌以及臀大肌的iEMG均有影響，對股外側肌iEMG的影響存有顯著差異（P＜0.05），對腘繩肌和臀大肌iEMG的影響存有非常顯著的差異（P＜0.01）。與普通功能性鞋墊相比，雪鞋自帶鞋墊對股外側肌的影響非常顯著（P＜0.01）。此外，3D功能性鞋墊與普通功能性鞋墊對腘繩肌的iEMG影響也存有顯著差異（P＜0.05）。其他不同類型鞋墊相比較的情況下下肢優勢側肌群iEMG無統計學差異。

圖2 下肢優勢側積分肌電值圖

3.2、下肢優勢側不同肌群貢獻率的測試結果與分析

在穿著不同鞋墊的條件下，對受試者滑行過程中下肢優勢側股直肌、股內側肌、股外側肌、腘繩肌、臀大肌的貢獻率數據進行統計學分析。測試對象下肢優勢側肌群貢獻率的具體數值（如表3所示），并通過簇狀柱圖（如圖3所示）進行直觀展示。

通過對測試對象的下肢優勢側iEMG的測試數據進行配對樣本T檢驗后，發現3D功能性鞋墊與雪鞋自帶鞋墊對測試對象下肢優勢側股直肌貢獻率的影響有非常顯著差異（P＜0.01），而對股內側肌、股外側肌、腘繩肌的貢獻率僅有顯著差異（P＜0.05）。此外，雪鞋自帶鞋墊與普通功能性鞋墊對測試對象下肢優勢側股內側肌貢獻率的影響也存有顯著差異（P＜0.05）。其他不同類型鞋墊相比較而言，在這些肌群上的iEMG無統計學差異。

4、討論

4.1、不同鞋墊類型對下肢優勢側積分肌電值的影響

肌電信號源于脊髓運動神經元，iEMG是表面肌電信號中的一個關鍵指標，用于量化一定時間內參與活動的肌肉放電總量。它不僅能夠揭示參與活動的運動單位數量及其放電情況，還能實時反映肌肉的活動狀態和收縮特性。此外，iEMG值的大小直接反映了肌肉運動單位所消耗的能量多少，因此其幅值的大小可以作為評估肌肉疲勞程度的重要指標。

本研究發現，對于測試對象的下肢優勢側，不同鞋墊對于引起的下肢疲勞具有差異。如表2所示，當測試對象穿著3D功能性鞋墊滑行時，與雪鞋自帶的鞋墊相比，在相同滑行條件下，下肢優勢側的整體疲勞程度明顯較低。盡管股直肌的iEMG有輕微上升，但這種變化并不具有統計學上的顯著性（P＞0.05）。與此同時，雪鞋自帶鞋墊與普通功能性滑雪鞋在股外側肌方面的差異極為顯著（P＜0.01）。值得注意的是，3D功能性鞋墊與普通功能性鞋墊不僅在腘繩肌方面存在顯著差異（P＜0.05），而且在減輕臀大肌和股外側肌的疲勞程度方面也有所幫助，盡管這些幫助尚未達到統計學上的顯著性差異水平。

綜上，從下肢優勢側各肌群的疲勞情況來看，定制的個性化3D功能性鞋墊在完成相同難度任務時，能夠有效減輕使用者的疲勞感，從而延長運動時間或在有限水平的基礎上挑戰更高難度的任務。這一點也得到了Tomaro和Vanicek等研究者的進一步證實，他們發現3D打印矯正功能性鞋墊在減少股外側肌疲勞方面具有顯著效果，這種作用可以有效延長下肢肌肉的活動時間。考慮到高山滑雪運動通常在廣闊且海拔較高的雪地進行，那里的空氣稀薄，使得在進行相同的運動時運動員更容易產生疲勞。對于熱衷于滑雪的業余愛好者而言，滑雪活動往往持續時間較長。為了降低疲勞感并提升身體適應性，除了提升有氧代謝能力外，擁有一副符合個人足部特征的定制化鞋墊顯得尤為重要。

4.2、不同鞋墊類型對下肢優勢側肌群貢獻率的影響

當肌肉承受更大的負荷時，其收縮力度會增強，同時，iEMG也會相應增加，兩者呈現正比關系。表面肌電技術能夠揭示運動單位的活化狀態及神經支配特點，并精確評估參與運動的肌肉的貢獻率。具體而言，肌肉貢獻率指的是在一次特定測試動作中，各肌肉所產生的積分肌電值占所有測試肌肉積分肌電值總和的百分比。

本研究發現，對于提升臀大肌在運動過程中的貢獻率，3D功能性鞋墊與其他兩種鞋墊無統計學差異。3D功能性鞋墊與雪鞋自帶鞋墊相比較而言，在股直肌、股內側肌以及股外側肌方面都有提升貢獻率，且存有顯著性統計學差異（P＜0.05），3D功能性鞋墊與普通功能性鞋墊相比較而言，僅在股外側肌貢獻率方面存有統計學差異（P＜0.05）。此外，在股直肌和股內側肌貢獻率方面存有較好的優勢，盡管沒有表現出統計學上的差異。普通功能性鞋墊與雪鞋自帶鞋墊比較而言，在提升股直肌、股內側肌以及股外側肌貢獻率方面較好，其中對于提升股內側肌的貢獻率方面存有顯著性的差異（P＜0.05）。眾所周知，高山滑雪是一項速度與技巧的完美結合的高度危險性運動，它要求運動員具備高度敏捷、反應迅速、平衡能力等素質。下肢肌肉力量貢獻率的提高不僅為運動提供充足的源動力，還通過穩定骨關節來確保運動的準確性、流暢性和安全性。

綜上，在同等運動情況與自身能力水平下，3D功能性鞋墊能夠有效提升下肢各肌群的肌肉貢獻率，增強下肢關節穩定性，減少運動損傷發生與提升運動表現。對于提升滑行運動過程中下肢肌肉整體貢獻率，3D功能性鞋墊有效性＞普通功能性滑雪鞋墊＞雪鞋自帶鞋墊。

5、結論與建議

5.1、結論

3D功能性鞋墊能有效減輕下肢優勢側肌群的疲勞程度，延長運動時間或適合更高難度的任務。

3D功能性鞋墊在提升滑行運動中下肢肌肉貢獻率和關節穩定性方面優于普通功能性鞋墊和雪鞋自帶鞋墊，對于需要高度敏捷和平衡能力的高山滑雪運動員至關重要。

5.2、建議

對于參與滑雪活動的愛好者，建議選購功能性滑雪鞋墊。選購時，應依據個人的肌肉狀態和身體條件，有針對性地挑選功能性滑雪鞋墊，以便在提升滑雪舒適度的同時，確保運動安全。

對于專業高山滑雪運動員而言，應優先考慮穿著個性化定制的3D功能性鞋墊。這能夠精確保護下肢肌群，預防潛在的運動損傷，提高肌肉的工作效率，幫助運動員在競技場上表現更加卓越。

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