跑鞋鞋頭優化降低馬拉松運動員足趾甲下血腫損傷風險的有限元仿真分析

摘要：馬拉松運動員中常見的足趾甲下血腫往往與急性擠壓傷或重復性創傷引起的甲床內血管破裂有關。定制化鞋楦設計可能有助于降低因跑步時酶趾頻繁擠壓鞋頭而導致的機械性損傷風險。基于此，研究旨在探討跑鞋鞋頭結構優化對足內部生物力學的影響，進而量化馬拉松跑者足趾甲血腫損傷風險。采用CT影像數據逆向重建“足－鞋”三維有限元模型，并結合實驗室測量的運動學與動力學參數定義模型加栽廈邊界條件。基于2種不同鞋頭設計跑鞋分別模擬前足著地和后足著地跑步狀態下足趾觸地沖擊峰值時刻的內外部力學變化。結果顯示，與對照跑鞋相比，通過增大鞋腔內足趾受力空間能夠分別降低前足著地扣后足著地模式下11.4％和33.1％的踇趾最大沖擊力，以及7.6％和12.8％的躊趾應力峰值。此外，第一趾骨應力峰值在2種著地模式下分別降低了36.2％和35.3％，其中在后足著地模式下第一趾骨遠節的應力峰值下降達18.5％。結合對趾甲下血腫損傷的生物力學機制分析，研究認為基于鞋頭結構優化的跑鞋設計可能是馬拉松運動員（尤其是后足跑者）預防足趾甲下血腫損傷風險的一種有效策略。后續研究應細化鞋頭參數優化的劑量效應分析，進一步明確相應鞋柱定制的最優解，明確跑鞋結構設計在跑者足部損傷預防和運動表現提升方面的作用和機制。

關鍵詞：黑躊趾；有限元模型；生物力學；鞋頭

文章編號：1001-747X（2024）05-0679-07 文獻標志碼：A 中圖分類號：G804.21

DOI：10.16063／j.cnki.issn1001-747x.2024.05.014

近年來，馬拉松運動在全球范圍內掀起了熱潮，其關注度與日俱增。作為一項具有挑戰性的長距離耐力賽事，馬拉松在改善跑者心理和肌骨健康方面展現出了顯著優勢。然而，隨著全球馬拉松跑者數量逐年的指數級增長，與之相關的跑步傷病發生率也持續攀升。據統計，大約2／3的跑者在1年內至少經歷1次傷病，而馬拉松跑者的年度損傷率更是高達90％以上。盡管不同文獻中所報道的跑步傷病率存在差異，但當下普遍認為下肢和足部是馬拉松跑者最為常見的傷病部位。Bunyaratavej等報告稱，66.9％的跑者存在足部或趾甲異常，其中60.0％為甲下血腫損傷。甲下血腫是發生在足趾區域的常見創傷，通常由趾甲遠端與跑鞋鞋頭內側的反復摩擦碰撞所導致。當出血狀況發生于甲基時，血液可能滲入甲板中，而位于月白遠端的出血則更易出現在甲床上。甲下血腫的初期癥狀為局部疼痛，而持續的創傷可能導致趾甲分離、增厚以及繼發性的真菌感染，嚴重干擾運動員的比賽狀態和日常訓練。

在馬拉松比賽中，跑者足部與地面的最初接觸點因人而異，存在著高度的差異性。研究發現，在馬拉松比賽的前10 km中，88.9％的跑者采用后足著地模式，而10～32 km這一區間內，上述比例將會進一步增加。盡管跑步著地模式與比賽成績之間并未呈現顯著相關性，但就跑步相關的損傷風險而言，相較于中足和前足著地的跑者，后足著地跑者更易遭受肌肉骨骼傷病的影響，這主要是由于跑步過程中傳遞至下肢的垂直沖擊力量級及變化率存在差異所致。然而，前足著地模式下的前足（尤其是足趾區域）在跑步支撐期內的接觸時間占比更長，其內外接觸力學也將更為復雜。這可能會潛在增加跑者因急性擠壓而導致的甲床血管破裂風險，或因重復創傷而加劇甲下血腫的損傷程度。盡管跑者在長距離跑步過程中經常遭受此類傷病困擾，但目前尚無研究從定量角度探討不同著地模式所導致的潛在生物力學損傷差異。

另一個尚待探索的領域是跑鞋設計對馬拉松跑者甲下血腫損傷風險的影響。近年來，研究人員開發了不同緩沖類型的跑鞋，旨在減少跑步過程中的足部沖擊，預防因反復觸地而產生的損傷風險。然而，跑鞋鞋頭（toe box）對跑者前足／足趾的保護功能尚不明確。Branthwaite等發現，跑鞋鞋頭的形狀會顯著影響前足所承受的接觸壓力，同時鞋頭輪廓的不同也會導致前足的接觸時間、壓力時間積分以及足趾區域的峰值壓力產生差異。考慮到不合腳的跑鞋尺寸（即鞋頭容積不足而限制足趾背屈和前移）是導致跑者急性和慢性趾甲損傷的重要因素，跑鞋鞋頭結構設計對前足的生物力學影響值得進一步探討分析。

跑鞋作為馬拉松運動中獨特的功能性裝備，應從內外生物力學角度滿足跑者舒適性和潛在損傷預防需求。近年來，有限元建模方法已成為鞋具研發領域中不可或缺的工具，相較于傳統實驗分析，其量化參數更為可控與精準。“足－鞋”耦合的有限元模型已廣泛應用于探究不同鞋類特征對減少足部傷病風險影響的相關研究。因此，鑒于對甲下血腫成因機制的研究興趣，本文旨在基于特定受試者的“足－鞋”耦合有限元模型，探討鞋頭優化設計對前足／足趾內部力學機制的影響，進而為跑者足部損傷預防提供理論支撐，同時也為相應的跑鞋設計提供有力的參考依據。

1研究方法

1.1研究對象及跑鞋設計

根據世界大師協會年齡分級表，納入1名男性半職業馬拉松運動員（年齡24歲，身高175 cm，體重60 kg）作為本研究受試者。受試者優勢側為右側，鞋碼為41歐碼，跑步經驗5年，每周跑步距離不少于50 km，全程馬拉松成績在3h以內。受試者身體機能狀態良好，近3個月無肌骨系統損傷。本研究得到寧波大學科學倫理委員會批準，且受試者在實驗前簽署了知情同意書。

本研究中對照跑鞋S1為某品牌常規跑鞋，中底和外底分別采用EVA和橡膠材質（無足弓支撐）。考慮到甲下血腫損傷的生物力學機制與跑步過程中足趾在鞋頭內反復擠壓摩擦有關，且足部絞盤機制作用下跑者在跑步蹬離階段足底肌發力收縮使足趾相對于足部呈現背屈狀態。

基于此，本研究在對照跑鞋S1的基礎上對鞋頭結構進行了單一變量優化，即通過對原型跑鞋的鞋頭高度進行比例調整改良，形成鞋頭結構優化跑鞋（實驗跑鞋S2）。如圖1A所示，跑鞋S1鞋頭高度為65.8 mm，鞋頭深度為85.5 mm，鞋頭寬度為106.3 mm，鞋頭體積為140.6 cm3；跑鞋S2鞋頭高度為79.5 mm，鞋頭深度為85.8 mm，鞋頭寬度為106.2 mm，鞋頭體積為159.0 cm3。相關鞋具設計細節可見作者前期研究。

1.2“足－鞋”有限元模型構建

本研究采用CT掃描儀（GE Healthcare，USA）以0.625 mm的切片厚度對受試者分別穿著2款跑鞋狀態下的優勢足進行橫斷面掃描。將影像數據導人至MIMIC 19.0軟件（Materialise Co.，Ltd.，Belgium）進行三維幾何逆向建模，并通過刪除軟組織與跑鞋之間的噪音像素，構建非完全接觸的三維足鞋模型。隨后利用Geomagic Wrap 2021軟件（3DSystems，Rock Hill，USA）對上述模型進行表面光滑處理，并導入至SolidWorks 2022軟件（Dassault Systems，France）中進行實體化。跑鞋模型由鞋面和鞋底2部分組成，足部模型包括26塊足部骨骼、66條韌帶、5條足底筋膜以及1塊軟組織。其中，軟骨（實體模型）、足底筋膜以及韌帶（彈簧結構模型）根據足踝解剖學結構進行逆向重建。裝配形成的“足－鞋”實體模型導入至ANSYS Workbench 2022軟件（ANSYS，Inc.，United States）中執行進一步的網格劃分。其中除支撐板采用六面體單元外，其余實體模型均采用四面體單元。網格尺寸定義為：軟組織、跑鞋及支撐板5.0 mm，足骨3.5 mm，軟骨1.5 mm。所有組織模塊均假定為單一各向同性線彈性材料，并基于楊氏模量（E）和泊松比（v）2種參數來定義材料屬性。相關參數均取自前期相關研究。

1.3加載與邊界條件采集及設置

本研究選取前足著地和后足著地模式下足趾觸地沖擊峰值時刻進行模擬計算。基于運動生物力學標準實驗室內步態測試采集的足部運動參數用于定義驅動“足－鞋”有限元模型的邊界和加載條件。根據OpenSim 2392肌骨模型在受試者對應骨性關節點上粘貼反光標記點，并通過12攝像頭Vicon三維運動捕捉系統（200 Hz，Oxford Metrics Ltd.，Oxford，UK）和AMTI三維測力臺（1 000 Hz，Advance Mechanical Technology Inc.，Watenown，NY，USA），同步采集跑者分別穿著實驗跑鞋和對照跑鞋進行前足著地（forefoot，FF）和后足著地（rearfoot，RF）跑步測試（跑速控制為3.3 m／s）過程中一個完整支撐期內的足部運動軌跡和地面反作用力數據。此外，將單點式壓力傳感器（100 Hz，Novel GmbH，Munich，Germany）粘貼于受試者大躊趾趾甲末端皮膚軟組織處，用于同步測量在跑步過程中踇趾與鞋頭之間的相互作用力，并以此來識別前足著地和后足著地模式下的足趾觸地沖擊峰值時刻。將相關數據導入OpenSim軟件中進行逆向運動學和動力學處理，從而計算獲取2種著地模式下足趾觸地沖擊峰值時刻的“足－地”角度、跟腱作用力、踝關節力矩、地面反作用力用于有限元仿真分析（見圖1B）。

模型加載及邊界條件如圖1C所示。其中軟組織、脛腓骨及鞋舌上表面設置為完全固定，支撐板僅能垂直位移。轉動“足－鞋”模型使其與支撐板之間分別形成前足著地和后足著地跑步觸地峰值時刻的“足－地”角度。此外，將跟腱作用力于跟骨節點處沿跟腱向上施加，將跖趾關節接觸力于跖骨近端處垂直向下施加用于模擬慣性力。基于前期“足－鞋”有限元模擬分析的設定，跑鞋鞋底與支撐板設定為摩擦接觸，摩擦系數為0.6。 1.4模型驗證

本研究采用的“足－鞋”模型已在前期研究中通過比較Pedar鞋墊式壓力傳感系統（Novel GmbH，Munich，Germany）測試壓力峰值數據和有限元模擬數值進行了驗證。Bland-Altman和ICC統計分析（R2=0.968）結果均表明有限元模擬和實驗測試結果具有較好的一致性。此外，為進一步驗證前足著地和后足著地模式下足趾沖擊峰值階段的仿真結果可靠性，本研究對比分析單點式壓力傳感器采集的踇趾與鞋頭之間的接觸力值和有限元模擬值在沖擊峰值時刻的差異。

2研究結果

2.1踇趾接觸力與等效應力

單點式壓力傳感器采集的踇趾與鞋頭之間的接觸力和有限元模型在沖擊峰值時刻的模擬值相對一致，各種工況下的差值百分比均小于10％。其中，對照跑鞋在前足著地和后足著地模式下的差值分別為3.78 N（47.99 N vs.44.21 N）和5.85 N（60.70 N vs.4.85 N）。對于實驗跑鞋，前足著地和后足著地模式下的足趾沖擊峰值差值分別為2.42 N（41.58 N vs.39.16 N）和3.05 N（39.73 N vs.36.68 N）。從仿真結果來看，相較于對照跑鞋，在前足著地和后足著地模式下穿著實驗跑鞋能夠有效降低大晦趾與鞋頭之間11.4％和33.1％的沖擊力。

如圖2中有限元應力分布云圖所示，實驗跑鞋能夠有效疏解大躊趾遠端（甲床及側甲緣處）的應力集中，并逐漸向甲基內外側轉移。在前足著地模式下，踇趾應力峰值從穿著對照跑鞋時的0.269 MPa（見圖2A）下降至0.249 MPa（見圖2C）。而在后足著地模式下這一下降趨勢更為明顯，對照跑鞋狀態下位于趾尖和外側甲緣的應力集中區域得到消散，應力峰值也從0.277 MPa（見圖2B）下降至0.241 MPa（見圖2D），降幅達到12.75qo。

2.2第一至第五趾骨應力峰值

前足著地和后足著地模式下穿著2種跑鞋在晦趾沖擊峰值時刻的第一至第五趾骨的等效應力峰值存在差異（見圖3）。與對照跑鞋相比，穿著實驗跑鞋能夠有效減低第一至第五趾骨的應力峰值。尤其是在趾骨近節，在前足著地和后足著地模式下通過跑鞋鞋頭優化能夠分別降低第一趾骨近節36.2％（7.80 MPa vs.4.98 MPa）和35.3％（7.45 MPa vs.4.82 MPa）的應力峰值。此外，后足著地模式下第一趾骨遠節的應力峰值也降低了18.5％（3.94 MPa vs.3.21 MPa）。

3分析與討論

“足－鞋”有限元仿真分析的價值在于模擬并揭示各種工況下足部與鞋具之間復雜而微妙的生物力學交互作用。近年來，聚焦跑鞋技術革新促進跑者運動效能儼然已經成為運動生物力學領域的熱點議題，但涉及鞋頭結構設計如何差異化地作用于不同跑步著地習慣下足部內部力學環境的相關研究尚付闕如。基于此，本研究采用肌骨模型聯合有限元分析方法，探討了跑鞋鞋頭優化對足趾內部生物力學響應的影響，進而量化了不同著地模式下馬拉松跑者足趾甲下血腫的損傷風險，希冀為揭示足趾甲下血腫的潛在生物力學機制和相關防護跑鞋研發優化提供有益思考。

足趾甲下血腫作為一種十分常見的末端環節損傷，其致傷機制通常被認為與跑步運動過程中前足與鞋頭的頻繁擠壓摩擦有關。尤其是在馬拉松一類的長距離跑運動中，跑者足部或容易因為持續充血和汗液分泌而發生形態學和力學功能（“足－鞋”相對摩擦減小）上的改變。此時，不適配的鞋具就可能因為違背足趾的自然運動而增加足外部載荷，而當足趾和鞋頭之間的接觸力值一旦突破了組織的損傷閾值，就極大可能增加足趾甲下血腫等足部損傷的風險，這也是本研究通過調整足趾在鞋頭內的受力空間從而減小前足損傷風險的理論基礎。已有研究表明，跑鞋鞋頭抬高設計顯著減小了跑者在跑步過程中的地面反作用力和晦趾沖擊程度。上述結論也被本研究中的有限元模擬結果所支持，即通過優化跑鞋鞋頭結構降低了晦趾接觸階段的內外部載荷。對于內部力學表現而言，大晦趾甲床和側甲緣，乃至甲基處的應力集中極易導致周邊軟組織破損，從而發生淤青和淤血堆積形成“黑趾甲”。相較而言，足部在實驗跑鞋鞋腔內的相對運動中，其大晦趾的接觸應力分布更為均勻，趾骨應力峰值也顯著降低。這也意味著拓展跑步蹬離時刻足趾向上和向前的受力空間更為符合前足背屈狀態下的運動規律，通過優化跑鞋鞋頭能夠在一定程度上減輕摩擦和沖擊，進而降低跑步過程中足趾甲下血腫損傷的風險。

長距離跑中的足部損傷風險與跑者著地模式之間的相關性已在先前的生物力學研究中被廣泛報道，但相關結果更大程度上是基于運動學和動力學等常規生物力學測試以及解剖學結構分析得出的，缺乏對足部，尤其是前足內部力學作用效果的深入探究。本研究通過對“足－鞋”模型的三維逆向還原與仿真，發現后足著地跑步模式下大晦趾在足趾接觸階段將會承受更大的沖擊負荷，這可能與2種著地模式下傳遞至跑者下肢的垂直沖擊力量級存在差異有關。盡管通過跑鞋鞋頭優化能夠有效疏解2種著地模式下大踇趾區域的局部應力，但對于后足著地跑者的效益顯著優于前足著地跑者。由于足部具有絞盤機制，跑步蹬地過程中足底肌發力收縮使晦趾相對腳掌呈現背屈狀態。后足著地模式在1個標準跑步支撐期內的地面接觸時間往往更長，因而足部小關節在該過程中對于吸收／緩沖同等量級的沖擊負荷更具潛力。而實驗跑鞋通過在鞋頭區域增加足部在鞋腔內的相對運動空間，進一步確保了跑鞋在矢狀面上保持與晦趾運動的相對一致性，從而在“足－鞋”適配的前提下，實現降低足趾甲下血腫損傷風險的預期效果。

鑒于仿真偏差和計算成本之間的平衡限制，本研究在“足－鞋”模型構建和研究設計上尚存一些潛在的局限性。例如：為了簡化計算模型，本研究對所有模塊賦予了各項同性的線彈性材料屬性，這可能導致與實際結果的偏差。此外，單一受試者的實驗設計可能限制目前研究結果的外部普遍性，不同的足趾形態（羅馬腳、希臘腳、埃及腳等）也可能導致甲下血腫的損傷區域差異，后續研究應進一步結合多元化的受試樣本構建肌肉驅動的動態有限元模型，從而辯證地解讀本文結論。

4結論

本研究基于跑者個體化肌骨組織特征以及不同著地模式下的逆向運動學和動力學數據，構建了“足趾－鞋頭”非完全接觸的三維有限元模型，并以此探討了跑鞋鞋頭優化設計對跑步過程中足部生物力學響應特征的影響。研究結果表明，通過調整跑鞋鞋頭比例，增大足趾受力空間能夠緩解晦趾接觸階段的內外部載荷，可能有效降低跑步過程中足趾甲下血腫損傷風險，且對于后足著地跑者的效益優于前足著地跑者。本文從運動裝備改良的視角為馬拉松運動員預防足趾損傷提供了新的思路，建議后續研究進一步細化鞋頭參數優化的劑量效應，從而在跑者足部損傷最小化與運動表現最優化之間尋求平衡點。

作者貢獻聲明：

顧耀東：提出論文選題，指導研究，修改論文。

岑炫震：實驗設計，撰寫論文。

宋楊：模型構建，修改論文。

俞佩敏：數據采集，修改論文。

李峰平：模型構建，數據處理。

高順翔：數據采集，模型驗證。

鄭志藝：進行實驗設計。

孫冬：選題策劃，指導研究。