摘 要： 目的 比较穿不同鞋底厚度运动鞋对人体行走、跑和跳跃过程中, 人体下肢相关生物力学参数的影响。选取健康男性大学生12名作为受试对象。方法 使用VICON红外运动捕捉系统采集人体运动学参数; Noraxon表面肌电信号采集系统采集躯干及下肢表面肌电信号; AMTI三维测力台采集人体地面反作用力参数。测试用鞋使用EVA材料对鞋底厚度进行调整, 分为普通厚度、增厚1 cm、2 cm和3 cm共4种厚度。结果 (1) 跑步测试结果表明, 鞋底厚度增加2 cm和3 cm时, 股直肌激活程度测试后比测试前分别增加124. 6%和146. 2%; (2) 与其他厚度相比, 鞋底厚度增加1 cm时, 测试前后的下肢肌肉共收缩指数 (Co-contraction Index) 显着降低; (3) 鞋底厚度增加23 cm时, 人体步行支撑脚离地时刻膝关节角度将显着增加; (4) 在步行着地时刻, 踝关节背屈力矩显着增加 (P=0. 049) 。结论 (1) 考虑到下肢肌肉协调和降低能耗因素, 鞋底厚度以1 cm左右为宜, 过厚或过薄, 都会对下肢肌肉协调性产生不利影响; (2) 鞋底厚度增加会使行走过程中足蹬离地面时的踝关节角度增大, 降低足部趾屈动作的效率; (3) 鞋底厚度的增加会增大跳跃过程中足部额状面方向的分力, 从而增加踝关节内、外侧副韧带损伤的风险。
关键词： 鞋底厚度; 生物力学; 运动学;
Abstract： Objective The purpose of this study is to compare the influence of different sole thickness on the biomechanical performance of lower extremity when walking, running and jumping. Method 12 male college students participated in the test. A VICON motion capture system was used to obtain the kinematic data. A Noraxon wireless EMG system was used to obtain the s EMG data. The AMTI platforms were used to obtain the ground reaction force. There are 4 sole thicknesses within the range of normal sole to 3 cm made by EVA. Results ( 1) Under the condition of 2 cm and 3 cm, the EMG of rectus femoris increased by 124. 6% and 146. 2% before and after running test. ( 2) The co-contraction index of lower extremity significantly reduced under the 1 cm sole thickness compared to the other sole thickness. ( 3) When walking with 2 cm and 3 cm, the knee angle of supporting leg in the take off instance increased significantly. ( 4) The dorsiflexion moment of ankle increased significantly when the foot touch down in walking. Conclusion ( 1) The sole thickness of 1 cm is suitable for muscle co-contraction reducing energy consumption. Neither too thick nor too thin is favorable for muscle co-contraction. ( 2) The angle of ankle joint will increase accompany with the increasing of sole thickness at the time of push off when walking. This will reduce the flexor movement efficiency of ankle joint. ( 3) The increasing of sole thickness will increase the frontal plane force of ankle joint when jumping, thereby increase the risk of ankle joint lateral and collateral ligament injury.
Keyword： sole thickness; biomechanics; kinematic;
运动鞋是人类从事体育锻炼和竞技比赛的必须装备, 适合的运动鞋不仅可以对人体起到缓冲和保护作用, 还可以达到改善动作效果和提高运动成绩的目的。有研究表明, 老年人在不穿鞋的情况下发生跌倒的几率比穿鞋时高出171%[1]。另有研究表明, 鞋底厚度增加8 mm, 可以使前脚掌峰值压力降低26.9%, 足跟峰值压力降低19.5%, 从而增加穿着舒适性[2]。另外, 在慢跑时, 穿着能量回归运动鞋与穿着普通鞋相比, 人体最大摄氧量可减少4%[3]。穿鞋底带有气垫结构的运动鞋与普通运动鞋相比, 可节省能耗2.4%[4]。由此可见, 适合的鞋子不仅可以增加舒适感, 还能够提高运动的经济性。
现代运动鞋鞋底的主要材料是乙烯-醋酸乙烯共聚物 (简称EVA) 。用EVA材料制成的粘弹性鞋底的形变可以有效地衰减机械应力波。Nigg等研究发现, 当EVA材质的运动鞋鞋底厚度每减小50%, 人体足部承受的压力将增加19%[5]。然而, 这并不意味着鞋底越厚, 对人体运动越有利。Ramanathan等研究发现, 鞋底过厚会增加人体下肢腓骨长肌的负荷, 还有可能增加踝关节外侧韧带损伤的风险[6]。还有些研究表明, 赤脚跑步比穿着慢跑鞋的能量消耗更低[7,8]。
由此可见, 鞋底厚度增加或减小, 都有可能对人体运动效果带来影响。同样, 选择适宜鞋底厚度的运动鞋, 也是提高穿着舒适性与运动效率的重要途径。目前, 已有学者将鞋底的材料、硬度、形状、重量以及鞋跟的高度等作为变量, 来探讨其在运动过程中对人体下肢结构和功能的影响, 但单独将鞋底厚度作为变量因素来考察其对下肢生物力学参数影响的研究却鲜有报道。鉴于此, 将4种不同的鞋底厚度作为变量因素水平进行比较研究, 探讨: (1) 鞋底厚度变化对人体下肢肌肉表面肌电信号的影响; (2) 对人体跳跃过程中下肢动力学参数的影响; (3) 对人体步行过程中相关动力学参数的影响。
1 研究方法
1.1 受试者
研究共选取12名男性大学生作为受试者, 年龄 (20.9±0.7) 岁, 身高 (172.0±2.1) cm, 体重 (63.0±3.4) kg。所有受试者均无下肢损伤和残疾或手术史, 无心血管疾病, 并且在测试前了解测试内容和要求, 能够按照测试者的指令完成测试。
1.2 测试用鞋
图1是为此次研究特制的4种不同厚度运动鞋, 分别为无增高 (0 cm) 和增高1 cm、2 cm、3 cm。其中, 鞋中底采用目前较为常用的乙烯-醋酸乙烯共聚物 (EVA) 制成的橡塑发泡材料, 鞋外底采用热塑橡胶 (TPR) 材料 (俗称牛筋底) , 并采用PU共聚合物制鞋胶进行粘合。
图1 测试用鞋Fig.1 The shoes for testing
1.3 实验部分
研究的实验部分由鞋底弹性模量测试、跑步测试、跳跃测试以及步行测试3部分组成。
1.3.1 鞋底材料性能测试
鞋底试样使用美国产Instron-5544型万能材料力学性能实验机进行测试。其中, 弹性模量测试以载荷为200 N、速度为5 mm/min施加预载荷, 循环5次后实施最大加载, 最大加载载荷为2 000 N。最大位移量为9.5~22.5 mm。应力松弛测量最大加压载荷为1 400 N, 加载速率为30 mm/min, 保持时间为130 s, 位移量为7.5~22.5 mm。
1.3.2 跑步测试
跑步测试主要考察鞋底厚度对下肢肌肉表面肌电信号的影响。所有的跑步测试均在跑台 (德国Zebirs公司生产, 型号为FMD-TLR) 上完成。跑步的时长以及跑速的设定参照Losleben等人提出的方案[9], 即在跑台上以12 km/h的跑速连续奔跑8min。所有受试者均以右侧肢体作为被测肢体。测试肌肉分别为股直肌、股二头肌、胫骨前肌和腓肠肌外侧。表面肌电信号使用美国产Noraxon 16导无线表面肌电信号遥测系统进行采集, 采样频率为1 000Hz。测试前, 首先用剃须刀将被测肌肉表面进行汗毛清理, 并用医用酒精进行擦拭后, 将双极电极片以及肌电信号发射器黏贴于被测肌肉肌腹表面, 电极间距为20 mm。受试者运动视频采用2台Basler高速摄像机 (Basler pi A640-210gc) 进行同步采集, 拍摄频率为100 Hz。高速摄像机与表面肌电采集系统采用英国Oxford Metrics Limited生产的Giganet Ethernet数据采集器进行同步。在正式测试之前, 还对被测肌肉进行最大随意收缩 (Max Voluntary Contraction, MVC) 时的肌电信号采集。MVC的采集参考Burden等人的方法[10], 要求受试者分别采取坐位和俯卧位等姿势对所测肌肉进行最大随意收缩, 采集时间为10 s, 取其中3 s的EMG均值作为MVC基准值。采用美国Noraxon公司MR3.6系统软件对原始肌电信号进行带通滤波, 滤波频率为20~500 Hz, 并对滤波后的数据进行整流。后续计算在MATLAB R2014软件中完成。
1.3.3 跳跃测试
跳跃能力测试分为立定跳远 (Standing Long Jump, SLJ) 测试与下蹲跳 (Counter Movement Jump, CMJ) 测试2项。SLJ测试要求受试者从直立状态开始, 在进行一次摆臂之后, 全力向上跳。CMJ测试要求受试者双手叉腰, 从直立状态开始, 下蹲至膝关节90°左右后迅速全力垂直起跳。取受试者成绩最好一次的数据进行分析。跳跃能力测试使用英国产VICON红外动作捕捉系统 (12台高清红外摄像机, 型号为T40-S) 采集人体运动学参数, 拍摄频率为200 Hz。使用美国产AMTI-BP400600测力台采集人体地面反作用力 (Ground Reaction Force, GRF) 参数以及压力中心 (Center of Pressure, COP) 位移坐标, 采样频率为1 000 Hz。红外摄像机与测力台信号采用英国Oxford Metrics Limited生产的Giganet Ethernet数据采集器进行同步处理。
1.3.4 步行测试
受试者在间距为5 m的两条标志线间, 分别穿着不同厚度鞋以其的正常步速匀速行走3次。通过自主研发的光感触控计时系统 (见图2) 对受试者步行速度进行计时, 并计算相应的步速。取最接近平均速度的一次测试数据进行研究。运动学与地面反作用力参数的测量方法与跳跃能力测试相同。
图2 自制光感触控计时系统Fig.2 The lighting control timing system
1.4 下肢刚体模型的建立及逆动力学计算
采用Cappozzo等人的标志点黏贴方案[11]建立下肢刚体模型, 包括骨盆段、大、小腿段和足段。其中, 用于定义环节段的标志点为26个, 分别为左、右侧髂前、后上棘, 股骨大转子, 股骨内、外侧髁, 胫骨粗隆, 内、外踝, 足跟点, 趾骨间关节点, 跗跖关节点, 第五足趾近节趾骨头, 第五跖骨头;另有16个标志点用于跟踪大腿段与小腿段的空间位置。利用跳跃和步行测试环节得到的标志点原始坐标, 计算得到髋、膝和踝关节点的位置坐标。
逆动力学计算采用Winter等人提出的环节互动动力学方法[12], 利用测力台得到的地面反作用力参数, 计算下肢各关节内力、关节力矩。惯性参数的计算选取Dempster人体惯性参数模型进行。运动学和动力学参数采用低通数字滤波法进行滤波和平滑处理, 截断频率分别为10 Hz和30 Hz[13]。运动学参数以及逆动力学计算均在Visual 3D软件中完成。
1.5 动作时相的划分与界定
分别将受试者在跑台进行跑步运动的第1 min与最后1 min定义为跑步测试的开始阶段和结束阶段。跳跃能力的蹬伸阶段定义为起跳前人体重心最低点时刻至双脚离地时刻, 缓冲阶段定义为受试者落地时脚着地时刻至重心最低点时刻。步态周期的划分参照宋雅伟等人提出的方法[14], 将一个完整的步态周期划分为足跟着地、全脚掌着地、足跟离地、足尖离地、加速摆动、摆动中期和摆动末期7个阶段。
1.6 统计学分析
所有统计学计算均采用单因素方差分析法 (ANOVA) 进行。显着性水平定义为α=0.05。分析软件采用SPSS 19.0统计软件。
2 研究结果
2.1 材料力学性能测试结果
图3a是不同厚度鞋底的载荷-时间变化曲线, 经5次循环载荷后, 载荷-时间曲线基本趋于稳定。随着鞋底厚度的增加, 鞋底的整体粘滞性增大, 最大载荷的时间历程也不断延长, 弹性模量则呈递减趋势 (见表1) 。根据计算得到的弹性模量大小, 4种厚度的鞋底中厚度2的刚度较大, 不易变形, 脆性较高。
图3 弹性模量及应力松弛测试结果Fig.3 Test results of elastic modulus and stress relaxation
图3b是不同厚度鞋底的应力松弛曲线。从图中看出, 在相同载荷加载下, 鞋底厚度2的应力衰减最快, 其余依次为厚度3、厚度4和厚度1。
表1 不同鞋底厚度对应弹性模量MPa Tab.1 Elastic modulus of different shoe thickness
2.2 穿着不同鞋底厚度鞋慢跑时躯干及下肢主要肌肉积分肌电变化情况
为使不同受试者之间的EMG参数具有可比性, 首先对原始EMG参数进行标准化处理, 其具体过程是以1个步幅, 即右足跟着地时刻开始到右足跟再次着地时刻为止, 将测试开始1 min和最后1 min内的EMG信号各截取1个复步长度的数据作为1个步幅的EMG信号, 并计算和比较运动开始阶段和结束阶段, 1个步幅内的EMG参数, 观察不同鞋底厚度对其变化的影响。
表2为测试前后的表面肌电信号情况。在测试开始阶段, 有多块肌肉在0 cm时的肌肉激活度显着高于其他厚度, 如股直肌 (P=0.005) 和胫骨前肌 (P=0.017) 。另外, 在0 cm时, 股二头肌显着高于1cm (P=0.018) 和3 cm (P=0.036) 。而在其他厚度上, 无显着性差异。
在测试结束阶段, 则表现出1 cm时的肌肉激活度较低, 如股二头肌 (P=0.01) 和腓肠肌 (P=0.018) 的肌肉激活度与其他厚度相比明显偏低。
测试前后比较结果, 除个别肌肉外, 测试后的肌肉激活程度均高于测试前。其中, 穿着鞋底厚度为2 cm和3 cm鞋时, 股直肌的增加率达到了146.2%。
表2 躯干及下肢主要肌肉表面肌电信号情况统计表Tab.2 Statistics on surface electromyography of trunk and lower extremities
2.3 共同收缩指数 (Co-contraction Index, CI) 比较
为了更加深入地了解鞋底厚度对人体下肢肌肉活动的影响, 选择用共同收缩指数评估鞋底厚度对人体下肢肌肉活动影响的指标。CI是评价人体肌肉活动协调性的重要指标, 从现有的文献资料来看, CI有多种计算方法[15], 鉴于跑步属于周期性运动, 因而选择Falconer等人提出的算法[16]进行计算。根据Falconer等人的定义, CI为固定时间段内双倍拮抗肌积分肌电值 (Iant) 与相同时间段内主动肌和拮抗肌总积分肌电值之比 (公式1) 。CI值越高, 说明在做特定动作时, 人体肌肉活动的协调性越低, 即总肌肉效率越低。
图4是穿着不同鞋底厚度鞋跑步测试前后下肢肌肉CI情况。单因素方差分析结果表明, 不论在测试开始或结束阶段, 鞋底厚度为1 cm时的下肢肌肉CI值最低, 分别为0.55±0.14和0.53±0.13, 均小于其他厚度, 且差异显着 (P=0.04和P=0.013) 。0 cm、2 cm和3 cm之间无显着性差异。另外, 除0cm之外, 其他3个厚度上, 测试开始阶段CI均高于结束阶段, 但无显着性差异。
图4 不同鞋底厚度下CI统计图Fig.4 The CI in different sole thickness
2.4 不同鞋底厚度对跳跃能力的影响
表3 不同鞋底厚度下跳跃成绩统计表Tab.3 Jumping results under different sole thickness l/m
表3是穿着不同鞋底厚度鞋进行2种跳跃的成绩统计情况。从结果来看, 不论SLJ或CMJ, 跳跃成绩呈现出随着鞋底厚度增加而降低的趋势, 但差异不显着。统计学分析结果表明, 除0 cm和3 cm鞋底厚度进行SLJ时 (P=0.037<0.05) 具有显着性差异外, 其他结果并没有显着性差异。
表4 不同鞋底厚度和跳跃类型起跳蹬伸阶段地面反作用力最大力值Tab.4 Maximum force of ground reaction force during take-off and extension stage with different shoe thickness and jumping type
表4是起跳蹬伸阶段地面反作用力情况。进行SLJ动作时, X轴方向地面反作用力随鞋底厚度增加而增加, Y轴方向则相反, Z轴方向无明显趋势。而在进行CMJ动作时, 地面反作用力未表现出明显趋势和差异。
图5 SLJ和CMJ的COP极差值Fig.5 The extreme difference of COP in SLJ and CMJ
COP极差值是指人体地面反作用力的压力中心点在X轴或Y轴方向上的最大值与最小值之差, 它是反映人体在行走和起跳用力阶段平衡性和稳定性的重要指标。某动作过程中的COP振幅越大, 则说明此方向上的力越不集中。图5是此次对SLJ和CMJ动作过程中COP极差值在X轴 (额状面) 方向的测试结果。通过测试, 在SLJ蹬伸阶段, 0 cm时COP值最大 (85.42±5.79) mm, 3 cm时最小 (59.87±2.57) mm。COP极差值随着鞋底厚度的增加而减小, 而对于CMJ则表现出相反的趋势, 在0cm时COP极差值最小 (80.49±7.79) mm, 3 cm时最大 (110.02±3.44) mm, COP极差值随着鞋底厚度的增加而加大。
2.5 鞋底厚度对步行的影响
从GRF峰值情况来看 (见表5) , 在缓冲期, 随鞋底厚度的增加, 地面反作用力无明显变化趋势, 2cm时的GRF最小 (718.1±146.8) N, 1 cm时最大 (743.4±116.7) N;而在蹬伸阶段, 则表现出GRF峰值随鞋底厚度增加而减小的趋势。
表5 步行阶段地面反作用力峰值情况统计Tab.5 Statistics of peak ground reaction force during walking stage
图6是步行测试阶段, 地面反作用力和下肢关节角度变化情况。从不同阶段关节角度最大值结果来看, 在着地时刻, 髋关节角和踝关节角随鞋底厚度的增加而减小, 膝关节无明显趋势;在离地时刻, 髋关节角随鞋底厚度的增加而减小, 其他关节无明显变化趋势。
表6 不同鞋底厚度在不同运动阶段关节角度情况统计Tab.6 Statistics of joint angles of different shoe thickness at different sports stages
注:*表示两两比较结果呈显着性差异。
图6 不同鞋底厚度下的地面反作用力和下肢关节运动学参数Fig.6 GRF and joint angle of lower extremity in different sole thickness
2.6 鞋底厚度对关节力矩的影响
图7 不同鞋底厚度情况下步行的踝膝关节力矩Fig.7 Joint moment of ankle and knee in walking under different sole thickness condition
图7是步行阶段, 不同鞋底厚度对下肢踝、膝关节力矩的影响情况。在支撑前期, 膝关节内翻力矩最大 (0.65±0.11) Nm/kg, 内旋力矩最小 (0.01±0.02) Nm/kg;而踝关节则是在趾屈方向力矩最大 (0.14±0.06) Nm/kg, 内旋方向力矩最小 (0.01±0.01) Nm/kg。在支撑后期, 膝关节屈曲力矩最大 (0.28±0.06) Nm/kg, 内旋力矩最小 (0.17±0.02) Nm/kg;踝关节趾屈力矩最大 (1.49±0.07) Nm/kg, 内翻力矩最小 (0.11±0.02) Nm/kg。另外, 在着地阶段, 膝关节力矩普遍大于踝关节。在蹬离地面阶段, 踝关节力矩大于膝关节。
3 分析与讨论
3.1 表面肌电信号特征分析
鞋的因素对人体下肢肌肉活动会产生一定的影响。关于利用表面肌电信号研究鞋对人体下肢肌肉活动影响的研究, 可以追溯到20世纪90年代。Lee等首先研究了改变鞋跟高度对腓肠肌和胫骨前肌EMG信号的影响[17]。结果表明, 随着鞋跟高度的增加, 腓肠肌EMG活动有明显的下降, 而胫骨前肌EMG活动增加。随后, 大量的报道集中在高跟鞋对女性下肢肌肉活动的影响方面[18,19,20,21,22]。
从此次研究的结果来看, 鞋底厚度的变化对人体下肢肌肉活动的影响是明显的, 其趋势呈“U”型分布, 主要表现为多数肌肉的激活程度在1 cm时偏低, 0 cm和2~3 cm厚度偏高。
不论在测试开始阶段或结束阶段, 0 cm厚度时的胫骨前肌激活程度均显着高于其他厚度, 说明在慢跑过程中, 鞋底厚度较薄时会明显增加胫骨前肌的负荷, 可能的原因是鞋底厚度减少会引起足底屈曲力矩增加。Scott等研究了着地阶段光脚和穿着运动鞋行走时人体胫骨前肌表面肌电信号的差异[23], 结果表明, 光脚行走时的肌肉激活程度与穿着软底鞋和稳定性跑鞋比较, 分别高出21%和24%。结合研究的结果可以推断, 造成胫骨前肌的负荷增加的原因, 极有可能是由于在慢跑的蹬伸过程中, 鞋底厚度变薄导致足底屈曲力矩增大的结果。另外, 从图9和图10显示的结果也可以看出, 在蹬伸阶段, 在0 cm厚度时由于踝关节角度偏低而导致关节力矩大于其他厚度。
另外, 研究结果还反映出, 鞋底厚度增加会加大腹直肌和多裂肌的负荷。这可能与鞋底厚度的增加会降低脊柱和骨盆的稳定性有关。有研究结果证明, 步行速度的增加[24]以及鞋跟高度的增加[25]都会导致躯干运动幅度和运动速度的增加, 继而增加了控制脊柱与骨盆稳定性肌肉的激活程度。
3.2 CI指数分析
CI是反映人体进行特定运动时, 关节主动肌与拮抗肌相互协调配合程度的重要指标, 其数值越高, 说明拮抗肌参与活动的程度越大。此次研究的结果表明, 在鞋底厚度为1 cm时, 人体下肢肌肉的CI显着低于其他厚度。同时, 鞋底材料性能测试的结果显示在鞋底厚度增加1 cm时, 其弹性模量最高。因此, 可以推断下肢肌肉CI值的变化很可能与鞋底弹性模量的变化相关。另外, 随着鞋底厚度的增加, 足部在跖骨头关节处的活动度会相应减小, 其效果与增加鞋底硬度类似。Burstein等的研究发现, 虽然鞋底硬度对人体步行时下肢运动学参数没有显着性影响, 但鞋底硬度的增加会改变足底跖屈肌力臂长度, 使下肢肌肉调整其用力模式以维持足部运动学参数的稳定, 其结果可能诱发肌肉疲劳和跟腱炎[26]。而2 cm、3 cm时的CI值增加, 其可能的原因有2种:第一种是鞋底厚度的增加可能导致足部本体感觉减弱的结果。Klinke等研究了不同运动鞋对人体下肢肌肉表面肌电信号的影响后发现, 下肢伸肌肌电信号的增强与足部本体感觉的减弱存在相关关系[27]。鞋底厚度的增加, 在一定程度上会造成人体对地面反作用力反馈效果的减弱, 从而导致足部本体感觉减弱。另一种可能性则与鞋的重量有关。Kim等的研究则表明, 股内侧肌的肌电信号活动强度会随着鞋重量的增加而增强[28]。因此, 不论从力学角度或从肌肉激活特征上分析, 鞋底厚度过薄或者过厚, 对人体下肢肌肉的协调性都会产生不利影响。
另外, 通过对CI的研究还发现, 除0 cm厚度外, 其他厚度在慢跑后均出现了CI值下降的情况。根据Hautier等的研究结果[29], CI值在疲劳时下降, 可能的原因是由于主动肌肌力的流失导致。从课题研究的结果来看, 0 cm厚度时踝、膝关节内/外旋力矩均高于其他组别 (见图7) , 其原因与足内旋动作有关。在支撑脚着地过程中, 随着人体重心前移, 足跟内倾, 在离地时产生一个自然向上翻转的动作, 随即产生足内旋动作, 此内旋力矩由踝关节逐步过渡到膝关节。适宜厚度的鞋底, 可以在一定程度上缓解由足内旋动作给膝关节带来的负荷, 但若鞋底过薄, 其缓解作用将降低。鉴于此, CI的增加有可能与支撑腿蹬伸阶段的内/外旋力矩的增加相关。而Potvin等的研究结果与课题研究相反[30]。造成此结果的原因可能与CI计算过程中对相关参数的定义不同有关。另外, Silva等通过对股内、外侧肌进行研究后发现, 肌肉疲劳前后, CI并无显着性变化[31]。
3.3 鞋底厚度变化对人体下肢运动学参数的影响分析
COP轨迹情况是反映人体运动姿态稳定性的重要参考指标。课题研究发现, 鞋底厚度的增加有助于人体SLJ蹬地阶段对身体稳定性的控制, 这似乎与先前的研究假设产生矛盾。有可能的原因是, 人体通过积极的摆臂动作, 来对身体姿态进行调控的结果。而在CMJ测试中, 由于受试者上肢相对位置固定, 则无法完成这种调控, 因而产生与SLJ相反的结果。
在整个步态周期, 随着鞋底厚度的增加, 髋关节角度有减小的趋势, 但差异并不显着。在足跟着地阶段, 踝关节角有随鞋底厚度增加而减小的趋势, 而在蹬离地面阶段则表现出相反的趋势。Tsai等曾进行过研究, 发现随着鞋底硬度的增加, 在脚着地时刻, 人体质心的速度及加速度将随之减小, 步幅长度缩短, 踝关节背屈角度减小[32]。若考虑到鞋底能量回归的问题, 不难发现, 随着鞋底厚度的增加, 有助于吸收较多的地面反作用力对人体下肢关节带来的冲击, 但同时也会削弱足部蹬离地面过程中对地面反作用力的利用率。研究中, 鞋底厚度的增加导致足部绕跖趾关节进行跖屈“扒地”动作的行程增加, 继而使得离地时踝关节角度加大, 降低了动作效果。随着鞋底厚度的增加, 膝关节角度并没有表现出明显的变化趋势。
3.4 鞋底厚度变化对人体下肢动力学参数的影响分析
从SLJ的成绩来看, 虽然跳跃成绩随鞋底厚度的增加而减小, 但不同鞋底厚度之间的成绩并没有表现出显着差异。Tsai等的研究结果表明, 穿着硬底鞋时, 地面摩擦力峰值明显减小[32]。从GRF的测试结果来看, 鞋底厚度的增加会影响到受试者起跳离地瞬间的用力方向, 即左右方向力的分量增加, 前后方向力的分量减小, 从而影响到向前用力的效果。而这一效果从先前对COP极差值的实验结果中也能得到证明。
Ramanathan等通过对人体穿着不同鞋底厚度鞋在坡面站立的情况进行分析后发现, 鞋底厚度的增加会导致地面反作用力相对于踝关节的力臂增加, 继而提高腓骨长肌的肌肉活动水平, 并造成踝关节的不稳定和增加踝关节外侧韧带损伤风险[6]。而从课题研究的结果来看, 不论地面是否有倾斜度, 随着鞋底厚度的增加, 人体踝关节在左右方向的受力都会增加。对CMJ的测试结果说明, 虽然跳跃高度随鞋底厚度的增加而减小, 但无显着性差异。如果考虑到鞋自身重量的因素, 可以认为鞋底厚度对人体跳跃的高度并没有影响。从GRF的测试结果来看, 进行CMJ跳跃时, Z轴方向的分力无显着性差异。
4 结论
(1) 鞋底厚度为1 cm时, 鞋底弹性模量值最大, 下肢肌肉CI指数最低, 肌肉用力协调性较好, 考虑到下肢肌肉协调和降低能耗因素, 鞋底过厚或过薄, 都会对下肢肌肉协调性产生不利影响。
(2) 鞋底厚度增加会使行走过程中足蹬离地面时的踝关节角度增大, 降低了足部趾屈动作的效率。
(3) 鞋底厚度的增加会增大跳跃过程中足部额状面方向的分力, 从而增加踝关节内、外侧副韧带损伤的风险。
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