生物力学视角个性化运动鞋垫的研究综述

　　摘    要：　个性化鞋垫可以提供良好的舒适度,提高运动表现并且降低运动损伤的风险,故被专业的运动员所接受。文章简要介绍了个性化鞋垫对鞋垫舒适度的影响,对一些特殊疼痛的缓解;分析了足弓支撑垫对扁平足过度外翻控制以及足底压力分布的影响;分析了楔形鞋垫对膝关节力线调整以干预膝关节慢性损伤的研究;对比了预制型鞋垫与缓震鞋垫对损伤的干预和功效;总结了主流的个性化鞋垫的制备方法,为后续研究提供参考。

　　关键词：　个性化; 鞋垫; 生物力学;

　　Abstract：　The custom-made insoles could provide optimal comfort, improving performance and lower the risk of some kind of sports injuries, so custom-made insoles are approbated by professional athletes. This review summarize the effects of custom-made insoles on subjective comfort, relieve the pain underneath, analyzing the use of arch support insoles on flatfeet populations to control foot over-pronation and redistribute concentrated plantar pressure. We also expound the effect of lateral wedge insoles for medial knee osteoarthritis and the effect of custom made insoles vs. prefabricated ones. We also conclude some new custom-made platforms for functional insoles and fast manufacturing, which may give some references for further studies.

　　Keyword：　custom-made; insole; biomechanics;

　　0、 前 言

　　观看美国职业篮球联赛(NBA)的时候,现场的某些幸运观众在赛后能收到球星赠送的比赛球鞋。但是很多球员在送鞋前都有一个小动作,那就是先抽出鞋垫。为什么作为顶级球员对一双小小的鞋垫会如此吝啬,其有何特殊功效?不仅仅是针对专业运动员,对于业余运动爱好者,鞋垫的个性化又能提供哪些帮助?一般认为,一双优质的运动鞋垫应满足以下几项基本要求:①防止足在鞋腔内的滑动;②辅助后跟承托,限制后跟着地时冠状面过度位移,提高步态稳定性;③提供一定的吸震缓震性能。对于一些特殊的运动项目以及运动人群的个性化需求,还要根据运动项目特点在此基础上增加其他性能。
 

　　研究发现,符合受试者足底压力特征和足形的鞋垫对次最大恒定速度跑步时的肌肉生理学产生了显着影响,即能够降低腓肠肌内侧头的疲劳程度[1]。受试者穿着个性化定制的鞋垫行走、上下楼梯、举重物等日常活动的足底压力峰值和足底负荷显着小于普通运动鞋垫,个性化定制鞋垫能够重新分布运动过程中的足底压力,避免过高的足底负荷在足底某一个区域的长时间累积[2]。使用动作捕捉等运动学测试手段可以量化受试者着个性化鞋垫着地过程中下肢力线变化情况,包括膝关节Q角,胫股角等参数,从运动学的角度探讨个性化足形鞋垫功能[3,4]。不同的鞋垫楔形片:如前倾脚跟楔,旋前带,跖趾骨嵌体,后跟内楔,足弓插被证实可以显着改善步态,现有研究大多关注跖趾关节中心线往近端区域(即足中和后部)[5,6]。

　　在特殊足形人群的研究中,个性化定制鞋垫在扁平足人群运动过程中,能够重新调整后跟与前足集中分布的压力[7],同时可以增加着地时踝关节的背屈角度,增加足跟内侧接触面积[8],使之趋近于正常步态[9]。同样在高足弓人群中,定制鞋垫的使用一方面可以分散运动过程中局部足底过高的压力,同时能够提高肌肉发力效率,从而延缓高足弓人群行走的疲劳进程,降低下肢承受的负荷[10],同时降低支撑期足跟内翻角度。而针对特殊人群的鞋垫使用,矫形师会建议受试者按照循序渐进原则,,穿着时间每天增加1h,直至1周后,开始全天候穿着[11,12]。对鞋垫的功效评估多选取即刻,1周,4周,6周这几个时间点进行追踪研究[6]。通过对以往国内外文献的研读与分析,对正常人群的运动鞋垫研究主要集中在验证鞋垫特殊结构的生物力学功效[13,14],而基于舒适度满足前提下,完全足形个性化鞋垫对正常人群运动功能影响的生物力学相关研究较少涉及。

　　1、 个性化定制鞋垫舒适度研究进展

　　文献显示,鞋具的舒适度提升不仅可以改善运动表现[15]也可以减少相应的运动损伤[16,17]。足矫形器被定义为鞋具插入物,其轮廓与足底表面轮廓紧密贴合,用于“辅助、抵抗、促进、稳定或改善运动范围和运动能力”[18]。鞋垫为足部矫形器的其中一种,置于鞋具中并且直接与足部接触的部位,起着重要的作用。随着运动鞋研究的日益深入及明星球员越来越多的使用,运动鞋垫也受到广泛关注。个性化鞋垫主要有以下几个优点:提供最适脚感,提升舒适度,提高运动表现,并通过个性化的减震及支撑需求降低下肢损伤风险[19]。多项研究表明,鞋具舒适度下降会导致下肢肌肉活动度和发力顺序的改变,会增加损伤风险[20,21]。人体工效学研究发现舒适度可以影响运动动作或姿势的控制[22]。从消费者调研结果显示,鞋具舒适度也是让消费者决定是否购买鞋款的关键因素[23]。鞋垫作为鞋具直接与足部接触的部位,鞋垫的舒适度很大程度上影响鞋具的舒适性能[24],提供良好的的舒适度也是鞋垫的关键性能之一[20]。

　　Y. Chenxiao[25]等对专业跑鞋鞋垫选择研究发现,在舒适性与功能性的鞋垫中间选择,跑者主观会更倾向于表面柔软的或者平面的鞋垫,即使这类鞋垫机械测试结果显示不能提供有效的减震和运动动作的控制。但是这正说明鞋垫表面层的柔软度可以直接影响到使用者的舒适度体验感。受试者穿着足形定制化鞋垫行走、上下楼梯、举重物等日常活动中足底压力峰值和足底负荷显着小于普通运动鞋垫,足形定制鞋垫能够帮助足底压力重新分布,避免过高的足底负荷在足底某一个区域的长时间累积[2]。Steven Goske[26]使用有限元建模的方式,搭配三种不同形状的(平面鞋垫,半定制以及全定制的方式),三种不同的材料厚度(6.3、9.5以及12mm)以及三种材料(缓震泡棉,两种不同软硬度EVA)进行了27种排列,模拟在步态支撑早期压力的分布情况,发现鞋垫材料的搭配对峰值压力的影响不明显,但是全定制鞋垫可以明显降低后跟足底的压力,有效缓解后跟疼痛。A.G. Lucas-Cuevas[27]等通过对40名跑者的研究发现,半定制与全定制鞋垫都可以提升舒适度且预制鞋垫的舒适度略高于定制鞋垫(不具有显着差异),但是全定制鞋垫因与每个人的脚密切匹配从而降低了舒适度。

　　而鞋垫舒适度的研究主要针对一些特殊的疼痛的缓解,如后跟疼痛,跖骨疼痛。针对后跟舒适度的提升,研究主要集中为采用后跟杯鞋垫及后跟底部复合特殊的缓震材料。S.Perhamre[28]等对比楔形鞋垫与后跟杯鞋垫对男童后跟疼痛缓解的情况,后跟杯鞋垫具有更好的表现,并且其中50%受试者在1年后的随访过程中,仍穿着后跟杯鞋垫。更早的研究观点有证明,后跟杯鞋垫对脚后跟垫的包裹限制可以提升后跟垫本身的减震能力,但是仅针对后跟垫缓震能力较弱的人如老年人或其他损伤人群[29]。Mark[30]等对后跟杯鞋垫测试发现,使用后跟杯鞋垫个体间差异较大,预示后跟杯鞋垫不是对所有人都是有益的。并且相对另一种特殊的减震平面鞋垫后跟杯鞋垫的使用并未影响垂直地面反作用力的第一峰值,而第一峰值压力通常被认为与一些陈旧性损伤有关,此研究说明减震的功能主要还是基于材料而实现,即缓震鞋垫。另外一种常被提及的缓震鞋垫,即在原有鞋垫底部复合一层柔软的高吸震材料,也被证明可以降低峰值力值[30,31]。而平面材料的鞋垫也有一个案研究证明显示可以减小峰值力值[32]以及加载率[33]。

　　部分轻度跖痛症患者会选择跖骨垫进行保守治疗。趾骨垫是否能减少跖骨头处的压力取决于的趾骨垫厚度及正确的放置位置。Kang等[34]对跖痛症患者13例(18只足)进行了研究,结果发现,跖骨垫放置于跖骨头的近端时,可重新分布患者的足底压力,将跖骨头下的压力转移到毗邻位置。降低第二跖骨头处的最大峰值压力及压力—时间积分,且与目测类比法评分具有显着相关性。Chen[34]等通过有限元分析,选取不同厚度的鞋垫,厚度值分别为2.5、5.1、7.6、10.2和12.7 mm,根据有无跖骨垫以及跖骨垫的位置分为四种情况,无跖骨垫(insole-only),远端组(P1),中间组(P2)和近端组(P3),研究结果显示,随着鞋垫厚度的增加,跖骨区域的峰值压强也随之降低,同时中足区域的接触面积也随之增大,并且跖骨垫位置的改变同样对跖骨头区域足底软组织的压缩应力产生不一样的效果,P2位置的跖骨垫主要作用在跖骨体部位,蹬地受压时跖骨垫与跖骨体处的软组织产生大致相同程度的压缩形变,因此跖骨头处软组织的压缩载荷降低,降低程度达到33.1%。而远端位置的P1跖骨垫的使用则使得跖骨头处软组织的压缩载荷增加了10.4%。

　　目前,定制鞋垫在运动损伤康复及高水平运动员中被广泛的运用,其通常具有不平整波状外形,这种外形特点也往往是根据足型特点设计,其目的是为了改良足部功能[8]。其改善下肢及足部功能的具体神经生物学还不是很清晰,从生物力学角度看,矫形鞋垫能够调节足底压力重新分布,提感觉反馈传输,调节下肢在走、跑等活动中的肌肉活动度以及运动学表现[35,36,37,38],其中以足弓鞋垫及楔形鞋垫的研究最广。

　　2、 足弓支撑鞋垫的生物力学研究进展

　　足弓支撑垫被广泛应用于扁平足人群中。扁平足是一种以足弓低平或消失、足部疼痛为特征的足部畸形,发病早期仅在负重情况下才出现足弓下陷,长时间行走和站立会出现疼痛或疲劳感,但休息后症状消失,而病程较长者可能发展为痉挛性平足或强直性平足,导致其步行困难。足弓垫一般采用仿足弓的高贴合设计或足弓处与足后跟处的整垫设计,其目的均为支撑塌陷的足弓。

　　王瑞霞等[39]在1项持续8年的研究发现,足弓垫可抬高足弓改善足部受力,矫正足部变形,代偿足弓的减震缓冲作用,缓解疼痛,足弓与足后跟处整垫设计的矫形鞋垫可通过保持距下关节中立位来提高足内侧纵弓高度。Tochigi[40]的研究发现,内侧纵弓支撑鞋垫可减轻由距跟骨间韧带和距腓前韧带损伤引起的踝关节异常内旋,增加距下关节的稳定性,改善双下肢运动功能。Kogler[41]等的研究则对比了5种足矫形器的纵弓垫对足底筋膜张力的影响,结果发现,纵弓垫可明显降低足底筋膜张力对治疗足底筋膜炎有显着疗效。Kim[42]等对比不同角度的足弓粘贴垫片,发现定制足弓支撑鞋垫能够有效改善足弓塌陷人群的过度外翻状态,在行走以及跑步过程中均发现足底压力中心线的外侧移动,在一定程度上矫正了足弓塌陷人群的过度内翻状态。Simon Fuk-Tan Tang[43]等使用通过足弓支撑可使足部位于中立位的的全接触鞋垫,可以减少扁平足人群的后跟的过度外翻,并且显着降低脚趾、外侧跖骨以及外侧足跟区域的压力。

　　Kosonen[44]等运动学研究结果显示,足弓支撑鞋垫的使用降低了过度足外翻人群在步行及跑步时的足前掌外翻程度,而后足的内外翻程度则并没有因为鞋垫的干预而改变,Wahmkow[38]等人发表研究同样佐证了足弓支撑鞋垫无法影响后跟内外翻状态的观点,这也从侧面说明足弓支撑鞋垫的使用无法改善步行或跑步时的足朝向角(Foot alignment angle)。从动力学数据的角度来看,足弓支撑鞋垫的使用仅对跑步时的动力学参数产生影响,例如跑步时,足弓支撑鞋垫组支撑期踝关节外翻力矩降低,膝关节与髋关节的内翻力矩增大,同时测力台得到的跑步时鞋底压力中心线趋向于正常人群,以上研究结果证实了足弓支撑鞋垫对过度外翻足人群的矫正及改良效果。

　　谭维义[46]等的研究建议由于足弓的位置主要靠韧带和肌肉来维持(尤其是胫前肌及腓骨长肌等外在肌)因此在早期柔软性平足的治疗中,应当配合足部的肌肉锻炼预防足部结构性改变。但是也有学者认为增加了足弓支撑的鞋垫可能会导致某些小肌肉群的惰性,而这些肌肉的强度才是预防运动的关键部位。长期使用足弓支撑鞋垫会对使用者的足本身的功能造成损害,不利于运动机能的持续提高,但是提出这种假设却没有大样本量,长时间的跟踪性流行病学调查研究来佐证这种鞋垫的功效[46]。

　　3、 楔形鞋垫的生物力学研究进展

　　针对楔形鞋垫的研究大多是对膝关节的慢性损伤干预,如膝关节骨性关节炎(knee osteoarthritis,KOA)。研究指出,楔形鞋垫可以使跟骨与胫骨对齐,通过纠正膝关节力线,缓解KOA的症状[47,48,49]。Arazpour[50]等的研究发现,外侧楔形鞋垫及减重膝矫形器均可缓解内侧KOA患者的疼痛,增加其膝关节关节活动度,但以外侧楔形鞋垫疗效更佳。Jones[51]等的研究也发现,外侧楔形鞋垫及膝外翻吊带均可明显提高步行速度,增加膝关节内收角度,但以外侧楔形鞋垫疗效更为显着,患者也更容易接受。

　　加拿大卡尔加里大学的Lewinson等人的一项为期6周的追踪性研究,随机分配3mm倾斜度的外侧楔形鞋垫以及6mm倾斜度的内侧楔形鞋垫,测量通过逆动力学分析两组受试者在实验环境下的膝关节外翻角动量,使用视觉量表模拟测试(visual analog scale)评价受试者在6周干预前和干预后鞋垫对膝关节髌骨关节疼痛综合征的缓解效果。从6周干预测试结果部分来看,两组受试者穿着内侧楔形和外侧楔形鞋垫髌骨关节疼痛的下降程度一致,均为33%左右,且无显着性差异(P=0.697)。同时逆向动力学计算结果显示,膝关节外翻角动量的改变程度在内侧楔形鞋垫组和外侧楔形鞋垫组并无显着性差异。Hinman[52]等研究分析由于外侧楔形鞋垫组膝关节冠状面相对于地面反作用力的力臂长度降低可能是膝关节内翻力矩降低,外侧楔形鞋垫的使用显着降低了膝关节的峰值内翻力矩和膝关节峰值内翻角动量。膝关节峰值内翻力矩的降低同时还伴随着足底压力中心线的外侧偏移,地面反作用力相对于膝关节冠状面的力臂长度减小,髋关节内收程度降低。但是,关于楔形鞋垫的功效,也有不少学者持有反对观点。Nigg[53,54]等发现使用楔形鞋垫并未达到实验室预期的结果,并且各受试者之间压力中心曲线的反映并不一致,存在较大的个体差异。

　　4、 个性化定制鞋垫的运动损伤生物力学研究进展

　　运动损伤降低了人体身体的活力,大众运动爱好者或者顶级运动员都有强烈运动防护的诉求。运动损伤的防护是运动装备绕不开的话题,上文关于个性化鞋垫的研究也大多基于对损伤的预防和干预为目的。从运动装备的角度入手,通过对鞋垫进行功能性、个性化方案的改良,是近年来的一个热门课题。目前,预制型鞋垫与缓震鞋垫被广泛的应用于下肢肌骨骼损伤的预防以及人体体姿的调整。现有市面上有大量的个性化定制或预制鞋垫,通常具有不平整波浪外形,这种外形特点往往是依据足形特点设计,其目的是改良足部功能[51]。所采取的理论大多为“中立位”理论,即通过鞋垫的矫正比如足弓支撑垫,楔形鞋垫等使距下关节维持在中立位,从而确保步态过程中距下关节与中跖维持在正确的位置上[55],而这种中立位又主要集中在静态的位置上。

　　大量研究证明半刚性预制鞋垫相对传统鞋垫可以显着地降低运动员在对抗性训练过程中的下肢应力性骨折,足跟、跖骨、足底筋膜以及胫骨骨前疼痛发生率[56,57,58,59]。但并未发现预制鞋垫对下肢软组织损伤及慢性下腰痛的益处[60,61]。支持的学者认为,楔形鞋垫可以通过帮助使用者建立正确合理的下肢发力方式和运动模式,降低股骨、胫骨以及跖骨的骨折发生率。Zhang[62]等运动有限元三维重建膝关节、踝关节和足部的三维有限元模型,模拟结果显示楔形鞋垫可以降低膝关节内侧符合,对与预防膝关节骨性关节炎起积极的作用。但是同样有大量文献显示,预制性鞋垫相对对照组在下肢运动的损伤发生率上并无显着差异[63,64]。Nigg等认为长期使用特殊鞋垫,造成下肢肌肉的惰性,不利于运动技能的持续提高,同时也没有长期大样本的流行病学研究来支持运动鞋的效果[63,65]。

　　相对预制型鞋垫,缓震鞋垫外形通常较为平整,主要是复合柔软性材料制成,例如聚乙烯泡沫和氯丁橡胶泡沫,设计理念是视图通过材料本身的物理性能吸收过高的冲击力以减少运动损伤的发生[3]。但是对于缓震鞋垫的综述分析结果显示,并不支持缓震鞋垫对下肢硬力性骨折,特定的足部软组织疼痛(足底筋膜组织,跟腱等),小腿三头肌疼痛,胫骨前疼痛以及膝关节疼痛发生率的改良[66,67]。现市面上销售最好的运动鞋垫大多为此类鞋垫,因为其良好的穿着舒适感,并且无需有专业经验的足部矫形师的专门配置,实现的成本低,易于流通。

　　5、 鞋垫新制备方法

　　随着三维足型扫描技术,3D快速打印技术等的日渐成熟,消费者对鞋垫的个性定制有着强烈需求。矫形器师势必会逐渐摆脱传统的慢速的石膏取模的手段,大型鞋具厂商也愿意采用更为便捷可批量的技术手段,不断完善可以实现满足每位用户足形特征和运动习惯等的运动鞋垫。首先是关于定制的流程系统。Mandolini[42]开始探究一个大数据鞋垫个性化定制网络共享平台,该平台的名称为“Smart Prescription Platform(SPP)”,即“智能鞋垫个性化处方定制平台”。该平台覆盖了鞋垫定制的整个过程,从最开始的足部问题及运动需求诊断到最终的鞋垫生产成型。该平台整合了多种足型扫描技术,鞋具虚拟试穿系统,足底压力模拟技术,三维计算机辅助设计技术(3D CAD)。依据测试结果进入到 “Prescription System(PS)”即处方系统模块,基于大数据库给出较为准确可靠的鞋垫个性化定制处方。这个系统实现了用户、鞋垫定制商、市场的整合,帮助用户快速选择最适合的鞋垫的流程,为未来定制化鞋垫的批量生产提供可能。

　　一些大型的鞋具生产厂商也开始涉及个性化定制,国外几家公司走在前列,比利时Rsscan,德国SOLS等公司,使用三维足形扫描技术和足底压力测量技术获取消费者足部数据,调配鞋垫材料不同的结构以实现不同部位不同的软硬程度,最终通过3D打印机,完成个性化运动鞋垫的制作[68]。但3D打印鞋垫主要使用材料为尼龙,材料成本较为昂贵,并且因为数控机台的成本限制,并不占据优势[69]。虽近年来,新型的石墨烯材料也被应用与鞋垫功效中[70],但是由于价格的昂贵投入使用并不常见。而Vasily,ICB等制备厂商,通过收集受试者无负重双脚与肩同宽站立状态下受试者足底压力数据和足底模型,进行大数据处理,预制标准模块化的半成型的鞋垫,通过医师诊断,使用加热枪的热熔法处理,制备出适合满足个人的某些足形要求的特制垫。此种鞋垫主要成分为热塑性EVA,成本比尼龙更为经济,但是此种鞋垫仅采用部分区域可以热塑变形,并非完全贴合足形。同时为便于后续材料修剪,半成品鞋垫更为肥厚,加上为了便于存放及运输的单独外壳,大量增加存储面积。

　　从1999年至今,矫形器师主流的鞋垫材料为60～80A硬度的聚氨酯PU及3mm～3.5mm的聚烯烃PP搭配而成[71,72]。世界知名的运动鞋垫供应商欧斯莱(Ortholite),海波丽(HI-POLY)等专注于此类运动鞋垫材料的研发,因为各品牌的大面积使用及研发投入,其成本较为低廉,性能更为稳定丰富。中国皮革和制鞋工业研究院改良做法,研发的快速鞋垫成型仪器,使用真空抽气沙袋,形成足底轮廓技术。加上传统的聚氨酯和聚烯烃加热成型工艺,可以在十几分钟完成满足消费者个人足底形状的鞋垫,简单快捷易操作。故本研究采用现今可投入量产的鞋垫材料为聚氨酯和聚烯烃材料的搭配的平面鞋垫,采用改良的真空沙袋抽空做法形成个性化脚形的鞋垫。

　　6 、总结与展望

　　基于对现有文献的分析,我们可以发现大家对个性化鞋垫关注主要集中在以下几方面:

　　6.1、 通过对材料的优化,通过个性化定制方案实现鞋垫表面形状与足部形状贴合,以及特殊后跟拖或跖骨垫结构调节足底压力的重新分布,提升运动舒适性反馈,缓解足部疼痛。

　　6.2、 从对生物力学的分析,通过楔形垫、足弓支撑垫等手段可以改善下肢的力线,帮助使用者建立正确合理的下肢发力方式和运动模式,恢复正确的运动姿势。

　　6.3、 从运动损伤角度分析,现对定制鞋垫在损伤的预防方面还存在较大的争议,支持的学者认为正确的姿势可以降低下肢损伤的风险;反对学者认为特殊支持的结构会降低机能本身的功效,导致新的损伤。

　　6.4 、随着运动装备专业领域细分,以及研发投入的增加,关于运动定制的方案会越来越丰富,快捷的个性化定制方案必将成为一个热门项目。

　　随着各个品牌的大力投入,对个性化鞋垫的研究会更加深入,但现有所有文献研究的鞋垫都是基于“中立位”的观点所获取的,针对市场所覆盖广大的运动人群他们的需求会不会有所不同?现并未有文献研究关于正常人群自然站立位下所形成的个性化鞋垫的舒适度以及下肢生物力学的影响的研究。

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