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鞋底厚度对下肢生物力学参数的作用探究

时间:2019-04-12 19:00  点击: 次  来源:网络  作者:编辑  评论:- 小 + 大

  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]。

鞋底厚度对下肢生物力学参数的作用探究

  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

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。

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关键词:鞋底厚度 生物力学 运动学 

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