肥胖女性穿着不同高度鞋自然行走时运动生物力学研究

马国东

(吉林体育学院，吉林 长春 130022)

肥胖女性穿着不同高度鞋自然行走时运动生物力学研究

马国东

(吉林体育学院，吉林 长春 130022)

研究采用比利时生产的足底压力分布测试系统(Footscan insole system)对女性自然行走时进行测试，从足底压力中心轨迹、足底峰值压强、足底冲量几个方面探讨肥胖女性穿着不同高度鞋自然行走时的足底压力动态分布特征。研究发现足底压力中心轨迹随着鞋跟高度的增高足底压力中心逐渐向前移动，并且在前后方向的位移逐渐减小，跖骨区域主要承担着身体的重量；足底峰值压力及平均压强结果显示，两组女性穿着高跟鞋行走时，前脚掌的M3和M2区呈现出显著性差异(P<0.05)；足底冲量结果表明，在M3区域内冲量值变化较为明显，前脚掌区域内足底稳定性较差。

肥胖女性；不同鞋跟高度；自然行走；足底压力分布

1 前言

随着社会的发展，人类原有的生活方式、饮食习惯发生着巨大变化，人们在饮食中摄入过高的热量，并且缺乏适当的运动，使肥胖成为当今社会一个重要的健康问题[1-2]。肥胖问题在人们心中的关注程度不断提高，国内外运动生物力学专家针对肥胖人群的步态研究也逐步深入。步行是人类最基本、最简单的运动形式之一，人体步行过程中的双足起着至关重要的作用。从生物力学角度而言，步行是骨骼肌肉系统和地面反作用力相互影响的复杂过程[3-6]。研究人员对正常人群足底压力的研究已开展多年，但对于足底压力特征的描述，不同学者测试结果及研究观点也有所不同。以往有关肥胖人群的步态研究多半是围绕肥胖儿童、青少年等群体展开的，对女性穿鞋的舒适性和风险性研究，尤其是针对肥胖女性穿着高跟鞋的足底压力分布研究还相对较少。本文通过对不同BMI指数的青年女性穿着高、中、低三种高度鞋行走时进行测试，揭示其足底压力分布特征，以引起人们对肥胖女性足底健康的关注，同时为设计出更加符合人体力学规律的高跟鞋提供数据参考，尤其是适合肥胖人的高跟鞋和鞋楦，为肥胖女性的健康穿鞋提供数据参考。

2 研究对象与方法

2.1研究对象

本研究选取22位健康青年女性为受试对象，按BMI将实验对象分成两组，其中超重组11人，标准组11人。所有受试者均足部健康，无损伤史，行走时无异常步态，受试青年女性均有1年以上的穿着高跟鞋的经历。BMI的分类标准严格按中国肥胖工作组制定的标准进行：24≤BMI<28为超重、18.5≤BMI<24为标准，实验对象基本情况见下表。

注:﹡与标准组比较p<0.05，﹡﹡与标准组比较p<0.01

2.2实验设备

实验采用比利时生产的足底压力分布测试系统(Footscan insole system)，每只鞋垫装有325个传感器，每平方厘米4个传感器，采样频率500Hz；该系统可以反映运动状态下的足底压力分布情况。实验用的压力鞋垫，在实验之前进行校准。

2.3研究方法

对受试者进行体重、身高的测量并计算出BMI指数，询问受试者足部有无损伤史等一些基本情况。在实验前要求每位受试者穿三种鞋以自然速度向前行走几次，然后填写个人信息。实验对象穿着运动或休闲装，均裸足穿着三种高度的鞋进行足底压力分布测试。参与实验人员对足底压力测试鞋垫进行连接和调试，并设定采样频率为500Hz。选择适合实验对象尺码的鞋子及鞋垫，并确保测试鞋垫中部及边缘无任何折痕，然后为实验对象配戴实验设备。在实验人员的指导下，实验开始后每位受试者穿着高跟(7cm)、中跟(5cm)及平跟 - 平底鞋沿身体正前方自然行走。每种高度的鞋进行三次动态足底压力分布测试，实验鞋见图1。根据鞋垫自动分区，通过各区域内传感器的压强变化，反映足底压强分布特征。

图1 实验所用的三种高度鞋

3 实验结果与分析

3.1足底压力分布中心轨迹

足底压力中心是足底压力合力的作用点，反映了足底压力的总体分布[7]。足底压力中心轨迹是人体在整个行走过程中，足底受力的中心支撑点，评价足底压力中心轨迹的行进方式对研究足底压力分布具有十分重要意义。

图2 高跟 图3 中跟 图4 平跟

如图2-4所示，两组实验对象穿着三种高度鞋行走时，随着鞋跟高度的增加足底压力中心逐渐向前移动，在前后方向位移渐小，提示跖骨区主要承担身体重量。压力中心轨迹梯形移动的梯形面积减少表明：随着鞋跟高度的增加足底稳定性逐渐降低。穿着三种鞋行走时，足底压力中心轨迹变化明显，穿着高跟鞋时足踝部的跖屈较大，在足跟着地时更多的压力都直接作用在足跟和前脚掌跖骨处，人体踝关节内旋缓冲地面冲击力的方式被抑制，如果长时间保持这种状态会给足部健康带来威胁。

3.2足底压强峰值

足底压强峰值是压力鞋垫在一个区域面积内在整个步行动作中测得的一个最大压强值，它所反映的是足底各区在步行中压强所达到的最大水平。

图5 足底压强分区图

3.2.1 超重组足底峰值压强特征分析

表2数据显示，超重组女性穿高跟鞋行走时，足底几个区域内除M4和M5区的压强无较大差异外，其余各个区域内峰值压强均随着鞋跟高度变化呈现出相应的变化。其中，前脚掌的M3和M2区呈现出显著性差异(P<0.05)。在足后跟区，随着鞋跟高度的降低，足后跟H1和H2区域内的压强逐渐增高。以上数据表明，随着鞋跟高度的增加，前脚掌趾区第1、2、3跖趾关节处及大脚趾的压强变化显著。这种显著性变化被认为是由穿着高跟鞋引起的拇外翻、足底筋膜炎和足弓塌陷等疾病的主要原因。Mary[8]曾指出如在足部某一部位承受过大压力时，即易产生过度使用伤。因此，目前许多鞋厂通过改变鞋楦底部的足弓处的弧度来增加鞋对足弓的支撑，以此来缓解前脚掌压力过大对人体造成的足部损伤，且符合足底解剖结构的鞋对平均压力分布有显著的影响。

表2 超重组足底峰值压强(N/cm2)

3.2.2 标准组足底峰值压强特征分析

标准组女性穿着三种不同高度鞋跟的鞋行走时其足底各个区域内的压强有着明显的差异。其中前脚掌的M1、M2、M3、M4、T1等区域内的压强随着鞋跟高度的增加有逐渐上升的趋势。其中在M2、M3和T1区域内穿着三种高度的鞋足底压强呈现出显著性差异(P<0.05)。在足跟区域内H1和H2两区压强分布随着鞋跟高度降低而逐渐升高。

表3 标准组足底峰值压强(N/cm2)

3.3足底冲量变化特征

足底与支撑面之间的压力分布反映了下肢乃至全身的生理、结构和功能等方面的信息。

冲量是指作用于物体的外力与外力作用时间的乘积，它表示了力在一定时间内对足底各区域连续作用所产生的累积效应。所以足底各区域冲量的大小受每个区域的压力值和接触时间两个因素的影响。

表4 超重组足底各区域冲量变化特征Ns/cm2

表5 标准组足底各区域冲量变化特征Ns/cm2

从以上两组数据可以看出，两组受试者穿着不同高度鞋行走时，在足底M3区域的冲量有相对较为显著的变化。提示在前脚掌M3区域内，足底反作用力与作用时间均较大。足底各区冲量是评价足底区域损伤风险的一个重要指标，两组实验对象穿着高跟鞋行走时在后跟着地时和前脚掌蹬离地面时有一个区域的足底各区冲量变化 明显偏大，也预示着随着后跟高度增加，足的稳定性下降。这种高应力状态，使五个跖骨互相挤压，楔跖韧带因负重而逐渐松弛，拇趾向外倾斜。第一跖骨头向内倾斜，久而久之，第一跖骨头形成代偿性肥大，外侧形成滑囊炎，导致拇趾外翻病理足。计算表明，鞋跟越高，跖趾部应力愈大，足弓应力集中越明显。

4 结论

1)足底压力中心和足底压强分布结果表明，鞋跟高度的增加增大了前脚掌趾区的压强大小，且在T1、M2、M3区尤为显著。肥胖因素对于压强分布趋势并无较大影响。

2)足底各区压力分布结果显示，鞋跟高度的增加改变了足底压力的分布，高度越高前脚掌受力越大，且前脚掌中心区受力最大。肥胖因素对于压力分布趋势并无显著影响。

[1] Caterson ID,Gill TP.Obesity:epidemiology and possible prevention[J].Best Res Clin Endocronol Metab,2002,16(4):595-610.

[2] 王琳，徐冬青，李静先.肥胖儿童足形态学、下肢生物力学及姿势控制的变化[J].中国运动医学杂志，2008,27(3)：393-395.

[3] 张庆来，刘学贞，陈丰才，等.脑力、体力劳动者足底压力参数分布特征及评定[J].体育学刊，2008,15(11)100-105.

[4] Winter DA.Biomechanices and motor control of human movement(3rd Edition)[M].Waterloo Ontario,University of Waterloo Press,2004,10.

[5] 洪友廉，王琳，周继和，等.有鞋带跑鞋和松紧鞋舌跑鞋跑步主观舒适度、足底压力和后足运动参数比较[J].中国运动医学杂志，2011,30(7)：613-616.

[6] 马国东.速度轮滑双蹬技术足底压力分布及传递特征[J].体育学刊，2007,14(5)59-61.

[7] 彭晓倩，潘慧炬.拉丁舞不同舞种足底压力动态分布特征研究[J].北京体育大学学报，2011,34(1)67-69.

[8] 严励，王永慧，杨川，等.非糖尿病人群足底压力的研究[J].中山大学学报：医学科学版，2006,27(2)：198-200.

SportsBiomechanicsResearchonNormalWalkingofObeseWomenWearingDifferentHeelHeightShoes

Ma Guodong

(Jilin Spert University，Changchun 130022, Jilin)

This paper makes measurement and analysis on force distribution of foot for nature walking of girls by using the Footscan insole system(force measureing insoles),discuss the distribution characteristics of plantar pressure in natural walking of obese girls wearing different heel height shoes in foot center of pressure trajectory,foot peak pressureh and foot plantar impulse.The result shows plantar pressure center track shows that with the heel height gradually increased plantar pressure center before the move, and in the direction of displacement before and after gradually reducing the metatarsal region's main bear the weight of the body; plantar pressure peak and the average results show that two groups of women wearing high heels walking, the first foot of the M3 and M2 zones show significant differences (P<0.05); plantar impulse results show that, in the M3 money changes within the region more obvious Chong, the former foot plantar region less stable.

obese women；different heel height; normal walking; plantar pressure distribution

2013-09-20

吉林省教育厅“十一五”科学技术研究项目(2010394)。

马国东(1969-)，女，吉林吉林人，副教授，硕士生导师，研究方向：运动人体科学。

G804.6

A

1672-1365(2013)06-0072-04