足弓支撑功能鞋垫对竞走运动员足底压力分布的影响

王康康，王一乐，郭 翔，宋祺鹏，张 翠

(1.河南师范大学体育学院，河南新乡 543007;2.南阳师范学院，河南南阳 473000;3.新泰市第二中学，山东新泰 271200; 4.山东省体育科学研究中心，山东济南 250014)

足弓支撑功能鞋垫对竞走运动员足底压力分布的影响

王康康1，王一乐2，郭 翔3，宋祺鹏4，张 翠4

(1.河南师范大学体育学院，河南新乡 543007;2.南阳师范学院，河南南阳 473000;3.新泰市第二中学，山东新泰 271200; 4.山东省体育科学研究中心，山东济南 250014)

通过分析竞走运动中运动员的足底压力特征，研究足底功能鞋垫对减小足底压力和降低竞走运动员过度使用性损伤的效果。研究对象:20名男性竞走运动员;年龄20.19 ±2.66岁;身高178.85±14.07厘米。每名受试者分别穿功能鞋垫和不穿功能鞋垫来完成测试。使用足底压力鞋垫来收集足底压力的数据。使用双因素方差分析(Two way ANOVA)来确定两个条件之间的差异。结果显示足底功能鞋垫能够减小跖骨头和足跟的压强峰值和冲量，表明功能鞋垫能够降低这些部位过度使用性损伤的风险。穿功能鞋垫时地面反作用力第一峰值下降，表明足底功能鞋垫能够降低足部和腿过度使用性损伤的风险。

足底压力;足弓;支撑功能;鞋垫;竞走;过度使用性损伤

竞走运动，尤其是5公里和10公里项目，在近年来越来越流行，正在快速成为热门休闲健身运动项目［1］。造成这种流行性趋势的原因可能是由于人们认为竞走是一项能够提供足够的健身效果，而且对人体伤害非常小的运动［2］。然而研究者们却认为竞走是一项高损伤率的运动。Francis等人［1］做了682名竞走运动员参与的调查问卷，发现有近2/3的竞走运动员在职业生涯中发生过一次或者多次伤病。Sanzen等人［3］发现他们调查的竞走运动员中90%的人在比赛中有疼痛感，剩余10%的人疼痛感贯穿整个比赛。Palamarchuk［4］对31名竞走运动员做了统计，发现足跟、跖骨头处的水泡，跟腱损伤和膝关节中部的疼痛是竞走运动员的常发病。

竞走是耐力性运动项目，其要求运动员要行走20至50公里。50公里竞走项目是最长的田径项目，比马拉松还要长约7.8公里。一名67公斤的人独立行走50公里每只脚要承担2 016吨的重量［5］。因此，竞走运动员极易造成水泡、跖痛、应力性骨折和膝关节疼痛等下肢末端的损伤。竞走过程中运动员的足底要反复有力踏地1到4小时，在这段时间内跖骨头和足跟等分区要承受很高的压强和压力，易发生过度使用性损伤。Karagounis等人［6］发现足底反复的踏地动作会导致足跖骨头尤其是第二跖骨头和第三跖骨头的应力性骨折。Sanzen等人［3］发现竞走过程中踏地时足跟压力的增高会引起胫骨前肌肌群的拉伤，可能会促使一些部位产生常见的下肢损伤。Song等人［7］发现竞走过程中地面反作用力的峰值要大于正常走路时地面反作用力的峰值，容易造成胫骨中部肌肉骨骼结构的扭伤;当肌肉骨骼系统过度负荷时，过度使用性损伤就会发生［8］。

图1 足弓支撑功能鞋垫

功能鞋垫现在被广泛运用于糖尿病的治疗，矫正鞋垫和减压鞋能够降糖尿病患者落地时足底的压力［9］。类似的，竞走运动员过度使用性损伤发生的高几率也与足底压力有关［4，7］。在我们的研究中，使用足弓支撑功能鞋垫(国际生物力学公司)来减小竞走过程中踏地时足底的压力(图1)。这种鞋垫增加了足弓位置的高度，并且加强了足跟位置的缓冲。足跟和跖骨头的压力被转移到足弓部位以减小足跟和跖骨头的压强峰值和地面反作用力，从而达到降低足跟和跖骨头部位过度使用性损伤的风险。本研究的目的是通过测量竞走过程中足底压力的分布来确定功能鞋垫的减压效果。实验假设功能鞋垫能够降低跖骨头和足跟的压力，能够降低地面反作用力，能够改变足底压力分布。

1 研究对象与方法

研究对象:山东省竞走运动队男性运动员20名，年龄20.19±2.66岁;身高178.85±14.07厘米。竞走训练史5年以上(包括5年)。运动员在测试前6个月到测试开始时无任何腿部疼痛或疾病。所有受试者测试前均签署了实验告知书。

实验方案:每名受试者按平时的训练方案进行30分钟的热身活动。然后，每名受试者分别以两种实验条件穿他们自己的竞走运动鞋以最快竞走速度的80%进行400米竞走。条件1:双脚穿功能鞋垫;条件2:双脚不穿功能鞋垫。受试者进行两种测试的顺序是随机的。采集每名受试者每400米最后100米的连续10步的足底压力数据进行分析。

数据收集:使用足底压力鞋垫(Rs-scan International，Olen，Belgium)来收集足底压力数据，每只压力鞋垫有99个电阻式传感器，每平方厘米2个传感器。传感器的精度为0.5 N，每个传感器的最大测力为127 N。当2个以上传感器感应到超过5 N的压力时，开始记录数据。使用8 bit A/D转换板将模拟信号转换为计算机能够识别的数字信号。压力数据的采样频率为126 Hz。

数据整理:测试中计算8个足底压力分区的压强峰值和整只脚的地面反作用力。8个足底压力分区分别为(图2):足跟内侧(Hm)，足跟外侧(HI)，足弓内侧(Vm)，足弓外侧(Vl)，1～5跖骨头(M1，M2，M3，M4，M5)和大拇趾(T1)。每个分区的压力由每个分区所有传感器测得的压力的和得出。每个分区的平均压强由每个分区的总压力除以每个分区的面积得出。每只脚的地面反作用力由每只鞋垫上所有传感器测得的压力的和得出。地面反作用力和每只脚的分区受力都以受试者的自身体重做标准化。

数据分析:使用双因素方差分析(Two way ANOVA)来确定每只脚10个不同分区和两个测试条件之间的差异。测试条件为重复变量，每只脚的不同分区为独立变量。如果足底不同分区的压力与两个条件之间无显著的交互作用，但足的不同分区之间有显著差异性，使用独立t检验(Independent t-tests)来确定足底不同分区之间压力的差异性。如果足底不同分区的压力与两个条件之间有显著的交互作用，使用重复性单因素方差分析(One-way ANOVA with repeated measures)来确定每只脚同一分区不同条件下的差异和每个条件下每只脚不同分区之间的差异。当P＜0.05时，差异具有显著性。

2 研究结果

通过数据分析，足的不同分区的压强和测试条件之间无显著交互作用。穿正常鞋垫时足底的最高压强出现在跖骨头和足跟分区。使用功能鞋垫能够显著降低这些分区的压强，并增加足弓内侧的压强。与正常鞋垫相比功能鞋垫能够降低T1(p=0.012)，Hm(p= 0.000)，Hl(p=0.000)，M1-4(p=0.005，0.000，0.002，0.031)的压强(图3)，增加Vm(p=0.000)的压强，不改变M5(p=0.159)和Vl(p=0.173)的压强。

图2 :足底8个分区的压力分区示意图:足跟内侧(Hm)，足跟外侧(HI)，足弓内侧(Vm)，足弓外侧(Vl)，1～5跖骨头(M1，M2，M3，M4，M5)和大拇趾(T1)

图3 两种不同条件下，足底不同分区的压强比较*:穿功能鞋垫与不穿功能鞋垫存在显著性差异

功能鞋垫同样能够影响足底冲量(压强-时间积分)。与正常鞋垫相比，功能鞋垫能够减低T1(p= 0.000)，M1-4(p=0.001，0.000，0.012，0.013)，Vl(p =0.006)，Hm(p=0.000)，Hl(p=0.000)的冲量(图4)，增加 Vm(p=0.034)的冲量，不改变 M5(p= 0.159)的冲量。

竞走时地面反作用力显示为正常的双峰曲线。使用功能鞋垫能够使第一峰值下降(p=0.034)但对第二峰值无影响(p=0.078)(图5)。

3 讨论

图4 两种不同条件下，足底不同分区的冲量比较*:穿功能鞋垫与不穿功能鞋垫存在显著性差异

图5 两种不同条件下，地面反作用力的比较*:穿功能鞋垫与不穿功能鞋垫存在显著性差异

本研究显示，足弓支撑功能鞋垫能够减小跖骨头和足跟分区的压强峰值和压力冲量，降低地面反作用力的第一峰值。这些发现和以前的一些研究成果相一致。Ibrahim等人［9］发现在治疗糖尿病患者的过程中，矫正鞋垫和减压鞋能够减小足底踏地时的压力。与此同时，Chang等人［10］发现适应性鞋垫能够降低存在跖骨痛现象的老年人的足底压强峰值，冲量和最大压力。尽管足底压强和过度使用性损伤的联系已经被证明［11］，但本研究第一次尝试了通过减小足底压强来降低竞走运动员过度使用性损伤的几率。

一场竞走比赛中运动员要有规律的反复的踏地18 000次到48 000次［12］。每一步足底压力细微的减小，都能够大幅度降低过度使用性损伤的风险。足弓支撑功能鞋垫能够将足底前段和足底后段的压力转移到足底中段，因此，足底前段和足底后段的压力减小［13］。我们的研究证明功能鞋垫能够降低大脚趾，第一跖骨到足第四跖骨和足跟的压强，这些压力分区都是易损伤的部位［14］。此外，重复性的亚最大强度刺激能够减小骨头的承载能力，导致这些承载最大应力的足底分区的结构发生改变［6］。与走或跑的开始阶段相比，足长时间反复的踏地，会使足底承载压力的位置由足趾转向跖骨头，导致跖骨位置的压强峰值变得更大，这种反复的踏地会导致跖骨，尤其是第二跖骨和第三跖骨的应力性骨折，这是由骨头的强度和它所承载的负荷不相符造成的［6］。功能鞋垫能够通过减小跖骨头的压强峰值，降低发生过度使用性损伤的风险。这些压强的降低对竞走和马拉松这样的长距离竞赛项目是很有利的。功能鞋垫能够降低足跟压力的原因有三个:1)鞋垫中部的足弓支撑使压力由足跟转移到足的中部;2)鞋垫足后跟位置的杯形结构使跟骨处于一个更舒适的位置，使压强按照预先矫正的方案重新分配;3)鞋垫的材料又厚又软能够缓冲震荡。Sanzen等人［3］发现足跟压强的增高会增加胫骨前肌肌群的拉力，这种现象可能会使竞走过程中产生常见的下肢损伤。Song等人［7］证明，竞走过程中最高的压强峰值出现在足跟附近，得出结论竞走过程中足跟容易发生损伤。总结，功能鞋垫能够通过降低跖骨头和足跟的压强来避免过度使用性损伤的发生。

除了压强峰值之外，我们也研究了冲量。足踏地时的冲量能为我们提供更多的信息，它既能够体现压力变化的幅度也能够体现压力持续的时间［15］。与压强峰值相比，冲量能够更敏感地预测损伤，冲量的大小与疼痛有着很密切的联系［16］并且对舒适感具有更强的区别能力［17］。足底的高负荷不仅会损伤相应的足底部位，还会对身体的其余部位产生伤害。许多研究调查了应力性骨折潜在的原因，有好几个研究将其归因于落地时足底过高的负荷［6，18］，这些研究认为足底过高的负荷还会造成骨损伤的额外风险。总结，功能鞋垫能够降低跖骨头和足跟的负荷，从而可以降低各种损伤的风险。

Chiu［19］发现地面反作用力的峰值出现在足跟与地面接触之后。这种峰值力量引起下肢的震动。当过度的负荷出现在足底时，人们常常通过调节他们的步态来避开最大冲击。在正常走或跑时，人们能够屈膝缓冲以减少负荷。然而，官方(国际田径联合会)规定了竞走运动的规则。竞走过程中，支撑期间支撑腿必须完全伸直。大腿的伸直，限制了竞走过程中膝关节的缓冲作用。由于竞走过程中地面反作用力的峰值大于正常行走时地面反作用力的峰值［7］，使胫骨中段的肌肉骨骼结构产生紧张，肌肉骨骼系统的过度负荷会引起过度使用性损伤。地面反作用力第一峰值力量的减小，表明功能鞋垫能够降低足跟落地时竖直方向的地面反作用力，从而降低足和大腿损伤的风险。

4 结论

竞走过程中使用功能鞋垫能够通过减小跖骨头和足跟的压强峰值和冲量，降低这些部位发生过度使用性损伤的风险。地面反作用力第一峰值的减小，表明功能鞋垫能够降低足跟落地时竖直方向的地面反作用力，从而降低足部和腿过度使用性损伤。

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Effect of functional insoles to p lantar pressure distribution of race walkers

WANG Kang-kang1，WANG Yi-le2，GUO Xiang3，SONG Qi-peng4，ZHANG Cui4
(1.School of P.E.，Henan Normal University，Xinxiang 543007，Henan，China;2.Nanyang Normal University，Nanyang 473000，Henan;3.Xintai No.2 High School，Xintai 271200，Shandong;4.Shandong Research Center of Sport Science，Jinan 250014，Shandong)

This study investigates the effectiveness of functional insoles on plantar pressure distribution during race walking so as to reduce the high plantar pressure and force on race walkers，who tend to suffer from overuse injury.A total of20 male racewalkers aged 21.19± 2.66 years and with amean height of 178.85±14.07 cm were recruited as subjects.Each participant completed a race walk with and without functional insoles.Plantar pressure insoles were used to collect plantar pressure data.A two-way analysis of variancewith amixed design was used to determine the difference between the two conditions.Results show that the use of functional insoles reduced the peak pressure and the impulse in themetatarsal heads and heels and thus suggest that functional insoles have reduced the overuse injury risks of these parts.The first ground reaction force peak also decreased.This result suggests that functional insoles have reduced the risks of foot and leg injuries.

arch-supported functional insoles;race walking;plantar pressure distribution; overuse injury

G804.61

:A

:1009-9840(2015)02-0080-04

2014-07-12

山东省体育局科研课题《动作技术差异对竞走运动员体能消耗的影响》。

王康康(1981- )，男，河南新乡人，讲师，硕士，研究方向体育教育训练学。