鞋中底屈曲刚度对跳跃动作下肢和跖趾关节生物力学及关节能量特征的影响

李路 傅维杰 王熙 刘宇

上海体育学院运动健身科技省部共建教育部重点实验室（上海 200438）

鞋中底屈曲刚度对跳跃动作下肢和跖趾关节生物力学及关节能量特征的影响

李路 傅维杰 王熙 刘宇

上海体育学院运动健身科技省部共建教育部重点实验室（上海 200438）

目的：探讨双腿垂直跳和单腿起跳过程中，不同鞋中底屈曲刚度对运动表现，下肢髋、膝、踝、跖趾关节的运动学和动力学以及关节能量特征的影响，并藉此为更深入探索跖趾关节的运动功能和鞋具研究提供新的思路。方法：30名男性篮球运动员分别穿着鞋中底屈曲刚度大的硬底鞋和对照鞋，完成垂直跳和单腿跳两种跳跃动作，采集起跳过程中的三维运动学及地面反作用力信号，分析不同的鞋中底屈曲刚度对跖趾关节以及下肢髋、膝、踝关节的运动学、动力学和关节能量参数的影响。结果：两款鞋在跳跃高度方面的影响无显著性差异；穿着硬底鞋会显著减小垂直跳时跖趾关节的最小（最大屈）角速度（P＜0.05）、增加踝关节活动度（P＜0.05），同时显著增加单腿起跳蹬地时踝关节处的最大功率（P＜0.05），影响该处关节能量的吸收和产生。结论：本研究所采用的硬底鞋未对即刻的跳跃高度产生显著影响，但能够在改变跖趾关节部分运动学的同时增加相邻踝关节的蹬地效果，为进一步提高运动表现提供了可能。

鞋中底屈曲刚度；跖趾关节；生物力学；关节能量；跳跃

针对下肢的生物力学特征，以往的研究通常聚焦于髋、膝和踝三大关节[1]。实际上，对于跑、跳等需要急速蹬离地面的足屈曲运动，动作最后发生的关节必定是在跖趾关节[2]。第一至第五跖趾关节共同构成了跖趾关节（metatarsophalangeal joint，简称MPJ），虽然它们分别由五个跖骨头与其近节趾骨底构成，但在运动过程中经常同时屈伸，故通常作为统一的关节[3]。研究表明[4，5]，跖趾关节在足部运动中同样发挥重要作用，其屈伸特征的改变能够对人体跑、跳动作，特别是支撑后期的蹬离效果产生重要影响。Krell等人通过采集分析76名2000年奥运会百米男女运动员的运动学数据发现，跖趾关节伸展最大速度、触地角度与成绩呈显著相关[6]。Stefanyshyn等人通过让运动员穿着拥有不同刚度的运动鞋来改变跖趾关节的屈伸，并发现此种改变显著提高运动员40m冲刺跑的成绩[7]。

另一方面，当把人体作为一个力学系统考虑，下肢关节做功的大小以及机械能运用的合理与否同样能够对运动表现产生重要影响，而跖趾关节作为下肢末端关节，在蹬离地面的过程中基本保持背屈状态，这使跖趾关节在此过程中主要以吸收机械能为主，而产生的能量则几乎为零[8]。Stefanyshy与Nigg等人证明跖趾关节在快速跑的着地阶段，其所吸收的能量占下肢四关节总能量的32%[9]。在单腿跳动作中同样发现跖趾关节在蹬离地面过程中吸收了约24J的能量，而理论上这部分能量足以使跳跃成绩提高3.5cm[10]。由此可见，如何通过改变跖趾关节的运动学表现，从而间接有效地减少或利用跖趾关节所吸收的这部分能量，影响下肢的力学特性，并最终表现在运动能力的提高上？这一系列问题已经成为当今运动训练和鞋具生物力学研究的新热点[5，11，12]。

基于此，本研究探讨双腿垂直跳和单腿起跳过程中，不同鞋中底屈曲刚度的运动鞋对运动表现，下肢髋、膝、踝、跖趾关节的运动学、动力学以及关节能量特征的影响，为更深入探索跖趾关节的运动功能和鞋具研究提供新的思路。

1 方法

1.1 研究对象

受试者为30名上海体育学院体育教育专业男性篮球运动员，年龄21.2±1.3岁，身高183.3±5.0 cm，体重74.0±6.7 kg，运动年限4.8±1.4年，能熟练掌握跳跃动作。所有受试于实验前均接受问卷调查，确认24小时之内未从事剧烈运动，确定其下肢和足部最近6个月内无明显损伤，身体机能和运动能力良好。每位受试者随机穿着不用的测试用鞋（硬鞋和对照鞋）完成两种不同的跳跃（垂直跳和单腿起跳）测试，硬鞋组（stiff shoes，SS组）30例，对照鞋组（control shoes，CS组）30例。

1.2 实验仪器

1.2.1 三维运动捕捉系统

英国制造的Vicon动作捕捉系统及其配套软件操作系统1套。Vicon硬件包括16个T40红外高速摄像头以及Nexus 1.52分析软件，本研究的采样频率为240Hz。

1.2.2 三维测力台

瑞士Kistler公司生产的三维测力台2块（长×宽×高：90 cm×60 cm×10 cm），型号9287B，外置信号放大器，最大侧向力和垂直力分别可达10 kN和20 kN。本研究的采样频率为1200 Hz。测力台和Vicon通过模数转换（A/D Converter）终端盒进行系统的同步。

1.2.3 Visual3D分析软件

美国C-Motion公司开发的Visual3DTM三维步态/体态分析软件（V3D），版本号4.00.20。针对所同步获取的Vicon运动学及Kistler测力台三维力数据，进行运动学、测力台数据的处理和逆向动力学的计算分析等。

1.3 测试方法

1.3.1 实验用鞋

具有不同鞋中底刚度的篮球鞋见图1。由某国际知名品牌提供具有不同鞋中底刚度的篮球鞋作为测试用鞋，其中硬鞋（stiff shoes，SS）鞋中底加入了一组与鞋中底形状完全相同、厚约3 mm的20%碳增强PEEK板（Polyetheretherketone，聚醚醚酮板），其刚度为91 HV（维氏刚度，Vickers-hardness）。对照鞋（control shoes，CS）除了鞋中底无PEEK板外，其他方面如外形、材料、重量等均无差异。

图1 测试用鞋（左）；硬鞋组在鞋中底加入了一组厚约3 mm的20%碳增强PEEK板（右，刚度：91 HV）

1.3.2 测试方法及目标动作

每位受试者随机穿着不用的测试用鞋（硬鞋和对照鞋）完成两种不同的跳跃（垂直跳和单腿起跳）测试，顺序随机[11]。实验环境如图2所示。在正式测试前要求受试者在跑台上自由热身5~8分钟，并充分熟悉跳跃动作。在每次动作完成后安排适当的休息，尽量避免诸如运动准备情况、体力状态和动作熟悉程度等因素对结果的影响[12]。其中，两种起跳受试者均需要完成3次

有效动作。具体如下：

（1）垂直跳（counter-movement jump，CMJ）：受试者双脚开立分别置于两块测力台，等身体静止稳定后，迅速下蹲后尽力向上起跳并单手摸高，要求整个动作连贯（图2左）。

（2）单腿起跳（lay-up，LU）：在同步信号开始后，要求受试者从固定位置助跑一步，惯用腿着测力板后迅速尽力向上垂直跳起，并单手摸高，同时保证其动作连贯流畅且尽可能保持比赛中风格。

图2 垂直跳摸高（左）；测试仪器架设和受试者侧、背面图

1.3.3 各环节坐标系及数据处理

受试者惯用腿及骨盆粘着24个反光球的位置及环节坐标系定义如下。左右髂前上棘、左右髂嵴、左右髂后上嵴、左右大转子反光球定义骨盆坐标系；大腿跟踪点、内外上髁及左右大转子反光球定义大腿坐标系；小腿跟踪点、内外踝反光球定义小腿坐标系；第一足趾、第一跖趾关节、第五跖趾关节、内外踝、足跟反光球定义足坐标系；第一足趾、第一跖趾关节、第五跖趾关节反光球定义前足坐标系；内外踝、足跟反光球定义后足坐标系（图3）。其中，髋、膝、踝三关节角度定义为远端环节延长线与近端环节的夹角，跖趾关节的定义参考Stefanyshyn等人的跖趾关节定义方法[13]：前足坐标系与后足坐标系所组成的夹角，而跖趾关节的转动轴和转动中心则为第一跖趾关节反光球到第五跖趾关节反光球的连线以及连线中点。运动学数据均通过Butterworth二阶双向低通滤波处理，截止频率为8 Hz[14]。

1.4 主要参数

由于本研究目标动作为垂直方向的跳跃，故主要考虑人体矢状面的生物力学参数，即髋关节和膝关节的屈伸、踝关节的跖屈和背屈，以及跖趾关节的屈伸。

1.4.1 运动学

图3 用于骨盆、大/小腿、前/后足环节建模的反光球位置及关节角度示意图

（1）跳跃高度：定义为左右髂前上棘反光球连线的中点与左右髂后上嵴反光球连线的中点之间连线的中点在垂直方向动作过程中最大位移差。

（2）触地过程中，下肢髋、膝、踝、跖趾四关节的最大和最小角度（θmax和θmin）、最大和最小角速度（ωmax和ωmin）以及各关节的活动度：θROM=θmax-θmin。

1.4.2 动力学

下肢髋、膝、踝、跖趾四关节的最大和最小力矩（Mmax和Mmin）；

（2）下肢髋、膝、踝、跖趾四关节的最大和最小功率（Pmax和Pmin），计算方法为瞬时的关节力矩与角速度的乘积[15]：Pj（t）=Mj·ωj（t），其中Pj为关节力矩，ωj为关节角速度。

1.4.3 关节能量

在天津市人民医院收集合并组和单纯CRC组患者术前空腹血液标本和健康查体者血液标本各3 mL，3 500 r/min离心10 min(r=15 cm)，室温，取上层血清，-80 ℃低温冰箱保存待查。

从力学系统运动的角度，关节能量（joint energy）指的是关节在一定时间内做功的大小，即关节功率对时间的积分[16]。计算方法如下：

其中，下肢四关节在离心期（触地到缓冲完成）所做的负功定义为吸收的能量（energy absorption，EA），和在向心期（缓冲完成到离地）内所做的正功定义为产生的能量（energy generation，EG），NEC为整个阶段的净能量（net energy consumption，NEC）。

1.5 统计学分析

数据呈现均以平均数±标准差表示，并用SPSS 17. 0软件进行统计分析，采用独立样本t检验观察测试用鞋对跳跃高度、运动学、动力学、关节能量等特征的影响，显著性水平α设为0.05。

2 结果

2.1 运动表现

在跳跃高度方面，无论是垂直跳（SS组：64.5±5.4

cm；CS组：63.8±5.7 cm），还是单腿跳（SS组：66.3± 6.9 cm；CS组：66.0±7.0 cm），SS组与CS组相比并没有显著性差异。

如表1所示，在CMJ跳跃动作中，跖趾关节最小角速度的绝对值在穿着两种鞋时有显著性差异（P＜0. 05），对照鞋组明显大于硬鞋组；而在穿着具有不同刚度鞋中底的运动鞋进行LU跳跃动作中，跖趾关节运动学数据，包括最大屈伸角度、角速度和关节活动度均无显著性差异。但是其中跖趾关节最大屈曲速度对照鞋组相对于硬鞋组有变大的趋势（P=0.053）。通过对时序上跖趾关节角速度变化的标准化，可以看出跖趾关节在离地前的角速度最大，其中穿着对照鞋组的速度变化明显要大于穿着硬鞋组。

表1 不同跳跃方式起跳时鞋中底屈曲刚度对跖趾关节运动学特征的影响（n=30）

图4 穿着不同鞋中底屈曲刚度运动鞋起跳时跖趾关节角度、关节角速度变化

由表2得出：在穿着不同刚度运动鞋进行CMJ跳跃动作中，下肢三关节的运动学数据，包括最大屈伸角度、角速度和关节活动度均无显著性差异。在LU跳跃动作中，踝关节的关节活动度在穿着对照鞋组与硬鞋组时有显著性差异（P＜0.05）。穿着硬鞋时，踝关节活动度显著大于穿着对照鞋。

2.3 关节动力学和关节能量特征

跖趾关节的动力学参数两款鞋并无显著性差异（表3、图5）。但在踝关节处，不同鞋的动力学参数存在显著变化（表4、图6），具体表现为：相对于对照鞋组，硬鞋组在做LU动作时，踝关节处的最大功率、蹬地时能量的产生和吸收都有显著增加（P＜0.05）。

表2 不同跳跃方式起跳时鞋中底屈曲刚度对踝、膝、髋运动学特征的影响（n=30）

表3 不同跳跃方式起跳时鞋中底屈曲刚度对跖趾关节动力学和能量特征的影响（n=30）

图5 穿着不同鞋中底屈曲刚度运动鞋起跳时跖趾关节关节力矩、关节功率变化

表4 不同跳跃方式起跳时鞋中底屈曲刚度对踝、膝和髋动力学和能量特征的影响（n=30）

图6 穿着不同鞋中底屈曲刚度运动鞋在单腿起跳时踝关节功率变化

3 讨论

3.1 鞋中底刚度对跖趾关节生物力学特征的影响

跖趾关节这一被完全包裹在运动鞋里面的关节在诸如跑、跳等主要利用下肢并在动作末阶段有急速蹬离地面动作的运动中，其在蹬离地面之前始终在保持伸展，在整个动作过程中几乎都在吸收机械能，而且基本上不产生能量回传[13，17]。本实验旨在通过改变鞋中底的刚度来对跖趾关节的屈伸情况产生影响，进而影响最终的运动表现。

本研究发现跖趾关节最大屈曲角速度在做CMJ跳跃动作中，穿着硬底鞋时显著减小，这可能是由于更硬的鞋中底材料使得鞋中底刚度增加，使鞋底变形变得更加困难，由此导致了最大角速度的减小，同时这也说明鞋中底刚度的增加确实会影响跖趾关节的运动学特征。从图4中可以很明显地看到，穿着硬鞋组进行CMJ跳跃动作时角速度的变化曲线要明显比穿着对照鞋组鞋的曲线要平缓。这与Stefanyshy等人的结果相似，他们发现受试者穿着更硬的运动鞋做跳跃动作时跖趾关节关节角度曲线更加平缓[16]，其原因是较硬的鞋中底会大大限制跖趾关节的活动，减少跖趾关节屈曲角度，使关节角度曲线更加平缓。

从能量学角度看，运动员在进行诸如短跑、跳跃等需要爆发力的运动时，是通过吸收和产生机械能完成

对身体的向前、向上的位移[18]。而本研究发现跖趾关节在进行两种跳跃动作时均在吸收机械能，这支持以往的研究结果[10]。有研究表明，在单腿跳的过程中跖趾关节平均吸收了24J的能量，而这部分能量在不考虑空气阻力等外界干扰的情况下，应该能够提高3.5cm的跳跃高度[10]。但是本实验的结果却发现在穿着具有更大鞋中底刚度的运动鞋后，跖趾关节处的能量学参数与运动表现并没有显著性的变化。此结果与Nigg等人的一项研究并不相符，他们发现穿着具有更大刚度的运动鞋能够减少跖趾关节处36.7%的机械能损失，并提高运动表现[16]。这种情况的出现可能与运动员是在实验当天刚接触到这种特制的运动鞋有关，有研究表明不同运动员由于感受到的运动鞋舒适性、其本身的小腿三头肌肌力具有个人特征，其跖趾关节屈曲程度的适应以及效果也有所差异[7]。另一种可能则是由于定义跖趾关节转动轴的不同。本次研究定义的是第一跖趾关节反光球与第五跖趾关节反光球连线的单轴，但是Smith等的研究发现相对于这种方法，利用第一至第二跖趾关节中心的连线与第二至第五跖趾关节中心的连线所组成双轴线建立跖趾关节的关节转动轴，能够更加准确地获取跖趾关节的运动特征[19]。此外，硬鞋的鞋中底刚度不够也可能是导致生物力学参数并没有显著性变化的原因。Stefanyshy等人的研究中，使用了两组具有不同鞋中底刚度的运动鞋与普通运动鞋进行对比，发现最硬组相较于较硬组对测试结果的影响更大[16]。

3.2 鞋中底刚度对下肢其他关节生物力学特征的影响

本研究并没有发现穿着具有不同鞋中底刚度的运动鞋会对下肢髋、膝、踝三关节的运动学特征产生影响。但在其他方面，实验结果表明踝关节处硬鞋组的最大正功要显著大于对照鞋组，同时硬鞋组最大吸收能量、最大产生能量的绝对值也均大于对照鞋组。这部分与Nigg团队所做的实验得出的结果十分接近[6，10，20]，从均值上看，相比于控制组，穿着两种具有更大刚度的运动鞋都会增加踝关节处的正功[16]。踝关节处的生物力学特征会由跖趾关节处屈曲特性的改变而引起一定的改变[21-24]。有研究发现跖趾关节处的屈曲被人为限制后，受试者在步态上有明显的改变，其下肢各个关节甚至躯干都对此产生代偿，其中踝关节和膝关节在补偿运动中做出了主要贡献，其平均步速减少至正常情况下的94.8%，步长也缩短至正常步长的95.5%[25]。这对解释本实验的结果有一定帮助。从图6中我们可以看出，硬鞋组的踝关节功率在整个动作的过程中其绝对值总是大于对照鞋组。而在踝关节做正功时，即运动员用力蹬离地面时硬鞋组踝关节所做的最大正功显著性地大于对照鞋组。出现这种情况可能是由于在跖趾关节的屈伸受到一定限制的情况下，踝关节为了弥补跖趾关节运动受阻而产生的一种代偿。在踝关节做负功时，硬鞋组所作的负功也要小于对照鞋组。这种情况也使受试者做LU动作中踝关节吸收与产生的能量也都是硬鞋组显著大于对照鞋组，进而在关节净能量上，硬鞋组虽然均值大于对照鞋组，但是没有统计学上的显著差异。

此外，本研究发现跖趾关节和踝关节两个组别的生物力学指标差异均没有体现在运动表现上。在大部分跑、跳类动作中，运动表现主要取决于下肢髋、膝、踝等关节总的输出功率和做功大小，而非单一踝关节的贡献[16]。这也就不难理解为什么本研究中踝关节蹬伸功率的增加却没有最终导致跳跃高度的显著提升。同时，已有针对跖趾关节的研究发现，如果能够增加跖趾关节处跖屈肌肌力，那么会对提高运动表现提供帮助[17，26-28]。未来研究将会关注于运动员长期穿着不同鞋中底刚度的运动鞋是否能够提高跖趾关节跖屈肌肌力，以及是否会对跖趾关节及下肢三关节产生更进一步的影响。

本研究存在以下局限：在计算跖趾关节的运动学和动力学数据时，由于跖趾关节完全被运动鞋包裹，实际测得的并非是单纯的跖趾关节相关数据，而是包括跖趾关节屈曲在内的运动鞋形变。目前在不涉及裸足情况下，其他研究团队也使用类似的方法来计算跖趾关节处相关生物力学参数[13，16]。但在未来的研究中，我们将会尝试采用其它更为准确的方式来测量跖趾关节的生物力学参数。

4 结论

本研究所采用的硬底鞋未对两种动作下即刻的跳跃高度产生影响，但会显著减小垂直跳过程中跖趾关节的最小（最大屈）角速度，并显著增加单腿起跳蹬地时踝关节处的最大功率，同时影响该处关节能量的吸收和产生，提示穿着屈曲刚度更大的运动鞋能够在改变跖趾关节部分运动学的同时增加相邻踝关节的蹬地效果，为进一步提高运动表现提供了可能。

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The Relation of Midsole Stiffness of Shoes to the Biomechanics and Kinetics of Ankle Joint and Metatarsophalangeal Joint during Jumping

Li Lu，Fu Weijie，Wang Xi，Liu Yu
Key Laboratory of Exercise and Health Sciences of Ministry of Education at Shanghai University of Sport，Shanghai，China 200438 Corresponding Author：Fu Weijie，Email：fuweijie315@163.com Liu Yu，Email:yuliu@sus.edu.cn

Purpose The aim of this study was to explore the effects of midsole stiffness of shoes during vertical jump with double legs and single leg on the performance and kinematics and kinetics of the metatarsophalangeal joint（MPJ）and ankle joint in order to provide new idea for footwear design.Methods 30 male basketball players were required to wear stiff midsole shoes and normal stiffness midsole shoes to execute the vertical jump with double legs and single leg，and 3D kinematic data of lower limbs joints and ground reaction force were collected and analyzed simultaneously.Results No significant difference in maximum jump height was observed between players wearing the two different shoes.There were significant decrease in maximum MPJ flexion velocity（P＜0.05）and increase in ankle joint range of motion（P＜0.05）during vertical jump with double legs in players wearing stiff midsole shoes，while ankle maximum power increased and ankle energy absorption and generation were hindered during vertical jump with single leg were found（P＜0.05）.Conclusion Though the immediate jumping performance of the players wearing the stiff midsole shoes was not improved significantly，however，wearing the stiff midsole shoes could influence the MPJ kinematics and enhance the function of ankle during jumping push off phase，and thus indirectly improve the athletic performance.

shoes，midsole bending stiffness，biomechanics，metatarsophalangeal joint，ankle，jumping

2015.09.10

国家自然科学基金资助项目（11302131，11372194）；教育部博士点基金资助项目（20123156120003）；上海市教育委员会科研创新项目（14YZ125）；上海高校青年教师培养资助计划（ZZsty12002）

傅维杰，Email：fuweijie315@163.com；刘宇，Email:yuliu@sus.edu.cn