鞋底硬度对闽南地区中老年男性足底压力的影响

王 欣，原竞杰

(黎明职业大学 新材料与鞋服工程学院， 福建 泉州 362000)

目前，中老年人的健康成为全世界日益关注的焦点问题。中老年人在串联行走时，足底筋膜技能减退可能导致中老年人姿势控制能力下降。而慢步行走因其锻炼效果明显，不受时间和场地条件的限制，而成为目前国际上流行的健身运动。该运动强调鞋的缓冲减震性能及省力情况，不仅促进了鞋业的发展，也促使人们对科学健康的行走更加重视[1-2]。足部神经器官遍布，其压力舒适性与鞋靴舒适度，尤其是鞋底硬度密切相关。Benjamin等[3]利用鞋垫式足底压力系统，测量跑步过程中足底压力的分布特征，认为整体舒适度和前足底舒适度在跑步过程中会发生变化，第一跖骨、中足内侧和足跟的峰值压力显著增大。高毅等[4]经试验发现，随着年龄的增长，足跟区峰值压强会逐步降低，有效接触面积增大，有效接触时间延长。马新颖等[5]认为人体的健康状况对足底多个区域的压力及足部形态均有显著影响，影响人体足部压力舒适性，甚至造成人体平衡能力的下降。足部压力还与年龄、体重等因素有一定相关性。周新楚等[6]认为中老年人因年龄增长，下肢控制能力降低，足前掌长时间与地面接触面积增大、接触时间增长，可以增加支撑的稳定性，从而预防跌倒损伤的发生。基于此，本课题组对闽南地区中老年男性在穿着不同鞋底硬度的样鞋行走时足底受力情况进行测试，通过对比足底受力差异，以期为中老年鞋在鞋底设计、选材和消费者选购上提供一定的参考。

1 实验设备与过程

1.1 试验设备

试验设备选择比利时RS-scan公司的Foot scan USB2平板式足底压力测试系统，可以实时显示足底压力分布及足底形象的轮廓和各种数据。系统由硬件和软件组成，硬件主要包括PC接口板、压脉带组件、线缆、尼龙护套和鞋垫式传感器(平板式传感器)，软件为基于MS Windows 的压力显示和分析软件，软件界面如图1所示。

图1 Foot scan USB2分析系统界面

Foot scan USB2测试系统的标准功能包括实时动态显示、连续帧回放、中心压力检测、接触面积计算、二维轮廓显示、三维压力显示、峰值压力描绘、压力和时间积分计算、图形分析等。

1.2 试验对象

2018年10～12月，课题组联合校企合作企业选取泉州市、厦门市和漳州市的328名中老年男性志愿者(年龄介于45岁到74岁之间)，试验对象平均年龄57.1岁，平均身高171 cm，平均体重67.8 kg。受试者均身体健康，无足踝关节运动畸形，无足踝急慢性损伤。因文献研究表明男女足底压力分布规律和特征无明显性别差异[7]，因此暂不针对不同性别进行分析。

1.3 试验方法

运用Instron材料试验机测量，选取弹性模量为：1.1、2.3、6.3 MPa的材料作为鞋底材料，分别记为软(1#)、中等硬(2#)和较硬(3#)。用厚度为10 mm鞋底片材制作测试鞋，鞋跟高15 mm，款式如图2所示。

图2 实验用鞋

设定采样频率为300 Hz，328名身体健康状况良好的中老年男性试验者分别穿着3种硬度鞋底的样鞋和赤足(0#)以自然步速进行行走测试，所有受试者每种样鞋平行测定3次，实验数值取328名测试者的平均值。

2 结果与分析

足底最大压力值和负荷率可以反映鞋底舒适与否。局部最大压力峰值和负荷率小，表明穿着较舒适，若仅从足底最大压力峰值和负荷率看鞋底材料，软质地比硬质地好，可以分散足底压力，在运动中有更多的能量回归，并能吸收部分地面带来的冲击力。冲量和最大压力出现时间可以反映鞋底是否提供足够的动力，穿软鞋底的鞋冲量大、最大压力出现时间晚，不一定能给人的双脚在运动中提供更充足的动力，地面反作用推动人体前进的力小。因为，太软的鞋底会产生所谓的浮行运动，脚蹬地时就会把作用于地面的力吸收很大一部分用于自身的形变，长时间行走易产生疲劳。

2.1 对冲量的影响

同种状态下，由于足底各部位压力不断变化，冲量的大小等于动量的变化量，即冲量越小，动量变化越小。正常行走时，不同硬度鞋底各个部位冲量值的算术平均值结果如表1所示。

表1 不同硬度鞋底各部位压力冲量比较 单位：N/s

以所有受试者穿着0#样鞋(赤足)所得各部位压力冲量值为基准数组，对所有受试者分别穿着1#，2#，3#样鞋所得各部位压力冲量值数组与之两两比较，并进行T检验，所得P值均小于0.05，因此，不同硬度鞋底所得各部位冲量值差异具有统计学意义。

图3正常行走状态下不同硬度鞋底冲量均值的比较。

图3 正常行走状态下冲量均值比较

由图3可知，在鞋后跟部位，穿较硬鞋底的冲量小于赤足冲量，而穿中等硬度鞋底和软鞋底的冲量大于赤足冲量，即鞋底后跟部位越硬，冲量越小。在鞋中部(足弓部位)，穿不同硬度鞋底的冲量远大于赤足冲量。因为赤足时，足弓接触测力板较少，受力主要集中在前掌和后跟，穿鞋后鞋底足弓对应部位承担部分受力，使得足弓处冲量增大。在鞋前掌部位，赤足冲量大于穿鞋冲量，即穿鞋后前掌冲量较小。且硬鞋底冲量最小，中等硬度鞋底的冲量大于软鞋底的冲量。

2.2 对最大压力影响

鞋底(足底)三部位最大压力分布状况说明各部位的应力集中现象。正常情况下，应力越大，局部越容易受到伤害，尤其是中老年糖尿病患者，其身体稳定性和灵活性较正常老年人降低[8]。表2为不同硬度鞋底各个部位最大压力的算术平均值试验结果。

表2 不同硬度鞋底各部位最大压力比较 单位：N

以所有受试者穿着0#样鞋(赤足)所得各部位最大压力值为基准数组，对所有受试者分别穿着1#，2#，3#样鞋所得各部位最大压力值数组与之两两比较，并进行T检验，所得P值均小于0.05，因此，不同硬度鞋底各部位最大压力值差异具有统计学意义。

图4为正常行走状态下最大足底压力值比较。

图4 正常行走状态下最大足底压力值比较

由图4可知，在后跟部位，穿鞋后最大压力小于赤脚最大压力，且穿中等硬度鞋底的鞋最大压力最小。在鞋中部(足弓部位)，穿鞋后最大压力均大于赤脚最大压力，且鞋底越硬，最大压力越大。在前掌部位，类似于后跟部位，中等硬度鞋底的鞋最大压力最小。

2.3 对最大压力出现时间影响

相同状态下，峰值压力出现的时间越晚，说明鞋底的缓冲减震性能越好。由于人脚行走的特殊性，利用最大压力出现时间步态周期的百分比例进行比较。表3为不同硬度鞋底各个部位最大压力出现时间百分比的比较结果。

表3 不同硬度鞋底各部位峰值压力出现时间百分比 (%)

以所有受试者穿着0#样鞋(赤足)所得各部位最大压力出现时间为基准数组，对所有受试者分别穿着1#，2#，3#样鞋所得各部位最大压力出现时间数组与之两两比较，并进行T检验，所得P值均小于0.05，因此，不同硬度鞋底各部位最大压力出现时间差异具有统计学意义。

图5为正常行走状态下峰值压力出现时间所占比例比较。

图5 正常行走状态下峰值压力出现时间所占比例比较

图5中，在后跟部位，鞋底越硬最大压力峰值出现时间越快，硬鞋底最大压力出现时间比赤足最大压力出现时间早，中等硬度和软鞋底最大压力出现时间比赤足最大压力出现时间晚。在鞋中部(足弓部位)，各情况最大压力出现时间差异较小，穿鞋比赤脚晚，硬鞋底最大压力出现时间最晚。在前掌部位，类似于后跟部位。

2.4 对负荷率(Load rate)的影响

负荷率是指三部位压力达到最大值的速度，即单位时间内压力的增量。负荷率越大，达到最大压力所用的时间越短，鞋底缓冲越差。表4为不同硬度鞋底各个部位负荷率的比较结果。

表4 不同硬度鞋底各部位负荷率比较 单位：N/s

以受试者穿着0#样鞋(赤足)所得各部位负荷率为基准数组，对分别穿着1#，2#，3#样鞋所得各部位负荷率数组与之两两比较，并进行T检验，所得P值均小于0.05，因此，不同硬度鞋底各部位负荷率差异具有统计学意义。

图6为正常行走状态下的负荷比较。

图6 正常行走状态下负荷比较

图6中，在后跟部位，鞋底越硬，负荷率越大，即局部压力达到最大值越快，鞋底的缓冲效果越差。硬鞋底负荷率大于赤足负荷率，中等硬度和软鞋底负荷率小于赤足负荷率。在鞋中部(足弓部位)，穿鞋后负荷率大于赤足负荷率(中等硬度相等)，硬鞋底负荷率最大。在前掌部位，穿鞋后负荷率小于赤足负荷率。

3 结 论

可见，闽南地区的中老年男性穿着不同鞋底硬度的样鞋在正常行走过程中，鞋底越硬，其对应部位足底的冲量越小，足底受到的压力越大，即消耗较少的动量，能达到最大的力。此外，鞋底硬度越大，减震和缓冲性能越差，尤其在足后跟部位表现明显。基于闽南地区中老年人的生活环境(行走环境多有坡度)，中老年鞋应选择中等硬度的鞋底材料，避免过于疲劳，并兼顾一定的减震和缓冲性能。