鞋垫对跑步运动中下肢肌电的影响研究

侯亚丽，冯 通，王向东，秦壮利

1 前言

当下，为更好地辅助跑步人群运动，跑步鞋和多功能跑步鞋垫应运而生。功能跑步鞋可以起到减震缓冲、支撑足部的作用，从而保护双足，减少运动中的损伤风险，提高运动能力[1]，但单纯依靠运动鞋的鞋帮和外部鞋底缓冲人体高强度动作的冲击力还是远远不够的[2]。跑步鞋的鞋底一般分为三层:摩擦性较好的外底、缓冲性较好的中底以及贴合度较佳的内底。一般情况下，跑步鞋的鞋垫被认为是鞋底的内底结构，可以提高足部舒适度，完善与足部的贴合度，承担部分减震缓冲的功能。研究发现运动鞋垫可以有效改善鞋底与足的接触面积，从而调节足底压力分布;可以降低胫骨前肌、腓骨长肌、腓肠肌外侧肌的肌肉收缩的力量。主要是由于鞋底和鞋垫的减震缓冲结构可以吸收较多的冲击力，从而消耗传输到足部的能量，使得完成同样动作所需的肌力变小[3]，而且鞋垫的设计还可以延长运动鞋的使用寿命，增加吸附汗渍、除臭、防滑等附加功能，所以功能鞋垫深受广大用户的喜爱与关注。目前市场上有较多款式的功能鞋垫，如缓冲垫、稳定垫、控制垫等。其中缓冲垫使用人群较多。其基本减震材料有EVA、压缩 EVA、PU、PVC或由这几种材料混合制成[5]。常见的单一材质鞋垫、PU+EVA复合鞋垫、普通硅胶鞋垫、足弓支撑鞋垫等，均是减震缓冲、舒适性较佳的吸震鞋垫[4]。但由于不同材料厚度和弹性对于鞋垫的回弹性有很大的影响，所以市面上还有一些吸震垫片、缓冲囊等辅助性材料，主要针对足底不同位置进行设计搭配，因而进一步增加了鞋垫弹性和功能。本研究主要对目前市面上流行的两款跑步鞋垫(有垫片的鞋垫及混合底材鞋垫)进行跑步机测试研究，对比其与运动鞋自带鞋垫(单一材质鞋垫)、以及没有任何鞋垫跑步运动时的肌电表现，从跑步鞋垫的功能真实性角度进行探究，为消费者正确消费提供参考。

2 研究对象及方法

2．1 研究对象及鞋垫说明

测试对象选取北京体育大学中长跑专项的学生14名，其中男11名，女3名。身体健康，测试前无大强度运动，均为右利腿，具体信息如表1所示。分析所有受试者在10km/h的跑步机速度下分别着无鞋垫、跑鞋自带鞋垫、鞋垫A和鞋垫B的跑鞋跑步时右侧下肢腓肠肌内侧、腓肠肌外侧、股直肌和股二头肌的肌电信号。为排除鞋底其他材料对实验的干扰，特选取多威马拉松竞速跑鞋为实验统一用鞋，型号为MR9666(如图1所示)。

图1 多威马拉松竞速跑鞋(型号MR9666)

表1 受试者基本信息(¯±SD，n=14)

表1 受试者基本信息(¯±SD，n=14)

BMI 19．07 ±2．50 175．29 ±6．16 61．93 ±6．05 20．11 ±1．34年龄(岁) 身高(cm) 体重(kg)

实验的三款鞋垫功能及参数如下:

鞋垫类型:跑鞋自带鞋垫。材质:全面BK布。功能:缓冲、透气、增加贴合度和舒适感。其他设计:整体打透气孔。

鞋垫类型:慢跑鞋垫A。材质及面材:水蓝色BK布;底材:军绿色凉感除臭材料(聚氨酯发泡)。功能:止滑、减震、缓冲、透气、抗菌、足跟稳定性强。其他设计:垫片为2mm，后跟包裹设计;厚度为 前掌5mm后跟7mm;硬度为邵C25～30度(背面测量);回弹性为大于45%;压缩变形率为小于10%。

鞋垫类型:中长跑鞋垫B。材质及面布:水蓝色 BK布;底材:白色E－TPU颗料与PU混合灌注成型。功能:止滑、高回弹、耐压缩、足弓支撑、足跟稳定性强。其他设计:后跟包裹设计;厚度为前掌4．3mm、后跟5．3mm;硬度为邵 C 35 ～40 度(背面测量);回弹性为大于55%;压缩变形率为小于20%。

2．2 研究方法

2．2．1 文献资料法在中国知网、百度学术搜索“鞋垫、跑步、肌电”等中英文关键词，对文献进行下载、研读。

2．2．2 肌电测试法采用美国NORAXON无线表面肌电测试仪对受试者的右侧下肢肌电进行了采集。测试前对着无鞋垫跑鞋的受试者右侧下肢肌肉进行擦拭、剃毛、粘贴肌电电极、测试电极信号等工作，然后待受试者热身后在跑步机上2分钟内进入到10km/h的跑步状态，待其跑步状态稳定时采集10s左右的肌电数据，检查数据有效性后缓缓停止跑步，再依次采集穿着跑鞋自带鞋垫、慢跑鞋垫A和慢跑鞋垫B的下肢肌电数据，且各次采集间受试者均充分休息;测试后运用MR3．0对肌电数据进行整流、平滑、滤波，再结合测试视频，观察截取三个完整复步的肌电数据并导出。

2．2．3 数理统计法运用Excel表格对预处理后的肌电数据进行整理，并运用SPSS对数据进行配对t检验，对比分析四种不同鞋垫状态下各肌肉肌电的差异情况。P值小于或等于0．05代表有统计学差异;P值小于或等于0．01代表有显著统计学差异;P值小于或等于0．001代表有极其显著的统计学差异。

3 研究结果与分析

对四种状态下，受试者一个复步中下肢腓肠肌内侧肌、腓肠肌外侧肌、股二头肌、股直肌的表面肌电数据进行统计学分析。首先对各肌肉在四种状态下一个复步所用的时间进行统计学分析，发现四种状态下单个复步所用时间没有统计学差异。由于肌电信号与个体体重有关，因此对各肌肉在四种状态下一个复步的积分肌电进行体重标准化(即每个样本的积分积电分别除以自身的体重)后，再进行配对t检验，结果如表2所示。由表2可以看出，股直肌积分肌电值着鞋垫B低于无鞋垫、自带鞋垫以及鞋垫A(P＜0．05)。股二头肌积分肌电值无鞋垫高于自带鞋垫(P＜0．01)、鞋垫A、鞋垫B(P＜0．01)，股二头肌积分肌电值自带鞋垫高于鞋垫A、鞋垫B(P＜0．05);腓肠肌外侧肌积分肌电值无鞋垫高于鞋垫B(P＜0．05)，腓肠肌内侧肌积分肌电值无鞋垫高于鞋垫A、鞋垫B(P≤0．01)。其他类型无统计学差异。

表2 着不同类型鞋垫条件下下肢肌肉贡献率对比(n=14)

对四种类型的下肢肌肉贡献率进行配对t检验，结果如表2所示。四块肌肉的贡献率均没有表现出统计学差异。各鞋垫类型下跑步时下肢各块肌肉的肌电贡献率大致表现为腓肠肌内侧肌的贡献率最大，其次为腓肠肌外侧肌、股二头肌和股直肌。

由于肌电信号与个体的体重有关，对四种类型的下肢各肌肉肌电最大值进行各自体重标准化处理后对其进行配对t检验，结果如表3所示。由表3可以看出，股直肌标准化积分肌电值无鞋垫高于着鞋垫B(P＜0．05)，着鞋垫A高于着鞋垫B(P＜0．05);股二头肌标准化积分肌电值无鞋垫高于鞋垫A、鞋垫B(P＜0．05);腓肠肌外侧标准化积分肌电值无鞋垫高于着鞋垫B(P＜0．05)，腓肠肌内侧肌标准化积分肌电值无鞋垫高于着鞋垫B类型(P＜0．50)。其他各组标准化肌电最大值无统计学差异。

表3 着不同类型鞋垫条件下下肢肌肉标准化肌电最大值(n=14)

4 讨论

肌电是由神经、肌肉兴奋发放生物电产生。表面肌电信号就是从皮肤表面通过电极引导、记录的神经肌肉系统活动[6]，因此其时频特征可以直观反映肌肉的活动状态和用力大小[7]。在跑步运动中，机体通过足与地面进行缓冲、蹬伸动作过程，完成内力与外力的相互转化。因此在外力一定的情况下，足的接触面积、接触时间改变，会使得肌肉力量不同。对于长时间的跑步运动而言，跑鞋的优势表现在下肢负荷的分配管理和性能增强上[4，8]。前人研究认为单纯的跑鞋由于鞋腔内有一定的空余量和个体差异的原因，无法很好地实现跑鞋的减震性和稳定性[4]。市面上产出的较多的专业跑步鞋垫，通过选择不同厚度、材质、硬度可以有效地调整足的着地负荷[9]，减少着地冲击力，调整运动中足底压力的分布等[10]，从而影响下肢各肌群的肌电活动。

前人对不同厚度和硬度的鞋垫进行舒适度研究认为硬度在35度左右，厚度在前4．5mm、后7mm左右的鞋垫在行走中较为舒适[11，12]。庞阳康[13]等人对着不同跑鞋跑步时的下肢肌电进行研究，发现不同跑鞋结构对下肢肌电信号存在影响。本研究通过对着不同鞋垫跑步时下肢肌电情况进行研究，也同样发现，不同鞋垫结构对下肢肌肉放电情况产生影响。从图2各类型跑步时积分积电的表现可以看出着无鞋垫跑步对下肢各肌肉的积电积累均较其他类型大，说明无鞋垫长时间跑步会更易疲劳[14]。对比下肢四块肌肉的积分积电可以发现，鞋垫B在跑步运动中的吸震效果最佳，鞋垫A次之，运动鞋自带鞋垫其次，最后是无鞋垫。由此可见，鞋垫在运动中具有吸震缓冲的作用，专业的运动鞋垫吸震效果更佳。不同鞋垫类型下股直肌和股二头肌的积分肌电差异较大，说明鞋垫的减震作用对人体近端肌群的影响较大。对比鞋垫A和鞋垫B可以发现，两款鞋垫的厚度和硬度不同。前人曾研究发现材料厚度对弹性值的影响约为63%，而材料硬度对其弹性值的影响约为50%[4，8]。硬度太小(小于11．7度)，鞋垫太软，对足的定型能力差，相对吃力，能量回归差;而硬度太大时(大于80度)避震效果差、易疲劳且不舒适[11]。从两款专业鞋垫的参数对比来看，两款鞋垫硬度相差不大，均在较适宜的硬度上，但鞋垫A相对较鞋垫B厚且软，因此在10km/h的速度跑步时鞋垫A压实，不利于发挥其缓冲作用[15]，所以其吸震作用和能量回归相对较差。运动鞋自带鞋垫的腓肠肌内侧肌肉的积分肌电较其他类型大，可能是由于自带鞋垫硬度相对较低，填充了运动中足纵弓与鞋底的接触，使得缓冲中足内侧压力较大[16]，从而使得腓肠肌内侧肌的积分肌电上升，也说明长时间跑步易造成小腿内侧疲劳。

图2 不同状态下肌肉的积分肌电对比分析

从不同鞋垫类型下肌肉贡献率上来看，未表现出统计学差异，说明穿鞋垫跑步对下肢动作的运动模式无大影响。腓肠肌内侧肌用力最大，其次是腓肠肌外侧肌，再次是股二头肌，最后是股直肌。虽然个别贡献率有所变化，主要是鞋垫不同程度地减少了各肌肉的参与度，而且鞋垫B可以更有效地降低了股直肌的参与，延迟了疲劳的出现。而小腿肌的肌电贡献率上升主要是由于整体肌电下降造成的。从不同鞋垫类型下各肌肉在一个跑步周期里的最大值统计中，可以看出穿鞋垫跑步均有效降低了跑步中下肢肌肉的最大值，且鞋垫B的降低最大，说明其减震效果最好。鞋垫A由于在足跟部设有垫片，所以对后侧肌群，尤其是对股二头肌的积分肌电、贡献率、最大值降低程度更大，说明鞋垫A更有利于保护股二头肌，延缓大腿后侧肌群的疲劳。

5 结论与建议

5．1 结论

(1)在10km/h的速度下，着鞋垫跑步比无鞋垫跑步，可以有效减少下肢肌肉的冲击，起到更好的减震作用，延缓肌肉疲劳的发生。

(2)在10km/h的速度下，专业跑步鞋垫比运动鞋自带鞋垫的减震作用更好，且对大腿肌群的疲劳有更好的延迟作用。鞋垫A有利于保护大腿后侧肌群;鞋垫B较其他鞋垫优势更为明显，更有利于保护大腿前侧肌群。

5．2 建议

(1)在参与体育锻炼时，应尽量着鞋垫，保护下肢肌群，预防损伤。

(2)针对长时间的跑步爱好者，建议选择专业跑步鞋垫。购买时应根据自身肌肉状态和身体情况，有侧重地选择保护性更强的鞋垫。