鞋垫硬度对人体姿势稳定性的影响

汤运启， 邹灵秋， 秦 蕾， 王修行， 吴 丹， 戴欣然

(1.陕西科技大学 设计与艺术学院, 陕西西安 710021； 2.军事科学院 系统工程研究院 军需工程技术研究所， 北京 100010； 3.上海体育学院 运动科学学院， 上海 200438)

0 引言

军事训练是作战准备的重要组成部分，士兵军事训练中损伤发生率的降低受到世界各国军事组织的广泛关注[1].高强度的军事训练项目极易对士兵造成直接或间接的运动损伤，如关节扭伤等轻度甚至重度的急性损伤[2-4]，对士兵的身心健康造成较大的影响，也极大地影响了军事训练效果和部队的战斗力.研究表明，训练损伤的影响因素很多，训练量过大、没有做好热身、技术掌握不熟练、不合适的防护靴[5]等均可能是导致士兵训练伤的主要因素.防护靴作为士兵训练的常用装备在日常军事训练时发挥着重要作用，防护靴的稳定性、减震性、止滑性能等均会影响士兵训练时的运动表现，其中防护靴的稳定性在预防运动损伤方面显得尤为重要.

影响防护靴稳定性的因素有很多，鞋帮、鞋底和鞋垫等部件的结构和材料均可能影响防护靴稳定性.鞋垫作为鞋部件中与足底直接接触的部分，对鞋靴的舒适性有着重要影响，前人关于鞋垫的材质、厚度、硬度和形状等方面开展了一系列的研究，Antonio P J等[6]的研究结果表明，鞋垫的硬度的增加可以提高老年人的步态稳定性，但是鞋垫硬度的改变是否能够影响军人群体的稳定性尚未见报道.

人体的稳定控制是复杂的神经肌肉系统共同作用的结果.人体稳定性的评价方法有很多种，常见的有静态稳定性、动态稳定性测试两种方法.A.W E等[7]提出了一种新型动态平衡测试方法：使用三维测力台测试人体跳跃落地后的前后、左右和垂直方向的地面反作用力，并在地面反作用力的基础上根据公式计算动态姿势稳定指数(Dynamic Posture Stability Index，DPSI)，以该指标表征人体的动态稳定性，并验证了该方法的可行性.Sell T C等[8]研究表明，动态稳定指数在评价动态稳定性上具有较高的信度，同时在评价健康人动态稳定性的方法上，单脚支撑的测试方式可增加测试的难度，让测试结果更具有可靠性.尹彦等[9]的研究表明向前和向侧方向的落地动作测试均可作为评价人体动态姿势稳定性的测试方法.因此，可以借鉴此方法来探究鞋垫硬度的变化对人体稳定性的影响.

前人关于防护靴鞋垫的研究大多集中在材料和结构对减震性[10]的影响，而关于鞋垫硬度在防护靴稳定性的影响尚未见报道.因此，本研究的研究目的是通过前跳、侧跳测试动作来探究鞋垫硬度对人体姿势稳定性的影响，并为鞋靴的设计提供理论依据和数据支撑，以期降低士兵军事训练中受急性损伤的风险.本研究假设一：与无鞋垫相比，鞋垫的加入可以提高人体的姿势稳定性能；本研究假设二：随着鞋垫硬度的增大，人体姿势的稳定性逐渐提升.

1 实验部分

1.1 研究对象

本研究随机招募了20名(男女各10名)身体健康的在校大学生(年龄：20.3±1.4岁；身高：167.2±8.1 cm；体重，59.3±7.8 kg；鞋码，男性41码、女性37码)参与本研究.实验前将告知受试者测试过程，且所有受试者均签署了知情同意书.

纳入标准如下：

(1)年龄为18～25岁的在校大学生；

(2)身体健康，具有规律的运动习惯.

排除标准为：

(1)踝关节不稳者；

(2)半年内下肢做过手术；

(3)曾患有神经系统类疾病；

(4)无法按照要求全部完成测试动作.

1.2 实验材料

本实验选用了三种不同硬度的PU发泡鞋垫作为实验用垫，鞋垫的厚度为前掌5 mm、后跟7 mm.本研究根据鞋垫硬度将鞋垫分为A组：软质鞋垫(Soft,20 °Shore C )、B组：中等硬度鞋垫(Medium,35 °Shore C )和C组：硬质鞋垫(Hard,50 °Shore C )，其中中等硬度鞋垫为防护靴配置的原鞋垫，并将无鞋垫(No)设为空白对照组，以判断鞋垫的加入是否会影响防护靴稳定性.为减少鞋靴对测试结果造成影响，本研究选用同一款防护靴.另外，本研究中，女鞋和男鞋的尺码分别为37码和41码.

1.3 实验设备

(1)采用Kistler三维测力台(9281EA，瑞士)，测量前跳、侧跳动作落地时的三维地面反作用力，采样频率设为1 000 Hz.

(2)身高体重测量仪(GL-310P，韩国)，用于测量受试者身高、体重、BMI等数据.

1.4 实验流程

测试时，受试者随机穿上配有硬质鞋垫、中等硬度鞋垫、软质鞋垫以及未放置鞋垫的防护靴，并做好热身运动，准备测试.前跳测试开始时，受试者双脚站立于三维测力台的正后方(距离三维测力台边沿约为受试者身高的40%处).听到指令后，受试者双腿起跳，向前越过跨栏(跨栏高度30 cm)并以非优势腿单脚落于三维测力台上，双手放在髋部两侧以最大能力尽快保持平衡[8]，动作如图1(a)所示.侧跳测试开始时，双脚站立于三维测力台长轴右侧(距离三维测力台约为受试者身高的33%处)，测试人员发出指令的同时开始采集数据，受试者听到指令后，双脚起跳向侧向越过跨栏(跨栏高度约16 cm)并以非优势腿单脚落于三维测力台上，双手放在髋部两侧，并尽全力在最短时间内尽快保持平衡，测试时间为10 s，动作如图1(b)所示.

1.5 数据处理和实验参数

利用Bioware软件截取受试者每次落地后3 s的原始数据，包括侧向(X轴)、前后(Y轴)和垂直(Z轴)三个方向上的地面反作用力(Ground reaction force,GRF).具体的参数与计算公式[7]如下：

左右方向稳定指数(Medial lateral stability index,MLSI)：该指标可以表示人体的侧向稳定性.

(1)

(2)

垂直方向稳定指数(Vertical stability index,VSI)：表征人脚在垂直方向上的稳定性.

(3)

动态稳定指数(Dynamic postural stability index,DPSI)：可以表征人体的总体稳定性.MLSI、APSI、VSI和DPSI等指标的值越大，稳定性越差；值越小，稳定性越好.

VSI=

÷Body Weight

(4)

式(4)中：Fx、Fy、Fz分布代表侧向、前后和垂直三个方向上的地面反作用力.

1.6 统计分析

各样本数据的正态性检验采用Shapiro-Wilk检验，并且采用Levene′s检验进行方差齐性检验.采用单因素重复测量方差分析(One-way ANOVA with repeated measures)观察鞋垫硬度对各指标的影响，若方差检验具有显著性，则采用Bonferroni检验进行事后两两比较，以此确定差异具体来自于哪两种水平.显著性水平α设为0.05.本研究中所得的参数均用平均值±标准差表示，并采用统计软件SPSS 21.0(IBMS，NY，USA)进行数据分析.

2 结果与讨论

本研究旨采用前跳和侧跳两种动作根据动态稳定指数等指标探讨鞋垫硬度对人体动态稳定性的影响.结果表明，前跳动作下，鞋垫硬度对人体侧向稳定性的影响具有显著性(p<0.05)，事后检验结果显示，受试者穿着配有硬质鞋垫防护靴在完成前跳动作时的MLSI显著大于无鞋垫的防护靴，而Soft、Medium和Hard三种硬度的鞋垫之间的DPSI、APSI、MLSI和VSI等四个指标的差异均不具有统计学意义(p>0.05)，如图2所示.

(a)前跳动作下不同鞋垫的MLSI

(c)前跳动作下不同鞋垫的VSI

(d)前跳动作下不同鞋垫的DPSIMLSI表示左右方向稳定指数，APSI表示前后方向稳定指数，VSI表示垂直方向稳定指数，DPSI表示动态姿势稳定指数；No表示无鞋垫，Soft表示软质鞋垫，Medium表示中等硬度鞋垫，Hard表示硬质鞋垫；*表示两种条件相比差异具有显著性.图2 前跳测试动作不同鞋垫条件下MLSI、APSI、VSI、DPSI的比较

如图3所示，侧跳动作下，鞋垫硬度对DPSI、APSI、MLSI和VSI等指标的影响均不具有统计学意义(p>0.05).

本研究结果部分支持研究假设一：在前跳动作下，配有硬质鞋垫的防护靴的侧向稳定性显著优于无鞋垫的防护靴，而在侧跳动作下，有鞋垫和无鞋垫防护靴之间稳定性均无显著性差异(P>0.05)，如图3所示.本研究结果与Gerych D等[11]的研究结果相一致，该研究表明，鞋腔中鞋垫的加入可以起到减震和缓冲的作用，同时通过鞋垫的变形能够增加中足的接触面积，而前人的研究结果表明足底接触面积的增加有助于提高人体的稳定性[6,11-13].此外，Perry等[14]的研究结果表明，在不平坦的地形上行走时，特定的鞋垫会影响控制身体运动的能力，在一定程度上可以改善人体横向稳定性的控制[14].根据Wyon Matthew A等[15]的研究，舞者在跳跃时，使用前掌着地的策略，可能会产生较少的向前动量和需要最小的制动力.因而，落地姿势的不同可能是造成前跳动作下硬质鞋垫与无鞋垫相比，只有侧向稳定指数有显著性差异的原因.

(a)侧跳动作下不同鞋垫的MLSI

(b)侧跳动作下不同鞋垫的APSI

(c)侧跳动作下不同鞋垫的VSI

(d)侧跳动作下不同鞋垫的DPSIMLSI表示左右方向稳定指数，APSI表示前后方向稳定指数，VSI表示垂直方向稳定指数，DPSI表示动态姿势稳定指数；No表示无鞋垫，Soft表示软质鞋垫，Medium表示中等硬度鞋垫，Hard表示硬质鞋垫.图3 侧跳测试下不同鞋垫条件下MLSI、APSI、VSI、DPSI的比较

本研究结果拒绝研究假设二：在前跳和侧跳动作下，软质鞋垫、中等硬度鞋垫和硬质鞋垫相比，各稳定性指标的差异均无统计学意义，即鞋垫硬度的改变并不能引起防护靴稳定性的变化.前人关于稳定性的研究大多集中在老年人群体中，本研究结果与前人研究中有关鞋垫硬度对老年人群稳定性影响的结果不一致.Losa Iglesias M E等[12]的研究结果表明，在老年人群体中使用硬质鞋垫时对人体稳定性的改善更为显著.造成结果不一致的可能的原因是受试者不同所导致的，本研究所招募的受试者是健康青年男女，健康青年人群的肌肉骨骼系统功能正常，在应对外界刺激时，人体的神经肌肉系统可以快速做出反应，使人体处于稳定状态下，而鞋垫硬度的改变所引起的稳定性的影响可能由于人体做出的神经肌肉调控而在结果上并未显现出来[16-18].而老年人由于衰老其身体肌肉功能开始退化，足底的皮肤感受器功能降低，其自身的稳定性较差，此时硬质鞋垫通过刺激可以给足底皮肤感受器提供较好的神经反馈，以提高老年人的稳定性[18-20].

本研究也存在一定的局限性，仅通过前跳和侧跳测试收集了地面反作用力的数据，未能采集下肢表面肌电图学数据和关节角度等运动学数据.另外，本研究设置鞋垫硬度的梯度值较少，建议在后续的研究中，可使用表面肌电、关节力矩与质心位移等参数，设置多个鞋垫参数对照组，进一步探究不同硬度下鞋垫对人体稳定性能的影响.

3 结论

本研究探讨了无鞋垫以及不同硬度鞋垫对前跳和侧跳任务下各方向稳定性的影响，研究结果表明：与无鞋垫的防护靴相比，配有硬质鞋垫的防护靴在人体完成前跳任务的侧向稳定性有所提升；受试者穿着配有软质鞋垫、中等硬度鞋垫和硬质鞋垫的防护靴完成前跳和侧跳动作时不同方向上的稳定性均无显著性差异.本研究结果表明，鞋垫硬度不是影响人体稳定性的主要因素.建议应从鞋底和帮面的材料和结构等其他方面进一步开展研究，以提高防护靴的稳定性