3D功能性鞋垫对大学生高山滑雪运动中下肢肌电的影响研究

摘要：本研究运用文献资料法、实验法和数理统计法等研究方法，采用中国智芸薇™无线肌电测试系统获取大学生高山滑雪运动中下肢优势侧积分肌电值（iEMG）数据，并通过配对样本T检验对比三种鞋垫对大学生高山滑雪中下肢肌电的影响，帮助滑雪运动员选择合适的滑雪鞋垫。研究结果发现，在室内模拟滑雪机坡面14°和运行速度25km/h情况下，3D功能性鞋垫能显著减轻下肢疲劳，增强肌肉贡献率与关节稳定性，相比其他两种鞋垫功能更具优势。

关键词：3D功能性鞋垫 高山滑雪 积分肌电值

中图分类号：G818 文献标识码：A 文章编号：1006-8902-（2024）-20-151-3-TBB

1、前言

近年来，3D打印技术快速发展，尤其在运动辅具制造方面展现出巨大潜力。在国外，该技术已广泛应用于运动鞋垫领域，为运动员提供个性化的支撑和矫正。然而，在国内该领域的研究和应用仍处于起步阶段。高山滑雪中，双足的保护和支撑至关重要，其鞋垫通常被视作鞋底的内底结构，不仅能提升足部舒适度与贴合度，同时提示部分减震缓冲的功能，降低传输至足部的能量，减少完成特定动作所需的肌肉力量，但其自带鞋垫的功效有限。因此，利用3D打印技术为高山滑雪运动员定制个性化鞋垫，有望提高其运动表现性与安全性。此外，一款适合脚型的鞋垫能有效延长雪鞋的使用寿命，同时还具备吸附汗渍、除臭、防滑等附加功能。本研究旨在比较高山滑雪鞋自带鞋垫、普通功能性鞋垫和3D功能性鞋垫等三种鞋垫在高山滑雪运动中对大学生下肢优势侧肌电表现的影响。通过鞋垫真实功能性分析，为高山滑雪运动员提供关于滑雪鞋垫选择的科学建议。

2、研究对象及方法

2.1、研究对象

鞋垫简介：本研究共选用室内雪场提供双板滑雪鞋（雪鞋自带鞋垫）、淘宝购入普通功能性鞋垫和定制3D功能性鞋垫三款鞋垫。

从东北师范大学体育学院冰雪专项班选拔了12名同学作为测试对象。入选标准为熟练掌握高山滑雪基本技能、身体健康状况良好、无不良嗜好、近6个月内未出现严重下肢损伤、无长短腿问题，并持有滑雪社会指导员职业资格证书。分析所有测试对象在室内模拟滑雪机（Alpine Engineering）上分别穿着雪鞋自带鞋垫、普通功能性鞋垫以及3D功能性鞋垫按滑行坡面14°和滑行速度25km/h直线滑行时10s的下肢优势侧股直肌、股外侧肌、股外侧肌、腘绳肌和臀大肌的积分肌电值（iEMG）。由于高山滑雪鞋鞋帮较高，不便测试小腿相关肌群的iEMG。

2.2、研究方法

（1）文献资料法。

通过在中国知网、万方、维普和读秀等中文数据库以及Web of Science英文数据库中使用“3D功能性鞋垫”“鞋垫”“3D functional insole”等关键词进行检索，获取相关文献资料。通过对文献的梳理和归纳，为本文的撰写及实验设计提供了充足的理论基础。

（2）实验法。

采用中国智芸薇™无线肌电测试系统对测试对象下肢优势侧各肌群的积分肌电值（iEMG）进行精确采集。在测试开始的前一天，特别提醒测试者注意身体清洁，以确保测试部位符合标准，测试当天，测试者需穿着校服短裤参与实验。在数据采集过程中，用酒精棉球对需要粘贴肌电贴的部位进行仔细擦拭，以确保肌电贴与皮肤的紧密粘贴（毛发较为茂密者需进行毛发剔除，避免毛发对肌电信号传导的影响）。一切准备就绪后，打开滑雪机开关，让测试对象在滑雪机上进行1min的适应性滑行，使其逐渐熟悉测试环境和滑行动作。适应性滑行结束后，通过中国智芸薇™无线肌电测试系统精确捕捉10s测试对象直滑降时下肢优势侧iEMG数据。按照雪鞋自带鞋垫、普通功能性鞋垫以及3D功能性鞋垫的顺序进行测试。每次更换鞋垫后，给测试对象1min间歇时间，具体间歇时间以测试对象的体能恢复情况为准。

（3）数理统计法。

运用Excel表格对测试对象的身高、体重、年龄、性别以及优势侧进行统计并在实验测试结束后对测试对象的下肢优势侧的iEMG进行整理。运用SPSS26.0软件对测试后的数据进行配对样本T检验，对比分析测试对象穿着雪鞋自带鞋垫、普通功能性鞋垫以及3D功能性鞋垫直滑降时优势侧各肌肉iEMG的差异情况。根据统计学标准，当P值≤0.05时，我们认为存在统计学显著差异；当P值≤0.01时，表明差异非常显著；若P值＞0.05，则意味着差异不显著。

（4）逻辑分析法。

在采用文献资料法的基础上，采用归纳分析法对相关文献资料进行了系统的整理，并通过对比类似文章的研究内容和观点，全面了解3D功能性鞋垫的研究现状及其在体育运动领域的发展情况，确保文章撰写准确。

3、研究结果与分析

3.1、下肢优势侧积分肌电值的测试结果与分析

在穿着不同鞋垫的条件下，对受试者滑行过程中下肢优势侧股直肌、股内侧肌、股外侧肌、腘绳肌、臀大肌的积分肌电值数据进行统计学分析。测试对象下肢优势侧iEMG的具体数值（如表2所示），并通过簇状柱图（如图2所示）进行直观展示。

通过对测试对象的下肢优势侧iEMG的测试数据进行配对样本T检验后，发现3D功能性鞋垫与雪鞋自带鞋垫对下肢优势侧股外侧肌、腘绳肌以及臀大肌的iEMG均有影响，对股外侧肌iEMG的影响存有显著差异（P＜0.05），对腘绳肌和臀大肌iEMG的影响存有非常显著的差异（P＜0.01）。与普通功能性鞋垫相比，雪鞋自带鞋垫对股外侧肌的影响非常显著（P＜0.01）。此外，3D功能性鞋垫与普通功能性鞋垫对腘绳肌的iEMG影响也存有显著差异（P＜0.05）。其他不同类型鞋垫相比较的情况下下肢优势侧肌群iEMG无统计学差异。

图2 下肢优势侧积分肌电值图

3.2、下肢优势侧不同肌群贡献率的测试结果与分析

在穿着不同鞋垫的条件下，对受试者滑行过程中下肢优势侧股直肌、股内侧肌、股外侧肌、腘绳肌、臀大肌的贡献率数据进行统计学分析。测试对象下肢优势侧肌群贡献率的具体数值（如表3所示），并通过簇状柱图（如图3所示）进行直观展示。

通过对测试对象的下肢优势侧iEMG的测试数据进行配对样本T检验后，发现3D功能性鞋垫与雪鞋自带鞋垫对测试对象下肢优势侧股直肌贡献率的影响有非常显著差异（P＜0.01），而对股内侧肌、股外侧肌、腘绳肌的贡献率仅有显著差异（P＜0.05）。此外，雪鞋自带鞋垫与普通功能性鞋垫对测试对象下肢优势侧股内侧肌贡献率的影响也存有显著差异（P＜0.05）。其他不同类型鞋垫相比较而言，在这些肌群上的iEMG无统计学差异。

4、讨论

4.1、不同鞋垫类型对下肢优势侧积分肌电值的影响

肌电信号源于脊髓运动神经元，iEMG是表面肌电信号中的一个关键指标，用于量化一定时间内参与活动的肌肉放电总量。它不仅能够揭示参与活动的运动单位数量及其放电情况，还能实时反映肌肉的活动状态和收缩特性。此外，iEMG值的大小直接反映了肌肉运动单位所消耗的能量多少，因此其幅值的大小可以作为评估肌肉疲劳程度的重要指标。

本研究发现，对于测试对象的下肢优势侧，不同鞋垫对于引起的下肢疲劳具有差异。如表2所示，当测试对象穿着3D功能性鞋垫滑行时，与雪鞋自带的鞋垫相比，在相同滑行条件下，下肢优势侧的整体疲劳程度明显较低。尽管股直肌的iEMG有轻微上升，但这种变化并不具有统计学上的显著性（P＞0.05）。与此同时，雪鞋自带鞋垫与普通功能性滑雪鞋在股外侧肌方面的差异极为显著（P＜0.01）。值得注意的是，3D功能性鞋垫与普通功能性鞋垫不仅在腘绳肌方面存在显著差异（P＜0.05），而且在减轻臀大肌和股外侧肌的疲劳程度方面也有所帮助，尽管这些帮助尚未达到统计学上的显著性差异水平。

综上，从下肢优势侧各肌群的疲劳情况来看，定制的个性化3D功能性鞋垫在完成相同难度任务时，能够有效减轻使用者的疲劳感，从而延长运动时间或在有限水平的基础上挑战更高难度的任务。这一点也得到了Tomaro和Vanicek等研究者的进一步证实，他们发现3D打印矫正功能性鞋垫在减少股外侧肌疲劳方面具有显著效果，这种作用可以有效延长下肢肌肉的活动时间。考虑到高山滑雪运动通常在广阔且海拔较高的雪地进行，那里的空气稀薄，使得在进行相同的运动时运动员更容易产生疲劳。对于热衷于滑雪的业余爱好者而言，滑雪活动往往持续时间较长。为了降低疲劳感并提升身体适应性，除了提升有氧代谢能力外，拥有一副符合个人足部特征的定制化鞋垫显得尤为重要。

4.2、不同鞋垫类型对下肢优势侧肌群贡献率的影响

当肌肉承受更大的负荷时，其收缩力度会增强，同时，iEMG也会相应增加，两者呈现正比关系。表面肌电技术能够揭示运动单位的活化状态及神经支配特点，并精确评估参与运动的肌肉的贡献率。具体而言，肌肉贡献率指的是在一次特定测试动作中，各肌肉所产生的积分肌电值占所有测试肌肉积分肌电值总和的百分比。

本研究发现，对于提升臀大肌在运动过程中的贡献率，3D功能性鞋垫与其他两种鞋垫无统计学差异。3D功能性鞋垫与雪鞋自带鞋垫相比较而言，在股直肌、股内侧肌以及股外侧肌方面都有提升贡献率，且存有显著性统计学差异（P＜0.05），3D功能性鞋垫与普通功能性鞋垫相比较而言，仅在股外侧肌贡献率方面存有统计学差异（P＜0.05）。此外，在股直肌和股内侧肌贡献率方面存有较好的优势，尽管没有表现出统计学上的差异。普通功能性鞋垫与雪鞋自带鞋垫比较而言，在提升股直肌、股内侧肌以及股外侧肌贡献率方面较好，其中对于提升股内侧肌的贡献率方面存有显著性的差异（P＜0.05）。众所周知，高山滑雪是一项速度与技巧的完美结合的高度危险性运动，它要求运动员具备高度敏捷、反应迅速、平衡能力等素质。下肢肌肉力量贡献率的提高不仅为运动提供充足的源动力，还通过稳定骨关节来确保运动的准确性、流畅性和安全性。

综上，在同等运动情况与自身能力水平下，3D功能性鞋垫能够有效提升下肢各肌群的肌肉贡献率，增强下肢关节稳定性，减少运动损伤发生与提升运动表现。对于提升滑行运动过程中下肢肌肉整体贡献率，3D功能性鞋垫有效性＞普通功能性滑雪鞋垫＞雪鞋自带鞋垫。

5、结论与建议

5.1、结论

3D功能性鞋垫能有效减轻下肢优势侧肌群的疲劳程度，延长运动时间或适合更高难度的任务。

3D功能性鞋垫在提升滑行运动中下肢肌肉贡献率和关节稳定性方面优于普通功能性鞋垫和雪鞋自带鞋垫，对于需要高度敏捷和平衡能力的高山滑雪运动员至关重要。

5.2、建议

对于参与滑雪活动的爱好者，建议选购功能性滑雪鞋垫。选购时，应依据个人的肌肉状态和身体条件，有针对性地挑选功能性滑雪鞋垫，以便在提升滑雪舒适度的同时，确保运动安全。

对于专业高山滑雪运动员而言，应优先考虑穿着个性化定制的3D功能性鞋垫。这能够精确保护下肢肌群，预防潜在的运动损伤，提高肌肉的工作效率，帮助运动员在竞技场上表现更加卓越。

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