足弓支撐功能鞋墊對競走運動員足底壓力分布的影響

王康康，王一樂，郭 翔，宋祺鵬，張 翠

(1.河南師范大學體育學院，河南新鄉 543007;2.南陽師范學院，河南南陽 473000;3.新泰市第二中學，山東新泰 271200; 4.山東省體育科學研究中心，山東濟南 250014)

足弓支撐功能鞋墊對競走運動員足底壓力分布的影響

王康康1，王一樂2，郭 翔3，宋祺鵬4，張 翠4

(1.河南師范大學體育學院，河南新鄉 543007;2.南陽師范學院，河南南陽 473000;3.新泰市第二中學，山東新泰 271200; 4.山東省體育科學研究中心，山東濟南 250014)

通過分析競走運動中運動員的足底壓力特征，研究足底功能鞋墊對減小足底壓力和降低競走運動員過度使用性損傷的效果。研究對象:20名男性競走運動員;年齡20.19 ±2.66歲;身高178.85±14.07厘米。每名受試者分別穿功能鞋墊和不穿功能鞋墊來完成測試。使用足底壓力鞋墊來收集足底壓力的數據。使用雙因素方差分析(Two way ANOVA)來確定兩個條件之間的差異。結果顯示足底功能鞋墊能夠減小跖骨頭和足跟的壓強峰值和沖量，表明功能鞋墊能夠降低這些部位過度使用性損傷的風險。穿功能鞋墊時地面反作用力第一峰值下降，表明足底功能鞋墊能夠降低足部和腿過度使用性損傷的風險。

足底壓力;足弓;支撐功能;鞋墊;競走;過度使用性損傷

競走運動，尤其是5公里和10公里項目，在近年來越來越流行，正在快速成為熱門休閑健身運動項目［1］。造成這種流行性趨勢的原因可能是由于人們認為競走是一項能夠提供足夠的健身效果，而且對人體傷害非常小的運動［2］。然而研究者們卻認為競走是一項高損傷率的運動。Francis等人［1］做了682名競走運動員參與的調查問卷，發現有近2/3的競走運動員在職業生涯中發生過一次或者多次傷病。Sanzen等人［3］發現他們調查的競走運動員中90%的人在比賽中有疼痛感，剩余10%的人疼痛感貫穿整個比賽。Palamarchuk［4］對31名競走運動員做了統計，發現足跟、跖骨頭處的水泡，跟腱損傷和膝關節中部的疼痛是競走運動員的常發病。

競走是耐力性運動項目，其要求運動員要行走20至50公里。50公里競走項目是最長的田徑項目，比馬拉松還要長約7.8公里。一名67公斤的人獨立行走50公里每只腳要承擔2 016噸的重量［5］。因此，競走運動員極易造成水泡、跖痛、應力性骨折和膝關節疼痛等下肢末端的損傷。競走過程中運動員的足底要反復有力踏地1到4小時，在這段時間內跖骨頭和足跟等分區要承受很高的壓強和壓力，易發生過度使用性損傷。Karagounis等人［6］發現足底反復的踏地動作會導致足跖骨頭尤其是第二跖骨頭和第三跖骨頭的應力性骨折。Sanzen等人［3］發現競走過程中踏地時足跟壓力的增高會引起脛骨前肌肌群的拉傷，可能會促使一些部位產生常見的下肢損傷。Song等人［7］發現競走過程中地面反作用力的峰值要大于正常走路時地面反作用力的峰值，容易造成脛骨中部肌肉骨骼結構的扭傷;當肌肉骨骼系統過度負荷時，過度使用性損傷就會發生［8］。

圖1 足弓支撐功能鞋墊

功能鞋墊現在被廣泛運用于糖尿病的治療，矯正鞋墊和減壓鞋能夠降糖尿病患者落地時足底的壓力［9］。類似的，競走運動員過度使用性損傷發生的高幾率也與足底壓力有關［4，7］。在我們的研究中，使用足弓支撐功能鞋墊(國際生物力學公司)來減小競走過程中踏地時足底的壓力(圖1)。這種鞋墊增加了足弓位置的高度，并且加強了足跟位置的緩沖。足跟和跖骨頭的壓力被轉移到足弓部位以減小足跟和跖骨頭的壓強峰值和地面反作用力，從而達到降低足跟和跖骨頭部位過度使用性損傷的風險。本研究的目的是通過測量競走過程中足底壓力的分布來確定功能鞋墊的減壓效果。實驗假設功能鞋墊能夠降低跖骨頭和足跟的壓力，能夠降低地面反作用力，能夠改變足底壓力分布。

1 研究對象與方法

研究對象:山東省競走運動隊男性運動員20名，年齡20.19±2.66歲;身高178.85±14.07厘米。競走訓練史5年以上(包括5年)。運動員在測試前6個月到測試開始時無任何腿部疼痛或疾病。所有受試者測試前均簽署了實驗告知書。

實驗方案:每名受試者按平時的訓練方案進行30分鐘的熱身活動。然后，每名受試者分別以兩種實驗條件穿他們自己的競走運動鞋以最快競走速度的80%進行400米競走。條件1:雙腳穿功能鞋墊;條件2:雙腳不穿功能鞋墊。受試者進行兩種測試的順序是隨機的。采集每名受試者每400米最后100米的連續10步的足底壓力數據進行分析。

數據收集:使用足底壓力鞋墊(Rs-scan International，Olen，Belgium)來收集足底壓力數據，每只壓力鞋墊有99個電阻式傳感器，每平方厘米2個傳感器。傳感器的精度為0.5 N，每個傳感器的最大測力為127 N。當2個以上傳感器感應到超過5 N的壓力時，開始記錄數據。使用8 bit A/D轉換板將模擬信號轉換為計算機能夠識別的數字信號。壓力數據的采樣頻率為126 Hz。

數據整理:測試中計算8個足底壓力分區的壓強峰值和整只腳的地面反作用力。8個足底壓力分區分別為(圖2):足跟內側(Hm)，足跟外側(HI)，足弓內側(Vm)，足弓外側(Vl)，1～5跖骨頭(M1，M2，M3，M4，M5)和大拇趾(T1)。每個分區的壓力由每個分區所有傳感器測得的壓力的和得出。每個分區的平均壓強由每個分區的總壓力除以每個分區的面積得出。每只腳的地面反作用力由每只鞋墊上所有傳感器測得的壓力的和得出。地面反作用力和每只腳的分區受力都以受試者的自身體重做標準化。

數據分析:使用雙因素方差分析(Two way ANOVA)來確定每只腳10個不同分區和兩個測試條件之間的差異。測試條件為重復變量，每只腳的不同分區為獨立變量。如果足底不同分區的壓力與兩個條件之間無顯著的交互作用，但足的不同分區之間有顯著差異性，使用獨立t檢驗(Independent t-tests)來確定足底不同分區之間壓力的差異性。如果足底不同分區的壓力與兩個條件之間有顯著的交互作用，使用重復性單因素方差分析(One-way ANOVA with repeated measures)來確定每只腳同一分區不同條件下的差異和每個條件下每只腳不同分區之間的差異。當P＜0.05時，差異具有顯著性。

2 研究結果

通過數據分析，足的不同分區的壓強和測試條件之間無顯著交互作用。穿正常鞋墊時足底的最高壓強出現在跖骨頭和足跟分區。使用功能鞋墊能夠顯著降低這些分區的壓強，并增加足弓內側的壓強。與正常鞋墊相比功能鞋墊能夠降低T1(p=0.012)，Hm(p= 0.000)，Hl(p=0.000)，M1-4(p=0.005，0.000，0.002，0.031)的壓強(圖3)，增加Vm(p=0.000)的壓強，不改變M5(p=0.159)和Vl(p=0.173)的壓強。

圖2 :足底8個分區的壓力分區示意圖:足跟內側(Hm)，足跟外側(HI)，足弓內側(Vm)，足弓外側(Vl)，1～5跖骨頭(M1，M2，M3，M4，M5)和大拇趾(T1)

圖3 兩種不同條件下，足底不同分區的壓強比較*:穿功能鞋墊與不穿功能鞋墊存在顯著性差異

功能鞋墊同樣能夠影響足底沖量(壓強-時間積分)。與正常鞋墊相比，功能鞋墊能夠減低T1(p= 0.000)，M1-4(p=0.001，0.000，0.012，0.013)，Vl(p =0.006)，Hm(p=0.000)，Hl(p=0.000)的沖量(圖4)，增加 Vm(p=0.034)的沖量，不改變 M5(p= 0.159)的沖量。

競走時地面反作用力顯示為正常的雙峰曲線。使用功能鞋墊能夠使第一峰值下降(p=0.034)但對第二峰值無影響(p=0.078)(圖5)。

3 討論

圖4 兩種不同條件下，足底不同分區的沖量比較*:穿功能鞋墊與不穿功能鞋墊存在顯著性差異

圖5 兩種不同條件下，地面反作用力的比較*:穿功能鞋墊與不穿功能鞋墊存在顯著性差異

本研究顯示，足弓支撐功能鞋墊能夠減小跖骨頭和足跟分區的壓強峰值和壓力沖量，降低地面反作用力的第一峰值。這些發現和以前的一些研究成果相一致。Ibrahim等人［9］發現在治療糖尿病患者的過程中，矯正鞋墊和減壓鞋能夠減小足底踏地時的壓力。與此同時，Chang等人［10］發現適應性鞋墊能夠降低存在跖骨痛現象的老年人的足底壓強峰值，沖量和最大壓力。盡管足底壓強和過度使用性損傷的聯系已經被證明［11］，但本研究第一次嘗試了通過減小足底壓強來降低競走運動員過度使用性損傷的幾率。

一場競走比賽中運動員要有規律的反復的踏地18 000次到48 000次［12］。每一步足底壓力細微的減小，都能夠大幅度降低過度使用性損傷的風險。足弓支撐功能鞋墊能夠將足底前段和足底后段的壓力轉移到足底中段，因此，足底前段和足底后段的壓力減小［13］。我們的研究證明功能鞋墊能夠降低大腳趾，第一跖骨到足第四跖骨和足跟的壓強，這些壓力分區都是易損傷的部位［14］。此外，重復性的亞最大強度刺激能夠減小骨頭的承載能力，導致這些承載最大應力的足底分區的結構發生改變［6］。與走或跑的開始階段相比，足長時間反復的踏地，會使足底承載壓力的位置由足趾轉向跖骨頭，導致跖骨位置的壓強峰值變得更大，這種反復的踏地會導致跖骨，尤其是第二跖骨和第三跖骨的應力性骨折，這是由骨頭的強度和它所承載的負荷不相符造成的［6］。功能鞋墊能夠通過減小跖骨頭的壓強峰值，降低發生過度使用性損傷的風險。這些壓強的降低對競走和馬拉松這樣的長距離競賽項目是很有利的。功能鞋墊能夠降低足跟壓力的原因有三個:1)鞋墊中部的足弓支撐使壓力由足跟轉移到足的中部;2)鞋墊足后跟位置的杯形結構使跟骨處于一個更舒適的位置，使壓強按照預先矯正的方案重新分配;3)鞋墊的材料又厚又軟能夠緩沖震蕩。Sanzen等人［3］發現足跟壓強的增高會增加脛骨前肌肌群的拉力，這種現象可能會使競走過程中產生常見的下肢損傷。Song等人［7］證明，競走過程中最高的壓強峰值出現在足跟附近，得出結論競走過程中足跟容易發生損傷。總結，功能鞋墊能夠通過降低跖骨頭和足跟的壓強來避免過度使用性損傷的發生。

除了壓強峰值之外，我們也研究了沖量。足踏地時的沖量能為我們提供更多的信息，它既能夠體現壓力變化的幅度也能夠體現壓力持續的時間［15］。與壓強峰值相比，沖量能夠更敏感地預測損傷，沖量的大小與疼痛有著很密切的聯系［16］并且對舒適感具有更強的區別能力［17］。足底的高負荷不僅會損傷相應的足底部位，還會對身體的其余部位產生傷害。許多研究調查了應力性骨折潛在的原因，有好幾個研究將其歸因于落地時足底過高的負荷［6，18］，這些研究認為足底過高的負荷還會造成骨損傷的額外風險。總結，功能鞋墊能夠降低跖骨頭和足跟的負荷，從而可以降低各種損傷的風險。

Chiu［19］發現地面反作用力的峰值出現在足跟與地面接觸之后。這種峰值力量引起下肢的震動。當過度的負荷出現在足底時，人們常常通過調節他們的步態來避開最大沖擊。在正常走或跑時，人們能夠屈膝緩沖以減少負荷。然而，官方(國際田徑聯合會)規定了競走運動的規則。競走過程中，支撐期間支撐腿必須完全伸直。大腿的伸直，限制了競走過程中膝關節的緩沖作用。由于競走過程中地面反作用力的峰值大于正常行走時地面反作用力的峰值［7］，使脛骨中段的肌肉骨骼結構產生緊張，肌肉骨骼系統的過度負荷會引起過度使用性損傷。地面反作用力第一峰值力量的減小，表明功能鞋墊能夠降低足跟落地時豎直方向的地面反作用力，從而降低足和大腿損傷的風險。

4 結論

競走過程中使用功能鞋墊能夠通過減小跖骨頭和足跟的壓強峰值和沖量，降低這些部位發生過度使用性損傷的風險。地面反作用力第一峰值的減小，表明功能鞋墊能夠降低足跟落地時豎直方向的地面反作用力，從而降低足部和腿過度使用性損傷。

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Effect of functional insoles to p lantar pressure distribution of race walkers

WANG Kang-kang1，WANG Yi-le2，GUO Xiang3，SONG Qi-peng4，ZHANG Cui4
(1.School of P.E.，Henan Normal University，Xinxiang 543007，Henan，China;2.Nanyang Normal University，Nanyang 473000，Henan;3.Xintai No.2 High School，Xintai 271200，Shandong;4.Shandong Research Center of Sport Science，Jinan 250014，Shandong)

This study investigates the effectiveness of functional insoles on plantar pressure distribution during race walking so as to reduce the high plantar pressure and force on race walkers，who tend to suffer from overuse injury.A total of20 male racewalkers aged 21.19± 2.66 years and with amean height of 178.85±14.07 cm were recruited as subjects.Each participant completed a race walk with and without functional insoles.Plantar pressure insoles were used to collect plantar pressure data.A two-way analysis of variancewith amixed design was used to determine the difference between the two conditions.Results show that the use of functional insoles reduced the peak pressure and the impulse in themetatarsal heads and heels and thus suggest that functional insoles have reduced the overuse injury risks of these parts.The first ground reaction force peak also decreased.This result suggests that functional insoles have reduced the risks of foot and leg injuries.

arch-supported functional insoles;race walking;plantar pressure distribution; overuse injury

G804.61

:A

:1009-9840(2015)02-0080-04

2014-07-12

山東省體育局科研課題《動作技術差異對競走運動員體能消耗的影響》。

王康康(1981- )，男，河南新鄉人，講師，碩士，研究方向體育教育訓練學。