鞋底硬度對閩南地區(qū)中老年男性足底壓力的影響

王 欣，原競杰

(黎明職業(yè)大學 新材料與鞋服工程學院， 福建 泉州 362000)

目前，中老年人的健康成為全世界日益關(guān)注的焦點問題。中老年人在串聯(lián)行走時，足底筋膜技能減退可能導致中老年人姿勢控制能力下降。而慢步行走因其鍛煉效果明顯，不受時間和場地條件的限制，而成為目前國際上流行的健身運動。該運動強調(diào)鞋的緩沖減震性能及省力情況，不僅促進了鞋業(yè)的發(fā)展，也促使人們對科學健康的行走更加重視[1-2]。足部神經(jīng)器官遍布，其壓力舒適性與鞋靴舒適度，尤其是鞋底硬度密切相關(guān)。Benjamin等[3]利用鞋墊式足底壓力系統(tǒng)，測量跑步過程中足底壓力的分布特征，認為整體舒適度和前足底舒適度在跑步過程中會發(fā)生變化，第一跖骨、中足內(nèi)側(cè)和足跟的峰值壓力顯著增大。高毅等[4]經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，隨著年齡的增長，足跟區(qū)峰值壓強會逐步降低，有效接觸面積增大，有效接觸時間延長。馬新穎等[5]認為人體的健康狀況對足底多個區(qū)域的壓力及足部形態(tài)均有顯著影響，影響人體足部壓力舒適性，甚至造成人體平衡能力的下降。足部壓力還與年齡、體重等因素有一定相關(guān)性。周新楚等[6]認為中老年人因年齡增長，下肢控制能力降低，足前掌長時間與地面接觸面積增大、接觸時間增長，可以增加支撐的穩(wěn)定性，從而預防跌倒損傷的發(fā)生。基于此，本課題組對閩南地區(qū)中老年男性在穿著不同鞋底硬度的樣鞋行走時足底受力情況進行測試，通過對比足底受力差異，以期為中老年鞋在鞋底設計、選材和消費者選購上提供一定的參考。

1 實驗設備與過程

1.1 試驗設備

試驗設備選擇比利時RS-scan公司的Foot scan USB2平板式足底壓力測試系統(tǒng)，可以實時顯示足底壓力分布及足底形象的輪廓和各種數(shù)據(jù)。系統(tǒng)由硬件和軟件組成，硬件主要包括PC接口板、壓脈帶組件、線纜、尼龍護套和鞋墊式傳感器(平板式傳感器)，軟件為基于MS Windows 的壓力顯示和分析軟件，軟件界面如圖1所示。

圖1 Foot scan USB2分析系統(tǒng)界面

Foot scan USB2測試系統(tǒng)的標準功能包括實時動態(tài)顯示、連續(xù)幀回放、中心壓力檢測、接觸面積計算、二維輪廓顯示、三維壓力顯示、峰值壓力描繪、壓力和時間積分計算、圖形分析等。

1.2 試驗對象

2018年10～12月，課題組聯(lián)合校企合作企業(yè)選取泉州市、廈門市和漳州市的328名中老年男性志愿者(年齡介于45歲到74歲之間)，試驗對象平均年齡57.1歲，平均身高171 cm，平均體重67.8 kg。受試者均身體健康，無足踝關(guān)節(jié)運動畸形，無足踝急慢性損傷。因文獻研究表明男女足底壓力分布規(guī)律和特征無明顯性別差異[7]，因此暫不針對不同性別進行分析。

1.3 試驗方法

運用Instron材料試驗機測量，選取彈性模量為：1.1、2.3、6.3 MPa的材料作為鞋底材料，分別記為軟(1#)、中等硬(2#)和較硬(3#)。用厚度為10 mm鞋底片材制作測試鞋，鞋跟高15 mm，款式如圖2所示。

圖2 實驗用鞋

設定采樣頻率為300 Hz，328名身體健康狀況良好的中老年男性試驗者分別穿著3種硬度鞋底的樣鞋和赤足(0#)以自然步速進行行走測試，所有受試者每種樣鞋平行測定3次，實驗數(shù)值取328名測試者的平均值。

2 結(jié)果與分析

足底最大壓力值和負荷率可以反映鞋底舒適與否。局部最大壓力峰值和負荷率小，表明穿著較舒適，若僅從足底最大壓力峰值和負荷率看鞋底材料，軟質(zhì)地比硬質(zhì)地好，可以分散足底壓力，在運動中有更多的能量回歸，并能吸收部分地面帶來的沖擊力。沖量和最大壓力出現(xiàn)時間可以反映鞋底是否提供足夠的動力，穿軟鞋底的鞋沖量大、最大壓力出現(xiàn)時間晚，不一定能給人的雙腳在運動中提供更充足的動力，地面反作用推動人體前進的力小。因為，太軟的鞋底會產(chǎn)生所謂的浮行運動，腳蹬地時就會把作用于地面的力吸收很大一部分用于自身的形變，長時間行走易產(chǎn)生疲勞。

2.1 對沖量的影響

同種狀態(tài)下，由于足底各部位壓力不斷變化，沖量的大小等于動量的變化量，即沖量越小，動量變化越小。正常行走時，不同硬度鞋底各個部位沖量值的算術(shù)平均值結(jié)果如表1所示。

表1 不同硬度鞋底各部位壓力沖量比較 單位：N/s

以所有受試者穿著0#樣鞋(赤足)所得各部位壓力沖量值為基準數(shù)組，對所有受試者分別穿著1#，2#，3#樣鞋所得各部位壓力沖量值數(shù)組與之兩兩比較，并進行T檢驗，所得P值均小于0.05，因此，不同硬度鞋底所得各部位沖量值差異具有統(tǒng)計學意義。

圖3正常行走狀態(tài)下不同硬度鞋底沖量均值的比較。

圖3 正常行走狀態(tài)下沖量均值比較

由圖3可知，在鞋后跟部位，穿較硬鞋底的沖量小于赤足沖量，而穿中等硬度鞋底和軟鞋底的沖量大于赤足沖量，即鞋底后跟部位越硬，沖量越小。在鞋中部(足弓部位)，穿不同硬度鞋底的沖量遠大于赤足沖量。因為赤足時，足弓接觸測力板較少，受力主要集中在前掌和后跟，穿鞋后鞋底足弓對應部位承擔部分受力，使得足弓處沖量增大。在鞋前掌部位，赤足沖量大于穿鞋沖量，即穿鞋后前掌沖量較小。且硬鞋底沖量最小，中等硬度鞋底的沖量大于軟鞋底的沖量。

2.2 對最大壓力影響

鞋底(足底)三部位最大壓力分布狀況說明各部位的應力集中現(xiàn)象。正常情況下，應力越大，局部越容易受到傷害，尤其是中老年糖尿病患者，其身體穩(wěn)定性和靈活性較正常老年人降低[8]。表2為不同硬度鞋底各個部位最大壓力的算術(shù)平均值試驗結(jié)果。

表2 不同硬度鞋底各部位最大壓力比較 單位：N

以所有受試者穿著0#樣鞋(赤足)所得各部位最大壓力值為基準數(shù)組，對所有受試者分別穿著1#，2#，3#樣鞋所得各部位最大壓力值數(shù)組與之兩兩比較，并進行T檢驗，所得P值均小于0.05，因此，不同硬度鞋底各部位最大壓力值差異具有統(tǒng)計學意義。

圖4為正常行走狀態(tài)下最大足底壓力值比較。

圖4 正常行走狀態(tài)下最大足底壓力值比較

由圖4可知，在后跟部位，穿鞋后最大壓力小于赤腳最大壓力，且穿中等硬度鞋底的鞋最大壓力最小。在鞋中部(足弓部位)，穿鞋后最大壓力均大于赤腳最大壓力，且鞋底越硬，最大壓力越大。在前掌部位，類似于后跟部位，中等硬度鞋底的鞋最大壓力最小。

2.3 對最大壓力出現(xiàn)時間影響

相同狀態(tài)下，峰值壓力出現(xiàn)的時間越晚，說明鞋底的緩沖減震性能越好。由于人腳行走的特殊性，利用最大壓力出現(xiàn)時間步態(tài)周期的百分比例進行比較。表3為不同硬度鞋底各個部位最大壓力出現(xiàn)時間百分比的比較結(jié)果。

表3 不同硬度鞋底各部位峰值壓力出現(xiàn)時間百分比 (%)

以所有受試者穿著0#樣鞋(赤足)所得各部位最大壓力出現(xiàn)時間為基準數(shù)組，對所有受試者分別穿著1#，2#，3#樣鞋所得各部位最大壓力出現(xiàn)時間數(shù)組與之兩兩比較，并進行T檢驗，所得P值均小于0.05，因此，不同硬度鞋底各部位最大壓力出現(xiàn)時間差異具有統(tǒng)計學意義。

圖5為正常行走狀態(tài)下峰值壓力出現(xiàn)時間所占比例比較。

圖5 正常行走狀態(tài)下峰值壓力出現(xiàn)時間所占比例比較

圖5中，在后跟部位，鞋底越硬最大壓力峰值出現(xiàn)時間越快，硬鞋底最大壓力出現(xiàn)時間比赤足最大壓力出現(xiàn)時間早，中等硬度和軟鞋底最大壓力出現(xiàn)時間比赤足最大壓力出現(xiàn)時間晚。在鞋中部(足弓部位)，各情況最大壓力出現(xiàn)時間差異較小，穿鞋比赤腳晚，硬鞋底最大壓力出現(xiàn)時間最晚。在前掌部位，類似于后跟部位。

2.4 對負荷率(Load rate)的影響

負荷率是指三部位壓力達到最大值的速度，即單位時間內(nèi)壓力的增量。負荷率越大，達到最大壓力所用的時間越短，鞋底緩沖越差。表4為不同硬度鞋底各個部位負荷率的比較結(jié)果。

表4 不同硬度鞋底各部位負荷率比較 單位：N/s

以受試者穿著0#樣鞋(赤足)所得各部位負荷率為基準數(shù)組，對分別穿著1#，2#，3#樣鞋所得各部位負荷率數(shù)組與之兩兩比較，并進行T檢驗，所得P值均小于0.05，因此，不同硬度鞋底各部位負荷率差異具有統(tǒng)計學意義。

圖6為正常行走狀態(tài)下的負荷比較。

圖6 正常行走狀態(tài)下負荷比較

圖6中，在后跟部位，鞋底越硬，負荷率越大，即局部壓力達到最大值越快，鞋底的緩沖效果越差。硬鞋底負荷率大于赤足負荷率，中等硬度和軟鞋底負荷率小于赤足負荷率。在鞋中部(足弓部位)，穿鞋后負荷率大于赤足負荷率(中等硬度相等)，硬鞋底負荷率最大。在前掌部位，穿鞋后負荷率小于赤足負荷率。

3 結(jié) 論

可見，閩南地區(qū)的中老年男性穿著不同鞋底硬度的樣鞋在正常行走過程中，鞋底越硬，其對應部位足底的沖量越小，足底受到的壓力越大，即消耗較少的動量，能達到最大的力。此外，鞋底硬度越大，減震和緩沖性能越差，尤其在足后跟部位表現(xiàn)明顯。基于閩南地區(qū)中老年人的生活環(huán)境(行走環(huán)境多有坡度)，中老年鞋應選擇中等硬度的鞋底材料，避免過于疲勞，并兼顧一定的減震和緩沖性能。