跑鞋鞋頭優(yōu)化降低馬拉松運動員足趾甲下血腫損傷風(fēng)險的有限元仿真分析

摘要：馬拉松運動員中常見的足趾甲下血腫往往與急性擠壓傷或重復(fù)性創(chuàng)傷引起的甲床內(nèi)血管破裂有關(guān)。定制化鞋楦設(shè)計可能有助于降低因跑步時酶趾頻繁擠壓鞋頭而導(dǎo)致的機(jī)械性損傷風(fēng)險。基于此，研究旨在探討跑鞋鞋頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化對足內(nèi)部生物力學(xué)的影響，進(jìn)而量化馬拉松跑者足趾甲血腫損傷風(fēng)險。采用CT影像數(shù)據(jù)逆向重建“足－鞋”三維有限元模型，并結(jié)合實驗室測量的運動學(xué)與動力學(xué)參數(shù)定義模型加栽廈邊界條件。基于2種不同鞋頭設(shè)計跑鞋分別模擬前足著地和后足著地跑步狀態(tài)下足趾觸地沖擊峰值時刻的內(nèi)外部力學(xué)變化。結(jié)果顯示，與對照跑鞋相比，通過增大鞋腔內(nèi)足趾受力空間能夠分別降低前足著地扣后足著地模式下11.4％和33.1％的踇趾最大沖擊力，以及7.6％和12.8％的躊趾應(yīng)力峰值。此外，第一趾骨應(yīng)力峰值在2種著地模式下分別降低了36.2％和35.3％，其中在后足著地模式下第一趾骨遠(yuǎn)節(jié)的應(yīng)力峰值下降達(dá)18.5％。結(jié)合對趾甲下血腫損傷的生物力學(xué)機(jī)制分析，研究認(rèn)為基于鞋頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化的跑鞋設(shè)計可能是馬拉松運動員（尤其是后足跑者）預(yù)防足趾甲下血腫損傷風(fēng)險的一種有效策略。后續(xù)研究應(yīng)細(xì)化鞋頭參數(shù)優(yōu)化的劑量效應(yīng)分析，進(jìn)一步明確相應(yīng)鞋柱定制的最優(yōu)解，明確跑鞋結(jié)構(gòu)設(shè)計在跑者足部損傷預(yù)防和運動表現(xiàn)提升方面的作用和機(jī)制。

關(guān)鍵詞：黑躊趾；有限元模型；生物力學(xué)；鞋頭

文章編號：1001-747X（2024）05-0679-07 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 中圖分類號：G804.21

DOI：10.16063／j.cnki.issn1001-747x.2024.05.014

近年來，馬拉松運動在全球范圍內(nèi)掀起了熱潮，其關(guān)注度與日俱增。作為一項具有挑戰(zhàn)性的長距離耐力賽事，馬拉松在改善跑者心理和肌骨健康方面展現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢。然而，隨著全球馬拉松跑者數(shù)量逐年的指數(shù)級增長，與之相關(guān)的跑步傷病發(fā)生率也持續(xù)攀升。據(jù)統(tǒng)計，大約2／3的跑者在1年內(nèi)至少經(jīng)歷1次傷病，而馬拉松跑者的年度損傷率更是高達(dá)90％以上。盡管不同文獻(xiàn)中所報道的跑步傷病率存在差異，但當(dāng)下普遍認(rèn)為下肢和足部是馬拉松跑者最為常見的傷病部位。Bunyaratavej等報告稱，66.9％的跑者存在足部或趾甲異常，其中60.0％為甲下血腫損傷。甲下血腫是發(fā)生在足趾區(qū)域的常見創(chuàng)傷，通常由趾甲遠(yuǎn)端與跑鞋鞋頭內(nèi)側(cè)的反復(fù)摩擦碰撞所導(dǎo)致。當(dāng)出血狀況發(fā)生于甲基時，血液可能滲入甲板中，而位于月白遠(yuǎn)端的出血則更易出現(xiàn)在甲床上。甲下血腫的初期癥狀為局部疼痛，而持續(xù)的創(chuàng)傷可能導(dǎo)致趾甲分離、增厚以及繼發(fā)性的真菌感染，嚴(yán)重干擾運動員的比賽狀態(tài)和日常訓(xùn)練。

在馬拉松比賽中，跑者足部與地面的最初接觸點因人而異，存在著高度的差異性。研究發(fā)現(xiàn)，在馬拉松比賽的前10 km中，88.9％的跑者采用后足著地模式，而10～32 km這一區(qū)間內(nèi)，上述比例將會進(jìn)一步增加。盡管跑步著地模式與比賽成績之間并未呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，但就跑步相關(guān)的損傷風(fēng)險而言，相較于中足和前足著地的跑者，后足著地跑者更易遭受肌肉骨骼傷病的影響，這主要是由于跑步過程中傳遞至下肢的垂直沖擊力量級及變化率存在差異所致。然而，前足著地模式下的前足（尤其是足趾區(qū)域）在跑步支撐期內(nèi)的接觸時間占比更長，其內(nèi)外接觸力學(xué)也將更為復(fù)雜。這可能會潛在增加跑者因急性擠壓而導(dǎo)致的甲床血管破裂風(fēng)險，或因重復(fù)創(chuàng)傷而加劇甲下血腫的損傷程度。盡管跑者在長距離跑步過程中經(jīng)常遭受此類傷病困擾，但目前尚無研究從定量角度探討不同著地模式所導(dǎo)致的潛在生物力學(xué)損傷差異。

另一個尚待探索的領(lǐng)域是跑鞋設(shè)計對馬拉松跑者甲下血腫損傷風(fēng)險的影響。近年來，研究人員開發(fā)了不同緩沖類型的跑鞋，旨在減少跑步過程中的足部沖擊，預(yù)防因反復(fù)觸地而產(chǎn)生的損傷風(fēng)險。然而，跑鞋鞋頭（toe box）對跑者前足／足趾的保護(hù)功能尚不明確。Branthwaite等發(fā)現(xiàn)，跑鞋鞋頭的形狀會顯著影響前足所承受的接觸壓力，同時鞋頭輪廓的不同也會導(dǎo)致前足的接觸時間、壓力時間積分以及足趾區(qū)域的峰值壓力產(chǎn)生差異。考慮到不合腳的跑鞋尺寸（即鞋頭容積不足而限制足趾背屈和前移）是導(dǎo)致跑者急性和慢性趾甲損傷的重要因素，跑鞋鞋頭結(jié)構(gòu)設(shè)計對前足的生物力學(xué)影響值得進(jìn)一步探討分析。

跑鞋作為馬拉松運動中獨特的功能性裝備，應(yīng)從內(nèi)外生物力學(xué)角度滿足跑者舒適性和潛在損傷預(yù)防需求。近年來，有限元建模方法已成為鞋具研發(fā)領(lǐng)域中不可或缺的工具，相較于傳統(tǒng)實驗分析，其量化參數(shù)更為可控與精準(zhǔn)。“足－鞋”耦合的有限元模型已廣泛應(yīng)用于探究不同鞋類特征對減少足部傷病風(fēng)險影響的相關(guān)研究。因此，鑒于對甲下血腫成因機(jī)制的研究興趣，本文旨在基于特定受試者的“足－鞋”耦合有限元模型，探討鞋頭優(yōu)化設(shè)計對前足／足趾內(nèi)部力學(xué)機(jī)制的影響，進(jìn)而為跑者足部損傷預(yù)防提供理論支撐，同時也為相應(yīng)的跑鞋設(shè)計提供有力的參考依據(jù)。

1研究方法

1.1研究對象及跑鞋設(shè)計

根據(jù)世界大師協(xié)會年齡分級表，納入1名男性半職業(yè)馬拉松運動員（年齡24歲，身高175 cm，體重60 kg）作為本研究受試者。受試者優(yōu)勢側(cè)為右側(cè)，鞋碼為41歐碼，跑步經(jīng)驗5年，每周跑步距離不少于50 km，全程馬拉松成績在3h以內(nèi)。受試者身體機(jī)能狀態(tài)良好，近3個月無肌骨系統(tǒng)損傷。本研究得到寧波大學(xué)科學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)，且受試者在實驗前簽署了知情同意書。

本研究中對照跑鞋S1為某品牌常規(guī)跑鞋，中底和外底分別采用EVA和橡膠材質(zhì)（無足弓支撐）。考慮到甲下血腫損傷的生物力學(xué)機(jī)制與跑步過程中足趾在鞋頭內(nèi)反復(fù)擠壓摩擦有關(guān)，且足部絞盤機(jī)制作用下跑者在跑步蹬離階段足底肌發(fā)力收縮使足趾相對于足部呈現(xiàn)背屈狀態(tài)。

基于此，本研究在對照跑鞋S1的基礎(chǔ)上對鞋頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了單一變量優(yōu)化，即通過對原型跑鞋的鞋頭高度進(jìn)行比例調(diào)整改良，形成鞋頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化跑鞋（實驗跑鞋S2）。如圖1A所示，跑鞋S1鞋頭高度為65.8 mm，鞋頭深度為85.5 mm，鞋頭寬度為106.3 mm，鞋頭體積為140.6 cm3；跑鞋S2鞋頭高度為79.5 mm，鞋頭深度為85.8 mm，鞋頭寬度為106.2 mm，鞋頭體積為159.0 cm3。相關(guān)鞋具設(shè)計細(xì)節(jié)可見作者前期研究。

1.2“足－鞋”有限元模型構(gòu)建

本研究采用CT掃描儀（GE Healthcare，USA）以0.625 mm的切片厚度對受試者分別穿著2款跑鞋狀態(tài)下的優(yōu)勢足進(jìn)行橫斷面掃描。將影像數(shù)據(jù)導(dǎo)人至MIMIC 19.0軟件（Materialise Co.，Ltd.，Belgium）進(jìn)行三維幾何逆向建模，并通過刪除軟組織與跑鞋之間的噪音像素，構(gòu)建非完全接觸的三維足鞋模型。隨后利用Geomagic Wrap 2021軟件（3DSystems，Rock Hill，USA）對上述模型進(jìn)行表面光滑處理，并導(dǎo)入至SolidWorks 2022軟件（Dassault Systems，F(xiàn)rance）中進(jìn)行實體化。跑鞋模型由鞋面和鞋底2部分組成，足部模型包括26塊足部骨骼、66條韌帶、5條足底筋膜以及1塊軟組織。其中，軟骨（實體模型）、足底筋膜以及韌帶（彈簧結(jié)構(gòu)模型）根據(jù)足踝解剖學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行逆向重建。裝配形成的“足－鞋”實體模型導(dǎo)入至ANSYS Workbench 2022軟件（ANSYS，Inc.，United States）中執(zhí)行進(jìn)一步的網(wǎng)格劃分。其中除支撐板采用六面體單元外，其余實體模型均采用四面體單元。網(wǎng)格尺寸定義為：軟組織、跑鞋及支撐板5.0 mm，足骨3.5 mm，軟骨1.5 mm。所有組織模塊均假定為單一各向同性線彈性材料，并基于楊氏模量（E）和泊松比（v）2種參數(shù)來定義材料屬性。相關(guān)參數(shù)均取自前期相關(guān)研究。

1.3加載與邊界條件采集及設(shè)置

本研究選取前足著地和后足著地模式下足趾觸地沖擊峰值時刻進(jìn)行模擬計算。基于運動生物力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)實驗室內(nèi)步態(tài)測試采集的足部運動參數(shù)用于定義驅(qū)動“足－鞋”有限元模型的邊界和加載條件。根據(jù)OpenSim 2392肌骨模型在受試者對應(yīng)骨性關(guān)節(jié)點上粘貼反光標(biāo)記點，并通過12攝像頭Vicon三維運動捕捉系統(tǒng)（200 Hz，Oxford Metrics Ltd.，Oxford，UK）和AMTI三維測力臺（1 000 Hz，Advance Mechanical Technology Inc.，Watenown，NY，USA），同步采集跑者分別穿著實驗跑鞋和對照跑鞋進(jìn)行前足著地（forefoot，F(xiàn)F）和后足著地（rearfoot，RF）跑步測試（跑速控制為3.3 m／s）過程中一個完整支撐期內(nèi)的足部運動軌跡和地面反作用力數(shù)據(jù)。此外，將單點式壓力傳感器（100 Hz，Novel GmbH，Munich，Germany）粘貼于受試者大躊趾趾甲末端皮膚軟組織處，用于同步測量在跑步過程中踇趾與鞋頭之間的相互作用力，并以此來識別前足著地和后足著地模式下的足趾觸地沖擊峰值時刻。將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入OpenSim軟件中進(jìn)行逆向運動學(xué)和動力學(xué)處理，從而計算獲取2種著地模式下足趾觸地沖擊峰值時刻的“足－地”角度、跟腱作用力、踝關(guān)節(jié)力矩、地面反作用力用于有限元仿真分析（見圖1B）。

模型加載及邊界條件如圖1C所示。其中軟組織、脛腓骨及鞋舌上表面設(shè)置為完全固定，支撐板僅能垂直位移。轉(zhuǎn)動“足－鞋”模型使其與支撐板之間分別形成前足著地和后足著地跑步觸地峰值時刻的“足－地”角度。此外，將跟腱作用力于跟骨節(jié)點處沿跟腱向上施加，將跖趾關(guān)節(jié)接觸力于跖骨近端處垂直向下施加用于模擬慣性力。基于前期“足－鞋”有限元模擬分析的設(shè)定，跑鞋鞋底與支撐板設(shè)定為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.6。 1.4模型驗證

本研究采用的“足－鞋”模型已在前期研究中通過比較Pedar鞋墊式壓力傳感系統(tǒng)（Novel GmbH，Munich，Germany）測試壓力峰值數(shù)據(jù)和有限元模擬數(shù)值進(jìn)行了驗證。Bland-Altman和ICC統(tǒng)計分析（R2=0.968）結(jié)果均表明有限元模擬和實驗測試結(jié)果具有較好的一致性。此外，為進(jìn)一步驗證前足著地和后足著地模式下足趾沖擊峰值階段的仿真結(jié)果可靠性，本研究對比分析單點式壓力傳感器采集的踇趾與鞋頭之間的接觸力值和有限元模擬值在沖擊峰值時刻的差異。

2研究結(jié)果

2.1踇趾接觸力與等效應(yīng)力

單點式壓力傳感器采集的踇趾與鞋頭之間的接觸力和有限元模型在沖擊峰值時刻的模擬值相對一致，各種工況下的差值百分比均小于10％。其中，對照跑鞋在前足著地和后足著地模式下的差值分別為3.78 N（47.99 N vs.44.21 N）和5.85 N（60.70 N vs.4.85 N）。對于實驗跑鞋，前足著地和后足著地模式下的足趾沖擊峰值差值分別為2.42 N（41.58 N vs.39.16 N）和3.05 N（39.73 N vs.36.68 N）。從仿真結(jié)果來看，相較于對照跑鞋，在前足著地和后足著地模式下穿著實驗跑鞋能夠有效降低大晦趾與鞋頭之間11.4％和33.1％的沖擊力。

如圖2中有限元應(yīng)力分布云圖所示，實驗跑鞋能夠有效疏解大躊趾遠(yuǎn)端（甲床及側(cè)甲緣處）的應(yīng)力集中，并逐漸向甲基內(nèi)外側(cè)轉(zhuǎn)移。在前足著地模式下，踇趾應(yīng)力峰值從穿著對照跑鞋時的0.269 MPa（見圖2A）下降至0.249 MPa（見圖2C）。而在后足著地模式下這一下降趨勢更為明顯，對照跑鞋狀態(tài)下位于趾尖和外側(cè)甲緣的應(yīng)力集中區(qū)域得到消散，應(yīng)力峰值也從0.277 MPa（見圖2B）下降至0.241 MPa（見圖2D），降幅達(dá)到12.75qo。

2.2第一至第五趾骨應(yīng)力峰值

前足著地和后足著地模式下穿著2種跑鞋在晦趾沖擊峰值時刻的第一至第五趾骨的等效應(yīng)力峰值存在差異（見圖3）。與對照跑鞋相比，穿著實驗跑鞋能夠有效減低第一至第五趾骨的應(yīng)力峰值。尤其是在趾骨近節(jié)，在前足著地和后足著地模式下通過跑鞋鞋頭優(yōu)化能夠分別降低第一趾骨近節(jié)36.2％（7.80 MPa vs.4.98 MPa）和35.3％（7.45 MPa vs.4.82 MPa）的應(yīng)力峰值。此外，后足著地模式下第一趾骨遠(yuǎn)節(jié)的應(yīng)力峰值也降低了18.5％（3.94 MPa vs.3.21 MPa）。

3分析與討論

“足－鞋”有限元仿真分析的價值在于模擬并揭示各種工況下足部與鞋具之間復(fù)雜而微妙的生物力學(xué)交互作用。近年來，聚焦跑鞋技術(shù)革新促進(jìn)跑者運動效能儼然已經(jīng)成為運動生物力學(xué)領(lǐng)域的熱點議題，但涉及鞋頭結(jié)構(gòu)設(shè)計如何差異化地作用于不同跑步著地習(xí)慣下足部內(nèi)部力學(xué)環(huán)境的相關(guān)研究尚付闕如。基于此，本研究采用肌骨模型聯(lián)合有限元分析方法，探討了跑鞋鞋頭優(yōu)化對足趾內(nèi)部生物力學(xué)響應(yīng)的影響，進(jìn)而量化了不同著地模式下馬拉松跑者足趾甲下血腫的損傷風(fēng)險，希冀為揭示足趾甲下血腫的潛在生物力學(xué)機(jī)制和相關(guān)防護(hù)跑鞋研發(fā)優(yōu)化提供有益思考。

足趾甲下血腫作為一種十分常見的末端環(huán)節(jié)損傷，其致傷機(jī)制通常被認(rèn)為與跑步運動過程中前足與鞋頭的頻繁擠壓摩擦有關(guān)。尤其是在馬拉松一類的長距離跑運動中，跑者足部或容易因為持續(xù)充血和汗液分泌而發(fā)生形態(tài)學(xué)和力學(xué)功能（“足－鞋”相對摩擦減小）上的改變。此時，不適配的鞋具就可能因為違背足趾的自然運動而增加足外部載荷，而當(dāng)足趾和鞋頭之間的接觸力值一旦突破了組織的損傷閾值，就極大可能增加足趾甲下血腫等足部損傷的風(fēng)險，這也是本研究通過調(diào)整足趾在鞋頭內(nèi)的受力空間從而減小前足損傷風(fēng)險的理論基礎(chǔ)。已有研究表明，跑鞋鞋頭抬高設(shè)計顯著減小了跑者在跑步過程中的地面反作用力和晦趾沖擊程度。上述結(jié)論也被本研究中的有限元模擬結(jié)果所支持，即通過優(yōu)化跑鞋鞋頭結(jié)構(gòu)降低了晦趾接觸階段的內(nèi)外部載荷。對于內(nèi)部力學(xué)表現(xiàn)而言，大晦趾甲床和側(cè)甲緣，乃至甲基處的應(yīng)力集中極易導(dǎo)致周邊軟組織破損，從而發(fā)生淤青和淤血堆積形成“黑趾甲”。相較而言，足部在實驗跑鞋鞋腔內(nèi)的相對運動中，其大晦趾的接觸應(yīng)力分布更為均勻，趾骨應(yīng)力峰值也顯著降低。這也意味著拓展跑步蹬離時刻足趾向上和向前的受力空間更為符合前足背屈狀態(tài)下的運動規(guī)律，通過優(yōu)化跑鞋鞋頭能夠在一定程度上減輕摩擦和沖擊，進(jìn)而降低跑步過程中足趾甲下血腫損傷的風(fēng)險。

長距離跑中的足部損傷風(fēng)險與跑者著地模式之間的相關(guān)性已在先前的生物力學(xué)研究中被廣泛報道，但相關(guān)結(jié)果更大程度上是基于運動學(xué)和動力學(xué)等常規(guī)生物力學(xué)測試以及解剖學(xué)結(jié)構(gòu)分析得出的，缺乏對足部，尤其是前足內(nèi)部力學(xué)作用效果的深入探究。本研究通過對“足－鞋”模型的三維逆向還原與仿真，發(fā)現(xiàn)后足著地跑步模式下大晦趾在足趾接觸階段將會承受更大的沖擊負(fù)荷，這可能與2種著地模式下傳遞至跑者下肢的垂直沖擊力量級存在差異有關(guān)。盡管通過跑鞋鞋頭優(yōu)化能夠有效疏解2種著地模式下大踇趾區(qū)域的局部應(yīng)力，但對于后足著地跑者的效益顯著優(yōu)于前足著地跑者。由于足部具有絞盤機(jī)制，跑步蹬地過程中足底肌發(fā)力收縮使晦趾相對腳掌呈現(xiàn)背屈狀態(tài)。后足著地模式在1個標(biāo)準(zhǔn)跑步支撐期內(nèi)的地面接觸時間往往更長，因而足部小關(guān)節(jié)在該過程中對于吸收／緩沖同等量級的沖擊負(fù)荷更具潛力。而實驗跑鞋通過在鞋頭區(qū)域增加足部在鞋腔內(nèi)的相對運動空間，進(jìn)一步確保了跑鞋在矢狀面上保持與晦趾運動的相對一致性，從而在“足－鞋”適配的前提下，實現(xiàn)降低足趾甲下血腫損傷風(fēng)險的預(yù)期效果。

鑒于仿真偏差和計算成本之間的平衡限制，本研究在“足－鞋”模型構(gòu)建和研究設(shè)計上尚存一些潛在的局限性。例如：為了簡化計算模型，本研究對所有模塊賦予了各項同性的線彈性材料屬性，這可能導(dǎo)致與實際結(jié)果的偏差。此外，單一受試者的實驗設(shè)計可能限制目前研究結(jié)果的外部普遍性，不同的足趾形態(tài)（羅馬腳、希臘腳、埃及腳等）也可能導(dǎo)致甲下血腫的損傷區(qū)域差異，后續(xù)研究應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合多元化的受試樣本構(gòu)建肌肉驅(qū)動的動態(tài)有限元模型，從而辯證地解讀本文結(jié)論。

4結(jié)論

本研究基于跑者個體化肌骨組織特征以及不同著地模式下的逆向運動學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了“足趾－鞋頭”非完全接觸的三維有限元模型，并以此探討了跑鞋鞋頭優(yōu)化設(shè)計對跑步過程中足部生物力學(xué)響應(yīng)特征的影響。研究結(jié)果表明，通過調(diào)整跑鞋鞋頭比例，增大足趾受力空間能夠緩解晦趾接觸階段的內(nèi)外部載荷，可能有效降低跑步過程中足趾甲下血腫損傷風(fēng)險，且對于后足著地跑者的效益優(yōu)于前足著地跑者。本文從運動裝備改良的視角為馬拉松運動員預(yù)防足趾損傷提供了新的思路，建議后續(xù)研究進(jìn)一步細(xì)化鞋頭參數(shù)優(yōu)化的劑量效應(yīng)，從而在跑者足部損傷最小化與運動表現(xiàn)最優(yōu)化之間尋求平衡點。

作者貢獻(xiàn)聲明：

顧耀東：提出論文選題，指導(dǎo)研究，修改論文。

岑炫震：實驗設(shè)計，撰寫論文。

宋楊：模型構(gòu)建，修改論文。

俞佩敏：數(shù)據(jù)采集，修改論文。

李峰平：模型構(gòu)建，數(shù)據(jù)處理。

高順翔：數(shù)據(jù)采集，模型驗證。

鄭志藝：進(jìn)行實驗設(shè)計。

孫冬：選題策劃，指導(dǎo)研究。