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运动鞋跟掌落差对上坡行走步态的生物力学特征的影响

蒋量  曲峰  杨子涵  林永佳  
【摘要】:研究目的:本研究旨在通过运动鞋渐进的跟掌落差和自制的斜坡测力装置,探究不同跟掌落差对人体在上坡行走时的生物力学特征的影响,为登山、远足等坡面运动的运动鞋的选择和设计提供一定的参考。研究方法:1)受试者普通男性大学生10名,习惯穿鞋码为42欧码,年龄23.9±1.1岁,身高175±4.3cm,体重67.6±4.8kg。受试者在实验前6个月无明显上下肢神经及肌肉损伤病史,无裸足跑步、行走习惯,无慢性损伤症状,受试者优势脚均为右脚。2)实验鞋具及斜坡装置受试者穿着加入0cm、1.5cm、3cm跟掌落差鞋垫(鞋垫材料为聚氨酯)的运动鞋(前掌高度为1.2cm,后跟高度为2.2cm),在坡度设置为12°的斜坡(特制的可调角度斜坡系统)上分别进行上坡走运动。以下将加0cm、1.5cm、3cm跟掌落差鞋垫的运动鞋。3)数据采集采用8摄像头红外动作捕捉系统(MotionAnalysis Raptor-4,USA,200Hz)和三维测力台(Kistler-9281CA,Switzerland,1000Hz)同步采集受试者上坡的运动学与动力学数据。受试者身着泳裤,身上贴25个红外标志点,分别位于左右肩峰、左右髂前上棘,第四、第五腰椎棘突中点,左右大腿前中部,股骨外侧髁、股骨内侧髁(静态标定时用)、小腿前面中部、腓骨外髁、胫骨内髁(静态标定时用)、鞋尖、鞋后帮正中(与足尖点同高)、第一跖趾关节内侧、第五跖趾关节外侧。在测力台的三个角分别粘贴3个反光点以标记斜坡及测力台位置。受试者采用拉丁方设计的顺序穿放置三种鞋垫的鞋(每次更换鞋垫时重新进行静态标定)然后从前端步道平台走上斜坡直至后端步道平台上并在平台上至少完成一个单步,再从后端步道平台走下斜坡直至前端步道平台。受试者在上斜坡时以右脚完全踏在测力台上判定为一次有效测试。在成功采集3次有效数据后,让受试者休息2分钟从而消除肌肉疲劳和自适应对结果的影响,然后更换鞋垫重复实验4)数据处理红外动作捕捉系统采集到的标志点坐标采用Butterworth低通滤波法进行平滑,截断频率为13Hz。采用逆动力学的方法计算髋、膝、踝关节的三维净力矩,采用DeLeva修正后的Zatsiorsky-Se-luyanovs人体惯性参数。应用重复测量单因素方差分析方法分析跟掌落差对步态参数和下肢关节运动学、动力学参数的影响,后续两两比较采用LSD检验方法,P0.05表示差异具有统计学意义,所有数据均用SPSS20.0统计分析软件进行分析。研究结果:1)步态参数受试者穿着高后跟运动鞋和中后跟运动鞋的运动鞋上坡时,复步步长较低后跟运动鞋减小(P0.05),支撑相和双支撑相较低后跟运动鞋增加(P0.05)。高后跟运动鞋的步宽较低后跟运动鞋减小(P0.05)。三种情况下的步态周期、步频间的差异不具有统计学意义(P0.05)。2)足踝关节的运动学、动力学参数受试者穿着高后跟运动鞋和中后跟运动鞋上坡时,跖趾关节的伸展最小角、矢状面运动幅度,踝关节跖屈最大角、背屈最大角、矢状面运动幅度、内翻最大角、额状面运动幅度均小于低后跟运动鞋(P0.05)。3)膝关节的运动学、动力学参数高后跟运动鞋的膝关节屈曲最大角和运动幅度小于低后跟运动鞋和中后跟运动鞋(P0.05)。中后跟运动鞋和高后跟运动鞋的膝关节屈曲最大力矩、矢状面功率最大值、矢状面功率最小值、矢状面正功均小于低后跟运动鞋(P0.05)。中后跟运动鞋和高后跟运动鞋的膝关节伸展最大力矩和矢状面负功大于低后跟运动鞋(P0.05),高后跟运动鞋的膝关节伸展最大力矩大于中后跟运动鞋(P0.05),高后跟运动鞋的膝关节外翻最大力矩大于低后跟运动鞋(P=0.0049),高后跟运动鞋内翻最大力矩小于低后跟运动鞋(P=0.009)。4)髋关节的运动学、动力学参数髋关节矢状面的运动学和动力学参数比较结果(见表5)表明,低后跟运动鞋、中后跟运动鞋和高后跟运动鞋的髋关节屈曲最大角、伸展最大角和运动幅度的差异不具有统计学意义(P0.05)。高后跟运动鞋的髋关节屈曲最大力矩大于低后跟运动鞋(P0.05)。中后跟运动鞋和高后跟运动鞋的髋关节矢状面功率最大值和和矢状面负功大于低后跟运动鞋(P0.05),矢状面功率最小值和矢状面正功小于低后跟运动鞋(P0.05)。研究结论:上坡时运动鞋跟掌落差的增加将影响步态参数,这种影响可能是负面的;上坡时增加一定的运动鞋跟掌落差有可能能缓解踝关节的负荷,但同时会使得跖趾关节的活动受到一定限制以及膝关节内侧负荷和股四头肌活动的代偿性增加。

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