汤运启, 张移帆, 王志康, 李 静, 潘加浩, 魏书涛

(1.陕西科技大学 设计与艺术学院, 陕西西安 710021； 2.上海体育学院 运动科学学院, 上海 200438； 3.三六一度(中国)有限公司, 福建 厦门 361009)

0 引言

足弓作为人脚的重要组成部分，不仅具有支撑功能，还能降低地面对人体的冲击力.但人脚的足弓形状有着较大差异[1]，根据足弓高度可分为高足弓、正常足和扁平足三种类型，并且不同的足弓类型其损伤模式也有差异[2].有研究表明，在慢跑过程中，高弓足相比于正常足更容易出现踝关节、足底外侧区域的损伤，扁平足更易出现膝关节、足底内侧的损伤[3].另外，性别也是影响运动模式的一个重要因素[4].早在1997年就有研究者根据人体测量发现男女之间骨骼尺寸有明显的差异[5].Wunderlich等[6]指出与男性运动员相比,女性运动员因过度运动导致损伤的发生率较高,但这些损伤机制仍不清楚.

足底压力中心轨迹线是人体行走过程中足-地接触作用力位置、大小、分布及力度顺序及速度的综合结果，能反映足与地面接触全过程的作用方式，也是对人体行走运动姿态的间接反映[7].Cock等[8]国内外多名研究者通过人体在运动过程中足底压力中心轨迹的研究，探讨人行走过程的规律，以期减少运动损伤.汤澄清[9]通过对比青年人和中老年人COP轨迹线形态及足底不同区域压力分布，发现COP轨迹线在一定程度上反映了人体行走运动的特点.同样有研究对健康女大学生步行和慢跑运动模式下足底压力中心轨迹相似度分析，为足底压力中心轨迹的对比提供了新的方法[10].Iii D S W等[3]将足底压力中心的偏移量确定为运动过程中的内翻扭伤和小腿疼痛的影响因素，通过压力中心轨迹变化的研究可以为足部的损伤及足部矫形器的设计提供理论基础[11].

足底压力中心轨迹作为足底压力的重要参数指标，在性别与足弓类型对足底压力中心轨迹形态特征影响方面的研究鲜有报道.因此本文旨在通过足底压力中心轨迹来反映不同性别与足弓类型人群的运动特征，以期找到不同性别与足弓类型人群的足底压力中心轨迹特征，从而为矫形鞋和矫形鞋垫的设计提供参考.

本研究假设为：

假设一：足弓类型对足底压力中心的内外侧方向的位移产生影响，扁平足将会产生更大的横向位移；

假设二：性别对足底压力中内外侧方向的位移及速度产生影响，男性将会产生更大的横向位移.

1 实验部分

1.1 实验对象

随机选取47位大学生志愿者，其中男性19名，女性28名，所有受试者确定其下肢和足部半年内无明显损伤，身体状况以及运动能力良好，BMI(体重指数，body mass index)为18～25，并且根据AI (足弓指数，arch index)进行分类，分类标准以Footscan软件中，受试者在行走过程中中足接触面积百分比，即AI=B/(A+B+C)，如图1所示.

图1 足弓指数示意图

当AI的数值小于0.21为高足弓；数值介于0.21～0.28为正常足弓；数值大于0.28为扁平足[12]，分别纳入扁平足15人(男5人、女10人)，高弓足12人(男4人、女8人)和正常足20人(男10人、女10人).受试者自愿参与研究并签署知情同意书.受试者基本信息如表1所示.

表1 受试者基本情况

1.2 实验仪器

本研究使用比利时RSscan公司的Footscan平板式足底压力测试系统(Footscan 7 USB 2 gait system)，压力平板尺寸为0.5 m，采样频率为300 Hz.

1.3 实验方案

受试者按要求在裸足的状态下以3 m/s的速度在10 m长的步道上完成慢跑测试.压力平板嵌入步道内，并用材料覆盖压力平板，以避免人的心理因素对测试结果造成影响.另外，在正式测试前要求受试者按照规定的速度进行适应性训练[13]，待受试者适应后，裸足状态下以3 m/s的速度自然跑过压力平板且足底完全落在压力平板内，目视前方，跑10 m的距离以确保测试状态自然无调整，未采集到完整的足底数据即为测试失败，需重新测试，本研究完整采集受试者左右足足底压力数据各三次进行后续统计分析.

1.4 数据处理

根据Cock A De等[8]定义的将 COP 轨迹线表示成直角坐标系下的一条曲线，如图2所示，其中纵坐标轴Y定义为通过后跟中心与第二跖骨头的连线，与其相垂直的横坐标轴X被定义为COP在内外侧的位移，起始点(0，0)位于足最开始接触平板的一边[14].如图3所示，Footscan平板式足底压力测试系统将足与地面接触的动态过程分为四个时相，分别为初始着地阶段( initial contact phase，ICP) 、前足着地阶段(forefoot contact phase，FFCP) 、垂直支撑阶段(foot flat phase，FFP) 和前足蹬伸阶段( forefoot push off phase，FFPOP)[15]，并根据Cock[8]将支撑期的三个关键时刻分别定义为初始跖骨接触时刻(initial metatarsal contact，IMC)，前足扁平时刻(fore foot flat，FFF)和脚跟离地时刻( heel off，HO).

本次实验收集和整理每位受试者裸足慢跑(3 m/s)状态下COP在整个支撑期内X轴方向的总偏移量(总偏移量-X)、以及在每个时相内COP在X轴方向的偏移量(COPx)、平均速度(COPvx)、每个时相所用时间(用支撑相时间进行标准化)及三个关键时刻(IMC、FFF、HO)上COP在X轴方向的位移(COPx).将得到的所有数据进行脚长、脚宽及时间标准化处理并求得三次试验的平均数.

图2 压力中心轨迹示意图

图3 支撑期四阶段示意图

1.5 统计分析

数据均以平均值(标准差)表示，通过双因素重复测量方差分析方法对比性别×足弓类型(2×3)对各项指标的影响，若重复测量方差分析具有显著性，则采用LSD post-hoc 检验进行事后两两比较，统计显著性水平设为0.05，本研究的统计学全部采用统计软件SPSS21.0 (IBMS,NY,USA)进行处理.

2 结果与讨论

本文研究结果显示，性别与足弓类型对足底压力中心轨迹动力学指标产生了不同程度的影响.这两个因素对人体足底压力中心轨迹的影响将会为矫形鞋、矫形鞋垫的设计以及预防人在运动过程中损伤提供理论依据.

不同足弓类型的COPx的平均曲线如图4(a)所示.不同性别的COPx的平均曲线如图5(a)所示.最初以负值开始，表示COP在初始着地阶段向足底内侧的位移，然后是在前足着地阶段向外侧移动.脚跟离地之后，COP又转向内侧移动以推离地面.研究结果支持假设一，在支撑期的三个关键时刻，不同足弓类型间的COPx指标的差异具有显著性(P<0.05),如表2所示，相比于高弓足，扁平足与正常足显示出更横向的COPx与以往的研究[16-19]结果相似，均发现相比于高弓足，扁平足与正常足在整个支撑期中COP在X方向显示出更大偏向内侧的位移.可能的解释是扁平足和正常足，与高弓足相比，具有更低的足弓，在运动过程中，中足的接触面积增大，导致出现了更偏向内侧的COPx[17,18].COP位移的偏差可能是足部负重的重要决定因素[8]，这就可能解释为什么高弓足更容易受外侧的损伤，而扁平足的损伤集中在内侧.并且扁平足常伴有足部内旋，高弓足则多为足部外旋[20]，在支撑期中外旋型足可能会降低足部的姿态控制，导致稳定性下降[17].这些结果进一步为矫形鞋(垫)的设计提供了理论支持，高弓足可能需要更多的内侧支撑，而扁平足需要更多的内侧支撑来使COP的轨迹更趋近正常足，提高稳定性及减少下肢应力.

(a)平均位移

(b)平均速度图4 不同足弓类型压力中心X方向的平均位移和平均速度

实验结果(表3)支持部分假设二，对于四个时相内的COPx指标，仅发现男性和女性在FFPOP阶段的差异具有显著性(P=0.035)，且男性COPx大于女性.其余三个阶段内并没有发现性别、足弓类型或性别与足弓类型的交互作用对COPx具有显著性影响(P>0.05).在前足蹬伸阶段，COPx表现出了向内侧的进展，表明了内侧趾骨与大拇指的蹬伸.有研究发现[4]，此阶段趾骨的接触是从外侧向内侧转变的，这个过程中人们更希望COP向内侧的移动使人体达到平衡状态，女性表现出更小的COP的内侧位移，表示女性相比男性处于更不稳定的阶段.可能由于女性的腿部力量比男性更小[5]，在前足推离地面的过程中，将更多的能量用在了与男性保持相同的速度上，从而降低了在此阶段的稳定性.

(a)平均位移

(b)平均速度图5 不同性别压力中心X方向的平均位移和平均速度

不同足弓类型的COPvx的平均曲线如图4(b)所示.不同性别的COPvx的平均曲线如图5(b)所示.COPvx最初以正值开始，并逐渐减小，在初始着地阶段达到第一峰值.在前足着地阶段达到第二峰值.在垂直支撑阶段，速度变为更恒定的低速度.脚跟离地后，前足蹬伸阶段，内侧速度出现显著的增加.根据研究结果(如表3所示)，性别和足弓类型对COP速度均无显著性影响(P>0.05).这与Cock[8]、Chiu M C等[21]的研究结果相似，均没有发现性别、足弓类型对COP速度的影响具有显著性.

根据实验结果，在四个时相占支撑期的时间百分比指标中，性别、性别与足弓类型的交互作用对各个时相的时间未产生显著性影响(P>0.05).但足弓类型对FFP阶段时间的差异具有显著性(P<0.05)，根据事后检验，扁平足与高弓足在FFP阶段时间之间上的差异具有统计学意义(P=0.024)，且扁平足在此阶段的时间占比最小.与李波等[22]的研究有所不同，他们的结果指出，FFP阶段高弓足相比于正常足所用的时间更短， 可能造成这种差异的原因是本文研究受试者在裸足慢跑的状态下，而他们是裸足行走的状态，行走向慢跑转变的过程，人调整了运动策略，从行走中的后足着地模式向更多的中足着地模式转变[16]，改变了各时相所用的时间.FFP阶段扁平足所占时间百分比最小，可能由于此阶段是重量从后跟向前掌传递的过程，高弓足的足弓过高，足弓接触面积小，从而造成高弓足更不稳定，需要花费更长的时间在FFP阶段来平衡躯干前进.不同足弓类型在FFPOP阶段的时间差异具有显著性(P<0.05)，根据事后检验，高弓足在FFPOP阶段的时间占比显著小于扁平足(P=0.033).可能的原因是此阶段是前掌推离地面阶段，足部需要呈现出更大的刚性特征，以为人体提供前行的动力.扁平足通常被认为是相对柔软的脚，而高弓足较扁平足表现出是更具有刚性的脚，所以高弓足能够更快的将躯干推离地面，但由于高弓足这种过大的刚性，导致减震效果降低，所以更容易引发应力骨折等损伤[3].

本实验研究在以下两个方面具有局限性：(1)本次实验仅对受试者进行动力学方面的研究，并没有进行运动学方面的测试；(2)本研究结果是基于18～23岁的青年大学生所获得的.因此，在研究结果的适用性方面，是否也适用中年人、老年人及儿童还有待进一步研究.

表2 慢跑运动中COP在支撑期三个关键时刻位移(%脚宽)

注： *代表具有统计学意义(P<0.05)

表3 慢跑运动中COP的总偏移量、四个时相内平均速度、偏移量及接触时间

注： *代表具有统计学意义(P<0.05)

3 结论

本研究通过研究足底压力中心的相关指标探讨性别与足弓类型对足底压力中心轨迹的影响，这些结果进一步为不同性别与足弓类型人群的矫形鞋(垫)设计提供了理论支持,具体而言，对女性来说，需要在前掌蹬伸阶段增大COP向内侧的位移，增强稳定能力；高弓足可能需要更多的外侧支撑，而扁平足需要更多的内侧支撑来控制COP，以提高人体稳定性并减少下肢应力.