鞋中底屈曲刚度对跳跃动作下肢生物力学特征的影响

发布时间：2015-02-02 10:36

 

【摘要】 研究背景跖趾关节这个通常被包裹在运动鞋中的足部关节在做急速蹬离地面的动作时会对运动产生巨大影响。但以往的研究鲜有提及通过改变运动鞋鞋中底刚度来改变跖趾关节运动及对下肢髋、膝、踝关节在运动学及动力学表现上的影响。研究目的本次研究的主要目的是利用三维高速摄像系统、测力台和自制的跖趾关节MVC测试仪等设备探究不同鞋中底刚度运动鞋对下肢运动学、动力学和能量学特征的短期以及长期影响。具体如下：（1）探讨垂直纵跳和单腿起跳过程中，不同鞋中底屈曲刚度的运动鞋对于运动表现，以及下肢髋、膝、踝、跖趾关节的运动学、动力学和关节能量学特征的影响。（2）探究在穿着具有不同鞋中底刚度的运动鞋训练8周之后对下肢三关节及跖趾关节的运动学、动力学和能量学特征、跖趾关节处跖屈肌以及运动表现所产生的影响。研究方法以上海体育学院30名篮球专项大二学生为受试者，利用三维运动捕捉系统及三维测力台对穿着具有不同鞋中底刚度的运动鞋作垂直纵跳及单腿起跳这两种跳跃动作进行测试。分析在运动过程中不同刚度的运动鞋对跖趾关节，下肢髋、膝、踝关节的运动学及动力学参数产生的影响。完成测试之后将受试者随机分为两组，分别穿着两种具有不同鞋中底刚度的运动鞋进行8周运动训练。过后再次测试，分析长期穿着具有不同鞋中底硬度的运动鞋训练是否会对跳跃动作中的跖趾关节，下肢髋、膝、踝关节的运动学及动力学参数产生影响。利用自制的跖趾关节等长屈曲力矩测试仪对具有不同鞋中底刚度的运动鞋在进行8周运动训练后对跖趾关节最大等长屈曲力矩的影响，研究结果（1）具有更高鞋中底刚度的运动鞋会显著降低跖趾关节最大屈曲速度；显著增加踝关节最大正功率、踝关节能量的吸收和产生（p＜0.05）。但是，不会引起运动成绩、机械能在跖趾关节的损失。（2）经过8周训练，具有更高鞋中底刚度的运动鞋会显著增加跖趾关节最大等长屈曲力矩（p＜0.05）；显著减少膝关节最大伸/屈角度和最大伸速度（p＜0.05）；显著减少跖趾关节最大屈曲力矩、最大正/负功率、能量的产生和吸收以及净能量（p＜0.05）；引起膝关节与髋关节在动力学上的代偿。研究结论（1）无论长期还是短期穿着鞋底刚度更硬的运动鞋不会对运动表现产生影响。（2）穿着鞋底刚度更硬的运动鞋会显著减小在下蹲跳运动中跖趾关节的最大伸速度，减小整个运动过程中跖趾关节的速度变化。同时也会间接影响其他关节。（3）在穿着具有更高鞋中底刚度的运动鞋进行训练能够显著增加跖趾关节周围跖屈肌肌力，减少跳跃动作中跖趾关节处的能量损失，引起其他关节生物力学特征的改变。 

1  前言

现阶段的生物力学研究发现，人体下肢三关节做功的大小以及机械能运利用的合理与否能够对运动表现产生很大影响，而如果仅仅考虑跖趾关节，忽略肌肉骨骼系统本身的复杂性，由于其在蹬离地面过程中主要是保持背屈状态，其主要是在吸收能量（absorb），几乎不产生能量回传[44,  47]。Stefanyshy与Nigg等人证明了跖趾关节在在快速跑的着地阶段是吸收能量的主要关节，其所吸收的能量占下肢四关节总能量的 32%[54]。他们在另一次测试中同样发现跖趾关节在单腿跳动作中吸收了24J 左右的能量，而这部分能量足以使跳跃成绩提高3.5cm[12]。因此，如何有效减少或利用转化跖趾关节所吸收的这部分能量，影响下肢的力学特性（lower extremity mechanics），并最终表现在运动能力的提高？这一系列问题已经成为当今运动训练和鞋具生物力学的又一研究热点[6, 13, 14, 34]。 由此发现，影响跖趾关节屈曲会引起下肢关节的运动学、能量学和运动表现的改变[54]。因此，研究者们开始尝试运用各种方式来影响跖趾关节的屈曲，改变跖趾关节的运动学特征，从而间接地改变该关节能量的利用，甚至进一步影响运动成绩。理论上来说，通过增加跖趾关节屈曲刚度能够改变关节做功，从而减小能量的损失并提高运动成绩。而针对这种理论，研究者们进行了多种尝试，其主要集中在运动鞋和运动表面的改进[15]。而使用运动鞋作为干预手段对跖趾关节进行影响进而试图提高运动成绩的研究，在国内外鲜有提及。
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2  文献综述

2.1  运动鞋的相关研究
运动鞋的舒适度是个什么难以度量的变量, 要定义舒适并量化舒适度是十分困年的。在这种背景下，很多研究者开始针对舒适度的量化进行研究。最近的一项研究检验了三种常用量表（视觉模拟量表，利克特量表和等级量表），以确定最可靠的量表。结果发现，等级量表是最稳定的量表，混合直线建模发现 VAS量表比利克特量表更稳定，而受试者们把足弓舒适度作为鞋舒适度中最重要的考虑因素[30]。有研究者将主观舒适度作为工具，比较了走路和跑步时的各种鞋的参数。大多数受试者对走跑两种活动选择相同类型的运动鞋[31]。还有研究者利用有限元模型，以受试者的舒适度和足底压力信息为参数进行有限元分析，借以出具有更高舒适度的运动鞋设计方案[32]。在一项针对专业的英式橄榄球运动员的研究中发现, 对于给与定制运动鞋的受试者们，他们认为运动鞋不舒服的次数明显小于自己进行运动鞋选择的受试者，同时，对于运动损伤的报告也明显少。这说明对运动鞋的主观感受也会影响运动鞋防护损伤的功能[33]。

2.2  跖趾关节的相关研究
跖趾关节这个被完全包裹在运动鞋中的关节，一直以来并没有受到研究者们的重视，下肢其他三个关节则是在研究下肢运动中最受重视的关节，但是，在以跳跃、奔跑等急速蹬离地面的足部运动中，最终动作的发生部位一定是在跖趾关节：跖趾关节的伸运动是通过踝关节跖屈肌（plantar flexor muscles ）配合足趾屈肌（toe flexor muscles、）在原固定条件下收缩所完成的[2]。 而近些年的研究已经表明跖趾关节作为下肢末端的关节，在蹬离地面的过程中一直保持着伸的状态，这使此关节在此过程中始终在吸收机械能，基本上不产生能量[35,  47]。因此，不少研究者和教练员已经开始关注这个关节，希望能够通过改变此关节的生物力学特征影响整个下肢的力学特征（lower extremity mechanics）进而提高运动成绩。有些教练认为训练跖趾关节屈肌的力量用以增加跖趾关节及相邻关节中的力量输出会对提高运动表现有所帮助[7, 13]。

3  研究方法............ 8

3.1  实验对象 ..........................8

3.2  实验方法 ................................8

4  实验结果.................................. 15

4.1  参与者分析 ............................ 15

4.2  运动表现 ........................ 15

4.3 横向对比研究 ........................... 16

5  分析与讨论 ............................... 31

6  结论与展望 .................................... 33

5  分析与讨论

在前文中谈到的代偿现象，在经过8周训练也同样出现。从单腿起跳动作上看尤为明显，由表4-11和表4-12 可以得出，虽然训练前后跖趾关节处在做单腿起跳时的机械能没有显著性的变化，但是可以看出吸收能量的量有被降低的趋势，而同样的，，踝关节处的净能量也呈增加的趋势，而膝关节处则出现了非常明显的最大正功率降低，吸收的能量减少，而这部分损失则由髋关节进行了一部分的补偿。同样的情况也出现在了垂直纵跳中。而在控制组，这种代偿现象却难以发现。但是非常可惜的是，这些效果未能影响到运动表现上。 而另一个令人振奋的结果是通过自制的跖趾关节屈曲力矩测试仪测量穿着两种不同运动鞋进行8周训练之后，较硬运动鞋能够非常显著的增加跖趾关节处屈肌力量。在此前，比较明确的针对跖趾关节进行训练的是德国科隆大学Brüggemann 所领导的科研团队生所使用的他们自制的仪器进行跖趾关节的专项训练[13, 45]。他们是通过使运动员在自制的仪器上反复尽力屈曲跖趾关节，保持跖屈肌最大等长收缩以训练跖趾关节周围肌肉。而他们发现在训练一段时间过后能够对运动表现产生积极的影响，如提高跳远成绩和生折返跑成绩。所以，虽然本次研究中，具有较硬鞋中底的运动鞋在训练后并未对运动表现有所影响，但是提高了跖屈肌肌力则可视为有提高运动表现的潜力。
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6 结论与展望

6.1  结论
（1）无论长期还是短期穿着鞋底刚度更硬的运动鞋不会对运动表现产生影响。（2）穿着鞋底刚度更硬的运动鞋会显著减小在下蹲跳运动中跖趾关节的最大伸速度，减小整个运动过程中跖趾关节的速度变化。同时也会间接影响其他关节。 （3）在穿着具有更高鞋中底刚度的运动鞋进行训练能够显著增加跖趾关节周围跖屈肌肌力，减少跳跃动作中跖趾关节处的能量损失，引起其他关节生物力学特征的改变。

6.2  展望
本研究初步的探讨了跖趾关节在不同跳跃动作中的作用以及通过改变运动鞋鞋中底刚度对跖趾关节的生物力学特征的影响，并得出了初步结果。但是现阶段的研究结果并不能很好的回答跖趾关节在具有急速蹬伸动作的运动中所起到的作用，跖趾关节应该如何进行训练或如何更为有效的利用跖趾关节处机械能等一系列问题。但本研究的结果依旧可以为回答上述问题以及设计新的鞋具提供参考。随着越来越多的研究者开始关注跖趾关节以及相关的运动装备，以及对跖趾关节的愈加深入了解，上述问题的答案将会被揭示。   
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参考文献:

[1] 马加彬,李蜀东,顾耀东,李建设.  不稳定结构鞋具的运动生物力学研究进展[J]. 浙江体育科学. 2012(04)
[2] 林汉生,夏苏建.  利用SPSS进行随机化实验设计分组[J]. 中国卫生统计. 2005(06)
[3] 颜彤丹,宋文利,杨春杯.  速滑运动员强化踝、跖趾关节肌群力量能力训练的器械与方法[J]. 冰雪运动. 2002(03)
[4] 武明,季林红,金德闻,朱庆峰,王人成,张济川.  人体跖趾关节弯曲对行走步态特征的影响[J]. 中国康复医学杂志. 2001(06)
[5] 常颖.  浅谈跖趾关节的运动作用[J]. 阜阳师范学院学报(自然科学版). 1995(03)



本文编号：11780