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生物力學視角個性化運動鞋墊的研究綜述

時間:2020-06-18 來源:浙江體育科學 本文字數:14367字
作者:楊禮,李建設,顧耀東, 單位:寧波大學體育學院 寧波大學大健康研究院 安踏(中國)有限公司運動科學實驗室

  摘    要: 個性化鞋墊可以提供良好的舒適度,提高運動表現并且降低運動損傷的風險,故被專業的運動員所接受。文章簡要介紹了個性化鞋墊對鞋墊舒適度的影響,對一些特殊疼痛的緩解;分析了足弓支撐墊對扁平足過度外翻控制以及足底壓力分布的影響;分析了楔形鞋墊對膝關節力線調整以干預膝關節慢性損傷的研究;對比了預制型鞋墊與緩震鞋墊對損傷的干預和功效;總結了主流的個性化鞋墊的制備方法,為后續研究提供參考。

  關鍵詞: 個性化; 鞋墊; 生物力學;

  Abstract: The custom-made insoles could provide optimal comfort, improving performance and lower the risk of some kind of sports injuries, so custom-made insoles are approbated by professional athletes. This review summarize the effects of custom-made insoles on subjective comfort, relieve the pain underneath, analyzing the use of arch support insoles on flatfeet populations to control foot over-pronation and redistribute concentrated plantar pressure. We also expound the effect of lateral wedge insoles for medial knee osteoarthritis and the effect of custom made insoles vs. prefabricated ones. We also conclude some new custom-made platforms for functional insoles and fast manufacturing, which may give some references for further studies.

  Keyword: custom-made; insole; biomechanics;

  0、 前 言

  觀看美國職業籃球聯賽(NBA)的時候,現場的某些幸運觀眾在賽后能收到球星贈送的比賽球鞋。但是很多球員在送鞋前都有一個小動作,那就是先抽出鞋墊。為什么作為頂級球員對一雙小小的鞋墊會如此吝嗇,其有何特殊功效?不僅僅是針對專業運動員,對于業余運動愛好者,鞋墊的個性化又能提供哪些幫助?一般認為,一雙優質的運動鞋墊應滿足以下幾項基本要求:①防止足在鞋腔內的滑動;②輔助后跟承托,限制后跟著地時冠狀面過度位移,提高步態穩定性;③提供一定的吸震緩震性能。對于一些特殊的運動項目以及運動人群的個性化需求,還要根據運動項目特點在此基礎上增加其他性能。
 

生物力學視角個性化運動鞋墊的研究綜述
 

  研究發現,符合受試者足底壓力特征和足形的鞋墊對次最大恒定速度跑步時的肌肉生理學產生了顯著影響,即能夠降低腓腸肌內側頭的疲勞程度[1]。受試者穿著個性化定制的鞋墊行走、上下樓梯、舉重物等日常活動的足底壓力峰值和足底負荷顯著小于普通運動鞋墊,個性化定制鞋墊能夠重新分布運動過程中的足底壓力,避免過高的足底負荷在足底某一個區域的長時間累積[2]。使用動作捕捉等運動學測試手段可以量化受試者著個性化鞋墊著地過程中下肢力線變化情況,包括膝關節Q角,脛股角等參數,從運動學的角度探討個性化足形鞋墊功能[3,4]。不同的鞋墊楔形片:如前傾腳跟楔,旋前帶,跖趾骨嵌體,后跟內楔,足弓插被證實可以顯著改善步態,現有研究大多關注跖趾關節中心線往近端區域(即足中和后部)[5,6]。

  在特殊足形人群的研究中,個性化定制鞋墊在扁平足人群運動過程中,能夠重新調整后跟與前足集中分布的壓力[7],同時可以增加著地時踝關節的背屈角度,增加足跟內側接觸面積[8],使之趨近于正常步態[9]。同樣在高足弓人群中,定制鞋墊的使用一方面可以分散運動過程中局部足底過高的壓力,同時能夠提高肌肉發力效率,從而延緩高足弓人群行走的疲勞進程,降低下肢承受的負荷[10],同時降低支撐期足跟內翻角度。而針對特殊人群的鞋墊使用,矯形師會建議受試者按照循序漸進原則,,穿著時間每天增加1h,直至1周后,開始全天候穿著[11,12]。對鞋墊的功效評估多選取即刻,1周,4周,6周這幾個時間點進行追蹤研究[6]。通過對以往國內外文獻的研讀與分析,對正常人群的運動鞋墊研究主要集中在驗證鞋墊特殊結構的生物力學功效[13,14],而基于舒適度滿足前提下,完全足形個性化鞋墊對正常人群運動功能影響的生物力學相關研究較少涉及。

  1、 個性化定制鞋墊舒適度研究進展

  文獻顯示,鞋具的舒適度提升不僅可以改善運動表現[15]也可以減少相應的運動損傷[16,17]。足矯形器被定義為鞋具插入物,其輪廓與足底表面輪廓緊密貼合,用于“輔助、抵抗、促進、穩定或改善運動范圍和運動能力”[18]。鞋墊為足部矯形器的其中一種,置于鞋具中并且直接與足部接觸的部位,起著重要的作用。隨著運動鞋研究的日益深入及明星球員越來越多的使用,運動鞋墊也受到廣泛關注。個性化鞋墊主要有以下幾個優點:提供最適腳感,提升舒適度,提高運動表現,并通過個性化的減震及支撐需求降低下肢損傷風險[19]。多項研究表明,鞋具舒適度下降會導致下肢肌肉活動度和發力順序的改變,會增加損傷風險[20,21]。人體工效學研究發現舒適度可以影響運動動作或姿勢的控制[22]。從消費者調研結果顯示,鞋具舒適度也是讓消費者決定是否購買鞋款的關鍵因素[23]。鞋墊作為鞋具直接與足部接觸的部位,鞋墊的舒適度很大程度上影響鞋具的舒適性能[24],提供良好的的舒適度也是鞋墊的關鍵性能之一[20]。

  Y. Chenxiao[25]等對專業跑鞋鞋墊選擇研究發現,在舒適性與功能性的鞋墊中間選擇,跑者主觀會更傾向于表面柔軟的或者平面的鞋墊,即使這類鞋墊機械測試結果顯示不能提供有效的減震和運動動作的控制。但是這正說明鞋墊表面層的柔軟度可以直接影響到使用者的舒適度體驗感。受試者穿著足形定制化鞋墊行走、上下樓梯、舉重物等日常活動中足底壓力峰值和足底負荷顯著小于普通運動鞋墊,足形定制鞋墊能夠幫助足底壓力重新分布,避免過高的足底負荷在足底某一個區域的長時間累積[2]。Steven Goske[26]使用有限元建模的方式,搭配三種不同形狀的(平面鞋墊,半定制以及全定制的方式),三種不同的材料厚度(6.3、9.5以及12mm)以及三種材料(緩震泡棉,兩種不同軟硬度EVA)進行了27種排列,模擬在步態支撐早期壓力的分布情況,發現鞋墊材料的搭配對峰值壓力的影響不明顯,但是全定制鞋墊可以明顯降低后跟足底的壓力,有效緩解后跟疼痛。A.G. Lucas-Cuevas[27]等通過對40名跑者的研究發現,半定制與全定制鞋墊都可以提升舒適度且預制鞋墊的舒適度略高于定制鞋墊(不具有顯著差異),但是全定制鞋墊因與每個人的腳密切匹配從而降低了舒適度。

  而鞋墊舒適度的研究主要針對一些特殊的疼痛的緩解,如后跟疼痛,跖骨疼痛。針對后跟舒適度的提升,研究主要集中為采用后跟杯鞋墊及后跟底部復合特殊的緩震材料。S.Perhamre[28]等對比楔形鞋墊與后跟杯鞋墊對男童后跟疼痛緩解的情況,后跟杯鞋墊具有更好的表現,并且其中50%受試者在1年后的隨訪過程中,仍穿著后跟杯鞋墊。更早的研究觀點有證明,后跟杯鞋墊對腳后跟墊的包裹限制可以提升后跟墊本身的減震能力,但是僅針對后跟墊緩震能力較弱的人如老年人或其他損傷人群[29]。Mark[30]等對后跟杯鞋墊測試發現,使用后跟杯鞋墊個體間差異較大,預示后跟杯鞋墊不是對所有人都是有益的。并且相對另一種特殊的減震平面鞋墊后跟杯鞋墊的使用并未影響垂直地面反作用力的第一峰值,而第一峰值壓力通常被認為與一些陳舊性損傷有關,此研究說明減震的功能主要還是基于材料而實現,即緩震鞋墊。另外一種常被提及的緩震鞋墊,即在原有鞋墊底部復合一層柔軟的高吸震材料,也被證明可以降低峰值力值[30,31]。而平面材料的鞋墊也有一個案研究證明顯示可以減小峰值力值[32]以及加載率[33]。

  部分輕度跖痛癥患者會選擇跖骨墊進行保守治療。趾骨墊是否能減少跖骨頭處的壓力取決于的趾骨墊厚度及正確的放置位置。Kang等[34]對跖痛癥患者13例(18只足)進行了研究,結果發現,跖骨墊放置于跖骨頭的近端時,可重新分布患者的足底壓力,將跖骨頭下的壓力轉移到毗鄰位置。降低第二跖骨頭處的最大峰值壓力及壓力—時間積分,且與目測類比法評分具有顯著相關性。Chen[34]等通過有限元分析,選取不同厚度的鞋墊,厚度值分別為2.5、5.1、7.6、10.2和12.7 mm,根據有無跖骨墊以及跖骨墊的位置分為四種情況,無跖骨墊(insole-only),遠端組(P1),中間組(P2)和近端組(P3),研究結果顯示,隨著鞋墊厚度的增加,跖骨區域的峰值壓強也隨之降低,同時中足區域的接觸面積也隨之增大,并且跖骨墊位置的改變同樣對跖骨頭區域足底軟組織的壓縮應力產生不一樣的效果,P2位置的跖骨墊主要作用在跖骨體部位,蹬地受壓時跖骨墊與跖骨體處的軟組織產生大致相同程度的壓縮形變,因此跖骨頭處軟組織的壓縮載荷降低,降低程度達到33.1%。而遠端位置的P1跖骨墊的使用則使得跖骨頭處軟組織的壓縮載荷增加了10.4%。

  目前,定制鞋墊在運動損傷康復及高水平運動員中被廣泛的運用,其通常具有不平整波狀外形,這種外形特點也往往是根據足型特點設計,其目的是為了改良足部功能[8]。其改善下肢及足部功能的具體神經生物學還不是很清晰,從生物力學角度看,矯形鞋墊能夠調節足底壓力重新分布,提感覺反饋傳輸,調節下肢在走、跑等活動中的肌肉活動度以及運動學表現[35,36,37,38],其中以足弓鞋墊及楔形鞋墊的研究最廣。

  2、 足弓支撐鞋墊的生物力學研究進展

  足弓支撐墊被廣泛應用于扁平足人群中。扁平足是一種以足弓低平或消失、足部疼痛為特征的足部畸形,發病早期僅在負重情況下才出現足弓下陷,長時間行走和站立會出現疼痛或疲勞感,但休息后癥狀消失,而病程較長者可能發展為痙攣性平足或強直性平足,導致其步行困難。足弓墊一般采用仿足弓的高貼合設計或足弓處與足后跟處的整墊設計,其目的均為支撐塌陷的足弓。

  王瑞霞等[39]在1項持續8年的研究發現,足弓墊可抬高足弓改善足部受力,矯正足部變形,代償足弓的減震緩沖作用,緩解疼痛,足弓與足后跟處整墊設計的矯形鞋墊可通過保持距下關節中立位來提高足內側縱弓高度。Tochigi[40]的研究發現,內側縱弓支撐鞋墊可減輕由距跟骨間韌帶和距腓前韌帶損傷引起的踝關節異常內旋,增加距下關節的穩定性,改善雙下肢運動功能。Kogler[41]等的研究則對比了5種足矯形器的縱弓墊對足底筋膜張力的影響,結果發現,縱弓墊可明顯降低足底筋膜張力對治療足底筋膜炎有顯著療效。Kim[42]等對比不同角度的足弓粘貼墊片,發現定制足弓支撐鞋墊能夠有效改善足弓塌陷人群的過度外翻狀態,在行走以及跑步過程中均發現足底壓力中心線的外側移動,在一定程度上矯正了足弓塌陷人群的過度內翻狀態。Simon Fuk-Tan Tang[43]等使用通過足弓支撐可使足部位于中立位的的全接觸鞋墊,可以減少扁平足人群的后跟的過度外翻,并且顯著降低腳趾、外側跖骨以及外側足跟區域的壓力。

  Kosonen[44]等運動學研究結果顯示,足弓支撐鞋墊的使用降低了過度足外翻人群在步行及跑步時的足前掌外翻程度,而后足的內外翻程度則并沒有因為鞋墊的干預而改變,Wahmkow[38]等人發表研究同樣佐證了足弓支撐鞋墊無法影響后跟內外翻狀態的觀點,這也從側面說明足弓支撐鞋墊的使用無法改善步行或跑步時的足朝向角(Foot alignment angle)。從動力學數據的角度來看,足弓支撐鞋墊的使用僅對跑步時的動力學參數產生影響,例如跑步時,足弓支撐鞋墊組支撐期踝關節外翻力矩降低,膝關節與髖關節的內翻力矩增大,同時測力臺得到的跑步時鞋底壓力中心線趨向于正常人群,以上研究結果證實了足弓支撐鞋墊對過度外翻足人群的矯正及改良效果。

  譚維義[46]等的研究建議由于足弓的位置主要靠韌帶和肌肉來維持(尤其是脛前肌及腓骨長肌等外在肌)因此在早期柔軟性平足的治療中,應當配合足部的肌肉鍛煉預防足部結構性改變。但是也有學者認為增加了足弓支撐的鞋墊可能會導致某些小肌肉群的惰性,而這些肌肉的強度才是預防運動的關鍵部位。長期使用足弓支撐鞋墊會對使用者的足本身的功能造成損害,不利于運動機能的持續提高,但是提出這種假設卻沒有大樣本量,長時間的跟蹤性流行病學調查研究來佐證這種鞋墊的功效[46]。

  3、 楔形鞋墊的生物力學研究進展

  針對楔形鞋墊的研究大多是對膝關節的慢性損傷干預,如膝關節骨性關節炎(knee osteoarthritis,KOA)。研究指出,楔形鞋墊可以使跟骨與脛骨對齊,通過糾正膝關節力線,緩解KOA的癥狀[47,48,49]。Arazpour[50]等的研究發現,外側楔形鞋墊及減重膝矯形器均可緩解內側KOA患者的疼痛,增加其膝關節關節活動度,但以外側楔形鞋墊療效更佳。Jones[51]等的研究也發現,外側楔形鞋墊及膝外翻吊帶均可明顯提高步行速度,增加膝關節內收角度,但以外側楔形鞋墊療效更為顯著,患者也更容易接受。

  加拿大卡爾加里大學的Lewinson等人的一項為期6周的追蹤性研究,隨機分配3mm傾斜度的外側楔形鞋墊以及6mm傾斜度的內側楔形鞋墊,測量通過逆動力學分析兩組受試者在實驗環境下的膝關節外翻角動量,使用視覺量表模擬測試(visual analog scale)評價受試者在6周干預前和干預后鞋墊對膝關節髕骨關節疼痛綜合征的緩解效果。從6周干預測試結果部分來看,兩組受試者穿著內側楔形和外側楔形鞋墊髕骨關節疼痛的下降程度一致,均為33%左右,且無顯著性差異(P=0.697)。同時逆向動力學計算結果顯示,膝關節外翻角動量的改變程度在內側楔形鞋墊組和外側楔形鞋墊組并無顯著性差異。Hinman[52]等研究分析由于外側楔形鞋墊組膝關節冠狀面相對于地面反作用力的力臂長度降低可能是膝關節內翻力矩降低,外側楔形鞋墊的使用顯著降低了膝關節的峰值內翻力矩和膝關節峰值內翻角動量。膝關節峰值內翻力矩的降低同時還伴隨著足底壓力中心線的外側偏移,地面反作用力相對于膝關節冠狀面的力臂長度減小,髖關節內收程度降低。但是,關于楔形鞋墊的功效,也有不少學者持有反對觀點。Nigg[53,54]等發現使用楔形鞋墊并未達到實驗室預期的結果,并且各受試者之間壓力中心曲線的反映并不一致,存在較大的個體差異。

  4、 個性化定制鞋墊的運動損傷生物力學研究進展

  運動損傷降低了人體身體的活力,大眾運動愛好者或者頂級運動員都有強烈運動防護的訴求。運動損傷的防護是運動裝備繞不開的話題,上文關于個性化鞋墊的研究也大多基于對損傷的預防和干預為目的。從運動裝備的角度入手,通過對鞋墊進行功能性、個性化方案的改良,是近年來的一個熱門課題。目前,預制型鞋墊與緩震鞋墊被廣泛的應用于下肢肌骨骼損傷的預防以及人體體姿的調整。現有市面上有大量的個性化定制或預制鞋墊,通常具有不平整波浪外形,這種外形特點往往是依據足形特點設計,其目的是改良足部功能[51]。所采取的理論大多為“中立位”理論,即通過鞋墊的矯正比如足弓支撐墊,楔形鞋墊等使距下關節維持在中立位,從而確保步態過程中距下關節與中跖維持在正確的位置上[55],而這種中立位又主要集中在靜態的位置上。

  大量研究證明半剛性預制鞋墊相對傳統鞋墊可以顯著地降低運動員在對抗性訓練過程中的下肢應力性骨折,足跟、跖骨、足底筋膜以及脛骨骨前疼痛發生率[56,57,58,59]。但并未發現預制鞋墊對下肢軟組織損傷及慢性下腰痛的益處[60,61]。支持的學者認為,楔形鞋墊可以通過幫助使用者建立正確合理的下肢發力方式和運動模式,降低股骨、脛骨以及跖骨的骨折發生率。Zhang[62]等運動有限元三維重建膝關節、踝關節和足部的三維有限元模型,模擬結果顯示楔形鞋墊可以降低膝關節內側符合,對與預防膝關節骨性關節炎起積極的作用。但是同樣有大量文獻顯示,預制性鞋墊相對對照組在下肢運動的損傷發生率上并無顯著差異[63,64]。Nigg等認為長期使用特殊鞋墊,造成下肢肌肉的惰性,不利于運動技能的持續提高,同時也沒有長期大樣本的流行病學研究來支持運動鞋的效果[63,65]。

  相對預制型鞋墊,緩震鞋墊外形通常較為平整,主要是復合柔軟性材料制成,例如聚乙烯泡沫和氯丁橡膠泡沫,設計理念是視圖通過材料本身的物理性能吸收過高的沖擊力以減少運動損傷的發生[3]。但是對于緩震鞋墊的綜述分析結果顯示,并不支持緩震鞋墊對下肢硬力性骨折,特定的足部軟組織疼痛(足底筋膜組織,跟腱等),小腿三頭肌疼痛,脛骨前疼痛以及膝關節疼痛發生率的改良[66,67]。現市面上銷售最好的運動鞋墊大多為此類鞋墊,因為其良好的穿著舒適感,并且無需有專業經驗的足部矯形師的專門配置,實現的成本低,易于流通。

  5、 鞋墊新制備方法

  隨著三維足型掃描技術,3D快速打印技術等的日漸成熟,消費者對鞋墊的個性定制有著強烈需求。矯形器師勢必會逐漸擺脫傳統的慢速的石膏取模的手段,大型鞋具廠商也愿意采用更為便捷可批量的技術手段,不斷完善可以實現滿足每位用戶足形特征和運動習慣等的運動鞋墊。首先是關于定制的流程系統。Mandolini[42]開始探究一個大數據鞋墊個性化定制網絡共享平臺,該平臺的名稱為“Smart Prescription Platform(SPP)”,即“智能鞋墊個性化處方定制平臺”。該平臺覆蓋了鞋墊定制的整個過程,從最開始的足部問題及運動需求診斷到最終的鞋墊生產成型。該平臺整合了多種足型掃描技術,鞋具虛擬試穿系統,足底壓力模擬技術,三維計算機輔助設計技術(3D CAD)。依據測試結果進入到 “Prescription System(PS)”即處方系統模塊,基于大數據庫給出較為準確可靠的鞋墊個性化定制處方。這個系統實現了用戶、鞋墊定制商、市場的整合,幫助用戶快速選擇最適合的鞋墊的流程,為未來定制化鞋墊的批量生產提供可能。

  一些大型的鞋具生產廠商也開始涉及個性化定制,國外幾家公司走在前列,比利時Rsscan,德國SOLS等公司,使用三維足形掃描技術和足底壓力測量技術獲取消費者足部數據,調配鞋墊材料不同的結構以實現不同部位不同的軟硬程度,最終通過3D打印機,完成個性化運動鞋墊的制作[68]。但3D打印鞋墊主要使用材料為尼龍,材料成本較為昂貴,并且因為數控機臺的成本限制,并不占據優勢[69]。雖近年來,新型的石墨烯材料也被應用與鞋墊功效中[70],但是由于價格的昂貴投入使用并不常見。而Vasily,ICB等制備廠商,通過收集受試者無負重雙腳與肩同寬站立狀態下受試者足底壓力數據和足底模型,進行大數據處理,預制標準模塊化的半成型的鞋墊,通過醫師診斷,使用加熱槍的熱熔法處理,制備出適合滿足個人的某些足形要求的特制墊。此種鞋墊主要成分為熱塑性EVA,成本比尼龍更為經濟,但是此種鞋墊僅采用部分區域可以熱塑變形,并非完全貼合足形。同時為便于后續材料修剪,半成品鞋墊更為肥厚,加上為了便于存放及運輸的單獨外殼,大量增加存儲面積。

  從1999年至今,矯形器師主流的鞋墊材料為60~80A硬度的聚氨酯PU及3mm~3.5mm的聚烯烴PP搭配而成[71,72]。世界知名的運動鞋墊供應商歐斯萊(Ortholite),海波麗(HI-POLY)等專注于此類運動鞋墊材料的研發,因為各品牌的大面積使用及研發投入,其成本較為低廉,性能更為穩定豐富。中國皮革和制鞋工業研究院改良做法,研發的快速鞋墊成型儀器,使用真空抽氣沙袋,形成足底輪廓技術。加上傳統的聚氨酯和聚烯烴加熱成型工藝,可以在十幾分鐘完成滿足消費者個人足底形狀的鞋墊,簡單快捷易操作。故本研究采用現今可投入量產的鞋墊材料為聚氨酯和聚烯烴材料的搭配的平面鞋墊,采用改良的真空沙袋抽空做法形成個性化腳形的鞋墊。

  6 、總結與展望

  基于對現有文獻的分析,我們可以發現大家對個性化鞋墊關注主要集中在以下幾方面:

  6.1、 通過對材料的優化,通過個性化定制方案實現鞋墊表面形狀與足部形狀貼合,以及特殊后跟拖或跖骨墊結構調節足底壓力的重新分布,提升運動舒適性反饋,緩解足部疼痛。

  6.2、 從對生物力學的分析,通過楔形墊、足弓支撐墊等手段可以改善下肢的力線,幫助使用者建立正確合理的下肢發力方式和運動模式,恢復正確的運動姿勢。

  6.3、 從運動損傷角度分析,現對定制鞋墊在損傷的預防方面還存在較大的爭議,支持的學者認為正確的姿勢可以降低下肢損傷的風險;反對學者認為特殊支持的結構會降低機能本身的功效,導致新的損傷。

  6.4 、隨著運動裝備專業領域細分,以及研發投入的增加,關于運動定制的方案會越來越豐富,快捷的個性化定制方案必將成為一個熱門項目。

  隨著各個品牌的大力投入,對個性化鞋墊的研究會更加深入,但現有所有文獻研究的鞋墊都是基于“中立位”的觀點所獲取的,針對市場所覆蓋廣大的運動人群他們的需求會不會有所不同?現并未有文獻研究關于正常人群自然站立位下所形成的個性化鞋墊的舒適度以及下肢生物力學的影響的研究。

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  原文出處:楊禮,李建設,顧耀東,鄭志藝.個性化定制運動鞋墊的生物力學研究進展[J].浙江體育科學,2020,42(01):98-105.
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