生物力学视角个性化运动鞋垫的研究综述,运动生物力学论文.docx
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1、生物力学视角个性化运动鞋垫的研究综述,运动生物力学论文摘 要: 个性化鞋垫能够提供良好的舒适度,提高运动表现并且降低运动损伤的风险,故被专业的运发动所接受。文章扼要介绍了个性化鞋垫对鞋垫舒适度的影响,对一些特殊疼痛的缓解;分析了足弓支撑垫对扁平足过度外翻控制以及足底压力分布的影响;分析了楔形鞋垫对膝关节力线调整以干涉膝关节慢性损伤的研究;比照了预制型鞋垫与缓震鞋垫对损伤的干涉和成效;总结了主流的个性化鞋垫的制备方式方法,为后续研究提供参考。 本文关键词语: 个性化; 鞋垫; 生物力学; Abstract: The custom-made insoles could provide optima
2、l 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
3、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
4、functional insoles and fast manufacturing, which may give some references for further studies. Keyword: custom-made; insole; biomechanics; 0、 前 言 观看美国职业篮球联赛(NBA)的时候,现场的某些幸运观众在赛后能收到球星赠送的比赛球鞋。但是很多球员在送鞋前都有一个小动作,那就是先抽出鞋垫。为什么作为顶级球员对一双小小的鞋垫会如此吝啬,其有何特殊成效?不仅仅仅是针对专业运发动,对于业余运动喜好者,鞋垫的个性化又能提供哪些帮助?一般以为,一双优质的运动鞋垫
5、应知足下面几项基本要求:防止足在鞋腔内的滑动;辅助后跟承托,限制后跟着地时冠状面过度位移,提高步态稳定性;提供一定的吸震缓震性能。对于一些特殊的运动项目以及运动人群的个性化需求,还要根据运动项目特点在这里基础上增加其他性能。 研究发现,符合受试者足底压力特征和足形的鞋垫对次最大恒定速度跑步时的肌肉生理学产生了显着影响,即能够降低腓肠肌内侧头的疲惫程度1。受试者穿着个性化定制的鞋垫行走、上下楼梯、举重物等日常活动的足底压力峰值和足底负荷显着小于普通运动鞋垫,个性化定制鞋垫能够重新分布运动经过中的足底压力,避免过高的足底负荷在足底某一个区域的长时间累积2。使用动作捕捉等运动学测试手段能够量化受试者
6、着个性化鞋垫着地经过中下肢力线变化情况,包括膝关节Q角,胫股角等参数,从运动学的角度讨论个性化足形鞋垫功能3,4。不同的鞋垫楔形片:如前倾脚跟楔,旋前带,跖趾骨嵌体,后跟内楔,足弓插被证实能够显着改善步态,现有研究大多关注跖趾关节中心线往近端区域(即足中和后部)5,6。 在特殊足形人群的研究中,个性化定制鞋垫在扁平足人群运动经过中,能够重新调整后跟与前足集中分布的压力7,同时能够增加着地时踝关节的背屈角度,增加足跟内侧接触面积8,使之趋近于正常步态9。同样在高足弓人群中,定制鞋垫的使用一方面能够分散运动经过中局部足底过高的压力,同时能够提高肌肉发力效率,进而延缓高足弓人群行走的疲惫进程,降低下
7、肢承受的负荷10,同时降低支撑期足跟内翻角度。而针对特殊人群的鞋垫使用,矫形师会建议受试者根据循序渐进原则,穿着时间天天增加1h,直至1周后,开场全天候穿着11,12。对鞋垫的成效评估多项选择取即刻,1周,4周,6周这几个时间点进行追踪研究6。通过对以往国内外文献的研读与分析,对正常人群的运动鞋垫研究主要集中在验证鞋垫特殊构造的生物力学成效13,14,而基于舒适度知足前提下,完全足形个性化鞋垫对正常人群运动功能影响的生物力学相关研究较少牵涉。 1、 个性化定制鞋垫舒适度研究进展 文献显示,鞋具的舒适度提升不仅能够改善运动表现15可以以减少相应的运动损伤16,17。足矫形器被定义为鞋具插入物,其
8、轮廓与足底外表轮廓严密贴合,用于 辅助、抵抗、促进、稳定或改善运动范围和运动能力 18。鞋垫为足部矫形器的华而不实一种,置于鞋具中并且直接与足部接触的部位,起着重要的作用。随着运动鞋研究的日益深切进入及明星球员越来越多的使用,运动鞋垫也遭到广泛关注。个性化鞋垫主要有下面几个优点:提供最适脚感,提升舒适度,提高运动表现,并通过个性化的减震及支撑需求降低下肢损伤风险19。多项研究表示清楚,鞋具舒适度下降会导致下肢肌肉活动度和发力顺序的改变,会增加损伤风险20,21。人体工效学研究发现舒适度能够影响运动动作或姿势的控制22。从消费者调研结果显示,鞋具舒适度也是让消费者决定能否购买鞋款的关键因素23。
9、鞋垫作为鞋具直接与足部接触的部位,鞋垫的舒适度很大程度上影响鞋具的舒适性能24,提供良好的的舒适度也是鞋垫的关键性能之一20。 Y. Chenxiao25等对专业跑鞋鞋垫选择研究发现,在舒适性与功能性的鞋垫中间选择,跑者主观会更倾向于外表柔软的或者平面的鞋垫,即便这类鞋垫机械测试结果显示不能提供有效的减震和运动动作的控制。但是这正讲明鞋垫外表层的柔软度能够直接影响到使用者的舒适度体验感。受试者穿着足形定制化鞋垫行走、上下楼梯、举重物等日常活动中足底压力峰值和足底负荷显着小于普通运动鞋垫,足形定制鞋垫能够帮助足底压力重新分布,避免过高的足底负荷在足底某一个区域的长时间累积2。Steven Gos
10、ke26使用有限元建模的方式,搭配三种不同形状的(平面鞋垫,半定制以及全定制的方式),三种不同的材料厚度(6.3、9.5以及12mm)以及三种材料(缓震泡棉,两种不同软硬度EVA)进行了27种排列,模拟在步态支撑早期压力的分布情况,发现鞋垫材料的搭配对峰值压力的影响不明显,但是全定制鞋垫能够明显降低后跟足底的压力,有效缓解后跟疼痛。A.G. Lucas-Cuevas27等通过对40名跑者的研究发现,半定制与全定制鞋垫都能够提升舒适度且预制鞋垫的舒适度略高于定制鞋垫(不具有显着差异),但是全定制鞋垫因与每个人的脚密切匹配进而降低了舒适度。 而鞋垫舒适度的研究主要针对一些特殊的疼痛的缓解,如后跟疼
11、痛,跖骨疼痛。针对后跟舒适度的提升,研究主要集中为采用后跟杯鞋垫及后跟底部复合特殊的缓震材料。S.Perhamre28等比照楔形鞋垫与后跟杯鞋垫对男童后跟疼痛缓解的情况,后跟杯鞋垫具有更好的表现,并且华而不实50%受试者在1年后的随访经过中,仍穿着后跟杯鞋垫。更早的研究观点有证明,后跟杯鞋垫对脚后跟垫的包裹限制能够提升后跟垫本身的减震能力,但是仅针对后跟垫缓震能力较弱的人如老年人或其他损伤人群29。Mark30等对后跟杯鞋垫测试发现,使用后跟杯鞋垫个体间差异较大,预示后跟杯鞋垫不是对所有人都是有益的。并且相对另一种特殊的减震平面鞋垫后跟杯鞋垫的使用并未影响垂直地面反作用力的第一峰值,而第一峰值
12、压力通常被以为与一些陈旧性损伤有关,此研究讲明减震的功能主要还是基于材料而实现,即缓震鞋垫。另外一种常被提及的缓震鞋垫,即在原有鞋垫底部复合一层柔软的高吸震材料,也被证明能够降低峰值力值30,31。而平面材料的鞋垫也有一个案研究证明显示能够减小峰值力值32以及加载率33。 部分轻度跖痛症患者会选择跖骨垫进行保守治疗。趾骨垫能否能减少跖骨头处的压力取决于的趾骨垫厚度及正确的放置位置。Kang等34对跖痛症患者13例(18只足)进行了研究,结果发现,跖骨垫放置于跖骨头的近端时,可重新分布患者的足底压力,将跖骨头下的压力转移到毗邻位置。降低第二跖骨头处的最大峰值压力及压力 时间积分,且与目测类比法评
13、分具有显着相关性。Chen34等通过有限元分析,选取不同厚度的鞋垫,厚度值分别为2.5、5.1、7.6、10.2和12.7 mm,根据有无跖骨垫以及跖骨垫的位置分为四种情况,无跖骨垫(insole-only),远端组(P1),中间组(P2)和近端组(P3),研究结果显示,随着鞋垫厚度的增加,跖骨区域的峰值压强也随之降低,同时中足区域的接触面积也随之增大,并且跖骨垫位置的改变同样对跖骨头区域足底软组织的压缩应力产生不一样的效果,P2位置的跖骨垫主要作用在跖骨体部位,蹬地受压时跖骨垫与跖骨体处的软组织产生大致一样程度的压缩形变,因而跖骨头处软组织的压缩载荷降低,降低程度到达33.1%。而远端位置的
14、P1跖骨垫的使用则使得跖骨头处软组织的压缩载荷增加了10.4%。 当前,定制鞋垫在运动损伤康复及高水平运发动中被广泛的运用,其通常具有不平整波状外形,这种外形特点也往往是根据足型特点设计,其目的是为了改进足部功能8。其改善下肢及足部功能的详细神经生物学还不是很清楚明晰,从生物力学角度看,矫形鞋垫能够调节足底压力重新分布,提感觉反应传输,调节下肢在走、跑等活动中的肌肉活动度以及运动学表现35,36,37,38,华而不实以足弓鞋垫及楔形鞋垫的研究最广。 2、 足弓支撑鞋垫的生物力学研究进展 足弓支撑垫被广泛应用于扁平足人群中。扁平足是一种以足弓低平或消失、足部疼痛为特征的足部畸形,发病早期仅在负重
15、情况下才出现足弓下陷,长时间行走和站立会出现疼痛或疲惫感,但休息后异常感觉和状态消失,而病程较长者可能发展为痉挛性平足或强直性平足,导致其步行困难。足弓垫一般采用仿足弓的高贴合设计或足弓处与足后跟处的整垫设计,其目的均为支撑塌陷的足弓。 王瑞霞等39在1项持续8年的研究发现,足弓垫可抬高足弓改善足部受力,矫正足部变形,代偿足弓的减震缓冲作用,缓解疼痛,足弓与足后跟处整垫设计的矫形鞋垫可通过保持距下关节中立位来提高足内侧纵弓高度。Tochigi40的研究发现,内侧纵弓支撑鞋垫可减轻由距跟骨间韧带和距腓前韧带损伤引起的踝关节异常内旋,增加距下关节的稳定性,改善双下肢运动功能。Kogler41等的研
16、究则比照了5种足矫形器的纵弓垫对足底筋膜张力的影响,结果发现,纵弓垫可明显降低足底筋膜张力对治疗足底筋膜炎有显着疗效。Kim42等比照不同角度的足弓粘贴垫片,发现定制足弓支撑鞋垫能够有效改善足弓塌陷人群的过度外翻状态,在行走以及跑步经过中均发现足底压力中心线的外侧移动,在一定程度上矫正了足弓塌陷人群的过度内翻状态。Simon Fuk-Tan Tang43等使用通过足弓支撑可使足部位于中立位的的全接触鞋垫,能够减少扁平足人群的后跟的过度外翻,并且显着降低脚趾、外侧跖骨以及外侧足跟区域的压力。 Kosonen44等运动学研究结果显示,足弓支撑鞋垫的使用降低了过度足外翻人群在步行及跑步时的足前掌外翻
17、程度,而后足的内外翻程度则并没有由于鞋垫的干涉而改变,Wahmkow38等人发表研究同样佐证了足弓支撑鞋垫无法影响后跟内外翻状态的观点,这也从侧面讲明足弓支撑鞋垫的使用无法改善步行或跑步时的足朝向角(Foot alignment angle)。从动力学数据的角度来看,足弓支撑鞋垫的使用仅对跑步时的动力学参数产生影响,例如跑步时,足弓支撑鞋垫组支撑期踝关节外翻力矩降低,膝关节与髋关节的内翻力矩增大,同时测力台得到的跑步时鞋底压力中心线趋向于正常人群,以上研究结果证实了足弓支撑鞋垫对过度外翻足人群的矫正及改进效果。 谭维义46等的研究建议由于足弓的位置主要靠韧带和肌肉来维持(尤其是胫前肌及腓骨长肌
18、等外在肌)因而在早期柔软性平足的治疗中,应当配合足部的肌肉锻炼预防足部构造性改变。但是也有学者以为增加了足弓支撑的鞋垫可能会导致某些小肌肉群的惰性,而这些肌肉的强度才是预防运动的关键部位。长期使用足弓支撑鞋垫会对使用者的足本身的功能造成损害,不利于运动机能的持续提高,但是提出这种假设却没有大样本量,长时间的跟踪性流行病学调查研究来佐证这种鞋垫的成效46。 3、 楔形鞋垫的生物力学研究进展 针对楔形鞋垫的研究大多是对膝关节的慢性损伤干涉,如膝关节骨性关节炎(knee osteoarthritis,KOA)。研究指出,楔形鞋垫能够使跟骨与胫骨对齐,通过纠正膝关节力线,缓解KOA的异常感觉和状态47
19、,48,49。Arazpour50等的研究发现,外侧楔形鞋垫及减重膝矫形器均可缓解内侧KOA患者的疼痛,增加其膝关节关节活动度,但以外侧楔形鞋垫疗效更佳。Jones51等的研究也发现,外侧楔形鞋垫及膝外翻吊带均可明显提高步行速度,增加膝关节内收角度,但以外侧楔形鞋垫疗效更为显着,患者也更容易接受。 加拿大卡尔加里大学的Lewinson等人的一项为期6周的追踪性研究,随机分配3mm倾斜度的外侧楔形鞋垫以及6mm倾斜度的内侧楔形鞋垫,测量通过逆动力学分析两组受试者在实验环境下的膝关节外翻角动量,使用视觉量表模拟测试(visual analog scale)评价受试者在6周干涉前和干涉后鞋垫对膝关节
20、髌骨关节疼痛综合征的缓解效果。从6周干涉测试结果部分来看,两组受试者穿着内侧楔形和外侧楔形鞋垫髌骨关节疼痛的下降程度一致,均为33%左右,且无显着性差异(P=0.697)。同时逆向动力学计算结果显示,膝关节外翻角动量的改变程度在内侧楔形鞋垫组和外侧楔形鞋垫组并无显着性差异。Hinman52等研究分析由于外侧楔形鞋垫组膝关节冠状面相对于地面反作用力的力臂长度降低可能是膝关节内翻力矩降低,外侧楔形鞋垫的使用显着降低了膝关节的峰值内翻力矩和膝关节峰值内翻角动量。膝关节峰值内翻力矩的降低同时还伴随着足底压力中心线的外侧偏移,地面反作用力相对于膝关节冠状面的力臂长度减小,髋关节内收程度降低。但是,关于楔
21、形鞋垫的成效,也有不少学者持有反对观点。Nigg53,54等发现使用楔形鞋垫并未到达实验室预期的结果,并且各受试者之间压力中心曲线的反映并不一致,存在较大的个体差异。 4、 个性化定制鞋垫的运动损伤生物力学研究进展 运动损伤降低了人体身体的活力,群众运动喜好者或者顶级运发动都有强烈运动防护的诉求。运动损伤的防护是运动装备绕不开的话题,上文关于个性化鞋垫的研究也大多基于对损伤的预防和干涉为目的。从运动装备的角度入手,通过对鞋垫进行功能性、个性化方案的改进,是近年来的一个热门课题。当前,预制型鞋垫与缓震鞋垫被广泛的应用于下肢肌骨骼损伤的预防以及人体体姿的调整。现有市面上有大量的个性化定制或预制鞋垫
22、,通常具有不平整波浪外形,这种外形特点往往是根据足形特点设计,其目的是改进足部功能51。所采取的理论大多为 中立位 理论,即通过鞋垫的矫正比方足弓支撑垫,楔形鞋垫等使距下关节维持在中立位,进而确保步态经过中距下关节与中跖维持在正确的位置上55,而这种中立位又主要集中在静态的位置上。 大量研究证明半刚性预制鞋垫相对传统鞋垫能够显着地降低运发动在对抗性训练经过中的下肢应力性骨折,足跟、跖骨、足底筋膜以及胫骨骨前疼痛发生率56,57,58,59。但并未发现预制鞋垫对下肢软组织损伤及慢性下腰痛的受益之处60,61。支持的学者以为,楔形鞋垫能够通过帮助使用者建立正确合理的下肢发力方式和运动形式,降低股骨
23、、胫骨以及跖骨的骨折发生率。Zhang62等运动有限元三维重建膝关节、踝关节和足部的三维有限元模型,模拟结果显示楔形鞋垫能够降低膝关节内侧符合,对与预防膝关节骨性关节炎起积极的作用。但是同样有大量文献显示,预制性鞋垫相对对照组在下肢运动的损伤发生率上并无显着差异63,64。Nigg等以为长期使用特殊鞋垫,造成下肢肌肉的惰性,不利于运动技能的持续提高,同时也没有长期大样本的流行病学研究来支持运动鞋的效果63,65。 相对预制型鞋垫,缓震鞋垫外形通常较为平整,主要是复合柔软性材料制成,例如聚乙烯泡沫和氯丁橡胶泡沫,设计理念是视图通过材料本身的物理性能吸收过高的冲击力以减少运动损伤的发生3。但是对于
24、缓震鞋垫的综述分析结果显示,并不支持缓震鞋垫对下肢硬力性骨折,特定的足部软组织疼痛(足底筋膜组织,跟腱等),小腿三头肌疼痛,胫骨前疼痛以及膝关节疼痛发生率的改进66,67。现市面上销售最好的运动鞋垫大多为此类鞋垫,由于其良好的穿着舒适感,并且无需有专业经历体验的足部矫形师的专门配置,实现的成本低,易于流通。 5、 鞋垫新制备方式方法 随着三维足型扫描技术,3D快速打印技术等的日渐成熟,消费者对鞋垫的个性定制有着强烈需求。矫形器师势必会逐步摆脱传统的慢速的石膏取模的手段,大型鞋具厂商也愿意采用更为便捷可批量的技术手段,不断完善能够实现知足每位用户足形特征和运动习惯等的运动鞋垫。首先是关于定制的流
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