摘要 目的 通过对主观舒适度和行走时足底压力的评测,整合主观感知和生物力学指标,探究个性化鞋垫对正常足型足部感知和足功能的影响。方法 招募16名具有正常足型的男性受试者,采用视觉模拟量表评价极简鞋和个性化鞋垫着鞋干预下主观舒适度指标的差异;通过单因素重复测量方差分析赤足、极简鞋、个性化鞋垫3种着鞋条件支撑期各阶段时间和足底压力的变化;通过多重线性回归筛选极简鞋和个性化鞋垫下影响着鞋总体舒适性的主要指标。结果 在足底压力测评上,着鞋行走的步态支撑期缓冲阶段高于赤足和极简鞋(P <0.05),个性化鞋垫的动态足弓指数(arch index, AI)大于极简鞋和赤足行走(P <0.05),极简鞋动态 AI大于赤足(P <0.05),加入个性化鞋垫中足冲量占比高于赤足行走(P <0.05),着鞋时压力中心(center of pressure, COP)轨迹的平均斜率低于赤足(P <0.05),个性化鞋垫COP轨迹斜率低于极简鞋(P <0.05);在主观舒适度测评上,加入个性化鞋垫后鞋总体舒适性、后跟缓冲、前足缓冲、足弓支撑性、前足包裹和足部控制性高于极简鞋(P <0.05);线性回归结果显示,足弓支撑性和中足冲量占比对鞋总体舒适性有显著性影响(P <0.05)。结论 个性化鞋垫主要通过对足弓的影响提高正常足的总体舒适性。加入个性化鞋垫后,步行的缓冲能力和足部控制能力提高,足部在冠状轴上受力的偏移减小。足-鞋垫-鞋共同影响人体足部感知,鞋垫要综合足型、着鞋条件和鞋垫材质等多方面进行选择。
关键词:
个性化鞋垫
足功能
主观舒适度
步态
行走是人体最基本的运动之一,数百万年的进化使得人类步行具备了经济性、随意性和协调性的特点。作为行走时与地面直接接触的运动器官,足部的本体感受器不断感受张力和相对位置的变化以接收外界的信息,帮助人体调控自身运动 [1-2] 。不同的着鞋条件改变足部本体感觉,影响人体足部的舒适度感知,足部舒适度的改变会影响人体运动时对姿势的调控策略,提高足部舒适性有助于在运动中保护足部,减缓疲劳 [3-5] 。随着年龄的增长,足底肌肉和弹性结构功能的下降导致足部出现扁平趋势 [6] 。目前鞋靴的设计通常将鞋内底制作为与足底形状相同的平面,忽略了足型的立体结构,不能有效地保护和支撑足部,预防足功能的下降。个性化鞋垫具有立体的结构,能够有效地贴合足型,多用于对扁平足或高弓足等异常足型的矫正 [7-8] 。但足型正常的人群在自然站立时跟骨也存在一定程度的外翻,着鞋环境的改善对提高正常足型舒适性和足部控制能力有着重要作用。
有研究团队通过视觉模拟量表(visual analog scale,VAS)评价足部在着鞋状态下的舒适度,复测信度较高,具有将主观感受量化的优点,被广泛应用于鞋靴舒适度的研究 [9-10] 。足底压力测试是测量步态常用的方法,反映了人体在行走过程中地面对足部的作用力。压力中心轨迹从步态支撑期变化和足在冠状轴的水平位移两方面简化行走的受力特点,直观抽象地体现了行走时的足部控制能力,是探究足与地面、鞋与地面有效的客观指标 [11-13] 。但仅用主观指标评价鞋靴无法对鞋的具体部位提供量化指导,仅用客观指标无法全面地结合足与人体的感知。因此,评测鞋靴和足功能需将客观的生物力学指标和人体主观的感知进行整合。本文通过对赤足、普通鞋垫极简鞋和个性化定制鞋垫3种着鞋条件的评测,探究个性化鞋垫对正常人群足部感知和足功能的影响,为大众足踝健康和鞋靴舒适度设计提供研究方法和理论支持。
选取男性受试者16名,身高(176.81±4.12) cm,年龄(25.82±3.01)岁,体重(72.24±2.31) kg,无运动障碍且近3个月无运动损伤。受试者鞋码均为欧码42号,优势侧足均为右侧足,足弓指数(arch index, AI)介于0.21~0.26之间 [11,14] 。AI筛选采用3D PODOMED足型扫描仪(测量精度±1.0 mm,北京海德美业科技有限公司)。
受试者赤足在高频足底压力板(RSscan International公司,比利时)按自身最适速度行走。采集频率126 Hz,传感器密度4个/cm 2 。根据行走时足底压力分布,采用3D打印技术制作单密度的乙烯醋酸乙烯酯(EVA)鞋垫,邵氏硬度为40°,鞋码为欧码42号。
对自带鞋垫极简鞋和EVA鞋垫的极简鞋进行鞋尖翘度、鞋底屈曲刚度、鞋质量和鞋底厚度的测量。每种鞋测量3次取平均值,其中每种鞋鞋底厚度取后足中部、足弓中部和前足中部鞋底厚度的平均值。由于行走时蹬伸离地阶段跖趾关节被动伸展可到达90° [15] ,测量鞋底屈曲刚度时,将鞋跟垂直置于瑞士Kistler测力台(采集频率1 kHz),施加垂直向下的压力,测量鞋底弯折至90°时测力台的数值,其受力与弯折角度的比值为屈曲刚度 [16] 。鞋靴测评参数见 表1
1 . 4 . 1 足底压力测评 采用高频足底压力板测试赤足、极简鞋和加入个性化鞋垫3种着鞋条件下受试者步态特征,每名受试者被测时3种着鞋条件顺序均为随机,每次步态测试受试者均按照自身最适速度行走。
筛选标准:采用变异系数排除步速差异较大的测试结果,当任意两种着鞋条件步速的变异系数 [17] (coefficient of variation,CV)均小于0.10时,本次测评结果视为有效。实验结果表明,赤足与极简鞋、赤足与鞋垫、极简鞋与鞋垫的步速CV分别为0.02±0.01、0.03±0.02、0.02±0.01。
观测指标:足底压力测评包括对步态支撑期各阶段时间、动态AI、足弓冲量占比和压力中心(center of pressure, COP)轨迹分析。
(1) 根据足执行的功能以后跟触地、足趾触地、后跟离地和足趾离地4个时刻将步态支撑期划分为缓冲、过渡和蹬伸3个阶段。各阶段时长按单足支撑期周期百分比进行归一化处理。
(2) 动态AI为行走时足底压力足印中足部位占去脚趾足印面积的百分比,用于表达行走支撑期中足部位与地面相对接触面积 [11] 。
(3) 足弓冲量占比为行走时中足部位冲量占整足冲量(去除足趾部位)的百分比,用于反映行走时支撑阶段压力在足弓部位的累积。
(4) 选取曲线平均斜率和曲线在冠状轴方向的偏移分析COP轨迹,将足底压力曲线置于二维平面坐标系中,其中足底COP第1个点纵坐标为 y 轴零点,足中线为 x 轴。COP轨迹纵坐标负值表示足外侧,正值表示足内侧;COP轨迹横坐标表示单足支撑期时间相对值(见 图1 )。通过Origin 2018分析软件将COP轨迹线性插值至300个坐标点,平均斜率为曲线一阶导数的平均值;COP轨迹横向偏移为该曲线与足中线( x 轴)的数学面积与单足支撑期周期长度的比值 [11] 。
1 . 4 . 2 主观舒适度测评 受试者按随机顺序分别穿着两种鞋行走15 min,实验人员为受试者进行舒适性评测的讲解,随后进行主观舒适度评测,舒适性量表选用量程为150 mm的VAS量表,评测范围为0~10分 [9-10] 。舒适性问题包括:① 总体舒适性,② 后跟缓冲性,③ 前足缓冲性,④ 足弓支撑性,⑤ 后跟包裹性,⑥ 前足包裹性,⑦ 足部控制性,受试者结束行走后,在150 mm VAS 量表选取对应刻度,其位置相对于最大量程等比例对应舒适度评分。
1 . 4 . 3 鞋总体舒适度影响指标筛选 将极简鞋和加入个性化鞋垫鞋的相关指标合并,以主观舒适度中总体舒适性为因变量,其他主观舒适度及足底压力客观指标为自变量对两种着鞋方式进行多重线性回归,筛选出与总体舒适度相关性较高的指标。
实验数据在SPSS 25.0进行分析,统计结果用均值±标准差表示。采用Shapiro-Wilk进行正态分布检验。对于极简鞋和加入鞋垫干预的主观舒适度评测,当数据符合正态分布时采用配对样本 t 检验,不符合正态分布则采用Wilcoxon符号秩进行非参数检验;对于足底压力测试,赤足、极简鞋和鞋垫干预3种着鞋条件采用单因素重复测量方差分析,事后检验采用Bonferroni法, P <0.05为显著性水平。
在多重线性回归分析中,当拟合模型的显著性小于0.05,则认为该模型具有统计学意义,自变量采用逐步回归法进行筛选,调整后 R 2 作为模型拟合度的判断标准, R 2 趋近于1,则模型拟合度较好;当方差膨胀因子(variance inflation factor,VIF)小于10,则认为模型自变量不存在共线性关系;Durbin-Waston(DW)介于1.5~2.5,则认为变量不存在自相关或序列相关。
2 . 1 . 1 单足支撑期各阶段差异 穿着极简鞋[(28.46±8.41)%]和穿着加入个性化鞋垫极简鞋[(31.38±7.84)%]行走时缓冲阶段相比于赤足[(19.40±5.89)%]显著性增加( P =0 . 006, P =0.013),过渡阶段和蹬伸阶段3种着鞋条件行走支撑期百分比无显著性差异( P >0.05)。
2 . 2 . 2 动态AI和中足冲量占比 相比于极简鞋[(24.31±3.27)%]和赤足[(22.47±3.41)%],穿着加入个性化鞋垫鞋步行时动态AI[(33.24±3.15)%)显著性增加( P =0 . 000, P =0.000),赤足和极简鞋动态AI无显著性差异( P >0.05)。
行走时中足冲量占比的结果显示,加入个性化鞋垫后[(6.36±1.13)%]相比于赤足中足部位的冲量[(4.56±1.56)%]显著性增加( P =0.002),赤足与极简鞋、极简鞋与加入个性化鞋垫鞋之间均无显著性差异( P >0.05)。
2 . 2 . 3 COP轨迹分析结果 在曲线横向偏移上,赤足、极简鞋和个性化鞋垫3种着鞋方式之间均无显著性差异( P >0.05);3种着鞋方式COP轨迹平均斜率均存在显著性差异,穿着加入个性化鞋垫鞋行走时COP轨迹平均斜率(0.14±0.06)显著性低于赤足(0.28±0.04)和极简鞋(0.21±0.07)( P =0 . 002, P =0.045),赤足足底COP轨迹平均斜率显著性大于极简鞋( P =0.011)。
对行走时鞋垫干预结果表明,加入个性化鞋垫后,鞋总体舒适性( P =0.023)、鞋后跟缓冲( P =0.002)、前足缓冲( P =0.003)、足弓支撑性( P =0.002)、前足包裹( P =0.020)和足部控制性( P =0.020)均显著性增加,加入个性化鞋垫后极简鞋的后跟包裹性并未发现显著性差异( P >0.05)。主观舒适性测评结果如 图2
2 . 3 . 1 线性回归模型检验 由 表2 可知,逐步回归法得到的回归模型具有统计学意义,DW=1.5~2.5,自变量不存在自相关或序列相关,拟合后的模型可解释68.3%的总体舒适度。
2 . 3 . 2 总体舒适度影响指标确定 由 表3 可知,主观指标中足弓支撑性、客观指标中足冲量占比对总体舒适性具有显著性影响( P =0 . 000, P =0.001),其中足弓支撑性与总体舒适性呈正相关,中足冲量与总体舒适性呈负相关,两者VIF<10,不存在共线性关系。线性回归方程如下:
总体舒适性=6.437+0.504足弓支撑性-0.533中足冲量占比
个性化鞋垫对足功能的影响主要在于触地时缓冲能力和足部控制能力,通过观测行走时鞋底与地面受力情况反映其足功能。着鞋后步态支撑期的缓冲阶段时长显著性高于赤足行走。在缓冲阶段,足部主要起承重和支撑的作用,对于自身体重造成的冲击,更长的缓冲时间表明着鞋相比于赤足在该阶段具有更好的减震性。分析地面对人体的COP轨迹发现,3种着鞋条件并未表现出COP轨迹整体在足底横向的偏移,但在曲线平均斜率上,着鞋状态下COP轨迹斜率显著性低于赤足,其曲线更趋近于直线,加入个性化鞋垫后这种趋势更为明显,COP轨迹的斜率主要是由于蹬伸时足部受力向内侧转移产生,故该轨迹趋于直线表明着鞋条件使得足部蹬伸发力模式改变 [18] 。着鞋后,由于极简鞋外底为平面,使得足部作用在内底的压力均匀分布于地面,增加了中足接触面积,该结果解释了本研究中穿着极简鞋后动态AI增加的现象。个性化鞋垫使足弓获得支撑。研究发现,具有结构减震功能的跑鞋降低了前掌和足跟部位的峰值压强,使足底压力分布更为合理 [19] 。该结果表明鞋内底中足部位分担更多的压力累积,而正常足型足弓刚性良好,在鞋垫中足的支撑部位,鞋垫对足弓结构改变较小,使得足底和鞋内底有着更明显的正压力,相比于极简鞋同样的外底,个性化鞋垫在足底压力板上表现出更大的中足冲量占比。行走时,足弓承重使得内侧纵弓下降,足部产生轻微的外翻,足底COP开始内移 [18] ;随后跖趾关节屈曲,足弓刚性增加,后足逐渐抬离地面进行蹬伸。在这一过程中,COP轨迹进一步向内侧偏移,足旋内完成重心向对侧和前侧的推进。赤足行走的支撑期主要通过足自身结构变化执行相应的足功能。着鞋后,鞋底刚性辅助了足部功能,减小足部形变,有效地控制足部缓冲和蹬伸的姿态;在加入EVA鞋垫后,鞋底厚度和屈曲刚度都有所增加,这一辅助效果更为明显。个性化鞋垫对足弓的支撑作用减小了由于内侧纵弓下降造成的COP轨迹内移,降低了冠状轴方向的发力。
足部感知主要反映足的本体感觉,良好的足部本体感觉有利于足功能的执行进而预防足踝损伤,故本文以主观舒适度反映足部感知 [20-21] 。尽管个性化鞋垫通常用于对异常足型的矫正 [7,22] ,但对于正常足型,踝关节轴并非垂直于下肢中轴,正常站立位根骨仍存在7°左右的外翻 [23] ,贴合足型的内底有利于足部本体感觉器官感知外界信息。本文主观舒适度测评结果表明,对于正常足型,加入个性化鞋垫干预后足部整体舒适感明显提高,在功能性上具体表现为后跟、前足的缓冲性和足部整体控制性增加,在合脚性上具体表现为前足包裹性和足弓支撑性增加。个性化鞋垫的EVA材质和内底厚度的增加,可能是增加缓冲感知的重要原因,鞋垫3D设计使其更贴合足型,在增加缓冲的同时减少了异常足姿发生的风险,提高了合脚性和足部控制性。学者普遍认为,鞋的合脚性是鞋舒适感的决定性因素,这与个性化鞋垫设计的初衷一致 [24-25] 。以往主观舒适度的研究缺少对重要指标的细化和客观结合,本文通过构建线性回归模型发现,极简鞋和个性化鞋垫两种着鞋条件下,人体对鞋足弓支撑性感知和鞋底中足冲量占比对着鞋总体舒适性有着显著性影响,所构建模型解释了68.3%的总体舒适感,内底足弓支撑性与足部舒适感知成正相关,外底中足冲量占比与整体舒适感呈负相关,表明个性化鞋垫主要通过对足弓的影响提高着鞋舒适度。对于鞋内底,合适的足弓支撑有助于足部感知的增加,减少运动损伤的风险;而外底材料或结构设计不当,会增大中足冲量占比,不利于舒适性提高。通过材料分布和结构调整适当垫高内底并降低外底的受力累积,有助于提高足部感知,以便足部更好地执行相应的功能。
个性化鞋垫主要通过对足弓的影响提高正常足的总体舒适性,加入个性化鞋垫后,步行的缓冲能力和足部控制能力提高,足部在冠状轴上受力的偏移减小;足-鞋垫-鞋共同影响人体足部感知,鞋垫要综合足型、着鞋条件和鞋垫材质等多方面进行选择。