运动鞋对人体落地冲击和下肢软组织振动的影响

　　体育科学运动鞋对人体落地冲击和下肢软组织振动的影响傅维杰，刘宇，李路特征和软组织振动的影响。方法：2位男性受试者分别穿着强缓冲鞋和对照鞋，从30cm、0cm高度完成主动落地反跳和被动落地，同步采集分析落地冲击过程中的下肢运动学、地面反作用力、鞋跟加速度以及股四头肌和股后肌群振动信号。结果：主动落地反跳时，运动鞋因素的介入没有对人体主动落地时的冲击特征和相应软组织的共振频率及传递性产生影响；但在被动落地的冲击阶段，相比对照组，穿着强缓冲鞋能够在降低冲击力和鞋跟加速度峰值的同时（P<0.05），显著减小包括冲击频率和鞋跟加速度主频在内的输入信号频率（P<0.05），并降低60cm下落时股四头肌和股后肌群软组织系统的传递性峰值05）。结论：主动落地时，运动鞋没有显著改变冲击力和软组织的振动特征；但被动落地过程中，通过运动鞋的干预能够达到减小冲击峰值、降低输入频率以及软组织振动zui小化的目的，有利于避免潜在的冲击伤害。

　　6：A 20123156 0190 2607）；上海高校青年教师培养资助计划生物力学和运动装备；Tel：（021）教授，法兰克福大学博士，科隆体育大学博士后，主要研究方向为运动生物力学的理论与方法、体育工程，已-验前确认24h内未从事剧烈运动，确定其下肢和足部半年内无明显损伤，解剖结构和机能正常，身体状况以及运动能力良好，并均已在训练或练习中熟练掌握跳深动作，理解本实验意图并签署同意书。

　　表1本研究受试者基本情况一览表Table年龄身高体重训练年限鞋码7士2 1.2测试方案1.2.1运动鞋选取强缓冲鞋（High-cushioningShoe，HS）：选取国际某知名品牌运动鞋作为测试用鞋，其Phylon鞋中底（对泡材料进行发泡后再压缩的一种材料，其特点是轻便、柔软、弹性好，具有很好的缓震性能）配备全掌MaxAir气垫单元，具备强缓冲功能，重量455士0.的普通鞋作为对照鞋进行研究，重量275.0士0.2g.测试包括三种下落高度和两种下落方式在内的落地测试，即每位受试者需完成共12组测试（2种鞋X3种高度X2种落地方式），每组重复3次，休息间隔为5min.其中高度分别为30cm、45cm和60cm；下落方式为主动落地反跳和被动落地，具体动作为：本研究实验用强缓冲运动鞋实物图Figure1. TheHighCushioning与翻板器水平面，脚距与肩同宽，双手交叉抱于胸前，同步信号开始后，两脚脚尖缓慢由翻板边缘向测力合下滑，尽量确保无垂直初速下落，着地后迅速尽力向上垂直跳起（无摆臂）；）被动落地（PassiveLanding，PL）：受试者双脚开立站于翻板。给与受试者“准备”口令后，通过随机控制翻板突然下翻，使受试者在基本无预知的情况下完成被动着地。

　　同时，安排测试人员在旁保障被动落地时受试者的安全。

　　本研究受试者动作示意图主动落地反跳（左）和被动落地（右）1.3所用仪器和评价参数1.3.1运动学捕捉系统英国生产的Vkron红外高速运动捕捉系统和MX13型号的8台摄像头，采样频率为120Hz，利用Workstation5.1软件对信号进行实时监控和采集，确保不同条件下触地过程中两款鞋的膝关节zui大屈曲角度基本一致。

　　1.3.2测力台型号9287B，内置信号放大器，本实验的采样频率为1200 1.3.3加速度信号分析系统000；输入阻抗为10GOhm；共模抑制比（CMRR）为130dB；信号/噪音（信噪比）小于1pV.本实验的采样频率为1200HZ.测试前先利用Dasy-Lab8.0软件对3个加速度计的X轴和Y轴进行标定，其中，量程为50g的放置于鞋跟，另两个则放置于股直肌和股二头肌，分别代表股四头肌软组织（quadricepsfemoris，QF）和股后肌群软组织（hamstrings，Hams），其中，X轴垂直于皮肤表面，而Y轴则与肌肉长轴水平。

　　1.3.4自制可调节高度翻板器自主设计并加工制作的翻板器（长X宽X高：60X 70cm）。可调节的高度为2065cm，翻板器后方有间隔为5cm的插孔，可通过人工操作插销使翻板突然下翻（。

　　本研究测试现场仪器架设和受试者下落正、侧面观影像图Figure3. Experimental 1.3.5评价参数3.5.1冲击力特征经体重标准化后的冲击力峰值（Fzmax）和鞋跟加速度zui大振幅（hel）；冲击力频率：利用冲击力峰值（Kma结合20%80%冲击阶段的平均负载率（G）计算确定输入频率，公鞋跟加速度频率范围（主频/shoe）：选取受冲击后的合加速度数据，共约300个数据点，用50HZ的低通滤波器进行滤波，并对数据进行补零，为了在扩大频率增益（frequencyincrements）的同时，尽量减小对数据准确性的影口响，补零后的数据长度采用512个点，频率增益为4/ 344Hz为采样率和数据长度的函数。通过汉宁窗功能（Hanningwindow）和快速傅里叶变换（FastFourierTransform，FFT），把加速度信号从时域转换为频域，并得到功率谱（powerspectrum），其中，在频率带530Hz内的功率峰值所对应的频率即定义为鞋跟加速度的主频/shoe. 2软组织振动对于主动落地反跳而言，支撑期约持续350400ms，而被动落地后身体回复到直立稳定位需约300ms，两种动作下落时的冲击阶段约占4070 ms（总支撑时间的12%20%）。为了避免主动落地后再次起跳前对软组织振动产生的影响，选取的总体有效数据的个数约为300400个（根据再次起跳影响的不同）。利用DASYLab8.0和Origin 7.5对所选取的股四头肌和股后肌群软组织振动信号采用100HZ的低通滤波器滤波后，结合鞋跟加速度信号，根据频率响应函数（Frequency ResponseFunction，FRF），即系统的传递性（transmissibirity）来分析下肢软组织振动系统的力学特性。在本研究中具体指：利用足跟所受到的冲击力作为一种输入信号，传递到下肢不同的软组织室，并产生振动作为对于此种冲击的响应，但当输入信号与系统固有频率一致时，会产生共振现象，即在系统的共振频率范围内，传递性的幅值达到zui大。

　　头四股本研究受试者30 cm落地反跳过程中股四头肌和股后肌群振动曲线图Figure4. RepresentativeSoft-Tissue上述传递性关系函数式的计算主要由触地阶段的鞋跟加速度（输入信号）和软组织加速度（输出信号）的自功率谱（八utoPowerSpectrum，八PS）和互功率谱（CrossPowerSpectrum，CPS）完成，而这两种谱的结合计算能够减少噪音信号对于传递函数结果的影响。

　　自功率谱的运算方程为：而互功率谱的运算方程为：其中，1（f）和0（f）分别代表输入和输出信号经过FFT转化后以频率为自变量的振幅函数。con代表输入信号的共轭线性谱。

　　因此，频率响应函数（传递性）为：于冲击力信号和软组织振动的影响，并采用Tukeypost- APS// hoc检验进行事后两两比较，显著性水平设为a =0.05.其中，CPS（/）代表受试者在每种着地情况下的平均互功率谱，而八PS/）则为平均自功率谱。所得的传递性峰值（Hmax）所对应的频率代表软组织振动系统的共振频率/R注：Hmax：传递性峰值；/R 1.4统计学2研究结果2.1冲击力特征主动落地反跳（D）和被动落地（PL）过程中的zui大冲击，包括冲击力峰值（Fmax）和鞋跟加速度峰值Uhe），均出现在触地期的前20%阶段，同时，D时无论是F还是aheei，两款鞋的曲线形态（pattern）相似；然而PL时，穿着强缓冲鞋（HS）的垂直地面反作用力和鞋跟加速度，相比对照鞋（CS）却呈集体下降。具体表现为：在D过程中，HS组相比CS并没有对冲击力峰值和鞋跟加速度峰值产生影响，Fm和ahe主要受落地高度的影响（，<0. 05），即>随着高度的增加而逐渐增大；旦在PL过程中，无由a可知，在PL过程中，穿着强缓冲鞋的冲击力频率小于对照鞋的频率，并在45cm和60cm时出现了显著性差异（九5<0. 05；户60<0.01）同时，与CS组相比，高度的改变（30cm到45cm）对于冲击力频率的影响，H组相对更小。相反，在D过程中两款鞋的表现接近，并没有出现差异。

　　由鞋跟加速度获得的主频与冲击力的输入频率结果类似（b）：D过程中，强缓冲鞋和对照鞋的表现接近，没有出现差异，同时高度因素也未产生影响；但PL过程中，穿着HS鞋的加速度主频却在45cm和60cm高度下均显著低于对照组（P<0.（S：强缓冲鞋；CS：对照鞋，下同）表2本研究受试者主、被动落地时运动鞋对冲击力峰值（Fsm）和鞋跟加速度峰值Uhel）的影响一览表Table主动落地反跳被动落地HS组CS组HS组CS组注：代表同一下落方式和高度下，与CS组相比，P<0.05.八20高度（cm）2.2软组织振动对于下肢各软组织系统的共振频率（/r）而言，在D过程中，股四头肌和股后肌两者的共振频率并没有因为穿着不同的运动鞋而产生明显改变（a）只有在PL45下落过程中，HS组股四头肌以及股后肌的/r存在大于CS组的趋势（P<.1>　　与此同时，在D过程中，高缓冲鞋对于股四头肌和股后肌系统的传递性峰值（Hm）并没有显著影响，其值更多的是随着高度的增加而变大（b）然而，在60cm被动落地时，HS组股四头肌以及股后肌的Hm均显著小于CS 3分析与讨论3.1运动鞋对落地冲击的影响针对运动鞋的缓冲避震，大多数研究主要集中于慢跑，而对于不同高度落地冲击过程中的运动鞋减震作用，却仍没有被系统地理解7.因此，本研究通过采用两种冲击负荷较大的落地方式――主动落地反跳和被动落地，来探讨运动鞋作为干预条件对冲击力特征的影响。同时，鉴于整个实验中已确保各条件下触地过程中两款鞋的膝关节zui大屈曲角度致，用以排除人体下肢的主动屈膝给冲击力和软组织振动所带来的影响。

　　研究结果表明，在主动落地冲击阶段，运动鞋并没有显著改变冲击力和鞋跟加速度的峰值。从动作控制角度出发，主动落地反跳属于被中枢神经预先设定（prerprtgrammed）同时需要人体肌骨能系统进行运动调控的动作：相应肌群在下肢着地前保持适当的预激活（pre-activa-tion），从而完成触地后的迅速反跳。因此，从本研究的结果来看，运动鞋作为介入因素没有在整个主动落地受冲击的过程中起到明显作用，这支持大部分有关运动鞋和冲击力关系的研究，即鞋缓冲能力的改变并不会显著影响冲击峰值，峰值主要随下肢的有效质量（eefectivemass）和本研究受试者主、被动落地时运动鞋对股四头肌和股后肌系统共振频率（/R）和传递性峰值（Hraax）的影响示意图Figure8. EffectofFootwear触地速度的增加而变大。

　　同样，针对冲击力输入频率和鞋跟加速度主频，在主动落地时两款鞋并没有出现显著差异。已有研究发现，下落于较软表面的输入频率与较硬表面的相比没有明显差别，并认为其产生的部分原因是人体对冲击做出的必要调节和响应（tuningandreaction）。更重要的是，由于神经肌肉系统在主动运动过程中（如落地反跳和慢跑）所采用的控制策略（movement相应肌群（预激活等）、调整下肢刚度和着地几何学位置（geometry），从而在很大程度上抵消了鞋缓冲材料本身所带来的避震效果。

　　相反，不同高度被动下落冲击过程中，穿着强缓冲鞋能够在降低冲击力和鞋跟加速度峰值的同时（表2），显著减小包括冲击频率和鞋跟加速度主频在内的输入频率。该发现提示，相比对照鞋，强缓冲鞋确实能够对未完全预知落地状态下所受的冲击起到更为明显地缓冲作用。

　　这一结果支持Lafortune等人的研究：在人体钟摆实验模拟下肢冲击的实验中，与裸足和硬底鞋比较，具有软EV八泡的运动鞋能够减小足部与墙面的冲击峰值和zui大负载率。Potthst等人进一步发现，人体下肢所受的冲击力不仅与运动表面的软硬程度相关，同时还与所对应肌肉的活化程度相联系：当腓肠肌和股内侧肌的活化水平较低时（30%MVC），足部与软表面之间所产生的冲击力以及相应的胫、股骨加速度峰值，相比硬表面显著下降，然50而，随着肌群活化水平的提高，不同软硬度表面对于冲击力时频特征的影响作用反而不明显。

　　由此可见，与主动落地反跳不同，被动落地过程中人体并没有完全预知整个着地状态，从而无法为落地姿态的控制和随后所承受的冲击负荷做准备。而这种突然的下肢动作的改变，正是因为缺少神经一肌肉系统对落地策略的及时反馈以及相应肌群的适时激活，从而排除或部分排除了人体自身作为活性机体针对冲击力效果进行的一系列适应策略（an adaptationstrategy），并zui终促使运动鞋/表面的缓冲避震作用更加凸显，有助于预防在突然落地等未预知情况下的潜在冲击伤害。

　　3.2运动鞋对软组织振动的影响分析振动系统的稳定性和运动特性，它是系统对信号的稳态响应属性，由系统的幅频和相频特征组成。频率响应函数，即系统的传递性（transmissiblty），是指当某一振动系统受到简谐激励时，稳态输出相量与输入相量之间的传递函数，表现为输出（output fre-quency）的互谱与输入的自谱之比。但当输入信号与系统固有频率一致时，则会产生共振现象，即在系统的共振频率范围内，传递性的幅值达到zui大。当这一输入和输出之间的振动信号关系应用到生物力学领域，即所谓的生物动responses）10.本研究中以落地时足跟所受的冲击以及股四头肌和股后肌群产生的振动分别作为输入和输出信号，当两者信号的频率一致时引起共振，表现为在软组织系统的共振频率范围内，传递性的幅值zui大，增加了产生冲击损伤的可能。

　　本研究结果发现，不论主动落地还是被动落地条件下，股四头肌和股后肌的共振频率并没有因为运动鞋因素的介入而产生显著差异。之前的研究显示，人体下肢软组织的共振特性主要依赖于肌肉的力量、长度和收缩速度，并会因为运动方式的改变而影响软组织相对于骨骼的振颤表现。Boyer等人发现，软组织的振动存在个体以及肌肉的特异性，且频率本身与跑步姿态存在一定联系，提示本研究中不同运动鞋条件确实无法改变软组织共振频率，相反，落地方或动作控制模式的变化可能会更大程度上影响下肢软组织的振动频域特征。

　　另一方面，在主动落地反跳时，运动鞋没有显著改变冲击阶段相应软组织振动的传递性峰值（Hmax）。从振动力学角度而言，针对能够被神经中枢预先调控的动作，人体肌骨骼系统能够通过减小冲击传递、改变振动频率和/或阻尼特征，确保软组织振动系统的共振zui小化（minimizeresonance）29.在主动下落过程中，神经肌肉的运动控制使相应肌群在触地前产生适当预激活，改变包括下肢关节角度、角速度、刚度等在内的落地策略，并zui终影响软组织的振动反馈，而此时，运动鞋对于改变地面冲击输入及软组织振动输出信号的作用并不突出。

　　与此相反，从60cm被动下落时，强缓冲鞋股四头肌以及股后肌群受到冲击负荷时的Hmax均显著小于对照鞋。这一结果与Nigg等人的部分研究相似：在足跟模拟钟摆撞击的过程中（pendulumimpact），下肢相应软组织的传递性会随着冲击表面的改变而变化，同时股四头肌、股后肌和小腿三头肌均受到运动鞋和共振频率范围（高或低）的交互影响。考虑到运动鞋因素的介入确实能够改变冲击力这一输入信号，从而进一步对整个软组织系统的振动特性产生作用。因此，在肌肉已被适当激活的落地控制下（如主动落地反跳），人体自身对于冲击以及随后软组织振动的调节能力远大于运动鞋缓冲能力的差别，从预防受伤的角度，掌握合理的落地技术、提高预激动水平就远比运动鞋本身的缓冲避震性能要重要。然而，在某些情况下，如疲劳、姿势动作不合理、未预料的落地等，人体神经-肌骨骼系统的调节能力下降或不当，此时运动鞋的作用就显得更为重要：通过减小冲击、改变输入信号时频特征，从而降低相应软组织的共振，避免由此可能引起的损伤。

　　本研究采用几乎无缓冲的普通鞋作为控制鞋，其目的是为了与强缓冲鞋进行对照同时不让足在完全没有保护的情况下完成负荷较大的落地冲击。因此，未来的研究可以聚焦不同中底性能的鞋（如硬度、材料等）以及不同落地策略对于下肢肌骨骼系统的反馈表现。

　　4结论主动落地过程中，运动鞋没有显著改变冲击力作为输入信号的时、频特征，以及软组织作为输出信号的共振频率和传递性峰值；然而，在被动落地时，穿着强缓冲鞋能够显著降低冲击力和鞋跟加速度振幅，减小冲击频率和鞋跟加速度主频，改变相应软组织振动系统的传递性，提示当人体神经-肌骨骼系统未（或未完全）对落地冲击做适当调节时，通过运动鞋的干预能够达到减小冲击峰值、降低输入频率以及软组织振动zui小化的目的，进而有利于避免潜在的冲击伤害。