體育科學運動鞋對人體落地沖擊和下肢軟組織振動的影響傅維杰，劉宇，李路特征和軟組織振動的影響。方法：2位男性受試者分別穿著強緩沖鞋和對照鞋，從30cm、0cm高度完成主動落地反跳和被動落地，同步采集分析落地沖擊過程中的下肢運動學、地面反作用力、鞋跟加速度以及股四頭肌和股后肌群振動信號。結果：主動落地反跳時，運動鞋因素的介入沒有對人體主動落地時的沖擊特征和相應軟組織的共振頻率及傳遞性產生影響；但在被動落地的沖擊階段，相比對照組，穿著強緩沖鞋能夠在降低沖擊力和鞋跟加速度峰值的同時（P<0.05），顯著減小包括沖擊頻率和鞋跟加速度主頻在內的輸入信號頻率（P<0.05），并降低60cm下落時股四頭肌和股后肌群軟組織系統的傳遞性峰值05）。結論：主動落地時，運動鞋沒有顯著改變沖擊力和軟組織的振動特征；但被動落地過程中，通過運動鞋的干預能夠達到減小沖擊峰值、降低輸入頻率以及軟組織振動zui小化的目的，有利于避免潛在的沖擊傷害。

　　6：A 20123156 0190 2607）；上海高校青年教師培養資助計劃生物力學和運動裝備；Tel：（021）教授，法蘭克福大學博士，科隆體育大學博士后，主要研究方向為運動生物力學的理論與方法、體育工程，已-驗前確認24h內未從事劇烈運動，確定其下肢和足部半年內無明顯損傷，解剖結構和機能正常，身體狀況以及運動能力良好，并均已在訓練或練習中熟練掌握跳深動作，理解本實驗意圖并簽署同意書。

　　表1本研究受試者基本情況一覽表Table年齡身高體重訓練年限鞋碼7士2 1.2測試方案1.2.1運動鞋選取強緩沖鞋（High-cushioningShoe，HS）：選取國際某知名品牌運動鞋作為測試用鞋，其Phylon鞋中底（對泡材料進行發泡后再壓縮的一種材料，其特點是輕便、柔軟、彈性好，具有很好的緩震性能）配備全掌MaxAir氣墊單元，具備強緩沖功能，重量455士0.的普通鞋作為對照鞋進行研究，重量275.0士0.2g.測試包括三種下落高度和兩種下落方式在內的落地測試，即每位受試者需完成共12組測試（2種鞋X3種高度X2種落地方式），每組重復3次，休息間隔為5min.其中高度分別為30cm、45cm和60cm；下落方式為主動落地反跳和被動落地，具體動作為：本研究實驗用強緩沖運動鞋實物圖Figure1. TheHighCushioning與翻板器水平面，腳距與肩同寬，雙手交叉抱于胸前，同步信號開始后，兩腳腳尖緩慢由翻板邊緣向測力合下滑，盡量確保無垂直初速下落，著地后迅速盡力向上垂直跳起（無擺臂）；）被動落地（PassiveLanding，PL）：受試者雙腳開立站于翻板。給與受試者“準備”口令后，通過隨機控制翻板突然下翻，使受試者在基本無預知的情況下完成被動著地。

　　同時，安排測試人員在旁保障被動落地時受試者的安全。

　　本研究受試者動作示意圖主動落地反跳（左）和被動落地（右）1.3所用儀器和評價參數1.3.1運動學捕捉系統英國生產的Vkron紅外高速運動捕捉系統和MX13型號的8臺攝像頭，采樣頻率為120Hz，利用Workstation5.1軟件對信號進行實時監控和采集，確保不同條件下觸地過程中兩款鞋的膝關節zui大屈曲角度基本一致。

　　1.3.2測力臺型號9287B，內置信號放大器，本實驗的采樣頻率為1200 1.3.3加速度信號分析系統000；輸入阻抗為10GOhm；共模抑制比（CMRR）為130dB；信號/噪音（信噪比）小于1pV.本實驗的采樣頻率為1200HZ.測試前先利用Dasy-Lab8.0軟件對3個加速度計的X軸和Y軸進行標定，其中，量程為50g的放置于鞋跟，另兩個則放置于股直肌和股二頭肌，分別代表股四頭肌軟組織（quadricepsfemoris，QF）和股后肌群軟組織（hamstrings，Hams），其中，X軸垂直于皮膚表面，而Y軸則與肌肉長軸水平。

　　1.3.4自制可調節高度翻板器自主設計并加工制作的翻板器（長X寬X高：60X 70cm）。可調節的高度為2065cm，翻板器后方有間隔為5cm的插孔，可通過人工操作插銷使翻板突然下翻（。

　　本研究測試現場儀器架設和受試者下落正、側面觀影像圖Figure3. Experimental 1.3.5評價參數3.5.1沖擊力特征經體重標準化后的沖擊力峰值（Fzmax）和鞋跟加速度zui大振幅（hel）；沖擊力頻率：利用沖擊力峰值（Kma結合20%80%沖擊階段的平均負載率（G）計算確定輸入頻率，公鞋跟加速度頻率范圍（主頻/shoe）：選取受沖擊后的合加速度數據，共約300個數據點，用50HZ的低通濾波器進行濾波，并對數據進行補零，為了在擴大頻率增益（frequencyincrements）的同時，盡量減小對數據準確性的影口響，補零后的數據長度采用512個點，頻率增益為4/ 344Hz為采樣率和數據長度的函數。通過漢寧窗功能（Hanningwindow）和快速傅里葉變換（FastFourierTransform，FFT），把加速度信號從時域轉換為頻域，并得到功率譜（powerspectrum），其中，在頻率帶530Hz內的功率峰值所對應的頻率即定義為鞋跟加速度的主頻/shoe. 2軟組織振動對于主動落地反跳而言，支撐期約持續350400ms，而被動落地后身體回復到直立穩定位需約300ms，兩種動作下落時的沖擊階段約占4070 ms（總支撐時間的12%20%）。為了避免主動落地后再次起跳前對軟組織振動產生的影響，選取的總體有效數據的個數約為300400個（根據再次起跳影響的不同）。利用DASYLab8.0和Origin 7.5對所選取的股四頭肌和股后肌群軟組織振動信號采用100HZ的低通濾波器濾波后，結合鞋跟加速度信號，根據頻率響應函數（Frequency ResponseFunction，FRF），即系統的傳遞性（transmissibirity）來分析下肢軟組織振動系統的力學特性。在本研究中具體指：利用足跟所受到的沖擊力作為一種輸入信號，傳遞到下肢不同的軟組織室，并產生振動作為對于此種沖擊的響應，但當輸入信號與系統固有頻率一致時，會產生共振現象，即在系統的共振頻率范圍內，傳遞性的幅值達到zui大。

　　頭四股本研究受試者30 cm落地反跳過程中股四頭肌和股后肌群振動曲線圖Figure4. RepresentativeSoft-Tissue上述傳遞性關系函數式的計算主要由觸地階段的鞋跟加速度（輸入信號）和軟組織加速度（輸出信號）的自功率譜（八utoPowerSpectrum，八PS）和互功率譜（CrossPowerSpectrum，CPS）完成，而這兩種譜的結合計算能夠減少噪音信號對于傳遞函數結果的影響。

　　自功率譜的運算方程為：而互功率譜的運算方程為：其中，1（f）和0（f）分別代表輸入和輸出信號經過FFT轉化后以頻率為自變量的振幅函數。con代表輸入信號的共軛線性譜。

　　因此，頻率響應函數（傳遞性）為：于沖擊力信號和軟組織振動的影響，并采用Tukeypost- APS// hoc檢驗進行事后兩兩比較，顯著性水平設為a =0.05.其中，CPS（/）代表受試者在每種著地情況下的平均互功率譜，而八PS/）則為平均自功率譜。所得的傳遞性峰值（Hmax）所對應的頻率代表軟組織振動系統的共振頻率/R注：Hmax：傳遞性峰值；/R 1.4統計學2研究結果2.1沖擊力特征主動落地反跳（D）和被動落地（PL）過程中的zui大沖擊，包括沖擊力峰值（Fmax）和鞋跟加速度峰值Uhe），均出現在觸地期的前20%階段，同時，D時無論是F還是aheei，兩款鞋的曲線形態（pattern）相似；然而PL時，穿著強緩沖鞋（HS）的垂直地面反作用力和鞋跟加速度，相比對照鞋（CS）卻呈集體下降。具體表現為：在D過程中，HS組相比CS并沒有對沖擊力峰值和鞋跟加速度峰值產生影響，Fm和ahe主要受落地高度的影響（，<0. 05），即>隨著高度的增加而逐漸增大；旦在PL過程中，無由a可知，在PL過程中，穿著強緩沖鞋的沖擊力頻率小于對照鞋的頻率，并在45cm和60cm時出現了顯著性差異（九5<0. 05；戶60<0.01）同時，與CS組相比，高度的改變（30cm到45cm）對于沖擊力頻率的影響，H組相對更小。相反，在D過程中兩款鞋的表現接近，并沒有出現差異。

　　由鞋跟加速度獲得的主頻與沖擊力的輸入頻率結果類似（b）：D過程中，強緩沖鞋和對照鞋的表現接近，沒有出現差異，同時高度因素也未產生影響；但PL過程中，穿著HS鞋的加速度主頻卻在45cm和60cm高度下均顯著低于對照組（P<0.（S：強緩沖鞋；CS：對照鞋，下同）表2本研究受試者主、被動落地時運動鞋對沖擊力峰值（Fsm）和鞋跟加速度峰值Uhel）的影響一覽表Table主動落地反跳被動落地HS組CS組HS組CS組注：代表同一下落方式和高度下，與CS組相比，P<0.05.八20高度（cm）2.2軟組織振動對于下肢各軟組織系統的共振頻率（/r）而言，在D過程中，股四頭肌和股后肌兩者的共振頻率并沒有因為穿著不同的運動鞋而產生明顯改變（a）只有在PL45下落過程中，HS組股四頭肌以及股后肌的/r存在大于CS組的趨勢（P<.1>　　與此同時，在D過程中，高緩沖鞋對于股四頭肌和股后肌系統的傳遞性峰值（Hm）并沒有顯著影響，其值更多的是隨著高度的增加而變大（b）然而，在60cm被動落地時，HS組股四頭肌以及股后肌的Hm均顯著小于CS 3分析與討論3.1運動鞋對落地沖擊的影響針對運動鞋的緩沖避震，大多數研究主要集中于慢跑，而對于不同高度落地沖擊過程中的運動鞋減震作用，卻仍沒有被系統地理解7.因此，本研究通過采用兩種沖擊負荷較大的落地方式――主動落地反跳和被動落地，來探討運動鞋作為干預條件對沖擊力特征的影響。同時，鑒于整個實驗中已確保各條件下觸地過程中兩款鞋的膝關節zui大屈曲角度致，用以排除人體下肢的主動屈膝給沖擊力和軟組織振動所帶來的影響。

　　研究結果表明，在主動落地沖擊階段，運動鞋并沒有顯著改變沖擊力和鞋跟加速度的峰值。從動作控制角度出發，主動落地反跳屬于被中樞神經預先設定（prerprtgrammed）同時需要人體肌骨能系統進行運動調控的動作：相應肌群在下肢著地前保持適當的預激活（pre-activa-tion），從而完成觸地后的迅速反跳。因此，從本研究的結果來看，運動鞋作為介入因素沒有在整個主動落地受沖擊的過程中起到明顯作用，這支持大部分有關運動鞋和沖擊力關系的研究，即鞋緩沖能力的改變并不會顯著影響沖擊峰值，峰值主要隨下肢的有效質量（eefectivemass）和本研究受試者主、被動落地時運動鞋對股四頭肌和股后肌系統共振頻率（/R）和傳遞性峰值（Hraax）的影響示意圖Figure8. EffectofFootwear觸地速度的增加而變大。

　　同樣，針對沖擊力輸入頻率和鞋跟加速度主頻，在主動落地時兩款鞋并沒有出現顯著差異。已有研究發現，下落于較軟表面的輸入頻率與較硬表面的相比沒有明顯差別，并認為其產生的部分原因是人體對沖擊做出的必要調節和響應（tuningandreaction）。更重要的是，由于神經肌肉系統在主動運動過程中（如落地反跳和慢跑）所采用的控制策略（movement相應肌群（預激活等）、調整下肢剛度和著地幾何學位置（geometry），從而在很大程度上抵消了鞋緩沖材料本身所帶來的避震效果。

　　相反，不同高度被動下落沖擊過程中，穿著強緩沖鞋能夠在降低沖擊力和鞋跟加速度峰值的同時（表2），顯著減小包括沖擊頻率和鞋跟加速度主頻在內的輸入頻率。該發現提示，相比對照鞋，強緩沖鞋確實能夠對未完全預知落地狀態下所受的沖擊起到更為明顯地緩沖作用。

　　這一結果支持Lafortune等人的研究：在人體鐘擺實驗模擬下肢沖擊的實驗中，與裸足和硬底鞋比較，具有軟EV八泡的運動鞋能夠減小足部與墻面的沖擊峰值和zui大負載率。Potthst等人進一步發現，人體下肢所受的沖擊力不僅與運動表面的軟硬程度相關，同時還與所對應肌肉的活化程度相聯系：當腓腸肌和股內側肌的活化水平較低時（30%MVC），足部與軟表面之間所產生的沖擊力以及相應的脛、股骨加速度峰值，相比硬表面顯著下降，然50而，隨著肌群活化水平的提高，不同軟硬度表面對于沖擊力時頻特征的影響作用反而不明顯。

　　由此可見，與主動落地反跳不同，被動落地過程中人體并沒有完全預知整個著地狀態，從而無法為落地姿態的控制和隨后所承受的沖擊負荷做準備。而這種突然的下肢動作的改變，正是因為缺少神經一肌肉系統對落地策略的及時反饋以及相應肌群的適時激活，從而排除或部分排除了人體自身作為活性機體針對沖擊力效果進行的一系列適應策略（an adaptationstrategy），并zui終促使運動鞋/表面的緩沖避震作用更加凸顯，有助于預防在突然落地等未預知情況下的潛在沖擊傷害。

　　3.2運動鞋對軟組織振動的影響分析振動系統的穩定性和運動特性，它是系統對信號的穩態響應屬性，由系統的幅頻和相頻特征組成。頻率響應函數，即系統的傳遞性（transmissiblty），是指當某一振動系統受到簡諧激勵時，穩態輸出相量與輸入相量之間的傳遞函數，表現為輸出（output fre-quency）的互譜與輸入的自譜之比。但當輸入信號與系統固有頻率一致時，則會產生共振現象，即在系統的共振頻率范圍內，傳遞性的幅值達到zui大。當這一輸入和輸出之間的振動信號關系應用到生物力學領域，即所謂的生物動responses）10.本研究中以落地時足跟所受的沖擊以及股四頭肌和股后肌群產生的振動分別作為輸入和輸出信號，當兩者信號的頻率一致時引起共振，表現為在軟組織系統的共振頻率范圍內，傳遞性的幅值zui大，增加了產生沖擊損傷的可能。

　　本研究結果發現，不論主動落地還是被動落地條件下，股四頭肌和股后肌的共振頻率并沒有因為運動鞋因素的介入而產生顯著差異。之前的研究顯示，人體下肢軟組織的共振特性主要依賴于肌肉的力量、長度和收縮速度，并會因為運動方式的改變而影響軟組織相對于骨骼的振顫表現。Boyer等人發現，軟組織的振動存在個體以及肌肉的特異性，且頻率本身與跑步姿態存在一定聯系，提示本研究中不同運動鞋條件確實無法改變軟組織共振頻率，相反，落地方或動作控制模式的變化可能會更大程度上影響下肢軟組織的振動頻域特征。

　　另一方面，在主動落地反跳時，運動鞋沒有顯著改變沖擊階段相應軟組織振動的傳遞性峰值（Hmax）。從振動力學角度而言，針對能夠被神經中樞預先調控的動作，人體肌骨骼系統能夠通過減小沖擊傳遞、改變振動頻率和/或阻尼特征，確保軟組織振動系統的共振zui小化（minimizeresonance）29.在主動下落過程中，神經肌肉的運動控制使相應肌群在觸地前產生適當預激活，改變包括下肢關節角度、角速度、剛度等在內的落地策略，并zui終影響軟組織的振動反饋，而此時，運動鞋對于改變地面沖擊輸入及軟組織振動輸出信號的作用并不突出。

　　與此相反，從60cm被動下落時，強緩沖鞋股四頭肌以及股后肌群受到沖擊負荷時的Hmax均顯著小于對照鞋。這一結果與Nigg等人的部分研究相似：在足跟模擬鐘擺撞擊的過程中（pendulumimpact），下肢相應軟組織的傳遞性會隨著沖擊表面的改變而變化，同時股四頭肌、股后肌和小腿三頭肌均受到運動鞋和共振頻率范圍（高或低）的交互影響。考慮到運動鞋因素的介入確實能夠改變沖擊力這一輸入信號，從而進一步對整個軟組織系統的振動特性產生作用。因此，在肌肉已被適當激活的落地控制下（如主動落地反跳），人體自身對于沖擊以及隨后軟組織振動的調節能力遠大于運動鞋緩沖能力的差別，從預防受傷的角度，掌握合理的落地技術、提高預激動水平就遠比運動鞋本身的緩沖避震性能要重要。然而，在某些情況下，如疲勞、姿勢動作不合理、未預料的落地等，人體神經-肌骨骼系統的調節能力下降或不當，此時運動鞋的作用就顯得更為重要：通過減小沖擊、改變輸入信號時頻特征，從而降低相應軟組織的共振，避免由此可能引起的損傷。

　　本研究采用幾乎無緩沖的普通鞋作為控制鞋，其目的是為了與強緩沖鞋進行對照同時不讓足在完全沒有保護的情況下完成負荷較大的落地沖擊。因此，未來的研究可以聚焦不同中底性能的鞋（如硬度、材料等）以及不同落地策略對于下肢肌骨骼系統的反饋表現。

　　4結論主動落地過程中，運動鞋沒有顯著改變沖擊力作為輸入信號的時、頻特征，以及軟組織作為輸出信號的共振頻率和傳遞性峰值；然而，在被動落地時，穿著強緩沖鞋能夠顯著降低沖擊力和鞋跟加速度振幅，減小沖擊頻率和鞋跟加速度主頻，改變相應軟組織振動系統的傳遞性，提示當人體神經-肌骨骼系統未（或未完全）對落地沖擊做適當調節時，通過運動鞋的干預能夠達到減小沖擊峰值、降低輸入頻率以及軟組織振動zui小化的目的，進而有利于避免潛在的沖擊傷害。