鞋垫形态对不同脚型足底压力的影响

罗向东，杨 洋，岳宗敏，同 高

(陕西科技大学 设计与艺术学院,陕西 西安 710021)

0 引言

人在正常行走时足部需承受人体2～3倍体重的负荷，在跑步时需承受人体5倍左右体重的负荷，在跳跃时足部承受的负荷甚至达到10倍体重，足部压力过大或压力分布不均匀会直接导致足部疲劳、疼痛、甚至畸形病变[1,2].现行制鞋标准未充分考虑高弓足、扁平足等特殊脚型足底压力特点，多借助鞋垫进行特殊脚型的局部矫正.因此，鞋垫的合脚程度和安全性显得尤为重要.

随着国内外相关技术研究的发展以及人们对足部健康和舒适性的重视，国内外对鞋垫结构的研究有了很大进展.在鞋垫形态领域研究中，有学者通过对比体力、脑力劳动者的足底压力，分析两类人群足底压力和足弓变化情况，给出合理的鞋垫选用建议[3].有学者对扁平足进行深入研究，通过对前掌部位、足弓部位、后跟部位进行鞋垫结构设计，对轻度扁平足患者进行矫正和治疗[4,5].鞋垫厚度领域的研究中，国外有学者运用生物力学方法研究了运动鞋鞋垫厚度硬度对足底压力舒适性的影响，最终确定鞋垫的舒适度参数[6-8].鞋垫材质领域研究中，国外学者认为材质相同的情况下，全脚掌垫鞋垫可降低峰值压力，改变足底压力的分布，并使舒适性感觉大幅提高[9,10].鞋垫定制领域的研究中，先后有人通过脚型取模定制鞋垫研究前掌、腰窝和后跟处的峰值压强[11]，进而深入到对糖尿病等病足的脚型鞋垫定制研究[12].

鞋垫类型及其各项细节指标对足底压力的影响逐渐成为研究热点.在现有研究的基础上，本研究主要从鞋垫不同部位厚度出发，结合主观评价量表，综合分析鞋垫形态对不同脚型人群穿着过程中足底压力和舒适性的影响.

1 实验部分

1.1 实验对象

选取受试者45名，均为普通在校男大学生，平均年龄23±2岁，平均体重60±5 KG，平均身高173±5 cm，下肢无受伤史，身体状况良好，运动能力良好.实验人员中正常足、扁平足和高弓足各15名(通过对其脚印分析确定)，所有受试者均在实验前签署知情同意书.如图1所示为脚型特征.

(a)正常足 (b)高弓足 (c)扁平足图1 脚型特征

1.2 实验设备及材料

(1)德国Novel公司Pedar-X鞋垫式足底压力仪(如图2所示)，用于测量实验过程中足底压力.每只鞋垫上分布有99个电容式压力传感器，采集频率0～100 Hz.

图2 鞋垫式足底压力仪

(2)英派斯电动跑步机，型号为DP8660，可控制实验过程步速，电机功率1.5 Hp，速度范围1～16 km/h，坡度0 °～10 °.

(3)实验用鞋为某品牌42码基础跑鞋一双.

(4)工业测厚仪一台，品牌为EVERTE/埃维特，型号为awt-chy01，用于确定鞋垫不同部位精确厚度.

1.3 实验鞋垫选取

实验所用鞋垫为三组硬度相同、形态不同的鞋垫，共9双(如图3所示).每组对照组鞋垫的前掌、腰窝和后跟部位厚度分别保持在4.3～10.42 mm、4.9～7.87 mm、6.5～9.71 mm.在研究前掌厚度对足底压力的影响时，将腰窝厚度和后跟厚度分别控制在6.37 mm和9.2 mm；在研究腰窝时，将前掌厚度和后跟厚度分别控制在4.89 mm和9.71 mm；在研究后跟时，将前掌厚度和腰窝厚度分别控制在4.3 mm和4.9 mm.其详细规格参数如表1所示.

表1 实验鞋垫详细数据

鞋垫改造依据：

(1)根据市场上现有鞋垫形态变化的规律，进行实验鞋垫形态变化总结.

(2)根据足部生理结构特点，正常足与非正常足采用统一鞋垫进行实验，选取5 mm为改变基准.

(a)1号鞋垫 (b)2号鞋垫

1.4 实验方案

实验方法分为足底压力测试和主观评价法两部分.

足底压力测试部分使用鞋垫式压力测试仪，获取正常足、扁平足和高弓足测试者在使用不同形态鞋垫正常行走时足部各区域力.要求受试者在跑步机上以正常行走状态行走，并穿着统一的鞋子和袜子，等待受试者行走步伐稳定后进行实验数据采集.

在跑步机上设定正常行走速度：3.6 Km/h，所有受试者提前在跑步机上对速度进行适应，要求步伐平稳正常.让受试者穿着实验准备鞋及袜子，在鞋子中放入实验鞋垫.待受试者步伐平稳后进行实验数据采集，每双鞋垫采集正常行走20 s的步态.

主观评价法以人的主观感觉为依据，主要采用让受试者对鞋垫穿着进行评分，舒适度评判分为五级，具体如图4所示.

图4 主观舒适度评价标准

1.5 数据处理

如图5所示，本实验将左右脚分为前掌、中足、后跟一共六个分区，分别为L1(左脚前掌)、L2(左脚中足)、L3(左脚后跟)；R1(右脚前掌)、R2(右脚中足)、R3(右脚后跟)[13].

图5 足底压力分区

分析指标包括压力及压力面积，分析软件采用SPSS Statistics 25完成.标定1号、4号、7号鞋垫分别为前掌、腰窝及后跟部位改造鞋垫的空白对照组鞋垫，采用正常足穿着1号、4号、7号鞋垫时测得足底压力值和面积作为定量，与高弓足、扁平足穿着不同鞋垫行走时足底压力和站立时压力面积进行对比，得出其相互间差异性.

主观评价量表部分，根据不同脚型受试者穿着前掌、腰窝和后跟指定部位变化的鞋垫，行走20s后进行主观舒适度评分.

2 结果与讨论

2.1 鞋垫形态改变对高弓足影响

高弓足穿着1～9号鞋垫，从足底压力变化趋势可以看出，高弓足在穿着所有鞋垫时，其腰窝部位的压力值增量均小于前掌和后跟部位的压力增量，趋势为腰窝>前掌>后跟(如表2所示).与正常足穿着未经改造的基础鞋垫相比，高弓足在穿着所有鞋垫时，其前掌部位压力值增量均为正增长；腰窝部分，高弓足穿着1～9号鞋垫的足底时足底压力均有显著下降，腰窝部位的足底压力面积具有相同变化趋势(如表3所示).表4显示了不同鞋垫形态下高弓足足底压力面积占整足压力面积百分比.

表2 不同鞋垫形态高弓足足底压力变化率

高弓足足内侧纵弓较高，与正常足相比足底与地面接触面积小，容易出现前掌和后跟部位疼痛[14].研究结果表明，高弓足前掌部位承担了一半以上的足底压力(如表4所示)，侧面印证了高弓足足部损伤多发于前掌部位这一结论[15-17].较正常足而言，高弓足穿任何形态的鞋垫时，其前掌部位压力都高于正常足穿着未经改造的1号鞋垫时的足底压力值.其中穿着2号、7号和9号三双鞋垫时，高弓足前掌部位接触面积有明显下降(如表3所示)，但鞋垫形态未对高弓足足底压力分布情况造成显著影响，高弓足前掌部位仍然承担着全足大部分以上的压力(如表4所示).高弓足进行前掌凹陷5 mm处理，使足底压力整体前倾，明显增加了高弓足足弓部位压力面积，提高了腰窝处的压力，使足跟部位压力有下降趋势.前掌垫高5 mm使前掌压力和后跟压力有下降趋势，因为垫高处理导致高弓足前掌压力面积明显减少，后跟压力面积明显增加.高弓足因鞋垫腰窝的垫高，腰窝部位压力面积持续增大导致腰窝压力持续增加，同时明显减少了前掌和后跟的压力.高弓足在后跟改变时，其足底各部位压力均无明显变化，但是后跟气垫同样使后跟部位压力有所减小.

表3 不同鞋垫形态高弓足足底压力面积变化率

表4 不同鞋垫形态下高弓足足底压力面积占整足压力面积百分比

2.2 鞋垫形态改变对扁平影响

扁平足穿着1～9号鞋垫，足底压力变化趋势大致符合腰窝变化量>后跟变化量>前掌变化量(如表5所示).其中，前掌和后跟部位足底压力变化率多为负增长，腰窝部位变化率为正增长，对应足底压力面积变化率可总结为腰窝>后跟>前掌，与足底压力变化趋势保持基本一致(如表6所示).表7显示了不同鞋垫形态下扁平足足底压力面积占整足压力面积百分比情况.

表5 不同鞋垫形态扁平足足底压力变化率

表6 不同鞋垫形态扁平足足底压力面积变化率

表7 不同鞋垫形态下扁平足足底压力面积占整足压力面积百分比

对于扁平足患者而言，选择合适的鞋垫可有效支撑内侧足弓，起到改善足弓结构的作用.研究结果表明，无论是前掌进行凹陷处理或是突起处理，前掌压力均因压力面积增大而增大(如表5、表6所示).扁平足脚型腰窝部位压力高，由足弓塌陷导致足底前掌、腰窝和后跟三个部分压力重新分布，鞋垫形态对足底压力和压力面积影响较大(如表7所示).凹陷5 mm处理中，扁平足腰窝压力有所增大，垫高后腰窝压力有下降趋势，但这个趋势不是很明显.扁平足对鞋垫前掌形态进行垫高及凹陷处理都会导致足部前掌压力增大,前掌垫高5 mm压力大于凹陷5 mm，因此对扁平足人群不建议对其鞋垫前掌厚度进行改变.腰窝部位改变对扁平足足底压力无显著影响，但会降低穿着时舒适度.目前对扁平足群体较为有效的足底矫正方法是使用不同硬度和高度的足弓垫，人为将足弓抬高，以此缓解足弓塌陷问题，此过程会造成穿着者足弓部位舒适度降低[18].

2.3 主观量表评分结果

表8显示了30名扁平足和高弓足受试者穿着不同鞋垫实验后的主观舒适度的统计结果.由表8可以看出，前掌部位经过改变的鞋垫中，扁平足对未改造的基础鞋垫舒适度评分最高，同时认为在基础鞋垫上前掌垫高5 mm的3号鞋垫舒适度最低；腰窝部位经过改变的鞋垫中，扁平足对未改造的基础鞋垫舒适度评分最高，同时认为在基础鞋垫上腰窝垫高10 mm的6号鞋垫舒适度最低；后跟部位改变的鞋垫中，高弓足和扁平足对后跟部位加装气垫的8号鞋垫评分最高，所有足型均认为在基础鞋垫上后跟垫高5 mm的9号鞋垫舒适度最低.

表8 不同形态鞋垫舒适度评分

结合评分表(表8)和实验数据(表2～7)可以看出：在前掌部位进行凹陷和突起改造，均会导致前掌压力增加，对于高弓足能使足弓部位多分担足底压力，进而产生舒适感，但扁平足因压力的增大而降低了鞋垫的舒适性.由于腰窝高度的变化导致腰窝部位压力的增加，使扁平足感到不舒适，而高弓足由于其足底压力的重新分布，在一定的腰窝高度下，其舒适性有所改善.后跟胶垫能够有效地提高鞋垫的舒适度，而在鞋垫后跟部位进行垫高则会导致后跟与前掌压力增大，降低舒适性.

3 结论

(1)对鞋垫前掌、腰窝和后跟部位进行厚度改变，在一定程度上能够影响高弓足行走过程中的足底压力，进而影响不同人群穿着时的主观舒适度.建议对高弓足鞋垫前掌进行垫高处理来提高舒适度，并在鞋垫后跟安装气垫，缓解高弓足脚型人群日常活动中后跟压力.

(2)扁平足鞋垫在设计过程中要避免前掌部位增高，应在腰窝部位增加高度，借助外力将足弓撑起.此过程会造成扁平足人群穿着舒适度降低，同样可以在后跟部位增加气垫缓解不适.