篮球运动对青少年足底压力特征影响的实验研究

张 鹏， 王瑞芹

（1.莒南县第一中学， 山东 临沂 276699； 2.东港区海曲中学， 山东 日照 276817）

足部压力泛指人体足底部与支撑面之间的相互作用力，足底部的压力分布与接触面积、 运动姿态、 体重等多方面相关。 近年来对于足部压力的研究越来越深入， 它不仅反映了人体足部的机构功能， 而且还能够体现在不同运动中对身体姿势的控制［1］。 目前足部压力的研究已经深入到制鞋业、 医学矫正、 医学康复、 运动生物力学等多个领域， 特别是在运动生物力学的研究中的应用也日益广泛。 除此之外，足部压力对于竞技运动提供分析参考也是当下热门议题。

篮球运动作为一项越来越受青少年欢迎的竞技运动，在国内具有较强的普及性， 其技术动作特征对于人体足部的要求非常多， 如： 急停、 转身、 侧滑步、 跳投等都依赖于足部的有效支撑， 其中足部在篮球运动中需要承受着巨大的冲击损伤， 仅仅简单的起跳落地过程中， 足底就要承受着超过体重7 倍的地面反作用力［2］。 足部动作是完成一系列篮球动作的基础保障［3］。 对篮球运动中足部动作的动力学特征进行研究， 则能够有效掌握其足底冲量、 足部压力等特征， 一方面可以对足部保护延长运动寿命起到积极作用，另一方面也能够有效验证篮球运动对促进青少年的足部健康发展的积极作用［4］。 基于此， 本研究采用RS-footscan 测力系统对篮球运动者与普通青少年的足部压力分布分别进行了测试。 通过实验组与对照组的对比， 就足底支撑时期、足底压强峰值、 足底冲量、 足轴角进行了测量和分析， 验证长期的篮球运动对锻炼青少年足部运动耐力的影响， 以及篮球运动在提高足前部力量与足部稳定性方面的效果。

1 足部生理力学分析与足部测试区域介绍

1.1 足的生理力学分析

足是由26 块骨， 33 个关节和126 根韧带、 肌肉和神经如同网状一样分层构成一个复杂的结构［5］。 它的基本功能是支撑人体重量、 缓冲、 吸收冲击力， 产生向前的推动力，以及帮助调节、 维持人体的平衡， 是人体重要的运动器官［6］。足部的复杂结构可以使人体踝关节完成单平面或多平面的运动， 并在所有步态中起到关键作用。 足在运动中除具有吸收来自地面的作用力、 承载体重的功能外， 最重要的功能是作为一个 “全能” 的骨连接， 使得从股部至小腿的肌肉组织产生的力转化为有效的位移， 从而完成各种动作技术［7-8］。 如果足部发生损伤则必然会引起足部及足底生物力学的改变［9］。

篮球运动主要分为持球运动与非持球运动。 在篮球运动过程中足部充当缓冲的角色来调节由于重心的变化给身体带来的冲击， 以降低运动损伤风险， 并在运动员转向、急停、 起跳等动作中提供动力与缓冲力， 为篮球运动中的技术动作的完成提供根本保证［10］。 运动员通过长期的篮球训练， 对足部生理特征的影响应当比普通人的要优秀。

1.2 足部压力测试区域介绍

足底的测试区域一共分为10 个， 如图1 所示。 分别是大脚趾 （T1： Toe 1； 第1 趾骨）、 第2～5 趾骨 （T2～T5：Toe 2～5）、 第一跖骨 （M1： Metatarsal 1）、 第二跖骨 （M2：Metatarsal 2）、 第三跖骨 （M3： Metatarsal 3）、 第四跖骨（M4： Metatarsal 4）、 第五跖骨 （M5： Metatarsal 5）、 足中部（MF： Mid foot）， 足跟内侧 （HM： Heel Medial）， 足跟外侧（HL： Heel Lateral） 表示［11］。 本研究依据以上测试区域对实验组和对照组左右足进行足底压力分布特征进行分析。

图1 脚压试验区划分图

本测试在青少年篮球运动员与普通青少年之间进行如下四组参数的测试对比： （1） 足底支撑时间： 在正常步态情况下足部离地阶段、 足部接触地面阶段、 前掌接触阶段、离地阶段的时间相； （2） 足底压力： 人体在动态行走或静止站立时， 在自身重力的作用下， 足底在垂直方向上受到的一个地面的反作用力 （N/KG）； （3） 足底压强： 足部单位面积承受的压力 （N/CM）［12］； （4） 足底冲量： 足部压力与作用时间的成绩 （NS）； （5） 足轴角： 足纵轴与步行方向的夹角 （°）。

2 足部压力分布测试实验

2.1 实验对象

实验选取了莒南县第一中学和海曲中学的40 名青少年受测者进行足部压力测试， 所有受测者均无下肢或足部疾病与足部损伤病痛史， 且均为男性。 所有受试者分为实验组与对照组。 实验组由20 名男性青少年篮球运动员组成，均为国家二级篮球运动员。 对照组由20 名普通男性青少年组成， 均未接受过专业篮球训练， 且并无篮球运动基础。两组受测青少年的基本情况详见表1。 实验组与对照组组间人员的各项基本情况指标均无显著性差异。

表1 被测青少年的基本情况

2.2 实验设备与要求

用RS-footscan 测力系统对青少年篮球运动员与普通青少年的足部压力分布进行了测试。 通过实验组与对照组对比分析的模式， 就足底支撑时期、 足底压强峰值、 足底冲量、 足轴角进行了测量。

2.2.1 实验设备

采用比利时公司生产的RSscan footscan 测力平板系统［13］，使用Footscangaitscientific 7.97 软件对测试数据进行保存、分析与提取 （Franklyn-Miller et.al,2011）［14］。

2.2.2 实验要求

（1） 为了避免不同鞋型以及测试个体对鞋型的适应度差异影响实验结果， 实验测试过程中青少年均是裸足测验。（2） 考虑测试青少年的体重存在差异， 为了避免由于体重的不同对足部压力分布的产生影响， 在研究中进行了压力/体重的标准化处理， 确保实验数据的客观性， 将压力值按照体重的倍数为单位进行统计。

3 实验结果与分析

3.1 实验结果

3.1.1 足底支撑期时相

正常步态下， 左右足与地面接触过程中分为着陆阶段—整足接触阶段—前掌接触阶段—离地阶段四个时间相（见图2）， 对各个阶段的足部与地面接触时间的百分比进行统计， 结果如表2 所示。 根据表2 显示， 实验组和对照组左右两足受力时间百分比呈现着陆阶段＜前脚掌接触阶段＜全足接触阶段＜离地阶段时相， 实验组左右两足在全足接触阶段时相小于对照组， 着陆阶段、 前掌接触阶段以及离地阶段时相大于对照组， 但仅在离地阶段左右足在时间相上观察到显著差异， 实验组离地阶段时相大于对照组 （P＜0.05）。

表2 实验组与对照组不同时期各相位值占比比较

图2

如图2 所示是左右足在四个时间相上， 与地面接触各时间相分布图。

3.1.2 足部压力峰值

在正常步态测试中， 通常将足部分为足前区域 （T1、T2-T5、 M1、 M2、 M3、 M4、 M5）、 足弓区域 （MF） 以及足跟区域 （HM、 HL）， 按照图1 所示的足部分区， 对比分析实验组和对照组左、 右足的压力分值分布特点均为足前区域＞足弓区域＞足跟区域， 具体测试结果如表3 所示。 从表中可以看出实验组的足前区域压力峰值大于对照组， 而实验组在足弓区域与足跟区域的压力峰值均小于对照组。 实验组的最大压力峰值出现在M2 区域， 而对照组出现在M1区域。 说明经过篮球训练的青少年足底发力效果明显强于对照组， 两者存在统计学差异 （P＜0.05）。

表3 实验组与对照组不同阶段足部压力峰值/体重比较（N/Kg）

3.1.3 足底压强峰值

在足底压强测试中， 结果显示实验组和对照组的足底压强分布情况均是足前区域＞足跟区域＞足弓区域， 实验组左、 右两足各区域的压强峰值均大于对照组的左、 右足。具体测试数据如表4 所示。 此外， 表中统计数据显示左右足压强最大峰值出线在M2 区域 （第二跖骨）， 且实验组与对照组M2 区域左右足压强最大峰值存在统计学差异 （P＜0.05）。

表4 实验组与对照组不同阶段压力强度峰值分布 （N/cm2）

3.1.4 足底冲量

与足底压强分布相类似， 本研究结果显示实验组和对照组的足底冲量分布特点均为足前区域＞足跟区域＞足弓区域， 而实验测试结果表明实验组青少年左右足在足前、 足弓、 足跟这三个区域的足底冲量均小于对照组左右足。 具体测试数据如表5 所示。 实验组和对照组左足的足底冲量最大值均出现在M3 区域 （第三跖骨）， 实验组和对照组右足的足底冲量最大值均出现在M2 区域 （第二跖骨）， 两者具有统计学差异 （P＜0.05）。

表5 实验组与对照组不同阶段脉冲分布 （NS）

3.2 实验测试结果分析

3.2.1 从支撑期间时间相分析

根据表2 可以观察到实验组和对照组左右两足受力时间百分比呈现着陆阶段＜前脚掌接触阶段＜全足接触阶段＜离地阶段时相， 实验组左右两足在全足接触阶段时相小于对照组， 着陆阶段、 前掌接触阶段以及离地阶段时相大于对照组。 其中， 在离地阶段的时间相上， 实验组与对照组存在显著差异， 这表明长时间篮球运动训练对正常步态情况下足部的发力情况有影响。 青少年篮球运动员在长时间进行篮球运动训练， 在正常步态下， 蹬地阶段时相占整个支撑期百分比增大， 足部前掌区域受压力时间延长， 出现压力中心集中的现象。 这表明由于长时间的高强度篮球锻炼与训练， 刺激足部与地面接触的发力的持久性， 提高蹬伸力量， 而蹬伸力量的增加则更有利于对足部的保护。 同时，也有研究表明篮球训练结束后， 应该注意对足部进行康复性放松与轻度运动缓冲， 避免足部以及肌肉关节组织出现筋膜炎、 跟腱炎等炎症［15］。 此外， 通过实验组与对照组的支撑期间时间相分析， 能够为篮球运动提供合理的计划教学训练方案与科学的负荷训练强度的制定提供依据， 科学性、 有规律性的指导运动员进行高负荷、 大强度运动， 提高青少年篮球技能水平， 为青少年篮球运动员预防足部损伤提供一定参考。

3.2.2 足底发力特征分析

根据上述足部压力分布与足底压强分布的测试结果可以分析足底的发力特征， 实验组和对照组足部压力分布特点均为足前区域＞足弓区域＞足跟区域， 其中实验组的足前部压力与压强峰值均大于对照组， 而实验组在足弓区域与足跟区域压力峰值均小于对照组。 随着足底压力测量技术不断发展和完善， 足底压力分析已成为步态分析的重要组成部分和重要环节［16,17］。 实验组的足前部压力与压强峰值均大于对照组， 说明在正常步态下， 实验组篮球运动员的蹬地阶段的发力强于对照组普通青少年， 进一步说明青少年长期进行篮球运动训练有利于足部力量的增长， 使此区域蹬伸阶段发力效果更好， 力量更强。 而实验组在足弓区域与足跟区域的压力峰值均小于对照组， 说明青少年篮球运动员的足弓和足跟区域具备更好的对冲击吸收与缓冲的能力， 能够有效的缓解冲击损伤。 此外， 本研究结果还显示，实验组长时间进行篮球运动训练的青少年最大压力峰值出现在M2 区域， 而对照组无篮球训练基础的青少年最大压力峰值出现在M1 区域。 实验组和对照组产生以上差异的原因可能是由于篮球运动员需要较好的落地缓冲能力， 青少年篮球运动员在经过长时间大运动量、 高强度的篮球运动训练从而产生了良性适应性的改变［18］。

3.2.3 足底缓冲能力影响分析

本研究结果显示实验组和对照组的足底冲量分布特点均为足前区域＞足跟区域＞足弓区域， 两组左足的冲量最大值均出现在第三跖骨区域， 右足的冲量最大值均出现在第二跖骨区域， 且实验组在足前、 足弓、 足跟这三个区域的足底冲量均小于对照组。 足底冲量是反映足底对冲击力吸收缓冲能力的指标， 是力量与作用时间的积累， 足底冲量的大小可以衡量足底对所受冲击力吸收缓冲能力的大小［16］。 本研究测试结果显示实验组左右足的十个测试区域 （T1、 T2～T5、 M1～M5、 MF、 HM） 的足底冲量均小于对照组， 表明通过长期的篮球锻炼可以有效提高青少年的足底足前、 足弓、 足跟这三个区域的缓冲能力， 对地面冲击力有更好的吸收和缓解效果， 并进一步减少运动损伤风险。 并且， 足部良好的冲量缓冲能力对足部关节与膝关节的保护有重要的意义， 同时有利于提高对身体的控制力与平衡能力。 除此之外， 在篮球训练过程中， 青少年身体的各部分肌肉，特别是足部肌肉组织也进一步得到了良好的锻炼， 足部肌肉力量的加强也为下肢关节结构的稳定提供了有力的保障。因此， 本研究结果进一步说明了篮球运动不仅对于青少年足部运动能力， 而且对于青少年身体整体的运动机能的提高均有良好的促进作用， 我们应该积极开展校园篮球教学训练， 鼓励青少年参加篮球运动。

3.2.4 足部稳定性影响分析

本研究结果显示实验组和对照组足轴角均在正常范围内， 且实验组的足轴角大于对照组。 足轴角指的是足部的纵轴线与步行前进方向的夹角， 是评价步态足部控制的有效指标， 平均参考数值为6.7°-6.8°， 左右足分别计算［19］。 医学角度当足轴角度大于15°时， 说明足部异常［20］。 足轴角在一定范围内增大能够提高足底与地面的接触面积， 增加足部稳定性能， 进而为运动训练提供安全保障。 从测试数据中可以看出， 实验组与对照组足轴角均在正常范围内， 而实验组的足轴角大于对照组， 这可能是由于实验组青少年篮球运动员长期进行篮球训练， 自身的平衡、 协调及运动能力均比对照组无篮球训练基础的青少年更为优秀， 且对足部步态控制能力相对更佳。 因此， 长期参与篮球运动能够提高与改善足部的稳定性能， 同时， 青少年个体的平衡能力、 协调能力也能相应得到提高。

4 结论

足部动作是篮球运动中的最为关键的动作环节之一，客观分析篮球运动对足部支撑期、 压力、 压强、 足部冲力、足轴角的影响， 对科学指导篮球运动足部预防保护措施和评价篮球运动对青少年足部运动能力的影响具有重要意义。研究通过实验组与对照组的数据对比分析， 利用RSfootscan 测力系统对各项参数指标进行了测量与分析。 得到如下结论： （1） 篮球运动使青少年的足底离地时间增长、足部缓冲能力提高、 足前部力量增大、 足部稳定性提高，合理的篮球运动能够促进青少年足部的健康成长； （2） 实验组篮球运动员足前部由于长期训练出现压力集中的现象，应该注意通过理疗、 按摩等方式缓解压力， 降低足部损伤；（3） 结合现代化测量方式对于足部动力学进行研究， 能够科学客观提供数据支持， 应得到更多的实际应用推广。