不同跑台上进行运动的人体足底压力和下肢关节角度研究
　　使用跑台健身是近年来比较流行的健身方式，特别是肥胖人群更钟爱于使用跑台进行较长时间健步走或者慢跑等有氧运动帮助身体消耗脂肪。然而不论是肥胖人群还是普通的健身人士，在使用跑台健身的过程中都难以忽略的一个问题就是，长时间反复进行运动，以及运动过程中的高冲击力，局部高压强对下肢关节，肌肉，骨骼等组织带来的慢性损伤。易邦公司致力于减少健身过程中的运动损伤，提高产品使用舒适性，推出了易中系列太极柔性跑台。本研究通过选取正常健康在校大学生在易中跑台和普通跑台上进行步行和慢跑运动，使用运动生物力学的研究方法和手段，对易中跑台相对于普通跑台在结构和功能等方面的创新改进，特别是弹性跑板的使用和弹性边框专利技术的使用效果进行科学研究和讨论，使跑台生产公司和消费者能对易中系列太极柔性跑台有更加科学的认识。
1研究对象与方法
1.1实验对象
　　受试者15人，均为北京体育大学男生，鞋码均为42码，经过足部病史询问和体格检查，确定其无足部疾病或足部损伤，足部解剖结构和机能状况良好，身体状况和运动能力良好，测试期间未参加剧烈运动，身体不疲劳。实验前对试验流程和相关研究方法有所了解，对在跑台上进行步行和慢跑活动进行提前适应。

表一 受试者基本资料
性别 样本量（人） 年龄（岁） 体重（kg) 身高（cm)
男 15 22.1±2.4 67.1±4.8 174.6±4.7
                                         
1.2实验方法
　　受试者穿着紧身衣裤，工作人员对受试者的下肢部位贴识别标志点。然后在测试所使用的慢跑鞋中放置足底压力鞋垫，受试者穿戴好测试使用慢跑鞋和足底压力数据采集系统的数据采集盒后，工作人员对足底压力鞋垫进行调零。随后，受试者上跑台，工作人员帮助受试者系好安全保护带，准备就绪后，启动跑台，受试者以1.5m/s的速度在跑台上进行运动（步行速度），持续5分钟左右后，工作人员采集足底压力数据和高速摄像6秒，确定数据基本无误后，跑台加速至3m/s（慢跑速度），受试者继续在跑台上进行运动5分钟左右，再次采集足底压力和进行高速摄像。确认数据无误后，跑台减速至停止，然后更换受试者，重复上述实验过程。所有受试者完成常规跑台的测试后，再按照前面的实验过程，在改进型跑台上进行测试和数据的采集。完成全部测试后，受试者填写调查问卷。
1.3实验仪器与设备
　　足底压力数据的采集使用德国产Novel pedar-x足底压力测试系统，数据采集频率选用100Hz。压力鞋垫选用W型对应42鞋码。高速摄像设备使用sony摄像机2台，拍摄频率200Hz。二维标定比例尺1个。实验共用两台跑台进行对比分析。一台跑台为德国产H/P/cosmos，pulsar型专业运动跑台（见图1）。h/p/cosmos 公司是世界最大专业跑台生产厂家，生产多种高级专业跑台，应用遍及人体科学、训练学、康复医学及生物工程等广泛领域，被公认为体育训练、教学、科研和运动医学界专家级跑台品牌。一台为国产济南易邦公司制造的跑台（见图2），型号T007，该跑台主要使用易邦公司“太极”弹性跑板，融入弹性边框专利技术和跑带释放专利技术，打造“柔性”跑台概念。在本研究中将H/P/cosmos跑台命名为常规跑台，易中跑台相对于常规跑台，使用了弹性跑板及弹性边框等设计进行了改进，在本研究中命名为改进型跑台。实验过程使用棉薄袜子30双，42码多威牌马拉松跑鞋一双。

图1 H/P/COSMOS专业运动跑台（常规跑台）

图2 易中弹性跑板跑台（改进型跑台）

1.4数据处理
1.4.1足底压力数据处理
　　将足底压力测试系统测试获得数据以sol格式储存后，使用Novel压力测试系统multimask evaluation软件处理，获得足底各分区的最大压力值，最大压强值和最大接触面积，输出采集的力-时间原始数据，另存为lin格式。使用excel软件打开lin文件，选择较稳定的一个步态周期进行数据整理分析，获得每个受试者一个步态周期中各个时刻的足底压力值，足底最大压强值，接触面积值，足底平均压强值，分析并绘图。最后使用spss 13.0软件对相关的数据进行统计分析。

图3 足底压力分区示意图

　　足底各部分的划分参照陆毅琛，李建设和bontrager等人对压力鞋垫的划分方法，并针对本实验特点进行改进。足底分区将足底分为三个部分，分别为前足（包括1区，2区，3区，4区，5区），中足（6区）和足跟部（7区和8区）。在此基础上进一步将足底划分为8个部分，分别是1区，为大拇指区域；2区，其他脚趾；3区，第五跖骨；4区，中间跖骨；5区，第一跖骨；6区，中足；7区，足后跟外侧区；8区，足后跟内侧区。实验过程通过对八个分区的足底压力数据进行记录，来反映足底压力分布特征。
1.4.2下肢关节角度数据处理
　　采用平面二维定点拍摄来获得下肢关节角度的参数。两台高速摄像机分别架设在跑台的正后方和侧面，对受试者在跑台上的运动过程进行记录，拍摄频率200Hz。测试结束后，导出录像，使用视讯录像解析系统进行解析，获得标志点坐标，然后使用excel计算关节角度，最后用spss13.0软件进行统计分析。每次进行测试前，工作人员对受试者的左侧下肢部分，包括大转子，股骨外侧髁，外踝粘贴标志点，以便于后期解析的识别，有助于精确计算膝关节角度变化和踝关节的角度变化。另外，为了评价受试者在不同跑台上进行运动时的足内外翻情况，在受试者的小腿跟腱部位和运动鞋粘贴标志点来帮助确定内外翻角度。实验过程测量全脚掌着地时刻的内外翻角度。膝关节角度，踝关节角度和内外翻角度如图4所示。完成粘贴标志点工作后，受试者静止站立在跑台固定位置，拍摄内外翻角静态录像。结束后，检查安全带是否佩戴，准备开始启动跑台。

图4 膝角，踝角，内外翻角示意图

1.4.3调查问卷的数据处理
　　受试者分别在两个跑台完成所有测试内容后，工作人员召集受试者填写调查问卷，然后对问卷进行回收检查。数据处理阶段将问卷结果录入excel文件中整理。使用spss13.0软件进行统计分析。
1.4.5 统计方法
　　本实验的步态的时间参数，足底压力参数，问卷得分均使用spss13.0统计软件，使用成对组的配对T检验方法对各参数进行统计分析。
2结果与分析
2.1步态周期分析
　　步态是指人体步行时的姿态，人体通过髋、膝、踝、足趾的一系列活动，使身体沿着一定方向（向前或向后）的移动的过程。铃木键二指出人类步行从一侧足到该侧再次着地结束所消耗的时间为一个步态周期。一个步态周期中主要包括两个阶段，支撑阶段和摆动阶段。本实验主要针对受试者在不同跑台不同速度下进行运动的一个步态周期，支撑时间，摆动时间，支撑时间占整个步态周期的时间比例和摆动时间占的比例来进行分析。
表2  1.5m/s速度下两种跑台的时间参数表

　　在1.5m/s的速度下（步行速度），受试者在改进型跑台上的步态周期相对于常规跑台有所延长，经过统计检验，p=0.000呈现显著性差异。在支撑时间和摆动时间参数上，也有所增加。通过支撑百分比和摆动百分比来看受试者在不同跑台上的支撑和摆动动作的分配上可以看到，使用改进型跑台，弹性跑板的采用，没有改变受试者在运动过程中的支撑比例和摆动比例，主要增加了一个步态周期所用的时间，增加了支撑时间和摆动时间，而为了保持速度的不变，受试者的步幅会相应的增大。
表3  3m/s速度下两种跑台的时间参数表

　　在3m/s的速度下（慢跑速度），受试者在改进型跑台上步态周期时间也是略高于常规跑台，支撑时间有所增加，摆动时间经过统计检验，与在常规跑台上的摆动时间没有显著性差异。由此看来，在跑速相对较快的情况下，改进型跑台相对于常规跑台，能够增长跑步过程中的支撑时间，对摆动时间影响不大。石宏杰等人在慢跑鞋足底压强分析与评价的研究中谈到，步态周期长短（主要指支撑期）能在一定程度上反映运动鞋所具有着地时的缓冲功能和蹬伸时的助力功能 ，以及运动鞋储能、 释能作用。在跑台上的运动一样，受试者在跑台上的步态周期，特别是支撑期时间长短，也是能够体现出跑台对于受试者着地时的缓冲效果和助力功能。
2.2足底各分区压力参数分析
　　由于每名受试者的体重不同，因此本研究对通过压力鞋垫获得的足底各个分区的压力峰值，对于每个人的各分区压力都除以自身体重后，进行统计分析，以达到标消除体重差异的影响。
2.2.1 步行状态下（1.5m/s）足底各分区压力结果分析
　　通过图5可以看到在受试者的一个步态周期中，所有受试者足底各个分区压力分值平均后的结果。

图5  步行状态下的足底各分区压力峰值比较图

表4 步行状态下的足底各分区压力峰值统计结果表

　　通过图5和表4可以看到，受试者在改进型跑台上进行运动，全足的压力峰值呈现了明显的降低，足跟内侧以及第一跖骨，中间跖骨的压力峰值也产生了变化。后足在整个步态周期过程中主要受到的力是着地过程受到的跑板带来的冲击力，足跟的内外侧压力分值都呈现了降低的趋势，足内侧更为显著；前足的中间跖骨和第一跖骨部分，压力增加，在现代人的跑步运动过程中，跑步的姿势都是以脚后跟落地缓冲，前脚掌蹬伸提供动力而改进型跑台数据呈现的特点，更符合贴近这样的运动特征。

图6 步行速度下（1.5m/s）全足地面反作用力图

　　结合图5，图6和表4，可以明显看出在一个步态周期中，受试者在改进型跑台上的冲击峰相对于常规跑台有明显的降低，而动力峰值有所提高。改进型跑台的弹性跑板的使用对改变跑台对全足作用力的大小起到了作用。
2.2.2 慢跑状态下（3m/s）足底各分区压力结果分析

图7  慢跑状态下的足底各分区压力峰值比较图

表5 慢跑状态下的足底各分区压力峰值统计结果表

　　结合图7，图8，表5分析，可以看到，分别在常规跑台和改进型跑台上进行慢跑，全足及前足，中足区域的压力峰值没有统计上的显著变化。但是全足的总体压力还是有所下降，但各跖骨区域压力有所增加。在足后跟区域，足跟内侧和跟足外侧的压力分值有显著的下降。这样的结果与步行状态下分别使用两种跑台的足底压力结果比较相似。改进型跑台对减弱慢跑过程中的冲击力还是有一定效果。

图8 慢跑速度下（3m/s）全足地面反作用力图

2.3足底各分区最大压强分析
2.3.1 步行状态下（1.5m/s）足底各分区压强结果分析

图9  步行状态下的足底各分区压强峰值比较图

表6 步行状态下的足底各分区压强峰值统计结果表

　　结合图9和表6分析，使用改进型跑台，受试者的足底各分区的压强峰值，在中足部分和后跟内外侧部分都呈现出显著的降低。其它部位平均值都有所升高，但相对于常规跑台不显著。由这样的结果可以看到，使用改进型跑台能有效减小中足和足跟区域的压强值，减少压强过高对足底的损伤。另外，在降低了足后跟部位的压强同时，拇指区域的压强有显著的增加，推测造成这种结果的原因可能是在蹬伸阶段，前脚掌在离地前，拇指更好的做出跑步扒地动作，提高蹬伸效果。
2.3.2 慢跑状态下（3m/s）足底各分区压强结果分析

图10 慢跑状态下的足底各分区压强峰比较图

表7 慢跑状态下的足底各分区压强峰值统计结果表

　　结合图10，表7分析，分别在两种跑台上进行慢跑，足底各分区的压强峰值变化分布规律与步行状态下相类似。步行状态下的足后跟区域和前掌跖骨区域的压强峰值较为接近，且都明显高于其它分区。在慢跑状态下，足后跟区域和前掌跖骨区域同样仍高于其它分区，跖骨区压强略高于后跟区。可以看出，随着速度增加，在两种跑台上都呈现才出前掌跖骨区域压强逐渐增加的特点，并且从压强分布上来看，足底高压区有由后跟向前掌移动的趋势。
2.4足底各分区最大接触面积分析
2.4.1 步行状态下足底各分区接触面积分析
表8 步行状态下足底各分区接触面积统计结果表（面积单位：平方厘米）

　　查看表8可以看出，使用不同跑台，足底各分区在接触面积上几乎没有变化。第一跖骨区域压强在改进跑台的情况下，出现了显著的面积增加，而面积的增加也与在使用改进跑台情况下的压力、压强变化相一致。
2.4.2 慢跑状态下足底各分区接触面积分析
表9 慢跑状态下足底各分区接触面积统计结果表（面积单位：平方厘米）

　　慢跑状态下，两种跑台上进行运动，足底各个分区接触面积之间没有显著性差异。
2.5足底力-时间积分值分析
表10 不同状态下两种跑台上得足底力-时间积分值表（冲量单位：N•S/kg）

　　研究认为，足部承受能量值与足部病变有很大的关联。而通过步态过程中的力-时间积分可以反映所承受的能量情况。本实验中，无论是在步行还是在慢跑的状态下，受试者在两跑台上进行运动的冲量值之间没有显著性差异。
2.6踝关节角度分析
2.6.1 步行状态下踝关节角度变化

图11 步行状态下踝关节角度变化图

　　由图11 看到，使用改进型跑台，步行时踝关节角度变化的趋势基本与常规跑台一致。踝关节的跖屈的最大角度在使用改进型跑台的过程中，明显大于常规跑台，结合步态周期的时间参数分析，这个峰值出现在步态周期的支撑期与摆动期的过渡阶段，是足在跑台上积极主动蹬伸，扒地前进的过程，受试者在使用改进型跑台的过程，能够充分的进行蹬伸，扒地动作，提高蹬伸用力效果。由此看来，改进型跑台相对于常规跑台在提高蹬伸效果上还是起到作用的。
2.6.2 慢跑状态下踝关节角度变化

图12 慢跑状态下踝关节角度变化图

　　图12是慢跑状态下的踝关节角度变化图，慢跑状态下踝关节角度的变化在两个跑台上没有太大的差异。究其原因，可能是在慢跑状态下，足与跑板间接触时间短，跑速快，地面对足的反作用力大，人体为了保持身体和关节的稳定性，提高了对踝关节的控制。
2.7膝关节角度分析
2.7.1 步行状态下膝关节角度变化

图13 步行状态下膝关节角度变化图

　　图13中的步态周期的0至约40%阶段是受试者在跑台上的支撑阶段，这个结果通过时间参数可以判断。这一阶段中，受试者在常规跑台上的屈膝最大值高于改进型跑台，这说明，在使用常规跑台步行的支撑阶段，人体需要通过更多的膝关节屈曲来减缓冲击力，这个过程膝关节也受到了较大的作用力，长期以往，会对膝关节产生损伤的可能。而改进型跑台通过自身的弹性形变吸收落地冲击力，减少了运动损伤发生的几率。
2.7.2 慢跑状态下膝关节角度变化

图14 慢跑状态下膝关节角度变化图

　　图14中的0-40%，40%-100%段落，从步态周期时间参数上看，这两个阶段分别为支撑期和摆动期。支撑期的膝关节屈曲角度，在常规跑台上明显大于改进型跑台，在慢跑情况下，这种差异相对于步行明显加大，在慢跑情况下，改进型跑台能有效的减弱支撑期人与跑台之间的相互作用力，提高缓冲效果，减少损伤发生。慢跑状态下，摆动期的膝关节屈曲角度在两跑台间也明显不同，大小腿折叠幅度增大，从跑得生物力学分析，大小腿折叠幅度增大，会使腿在摆动过程中的转动惯量减小，提高摆腿速度。由此看来，改进型跑台，一方面能够有效帮助人体提高运动过程中的缓冲效果，另一方面在改进型跑台上进行运动也利于良好运动姿态的形成。
2.8足内外翻角度分析
　　本研究用足内外翻角度变化情况来评价受试者在两种不同跑台上进行运动的下肢稳定性。在运动前首先对各受试者静态下的足内外翻角度值进行记录，而后通过高速录像找到全足完全着地时刻的后侧画面，二维解析获得足内外角度值。最后将所有受试者静态值和特征时刻角度值做差取绝对值。通过角度变化绝对值来反映下肢内外翻晃动幅度，反映在不同跑台上运动时对下肢稳定造成的影响。从表11看出，步行状态下，受试者在常规跑台上得内外翻角度变化幅度略大于改进型跑台，统计结果无显著性差异。慢跑状态下两跑台的内外翻角度变化幅度相近，统计结果无显著性差异。因此改进型跑台对人体在上面运动的平衡稳定性的改变不大。
表11 不同跑台上运动的足内外翻角度统计表

2.9问卷调查结果分析
表12 问卷调查得分结果统计表

　　在受试者在两种跑台上完成所有测试后，工作人员安排受试者填写问卷。问卷分值是从1分到10分。分值越好代表所述性能越好，受试者根据自身切实体会填写。从表12问卷结果来看，在缓冲减震性能，弹性助力效果和安全性能这三个指标的得分上改进型跑台高于常规型跑台，结合问卷的结果和足底压力测试数据，改进型跑台的缓冲减震性能和弹性助力效果在使用者的主观感受和客观数据趋于一致。
3结论
　　使用改进型跑台能够增加运动过程中的步幅，减小着地过程的冲击力，同时能够降低足跟区域和中足区域的压强峰值。在步态周期的蹬伸阶段，使用改进型跑台能够提高足对跑板的作用力，有弹性助力特点，提高蹬伸力量；另外在改进型跑台上进行运动，能够让使用者呈现良好的运动姿态，下肢积极主动扒地，大小腿充分折叠；运动过程中改进型跑台能够充分发挥减震缓冲作用，减小膝关节负荷，减少损伤几率。总的来说，改进型跑台的一些结构和功能的创新，对人们在跑台上进行健身运动有积极意义。