不同鞋幫類型足球鞋對踝關節穩定性的影響

魏書濤

（三六一度（中國）有限公司，福建廈門361009）

引言

足球作為世界第一大運動，有著最為廣泛的群眾基礎和最多的參與人數。但是，由于其高對抗性特征，往往伴隨有較高的運動損傷風險，尤以下肢損傷居多，例如踝關節扭傷和膝關節前交叉韌帶損傷[1-4]。運動損傷造成的短期影響主要包括：（1）減少身體活動；（2）缺席比賽；（3）高額醫療花費等[5，6]；造成的長期影響主要包括：（1）運動表現下降；（2）慢性踝關節不穩定；（3）重復的下肢運動損傷；（4）退行性病變等[7，8]。

足球鞋生產廠商和研究人員通過研發不同的鞋釘類型和分布特征，從而達到低抗扭轉抵抗力（torsional resistance），希望這種手段能夠有效的降低下肢運動損傷的風險[9,10]。其中一項為期3 年的隊列研究發現長期穿著高扭轉抵抗力的足球鞋的運動員其總體的損傷發生率顯著性高于長期穿著低扭轉抵抗力的足球鞋，尤其是其前交叉韌帶撕裂的發生率為其它足球鞋的3.4[10]。此外，減少鞋釘的數量和尺寸也有利于減少膝關節的損傷[11]。因此，改變鞋釘類型和分布特征其主要影響是降低膝關節相關的運動損傷。但是，另一項研究發現減少鞋釘會增加前足的足底壓力，從而增加趾跖關節損傷的風險[12]。因此，研究人員推薦增加鞋釘的數量和前足的緩沖性從而減少損傷的風險。根據上述研究，關于鞋釘類型和分布的研究雖然存在一定的矛盾，但是其似乎無法影響踝關節相關的運動學和動力學指標。

另一方面，近些年一種新技術逐漸應用于足球鞋，其通過增加鞋幫高度或同時增加鞋幫高度和改變鞋幫材料來提高踝關節的穩定性，從而降低運動損傷發生的風險[13,14]。但是相關研究卻十分稀缺，僅有的研究都是使用一個內翻平臺測試受試者在穿著不同鞋幫高度時踝關節的內翻角度或者關節活動度[13,14]。其結果分別顯示穿著高幫足球鞋能夠有效的減少內翻角度和關節活動度。上述發現使得研究人員假設穿著高幫足球鞋可能會降低踝關節相關的運動損傷。但是，這些研究卻有著十分明顯的局限性，尤其是其實驗設計僅僅使用了相對被動的運動，與實際運動情況有著較大的差異。因此，使用設計更貼近真實運動項目動作的實驗，能夠進一步幫助我們理解高低幫足球鞋對踝關節生物力學影響的特征。

高幫籃球這一概念更早的被提出，而且相比較于足球鞋的研究，其測試場地更為常規，因此學者已經進行了大量的研究去驗證其效果。通過增加籃球鞋的鞋幫高度，能夠有效地增加踝關節的穩定性，在進行側切動作時其主要表現為減少踝關節內翻關節活動度、減少觸地瞬間踝關節的內翻和外旋角度并且降低踝關節的峰值內翻速度[15,16]。在進行落地動作時，高幫籃球鞋能夠影響踝關節周圍肌肉的預激活時間、減小踝關節的背屈角度以及減小跖屈力矩和峰值功率，從而起到限制踝關節活動的作用[17,18]。因此，根據上述研究，可以提出穿著高幫籃球鞋能夠有效的限制踝關節活動，從而可能有利于降低踝關節運動損傷發生風險這一假設。但是受制于足球場地特殊性，對于足球鞋鞋幫的高低對真實運動狀態下踝關節的運動學、動力學方面的影響尚未見公開報道。

綜上所述，本研究主要通過對比三種不同鞋幫類型的足球鞋（高幫、襪套和低幫）在進行45°橫跨步側切（side-step cutting）運動時對踝關節運動學和動力學指標的影響。從而幫助我們了解不同鞋幫類型與踝關節關節角度、活動度和力矩之間的關系，從而為足球鞋的鞋幫設計提供一定的科學證據。

1 實驗部分

本研究選取14 名（年齡：（21.2±2.0）歲；身高：(172.4±5.3)cm；體重：(66.5±9.7)kg）泉州師范學院體育學院足球專項男性運動員作為研究對象。所有受試者于實驗前接受簡易調查問卷，其準入標準包括：（1）至少參與三年以上專業的足球訓練；（2）鞋碼為歐碼41 碼；（3）優勢腿為右腿；（4）近6 個月內無下肢運動損傷，例如骨折，踝關節扭傷，前交叉韌帶損傷等；（5）測試前12 小時未進行劇烈運動。所有受試者在測試前需簽署實驗知情同意書。

1.1 主要材料和儀器

1.1.1 足球鞋情況

高幫足球鞋（Vapor untouchable 3 elite； Nike,Portland,OR,USA）：單只鞋質量300 g，鞋幫使用飛線技術，其高度為70 mm（圖1a）。

襪套足球鞋（Vapor untouchable 3 pro；Nike,Portland,OR,USA）：單只鞋質量310 g，鞋幫使用飛織科技，其高度為35 mm（圖1b）。

低幫足球鞋（Vapor untouchable 3 TD；Nike,Portland,OR,USA）：單只鞋重300 g（圖1c）。

本實驗采用的三雙足球鞋，鞋面技術都使用輕質的飛線技術，中底版均為全碳材質，鞋釘使用TPU材質且鞋釘結構和分布相同。

1.1.2 測試場地

測試場地為6.6 m×15.4 m 室內足球場，場地表面鋪設高質量的人工草皮，其中混有細碎的椰子纖維殼和微小橡膠粒，使其更接近真實草坪的腳感。場地正中位置設有一個長為90 cm，寬為60 cm，深度為10.5 cm 的長方形淺坑，用以放置測力臺。

1.1.3 三維動態捕捉系統

采用十臺英國Oxford 公司生產的光學三維動態捕捉系統（Vantage 8；Vicon,Oxford,UK），采集受試者進行45°橫跨步側切時的下肢運動學數據，采樣頻率為200 Hz，其配套使用的marker 直徑為14 mm。十臺攝像頭之間分別間隔2～3 m，并且距離實驗場地中心位置4～6 m，從而將整個實驗場包圍在內（圖2a）。

1.1.4 三維測力系統

采用瑞士奇石樂公司生產的三維測力臺（60 cm ×90 cm ×10 cm，9287C，Kistler, Winterthur,Switzerland），采集45°橫跨步側切時由足沖擊地面產生的地面反作用力，采樣頻率為1000 Hz。測力臺被放置于足球場中心的淺坑中，（圖2a）在測力臺表面固定與實驗場地相同草坪的框架（60 cm×90 cm×0.5 cm），結構如圖2b，從而確保采集的動力力學數據與真實狀態一致。

圖2a 實驗場地設置Fig.2a Experiment setup

圖2b 足球場地三維測力臺安裝剖面示意圖Fig.2b Force plate setup in this experiment

1.1.5 光學計時設備

采用2 臺澳大利亞Fusion Sport 公司生產的紅外光門計時系統（Smart speed PT Gate System,fusion sport，Australia）記錄受試者通過固定距離（3 m）的時間。該設備放置于距離測力臺1 m 的位置（圖2a）。

1.2 測試方法和評價參數

1.2.1 測試方法

本研究中，14 位受試者：年齡（21.1±1.0）歲，身高（175.4±5.1）cm，體重（67.6±6.5）kg 需隨機穿著3 種不同鞋幫類型足球鞋，成功完成3 次45°橫跨步側切運動，所有測試在同一天內完成。其具體步驟如下所示：

受試者來到實驗室后，實驗測試人員先向受試者介紹實驗流程并詢問受試者基本情況。隨后，受試者被要求換上統一的運動襪和緊身服，按照隨機表換上對應的足球鞋，以避免運動裝備和測試順序造成的影響。實驗測試人員將39 個反光marker 點固定于受試者的下肢，標定點位于右/左尖峰、第七頸椎、右/左髂嵴、右/左髂前上棘、右/左髂后上棘、右/左股骨外上髁、右/左股骨內上髁、右/左腓骨頭近端、右/左脛骨粗隆、右/左外踝外側粗隆、右/左內踝內側粗隆、右/左第五趾跖關節頭、右/左第二趾跖關節頭和右/左第一趾跖關節頭，跟蹤點以3 個為一組固定于右/左大腿外側和右/左小腿外側（圖3）。

受試者進行5min 的慢跑熱身，以適應反光marker，避免由于不習慣而對受試者運動造成影響。對于每雙鞋，在正式收集數據之前，受試者可以嘗試至少三次目標任務，以熟悉測試速度和路線。隨后，在測試人員的指導下，受試者進行至少3 次45°橫跨步側切練習。在該任務中，受試者站于距離測力臺右下角6 m 處，與測力臺成145°，隨后按照地面上標記的路線以(5±0.5)m/s 的速度沖向測力臺完成45°橫跨步側切運動[15]。受試者需同時滿足（1）達到規定速度；（2）右腳落于測力臺的中心位置；（3）沿地面標記完成側切動作；（4）maker 點數據完整才視為成功完成目標任務。每次測試之間受試者可以休息2 分鐘，每雙鞋之間受試者可以休息5 分鐘，以消除疲勞對測試造成的影響。

1.2.2 評價參數

圖3 反光marker 分布位置示意圖Fig.3 Reflective marker set used in current study

運動學數據采用NEXUS 軟件（Vicon, Oxford,UK）進行預處理，將處理完成的數據導出為C3D 文件。使用Visual3D 對運動學和測力臺數據進行處理，采用四階巴特沃茲低通濾波器，截止頻率分別為10 Hz 和100 Hz。足部接觸和離開測力臺的閾值設置為20 N，其被定義為接觸階段。在本研究中，接觸階段三個平面的踝關節的運動學和動力學參數被計算（圖4）。關節角度的計算被定義為遠端環節相對與近端環節的運動；關節力矩通過逆向動力學計算獲得。關節角度和力矩值為正定義為屈、外翻和內旋，負值被定義為伸、內翻和外旋。關節活動度（ROM）定義為最大屈（內翻和內旋）角度與最大伸（外翻和外旋）角度的絕對差異。運動學參數包括：（1）觸地瞬間關節角度；（2）最大關節角度和（3）關節活動度。動力學參數為（1）觸地瞬間關節力矩和（2）最大關節力矩，且用體重進行標準化。

圖4 不同鞋幫類型足球鞋支撐階段矢狀面、額狀面和水平面關節角度（A）和力矩（B）示意圖，正值定義為屈、外翻和內旋，負值定義為伸、內翻和外旋Fig.4 Ensemble curve of sagittal, frontal and transverse planes ankle joint ankle and moment during the stance phase (time %)of different shoe collar types, positive value presents dorsiflexion,eversion and internal rotation; negative value presents plantarflexion, inversion and external rotation.

1.3 數據統計

使用 Kolmogorov-Smirnov測試檢查所有數據是否符合正態分布。主體內單因素方差分析（one-way within-subject analyses of variance）用于評價穿著不同類型鞋幫足球鞋時，各參數之間的統計學差異。主體內效用存在顯著性差異時，配對（Pairwise）事后分析被執行用以比較不同類型鞋幫足球鞋之間的統計學差異。隨后，對配對比較的效應量（Cohen’s dz effect size）進行分析。各數據參數均以平均值±標準差表示，統計軟件采用SPSS（21.0,IBM Inc.；Chicago,IL,USA），其中顯著性水平α 設為0.05。

2 結果

Kolmogorov-Smirnov 統計結果顯示所有數據均呈現正態分布。踝關節所有變量的平均值和標準差及其事后分析和效應量分別呈現在表1 和表2。分析主體內效應結果發現僅有最大踝關節屈曲角度（Wilks’s Λ=0.471,F2,28=3.807,p=0.034）和總的矢狀面關節活動度（Wilks’s Λ=0.604,F2,28=3.91,p=0.047）表現為顯著性差異。事后分析發現襪套鞋的峰值踝關節屈曲角度是顯著性大于低幫鞋（p=0.001, dz=0.68）（表1）。此外，總的矢狀面踝關節活動度表現為高幫鞋顯著性小于低幫鞋（p=0.009,dz=0.61）（表1）。雖然其余變量均為顯著性差異，但是中到大的效應量是被發現在水平面上（表1 和2）。

3 討論

在本研究中，受試者需穿著三種不同鞋幫類型的足球鞋，分別成功完成3 次45°橫跨步側切任務。側切支撐階段時的踝關節運動學和動力學數據被采集并分析。從本研究的結果中，僅發現襪套鞋的峰值踝關節屈曲角度是顯著性大于低幫鞋并且總的矢狀面踝關節活動度表現為高幫鞋顯著性小于低幫鞋。除此之外，通過效應量的分析，結果顯示在矢狀面上峰值關節角度和關節活動度在襪套和高幫鞋之間表現為中等效應量。在水平面上觸地瞬間的關節角度和峰值關節角度在低幫和襪套鞋之間分別表現為中等和高效應量，峰值關節角度和力矩在低幫和高幫鞋之間表現為中效應量，關節活動度在襪套和高幫鞋之間也表現為中效應量。對比中或高效應量的數據可以進一步的發現在矢狀面上，襪套鞋的峰值踝關節屈曲角度大于低幫和高幫鞋，低幫和襪套鞋的關節活動度大于高幫鞋；在水平面上，襪套鞋的外旋角度大于低幫鞋，高幫和襪套鞋的峰值外旋角度大于低幫鞋，高幫鞋的關節活動度小于襪套鞋并且低幫鞋的峰值外旋力矩大于高幫（圖4）。因此，不同鞋幫類型的足球鞋會對踝關節的穩定性造成一定的影響。

表2 不同鞋幫類型踝關節動力學相關指標（單位：牛米/千克）的結果的比較Tab.2 Effect of shoe collar conditions on ankle kinetic variables (unit: Nm/kg) during 45°side-step cutting

本研究中在矢狀面上的研究結果與Lam 等[15]的發現是一致的，對比受試者穿著高低幫籃球鞋進行橫跨步側切時踝關節運動學和動力學之間的差異，其結果發現高幫籃球鞋可以有效減少矢狀面上的關節活動度，但是并不會對關節力矩造成影響。此外，本研究并未發現襪套鞋在限制踝關節矢狀面關節活動度上的作用。雖然此前沒有直接證據支撐本研究的發現，但是有研究發現高剛度的鞋幫在抑制踝關節屈伸關節活動度的能力顯著性優于低剛度鞋幫的籃球鞋[19]。傅維杰等[18]也發現在進行雙腳落地反跳和單腳跨步跳時，穿著高幫籃球鞋能夠顯著減小踝關節的背屈角度，但是也同時減小跖屈力矩和峰值功率。關于關節力矩的發現與我們的發現是不一致的，造成這種可能的主要原因是本研究中受試者需要完成橫跨步側切運動。落地反跳動作是以矢狀面的運動為主，而本研究的動作則是以額狀面和水平面運動為主。

橫跨步側切是一種高風險的動作，例如常運用于籃球、足球和手球等運動的變向和突破過人中，因此常被應用于評判運動損傷風險[20]。其是造成踝關節扭傷的第二大主要原因[21]。踝關節內翻位置與踝關節損傷有著一定的相關性，也就是說減小踝關節內翻角度可能有利于減少踝關節扭傷的風險[22]。分析本研究中內外翻相關的指標，并未發現有顯著性差異，因此可能建議，不同鞋幫類型的足球鞋在進行側切運動時，對運動損傷的預防沒有效果。但是本研究的結果與其他學者的研究結果并不相一致。Ricard 等[13]和Pizac 等[14]使用內翻平臺測試受試者在穿著高低幫足球鞋時踝關節的內翻角度，其結果發現高幫足球鞋可以有效的限制踝關節的內翻角度。Lam 等[15]和Liu 等[16]通過比較穿著高低幫籃球鞋時，受試者進行橫跨步側切時踝關節額狀面運動學和動力學的相關參數，其發現較小的踝關節內翻角度和內翻活動度被發現在穿著高幫籃球鞋的情況下。進一步分析本研究，受試者的內外翻關節活動度的范圍在16°～19°之間，其小于其它研究中發現的關節活動度的變化。因此，可能的原因是由于受試者穿著專業的足球鞋在高質量的人工草坪上進行本次實驗，而足球鞋的鞋釘能夠使得足部在草地壞境下有很好的穩定性，鞋面本身的強度就能夠抑制4m/s 速度下進行側向運動產生的剪切力，足以使得受試者產生較小的內翻角度。

Robinson 等[19]研究發現高幫籃球鞋可以有效的抑制踝關節過旋，從而限制側切運動時踝關節的活動。此外，Lam 等[15]也發現了橫跨步側切時，在著地瞬間穿著高幫籃球鞋的受試者有更小的外旋角度。在本研究中，并未發現水平面上關節角度和力矩有顯著性差異。但是，中和高的效應量也從一定程度上說明了高幫足球鞋能夠有效的降低關節活動度和峰值外旋力矩?？赡艿脑蚴怯捎谛瑤透叨群筒牧峡梢杂绊懻膹澱酆妥冃文芰?，從而可能在一定程度上提高了踝關節在水平上的穩定性。

本研究的主要局限性在于僅選取了健康受試者進行測試，有否患有踝關節不穩定的受試者能夠表現出更好的效果，需要在以后的實驗中再進行驗證。此外，本研究僅分析了踝關節的角度和力矩，而下肢作為一個運動鏈，踝關節的運動會影響膝關節和髖關節的運動，因此下肢各關節或環節的相關性也需要進一步進行分析。

4 結論

（1）穿著高幫足球鞋能夠在一定程度上提高踝關節在矢狀面和水平面的穩定性，從而可能在一定程度上有利于減少踝關節相關的運動損傷。

（2）襪套鞋并未發現其在限制踝關節作用上的正向效果，其可能只是一種裝飾手段而非功能性科技。