运动性跖骨损伤及运动鞋前掌功能的生物力学研究

论文摘要

随着竞技体育动作难度和运动强度的不断增大,在训练和比赛中随之出现的运动损伤已越来越频繁。其中,跖骨的运动损伤较为常见,调查显示呈上升趋势。快速跑、急转、跳跃等运动中常见的动作,如果不符合生物力学原理,致“足-鞋”、“鞋-地”界面发生变化,极易造成足部损伤。运动鞋作为预防和保护足部关节及组织免受意外伤害的重要运动装备,已成为运动鞋制造商及运动生物力学研究者特别关注的动向。本研究比较分析了在两款不同功能运动鞋的条件下,两种落地方式的生物力学特性,并深入探讨了不同内翻角度与足底压力分布状况之间的关联。通过对足底局部峰值压强、最大地面反作用力和压力-时间积分值等关键数据的测量分析,为理论建模提供力学依据,为改进运动装备提供数据素材,为人们从事体育运动提供安全保护建议。研究采用Pedar-X足底压力测试系统和Novel emed压力分布测量平板,通过人体正常起跳落地和正常起跳内翻落地的实验测量,将测量数据转化为人体足前掌动力学数据,再经计算获得跖骨在运动中的力值变化。取不同内翻角度（5°15°）落地为支持条件,并在跖屈状态下（足跟离地约5cm）,加载三种垂直载荷（100N、150N、200N）于压力分布测量平板,足前掌压力变化过程表现为:随着足内翻角度的增加,跖骨峰值应力位置从第一跖骨转移到第五跖骨。当足处于内翻状态时,跖骨应力分布状态大幅度改变,外侧跖骨开始起主要支撑作用。通过计算与分析,足前掌内翻落地时跖骨区所受应力的分布较正常状态下有明显变化,第四、五跖骨区的应力值显著增大。随着内翻角度和外力载荷变化,第五跖骨区的峰值压强发生相应变化:足内翻角度增大,接触面积减小,峰值压强增大,反之亦然。研究结果表明:穿着运动鞋可有效降低地面对足部的反作用力,不同功能设计的运动鞋足前掌压力变化显著。足前掌内翻落地时,第5跖骨起主要支撑作用,内翻角度和载荷变化差异直接干预跖骨压力分布,是导致足跖骨损伤的重要影响因子。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 人体跖骨损伤的病理学研究现状
• 1.2 足部生物力学研究现状
• 1.2.1 足的骨结构生物力学研究
• 1.2.2 足应力性骨损伤研究
• 1.2.3 “足-鞋-地”相互作用的力学研究
• 1.2.4 足底压力测量技术的应用研究
• 1.3 运动鞋科技的研发与应用
• 1.3.1 鞋体材料的运动功效研究
• 1.3.2 鞋底结构的研究与开发
• 1.3.3 运动鞋核心生物力学技术的应用
• 1.4 研究的目的与意义
• 2 研究对象与方法
• 2.1 研究对象
• 2.1.1 被试者样本
• 2.1.2 测试鞋类型
• 2.2 实验设备
• 2.2.1 足底压力测试鞋垫
• 2.2.2 压力分布测量平板
• 2.3 实验过程
• 2.3.1 足-鞋系统实验
• 2.3.2 鞋-地系统实验
• 2.3.3 足内翻角度变化实验
• 2.4 研究方法
• 2.4.1 足底压力实验
• 2.4.2 测力板实验
• 2.4.3 足内翻角度变化实验
• 2.5 数据处理
• 3 实验结果与分析
• 3.1 峰值压强（PP）比较
• 3.1.1 正常落地五跖骨区压强比较
• 3.1.2 足内翻落地五跖骨区压强比较
• 3.2 最大地面反作用力（MF）比较
• 3.3 压力-时间积分值（FTI）与足损伤
• 3.3.1 正常落地五跖骨区压力-时间积分值
• 3.3.2 足内翻落地五跖骨区压力-时间积分值
• 3.4 足内翻角度变化-压力分析
• 4 结论与建议
• 4.1 结论
• 4.2 建议
• 4.2.1 改进动作技术，加强身体配合
• 4.2.2 改进保护装置，减缓损伤程度
• 4.2.3 改进治疗方法，提高诊断水平
• 参考文献
• 附录
• 在学研究成果
• 致谢