基于足部形态特征的跑步生物力学分析

梅齐昌，顾耀东，李建设



基于足部形态特征的跑步生物力学分析

梅齐昌1，顾耀东1，李建设2

目的：旨在分析习惯着鞋跑步者与习惯裸足跑步者跑步的运动学和动力学特征，并结合习惯着鞋跑步者内收的大脚趾与习惯裸足跑步者外展的大脚趾的足部形态差异进行功能分析。方法:18名习惯裸足跑步者与20名习惯着鞋跑步者参与跑步测试(控制速度3.0±0.2 m/s)。Vicon三维红外运动分析系统用于收集两组受试者跑步测试时下肢的运动学数据；Kistler三维测力台用于收集受试者跑步过程中右腿的地面反作用力；Novel Pedar-X鞋垫式足底压力测量系统用于获得足部特定解剖区域的足底压力(峰值压强，接触面积及压强-时间积分)数据，重点探究两组受试者外展及内收的大脚趾跑步时的功能。结果：由于两组受试者跑步时落地方式的差异，两组受试者在落地时踝关节屈伸的角度存在较为显著的差异。习惯着鞋跑步者跑步时垂直负荷增长率高于习惯裸足跑步者，这与下肢及足部常见损伤相联系。习惯裸足跑步者跑步时，足部前掌区的峰值压强和压力-时间积分高于习惯着鞋跑步者，习惯着鞋跑步者大脚趾区由于鞋底的支撑作用表现出较大的峰值压强及压强-时间积分，相应的前足内外侧的峰值压强和压强-时间积分也明显低于习惯裸足跑步者。结合两组受试者在踝关节冠状面内的角度变化，习惯裸足跑步者蹬离地面时外翻角度高于习惯着鞋跑步者。结论：习惯着鞋跑步者跑步时足部蹬离阶段大脚趾由于鞋底支撑作用能够降低聚集于前足的负荷，减少足部筋膜炎、跖骨疲劳性骨折的风险；针对脚趾蹬地时抓地弹射机能的训练能够提高跑步的运动表现。

足形态；裸足跑；跖屈；背屈；大脚趾

1 前言

鉴于上述原因，裸足跑步引起媒体、学者、跑者及运动鞋具制造商的广泛关注。学者纷纷进行裸足、着鞋或者相互间比较的研究；跑者以减少损伤的目的尝试裸足跑步；运动鞋具制造商也生产出各式各样的“裸足”跑步鞋，如Vibram Fivefingers、New Balance Minimus、Nike Free 等各品牌的系列鞋，给跑者带来“裸足”跑步的感觉以及所提及的好处[1,20]。与此同时，大量关于习惯裸足跑步者动作特征、习惯着鞋跑步者裸足跑等研究也表明，习惯裸足跑步者进行裸足跑步有一定的技术特点；而对于习惯着鞋跑步者进行裸足跑步而言，不光是落地方式(FSP)的差异，而且习惯着鞋跑者进行尝试前掌落地的裸足或者着“裸足”鞋跑步时，需要经过一定阶段对裸足跑步技巧进行学习[27]。研究同样表明，由于前掌落地时踝关节跖屈的姿势，长期裸足跑步者下肢肌肉及跟腱等组织出现变化[24]，且足部会出现角质化[11]。其他因素，如跑步场地环境多变等，容易对足部造成创伤，这也是裸足跑步时必须考虑的一个重要因素[28]。与此同时，“是‘裸足或穿鞋跑’还是‘落地方式’更重要？”[32]这一议题被提出并进行了相关研究，结果表明，裸足跑与着任何鞋具跑步时均会产生不同结果，尤其对习惯着鞋者而言，足部及下肢的负荷会增加得更为明显[5]，从而出现损伤的风险更大。

不同地域人群足部形态特征会存在差异，其中，尤为突出的特征在足的前掌区和脚趾区[8,14]。足部的不用形态学特征与足部特定区域的功能也紧密联系[16,30]。本文目的在于结合足部形态学差异的同时，对习惯裸足跑步者和习惯着鞋跑步者在裸足与穿鞋条件下的时空参数、运动学及动力学指标和足底压力特征等进行比较分析，探究其在两种条件下的运动生物力学特征。本研究假设两组受试者脚趾区的形态学差异与足部功能相关。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

本实验选取18名男性习惯裸足跑步者(年龄：23±1.2周岁；身高：1.65±0.12 m；体重：65±6.9 kg；身体指数：23.88±0.93 kg/m2)，均来自印度西南部Kerala省，为宁波大学国际留学生；20名男性习惯着鞋跑者(年龄：24±2.1周岁；身高：1.72±0.16 m；体重：66±6.5 kg；身体指数：22.31±1.97 kg/m2)，为宁波大学在读中国学生。受试者了解实验步骤和目的且签署协议书，右腿均为优势腿，鞋码为41欧码，均有跑步的历史，且在实验前半年下肢无任何损伤。

两组受试者跑步时落地方式不同，习惯裸足跑步者跑步时是以前足落地(FFS)，习惯着鞋跑步者跑步时是以后跟落地(RFS)。两组受试者足部存在较为显著的形态学差异，习惯裸足跑步者(FFS)相对于习惯着鞋跑步者(RFS)，大脚趾与其他脚趾是分离的，且距离很大。

跑步测试实验前，受试者均采用Easy-Foot-Scan (EFS,Ortho-Baltic,Kaunas,Lithuania)进行3D足形扫描(图1)，获取受试者的3D足面数据及2D足底图片。Easy-Foot-Scan对受试者进行足形扫描时，受试者两脚与肩同宽自然站立，其中，右脚踩在足形扫面器的扫面区域，左脚踩在与扫描区域等高的支撑平台上。Easy-Foot-Scan的扫面速度、灵敏度、分辨率和平滑系数等参数均设定在快、正常、1.0 mm和30 mm。获取的2D足底图片采用Auto CAD 2007 (Computer-Aided-Design,Autodesk,America)对大脚趾和第2脚趾间的最小距离进行测量(图2)。所测得两组受试者的最小距离进行独立样本t检验，得到α=0.000<0.05,t=-16.15。

图1 本研究Easy-Foot-Scan 3D足形扫描Figure 1. Easy-Foot-Scan 3D Foot Scan

图2 本研究受试者的足部背面观及2D足底图片Figure 2. The Dorsal View and 2D Footprint Image of Participants

2.2 实验方法

2.3.3 多肽的形成 指导学生寻找密码子对应的氨基酸和相应的tRNA，模拟三肽的合成。依次重复上述步骤，直到核糖体读到mRNA的终止密码，合成终止。进一步探究： 假设不同的mRNA，其碱基排列顺序不同，翻译出来的蛋白质是否相同？引导学生通过改变mRNA上的某些碱基，改变了原有的mRNA，并让学生动手实验。通过探索学生获取新知： 不同的基因转录出不一样的mRNA，翻译出不同的蛋白质。

Vicon 三维红外运动捕捉系统(Oxford Metrics Ltd.,Oxford,UK)采用内置Nexus Plug-in Gait模型，16个Maker反光点(直径14 mm)分别粘在左右侧髂前上棘、左右侧髂后上嵴、左右大腿外侧、左右膝关节中心点外侧、左右小腿外侧、左右外踝尖、左右脚后跟及左右侧第二跖骨头。测试频率设定在200 Hz用于时空参数及运动学相关数据的采集。同时，Kistler三维测力台(Kistler,Switzerland)与Vicon软件同步测试，并固定于跑道中央，受试者调整好落脚点以右脚落于测力台上，以1 000 Hz采集受试者右腿的地面方作用力。

鞋垫式足底压力测量系统(Novel Pedar-X System,Germany)用于跑步过程中足底压力的采集，习惯裸足跑步者裸足跑步时以袜子固定于足底，习惯着鞋跑步者着鞋跑步时平整置于鞋内。鞋垫根据足部解剖结构被分为后跟内侧(medial rearfoot-MR)、后跟外侧(lateral rearfoot-LR)、中足内侧(medial midfoot-MM)、中足外侧(lateral midfoot-LM)、前足内侧(medial forefoot-MF)、前足外侧(lateral forefoot-LF)、大脚趾(hallux-H) 及其他脚趾(other toes-OT) 8个区域，以进一步准确分析足底受力特点。峰值压强(peak pressure)、接触面积(contact area)及压强-时间积分(pressure-time integral)等参数用于分析习惯裸足跑步者及习惯着鞋跑步者一个步态周期中右腿支撑期的足底压力特征。本研究将右脚落地(落于Kistler测力台)即刻至下一次落地即刻定义为一个周期。

2.3 实验步骤及数据采集

通过秒表和节拍器控制受试者的跑步节奏，将速度控制在3.0±0.2 m/s，受试者在实验室内10 m长的跑道上熟悉实验场地适应跑步节奏和速度，且调整好步点，以右腿落在跑道中间的Kistler测力台上。实验过程中，两组受试者按随机顺序进行跑步测试，为保证受试者跑步步态的稳定性和降低实验数据的误差，两组受试者均进行6次跑步测试。运动学、动力学及足底压力同步进行测试。

2.4 统计学分析

两组受试者在裸足(习惯裸足跑步者)及着鞋(习惯着鞋跑步者)条件下均进行6次跑步实验，以便于数据统计过程中采用平均值降低实验误差。SPSS 17.0 统计软件采用最小差异分析法(Least significant difference-LSD)和独立样本t检验(Independent-samples T test)分析习惯裸足跑步者裸足跑及习惯着鞋跑步者着鞋跑的时空参数、运动学及动力学的差异性，显著性水平设定在0.05。

3 实验结果

3.1 时空参数及运动学结果

后期实验数据采用Vicon运动解析系统Nexus软件包对时空参数及下肢各关节角度进行处理，并分析习惯裸足跑步者与习惯着鞋跑步者一个跑步步态周期帧的步周长(Stride length,SL)、步幅时间(stride time,ST)及右脚与地面接触时间(contact time,CT)间的差异性(表1)。

表1 本研究时间-空间参数一览表Table 1 The Spatiotemporal Parameters

注：用*,&和+分别表示习惯裸足跑步者(FFS)裸足跑步与习惯着鞋跑步者(RFS)着鞋跑步时步周长(SL)、步幅时间(ST)及接触时间(CT)存在显著性差异(P<0.05)；18名习惯裸足跑步者及20名习惯着鞋跑步者。

习惯着鞋跑者(RFS)和习惯裸足跑步者(FFS)一个跑步步态周期中下肢踝、膝及髋3个关节角度变化曲线如图3、图4和图5所示。为将运动学数据与动力学数据结合起来分析，关节角度变化主要集中分析右腿在支撑期的数据特点，依据两组受试者跑步时与地面的接触时间占总步幅时间的比例，RFS与FFS的支撑期(stance period,SP)分别占各自步态周期的37.2%±0.3%(SP)和28.5%±0.5%(SP’)，SP表示习惯着鞋跑步者的支撑期，SP’表示习惯裸足跑步者的支撑期。

图3 本研究踝关节在一个步态周期中关节角度变化曲线图Figure 3. The Ankle Angle Curve in One Gait Cycle

图4 本研究膝关节在一个步态周期中关节角度变化曲线图Figure 4. The Knee Angle Curve in One Gait Cycle

图5 本研究髋关节在一个步态周期中关节角度变化曲线图Figure 5. The Hip Angle Curve in One Gait Cycle

3.2 地面垂直反作用力与足底压力结果

各受试者的垂直地面反作用力(Vertical Ground Reaction Force，vGRF)均通过体重(N)进行相对化，得到两组受试者的垂直地面反作用力与各自体重倍数的相对值。两组受试者进行跑步测试时落地方式不同，二者的地面反作用力特点也不相同。RFS着鞋跑时，有2个波峰，第1个波峰(I)为受试者后跟落地时产生被动冲击力峰值(Passive impact peak)，第2个波峰(II)为受试者前足蹬离地面时产生的主动冲击力峰值(Active impact peak)；而FFS在裸足跑与着鞋跑时，均保持前足落地(I′)，只产生1个前足蹬地时刻的波峰(II′)(图6)。

垂直负荷增长率(Vertical Loading Rate,VLR)是地面反作用力除以相对应的时间(Force/Time)。两组受试者落地方式不同，对RFS及FFS的垂直负荷增长率(VLR)进行比较(图6)，RFS着鞋跑时的垂直负荷增长率(VLR)大于FFS裸足跑时的VLR’。通过鞋垫式足底压力测量系统测得到两组受试者跑步时各区域的峰值压强(peak pressure)、接触面积(contact area)及压强-时间积分(pressure-time integral)的特点(图7～图9)。本文主要比较分析两组受试者跑步测试时支撑期内足底相应解剖区域的足底压力特点。

RFS与FFS进行跑步测试时，足底8个分区的峰值压强均存在一定差异，其中，后跟内侧(MR)、后跟外侧(LR)、前足外侧(LF)及大脚趾区域(H)的差异性较显著(图7)。FFS在MR、LR及H区域的峰值压强显著性小于RFS(P<0.01)。如图9所示，RFS与FFS跑步测试时足底各区域的压强-时间积分也存在一定的差异性，主要集中于后跟内外侧(MR，LR)、前足外侧(LF)和大脚趾(H)等区域。FFS跑时后跟区(MR，LR)及大脚趾区(H)的压强时间积分小于RFS，前掌外侧相反。

图6 本研究习惯着鞋跑步者着鞋跑与习惯裸足跑步者裸足跑时垂直地面反作用力曲线图Figure 6. The Vertical Ground Reaction Force of Habitually Shod Runners and Habitually Unshod Runners Running Under Shod and Unshod Conditions

图7 本研究着鞋跑及裸足跑的足底各区域峰值压强示意图Figure 7. The Peak Pressure of Habitually Unshod and Shod Running Under Shod and Unshod Conditions

注：*表示二者间显著性水平低于0.05；下同。

图8 本研究着鞋跑及裸足跑的足底各区域接触面积示意图Figure 8. The Contact Area of Habitually Unshod and Shod Running Under Shod and Unshod Conditions

图9 本研究着鞋及裸足跑的足底各区域压强-时间积分示意图Figure 9. The Pressure-time Integral of Habitually Unshod and Shod Running Under Shod and Unshod Conditions

4 讨论

本研究以习惯着鞋跑步者与习惯裸足跑步者间足部一个显著的形态差异——前者内收的大脚趾及后者外展的大脚趾为基础[4]，就两个具有不同跑步落地方式的群体，在控制跑步速度的基础上，以各自正常且舒适的姿势进行跑步测试。通过对两组受试者跑步过程中下肢运动学、动力学及足底压力特征的分析，探究习惯裸足跑步者与习惯着鞋跑步者足部特定形态结构相关联的功能特点。

裸足跑步的益处被鞋具生产商及大众媒体等广泛传播，且裸足跑步也被运用至运动员的日常训练[15,31]、娱乐健身跑[9]及康复训练中[12]。多变的跑步界面及环境激发出“裸足”鞋来模拟裸足跑步带给人体产生的刺激和感觉，且能够预防皮肤损伤或者其他急性损伤[10,28]。关于不同落地方式及着鞋或裸足条件下跑步的生物力学分析得到广泛的重视与不断的研究。

对本研究中习惯裸足跑步者(FFS)和习惯着鞋跑步者(RFS)跑步测试时的时空参数及运动学参数进行比较分析，两组受试者在步周长(SL)、步幅时间(ST)及接触时间(CT)上存在较大差异。FFS跑步测试时的步周长显著小于RFS，与大量裸足跑的研究结果一致[3,22,34,35]。跑步过程中，步长与速度和时间之间存在“步周长=跑步速度×步幅时间”的关系，两组受试者的跑步速度均控制在3±0.2 m/s，步幅时间也出现相应的变化，FFS的步幅时间亦显著性小于RFS的步幅时间。另外，RFS后跟落地跑步时，支撑期内踝关节会出现落地时的背屈，过渡至全足支撑期的跖屈，至蹬离期的跖屈；而FFS以前掌落地时减少了踝关节的跖屈背屈的运动，使足部与地面的接触时间减少[25]。

通过压力鞋垫分区分析足部各区域的负荷，对RFS与FFS跑步时足底压力进行对比分析，由于RFS以后跟落地，结合前文对两组受试者落地差异的分析对比，RFS后跟内、外侧(MR,LR)的峰值压强(peak pressure)及压强-时间积分(pressure-time integral)均显著性高于FFS(以前掌落地的跑步方式)。RFS后跟内、外侧有较大的接触面积，RFS中足内侧接触面积大于FFS，可能是由于鞋帮及鞋面的作用使鞋底更加贴合中足内侧。FFS的前足内、外侧(MF，LF)的峰值压强与压强-时间积分高于RFS，其中，前掌外侧(LF)较显著。鉴于鞋底缓冲作用，RFS前掌外侧(LF)峰值压强小于FFS；FFS由于缺乏鞋底缓冲垫作用，仅依靠踝关节由跖屈向背屈的运动来减缓冲击力，但快速的垂直负荷增加率传递至小腿，增加了下肢的冲击力负荷，尤其是小腿(胫骨)应力性骨折的风险和前掌跖骨区域的疲劳性损伤[7,13,21,23,26]。RFS在大脚趾区较大的峰值压强及压强-时间积分说明着鞋时大脚趾在蹬地时的支持作用，裸足跑时前足外侧较大的峰值压强和压强-时间积分、前足内侧的压强-时间积分等表明，较大的压强及其较长时间的持续作用在较小的区域均会导致足部损伤，如足底筋膜炎及跖骨的疲劳性骨折[6]。

结合上述时空参数与运动学及动力学的讨论分析，裸足跑时较小的步周长、较短的步幅时间及较短的接触时间，下肢踝关节背屈及跖屈角度和髋关节的屈曲角度(前摆幅度)等，均是由于裸足跑对长期裸足直接接触地面适应的结果，是跑者在保持前足落地特征的同时机体对裸足跑进行一定适应调整的结果，以降低出现裸足跑步时直接的冲击而减小损伤的几率。对裸足跑的好处是在于其落地的方式还是着鞋或裸足进行研究表明，落地方式比着鞋或裸足更为重要，且要掌握正确落地方式的技巧需要一定阶段的学习、适应[7,27]。

本研究中，FFS与RFS足部形态的最大差异在大脚趾区[14]，实验前通过Easy-Foot-Scan三维足形扫描得到，FFS的大脚趾与其他脚趾间的最小距离显著性大于RFS的大脚趾与其他脚趾间的最小距离，FFS的大脚趾呈外展位置，而RFS的大脚趾呈内收位置[4]。结合脚趾在跑步过程中足部蹬地功能的分析，Lambrinudi等[16]将运动过程中足蹬离地面时足看作一条杠杆，跖骨头为支点，动力源自下肢各肌群(腓肠肌、趾长屈肌及踇长屈肌等)，阻力为机体自身重量。大脚趾蹬地作用一方面能够增加支点的面积，降低聚集于支点(跖骨头)区域的压强等负荷；另一方面，与下肢肌群相连的趾长屈肌腱收缩，使大脚趾的抓地产生弹射作用，增加跑步时抓地面积，从而提高运动表现。结合降低的前足内侧的压强-时间积分，说明大脚趾的支撑作用对前足区负荷有降低的作用，类似的脚趾作用能够提升跑步时的运动表现，尤其是长时间的耐力跑[30]。大脚趾在支撑期蹬离地面阶段的支撑作用，不仅能够降低聚集于前足跖骨区域的负荷，降低足部出现足底筋膜炎、跖骨疲劳性骨折的风险，而且，能够通过特定方式的训练刺激连接趾长屈肌腱相关肌群的作用，能够提升大脚趾抓地机能，从而提升跑步时的运动表现。

5 结论

习惯裸足跑步者与习惯着鞋跑步者进行跑步测试时由于不同的落地方式，表现出时空参数、运动学、动力学及足底压力的差异。本文的动力学研究结果表明，习惯着鞋跑步者相对于习惯裸足跑步者有较大的垂直负荷增长率，与下肢及足部损伤的机率紧密相关。对于广泛认同的裸足跑对机体的益处及较低的损伤机率需要辩证的接受，裸足跑前掌区域的负荷高于着鞋跑。裸足跑带来的益处是源于其跑步过程中足部落地的方式，而非裸足或着鞋，且掌握正确落地方式的技巧需要一定阶段的学习和适应。因此，对于习惯着鞋者而言，要正确对待裸足跑，不要盲目尝试，更重要的是需要掌握落地方式。习惯裸足跑步者跑步时，主要负荷集中于足部前掌区，与多种下肢足部损伤相联系。习惯着鞋跑步者由于鞋底缓冲系统的作用，大脚趾能够起到支撑作用而降低前足的负荷。习惯着鞋跑步者与习惯裸足跑步者间足部的形态差异关联的功能在大脚趾区，大脚趾的支撑作用降低前足跖骨区域的负荷，减小足部损伤的风险；同时，大脚趾抓地时弹射的功能能够提升跑步时的运动表现。本研究通过对习惯着鞋跑步者与习惯裸足跑步者跑步的运动生物力学分析，证实两组受试者足部的形态差异与特定的运动机能相关联，该功能不仅能够提高跑步时的运动表现，而且能够降低损伤风险。

[1]郝琦,李建设,顾耀东.裸足与着鞋下跑步生物力学及损伤特征的研究现状[J].体育科学,2012,32(7):91-97.

[2]ALTMAN A R,DAVIS I S.A kinematic method for footstrike pattern detection in barefoot and shod runners[J].Gait Posture,2012,35:298-300.

[3]BARTON G,HOLMES G,HAWKEN M,etal.A virtual reality tool for training and testing core stability:A pilot study[J].Gait Posture,2006,24:S101-S102.

[4]BENNETT M R,HARRIS J W K,RICHMOND B G,etal.Early hominin foot morphology based on 1.5-million-year-old footprints from Ileret,Kenya[J].Sci,2009,323:1197-1201.

[5]BONACCI J,SAUNDERS P U,HICKS A,etal.Running in a minimalist and lightweight shoe is not the same as running barefoot:A biomechanical study[J].Br J Sports Med,2013,47:387-392.

[6]CHEN W P,TANG F T,JU C W.Stress distribution of the foot during mid-stance to push-off in barefoot gait a 3-D finite element analysis[J].Clin Biomech,2001,16:614-620.

[7]CHEUNG R T,RAINBOW M J.Landing pattern and vertical loading rates during first attempt of barefoot running in habitual shod runners[J].Hum Mov Sci,2014,34:120-127.

[8]D’AOUT K,PATAKY T C,DE CLERCQ D,etal.The effects of habitual footwear use:foot shape and function in native barefoot walkers[J].Footwear Sci,2009,1(2):81-94.

[9]DE COCK A,VANRENTERGHEM J,WILLEMS T,etal.The trajectory of the centre of pressure during barefoot running as a potential measure for foot function[J].Gait Posture,2008,27:669-675.

[10]FONG Y A,SINCLAIR P J,HILLER C,etal.Impact attenuation during weight bearing activities in barefoot vs.shod conditions:A systematic review[J].Gait Posture,2013,38:175-186.

[11]GROUIOS G.Corns and calluses in athletes' feet:A cause for concern[J].Foot,2004,14(4):175-184.

[12]HALL J P,BARTON C,JONES P R,etal.The biomechanical differences between barefoot and shod distance running:A systematic review and preliminary meta-analysis[J].Sports Med,2013,43:1335-1353.

[13]HAMILL J,VAN EMMERIK R E A,HEIDERSCHEIT B C,etal.A dynamical systems approach to lower extremity running injuries[J].Clin Biomech,1999,14:297-308.

[14]HOFFMAN P.Conclusions drawn from a comparative study of the feet of barefooted and shoe-wearing peoples[J].Am J Orthop Surg,1905,3(2):105-136.

[15]KRABAK B J,HOFFMAN M D,MILLET G Y,etal.Barefoot running[J].PM R,2011,3:1142-1149.

[16]LAMBRINUDI C.Use and abuse of toes[J].Postgrad Med J.,1932,8(86):459-464.

[17]LIBERMANE D E,VENKADESAN M,WERBEL W A,etal.Foot strike patterns and collision forces in habitually barefoot versus shod runners[J].Nature,2010,463:531-535.

[18]LIEBERMAN D E.What we can learn about running from barefoot running:An evolutionary medical perspective[J].Exe Sport Sci Rev,2012,40:63-72.

[19]LIEBERMAN D E.The Story of the Human Body:Evolution,Health,and Disease[M].New York:Knopf Doubleday Publishing Group,2013.213-221.

[20]LOHMAN E B,SACKIRIYAS K S,SWEN RW.A comparison of the spatiotemporal parameters,kinematics,and biomechanics between shod,unshod,and minimally supported running as compared to walking[J].Phys Ther Sport,2011,12:151-163.

[21]MEI Q,GRAHAM M,GU Y.Biomechanical analysis of the plantar and upper pressure with different sports shoes[J].Int J Biomedical Engineer Technol,2014,14:181-191.

[22]MOORE I S,JONES A,DIXON S.The pursuit of improved running performance:Can changes in cushioning and somatosensory feedback influence running economy and injury risk?[J].Footwear Sci,2014,6:1-11.

[23]MUNRO C F,MILLE D I,FUGLEVA A J.Ground reaction forces in running:A reexamination[J].J Biomech,1987,20:147-155.

[24]MURPHY K,CURRY E J,MATZKIN E G.Barefoot running:Does it prevent injuries?[J].Sports Med,2013,43:1131-1138.

[25]NOVACHECK T F.The biomechanics of running[J].Gait Posture,1998,7:77-95.

[26]NUNNS M,HOUSE C,FALLOWFIELD J,etal.Biomechanical characteristics of barefoot footstrike modalities[J].J Biomech,2013,46:2603-2610.

[27]OLIN E D,GUTIERREZ G M.EMG and tibial shock upon the first attempt at barefoot running[J].Hum Mov Sci,2013,32:343-352.

[28]PAQUETTE M R,ZHANG S,BAUMGARTNER L D.Acute effects of barefoot,minimal shoes and running shoes on lower limb mechanics in rear and forefoot strike runners[J].Footwear Sci,2013,5:9-18.

[29]REVIL A L,PERRY S D,MICHELLE E A,etal.Variability of the impact transient during repeated barefoot walking trials[J].J Biomech,2008,41:926-930.

[30]ROLIAN C,LIEBERMAN D E,HAMILL J,etal.Walking,running and the evolution of short toes in humans[J].J Exp Biol,2009,212:713-721.

[31]SCHÜTTE K H,MILES K C,VENTER R E,etal.Barefoot running causes acute changes in lower limb kinematics in habitually shod male runners[J].South African J Res Sport,Phy Edu Rec,2013,35:153-164.

[32]SHIH Y,LIN K L,SHIANG T Y.Is the foot striking pattern more important than barefoot or shod conditions in running?[J].Gait Posture,2013,38:490-494.

[33]TAM N,WILSON J L A,NOAKES T D,etal.Barefoot running:An evaluation of current hypothesis future research and clinical applications[J].Br J Sports Med,2014,48:349-355.

[34]TELFER S,WOODBURN J.The use of 3D surface scanning for the measurement and assessment of the human foot[J].J Foot Ankle Res,2010,3:19.

[35]THOMPSON M A,GUTMANN A,SEEGMILLER J,etal.The effect of stride length on the dynamics of barefoot and shod running[J].J Biomech,2014,47:2745-2750.

[36]WILLSON J D,BJORHUS J S,WILLIAMS D S,etal.Short-term changes in running mechanics and foot strike pattern after introduction to minimalistic footwear[J].PM R,2014,6:34-43.

A Biomechanical Analysis of Running Based on the Foot Morphological Characteristics

MEI Qi-chang1,GU Yao-dong1,LI Jian-she2

Objective:This study aims to investigate the kinematics and kinetics of habitually unshod runners and habitually shod runners running.The foot morphological characteristics of abducted hallux of habitually shod runners and adducted hallux of habitually unshod runners is linked in the analysis morphology-related functions while running.Methods:A total of 18 habitually unshod runners and 20 habitually shod runners participated in the running test controlling the speed of 3.0±0.2m/s.The Vicon three dimension motion analysis system was taken to capture the kinematics of lower extremity while running test.Kistler was employed to record the ground reaction force of running under shod and unshod conditions.The Novel Pedar-X insole plantar pressure measurement system was utilized to collect the plantar pressure (peak pressure,contact area and pressure-time integral) in specific anatomical areas.The function of abducted and adducted hallux is analyzed through the comparison of plantar pressure parameters and kinematical results.Results:Owing to the different landing patterns of two participant groups,the dorsiflexion and plantarflexion angle of ankle while landing show significant difference.The Vertical Loading Rate of habitually shod runners is obviously higher than that of habitually unshod runners,which is linked with common injuries to the lower extremities.The peak pressure and pressure-time integral of habitually unshod runners’ running are significantly higher than habitually shod runners.As to the hallux part of habitually shod runners,the peak pressure and pressure-time integral are higher owing to the supporting from outsole,thus reducing the loading in the medial forefoot and lateral forefoot.Combining the inversion and eversion of ankle in the coronal plane while pushing off,habitually unshod runners show a bigger eversion angle than habitually shod runners.Conclusion:In the pushing-off phase,the supporting from outsole to the hallux of the habitually shod runners could reduce the loading to the forefoot,thus lowering down the incidence of foot disorders,like plantar fasciitis and metatarsal fatigue fracture,but also improving the running performance through training of pushing-off sling-like action.

Footmorphology;barefootrunning;plantarflexion;dorsiflexion;hallux

1000-677X(2015)06-0034-07

10.16469/j.css.201506005

2014-12-31；

2015-05-20

国家自然科学基金资助项目(81301600)；安踏(中国)有限公司资助项目(HS11085)。

梅齐昌(1990-)，男，湖北黄冈人，在读硕士研究生，主要研究方向为运动生物力学，Tel:(0574)87609396,E-mail:meiqichang@aliyun.com; 顾耀东(1981-)，男，浙江宁波人，副教授，主要研究方向为体育工程，Tel:(0574)87609396,E-mail:guyaodong@hotmail.com; 李建设(1957-)，男，山东邹城人，教授，博士研究生导师，主要研究方向为运动生物力学，Tel:(0574)87609396,E-mail:lijianshe@nbu.edu.cn。

1.宁波大学 体育学院，浙江 宁波 315211；2.浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018 1.Faculty of Sports Science,Ningbo University,Ningbo 315211,China;2.Zhejiang University of Water Resources and Electric Power,Hangzhou 310018,China.

G804.63

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