鞋底对老年人负重行走稳定性的影响_方晨玮.pdf
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1、皮革科学与工程第 33 卷doi:10.19677/j.issn.1004-7964.2023.04.014鞋底对老年人负重行走稳定性的影响方晨玮,谢红*(上海工程技术大学纺织服装学院,上海 201620)摘要:研究不同硬度和厚度的乙烯-酯酸乙烯共聚物(EVA)鞋底对 60 周岁以上老年人正常行走以及负重情况下步态稳定性的影响。实验用鞋为定制,尺寸为中国码 38 码,鞋帮面材料为飞织面料,鞋底材料为 EVA,鞋底硬度分为48、53 和 58 邵尔 A 三档,厚度分为 2 cm 和 3 cm 二档,共六双,所有鞋子除鞋底的硬度和厚度不同其余均相同。负重等级分为无负重和体重的 15%。使用步态分析
2、仪和三维测力台测定与稳定性相关的步态时空参数和动力学参数。结果表明,在无负重和 15%体重负重情况下,均是硬度中等或比较硬(53 邵尔 A)且厚度较薄(2 cm)的鞋底的鞋子有利于保持老年人行走时的步态稳定性,而较软且较厚的鞋底不利于稳定性;15%体重的负重会降低行走稳定性,并且负重时不同硬度和厚度级别的鞋底之间的稳定性差距变大,老年人在负重状态下着鞋行走更应注重鞋底的选择,尽量选择鞋底硬度中等或较硬、厚度较薄的鞋子,以提升行走稳定性,降低跌倒风险。关键词:EVA 鞋底;硬度;厚度;负重;稳定性中图分类号:TS 943.1文献标志码:AInfluence of Shoe Sole on the
3、 Stability of the Elderly Walkingwith LoadFANG Chenwei,XIE Hong*(CollegeofTextileandGarment,ShanghaiUniversityofEngineeringandTechnology,Shanghai201620,China)Abstract:This paper studies the effect of different hardness and thickness of ethylene vingl acetate copolymer(EVA)soleson gait stability of t
4、he elderly over 60 years old when walking normally and carrying weight.The experimental shoes arecustomized in Chinese size 38.The hardness is divided into three grades including 48 Shore A,53 Shore A and 58 shorea,and the thickness is divided into two grades including 2 cm and 3 cm.There are six pa
5、irs in total and all shoes are thesame except for the hardness and thickness of the sole.The weight-bearing grade is divided into no-load and 15%ofbody weight.Gait spatio-temporal parameters and dynamic parameters related to stability were measured using a gaitanalyzer and a three-dimensional dynamo
6、meter.The results show that shoes with medium or relatively hard(53 Shore A)and thin(2 cm)soles are beneficial for maintaining the gait stability of the elderly when walking with or without load,while soft and thick soles are not conducive to stability.Weight bearing reduces walking stability,and th
7、e stability gapbetween soles of different hardness and thickness levels becomes larger when carrying weight.The elderly should paymore attention to the choice of soles when walking with shoes with loads,and try to choose shoes with medium or hardsoles and thin soles for improved walking stability an
8、d reduced risk of falls.Key words:EVA sole;hardness;thickness;weight bearing;stability收稿日期:2022-09-18基金项目:国家重点专项“运动健康随身连续监控技术及织造型产品研发”(2018YFC2000901)第一作者简介:方晨玮(1998-),女,硕士研究生,主要研究方向为功能性服装。E-mail:。*通信作者:谢红(1970-),女,硕导,博士,研究方向:功能性服装。E-mail:X。第 33 卷第 4 期2023 年 8 月皮革科学与工程LEATHER SCIENCE AND ENGINEERING
9、33(4):72-78Aug.2023第 4 期方晨玮,等:鞋底对老年人负重行走稳定性的影响前言行走不稳导致跌倒是老年群体中常见的重大问题。鞋履作为人行走时足与地面间的重要介质,对行走的稳定与否影响很大1。多项研究表明,鞋是影响老年人行走稳定性的重要外部因素2-4,通过影响人体下肢肌肉、骨骼及关节的功能及表现,进而影响人体的动态平衡性。相比普通成年人,老年人由于年龄增大,骨骼肌肉系统功能退化,行走时控制身体稳定性的能力减弱,鞋作为影响平衡的重要外因对其步态稳定性的影响则更为明显。老年人穿鞋行走时主要通过鞋底与地面发生接触,因此鞋底特性对行走时步态特征及稳定性有直接影响。鞋底影响稳定性的因素一般
10、为硬度和厚度。早期 Robbins 等人5通过测算老年人走平衡木的掉落频率研究穿着不同硬度和厚度鞋底的鞋子时步态稳定性的差异,得出软和厚的鞋底不利于老年人保持平衡,薄硬底的鞋子能提升步行稳定性。Menant 等人6探究鞋底硬度对老年人步行时空参数的影响,结合步态分析,发现老年人在穿着硬底鞋行走时的双支撑时长比穿标准鞋时大,表明硬底鞋对维持步态稳定更有利。冉美玲7研究不同中底硬度高跟鞋对女性行走时足底压力中心轨迹的影响,发现硬度过低的鞋底会导致人体不稳定。贾谊等人8研究不同厚度鞋底人体下肢生物力学影响,发现鞋底厚度增加会使行走过程中足蹬离地面时的踝关节角度增大,降低了足部趾屈动作的效率,从而导致
11、足部稳定性下降。雷烨1研究归纳鞋履因素对人体身体稳定性的影响,得出鞋底的硬度和厚度会影响稳定性,且两因素可以结合起来分析。另外,老年人在日常生活中不可避免地遇到手提重物行走的情况。负重是行走中常见的干扰因素,对人体的平衡稳定性有显著影响,其中负重的质量带来的影响非常明显。Katrina M 等人9通过研究 15名女性负重 0%、10%、20%、30%和 40%体重时的运动学和动力学参数,发现随负重质量的增加,人体横向稳定性降低。赵功赫等人10研究负重物重量分别为 0、20 和 40 kg 下人行走的步态特征,发现人体会通过调整步态方式、降低身体重心摆动度、增大下肢关节活动度及力矩来抵消负重质量
12、增加带来的不稳定性。蒋立铮等人11研究归纳了不同负重质量和负重方式对健康人步态的影响,发现负重质量的增长会使人行走步速降低、双支撑相变长、下肢关节屈曲度增大,这些现象表明人体稳定性下降。当前研究领域中,不少学者对单独的鞋底因素和负重因素对步态及其稳定性的影响都有过探究,但对负重下鞋底对步态稳定性的影响的研究尚为缺乏。两种因素对行走稳定性的影响或许存在某种关联。本文将鞋底和负重两种影响因素结合起来,通过测定分析与稳定性相关的生物力学参数,包括步态时空参数、动力学参数,研究无负重和 15%体重负重时老年人穿着不同硬度及厚度鞋底的鞋行走的稳定性,从而为老年人日常负重行走的鞋底选择及老年人鞋类的鞋底设
13、计提供理论支持及有效建议。1 实验部分1.1 受试对象实验对象为 10 名 60 周岁以上女性,且满足以下条件:BMI 指数正常(18.522.9),平衡能力正常,能够正常行走,下肢无疾病,脚码为 38 码。受试者基本信息如表 1。1.2 实验设备1.2.1 实验用鞋本实验使用的 6 双鞋为定制,尺码为中国鞋码 38 码,鞋底材质为发泡乙烯-酯酸乙烯共聚物(EVA),所有鞋除鞋底硬度和厚度不同外,其余部位均相同,避免因鞋子本身造成实验结果的误差。6双实验鞋的鞋底硬度和厚度信息如表 2。6 双实验鞋示意图如图 1 所示。实验结果表中编号 16 代表6 双实验鞋。1.2.2 实验仪器本实验采用 M
14、iniSun 公司的 IDEEA 3 便携式步态分析仪和 TrueImpulse 三维测力台分别采集步表 1 实验对象基本信息表Tab.1 Basic information of experimental objects性别 年龄/岁 身高/cm 体重/kg BMI 女 67.62.4 157.72.7 54.63.6 21.42.1 编号 鞋号 鞋底硬度/邵尔 A 鞋底厚度/cm 1 48 2 2 53 2 3 58 2 4 48 3 5 53 3 6 58 3 表 2 实验用鞋信息表Tab.2 Information of experimental shoes73皮革科学与工程第 33
15、卷行时与稳定性有关的步态时空参数和动力学参数。便携式步态分析仪传感器的佩戴位置为胸骨角下方、双侧大腿前侧中央、双侧踝关节侧方以及双侧足底第 4、5 跖骨之间。通过粘贴在双大腿、双足和胸骨上的三维加速度传感器采集步态数据,并即时无线传输至腰部的主机,佩戴方便,对行走无任何干扰12。同时利用三维测力台测量受试者行走时的地面反作用力,采样频率为 1000 Hz。1.3 实验方法受试者在了解实验流程并进行试走之后,进入正式实验。测试过程中受试者下身着实验专用紧身短裤,佩戴步态分析仪,穿着实验鞋,分别以空手和双手提等质量重物的方式在测力台上以自然步态和步速行走,同步记录各项数据。测试时达到以下标准视为有
16、效测试:(1)行走方式为足跟着地足尖离地;(2)着地时整只脚踩在测力台上,不能踩在两块测力台接缝处;(3)数据采集时步态分析仪的传感器不能移位。采集每位受试者穿每双鞋在 0 负重和 15%体重负重下的数据,每一项实验间隔 2min 以使受试者恢复体力,每一项实验需获得 4 次有效数据,每次有效数据的采集工作完成后,实验仪器的操作人员对该次实验数据进行命名和保存。行走时的足底压力中心(COP)位移量能够反映行走的步态稳定性13-14。本研究选用一个步态周期内 COP 在前后方向和内外方向的最大位移量作为一项反映稳定性的指标,定义:COPX=(LCOPX+RCOPX)/2(1)COPY=(LCOP
17、Y+RCOPY)/2(2)其中,COPX为内外方向压力中心位移量,COPY为前后方向压力中心位移量,LCOPX为一个步态周期中左脚 COP 在内外方向上的最大位移量,RCOPX为右脚 COP 在内外方向上的最大位移量,LCOPY为一个步态周期中左脚 COP 在前后方向上的最大位移量,RCOPy为右脚 COP 在前后方向上的最大位移量。COPX和 COPY越小,表明行走时足底压力中心的移动少,稳定性控制得好。行走时地面反作用力在内外侧和前后侧的分力大小 FX 和 FY 可以反映行走稳定性15-16。FX 和 FY 的数值越小,表明行走时左右侧和前后侧的摇晃程度小,稳定性越好。1.4 数据处理将步
18、态分析仪输出的时空参数和测力台获得的动力学参数原始数据在 Microsoft Excel 中进行整理,去除异常值,将测力台得到的 FX 和 FY 数据对受试者体重进行标准化,再导入 SPSS 26 统计分析软件,选用双因素方差分析方法,分析在不同负重下,鞋底硬度与厚度两个因素对稳定性指标的影响,并分析两因素之间的交互作用,若交互作用显著,采用简单效应分析法进行后续分析;若交互作用不显著,采用 LSD 多重比较法对各水平间的差异进行两两比较分析。各指标数据均采用左右足平均值,以减小实验误差。P0.05 时判定因素作用显著。数据均以平均数标准差表示。2 结果与讨论2.1 步态时空参数表 3 为受试
19、老年人穿着不同鞋底的鞋子在无负重情况下行走的步态时空参数。图 2 中为无负重老年人穿 6 双鞋子行走时的步态周期(图中横轴“软、中、硬”分别代表鞋底硬度 48、53 和 58 邵尔 A 的鞋,2、3 分别表示鞋底厚 2 cm 和 3 cm)。从表 3 和图 2 中图 1 实验用鞋示意图Fig.1 Schematic Diagram of Experimental Shoes表 3 无负重时老年人着鞋行走的时空参数Tab.3 Time and space parameters of the elderly walking with shoes without load1)表示具有统计学意义(p0
20、.05)步态时空参数 鞋号 硬度 厚度 硬度厚度 1 2 3 4 5 6 p p p 步态周期/s 1.540.18 1.490.17 1.510.12 1.710.15 1.720.16 1.700.08 0.964 0.015?0.951 双支撑相占/%18.000.58 18.470.37 18.620.91 18.131.27 18.040.89 17.810.76 0.918 0.373 0.637 摆动相占比/%32.910.89 32.260.11 32.390.62 33.331.62 32.841.01 33.361.31 0.645 0.207 0.896 步长/身高 0.
21、2980.023 0.2820.007 0.2720.016 0.2960.025 0.2980.026 0.2910.022 0.583 0.348 0.664 74第 4 期可以看出,鞋底厚度对步态周期的影响显著,鞋底硬度与厚度对与其余稳定性相关的时空参数指标的影响均不显著。穿鞋底厚度 2 cm 的鞋时的步态周期较穿着 3 cm 时要小。穿着较硬鞋底时的步态周期离散程度小于较软鞋底,表明前者有利于控制稳定性。58邵尔 A 的硬底鞋步态周期的离散程度较低,表明此时行走稳定性较好。穿着厚度 2 cm 硬度 53 邵尔 A鞋底的鞋子的双支撑期占步态周期的比例较大且摆动期占比较小,表明中等硬度且较
22、薄的鞋底稳定性相对较好;相对的,较软且较厚的鞋底的双支撑相占比小且摆动相占比大,不利于步态稳定性。表 4 为受试老年人在 15%的体重负重状态下穿着不同鞋底的鞋子行走的步态时空参数。图 3 中A-C 分别为 15%体重负重下老年人穿 6 双鞋子行走时的步态周期、双支撑相占比和摆动相占比(图中横轴“软、中、硬”分别代表鞋底硬度 48、53 和 58 邵尔 A的鞋)。可以看出,硬度与厚度对以上指标的影响无交互作用,厚度对步态周期、双支撑相占比和摆动相占比影响显著(P=0.047)。穿鞋底厚度 2cm 的鞋时的步态周期较穿着 3cm 时要小。穿着较硬鞋底时的步态周期离散程度小于较软鞋底,表明前者有利
23、于控制稳定性。双支撑相占比在穿着 2 cm 鞋底鞋时高于穿着3 cm 鞋底鞋,硬度对其影响不显著,但穿 53 邵尔 A中等硬度鞋底鞋的双支撑相占比高于穿着其余两种硬度鞋底的鞋,48 邵尔 A 硬度鞋底的双支撑相占比较低。穿较薄鞋底鞋时的摆动相占比显著低于穿着较厚鞋底鞋,摆动相占比在不同硬度间的差异不显著,但该指标中等硬底鞋较另外两种硬度小。两因素对步长与身高之比无显著影响,但穿中等硬底鞋时的步长较另两种硬度稍大。以上说明 15%体重的负重时,2cm 厚度、53 邵尔 A 中等硬度鞋底的鞋比较有利于老年人维持行走的步态稳定性。2.2 足底压力中心(COP)位移表 5 为受试老年人穿着不同鞋底的鞋
24、子在无负重情况下行走时一个步态周期内足底压力中心COP 在行走方向的内外侧和前后侧的位移量。图 4中 A 和 B 分别为无负重时老年人行走的 COP 位移量 COPX和 COPY(图中横轴“软、中、硬”分别代表鞋底硬度 48、53 和 58 邵尔 A 的鞋)。可以发现,鞋底的表 4 15%体重负重时老年人着鞋行走时空参数Tab.4 Time and space parameters of the elderly walking with shoes when carrying 15%weight图 2 无负重时老年人着鞋行走的步态时空参数Fig.2 Gait spatio-temporal p
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