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定制化鞋垫背后有哪些生物力学技术?

喜欢看NBA的朋友们都知道,在一场比赛结束之后,很多球星都有把球鞋送给观众的习惯,而如果你足够细心的话,你就会发现,这些球星在把球鞋送到观众席之前,还会有一个把鞋垫掏出来的动作。

例如有一次,勒布朗·詹姆斯送鞋后忘记抽出鞋垫,靠现场DJ喊话,把球迷找回来,抽出了鞋垫再将球鞋送出。

詹姆斯把鞋垫抽出来,将鞋子送给小球迷 | bckonline.com

这当然不是因为詹姆斯太小气,而是在NBA明星的装备里,鞋垫是比鞋子更珍贵的东西,除了造价不菲以外,更重要的是球星们的鞋垫是经过科学测试,可以降低运动损伤风险,提高运动表现的“定制化鞋垫”。

定制化鞋垫在运动和医疗领域都有广泛应用

研究发现,符合受试者足底压力特征和足形的鞋垫对其最大恒定速度跑步时的肌肉生理学产生了显著影响,即能够降低腓肠肌内侧头的疲劳程度[1]。

测试者在穿着根据个性化定制的鞋垫在行走、上下楼梯、举重物等日常活动中的足底压力峰值和足底负荷明显小于普通运动鞋垫,说明定制化鞋垫能够重新分布运动过程中的足底压力,避免过高的足底负荷在足底某一个区域的长时间累积。

通俗来说,定制化鞋垫就是根据每个人的足部特征,受力的特点,在不同的位置使用不同的材质和厚度设计而成,为人体提供保护、支撑及改善活动能力的辅助性器具。

定制化鞋垫一方面可以给足部正确的支撑,重新分布足底压力,矫正运动时的生物力线;另一方面,也通过增强“本体感觉”,让人恢复正确的运动姿态。目前被广泛应用于提高运动表现、预防运动损伤及康复等领域。

在国内,定制化鞋垫在一些运动爱好者圈子内流行。尤其是马拉松爱好者,合适的鞋垫和马拉松裤是两大马拉松“法宝”,可以改善姿态,节约体能,提高耐力,降低运动损伤风险。

在医用领域,经过几十年的临床测试,基于生物力学的定制化鞋垫目前主要应用在骨科,针对扁平足、足底筋膜炎、异常步态、下肢不等长以及继发引起的膝关节病、下背痛、青少年特发性脊柱侧弯等多种疾病都有显著的效果。

除此之外,矫形鞋垫(为患者专门定制的定制化鞋垫)还可能应用于预防足底溃疡的发生——糖尿病患者因为足部神经病变,感知能力、血液循环和组织修复能力差,会引起足部溃疡、感染、严重的可能导致截肢。

合理的矫形鞋垫可以改善这一情况,提升糖尿病人的生活质量。但这一应用在国内起步晚、研究少,好在正受到临床医生的逐步重视。

那么一双优质的定制化鞋垫应该满足哪些要求?又有哪些技术在定制化鞋垫的研究中发挥了作用呢?

一般认为,一双优质的定制化鞋垫应满足以下几项基本要求:

  • 防止足在鞋腔内的滑动;
  • 辅助后跟承托,限制后跟着地时冠状面过度位移,提高步态稳定性:
  • 提供一定的吸震缓震性能;
  • 对于些特殊的运动项目以及运动人群的个性化需求,还要根据运动项目特点在此基础上增加其他性能。

让定制化鞋垫达到最佳效果必须“量体裁衣”。

最简单原始的方法是手工测量和手法评估,基于物理治疗师的经验,通过足长、足宽、老茧的位置、足踝关节的角度、步行时的姿态等得到定制一双足垫需要的各项数据。

精确一点的,足部取模,用石膏或特定材质的“砂模”将足部形状拓印出来,再通过“倒模”等一系列过程,得到一个人足部模型的完整数据。

更加精确的便是通过足部3D扫描,得到数字化的足部数据,结合运动姿态、足底受力和足底压力分布的分析,通过大数据的比对和计算机建模等,设计出一双符合生物力学的定制化足垫。

基于激光技术的三维足底扫描|图为ShapeScan100/IBV系统

定制化鞋垫背后的生物力学评估技术

鞋垫对人体最直接的影响首先体现在足部,同时又为足服务,因此,关于鞋垫的研究方法,通常就是关于足部的研究方法,足部的生物力学研究主要涉及足部的形态与结构分析、足部的运动学测量分析、足部的动力学测量分析和足部的生物力学建模分析。

常用的足部生物力学研究方法与手段有限元分析法、三维运动捕捉、测力台、足底压力分布测试、表面肌电技术和同步化研究等。

随着测量仪器和理论方法上的不断进步,对足部及鞋垫相关的生物力学的认识正在不断提高。

基于足部的形态与结构

大量研究表明,足部形态及结构特征与足部功能和运动损伤相关,足形和结构又因不同着鞋习惯和正常与非正常足而产生较大差异。足部的形态与结构测量借助了现代影像技术及电子技术,如三维足部扫描系统、X光、CT和MRI动态扫描系统等都已运用于定制化鞋垫的设计与制作。


基于静态图像PCA技术的三维足部扫描系统DOMESCAN/IBV

基于足部的运动学测量

三维运动捕捉技术的应用为身体运动的测量分析提供了理论与方法基础,继而为定制化鞋垫的设计和评估提供了运动数据支持。

三维运动捕捉系统应用于下肢运动测量

北京体育大学的韩云峰[2]通过三维运动捕捉系统,结合测力台和表面肌电对受试者不同条件下的运动学、动力学及肌肉放电特征进行采集,探讨不同角度楔形平面及鞋垫条件下,人体直立姿势及步态受到的影响。

基于足部的动力学

近年来,随着计算机和图像处理技术的不断发展,其应用领域不断扩大,足底动态压力分布的测量与分析技术已经广泛应用于足部的动力学测量。

动力学从传统足印测量发展到三维测力台(Kistler等)和穿戴式的压力测试鞋垫(XSENSOR等)测量,测试区域也更为细致,实时记录各区域的动态动力学变化。

便携式三维测力台Kistler

其中足底压力分布测试技术可以应用于不同项目运动员足底压力特点和规律的研究,已经为定制化鞋垫的设计与制造提供了科学依据和建议。

鞋垫式足底压力&步态测试系统X4

目前,定制鞋垫在运动损伤康复及高水平运动员中被广泛的运用,随着三维足型扫描技术,3D快速打印技术等的日渐成熟,消费者对鞋垫的个性定制有着强烈需求。

一些大型的鞋具生产厂商也开始设计个性化定制,如比利时的Rsscan、德国的SOLS等公司,已经使用三维足部扫描技术和足底压力测试技术来获取消费者的足部数据,调配鞋垫材料的不同结构以实现不同部位的软硬程度,再通过3D打印机等技术完成个性化运动鞋垫的制作。

从对人体生物力学的分析,可以通过楔形垫、足弓支撑垫等手段有效改善下肢的力线,帮助使用者建立正确合理的下肢发力方式和运动模式,从而恢复正确的运动姿势。

随着运动装备专业领域细分,以及研发投入的增加,关于运动定制的方案会越来越丰富,快捷的个性化定制方案必将成为一个热门项目,而这定制化方案的创造与运动生物力学的发展密不可分。

如需获取相关解决方案,欢迎致电4006-111-556详询!

[1]Kelly LA,Girard O.Racinais S.Effect of orthoses on changes in neuromuscular control and aerobic costof a 1-h run,Med Sci Sports Exerc,2011,43(12):2335-2343.
[2]韩云峰. 楔形平面及鞋垫对直立及步态中下肢生物力学的影响[D].北京体育大学,2016.

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