鞋中底屈曲剛度對跳躍動作下肢和跖趾關節(jié)生物力學及關節(jié)能量特征的影響

李路 傅維杰 王熙 劉宇

上海體育學院運動健身科技省部共建教育部重點實驗室（上海 200438）

鞋中底屈曲剛度對跳躍動作下肢和跖趾關節(jié)生物力學及關節(jié)能量特征的影響

李路 傅維杰 王熙 劉宇

上海體育學院運動健身科技省部共建教育部重點實驗室（上海 200438）

目的：探討雙腿垂直跳和單腿起跳過程中，不同鞋中底屈曲剛度對運動表現(xiàn)，下肢髖、膝、踝、跖趾關節(jié)的運動學和動力學以及關節(jié)能量特征的影響，并藉此為更深入探索跖趾關節(jié)的運動功能和鞋具研究提供新的思路。方法：30名男性籃球運動員分別穿著鞋中底屈曲剛度大的硬底鞋和對照鞋，完成垂直跳和單腿跳兩種跳躍動作，采集起跳過程中的三維運動學及地面反作用力信號，分析不同的鞋中底屈曲剛度對跖趾關節(jié)以及下肢髖、膝、踝關節(jié)的運動學、動力學和關節(jié)能量參數(shù)的影響。結果：兩款鞋在跳躍高度方面的影響無顯著性差異；穿著硬底鞋會顯著減小垂直跳時跖趾關節(jié)的最?。ㄗ畲笄┙撬俣龋≒＜0.05）、增加踝關節(jié)活動度（P＜0.05），同時顯著增加單腿起跳蹬地時踝關節(jié)處的最大功率（P＜0.05），影響該處關節(jié)能量的吸收和產(chǎn)生。結論：本研究所采用的硬底鞋未對即刻的跳躍高度產(chǎn)生顯著影響，但能夠在改變跖趾關節(jié)部分運動學的同時增加相鄰踝關節(jié)的蹬地效果，為進一步提高運動表現(xiàn)提供了可能。

鞋中底屈曲剛度；跖趾關節(jié)；生物力學；關節(jié)能量；跳躍

針對下肢的生物力學特征，以往的研究通常聚焦于髖、膝和踝三大關節(jié)[1]。實際上，對于跑、跳等需要急速蹬離地面的足屈曲運動，動作最后發(fā)生的關節(jié)必定是在跖趾關節(jié)[2]。第一至第五跖趾關節(jié)共同構成了跖趾關節(jié)（metatarsophalangeal joint，簡稱MPJ），雖然它們分別由五個跖骨頭與其近節(jié)趾骨底構成，但在運動過程中經(jīng)常同時屈伸，故通常作為統(tǒng)一的關節(jié)[3]。研究表明[4，5]，跖趾關節(jié)在足部運動中同樣發(fā)揮重要作用，其屈伸特征的改變能夠對人體跑、跳動作，特別是支撐后期的蹬離效果產(chǎn)生重要影響。Krell等人通過采集分析76名2000年奧運會百米男女運動員的運動學數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，跖趾關節(jié)伸展最大速度、觸地角度與成績呈顯著相關[6]。Stefanyshyn等人通過讓運動員穿著擁有不同剛度的運動鞋來改變跖趾關節(jié)的屈伸，并發(fā)現(xiàn)此種改變顯著提高運動員40m沖刺跑的成績[7]。

另一方面，當把人體作為一個力學系統(tǒng)考慮，下肢關節(jié)做功的大小以及機械能運用的合理與否同樣能夠對運動表現(xiàn)產(chǎn)生重要影響，而跖趾關節(jié)作為下肢末端關節(jié)，在蹬離地面的過程中基本保持背屈狀態(tài)，這使跖趾關節(jié)在此過程中主要以吸收機械能為主，而產(chǎn)生的能量則幾乎為零[8]。Stefanyshy與Nigg等人證明跖趾關節(jié)在快速跑的著地階段，其所吸收的能量占下肢四關節(jié)總能量的32%[9]。在單腿跳動作中同樣發(fā)現(xiàn)跖趾關節(jié)在蹬離地面過程中吸收了約24J的能量，而理論上這部分能量足以使跳躍成績提高3.5cm[10]。由此可見，如何通過改變跖趾關節(jié)的運動學表現(xiàn)，從而間接有效地減少或利用跖趾關節(jié)所吸收的這部分能量，影響下肢的力學特性，并最終表現(xiàn)在運動能力的提高上？這一系列問題已經(jīng)成為當今運動訓練和鞋具生物力學研究的新熱點[5，11，12]。

基于此，本研究探討雙腿垂直跳和單腿起跳過程中，不同鞋中底屈曲剛度的運動鞋對運動表現(xiàn)，下肢髖、膝、踝、跖趾關節(jié)的運動學、動力學以及關節(jié)能量特征的影響，為更深入探索跖趾關節(jié)的運動功能和鞋具研究提供新的思路。

1 方法

1.1 研究對象

受試者為30名上海體育學院體育教育專業(yè)男性籃球運動員，年齡21.2±1.3歲，身高183.3±5.0 cm，體重74.0±6.7 kg，運動年限4.8±1.4年，能熟練掌握跳躍動作。所有受試于實驗前均接受問卷調查，確認24小時之內未從事劇烈運動，確定其下肢和足部最近6個月內無明顯損傷，身體機能和運動能力良好。每位受試者隨機穿著不用的測試用鞋（硬鞋和對照鞋）完成兩種不同的跳躍（垂直跳和單腿起跳）測試，硬鞋組（stiff shoes，SS組）30例，對照鞋組（control shoes，CS組）30例。

1.2 實驗儀器

1.2.1 三維運動捕捉系統(tǒng)

英國制造的Vicon動作捕捉系統(tǒng)及其配套軟件操作系統(tǒng)1套。Vicon硬件包括16個T40紅外高速攝像頭以及Nexus 1.52分析軟件，本研究的采樣頻率為240Hz。

1.2.2 三維測力臺

瑞士Kistler公司生產(chǎn)的三維測力臺2塊（長×寬×高：90 cm×60 cm×10 cm），型號9287B，外置信號放大器，最大側向力和垂直力分別可達10 kN和20 kN。本研究的采樣頻率為1200 Hz。測力臺和Vicon通過模數(shù)轉換（A/D Converter）終端盒進行系統(tǒng)的同步。

1.2.3 Visual3D分析軟件

美國C-Motion公司開發(fā)的Visual3DTM三維步態(tài)/體態(tài)分析軟件（V3D），版本號4.00.20。針對所同步獲取的Vicon運動學及Kistler測力臺三維力數(shù)據(jù)，進行運動學、測力臺數(shù)據(jù)的處理和逆向動力學的計算分析等。

1.3 測試方法

1.3.1 實驗用鞋

具有不同鞋中底剛度的籃球鞋見圖1。由某國際知名品牌提供具有不同鞋中底剛度的籃球鞋作為測試用鞋，其中硬鞋（stiff shoes，SS）鞋中底加入了一組與鞋中底形狀完全相同、厚約3 mm的20%碳增強PEEK板（Polyetheretherketone，聚醚醚酮板），其剛度為91 HV（維氏剛度，Vickers-hardness）。對照鞋（control shoes，CS）除了鞋中底無PEEK板外，其他方面如外形、材料、重量等均無差異。

圖1 測試用鞋（左）；硬鞋組在鞋中底加入了一組厚約3 mm的20%碳增強PEEK板（右，剛度：91 HV）

1.3.2 測試方法及目標動作

每位受試者隨機穿著不用的測試用鞋（硬鞋和對照鞋）完成兩種不同的跳躍（垂直跳和單腿起跳）測試，順序隨機[11]。實驗環(huán)境如圖2所示。在正式測試前要求受試者在跑臺上自由熱身5~8分鐘，并充分熟悉跳躍動作。在每次動作完成后安排適當?shù)男菹ⅲM量避免諸如運動準備情況、體力狀態(tài)和動作熟悉程度等因素對結果的影響[12]。其中，兩種起跳受試者均需要完成3次

有效動作。具體如下：

（1）垂直跳（counter-movement jump，CMJ）：受試者雙腳開立分別置于兩塊測力臺，等身體靜止穩(wěn)定后，迅速下蹲后盡力向上起跳并單手摸高，要求整個動作連貫（圖2左）。

（2）單腿起跳（lay-up，LU）：在同步信號開始后，要求受試者從固定位置助跑一步，慣用腿著測力板后迅速盡力向上垂直跳起，并單手摸高，同時保證其動作連貫流暢且盡可能保持比賽中風格。

圖2 垂直跳摸高（左）；測試儀器架設和受試者側、背面圖

1.3.3 各環(huán)節(jié)坐標系及數(shù)據(jù)處理

受試者慣用腿及骨盆粘著24個反光球的位置及環(huán)節(jié)坐標系定義如下。左右髂前上棘、左右髂嵴、左右髂后上嵴、左右大轉子反光球定義骨盆坐標系；大腿跟蹤點、內外上髁及左右大轉子反光球定義大腿坐標系；小腿跟蹤點、內外踝反光球定義小腿坐標系；第一足趾、第一跖趾關節(jié)、第五跖趾關節(jié)、內外踝、足跟反光球定義足坐標系；第一足趾、第一跖趾關節(jié)、第五跖趾關節(jié)反光球定義前足坐標系；內外踝、足跟反光球定義后足坐標系（圖3）。其中，髖、膝、踝三關節(jié)角度定義為遠端環(huán)節(jié)延長線與近端環(huán)節(jié)的夾角，跖趾關節(jié)的定義參考Stefanyshyn等人的跖趾關節(jié)定義方法[13]：前足坐標系與后足坐標系所組成的夾角，而跖趾關節(jié)的轉動軸和轉動中心則為第一跖趾關節(jié)反光球到第五跖趾關節(jié)反光球的連線以及連線中點。運動學數(shù)據(jù)均通過Butterworth二階雙向低通濾波處理，截止頻率為8 Hz[14]。

1.4 主要參數(shù)

由于本研究目標動作為垂直方向的跳躍，故主要考慮人體矢狀面的生物力學參數(shù)，即髖關節(jié)和膝關節(jié)的屈伸、踝關節(jié)的跖屈和背屈，以及跖趾關節(jié)的屈伸。

1.4.1 運動學

圖3 用于骨盆、大/小腿、前/后足環(huán)節(jié)建模的反光球位置及關節(jié)角度示意圖

（1）跳躍高度：定義為左右髂前上棘反光球連線的中點與左右髂后上嵴反光球連線的中點之間連線的中點在垂直方向動作過程中最大位移差。

（2）觸地過程中，下肢髖、膝、踝、跖趾四關節(jié)的最大和最小角度（θmax和θmin）、最大和最小角速度（ωmax和ωmin）以及各關節(jié)的活動度：θROM=θmax-θmin。

1.4.2 動力學

下肢髖、膝、踝、跖趾四關節(jié)的最大和最小力矩（Mmax和Mmin）；

（2）下肢髖、膝、踝、跖趾四關節(jié)的最大和最小功率（Pmax和Pmin），計算方法為瞬時的關節(jié)力矩與角速度的乘積[15]：Pj（t）=Mj·ωj（t），其中Pj為關節(jié)力矩，ωj為關節(jié)角速度。

1.4.3 關節(jié)能量

在天津市人民醫(yī)院收集合并組和單純CRC組患者術前空腹血液標本和健康查體者血液標本各3 mL，3 500 r/min離心10 min(r=15 cm)，室溫，取上層血清，-80 ℃低溫冰箱保存待查。

從力學系統(tǒng)運動的角度，關節(jié)能量（joint energy）指的是關節(jié)在一定時間內做功的大小，即關節(jié)功率對時間的積分[16]。計算方法如下：

其中，下肢四關節(jié)在離心期（觸地到緩沖完成）所做的負功定義為吸收的能量（energy absorption，EA），和在向心期（緩沖完成到離地）內所做的正功定義為產(chǎn)生的能量（energy generation，EG），NEC為整個階段的凈能量（net energy consumption，NEC）。

1.5 統(tǒng)計學分析

數(shù)據(jù)呈現(xiàn)均以平均數(shù)±標準差表示，并用SPSS 17. 0軟件進行統(tǒng)計分析，采用獨立樣本t檢驗觀察測試用鞋對跳躍高度、運動學、動力學、關節(jié)能量等特征的影響，顯著性水平α設為0.05。

2 結果

2.1 運動表現(xiàn)

在跳躍高度方面，無論是垂直跳（SS組：64.5±5.4

cm；CS組：63.8±5.7 cm），還是單腿跳（SS組：66.3± 6.9 cm；CS組：66.0±7.0 cm），SS組與CS組相比并沒有顯著性差異。

如表1所示，在CMJ跳躍動作中，跖趾關節(jié)最小角速度的絕對值在穿著兩種鞋時有顯著性差異（P＜0. 05），對照鞋組明顯大于硬鞋組；而在穿著具有不同剛度鞋中底的運動鞋進行LU跳躍動作中，跖趾關節(jié)運動學數(shù)據(jù)，包括最大屈伸角度、角速度和關節(jié)活動度均無顯著性差異。但是其中跖趾關節(jié)最大屈曲速度對照鞋組相對于硬鞋組有變大的趨勢（P=0.053）。通過對時序上跖趾關節(jié)角速度變化的標準化，可以看出跖趾關節(jié)在離地前的角速度最大，其中穿著對照鞋組的速度變化明顯要大于穿著硬鞋組。

表1 不同跳躍方式起跳時鞋中底屈曲剛度對跖趾關節(jié)運動學特征的影響（n=30）

圖4 穿著不同鞋中底屈曲剛度運動鞋起跳時跖趾關節(jié)角度、關節(jié)角速度變化

由表2得出：在穿著不同剛度運動鞋進行CMJ跳躍動作中，下肢三關節(jié)的運動學數(shù)據(jù)，包括最大屈伸角度、角速度和關節(jié)活動度均無顯著性差異。在LU跳躍動作中，踝關節(jié)的關節(jié)活動度在穿著對照鞋組與硬鞋組時有顯著性差異（P＜0.05）。穿著硬鞋時，踝關節(jié)活動度顯著大于穿著對照鞋。

2.3 關節(jié)動力學和關節(jié)能量特征

跖趾關節(jié)的動力學參數(shù)兩款鞋并無顯著性差異（表3、圖5）。但在踝關節(jié)處，不同鞋的動力學參數(shù)存在顯著變化（表4、圖6），具體表現(xiàn)為：相對于對照鞋組，硬鞋組在做LU動作時，踝關節(jié)處的最大功率、蹬地時能量的產(chǎn)生和吸收都有顯著增加（P＜0.05）。

表2 不同跳躍方式起跳時鞋中底屈曲剛度對踝、膝、髖運動學特征的影響（n=30）

表3 不同跳躍方式起跳時鞋中底屈曲剛度對跖趾關節(jié)動力學和能量特征的影響（n=30）

圖5 穿著不同鞋中底屈曲剛度運動鞋起跳時跖趾關節(jié)關節(jié)力矩、關節(jié)功率變化

表4 不同跳躍方式起跳時鞋中底屈曲剛度對踝、膝和髖動力學和能量特征的影響（n=30）

圖6 穿著不同鞋中底屈曲剛度運動鞋在單腿起跳時踝關節(jié)功率變化

3 討論

3.1 鞋中底剛度對跖趾關節(jié)生物力學特征的影響

跖趾關節(jié)這一被完全包裹在運動鞋里面的關節(jié)在諸如跑、跳等主要利用下肢并在動作末階段有急速蹬離地面動作的運動中，其在蹬離地面之前始終在保持伸展，在整個動作過程中幾乎都在吸收機械能，而且基本上不產(chǎn)生能量回傳[13，17]。本實驗旨在通過改變鞋中底的剛度來對跖趾關節(jié)的屈伸情況產(chǎn)生影響，進而影響最終的運動表現(xiàn)。

本研究發(fā)現(xiàn)跖趾關節(jié)最大屈曲角速度在做CMJ跳躍動作中，穿著硬底鞋時顯著減小，這可能是由于更硬的鞋中底材料使得鞋中底剛度增加，使鞋底變形變得更加困難，由此導致了最大角速度的減小，同時這也說明鞋中底剛度的增加確實會影響跖趾關節(jié)的運動學特征。從圖4中可以很明顯地看到，穿著硬鞋組進行CMJ跳躍動作時角速度的變化曲線要明顯比穿著對照鞋組鞋的曲線要平緩。這與Stefanyshy等人的結果相似，他們發(fā)現(xiàn)受試者穿著更硬的運動鞋做跳躍動作時跖趾關節(jié)關節(jié)角度曲線更加平緩[16]，其原因是較硬的鞋中底會大大限制跖趾關節(jié)的活動，減少跖趾關節(jié)屈曲角度，使關節(jié)角度曲線更加平緩。

從能量學角度看，運動員在進行諸如短跑、跳躍等需要爆發(fā)力的運動時，是通過吸收和產(chǎn)生機械能完成

對身體的向前、向上的位移[18]。而本研究發(fā)現(xiàn)跖趾關節(jié)在進行兩種跳躍動作時均在吸收機械能，這支持以往的研究結果[10]。有研究表明，在單腿跳的過程中跖趾關節(jié)平均吸收了24J的能量，而這部分能量在不考慮空氣阻力等外界干擾的情況下，應該能夠提高3.5cm的跳躍高度[10]。但是本實驗的結果卻發(fā)現(xiàn)在穿著具有更大鞋中底剛度的運動鞋后，跖趾關節(jié)處的能量學參數(shù)與運動表現(xiàn)并沒有顯著性的變化。此結果與Nigg等人的一項研究并不相符，他們發(fā)現(xiàn)穿著具有更大剛度的運動鞋能夠減少跖趾關節(jié)處36.7%的機械能損失，并提高運動表現(xiàn)[16]。這種情況的出現(xiàn)可能與運動員是在實驗當天剛接觸到這種特制的運動鞋有關，有研究表明不同運動員由于感受到的運動鞋舒適性、其本身的小腿三頭肌肌力具有個人特征，其跖趾關節(jié)屈曲程度的適應以及效果也有所差異[7]。另一種可能則是由于定義跖趾關節(jié)轉動軸的不同。本次研究定義的是第一跖趾關節(jié)反光球與第五跖趾關節(jié)反光球連線的單軸，但是Smith等的研究發(fā)現(xiàn)相對于這種方法，利用第一至第二跖趾關節(jié)中心的連線與第二至第五跖趾關節(jié)中心的連線所組成雙軸線建立跖趾關節(jié)的關節(jié)轉動軸，能夠更加準確地獲取跖趾關節(jié)的運動特征[19]。此外，硬鞋的鞋中底剛度不夠也可能是導致生物力學參數(shù)并沒有顯著性變化的原因。Stefanyshy等人的研究中，使用了兩組具有不同鞋中底剛度的運動鞋與普通運動鞋進行對比，發(fā)現(xiàn)最硬組相較于較硬組對測試結果的影響更大[16]。

3.2 鞋中底剛度對下肢其他關節(jié)生物力學特征的影響

本研究并沒有發(fā)現(xiàn)穿著具有不同鞋中底剛度的運動鞋會對下肢髖、膝、踝三關節(jié)的運動學特征產(chǎn)生影響。但在其他方面，實驗結果表明踝關節(jié)處硬鞋組的最大正功要顯著大于對照鞋組，同時硬鞋組最大吸收能量、最大產(chǎn)生能量的絕對值也均大于對照鞋組。這部分與Nigg團隊所做的實驗得出的結果十分接近[6，10，20]，從均值上看，相比于控制組，穿著兩種具有更大剛度的運動鞋都會增加踝關節(jié)處的正功[16]。踝關節(jié)處的生物力學特征會由跖趾關節(jié)處屈曲特性的改變而引起一定的改變[21-24]。有研究發(fā)現(xiàn)跖趾關節(jié)處的屈曲被人為限制后，受試者在步態(tài)上有明顯的改變，其下肢各個關節(jié)甚至軀干都對此產(chǎn)生代償，其中踝關節(jié)和膝關節(jié)在補償運動中做出了主要貢獻，其平均步速減少至正常情況下的94.8%，步長也縮短至正常步長的95.5%[25]。這對解釋本實驗的結果有一定幫助。從圖6中我們可以看出，硬鞋組的踝關節(jié)功率在整個動作的過程中其絕對值總是大于對照鞋組。而在踝關節(jié)做正功時，即運動員用力蹬離地面時硬鞋組踝關節(jié)所做的最大正功顯著性地大于對照鞋組。出現(xiàn)這種情況可能是由于在跖趾關節(jié)的屈伸受到一定限制的情況下，踝關節(jié)為了彌補跖趾關節(jié)運動受阻而產(chǎn)生的一種代償。在踝關節(jié)做負功時，硬鞋組所作的負功也要小于對照鞋組。這種情況也使受試者做LU動作中踝關節(jié)吸收與產(chǎn)生的能量也都是硬鞋組顯著大于對照鞋組，進而在關節(jié)凈能量上，硬鞋組雖然均值大于對照鞋組，但是沒有統(tǒng)計學上的顯著差異。

此外，本研究發(fā)現(xiàn)跖趾關節(jié)和踝關節(jié)兩個組別的生物力學指標差異均沒有體現(xiàn)在運動表現(xiàn)上。在大部分跑、跳類動作中，運動表現(xiàn)主要取決于下肢髖、膝、踝等關節(jié)總的輸出功率和做功大小，而非單一踝關節(jié)的貢獻[16]。這也就不難理解為什么本研究中踝關節(jié)蹬伸功率的增加卻沒有最終導致跳躍高度的顯著提升。同時，已有針對跖趾關節(jié)的研究發(fā)現(xiàn)，如果能夠增加跖趾關節(jié)處跖屈肌肌力，那么會對提高運動表現(xiàn)提供幫助[17，26-28]。未來研究將會關注于運動員長期穿著不同鞋中底剛度的運動鞋是否能夠提高跖趾關節(jié)跖屈肌肌力，以及是否會對跖趾關節(jié)及下肢三關節(jié)產(chǎn)生更進一步的影響。

本研究存在以下局限：在計算跖趾關節(jié)的運動學和動力學數(shù)據(jù)時，由于跖趾關節(jié)完全被運動鞋包裹，實際測得的并非是單純的跖趾關節(jié)相關數(shù)據(jù)，而是包括跖趾關節(jié)屈曲在內的運動鞋形變。目前在不涉及裸足情況下，其他研究團隊也使用類似的方法來計算跖趾關節(jié)處相關生物力學參數(shù)[13，16]。但在未來的研究中，我們將會嘗試采用其它更為準確的方式來測量跖趾關節(jié)的生物力學參數(shù)。

4 結論

本研究所采用的硬底鞋未對兩種動作下即刻的跳躍高度產(chǎn)生影響，但會顯著減小垂直跳過程中跖趾關節(jié)的最小（最大屈）角速度，并顯著增加單腿起跳蹬地時踝關節(jié)處的最大功率，同時影響該處關節(jié)能量的吸收和產(chǎn)生，提示穿著屈曲剛度更大的運動鞋能夠在改變跖趾關節(jié)部分運動學的同時增加相鄰踝關節(jié)的蹬地效果，為進一步提高運動表現(xiàn)提供了可能。

[1]Pavei G，Cazzola D，La Torre A，et al.The biomechanics of race walking：Literature overview and new insights.Eur J Sport Sci，2014，14（7）：661-670.

[2]常穎.淺談跖趾關節(jié)的運動作用.阜陽師范學院學報（自然科學版），1995，3：20.

[3]柏樹令.系統(tǒng)解剖學.北京：人民衛(wèi)生出版社，2008.

[4]傅維杰，李路，劉宇.跖趾關節(jié)運動功能的研究進展及其在體育科學領域中的應用.體育科學，2013，33（9）：91-96.

[5]Willwacher S，Konig M，Potthast W，et al.Does specific footwearfacilitateenergystorageandreturnatthe metatarsophalangeal joint in running?J Appl Biomech，2013，29（5）：583-592.

[6]Krell JB，Stefanyshyn DJ.The relationship between extension of the metatarsophalangeal joint and sprint time for 100 m Olympic athletes.J Sports Sci，2006，24（2）：175-180.

[7]Stefanyshyn D，F(xiàn)usco C.Increased shoe bending stiffness increases sprint performance.Sports Biomech，2004，3（1）：55-66.

[8]Hopkinson N，Caine M，Toon D.The Effect of Shoe Bending Stiffness on Predictors of Sprint Performance.The Impact of Technology on Sport II：Taylor&Francis，2007.

[9]Stefanyshyn DJ，Nigg BM.Mechanical energy contribution of the metatarsophalangeal joint to running and sprinting.J Biomech，1997，30（11）：1081-1085.

[10]Stefanyshyn DJ，Nigg BM.Contribution of the lower extremity joints to mechanical energy in running vertical jumps and running long jumps.J Sports Sci，1998，16（2）：177-186.

[11]林漢生，夏蘇建.利用SPSS進行隨機化實驗設計分組.中國衛(wèi)生統(tǒng)計，2005，22（6）：397-398.

[12]Nigg BM，Anton M.Energy aspects for elastic and viscous shoe soles and playing surfaces.Med Sci Sports Exerc，1995，27（1）：92-97.

[13]Roy J，Stefanyshyn DJ.Shoe midsole longitudinal bending stiffness and running economy，joint energy，and EMG.Med Sci Sports Exerc，2006，38（3）：562.

[14]Winter DA.Biomechanics and motor control of human movement：John Wiley&Sons，2009.

[15]鐘運健，劉宇，魏書濤，等.優(yōu)秀短跑運動員途中跑時下肢關節(jié)力矩及肌群功率分析.中國運動醫(yī)學雜志，2011，30（1）：26-31.

[16]Stefanyshyn DJ，Nigg BM.Influence of midsole bending stiffness on joint energy and jump height performance.Med Sci Sports Exerc，2000，32（2）：471-476.

[17]Goldmann JP，Brüggemann GP.The potential of human toe flexor muscles to produce force.J Anat，2012，221（2）：187-194.

[18]Chapman A，Caldwell G.Kinetic limitations of maximal sprinting speed.J Biomech，1983，16（1）：79-83.

[19]Smith G，Lake M，Lees A，et al.Measurement procedures affect the interpretation of metatarsophalangeal joint function during accelerated sprinting.J Sports Sci，2012，30（14）：1521-1527.

[20]Graf ES，Stefanyshyn DJ.The shifting of the torsion axis of the foot during the stance phase of lateral cutting movements. J Biomech，2012，45（15）：2680-2683.

[21]Harton FM，Weiskopf SA，Goecker RM.Sectioning the plantar fascia effect on first metatarsophalangeal joint motion.J Am Podiatr Med Assoc，2002，92（10）：532-536.

[22]Erdemir A，Hamel AJ，F(xiàn)auth AR，et al.Dynamic loading of the plantar aponeurosis in walking.The Journal of Bone& Joint Surgery，2004，86（3）：546-552.

[23]Laroche D，Pozzo T，Ornetti P，et al.Effects of loss of metatarsophalangeal joint mobility on gait in rheumatoid arthritis patients.Rheumatology（Oxford），2006，45（4）：435-440.

[24]傅維杰，魏勇，劉宇.穿不同鞋與裸足對羽毛球蹬地動作下肢及跖趾關節(jié)運動協(xié)調特征的影響.醫(yī)用生物力學，2015，30（2）：159-166.

[25]武明，季林紅，金德聞，等.人體跖趾關節(jié)彎曲對行走步態(tài)特征的影響.中國康復醫(yī)學雜志，2001，16（6）：8-12.

[26]Perl DP，Daoud AI，Lieberman DE.Effects of footwear and strike type on running economy.Med Sci Sports Exerc，2012，44（7）：1335-1343.

[27]GoldmannJ，SannoM，WillwacherS，etal.Effectsof increased toe flexor muscle strength to foot and ankle function in walking，running and jumping.Footwear Science，2011，3（S1）：59-60.

[28]Goldmann JP，Sanno M，Willwacher S，et al.The potential of toe flexor muscles to enhance performance.J Sports Sci，2013，31（4）：424-433.

The Relation of Midsole Stiffness of Shoes to the Biomechanics and Kinetics of Ankle Joint and Metatarsophalangeal Joint during Jumping

Li Lu，F(xiàn)u Weijie，Wang Xi，Liu Yu
Key Laboratory of Exercise and Health Sciences of Ministry of Education at Shanghai University of Sport，Shanghai，China 200438 Corresponding Author：Fu Weijie，Email：fuweijie315@163.com Liu Yu，Email:yuliu@sus.edu.cn

Purpose The aim of this study was to explore the effects of midsole stiffness of shoes during vertical jump with double legs and single leg on the performance and kinematics and kinetics of the metatarsophalangeal joint（MPJ）and ankle joint in order to provide new idea for footwear design.Methods 30 male basketball players were required to wear stiff midsole shoes and normal stiffness midsole shoes to execute the vertical jump with double legs and single leg，and 3D kinematic data of lower limbs joints and ground reaction force were collected and analyzed simultaneously.Results No significant difference in maximum jump height was observed between players wearing the two different shoes.There were significant decrease in maximum MPJ flexion velocity（P＜0.05）and increase in ankle joint range of motion（P＜0.05）during vertical jump with double legs in players wearing stiff midsole shoes，while ankle maximum power increased and ankle energy absorption and generation were hindered during vertical jump with single leg were found（P＜0.05）.Conclusion Though the immediate jumping performance of the players wearing the stiff midsole shoes was not improved significantly，however，wearing the stiff midsole shoes could influence the MPJ kinematics and enhance the function of ankle during jumping push off phase，and thus indirectly improve the athletic performance.

shoes，midsole bending stiffness，biomechanics，metatarsophalangeal joint，ankle，jumping

2015.09.10

國家自然科學基金資助項目（11302131，11372194）；教育部博士點基金資助項目（20123156120003）；上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目（14YZ125）；上海高校青年教師培養(yǎng)資助計劃（ZZsty12002）

傅維杰，Email：fuweijie315@163.com；劉宇，Email:yuliu@sus.edu.cn