Front Bioeng Biotechnol：中国学者发文不同接触角度对前脚掌骨应力的影响:有限元模拟研究

跑步运动因其简单易行而广受欢迎，每年参与这项体育活动的人数都在稳步上升。据报道，跑步已被发现是控制体重、增强运动耐受性和降低心血管疾病可能性的有效手段。由于跑步不需要特定的设施或装备，相当多的人选择跑步作为一种体育活动。随着参加跑步活动的人数的增加，持续受伤的可能性也在增加。因此，基于近年来研究人员的持续调查和发现，可以得出结论，在跑步落地模式中产生的冲击负荷与下肢持续损伤的概率显著相关。

研究者对一组长跑运动员进行了分析，揭示了绝大多数跑步者，大约95%，表现出后脚落地模式，即他们用脚跟与地面进行初始接触。其余比例的个体表现为中足着地、平足着地或前足着地，其特征是在脚的前部着地。然而，目前还缺乏科学的证据来证明哪一种是更好的跑步落地方式。研究人员进行的调查显示，属于精英水平的长跑运动员在跑步过程中表现出前足和中足落地模式。这一发现表明，对于高水平运动员来说，后脚击球模式可能不是一个有利的选择。相反，许多体育公司目前正在生产为顶级运动员量身定制的前足跑鞋，这表明精英长跑运动员倾向于使用前足跑步技术。研究人员提出的命题表明，与后脚落地相比，前脚落地具有存储更大弹性势能的能力，并且具有降低垂直加载率的能力。另一方面，某些学者认为，在跑步时使用前脚落地可以显著影响足部骨骼的压力，可能导致跖骨应力性骨折。在这一点上，我们问是否可以改变不同底地之间的接触角度，以进一步改善前脚掌跑步的不足?据我们所知，还没有研究调查过地底接触角的生物力学。我们推测这可能是因为每个运动员的跑步特征不同，不同接触角度的跑步特征不能作为分类指标。在不能满足实验要求的情况下，有限元分析起着至关重要的作用。有限元方法能够准确地模拟真实场景，并提供超越传统生物力学的问题的见解。有限元分析是一种可靠、可控的足部仿真方法。这种方法在定义单个模块时提供了更高的精度，从而更准确地表示实际情况。

本研究的目的是比较在不同的脚底与地面接触角度下，在前脚掌跑步时足部的变化。鉴于精英长跑运动员主要使用前脚掌跑技术，通过比较不同的底地接触角度来帮助前脚掌跑者更好地控制和提高他们的技术动作是至关重要的。此外，我们进一步希望通过本研究为未来跑鞋设计方向提供启发。我们假设整体骨应力随鞋底接触角的变化而变化。更具体地说，也许脚底与地面的接触角越小，后脚的骨应力就越大。

方法:本研究招募了一名华裔男性，年龄25岁，身高183 cm，体重80 kg。本研究主要通过有限元分析前足击球模式。

详细介绍了运动学和动力学数据的获取以及有限元边界条件的设置

三种不同底角示意图及不同底地接触角下鞋与地面的接触面积

有限元模型中构件的材料特性

三种不同情况下不同骨骼的峰值von Mises应力值和百分比的增加和减少

第一至第五跖骨的von Mises应力分布图

内侧楔形骨、中间楔形骨、外侧楔形骨、长方体、舟状骨和跗骨的von Mises应力分布图

结果:三种情况下，接触角为a(9.54)的M1-5(跖骨)von Mises应力峰值均大于接触角为b(7.58)和接触角为c(5.62)的峰值。相反，MC (Medial Cuneiform)、IC (Intermediate Cuneiform)、LC (Lateral Cuneiform)、C (Cuboid)、N(舟形)、T(跗骨)三种不同情况下的von Mises应力峰值相反，且C的von Mises应力峰值大于a和b, b的von Mises应力峰值介于a和C之间。

结论:本研究发现减小底地接触角可减少跖骨应力性骨折。此外，小的脚底与地面接触角可能不会增加前脚掌跑步时踝关节受伤的风险。因此，考虑到为前足跑步者设计的跑鞋的特殊性，这项研究可能会为指导他们的运动追求提供新的见解。

原始出处：

Huiyu, Zhou;  Datao, Xu;  Wenjing, Quan;Effects of different contact angles during forefoot running on the stresses of the foot bones: a finite element simulation study.Front Bioeng Biotechnol 2024;12(0):1337540