下面是一个女高跟鞋肌电、足底压力及三维动作捕捉测试方案，该方案对高跟鞋的上述三个方面进行了较为详细的分析，希望通过此方法能让大家对高跟鞋的力学机理有较深入的认识。

(一)实验方案

该方案的测试目的是利用EMG(肌电测试仪)找出高跟鞋随跟高增加对小腿肌肉产生的影响，进而分析出不同跟高的肌肉疲劳性、肌力水平、肌群协调性等指标。利用EMG(肌电测试仪)的终极目的是为女性高跟鞋运动功能评定提供客观评价依据。EMG是从皮肤表面通过电极加以引导、显示和记录下来的生物电信号，它能够反映出众多外周肌肉运动单位电位的总和，并且与肌肉的活动状态和功能状态之间存在着不同程度的关联性，还能够定量反映肌力水平、肌肉活动局部疲劳程度、多肌群协调性、肌肉激活模式等肌肉活动和中枢控制特征的变化规律。因而EMG能在一定的程度上反映神经肌肉的活动，在高跟鞋不同跟高对小腿部肌肉功能影响方面有重要实用价值。

通过BTS三维动作捕捉系统拍摄不同跟高女鞋的步态规律，判断膝关节、踝关节的损伤角度及稳定性。利用鞋垫式足底压力系统进行不同跟高的足底压力受力分析，并找出其客观规律。

1.受试者选择

受试者要求脚型标准，体态均匀、步态正常，无足部疾患，无X或O型腿。受试者有经常穿高跟鞋的习惯。基本信息如表7-4所示。2.实验设备的选择

表7-4　受试者信息表

鞋垫式足底压力测试系统采用比利时Rs-scan7.95系统，三维动作捕捉系统采用意大利BTS系统(图7-29)，肌电记录采用BTS公司的ME6000型EMG仪(图7-30)。图像采集系统为Sony DCR-HC15数码摄像机。

图7-29　三维动作捕捉系统

(图片来源:意大利BTS公司)

图7-30　表面肌电仪

(图片来源:意大利BTS公司)

动作捕捉测试要求受试者按在相应部位贴装Mark点，之后进行测试。(Mark点分别为:鞋头前端点处M1，跗骨M2，第一跖趾关节M3，第五跖趾关节M4，里踝M5，外踝M6，胫骨外侧M7，腓骨内侧M8，腓骨上段M9，髌骨下缘M10)测试前首先进行试行走5min。之后进行正式测试。

3.肌群观察

肌电测试需要先依靠肉眼进行肌群运动观察，其目的是为了对肌肉位置准确定位。

目前国内外相关文献报道显示，长期穿高跟鞋的青年女性在自由步行时，胫骨前肌和腓肠肌之间运动模式发生会改变，异常的协同收缩明显增加，运动协调性下降。针对大腿及上肢研究也得出了相似的结论，但运动和静止状态下女性穿不同跟高皮鞋对小腿前后肌群以及小腿后部协同肌腓肠肌、比目鱼肌之间的运动协调性有何变化，正常情况下分别与行走及站立密切相关的小腿后部协同肌—腓肠肌、比目鱼肌在不同跟高的情况下各自功能有无改变，是EMG研究的重点。

4.记录方法

(1)记录前准备:在皮肤准备放置电极处须经砂纸打磨、酒精擦拭等处理。高跟鞋放置Mrak点处需要进行预清洗。

(2)电极放置表面部位确定:电极所贴位置为所测肌肉胫骨前肌、腓肠外肌、腓肠内肌、比目鱼肌的肌腹部分最隆起处，参考电极贴于趾长伸肌处(图7-31)。

在实验前进行5min的准备活动，使被测者熟悉测试要求的动作要领并能按设计要求的速度进行运动。三维动作捕捉系统至少采集一个步态周期(2步)。足底压力系统数据采集8s(图7-32)。

(二)数据与统计

1.数据分析

分析指标:积分肌电信号收缩率、协同收缩率。

2.数据处理

(1)使用FCODAS软件对采集的肌电信号进行分析选取周期运动中积分肌电信号IEMG间隔时间较稳定的一段约20个运动周期进行分析。

图7-31　高跟鞋不同跟高EMG肌电测试部位图

(2)在20个周期运动中选取周期时间相差较小的10个周期数据，将10个周期数据进行平均，得到一个代表性的运动周期数据，再将该数据10等分，分为10个时段，1～5时段对应抬腿运动，6～10时段对应落地运动。

(3)由周期中胫骨前肌、腓肠外肌、腓肠内肌、比目鱼肌的积分肌电数值计算小腿后肌群肌肉收缩率。

(4)足底压力采集使用500Hz，将8s记录数据整体进行分析计算。

(5)三维动作捕捉系统将采集到的一个步态周期(2步)进行如下分析:内翻角度、外翻角度、内旋角度、外旋角度、趾跗角度、跗腓角度。

3.统计方法

应用SPSS16.0统计软件对资料进行统计分析。不同跟高对照组间肌电数据和足底压力数据比较采用独立样本t检验，差异有统计学意义为P＜0.05。

图7-32　测试现场画面说明

(三)肌电测试结果分析

表7-5中Walk1～Walk9分别代表穿平跟到100mm跟高的女高跟鞋。

表7-5　 Walk1～Walk9的代表跟高　单位:mm

图7-33是趾长伸肌(也称伸趾长肌Extensor digitorum longus)的肌电活动图，趾长伸肌的作用是控制脚的左右平衡。从图中可以看出随着跟高的增加，鞋的前掌离地阶段的肌肉做功会明显减小，证明高跟鞋随着鞋跟的升高，脚的左右用力会随之减少，腿部的趾长伸肌疲劳度也会减轻，但是同时脚的稳定性也会随之降低，很容易造成内前旋和外前旋。

图7-33　趾长伸肌的肌电活动图

图7-34是腓肠肌(Gastrocnemius位于小腿后方)的受力肌电分析图。腓肠肌的作用是控制小腿前倾，防止身体向前倾倒。图中低跟鞋在脚落地阶段(图中80%Cycle)至离地阶段腓肠肌的做功显著高于高跟女鞋。这说明高跟鞋在提步时有助于节省能量。(www.daowen.com)

图7-35是比目鱼肌(Soleus指小腿后面的一块扁平肌肉)的肌电分析图。比目鱼肌在行走过程中的作用主要是参与提踵离地动作和脚面的旋转。可以看出，在鞋跟升高的情况下比目鱼肌的做功剧烈衰减。这说明鞋跟的高度越大对于迈步的所需的能量越小，高跟鞋确实比平底鞋走路省力。

图7-34　腓肠肌的受力肌电分析图

图7-35　比目鱼肌的肌电分析图

下图7-36是胫骨前肌(Timbales Anterior)的肌电反应结果图。胫骨前肌的主要作用是脚蹬离地面时发力用。可以看出，穿上高跟鞋后该肌肉的作用力明显增大。说明了在鞋跟高度越高的状态下，该肌肉参与的做功越强烈。同时也说明该肌肉的负荷也越大。这导致两个结果:一是该部分肌肉越来越瘦，也愈加健美。另一方面，如果鞋设计得不合理会导致该肌肉负担增加，时间久了会发酸发疼。VOS高速摄像系统可以捕捉到的高跟鞋足部瞬间运动状态，该技术用于分析女性高跟鞋运动过程中女鞋形变及步态稳定性十分重要，如图7-37所示(拍摄频率120帧/s)。

图7-36　胫骨前肌的肌电反应结果图

图7-37

图7-37　高跟鞋行走高速摄像记录

(四)穿高跟鞋后的足底压力变化规律

研究分析高跟鞋的足底压力变化规律需要专业的设备进行测试。测试设备为足底压力测试系统(图7-38)。测试区域包括足的前掌、后跟和足中部(腰窝部位，也称作脚心)三大部分(图7-39)。将上述三个区域测试后找出其压力规律进行比较。它可以为高跟鞋的舒适性评价提供客观依据。

1.前掌部位压力随跟高变化规律

(1)压力变化曲线如图7-40所示。

图7-38　足底压力测试系统及准备

图7-39　女高跟鞋受力分析部位图

1—前掌着地点部位2—踵心部位3—腰窝部位4—楦底中轴线5—后跟着地点位置6—第一、第五跖趾横切曲线

图7-40　不同跟高前掌压力变化图

(2)压力合并后的数据如表7-6所示。

表7-6　前掌部位压力合并数据表　单位:N

(3)结论:女士高跟鞋前掌部位在20、30、40、50跟高的状态下压力变化不大，在50跟高以后突然增大，之后一直维持在这个状态，压力不再增大，也不再减小。建议女高跟鞋前掌部位在50跟高以后进行减震性设计。

2.后跟部位压力随跟高变化规律

(1)压力变化曲线如图7-41所示。

图7-41　不同跟高后跟压力变化图

(2)压力合并后的数据，如表7-7所示。

表7-7　后跟部位压力合并数据表　单位:N

(3)结论:女性高跟鞋后跟部位在20、30、50、60、70、80跟高情况下压力变化不大，只有在40跟高的情况下突然上升，建议40跟高的女鞋在后跟处注意减震设计。

前掌后跟压力随跟高变化分配规律，如表7-8、图7-42所示。

表7-8　前掌后跟压力数据表　单位:N

图7-42　前后掌压力变化趋势图

(五)高跟鞋不同跟高之间的肉体变化

足部随着鞋跟高度提升，足部肌肉也会相应发生变化。

(1)前脚掌变化:脚前部肌肉因重心前移会受力膨胀，趾围会相应增大，趾围由20～80mm跟高会增加3～4mm。

(2)足中部变化:足底受力韧带会被拉长。韧带变直。如果不托脚，韧带长时间受力容易疲劳。

(3)后身变化:后身的肉体因为上提会相应收缩，后容差会变小，以至于消失。后身弧度会减小2～3mm(变直)。