鞋类类型与楼梯踏步高度对健康年轻女性下楼梯时踝关节内翻本体感觉的影响：基于AIDAL的研究

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Effects of footwear type and stair riser height on ankle inversion proprioception during stair descent in healthy young females

　　

目的：探讨健康年轻女性在两种鞋类条件和两种楼梯踏步高度（riser height）下下楼梯（stair descent）时的踝关节内翻本体感觉（ankle inversion proprioception）。方法：18名健康年轻女性参与。采用踝关节内翻辨别着陆装置（Ankle Inversion Discrimination Apparatus for Landing, AIDAL）评估下楼梯时穿戴平底鞋（flat shoes, FS）和高跟鞋（high heel shoes, HHS）在15 cm和30 cm楼梯踏步高度下的踝关节内翻本体感觉。绘制受试者工作特征（receiver operating characteristic, ROC）曲线，计算ROC曲线下面积（area under the ROC curve, AUC）作为踝关节本体感觉评分。采用双因素方差分析（two-way analysis of variance, ANOVA）检验楼梯踏步高度和鞋类类型对踝关节内翻本体感觉的影响。结果：双因素ANOVA显示鞋类类型对踝关节内翻本体感觉有显著主效应（F = 7.513，p = 0.014，η_p² = 0.306）。楼梯踏步高度无显著主效应（F = 0.245，p = 0.627，η_p² = 0.014），鞋类类型与楼梯踏步高度之间亦无显著交互效应（F = 1.109，p = 0.307，η_p² = 0.061）。结论：对于下楼梯任务，与7 cm HHS相比，FS可能为健康年轻女性提供更好的踝关节本体感觉反馈。建议该人群根据自身需求考虑日常生活中的鞋类选择。

一、研究背景与问题

下楼梯（stair descent）是一项高跌倒风险的日常活动，与平地行走相比，需要更大的下肢肌肉控制和动态稳定性（dynamic stability）。在日常活动和运动中，踝关节通常是最先接触地面的关节。下楼梯时，人体通过膝和踝的离心收缩（eccentric contraction）吸收冲击能量，因此踝关节在维持落地稳定中具有关键作用。本体感觉（proprioception，指感知身体节段位置、运动方向、幅度和关节角度的能力）对维持功能性关节稳定具有重要作用，较差的踝关节本体感觉已被识别为与踝关节损伤风险增加相关的关键内在因素。然而，踝关节本体感觉并非静态能力，其表现可能受任务特征和环境因素调节。

在特定任务情境中，楼梯踏步高度（riser height）作为关键环境变量，已被证明可显著影响下楼梯时的踝关节本体感觉。例如，Wang et al. 比较不同踏步高度（15 cm、17.5 cm、20 cm）对慢性踝关节不稳（chronic ankle instability, CAI）个体和健康个体下楼梯时踝关节内翻本体感觉的影响，结果显示，随着楼梯踏步高度增加，两组人群的踝关节本体感觉表现均显著下降。除任务几何特征外，外部条件对踝功能的调节也不应忽视。鞋类类型（footwear type）作为典型人为干预因素，既往主要从生物力学角度研究；但关节力学环境的改变可能进一步影响感觉输入和神经肌肉控制过程。例如，Wang et al. 的研究显示，随着高跟鞋（high heel shoes, HHS）跟高增加（从1 cm增至7 cm），健康年轻女性踝关节净功、做功贡献和关节刚度均显著下降，这可能提示不同鞋类类型可改变踝关节负荷分布和稳定性控制表现。尽管既往研究已证明裸足条件下踏步高度对踝关节本体感觉的影响，但关于鞋类类型独立作用及其与踏步高度交互作用的直接证据仍有限。

女性是经常穿HHS的主要人群。与男性相比，女性在日常非车辆通勤和体育活动中下肢损伤发生率更高。该高风险女性群体值得关注。此外，为排除长期穿HHS导致的神经肌肉适应潜在影响，本研究仅纳入过去两年每月穿HHS少于6小时的受试者。本研究聚焦健康年轻女性群体，在更接近日常的穿鞋条件下检查踝关节本体感觉表现，作为现有文献的补充和扩展。据此，本研究旨在探讨鞋类类型和踏步高度对下楼梯时踝关节内翻本体感觉的影响及其交互作用。研究假设为：与平底鞋（flat shoes, FS）相比，HHS会损害下楼梯时踝关节内翻本体感觉表现；踝关节本体感觉表现会随踏步高度增加而下降；鞋类类型与踏步高度之间存在交互效应，即在较高踏步高度下，两种鞋类之间的本体感觉评分差异预期显著。

二、研究开展、结论与意义

研究人员开展了一项健康年轻女性研究，评估下楼梯时鞋类类型和楼梯踏步高度对踝关节内翻本体感觉的影响。研究得出，鞋类类型对踝关节内翻本体感觉具有显著主效应，HHS条件下踝关节内翻本体感觉显著差于FS；踏步高度无显著主效应，鞋类类型与踏步高度无显著交互效应。结论认为，对于下楼梯任务，FS可能比7 cm HHS为健康年轻女性提供更好的踝关节本体感觉反馈，建议该人群根据自身需求考虑日常生活中的鞋类选择。该研究意义在于，从本体感觉角度进一步支持既往生物力学发现，提示相比FS，7 cm HHS可能增加下楼梯时踝关节扭伤风险，并提示在此类动态任务中穿HHS应谨慎。

三、主要关键技术方法

研究经伦理批准，纳入18名健康年轻女性（年龄：20.89 ± 2.63岁；身高：161.97 ± 6.78 cm；体质量：54.35 ± 7.35 kg），样本来源未在原文中说明具体队列，仅说明在大学实验室完成。纳入标准包括18–30岁女性、近6个月无下肢手术史、无下肢畸形或影响平地/楼梯行走的疾病且运动功能正常、过去2年每月HHS穿戴不超过6小时。采用G*Power 3.1先验功效分析，重复测量ANOVA，效应量 f = 0.30，α = 0.05，统计功效（1 ? β）= 0.80，至少需17名，最终招募18名。关键技术包括：AIDAL模拟下楼梯踝内翻角度，设置15 cm与30 cm踏步高度、FS与7 cm HHS，四种条件随机顺序；受试者穿一次性棉袜，熟悉后正式测试，每种条件40试次，测试间休息10分钟。统计构建4 × 4刺激–知觉反应频率矩阵，采用非参数信号检测分析生成3条相邻配对ROC曲线，以平均AUC作为本体感觉辨别评分，并行双因素重复测量ANOVA。

四、研究结果

3 结果

Shapiro–Wilk检验模型残差确认数据符合正态分布（W = 0.990，p = 0.823）。描述统计显示，在15 cm踏步高度条件下，FS和HHS的本体感觉辨别评分分别为0.79 ± 0.08和0.74 ± 0.06；在30 cm踏步高度条件下，分别为0.77 ± 0.06和0.74 ± 0.08。双因素重复测量ANOVA显示，鞋类类型对踝关节内翻本体感觉有显著主效应（F = 7.513，p = 0.014，η_p² = 0.306）；踏步高度无显著主效应（F = 0.245，p = 0.627，η_p² = 0.014）；踏步高度与鞋类类型之间无显著交互效应（F = 1.109，p = 0.307，η_p² = 0.061）。通过AIDAL下楼梯任务、ROC/AUC评分和双因素重复测量ANOVA得出，FS下踝关节内翻本体感觉优于HHS，未观察到踏步高度或二者交互的显著影响。

五、讨论总结

4 讨论

本研究目的是检查健康年轻女性在两种鞋类类型和两种踏步高度下下楼梯时的踝关节内翻本体感觉。结果显示，健康年轻女性穿HHS下楼梯时踝关节内翻本体感觉表现显著受损。讨论认为，穿FS时下楼梯踝关节内翻本体感觉显著优于穿HHS，且效应量大，这与研究假设一致。既往研究显示，穿HHS会显著改变踝关节运动学特征，这种异常运动模式可能导致本体感觉表现下降。该结果可能归因于两种鞋类结构差异对踝关节感觉输入机制的影响。与HHS相比，FS鞋底相对均匀，可提供更清晰的地面触觉反馈和更稳定的足底压力分布，从而帮助中枢神经系统（central nervous system, CNS）准确感知足和踝的位置与运动。相反，HHS抬高足跟，使踝关节和跟骨显著跖屈，同时加剧足内翻和内旋。与FS中的中性位置相比，HHS改变初始足位置，维持跖屈姿势，使腓肠肌等小腿肌肉处于持续缩短位置，这可能改变肌梭（muscle spindle）的初始长度–张力关系。同时，Wang et al. 发现，与1 cm跟高相比，7 cm HHS显著降低踝关节净功、做功贡献和关节刚度。净功降低导致髋和膝关节做功代偿增加；尽管该策略有助于维持整体稳定性，但可能降低踝关节本体感受器传入信号强度。关节刚度降低意味着踝关节在负重条件下更易发生非预期内翻，并降低肌梭等机械感受器（mechanoreceptor）的基线张力稳定性。上述两因素可能共同导致传向中枢神经系统的位置和运动感觉信号变得模糊和扭曲。因此，作者推测，7 cm HHS相比FS导致踝关节本体感觉表现显著较差，主要源于关节刚度降低和异常肌梭张力造成的感觉反馈扭曲。从本体感觉角度，本研究进一步支持既往生物力学发现，提示相比FS，7 cm HHS增加下楼梯时踝关节扭伤风险。

研究还发现，在FS和HHS条件下，随着踏步高度增加，本体感觉表现无显著变化。这与Wang et al. 观察到的随踏步高度增加本体感觉敏锐度显著下降不一致。差异可能归因于测试条件不一致：Wang et al. 采用裸足，而本研究采用穿鞋条件。鞋底作为机械界面改变足底感觉输入，可能减弱皮肤机械感受器（cutaneous mechanoreceptor）的传入信号。这种改变的感觉环境可能掩盖较高踏步的本体感觉需求，从而遮蔽显著主效应。但作者指出，由于未直接测量鞋底造成的感觉信号衰减程度，该解释缺乏直接证据支持。未来研究应使用特定感觉评估，在此类运动任务中实证检验鞋类感觉衰减效应。

鞋类类型与踏步高度之间无显著交互效应。既往研究显示，健康个体神经肌肉系统具有冗余能力，随着任务难度增加，身体可以更好地利用这种能力。下楼梯时，健康个体的中枢神经系统可调节膝、髋、踝关节对姿势控制的相对贡献。这种下肢代偿策略可能使健康个体在面对15 cm和30 cm踏步高度挑战时，将踝关节本体感觉负荷维持在相对稳定水平。值得注意的是，该代偿策略可能具有任务特异性和人群特异性。Xuan et al. 综述下肢生物力学证据后指出，CAI个体在不同运动任务中表现出任务特异性生物力学适应和神经肌肉改变，这提示健康个体在该特定任务中观察到的稳定性，即无显著交互，可能源于感觉运动代偿冗余；相反，在踝关节不稳人群中，该机制可能因潜在异常本体感觉输入而失败，从而表现为不同运动控制策略。因此，本研究中健康受试者鞋类效应在不同踏步高度间的一致性应限于该特定人群和任务，不应直接外推至踝关节不稳个体。尽管如此，该发现仍表明，在健康个体中，鞋类类型对下楼梯时本体感觉的影响在两个所检查踏步高度间相对稳定。但鉴于样本量较小（n = 18），统计功效可能不足以检测小到中等交互效应。因此，鞋类效应对本体感觉表现在不同踏步高度间看似一致的发现应视为初步结果。未来需要更大样本研究，以确定鞋类类型与环境约束之间是否存在更细微交互。

讨论还列出研究局限性。第一，本研究未纳入踝关节疾病个体，也未收集踝运动学、足底压力、肌肉活动或关节刚度等生物力学数据，限制了结果的临床推广性。临床环境中，踝关节疾病个体的运动代偿机制比健康个体更复杂。例如，Wang et al. 的证据表明，在CAI患者中，随着复发频率增加，下肢冲击衰减和运动学策略恶化，高频复发与不良着陆模式相关。未来研究应纳入踝关节疾病人群，并结合多维生物力学评估，以进一步阐明与踝功能障碍相关的感觉运动代偿机制。第二，踝关节本体感觉会随年龄变化，而本研究纳入的受试者均为年轻成人。鞋类类型影响下楼梯时踝关节内翻本体感觉的发现能否推广至其他年龄组尚不清楚。第三，健康人群的踝关节本体感觉因身体活动水平不同而存在个体差异，18名受试者的样本量可能不足以充分捕捉这种变异性。未来研究可考虑扩大样本量，以评估该因素对踝关节本体感觉表现的影响。第四，本研究使用HHS的跟高仅为7 cm，其他跟高对踝关节本体感觉敏锐度的影响也值得未来研究关注。此外，缺乏裸足对照组基线数据限制了鞋类效应的解释。因此，未来研究应纳入裸足基线，以分离和量化特定鞋类类型对本体感觉反馈的独立贡献。

六、研究结论翻译

5 结论

本研究结果表明，健康年轻女性下楼梯时穿戴HHS的踝关节内翻本体感觉表现显著差于穿戴FS。对于下楼梯的健康年轻女性，FS似乎比7 cm HHS提供更清晰的踝关节本体感觉反馈。在此类动态任务中穿戴HHS应谨慎，因为本体感觉敏锐度下降可能对踝关节感觉运动控制产生不利影响。