3D 數(shù)字化掃描技術(shù)矯形鞋墊足底減壓效果的生物力學(xué)評(píng)估

麥麥提熱夏提·合力力，耿翔，張影哲，邱紀(jì)方

（1.復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院，上海 200040；2. 浙江康復(fù)醫(yī)療中心（浙江中醫(yī)藥大學(xué)附屬康復(fù)醫(yī)院）， 浙江杭州 310053；3.奧托博克（中國(guó)）工業(yè)有限公司，上海 200120）

人在站立和行走等日?；顒?dòng)中，足底壓力主要集中在足跟、跖骨頭區(qū)及大拇趾，如果足底給予長(zhǎng)期異常支撐，可能對(duì)足部造成損傷[1]。 因此，足底壓力分布情況可以間接的反映人體的下肢力線是否正常，同時(shí)，有利于預(yù)測(cè)和及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況下可能會(huì)造成的損傷。 在鞋具領(lǐng)域，鞋墊與足底直接接觸，起吸汗防滑、緩沖減震、支撐和改善足部功能的作用。 因此，鞋墊能直接影響足部和全身的生物力學(xué)特征[2-3]。近年來(lái)，在臨床治療中，矯形鞋墊的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，可以有效改變一些患者的下肢生物力線，延緩患者病情發(fā)展[4]。 矯形鞋墊按其制作方式可以分為預(yù)制型矯形鞋墊、定制-模制型矯形鞋墊、定制型矯形鞋墊3 種，在臨床上，這3 種鞋墊使用都很常見(jiàn)。

隨著3D 數(shù)字化掃描技術(shù)的成熟， 該技術(shù)已開(kāi)始應(yīng)用于鞋墊領(lǐng)域，制造出更加符合足底解剖學(xué)形態(tài)的個(gè)性化矯形鞋墊，旨在減少并重新分配主要支撐點(diǎn)的足底壓力，從而將這些點(diǎn)在進(jìn)行身體活動(dòng)或長(zhǎng)時(shí)間站立時(shí)所承受的壓力降到最低，達(dá)到最大程度上的緩沖效果。 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造中使用的3D 數(shù)字化掃描技術(shù)是非接觸式三維掃描儀，采用結(jié)構(gòu)光非接觸照相測(cè)量原理， 分為光柵三維掃描儀和激光掃描儀兩種。 光柵三維掃描儀又稱為拍照式三維掃描儀，是一種高速高精度的三維掃描測(cè)量設(shè)備。 三維激光掃描利用激光測(cè)距的原理， 快速測(cè)得物體輪廓的幾何數(shù)據(jù)，形成數(shù)字化模型，具有高效率、高精度的優(yōu)勢(shì)。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，三維激光掃描的應(yīng)用越來(lái)越普遍。

該研究采用三維激光掃描技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)獲取志愿者足部三維信息，定做符合志愿者足部解剖學(xué)形態(tài)學(xué)特征的鞋墊，使用GP MobilData 內(nèi)鞋墊移動(dòng)式足底壓力測(cè)量系統(tǒng)分別檢測(cè)志愿者穿戴普通鞋墊和定制鞋墊時(shí)的足底壓力分布情況， 并統(tǒng)計(jì)足跟、中足、跖骨頭區(qū)壓力峰值，分析穿戴兩種鞋墊時(shí)以上3個(gè)區(qū)域壓力峰值的差異變化，進(jìn)一步評(píng)價(jià)定制鞋墊足底減壓效果。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

招募10 名健康成年志愿者， 男性6 名， 女性4名。 志愿者在過(guò)去無(wú)創(chuàng)傷和下肢手術(shù)史，過(guò)去從未穿戴矯形鞋墊。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

OrthoPodoDynamics 足底壓力測(cè)試板、OrthoPodoScan 3D 三維足部掃描儀、LFT 計(jì)算機(jī)輔助銑削加工設(shè)備、德國(guó)GP MobilData 內(nèi)鞋墊移動(dòng)式足底壓力測(cè)量系統(tǒng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)用鞋和鞋墊

（1）預(yù)制型平底運(yùn)動(dòng)鞋：不同大小鞋碼：38、39、40、41、42；（2）預(yù)制型普通鞋墊：不同大小鞋碼：38、39、40、41、42；（3）定制矯形鞋墊：根據(jù)志愿者足部三位掃描獲得的數(shù)據(jù)，使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)銑削設(shè)備制作矯形鞋墊。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

（1）使用OrthoPodoDynamics 足底壓力測(cè)試板，所有志愿者分別檢測(cè)赤足狀態(tài)下行走和靜態(tài)狀態(tài)下的足底壓力分布情況。 其數(shù)據(jù)結(jié)果直接傳輸?shù)匠C形鞋墊計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）系統(tǒng)，通過(guò)CAD 系統(tǒng)可以根據(jù)壓力分布情況來(lái)對(duì)鞋墊模型進(jìn)行調(diào)整， 改變鞋墊高度、支撐來(lái)分散局部壓力，達(dá)到降低壓力峰值的目的。

（2）使用OrthoPodoScan 3D 三維足部掃描儀掃描獲取所有志愿者雙足三維印象信息。

（3）使用LFT OrthoPodo CAM v4.60 軟件處理，并設(shè)計(jì)鞋墊模型，確認(rèn)壓力區(qū)域正確。

（4）使用DeskProtocol v6.1 軟件進(jìn)行鞋墊三維建模，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)銑削設(shè)備制作矯形鞋墊壓力承載基底。銑削使用材料：?jiǎn)斡捕菶VA，硬度值約邵氏硬度A50-55；厚度30 mm。

（5）鞋墊銑削完畢后，對(duì)不同壓力分布區(qū)域采用不同硬度材料進(jìn)行局部減壓。

（6）每個(gè)志愿者穿戴適合大小的預(yù)制鞋，先后分別穿戴適合大小的普通鞋墊和3D 定制矯形鞋墊，使用德國(guó)GP MobilData 內(nèi)鞋墊移動(dòng)式足底壓力測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量穿戴不同鞋墊行走時(shí)的足底壓力分布。

1.5 統(tǒng)計(jì)方法

使用SPSS 16.0 統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析， 志愿者穿戴預(yù)知鞋墊和定制鞋墊時(shí)上述3 個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的壓力峰值進(jìn)行單因素方差分析，P＜0.05 表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

總共10 位志愿者（6 例男，4 例女），年齡范圍22～39 歲，平均年齡（30.80±4.59）歲，平均身高（1.71±0.67）m，平均體重（63.80±12.51）kg，參與該研究。

分別比較左右腳穿戴預(yù)制鞋墊和定制矯形鞋墊時(shí)的足底不同區(qū)域壓力峰值，結(jié)果顯示，與穿戴預(yù)制普通鞋墊行走時(shí)比較，志愿者穿戴定制矯形鞋墊行走時(shí)，雙側(cè)足跟和跖骨頭區(qū)，左足中足壓力峰值降低，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

表1 志愿者穿戴兩種鞋墊時(shí)足底各區(qū)域壓力峰值比較（n=10）

3 討論

足踝部矯形器在西方國(guó)家應(yīng)用及發(fā)展比較早，我國(guó)起步較晚，還處于發(fā)展階段。 近年來(lái)，隨著臨床上廣泛應(yīng)用，矯形鞋墊在改善足底壓力分布、降低壓力峰值以及矯正下肢力線， 延緩和改善部分疾病的發(fā)生、發(fā)展，促進(jìn)兒童的健康發(fā)育，提高患者生活質(zhì)量等方面取得了良好效果。 矯形鞋墊個(gè)性化定制過(guò)程中，傳統(tǒng)的獲取足部3 維印象的方法主要是石膏取模、取模盒取模等。 傳統(tǒng)取模方法共同的缺點(diǎn)是取模結(jié)果易受操作者經(jīng)驗(yàn)的影響，誤差較大，同時(shí)浪費(fèi)耗材[5]。 3D 數(shù)字化掃描技術(shù)取模制作鞋墊只需要進(jìn)行掃描、 設(shè)計(jì)、銑削、打磨，整體耗時(shí)在4～8 個(gè)工時(shí)，同時(shí)可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求反復(fù)調(diào)整鞋墊模型，達(dá)到最佳減壓效果。

近年來(lái)，隨著工業(yè)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在足部取模及定制足部矯形器領(lǐng)域出現(xiàn)了3D 數(shù)字化掃描、CAD-CAM 等前沿技術(shù)的應(yīng)用。相關(guān)研究報(bào)道基于3D數(shù)字化掃描、CAD 以及3D 打印技術(shù)制作的矯形器與使用傳統(tǒng)方法制作的矯形器相比，具有類似的生物力學(xué)矯正效果，但是患者主觀舒適度評(píng)分更高。

該研究初步探索3D 數(shù)字化掃描技術(shù)矯形鞋墊足底減壓效果，使用鞋內(nèi)足底壓力檢測(cè)設(shè)備，分別檢測(cè)志愿者穿戴預(yù)制鞋墊和定制鞋墊行走時(shí)的足底壓力分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)基于3D 數(shù)字化掃描、CAD-CAM 技術(shù)制作的鞋墊具有更好的分散足底壓力、降低足跟及前足壓力峰值（見(jiàn)表1），增加內(nèi)側(cè)足弓的壓力分布,該方法整合了赤足情況下足底壓力分布和鞋墊模型設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過(guò)程中根據(jù)足底壓力峰值分布情況調(diào)整鞋墊模型高度來(lái)達(dá)到更好的矯形、 減壓效果，而且基于3D 數(shù)字化掃描技術(shù)足底形態(tài)取模與足部解剖學(xué)形態(tài)更加貼合。 對(duì)于足跟痛、跖痛癥、平足癥等患者選擇使用基于3D 數(shù)字化掃描技術(shù)矯形鞋墊對(duì)癥治療，通過(guò)減壓、分散應(yīng)力，緩解病痛效果可能更佳。

綜上所述， 基于3D 數(shù)字化掃描技術(shù)定制矯形鞋墊節(jié)省時(shí)間及人力資源，過(guò)程簡(jiǎn)便。 行走時(shí)與穿戴預(yù)制普通鞋墊相比較， 基于3D 數(shù)字化掃描技術(shù)定制的矯形鞋墊在分散足底壓力、降低足跟、前足壓力峰值效果明顯，同時(shí)能適當(dāng)增加中足負(fù)重及內(nèi)側(cè)足弓的支撐來(lái)分散足跟及前足的壓力，形態(tài)學(xué)上更加貼合足的形態(tài)。 可能對(duì)足跟痛、跖痛癥、平足癥患者具有使用價(jià)值。 但是，該研究樣本量較少，并且缺少臨床評(píng)估，缺乏長(zhǎng)期隨訪，其遠(yuǎn)期效果有待進(jìn)一步臨床研究。