基于生物力學生理特性的矯形鞋墊發(fā)展現狀和趨勢*

任武,王豪,楊秀如, 魏歡, 袁志垚, 閆慧娟, 常金龍, 楊志華, 李桂圓

(1.新鄉(xiāng)醫(yī)學院醫(yī)學工程學院河南省神經傳感與控制工程技術研究中心，新鄉(xiāng)市智能康復設備工程技術研究中心， 新鄉(xiāng) 453003；2.南京郵電大學, 南京 210023；3. 新鄉(xiāng)醫(yī)學院三全學院醫(yī)學工程學院，新鄉(xiāng) 453003；4.新鄉(xiāng)醫(yī)學院藥學院，新鄉(xiāng) 453003)

1 引 言

足部為人體運動的基石，承載著身體絕大部分重量，一旦發(fā)生異常，不僅影響人體健康，更會滲透到生活的各個方面。全球患有不同程度的足部疾病的人群很多，其中足底筋膜炎、踇外翻[1]和扁平足[2-7]等足部畸形最為常見。近年來人們對足部畸形以及相關并發(fā)癥的預防、矯正與治療越來越重視。矯形鞋墊作為以恢復人體正常生物力學為目的的矯正輔助器，可以根據個體足踝部解剖結構特點(見圖1)糾正畸形，極大減輕了患者足部病痛帶來的困擾[8]，目前已被廣泛應用于臨床與日常生活[9]。我們基于矯形鞋墊的發(fā)展現狀和生物力學特性，闡述矯形鞋墊的適用病癥，并預測矯形鞋墊在設計、制作和實現個性化定制上的發(fā)展趨勢，希望能為我國矯形鞋墊的發(fā)展提供助力，提高人們的生活質量。

圖1 足部結構圖

2 矯形鞋墊的發(fā)展現狀

矯形鞋墊的雛形起始于1879年。羅馬尼亞人George于1984年首次將矯形鞋墊與生物力學結合，奠定了目前矯形鞋墊發(fā)展的基礎。2014年，美國公司SOLS采用新一代的計算機視覺和三維打印技術首次實現了全球大規(guī)模使用3D打印定制矯形鞋墊，極大推動了矯形鞋墊的發(fā)展。目前，國外的矯形鞋墊已成為健康產業(yè)的一種業(yè)態(tài)，技術成熟，普及程度高。大的供應商能做到產品專業(yè)化，供應規(guī)?；头障盗谢瑥牟牧?、鞋墊和鞋制作技術工藝到各種專業(yè)制作設備、檢測設備、調校設備和工具，已形成了門類齊全、分工細致的系列產品和技術服務。

QYResearch醫(yī)療健康研究中心調查結果顯示，2018年度矯形鞋墊市場總額已達到31.17億美元，其中，北美是最大的消費地，年度收入市場總額約占全球的43.65%，歐洲其次，占比29.89%。相比之下，我國矯形鞋墊雖在快速發(fā)展，但仍有很大進步空間。

我國矯形鞋墊起源于建國初期，基于純手工制作，多家矯形鞋墊和病理鞋的生產作坊雖有一段時間的發(fā)展卻很快落沒。改革開放時期，大批海外資源進入，我國矯形鞋墊才真正開始發(fā)展。不過，中國作為世界人口大國，市場需求推動著矯形鞋墊快速迭代，國家制度和政策又提供了進一步的支撐與保障。

目前，我國企業(yè)逐漸與德國、美國等國家建立起廣泛合作，使矯形鞋墊在科研、體育、醫(yī)療機構方面有了更綜合性的應用。國內雖存在一定數量的矯形鞋墊企業(yè)，但其影響力及服務范圍較小，未形成一定規(guī)模的產業(yè)鏈，售后與服務質量同比國外品牌也有很大差距，且高端產品不足，市場被國外品牌占據，迫切需要提高競爭力。

3 矯形鞋墊的生物力學特性

矯形鞋墊可以根據足底壓力分布情況，通過生物力學分析、調整足部著力點以矯正人體不良步態(tài)。腳作為人體精細高效的器官，支撐著人體完成復雜的行走、跑跳等動作。但由于年齡、運動方式、生活習慣等因素造成足部動力缺失[10]，進而導致足部以上關節(jié)力學不平衡，經機體長時間代償造成正常下肢生物力線發(fā)生改變[11-12](見圖2)，從而引起機體一系列疾病，如膝外翻、膝內翻等膝關節(jié)畸形以及與髖關節(jié)、骨盆、脊柱及相關肌肉、韌帶與軟組織相關的病癥[13-19]。

圖2 下肢生物力線方向示意

下肢力線異常不僅會影響美觀，也會提高青少年脊柱側彎誘發(fā)機率，以及中老年由于關節(jié)受力不均衡而導致的退行性病變和骨性關節(jié)炎的發(fā)病機率[18]。并且在出現由下肢力線異常而導致的疾病后，傳統治療往往達不到預計效果，普通藥物治療治標不治本，調整患者足部的生物力學結構才是解決這類問題的根本方法[19]。

在實際生活中，由于個體間不同的生活習慣、足部形狀和病理狀況，造成了不同的足底壓力分布。通過生物力學分析足底壓力分布，改變矯形鞋墊不同部位的形狀，直接調整不同使用者的足底壓力分布，達到補償足部動力缺失、正?；轮锪€的效果。生物力學分析將賦予矯形鞋墊防治相關足部疾病與病變的能力，以及為人體提供支撐、保護與改善活動能力的作用。

4 矯形鞋墊的康復功能

矯形鞋墊通過直接改變足底壓力分布，調整下肢生物力線，達到康復、矯形的作用，適用范圍廣泛，可以治療高弓足、足底筋膜炎、踇外翻、足踝過度旋轉等后天性足踝畸形[20]；膝內翻、膝外翻、膝骨關節(jié)炎等膝關節(jié)畸形[21-22]；由下肢生物力線異常導致的下背痛等腰背部病癥[23]；由下肢生物力線異常引起代償性脊柱疾病[24-25]；兒童偏癱型腦癱病癥[26]；糖尿病、麻風病并發(fā)足潰瘍病癥[27]和常見的運動損傷[28]等。由于篇幅有限，下面將主要介紹一些常見的疾病，如足踝畸形、膝關節(jié)畸形和運動損傷的特征以及矯形鞋墊的作用[29]。

由表1可知，對扁平足、高弓足等后天性足踝畸形病癥，矯形鞋墊可以通過調整足部不同部位的形狀來達到調整使用者足部壓力分布的目的。Q角為脛骨走向與下肢重力線的夾角。以Q角值(見圖3)異常為主要特征、膝外翻和膝內翻為代表的膝關節(jié)畸形的主要形成原因是足部功能異常[30]。矯形鞋墊通過間接改善下肢力線，達到治愈膝關節(jié)畸形的目的。對于運動損傷，傳統上認為的運動損傷也可高幾率地發(fā)生于未參加體育運動的人群，其損傷部位與運動項目和專項技術特點有關。不同的運動項目有特有的專項技術與運動模式，長期從事單一的運動項目可以導致足部形態(tài)學特征改變，而不同程度的形態(tài)學改變存在不同程度的損傷風險。因此，需要針對不同的足部形態(tài)定制個性化矯形鞋墊，以對足部受力情況做出調整，降低損傷風險，提高運動上限。

表1 矯形鞋墊的康復功能

圖3 Q角示意圖

5 矯形鞋墊的發(fā)展趨勢

矯形鞋墊雖然適用范圍廣泛，但在國內起步晚，企業(yè)在很多方面的認知經驗不足。在矯形鞋墊的設計上，目前大多數是基于靜止狀態(tài)或站立狀態(tài)下，少數是在步行狀態(tài)下設計出來的[31-32]，尚未設計出一款基于運動狀態(tài)下的矯形鞋墊。在矯形鞋墊的制作中，鞋墊的形狀設計與材料的選擇取決于足部矯形師的經驗，缺少定量的理論指導。在矯形鞋墊的制作上，目前雖然出現了使用APP拍照獲取使用者足部模型的新興方式，但未得到大范圍的普及，且大多仍使用專業(yè)的掃描儀器獲取足部模型。市場上現有的矯形鞋墊大都采用3D打印技術制作，石膏制作方式已被取代[33]。在3D打印矯形鞋墊的產品中，我們統計了市場上的代表產品，并分析了其優(yōu)點，見表2。

表2 上市矯形鞋墊的優(yōu)勢分析

由表2可知，在獲取使用者足部模型的方式上，一種是用專業(yè)大型的掃描機器，實現精確掃描得到精確的足部信息，另一種是用自主研發(fā)的移動APP，操作簡單更便捷。在打印技術上，建設矯形鞋墊3D打印系統，研發(fā)新型3D打印技術[34]。打印時又可分為一體打印和結構拆分式打印，其中拆分式打印后組裝的方法更能適應市場需求[35]；在打印材料上，使用不同的3D打印材料也會得到不同的使用效果[36-37]，研發(fā)新型材料，降低3D打印成本是當今制作鞋墊的主要方向[38]。

在鞋墊屬性上，矯形鞋墊不僅需要良好的矯形功能，還要有普通鞋墊的一般特性，如基本的透氣性、吸濕性、抗菌防臭等。此外，可將傳感器與鞋墊結合，與手機APP或者手環(huán)相關聯，既能夠收集使用者的相關數據，又能將分析后的數據實時反饋給使用者，提高鞋墊的信息交互程度。

據此，我們預測今后移動設備與3D打印技術相結合的設計方式將會持續(xù)發(fā)展，成為該行業(yè)獲取足部模型、制作鞋墊的主流方式。同時，完善矯形鞋墊的設計理論并建立工業(yè)化的制作流程，在制作鞋墊的過程中添加傳感器模塊，收集使用者信息；建立矯形鞋墊3D打印系統，改進打印工藝，研發(fā)打印材料。在矯形鞋墊之外，研發(fā)APP接收傳感器模塊發(fā)送的信息，建立完善的用戶信息庫與鞋墊模型庫，可為使用者匹配個性化矯形鞋墊模型的大數據分析算法。當今矯形鞋墊正向一個更智能的領域發(fā)展，以大數據為主體，結合大數據分析完成對使用者的適配，最終得到一款為使用者定制的產品。

6 展望與討論

本研究在矯形鞋墊發(fā)展現狀的論述基礎上，闡述了矯形鞋墊的生物力學特性與未來發(fā)展趨勢，重點闡述了矯形鞋墊的康復功能與發(fā)展前景。矯形鞋墊具有調整足底壓力分布、提高穩(wěn)定與緩沖能力、改善下肢生物力線、預防代償性并發(fā)癥等功能。矯形鞋墊的治療效果雖然明顯，但療效較長；在設計方面，絕大多數都是基于站立狀態(tài)或是步行狀態(tài)，很少是在基于運動狀態(tài)下設計的，且大多數研究都是及時性研究，且研究的樣本量較少，應在今后的研究中添加樣本的數量，并對使用者做出長期的跟蹤調查。我們根據市場上的矯形鞋墊類產品的特點，提出了矯形鞋墊在設計上將會向動態(tài)矯形鞋墊發(fā)展的趨勢，在收集與處理使用者數據上應當提高重視，加大投入，建立完善的使用者信息數據庫，并根據收集到的信息設計出一套適合國人的樣本大數據分析算法。