3D 打印支撐鞋墊對(duì)扁平足足底壓力分布的影響

趙碎浪 ，祁子芮 ，曹中華 ，于百計(jì)

（1.北京服裝學(xué)院，北京 100029；2.北京體育大學(xué)，北京 100084；3.廣州履樸科技有限公司，廣東 廣州 510425）

前言

扁平足是內(nèi)側(cè)縱弓支撐力不足，在負(fù)重狀態(tài)下出現(xiàn)足弓塌陷或消失的現(xiàn)象。在步態(tài)支撐期，容易引起下肢力線不齊[1]、足底壓力分布不均，進(jìn)而引發(fā)軟組織疲勞[2]、關(guān)節(jié)損傷等癥狀。矯形鞋墊已被廣泛地應(yīng)用扁平足的矯正，優(yōu)化下肢力學(xué)對(duì)線[3]、改善足底壓力分布[4]，緩解足底筋膜炎[5]、髕骨疼痛綜合征[6]等癥狀。

矯形鞋墊影響足底壓力分布的主要因素有支撐墊結(jié)構(gòu)與鞋墊材料硬度[7]。其中，支撐墊與足弓適配性好可以減少前足峰值壓強(qiáng)，提高足部穩(wěn)定性[8-9]；適配性差則不僅會(huì)影響足底壓力舒適性，還會(huì)對(duì)關(guān)節(jié)面產(chǎn)生持久的負(fù)面影響[10]。支撐墊模型的適配性設(shè)計(jì)是提升矯形效果的核心因素，相比之下，定制鞋墊比預(yù)制款能更有效地的降低跖骨和跟骨內(nèi)側(cè)的峰值壓強(qiáng)[11]。

定制 矯形 鞋墊 支撐 墊 的 依 據(jù) 主 要 是 足 弓 形 態(tài) ，而足弓形態(tài)會(huì)隨負(fù)重的改變而發(fā)生變化[12]。目前常見的做法是獲取足部全負(fù)重位(FWB: full-weight-bearing )、半 負(fù) 重 位 (SWB : semi-weight-bearing) 或 非 負(fù) 重位 (NWB : non-weight-bearing) 條 件 下 的 足 部 模 型 數(shù)據(jù)[13]。不同支撐墊的設(shè)計(jì)對(duì)足部的支撐程度不同，其對(duì)足底壓力分布的影響規(guī)律尚未充分探索。

通過掃描儀獲取扁平足三種不同負(fù)重條件下的足部模型數(shù)據(jù)，利用 3 D 軟件建模并打印與足部模型相匹配的足弓支撐墊；比較分析 3 種支撐型鞋墊對(duì)扁平足行走步態(tài)支撐期足底壓力分布的影響特征，以探究不同支撐型鞋墊對(duì)足底壓力分配的規(guī)律，為設(shè)計(jì)舒適性、功能性的個(gè)性化定制鞋墊提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 受試者信息

9 名青年女大學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)，平均年齡（21.4±1.2）歲，身高（162.3±5.2）cm，體重( 53. 1 ± 5.6) kg，腳長(zhǎng)（23.1±0.5）cm，所有受試者可穿著相同鞋號(hào)的實(shí)驗(yàn)用鞋，以便后期足底壓力中心分析。受試者足型足弓高度指數(shù)（AHI）[14-15]均低于 0.28，滿足扁平足足型分類[16]；測(cè)試前 6 個(gè)月內(nèi)未經(jīng)歷下肢損傷，并在測(cè)試前簽署書面知情同意書。

1.2 鞋墊制備

足 型 掃 描 ： 用 手 持 三 維 掃 描 儀（EinScan-Pro，Hangzhou）獲取三種 負(fù) 重狀態(tài)（FWB、SWB 和 NWB）的足部 模 型，分 別 模 擬 步 態(tài) 周 期 單 足 支 撐 、雙 足 支撐和擺動(dòng)時(shí)相的足部負(fù)重特征。

FWB：?jiǎn)文_ 站 立，踝 關(guān)節(jié)中 立 位站 姿[17]，身 體重心在站立腳上；

SWB：雙腳與肩同寬站立，踝關(guān)節(jié)中立位站姿，身體重量均勻分布于雙腳；

NWB：膝 關(guān) 節(jié)彎 曲 90° ，踝 關(guān) 節(jié)中 立 位坐姿 ，足部無負(fù)重狀態(tài)。

模型建立：用三維建模軟件（Rhino3D 6.0，USA）對(duì)足弓部位進(jìn)行曲面取型。支撐墊面積覆蓋中足與后足，模型厚度為 3 mm。每位受試者對(duì)應(yīng)三款支撐墊（FWB 為 Ⅰ型、SWB 為Ⅱ型、NWB 為Ⅲ型），如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)用鞋墊Fig. 1 Insoles for the experiment

模型打印：通過熔融層積技術(shù)（PLA，Shore A 95°）進(jìn)行模型打印。支撐墊的四周邊緣進(jìn)行斜坡過渡加工處理，使邊緣無厚度，避免厚度差產(chǎn)生不適感。

鞋墊制備：從足底壓力分散和觸覺舒 適 性 考慮[18]，在支撐墊上加裝一層全掌型聚氨酯發(fā)泡材料（Poron，Shore A 30°），全掌標(biāo)準(zhǔn)厚度為 3 mm。另外準(zhǔn)備一雙同材質(zhì)、同厚度、無支撐墊的平鞋墊作為對(duì)照組。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

所有受試者穿著同款同碼平跟帆布鞋（Muji，37碼），用松緊帶代替鞋帶，每位受試者在每次試驗(yàn)中保持鞋子松緊度一致。在開始采集數(shù)據(jù)之前，受試者加穿實(shí)驗(yàn)鞋墊進(jìn)行適應(yīng)，確定無明顯不適感再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。告知受試者以日常正常的速度行走通過裝有 1 m 足底壓力板（T-plat Medicapteurs，F(xiàn)rance）的 8 m 長(zhǎng)步道。每位受試 者 每次行走時(shí)間無顯 著 差異 （P =0.361），同一型號(hào)鞋墊采集 3 次有效數(shù)據(jù)。

使用視覺模擬量表(VAS)評(píng)估鞋墊的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)舒適性。評(píng)分范圍從左到右為 0 分到 10 分，舒適度標(biāo)記左側(cè)為“完全不舒服”；右側(cè)標(biāo)記為“完全舒服”。

1.4 數(shù)據(jù)分析

將行走步態(tài)周期支撐相分為 4 個(gè)階段[19]：足跟著地階段(ICP: Initial Contact Phase)、前足著地階段(FFCP: Forefoot Contact Phase)、全足支撐階段(FFP:Foot Flat Phase) 和前足 蹬 離 階段 (FFPOP: Forefoot Push-off Phase)如圖 2 所示。

圖2 支撐期 4 個(gè)階段的劃分方法Fig. 2 Method of dividing the 4 phases during the stance phase of gait

測(cè)量受試者右腳指標(biāo)，包含支撐期總觸地時(shí)間(TCT: Total Contact Time)、4 個(gè)階段觸地時(shí)間及各階段所占時(shí)間百分比；歸一化觸地時(shí)間[20]并計(jì)算足底壓力中心（COP: Center of Pressure）以及相對(duì)于對(duì)照組內(nèi)外側(cè)偏移(ML-COP: Medial-Lateral-COP)。定義足跟中部到前足第 2、3 跖骨之間的連線為 COP 中軸線，COP 在 X 軸的數(shù)值為內(nèi)外側(cè)偏移量[21]。

所測(cè)參數(shù)均為正態(tài)分布，采用配對(duì)樣本 t 檢驗(yàn)分析不同支撐鞋墊條件下與對(duì)照組之間參數(shù)的差異性。使用 SPSS version 21 統(tǒng) 計(jì) 分析 軟 件(SPSS Science, Chicago) 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，P＜0.05 表示差異存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

步行支撐期總觸地時(shí)間、4 個(gè)階段觸地時(shí)間及時(shí)間百分比如表 1 所示。與對(duì)照組相比，Ⅱ、Ⅲ型組支撐期總觸地時(shí)間均顯著降低 （P = 0.002、P =0.026），Ⅰ型組總觸地時(shí)間均值降低，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P ＞0.05)。3 種支撐型鞋墊在 FFP、FFPOP 階段的觸地時(shí)間均值較對(duì)照組降低，但差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P ＞0.05)。其余階段的觸地時(shí)間以及各階段時(shí)間百分比差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P ＞0.05）。

表1 總觸地時(shí)間、各階段觸地時(shí)間及時(shí)間百分比 1）Tab. 1 Total contact time, 4 phases’contact time, and time percentage

加穿 4 種類型鞋墊的 COP 均值如表 2 所示，COP 均值軌跡如圖 3 所示。與對(duì)照組相比，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型組 COP 軌跡均向內(nèi)側(cè)偏移；其中，Ⅱ、Ⅲ型組在FFP 和 FFPOP 階段觀察到 COP 內(nèi)側(cè)偏移的幅度最大；而Ⅰ型組，最大 COP 偏移幅度發(fā)生在 FFPOP 階段。與對(duì)照組相比，在 ICP 階段，加穿支撐型鞋墊后COP 偏移量差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P ＞0.05）；在 FFCP階段，Ⅱ型和Ⅲ型組 COP 分別向內(nèi)側(cè)偏移 1.6 mm（P =0.002）和 2.5 mm（P =0.001），Ⅰ型組差異不顯著；在 FFP 階段，Ⅱ型和Ⅲ型組 COP 分別向內(nèi)側(cè)偏移 2.3 mm（P =0.01）和 2.7 mm（P =0.001），Ⅰ型組差異不顯著；在 FFPOP 階段，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型組 COP 均顯著向內(nèi)側(cè)偏移，偏移量分別為 2.2 mm（P =0.03）、4.7 mm（P =0.001）和 5.1 mm（P =0.001）。

圖3 支撐期 4 種測(cè)試條件下 COP 均值軌跡Fig.3 Mean COP trajectories of four test conditions during the stance phase of gait

表2 4 種測(cè)試條件下的 COP 均值 1）Tab. 2 Mean values of COP under four test conditions

在靜立狀態(tài)下，4 種類型鞋墊舒適性無明顯差異（P ＞0.05）；但在動(dòng)態(tài)狀態(tài)下，Ⅲ型組的舒適性明顯降低（P =0.002），其余組舒適性無明顯差異（P ＞0.05），如圖 4。

圖4 主觀評(píng)價(jià) 4 種測(cè)試條件下靜、動(dòng)態(tài)舒適性Fig. 4 Subjective rating of static and dynamic comfort under four test conditions

3 討論

以不同負(fù)重條件下的足部形態(tài)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建模并 3D 打印支撐墊，探索不同支撐型鞋墊對(duì)扁平足足底壓力分布特征的影響。對(duì)不同條件下步行支撐期觸地時(shí)間參數(shù)與足底壓力中心空間參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，加穿了Ⅱ、Ⅲ型支撐墊鞋墊后，支撐期總觸地時(shí)間 明 顯降低 （P = 0.002、P =0.026），同時(shí) COP 向內(nèi)側(cè)偏移，且偏移的幅度隨支撐墊高度的增加而增加。

3.1 總觸地時(shí)間

足底壓力產(chǎn)生的根本原因是足 部與地面接觸，支撐期總觸地時(shí)間關(guān)系到足部肌肉的活動(dòng)時(shí)間。本文將支撐型鞋墊與足作為整體考量，對(duì)比分析不 同條件下總觸地時(shí)間的差異。結(jié)果表明加穿支撐型鞋墊后，總觸地時(shí)間均值都降低，其中Ⅱ、Ⅲ型組顯著降低。有研究表明，帶有支撐結(jié)構(gòu)的鞋墊同 樣能顯著降低跑步支撐期總觸地時(shí)間[22]。扁平足人群在行走和運(yùn)動(dòng)過程中容易造成足部勞累，其可能原因是扁平足人群在活動(dòng)過程中，由于內(nèi)側(cè)足弓支撐功能弱化，易引起過度內(nèi)旋動(dòng)作，導(dǎo)致總觸地時(shí)間延長(zhǎng)。足部?jī)?nèi)附肌群活動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，易提前疲勞，且疲勞后肌肉緩沖負(fù)荷的能力減弱，從而增加了韌帶及骨骼系 統(tǒng) 負(fù)荷[23]，引 發(fā) 足 底 筋 膜 炎 、筋 骨 疼 痛 等 癥 狀[24]。Ⅱ、Ⅲ型鞋墊能有效降低總觸地時(shí)間，可能與有效控制內(nèi)旋動(dòng)作有關(guān)。

在行走步態(tài)支撐期，足部主要經(jīng)歷 4 個(gè)階段，本文 嘗試 進(jìn)一 步明 晰 觸 地 時(shí) 間 降 低 的 具 體 階 段 。Aynollah[22]等人對(duì)比研究加穿與未穿支撐鞋墊兩種狀態(tài)下，跑步支撐期各階段觸地時(shí)間百分比無顯著性差異，本文研究行走步態(tài)得到相同的結(jié)論?？赡茉蚴牵涡托瑝|并非僅對(duì)支撐期某個(gè)階段起到作用，而是對(duì)整體動(dòng)作進(jìn)行了優(yōu)化。支撐型鞋墊能有效恢復(fù)足部姿勢(shì)，其對(duì)足部神經(jīng) - 肌肉控制系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生即刻效果[25]，在短時(shí)間內(nèi)控制系統(tǒng)對(duì)足部動(dòng)作的時(shí)間分配不產(chǎn)生影響。支撐型鞋墊對(duì)扁平足的長(zhǎng)期作用效果需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2 壓力中心軌跡

本文研究結(jié)果顯示，支撐型鞋墊使扁平足 COP向內(nèi)側(cè)偏移，特別是Ⅱ、Ⅲ型鞋墊在足部緩沖階段（FFCP、FFP）COP 向內(nèi)側(cè)偏移明顯。Zhang X[26]等人研究發(fā)現(xiàn)正常足在后跟抬高狀態(tài)下，加穿支撐型鞋墊同樣導(dǎo)致 COP 向內(nèi)側(cè)偏移?？赡茉蚴牵涡瑝|與中足內(nèi)側(cè)接觸面積增大，有效緩解了跖骨區(qū)內(nèi)側(cè)和跟骨區(qū)內(nèi)側(cè)的壓力，而這部分壓力向中足轉(zhuǎn)移[27]。作為整體，足中軸線內(nèi)側(cè)的壓力總和并不會(huì)因支撐鞋墊而降低。與正常足相比，高弓足的 COP 也向內(nèi)側(cè)偏移[28]。雖然現(xiàn)象相同，其背后的機(jī)制不同。高足弓足部相對(duì)僵硬，限制了中足的接觸面積，不能分散足底壓力，并集中 于 跖 骨區(qū) 內(nèi)側(cè) 和跟 骨區(qū) 內(nèi)側(cè)[29]，因 此 COP 偏 向 內(nèi)側(cè)。而偏平足在支撐墊的作用下，跖骨區(qū)內(nèi)側(cè)和跟骨區(qū)內(nèi)側(cè)的壓強(qiáng)得到有效的分散而降低，而中足內(nèi)側(cè)支撐部位的壓強(qiáng)增加[30]，引起 COP 向內(nèi)側(cè)偏移。不同的支撐型鞋墊，對(duì)中足內(nèi)側(cè)的支撐程度不同，所承擔(dān)的負(fù)荷不同，造成步態(tài)周期中 COP 偏移的幅度不同，本文中Ⅰ型組因支撐墊高度較低，在緩沖階段對(duì) COP的內(nèi)外側(cè)位置未造成顯著影響。

在 蹬 伸 階 段（FFPOP）對(duì) 照 組 COP 通 過 小 趾 區(qū)域，而加穿了支撐型鞋墊后，COP 偏向了大拇趾區(qū)域。扁平足旋前動(dòng)作限制了蹬伸階段的活動(dòng)幅度，同時(shí)蹬伸時(shí) COP 偏向小趾區(qū)域，大拇趾背屈活動(dòng)減少，弱化了絞盤機(jī)制[31]。而支撐型鞋墊與足弓區(qū)域接觸面積增加，使足底韌帶張力增加，激活了 絞 盤機(jī) 制 ，限制了大拇趾端關(guān)節(jié)活動(dòng)并承擔(dān)了更多的負(fù)荷[31]。

相比于足底壓力，壓力中心軌跡是比更 為 實(shí)用的參數(shù)[28]。有學(xué)者認(rèn)為，即使關(guān)節(jié)軸與 COP 之間的距離發(fā)生小至 2 mm 的偏移，也可能影響作用于該關(guān)節(jié)軸的力矩平衡[32]，導(dǎo)致足部動(dòng)態(tài)功能的異常，引發(fā)生物力學(xué)病理發(fā)展的潛在風(fēng)險(xiǎn)[33]。

Ⅱ型組的 COP 更加接近足中軸線，相比之下地面反作用力施加于距下關(guān)節(jié)的旋前力矩減小 ，穩(wěn) 定性更好一些。在步態(tài)支撐期緩沖階段，足弓下壓，舟狀骨下沉[34]，Ⅲ 型 支撐墊 是 非負(fù)重 狀 態(tài)下 采 集 的數(shù)據(jù)，其 支撐 高 度 最 高 ，和 緩 沖 階 段 的 足 弓 形 態(tài) 偏 差最大，對(duì)足弓形成壓迫感。有學(xué)者通過尸體研 究 表明，過大的 足 弓 支 撐 墊 ，會(huì) 造 成 距 下 關(guān) 節(jié) 接 觸 面 積降低[10]，這可能也是帶來不適感的原因。

本次研究還存在一些不足之處。一方面 ，本 文探究了不同支撐型鞋墊對(duì)扁平足 COP 的影響特征，但 COP 的 突 然調(diào)整，是否會(huì)引 發(fā) 生物 力 學(xué)病理 發(fā)展，還需要進(jìn)一步跟蹤研究；另一方面，COP 調(diào)整的偏移量，是否存在一個(gè)既可以實(shí)現(xiàn)矯正效果 又盡可能減少矯枉過正風(fēng)險(xiǎn)的理想范圍，后續(xù)的研究 可 以結(jié) 合 運(yùn) 動(dòng) 學(xué) 、 動(dòng) 力 學(xué) 以 及 肌 肉 活 動(dòng) 進(jìn) 行 多 維 度 測(cè)評(píng)，為扁平足的矯正劃定安全范圍。

4 結(jié)論

通過比較研究 3 種不同支撐型鞋墊對(duì)扁平足步行支撐期觸地時(shí)間和 COP 內(nèi)外側(cè)偏移幅度的影響，結(jié)果表明Ⅱ、Ⅲ型鞋墊能優(yōu)化總觸地時(shí)間，且 COP 軌跡有整體向足內(nèi)側(cè)偏移的趨勢(shì)，偏移幅度隨支撐墊高度的增加而增加。結(jié)合 COP 分布特點(diǎn)與主觀評(píng)價(jià)，Ⅱ型支撐型鞋墊具有更佳的舒適性和穩(wěn)定性。