矯形鞋墊對(duì)扁平足患者行走支撐期下肢運(yùn)動(dòng)功能的影響

白嘯天 霍洪峰 趙虎 徐碩

1 河北師范大學(xué)體育學(xué)院（石家莊 050024）

2 河北省人體運(yùn)動(dòng)生物信息測(cè)評(píng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（石家莊 050024）

足是人體重要的運(yùn)動(dòng)器官，健康的足可以幫助人體在運(yùn)動(dòng)中完成緩沖、承重和推進(jìn)的功能[1，2]。扁平足是常見的足部畸形，其明顯特征為內(nèi)側(cè)縱弓下降、跟骨外翻等[3]。作為足重要的功能結(jié)構(gòu)，足弓的下降不僅使足底血管、神經(jīng)受到壓迫，長(zhǎng)期負(fù)重產(chǎn)生不適甚至疼痛，還會(huì)影響人體運(yùn)動(dòng)過程中足部的彈性緩沖作用和剛性杠桿作用，降低運(yùn)動(dòng)功能[4]。有研究表明，隨著年齡的增長(zhǎng)，足底肌肉和筋膜的老化會(huì)加大扁平足的發(fā)生率[5]，而不健康的運(yùn)動(dòng)方式和鞋靴選取不當(dāng)也會(huì)增加足部畸形的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)足部的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，人們對(duì)扁平足的關(guān)注度逐漸提高[6，7]，足部健康開始上升為社會(huì)性問題，便捷有效的扁平足矯正方法亟需探索和研究。

在鞋內(nèi)加入矯形鞋墊是糾正異常足姿和步態(tài)常用的矯正方法，具有便捷、無創(chuàng)傷的特點(diǎn)[8，9]。矯形鞋墊可針對(duì)不同患者的足型進(jìn)行定制，通過包裹后跟、支撐足弓等結(jié)構(gòu)，輔助足部功能，保護(hù)足部運(yùn)動(dòng)時(shí)因地面反作用力產(chǎn)生的過度內(nèi)翻或外翻[10]。研究表明，矯形鞋墊對(duì)足底筋膜炎[11]、偏癱[12]、糖尿病足[13，14]和膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎[15，16]等疾病患者行走時(shí)足部舒適感、平衡能力及足功能都有著較好的治療效果。雖然已有研究證實(shí)矯形鞋墊有利于改善扁平足患者足底壓力分布[17]，但矯形鞋墊對(duì)扁平足患者行走支撐期各階段下肢運(yùn)動(dòng)功能的影響仍不夠深入，其對(duì)下肢各部位的運(yùn)動(dòng)功能影響仍需詳細(xì)劃分。本研究通過3D雕刻打印技術(shù)，對(duì)扁平足患者鞋墊進(jìn)行個(gè)性化定制，采用生物力學(xué)手段對(duì)比正常足、扁平足和加入矯形鞋墊干預(yù)的扁平足行走支撐期各階段髖、膝、踝、足的運(yùn)動(dòng)特征，探究矯形鞋墊對(duì)扁平足患者行走支撐期下肢運(yùn)動(dòng)功能的影響，為采用矯形鞋墊對(duì)扁平足進(jìn)行治療提供理論參考。

1 研究方法

1.1 受試者

選取24 名青年男性受試者，身高175.43 ± 4.42 cm，年齡24.74 ± 2.86 歲，體重66.24 ± 3.45 kg，無行動(dòng)能力障礙且近3個(gè)月無下肢損傷。采用三維足型掃描儀，根據(jù)足印法區(qū)分足型[18-20]（3D PODOMED，北京海德美業(yè)科技有限公司，測(cè)量精度± 1.0 mm），其中正常足組12 名（足弓指數(shù)介于0.21～0.26[20]），扁平足組12名（足弓指數(shù)大于0.30[20]）。

1.2 矯形鞋墊定制

扁平足組赤足在高頻足底壓力板（RSscan International公司，比利時(shí)，采集頻率120 Hz，傳感器密度4個(gè)/cm2）上按自身最適步速行走。整理已采集的三維足型數(shù)據(jù)及行走時(shí)足底壓力分布數(shù)據(jù)，在矯形鞋墊CAD/CAM 數(shù)控銑床（意大利，Sensor Medica 公司）中制作鞋墊，采用全吸塵砂輪機(jī)（溫州市甌海迪達(dá)機(jī)械廠）打磨。本研究所用的矯形鞋墊為雙密度乙烯醋酸乙烯酯（EVA）定制型鞋墊，其中足跟杯、內(nèi)外側(cè)縱弓部位材料邵氏硬度為60°，其余部位邵氏硬度為40°。矯形鞋墊成品見圖1。

圖1 雙密度EVA矯形鞋墊

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

1.3.1 下肢模型建立

參考以往研究構(gòu)建符合本實(shí)驗(yàn)要求的下肢模型[21-23]，將熒光標(biāo)記點(diǎn)置于受試者肩峰、股骨大轉(zhuǎn)子、股骨內(nèi)上髁、股骨外上髁、內(nèi)踝尖、外踝尖、足跟骨及第5跖骨頭處，左右兩側(cè)共16 個(gè)標(biāo)記點(diǎn)建立下肢模型。以肩峰、股骨大轉(zhuǎn)子、股骨外上髁連線的夾角為髖關(guān)節(jié)角度；股骨大轉(zhuǎn)子、股骨外上髁、外踝尖連線的夾角為膝關(guān)節(jié)角度；股骨外上髁、外踝尖及第5跖骨頭連線夾角為踝關(guān)節(jié)角度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)采集（圖2）。

圖2 下肢模型建立

1.3.2 數(shù)據(jù)采集

兩組受試者分別穿著極簡(jiǎn)鞋以最適步速在Motion動(dòng)作捕捉系統(tǒng)（美國(guó)，Motion 公司，攝像機(jī)數(shù)8 個(gè)，像素2352×1728，同步頻率120Hz）最佳視域及足底壓力板上行走；其中扁平足組分別以加入矯形鞋墊和無干預(yù)兩種方式行走，同步采集受試者足底壓力數(shù)據(jù)及運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，納入每名受試者步速差值不超過0.2 m/s優(yōu)勢(shì)側(cè)下肢的三次數(shù)據(jù)，取平均值進(jìn)一步分析。

1.4 指標(biāo)測(cè)量

1.4.1 支撐期各階段時(shí)間

以足底壓力測(cè)試系統(tǒng)中后跟觸地時(shí)刻、前掌觸地時(shí)刻、后跟離地時(shí)刻及全足離地時(shí)刻將行走支撐期分為著地階段、承重階段及離地階段[1，24，25]，各階段時(shí)間按每次測(cè)試支撐期總時(shí)間百分比進(jìn)行歸一化處理。

1.4.2 足部功能評(píng)測(cè)

以x 軸為支撐期時(shí)長(zhǎng)百分比（0～100%）、y 軸為足寬百分比建立坐標(biāo)系（-50%～+50%，負(fù)值表示足外側(cè)、正值表示足內(nèi)側(cè)），繪制壓力中心軌跡曲線圖[20，26]。以壓力中心軌跡在著地階段、承重階段的受力偏移及離地階段的水平偏移變化率評(píng)價(jià)后足、中足、前足的功能[20，26]。受力偏移為足底壓力中心軌跡在著地和承重階段水平方向最大偏移距離，用于反映足的穩(wěn)定能力；水平偏移變化率為離地階段曲線的平均斜率，用于反映負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力，評(píng)價(jià)蹬伸功能[27]。

1.4.3 下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)能力評(píng)測(cè)

觀察踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)在行走支撐期不同階段的角度變化特征，以此評(píng)價(jià)不同足型之間及加入鞋墊前后的下肢活動(dòng)能力，根據(jù)踝、膝、髖關(guān)節(jié)角度曲線計(jì)算下肢各關(guān)節(jié)角度在著地、承重和離地3 個(gè)階段的角度變化范圍，角度變化范圍為各關(guān)節(jié)在行走支撐期對(duì)應(yīng)階段最大角度與最小角度的差值。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

足型及足底壓力數(shù)據(jù)在PodMed及Footscan自帶軟件中采集分析，動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)在Cortex 軟件進(jìn)行處理，曲線繪制及計(jì)算在Origin2018 中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在spss25.0 中統(tǒng)計(jì)，以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。正態(tài)分布檢驗(yàn)采用Shapiro-Wilk 法，數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布時(shí)，組內(nèi)采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，組間采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)；當(dāng)數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布時(shí)，采用非參數(shù)檢驗(yàn)，組內(nèi)進(jìn)行Wilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)，組間進(jìn)行Mann-Whitney U 檢驗(yàn)。P＜0.05為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 支撐期各階段時(shí)間比較

表1顯示，在著地階段，扁平足組相對(duì)時(shí)長(zhǎng)低于正常足組（P=0.026）；加入矯形鞋墊后，扁平足組著地階段相對(duì)時(shí)長(zhǎng)增加，與干預(yù)前相比差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.007）；加入矯形鞋墊后扁平足行走支撐期著地階段時(shí)長(zhǎng)與正常足相比差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

表1 各組支撐期各階段時(shí)間比較（n=24，%）

在承重階段，正常足、扁平足組和加入矯形鞋墊的扁平足組穿極簡(jiǎn)鞋行走相對(duì)時(shí)長(zhǎng)差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

在離地階段，扁平足組相對(duì)時(shí)長(zhǎng)顯著高于正常足組（P=0.022），加入矯形鞋墊干預(yù)后扁平足組離地階段相對(duì)時(shí)長(zhǎng)與正常足組和扁平足組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

2.2 支撐期各階段足部功能比較

支撐期各階段足底壓力中心軌跡如圖3。在著地階段，壓力中心軌跡先向內(nèi)側(cè)偏移，隨后向外側(cè)過渡；在承重階段，壓力中心軌跡逐漸向足外側(cè)轉(zhuǎn)移；在離地階段，壓力中心軌跡向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)移，且水平偏移變化率較大。

圖3 足底壓力中心軌跡

如表2 所示，在著地階段，正常足、扁平足組和加入矯形鞋墊的扁平足組后足受力偏移差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；在承重階段，加入矯形鞋墊的扁平足組行走支撐期中足受力偏移低于正常足和扁平足組（P=0.007，P=0.049）；在離地階段，加入矯形鞋墊干預(yù)前后扁平足組的壓力中心水平偏移變化率均小于正常足（P=0.046，P=0.012）。

表2 各組受力偏移與水平偏移變化率比較（n=24）

2.3 支撐期各階段下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)能力比較

2.3.1 踝關(guān)節(jié)支撐期角度變化

踝關(guān)節(jié)角度變化曲線如圖4。在著地階段，踝關(guān)節(jié)角度增加，以該階段踝關(guān)節(jié)增加角度評(píng)價(jià)其緩沖功能；在承重階段，踝關(guān)節(jié)角度降低，以踝關(guān)節(jié)角度變化幅度評(píng)價(jià)其過渡功能；在離地階段，踝關(guān)節(jié)角度增加，以該階段踝關(guān)節(jié)角度最大值與最小值差評(píng)價(jià)其蹬伸功能。

圖4 踝關(guān)節(jié)角度變化曲線

由表3可知，正常足、扁平足組及加入矯形鞋墊干預(yù)后的扁平足組踝關(guān)節(jié)角度變化在行走支撐期著地階段、承重階段和離地階段差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

表3 各組踝關(guān)節(jié)各階段角度變化比較（n=24，度）

2.3.2 膝關(guān)節(jié)支撐期角度變化

膝關(guān)節(jié)角度變化如圖5。著地階段膝關(guān)節(jié)角度逐漸減?。辉诔兄仉A段，膝關(guān)節(jié)角度逐漸增大；后跟離地后，膝關(guān)節(jié)角度減小。

圖5 膝關(guān)節(jié)角度變化

由表4可知，在著地階段和承重階段，膝關(guān)節(jié)角度變化各組差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；在離地階段，扁平足組膝關(guān)節(jié)角度減小幅度高于正常足組（P=0.007），加入矯形鞋墊后，扁平足組膝關(guān)節(jié)變化角度大于未矯正的扁平足組及正常足組（P=0.047，P=0.000）。

表4 各組膝關(guān)節(jié)各階段角度變化比較（n=24，度）

2.3.3 髖關(guān)節(jié)支撐期角度變化比較

髖關(guān)節(jié)變化曲線如圖6。在著地階段和承重階段，髖關(guān)節(jié)角度增加，以其增加角度評(píng)價(jià)髖關(guān)節(jié)伸展性；在離地階段，髖關(guān)節(jié)角度先減小后增加，以最大角度變化范圍評(píng)價(jià)其活動(dòng)度。

圖6 髖關(guān)節(jié)角度變化

由表5可知，在著地階段，各組髖關(guān)節(jié)角度變化差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；在承重階段，扁平足加入矯形鞋墊前后髖關(guān)節(jié)角度變化均大于正常足（P=0.048，P=0.011），扁平足組干預(yù)前后差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；在離地階段，正常足組與扁平足組髖關(guān)節(jié)角度變化差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），加入矯形鞋墊后扁平足組髖關(guān)節(jié)角度變化低于扁平足組和正常足組（P=0.001，P=0.002）。

表5 各組髖關(guān)節(jié)各階段角度變化比較（n=24，度）

3 討論

3.1 矯形鞋墊對(duì)足部控制能力的影響

人體足部在自然站立情況下，主要通過足跟、第1和第5 跖骨部位進(jìn)行三點(diǎn)支撐[9，28]，而對(duì)于扁平足患者，內(nèi)側(cè)縱弓的下降通常伴隨足外翻，改變?nèi)梭w正常的力線，使其無法完成合理的三點(diǎn)支撐，增加損傷風(fēng)險(xiǎn)[3]。以往研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于扁平足患者，行走時(shí)后足和足弓部位的壓強(qiáng)和沖量都顯著高于正常足[25]，矯形鞋墊可根據(jù)患者足底壓力分布特點(diǎn)，通過改變鞋內(nèi)底形狀結(jié)構(gòu)及材料特性，增強(qiáng)足跟包裹性和緩沖性，支撐足弓，增加人體運(yùn)動(dòng)時(shí)足部的舒適感和控制能力[9，10]。

足底壓力中心軌跡是足底受力特征的重要指標(biāo)，通過壓力中心軌跡曲線特征和各階段時(shí)長(zhǎng)可評(píng)價(jià)足底受力偏移、水平偏移變化率，進(jìn)而反映足部控制能力和蹬伸能力等動(dòng)態(tài)足功能[20，29，30]。在著地階段，足通過足跟部位完成緩沖，以足跟軸向前滾動(dòng)[2]。本研究結(jié)果顯示，扁平足患者緩沖階段相對(duì)時(shí)長(zhǎng)低于正常足（P＜0.05），加入矯形鞋墊后，該階段時(shí)長(zhǎng)顯著增加，且與正常足無顯著差異。矯形鞋墊增加了后足緩沖時(shí)長(zhǎng)，有利于足跟著地時(shí)緩沖地面沖擊。在受力偏移上，并未發(fā)現(xiàn)三者存在明顯差異，這表明不同足型在著地時(shí)水平方向控制能力相近，扁平足與正常足后足穩(wěn)定性不存在差異。在承重階段，人體以足為支撐，通過踝關(guān)節(jié)軸完成重心向前的過渡，足主要通過足弓的下降完成重心的轉(zhuǎn)移[2，31]。本研究結(jié)果表明，該階段加入矯形鞋墊干預(yù)前后和正常足三者相對(duì)時(shí)長(zhǎng)不存在明顯差異，加入矯形鞋墊后壓力中心軌跡受力偏移顯著低于不加鞋墊行走，這可能是矯形鞋墊支撐了足弓，減小了內(nèi)側(cè)縱弓降低幅度，輔助足部承重，進(jìn)而提高了足弓在承重時(shí)的穩(wěn)定性。在離地階段，足通過前足和足趾的滾動(dòng)完成蹬伸，足部逐漸離開地面，重心向?qū)?cè)轉(zhuǎn)移。本研究發(fā)現(xiàn)，扁平足離地階段相對(duì)時(shí)長(zhǎng)高于正常足（P＜0.05），且扁平足蹬伸時(shí)壓力中心軌跡水平偏移變化率低于正常足，這表明扁平足將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到對(duì)側(cè)足的能力較差，蹬伸效率較低。研究表明，扁平足患者在樓梯行走時(shí)為控制關(guān)節(jié)的過度外旋增加了肌肉的激活程度[32]，可推測(cè)扁平足患者正常行走下肢異常力線也可能需要肌肉額外做功，降低了蹬伸效率。加入矯形鞋墊后，扁平足組離地階段壓力中心軌跡水平偏移變化率并未提高，矯形鞋墊對(duì)蹬伸離地功能的促進(jìn)作用不明顯。可見加入矯形鞋墊有利于扁平足患者行走時(shí)后足的緩沖和足弓的穩(wěn)定性，但對(duì)扁平足患者蹬伸能力提升不顯著。

3.2 矯形鞋墊對(duì)下肢活動(dòng)能力的影響

3.2.1 矯形鞋墊對(duì)踝關(guān)節(jié)的影響

在行走支撐期，踝關(guān)節(jié)主要通過背屈和跖屈完成足的緩沖、過渡和蹬伸功能，在著地階段，踝關(guān)節(jié)由于地面反作用力產(chǎn)生小幅度的跖屈[31]，用這一跖屈角度變化可評(píng)價(jià)踝關(guān)節(jié)在著地階段的緩沖功能。本研究結(jié)果表明，踝關(guān)節(jié)跖屈角度變化在正常足與扁平足干預(yù)前后均無差異，均介于5°～6°之間，這與前人研究結(jié)果一致[31]。在承重階段，踝關(guān)節(jié)角度逐漸減小，足背屈使小腿以踝關(guān)節(jié)軸向前滾動(dòng)。在離地階段，踝關(guān)節(jié)跖屈完成蹬伸[2，31]，但測(cè)試結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)組內(nèi)和組間踝關(guān)節(jié)角度變化的差異，矯形鞋墊對(duì)踝關(guān)節(jié)活動(dòng)能力影響較小。

3.2.2 矯形鞋墊對(duì)膝關(guān)節(jié)的影響

膝關(guān)節(jié)是保證合理的下肢力線進(jìn)行動(dòng)量傳遞的重要結(jié)構(gòu)，膝關(guān)節(jié)在著地階段進(jìn)行小幅度的屈曲以緩沖中心的下降，對(duì)于該階段膝關(guān)節(jié)的角度變化，扁平足組和正常足組以及扁平足組加入矯形鞋墊干預(yù)前后并未發(fā)現(xiàn)有顯著差異。在承重階段，膝關(guān)節(jié)逐漸伸展，保持下肢動(dòng)量以足為支撐進(jìn)行傳遞，完成重心向前的過渡；在離地階段，足跟抬起，足與地面的接觸面積減小，膝關(guān)節(jié)屈曲以降低身體重心維持平衡。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，正常足以及加入矯形鞋墊前后的扁平足在離地階段膝關(guān)節(jié)屈曲角度均存在顯著差異，其中正常足屈曲角度變化最小，加入矯形鞋墊干預(yù)后的扁平足膝關(guān)節(jié)屈曲變化最大。蹬伸時(shí)，足主要通過跖趾關(guān)節(jié)的伸展，通過足底筋膜的絞盤效應(yīng)起到剛性杠桿作用，推動(dòng)人體前進(jìn)[1]。對(duì)扁平足患者跖趾關(guān)節(jié)活動(dòng)度的研究發(fā)現(xiàn)，扁平足患者跖趾關(guān)節(jié)通常較為僵硬，活動(dòng)受限[20，33]，這使得跖趾關(guān)節(jié)無法有效伸展以完成足底絞盤效應(yīng)，武明等[34]的研究通過增加鞋底硬度限制跖趾關(guān)節(jié)，發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)角度變化代償性增加，相關(guān)研究也表明跖趾關(guān)節(jié)功能對(duì)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)有著重要影響[33，35]。離地蹬伸時(shí)加入矯形鞋墊的膝關(guān)節(jié)活動(dòng)度大于無鞋墊干預(yù)，可能是跖趾關(guān)節(jié)受限所致，加入矯形鞋墊干預(yù)會(huì)使膝關(guān)節(jié)發(fā)生代償活動(dòng)。

3.2.3 矯形鞋墊對(duì)髖關(guān)節(jié)的影響

髖關(guān)節(jié)是下肢重要的靈活關(guān)節(jié)，在著地階段和承重階段，髖關(guān)節(jié)伸展以輔助下肢圍繞足跟軸和踝關(guān)節(jié)軸滾動(dòng)[2，31]；在離地階段，髖關(guān)節(jié)需緩沖對(duì)側(cè)足著地進(jìn)行屈曲，用于緩沖對(duì)側(cè)足的地面反作用力，維持平衡，同時(shí)髖關(guān)節(jié)還需伸展以完成下肢的蹬伸[2，31]。本研究結(jié)果表明，在承重階段，矯形鞋墊干預(yù)前后扁平足組髖關(guān)節(jié)伸展角度均大于正常足組，雖然矯形鞋墊支撐了扁平足的足弓，但足-鞋整體結(jié)構(gòu)剛性仍然較高，不能充分完成正常足足弓下降承重的功能，這使得承重階段身體負(fù)荷向前過渡時(shí)需要髖關(guān)節(jié)代償，導(dǎo)致該階段髖活動(dòng)度增加。在離地階段，扁平足與正常足髖關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍無顯著性差異，加入矯形鞋墊后，相比于無矯形鞋墊和正常足，髖關(guān)節(jié)在離地階段的活動(dòng)能力受限。

綜合以上結(jié)果可知，在著地階段，矯形鞋墊有助于增加扁平足患者的后足緩沖能力；在承重階段，矯形鞋墊提高了足-鞋整體性，增加了足弓部位的控制能力，但對(duì)髖關(guān)節(jié)代償?shù)那旖嵌葲]有改善；在離地階段，加入矯形鞋墊使得膝關(guān)節(jié)角度產(chǎn)生了代償，但對(duì)扁平足患者蹬伸效率改善不明顯。

4 結(jié)論

矯形鞋墊提高了足-鞋整體性，增強(qiáng)了扁平足患者行走支撐期后足緩沖和足部控制能力，但矯形鞋墊干預(yù)使膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)產(chǎn)生了代償活動(dòng)，不利于足部蹬伸；對(duì)扁平足的矯正要結(jié)合下肢功能的康復(fù)訓(xùn)練和矯形鞋墊等輔助器械。