生物力學(xué)參數(shù)無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)評(píng)估糖尿病足風(fēng)險(xiǎn)的研究進(jìn)展

李一鳴，丁 紅

復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院超聲醫(yī)學(xué)科，上海 200040

糖尿病足是糖尿病的嚴(yán)重并發(fā)癥之一，其中預(yù)后最差的是糖尿病足潰瘍，其發(fā)生率在糖尿病患者中高達(dá)10%，是糖尿病患者致殘、致死的重要原因，造成極大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。糖尿病足發(fā)生、發(fā)展的主要因素包括周?chē)窠?jīng)病變、血管病變、感染和創(chuàng)傷等。目前糖尿病足的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要包括病史資料、周?chē)窠?jīng)和血管病變的評(píng)估，以及皮膚和肌肉骨骼異常的檢查，但缺乏早期準(zhǔn)確識(shí)別糖尿病足的理想方法和早期干預(yù)的直接標(biāo)識(shí)［1］。

糖尿病足進(jìn)展過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)異常。感覺(jué)神經(jīng)病變導(dǎo)致疼痛的感覺(jué)減少或缺失，運(yùn)動(dòng)神經(jīng)異常引發(fā)踝反射減少、肌肉功能障礙、足畸形等異常，可潛在影響關(guān)節(jié)活動(dòng)能力，改變行走模式，感覺(jué)與運(yùn)動(dòng)神經(jīng)病變直接引發(fā)足底負(fù)荷異常［2］。部分基于足底軟組織硬度或黏彈性等生物力學(xué)特性與足底負(fù)荷參數(shù)的相關(guān)性的研究［3-5］表明，足底負(fù)荷與足底軟組織生物力學(xué)特性之間存在潛在聯(lián)系。在過(guò)度的機(jī)械應(yīng)力刺激下，足底軟組織發(fā)生生物力學(xué)特性變化，可增加足部損傷和潰瘍的風(fēng)險(xiǎn)。足底壓力可反映足底負(fù)荷，通過(guò)監(jiān)測(cè)足底壓力可量化評(píng)估足底負(fù)荷，在損傷預(yù)防、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究方面具有重要價(jià)值。足底軟組織硬度可在一定程度上量化足底軟組織生物力學(xué)特性，組織彈性性質(zhì)可以反映組織硬度［6-7］。近年來(lái)有研究［8-10］使用彈性成像、組織超聲觸診系統(tǒng)及力學(xué)儀器等方法對(duì)足底組織生物力學(xué)特性進(jìn)行了初步量化研究。因此，了解足底負(fù)荷、足底軟組織生物力學(xué)特性和潰瘍風(fēng)險(xiǎn)之間的潛在相互作用對(duì)于潰瘍風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估極其重要。本文旨在綜述有關(guān)無(wú)創(chuàng)力學(xué)量化方法在糖尿病足早期篩查、潰瘍風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和干預(yù)治療效果評(píng)價(jià)方面的研究進(jìn)展。

1 足底壓力分布系統(tǒng)評(píng)估糖尿病足

1.1 足底壓力變化誘發(fā)糖尿病足潰瘍的原理

足底壓力增加至創(chuàng)傷閾值可直接引發(fā)足底損傷，重復(fù)創(chuàng)傷引起的足底累積應(yīng)力是促進(jìn)足底潰瘍生成或抑制潰瘍愈合的重要機(jī)制。Waaijman等［1］指出，復(fù)發(fā)性足底潰瘍患者的足底組織累積應(yīng)力高于未發(fā)生足底潰瘍的患者［（715±538）MPa·s·d-1vs（652±436） MPa·s·d-1］；同時(shí)有研究［11］表明，潰瘍愈合者足底組織累積應(yīng)力較潰瘍未愈合者降低25%，潰瘍體表面積減少≥75%的患者，足底組織累積應(yīng)力降低了49%。

糖尿病周?chē)窠?jīng)病變與足底壓力變化密切相關(guān)。周?chē)窠?jīng)病變導(dǎo)致軀體感覺(jué)減少和足踝部感覺(jué)變化，軀體感覺(jué)信息在運(yùn)動(dòng)及平衡控制調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要的反饋?zhàn)饔?，保護(hù)性感覺(jué)缺失或痛性神經(jīng)病變導(dǎo)致站立或行走時(shí)足底壓力模式改變，隨之而來(lái)增加的物理創(chuàng)傷直接增加足部潰瘍的風(fēng)險(xiǎn)［12］。周?chē)窠?jīng)病變相關(guān)的關(guān)節(jié)活動(dòng)受限和足部畸形亦可導(dǎo)致足底壓力增加或足底壓力分布不均，進(jìn)而增加足部潰瘍風(fēng)險(xiǎn)［13］。夏科足是一種主要因周?chē)窠?jīng)病變進(jìn)展為足部畸形的糖尿病嚴(yán)重并發(fā)癥。一項(xiàng)對(duì)夏科足的研究［14］揭示了在中足區(qū)，潰瘍復(fù)發(fā)概率達(dá)50%，明顯高于非夏科足（1.8%）。

1.2 足底壓力分布系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)指標(biāo)

足底壓力分布系統(tǒng)可揭示足底表面和支撐面之間的界面壓力，在生物醫(yī)學(xué)和運(yùn)動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，涉及運(yùn)動(dòng)性能分析、預(yù)防損傷、平衡控制改善、康復(fù)支持系統(tǒng)和鞋類(lèi)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，通常配置有壓力分布平臺(tái)、鞋內(nèi)系統(tǒng)和圖像處理軟件［8］。壓力平臺(tái)系統(tǒng)通常用于實(shí)驗(yàn)研究，可進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)。壓力平臺(tái)靜止平坦使用便捷，缺點(diǎn)是要求患者步態(tài)自然，測(cè)試持續(xù)時(shí)間較短。鞋內(nèi)系統(tǒng)則可以在日常生活中以簡(jiǎn)單有效的方式監(jiān)測(cè)個(gè)人足底壓力參數(shù)，基于小型化傳感器、無(wú)線(xiàn)通信、計(jì)算信息技術(shù)的進(jìn)步，此類(lèi)智能穿戴監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)展迅速［15-16］。

足底壓力系統(tǒng)最常用的監(jiān)測(cè)參數(shù)有峰值壓力和壓力-時(shí)間積分。峰值壓力指?jìng)鞲衅魉艿降淖畲髩毫Φ暮狭ψ饔迷谧愕姿a(chǎn)生最大效果的總和，其大小是足底損傷重要危險(xiǎn)因素。壓力-時(shí)間積分指某區(qū)域內(nèi)壓力-時(shí)間曲線(xiàn)下面積，反映足底在一定時(shí)間內(nèi)壓力所產(chǎn)生的積累效應(yīng)，在疾病或損傷早期或康復(fù)期間監(jiān)測(cè)評(píng)估足底壓力的異常具有重要意義［8］。

1.3 足底壓力監(jiān)測(cè)糖尿病足的臨床價(jià)值

探索足底峰值壓力閾值可評(píng)估糖尿病足潰瘍發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。研究［17］發(fā)現(xiàn)，赤腳足底峰值壓力增加與潰瘍風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)，糖尿病患者足底壓力峰值高于6 kg/cm2時(shí)，特定部位發(fā)生潰瘍的概率提高6倍。Abbott等［17］的研究提出，高于臨界閾值，足底峰值壓力與糖尿病足潰瘍史具有部位特異的強(qiáng)相關(guān)性，指出壓力峰值高于4.1 kg/cm2可作為識(shí)別足底特定部位糖尿病足潰瘍的最佳臨界閾值，其靈敏度和特異度在足中部分別為100%和79%、在第5跖頭處分別為80%和65%、中足和跖骨頭聯(lián)合區(qū)分別為73%和62%，應(yīng)用峰值壓力閾值可識(shí)別先前發(fā)生足部潰瘍部位，準(zhǔn)確評(píng)估重復(fù)潰瘍的風(fēng)險(xiǎn)。

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)足底壓力，可及時(shí)干預(yù)卸載壓力從而預(yù)防糖尿病足潰瘍發(fā)生。與赤腳足底壓力增加容易引發(fā)足部潰瘍類(lèi)似，一項(xiàng)間接研究［18］顯示，較高的鞋內(nèi)足底峰值壓力與隱匿創(chuàng)傷引起的足部潰瘍風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)，治療性鞋履中的足底峰值壓力隨著時(shí)間推移而降低，而非治療性鞋履中的足底峰值壓力隨著時(shí)間推移而增加；與非治療性鞋相比，治療性鞋的鞋內(nèi)足底壓力較低，潰瘍發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)較小。因此，通過(guò)降低足底峰值壓力來(lái)預(yù)防足部潰瘍對(duì)糖尿病患者至關(guān)重要。眾多研究［18-19］曾報(bào)道，應(yīng)用不同的裝置卸載足底壓力用于防止糖尿病足潰瘍的發(fā)生或復(fù)發(fā)，大多數(shù)旨在通過(guò)矯正調(diào)節(jié)足底定位，增加緩沖和增加足底支撐來(lái)改變足底壓力。

2 足底軟組織硬度評(píng)估糖尿病足

2.1 足底硬度變化與糖尿病足潰瘍發(fā)生的原理

目前關(guān)于糖尿病患者足底軟組織生物力學(xué)性質(zhì)變化誘發(fā)足部潰瘍的機(jī)制尚未完全清晰。糖尿病患者長(zhǎng)期的高血糖狀態(tài)導(dǎo)致糖分子與蛋白質(zhì)或脂質(zhì)分子的非酶結(jié)合即糖基化水平增高，引發(fā)人體內(nèi)部軟組織的結(jié)構(gòu)和功能變化［20］。有研究［21］利用Dixon化學(xué)移位MRI揭示糖尿病神經(jīng)病變患者與健康對(duì)照組相比，跟下脂肪墊內(nèi)脂肪信號(hào)分?jǐn)?shù)降低（0.55±0.11vs0.72±0.03，P＜0.005），步行時(shí)足底壓力峰值增加［（391±119）kPavs（325±53）kPa，P＞0.05）］，提示脂肪墊的成分變化可損害足底軟組織分配壓力的緩沖能力，即其產(chǎn)生的生物力學(xué)特性變化使足底軟組織更容易受到損傷，造成足部發(fā)生潰瘍的風(fēng)險(xiǎn)增加。

足底局部組織硬化可能是損傷的潛在標(biāo)志。如果疼痛閾值確實(shí)是足底壓力過(guò)載的閾值，重復(fù)加載超過(guò)閾值強(qiáng)度的負(fù)荷則會(huì)造成健康足的軟組織損傷。研究［22］發(fā)現(xiàn)，在健康人足底加載負(fù)荷至疼痛閾值，剪切波彈性成像結(jié)果顯示高于疼痛閾值的負(fù)荷可導(dǎo)致加載區(qū)組織僵硬，而低于疼痛閾值的負(fù)荷則無(wú)該效果。糖尿病周?chē)窠?jīng)病變患者痛覺(jué)閾值升高，導(dǎo)致足底軟組織在反復(fù)超負(fù)荷作用下生物力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，嚴(yán)重者造成不可逆性組織損傷繼而發(fā)生潰瘍，而檢測(cè)組織硬度的變化有望間接評(píng)估組織損傷程度。

2.2 足底軟組織硬度檢測(cè)方法

現(xiàn)有研究使用超聲彈性成像、組織超聲觸診系統(tǒng)和支撐式硬度計(jì)來(lái)檢測(cè)足底軟組織硬度。超聲彈性成像從影像學(xué)和生物力學(xué)角度計(jì)算組織的彈性模量而無(wú)創(chuàng)評(píng)估組織硬度。應(yīng)變彈性成像通過(guò)計(jì)算組織受壓后產(chǎn)生的形變而定性評(píng)估組織的相對(duì)硬度，但手動(dòng)施加應(yīng)力頻率的不穩(wěn)定性容易影響硬度測(cè)量的準(zhǔn)確性［23］；剪切波彈性成像通過(guò)測(cè)量組織受壓后的剪切波速度反映軟組織硬度［24］。現(xiàn)有部分研究利用剪切波彈性成像評(píng)估肌肉、肌腱、周?chē)窠?jīng)病變的生物力學(xué)特性［25］。組織超聲觸診系統(tǒng)向軟組織發(fā)射和接收超聲脈沖信號(hào)，再通過(guò)估算速率計(jì)算有效楊氏模量［26］。支撐式硬度計(jì)可通過(guò)測(cè)量材料抗壓痕性能來(lái)測(cè)試軟性材料的硬度［4，27］。

2.3 足底硬度變化評(píng)估糖尿病足的臨床價(jià)值

利用超聲彈性成像探討足底軟組織的生物力學(xué)特性與糖尿病之間的關(guān)系，輔助評(píng)估糖尿病足并發(fā)癥嚴(yán)重程度，并對(duì)患者進(jìn)行危險(xiǎn)分層。Naemi等［28］的研究揭示患者空腹血糖水平與第一跖骨頭處剪切波速度存在正相關(guān)性，且糖尿病組足底軟組織硬度較前驅(qū)糖尿病組更高，這些變化可能由于高糖基化水平導(dǎo)致的足底組織學(xué)變化。與對(duì)照組相比，糖尿病患者足底多處部位的軟組織硬度隨糖尿病及并發(fā)癥嚴(yán)重程度增加［26］。同時(shí)周?chē)窠?jīng)病變亦可能是增加足底軟組織硬度的影響因素，在進(jìn)行相同水平日常活動(dòng)負(fù)荷的研究中，存在周?chē)窠?jīng)病變患者的足底整體硬度高于無(wú)周?chē)窠?jīng)病變的糖尿病患者（39.54±7.13vs25.7±6.31，P=0.001），提示周?chē)窠?jīng)病變對(duì)足底軟組織產(chǎn)生負(fù)面影響［9］。但另有研究［29］持與之相反的觀(guān)點(diǎn)，該項(xiàng)為期12個(gè)月的前瞻性研究指出，第1跖頭處足底組織硬度低的患者糖尿病足潰瘍風(fēng)險(xiǎn)較高。

3 足底壓力分布與足底硬度的相關(guān)性

從人體工程學(xué)的角度來(lái)看，軟組織受損將造成組織的力學(xué)行為發(fā)生變化，反之則表明由軟組織損傷引起的生物力學(xué)變化可以用來(lái)檢測(cè)損傷的嚴(yán)重程度。在糖尿病足的監(jiān)測(cè)中可以合理利用足底壓力分布和組織生物力學(xué)特性（硬度）的改變、組織損傷的之間的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)早期診斷與及時(shí)干預(yù)［22］。

足底壓力分布與足底硬度的相關(guān)性在健康人群中的研究［4］結(jié)果指出，在中、后足區(qū)足底組織硬度與足底壓力呈正相關(guān)，即足底軟組織較硬的區(qū)域，足底壓力較高。糖尿病周?chē)窠?jīng)病變患者前足區(qū)足底組織硬度與壓力峰值以及壓力時(shí)間積分之間存在顯著正相關(guān)性。這表明并發(fā)周?chē)窠?jīng)病變的糖尿病患者在日?；顒?dòng)中分配機(jī)械應(yīng)力的減震能力較低，過(guò)度的足底壓力負(fù)荷可能會(huì)加重足底軟組織的僵硬，從而減弱均勻分布異常足底壓力的能力。

但目前也有不同結(jié)論的研究報(bào)道。Allan等［27］的研究表明，糖尿病周?chē)窠?jīng)病變患者足底第一跖骨頭處壓力-時(shí)間積分與足底組織硬度呈負(fù)相關(guān)（r=-0.354，P=0.027），糖尿病患者足底壓力負(fù)荷通常更高，根據(jù)該研究所持觀(guān)點(diǎn)，糖尿病患者足底組織會(huì)更軟。增加軟組織的形變能力可以提高組織均勻分布足底負(fù)荷的能力，足底組織變軟可以理解為通過(guò)降低相同外力所產(chǎn)生的足底壓力來(lái)降低軟組織損傷的風(fēng)險(xiǎn)，但過(guò)度的形變可導(dǎo)致過(guò)度機(jī)械應(yīng)變，增加組織的損傷風(fēng)險(xiǎn)。足底組織變軟是否為一種降低損傷風(fēng)險(xiǎn)的積極適應(yīng)反應(yīng)，還是一種增加損傷風(fēng)險(xiǎn)的消極變化尚需要進(jìn)一步探究［27］。

4 人工智能在力學(xué)參數(shù)監(jiān)測(cè)糖尿病足領(lǐng)域的應(yīng)用前景

糖尿病足臨床診斷復(fù)雜，且因缺乏早期癥狀而具較強(qiáng)隱蔽性。近年來(lái)隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展及糖尿病患者臨床、社會(huì)人口、足部照片、溫譜圖等大數(shù)據(jù)信息的共享，利用機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法對(duì)糖尿病足的早期篩查與診斷監(jiān)測(cè)研究［30］不斷涌現(xiàn)，主要涉及利用人工智能篩查糖尿病足、評(píng)估糖尿病足潰瘍風(fēng)險(xiǎn)、識(shí)別糖尿病足潰瘍及評(píng)判病變嚴(yán)重程度等方面。

利用人工智能算法處理足底力學(xué)參數(shù)在糖尿病足的診療方面同樣具有研究前景，由于傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，未來(lái)在無(wú)需更復(fù)雜和昂貴的成像技術(shù)的背景下，利用可穿戴設(shè)備可輕松獲取糖尿病患者足底的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)糖尿病足精確和個(gè)性化早期篩查及時(shí)干預(yù)提醒。研究設(shè)計(jì)的智能鞋墊系統(tǒng)提供的持續(xù)足底壓力監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)卸載足底負(fù)荷指令引導(dǎo)可以減少糖尿病足潰瘍復(fù)發(fā)［18］。Abbott等［16］的研究結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，干預(yù)組潰瘍發(fā)生率降低71%。研究［19］設(shè)計(jì)了智能鞋墊系統(tǒng)集成溫度和壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)了在家中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)個(gè)人的足底壓力和溫度，有助于早期發(fā)現(xiàn)足部問(wèn)題。

5 總結(jié)與展望

在糖尿病足進(jìn)展的過(guò)程中監(jiān)測(cè)足底壓力與硬度的變化有望實(shí)現(xiàn)早期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)糖尿病足并發(fā)癥的病變部位及嚴(yán)重程度，并具有簡(jiǎn)便無(wú)創(chuàng)、量化評(píng)估的優(yōu)勢(shì)，借助人工智能方法快速分析，提供干預(yù)方案，實(shí)現(xiàn)在疾病早期預(yù)測(cè)，延緩潰瘍進(jìn)展，減少截肢率，提高患者生存質(zhì)量。