足部生物力学实验研究进展

足部生物力学实验研究进展摘要:人体足底压力测量、步态分析及足数字模型是目前足部生物力学研究的热点，为足部疾病基础研究和康复功能研究提供了有效的支持。现从基础研究、临床应用及足部功能康复角度出发，对上述三种应用技术在足部生物力学研究中的应用作出总结。根据临床常见足部疾病的解剖学特点与生物力学机制，在足部功能康复领域对足部生物力学在临床与市场需求的应用展开论述，并对今后的研究工作提出展望。关键词:足;生物力学;足底压力;步态分析TheExperimentalResearchDevelopmentofFootBiomechanicsAbstract:Thehumanplantarpressuremeasurement，gaitanalysisanddigitalmodelingofhumanfootarethreeimportantaspectsinbiomechanicalstudyoffoot，therearesomeeffectivesupportsforthebasicstudyoffootdiseasesandfunctionalrehabilitation．Inthispaper，thethreeappliedtechnologyinthestudyoffootbiomechanicscharacteristicsandperspectiveweredescribedfromthebasicresearches，clinicalapplicationsandrehabilitationoffootfunction．Accordingtotheanatomiccharacteristicsandbiomechanicalmechanismsofcommonfootdisorders，theclinicalapplicationandmarketdemandoffootbiomechanicsarereviewedbythefootfunctionalrehabilitationresearchandfurtherpromisingstudiesareproposed．Keywords:Foot;Biomechanics;Plantarpressure;Gaitanalysis生物力学研究最早以血管残余应力研究［1］为起点，发展到目前已深入到生物材料、医学等众多领域。该研究在医学领域的研究范围涉及人体各个组织系统，而足部生物力学的研究更是其重要组成部分。足部生物力学的兴起不仅是临床和基础研究的共同作用，并逐渐成为足外科基础研究与临床应用中不可或缺的技术手段。随着现代电子测量技术及智能化步态分析系统的广泛应用，使得其中某些复杂的功能性问题的研究成为可能，针对足部生物力学研究中的变化，适时地综述前人的工作经验与进展，将有助于今后更好地开展研究工作。1足底压力测量及应用长期以来，研究者认为对足底和支撑面之间的压力分布的测量可以为研究足部结构、功能和体态控制获得大量有用的信息［2］，同时还可以利用这些信息对一些足部疾病作出合理的解释。目前国内外对正常人群和偏瘫患者足底压力研究较多［3－5］，最早的足底压力分布测量研究是1882年由Beely完成的［6］。并有大量文献报道，如外翻、糖尿病足等，足底压力分布均有一定的规律性［7］。Minns［8］对跖痛患者与正常人的足底压力测量分析后指出:在静态站立时，两者足的最大压力分布无明显差别，但行走时正常者的足趾在离地前的最大压力多集中在前足中部，而病患者的足趾在离地前的最大压力多集中在前足外侧部。Lord等［9］研究显示，当足溃疡时，前足支撑的压力分布异常增大。糖尿病患者步行时足底着地加压时间显著长于正常人。足底压力测量不仅可以进行足疾病诊断分析，而且在现代假肢设计、功能鉴定及肢体功能康复中具有积极的作用，通过对足结构和足底压力以及步态特征的研究，设计出适合患者步行的假肢或功能矫形鞋，以检测、修正和完善假肢的功能。Ledoux等［10］利用足底压力测量数据对矫形足弓垫减轻足跟损伤后疼痛的机制进行了研究分析，发现矫形足弓垫可以改变足底压力分布，减轻足跟负重，从而缓解足跟痛症。Rosenbaum等［11］对假肢置换者步态研究后指出:足底压力测试获得的信息与数据，对掌握假肢在解剖学和生物力学上的足底负荷特征带来有效的帮助，更加有利于假肢设计的科学性。同时在运动医学领域，对“足-鞋”和“鞋-地”界面的特征研究，揭示鞋底硬度、鞋体结构等因素对足健康的影响，并指导人们健康穿鞋，为足疾和假肢患者提供个性化的康复服务。2步态分析随着新型传感技术的出现以及计算机应用技术的广泛深入，步态研究在足运动生物力学中日显重要地位。孙鲁等［12］对33例跟骨骨折患者应用步态分析系统发现，随着损伤的加重，患足较健侧足的站立相对时间逐渐延长。Fatone等［13］通过三维步态分析系统发现，健侧和患侧下肢肌力大小和形态明显不同，藉此可客观评定步态异常的机制。在康复医学上不对称步态的研究较多，评价偏瘫步态已成为一种常规的手段［14，15］，从而客观地判断和掌握患者的步态特征，进一步提出有价值的治疗方案。根据步态的生物力学分析，不仅可以对患者的运动能力进行评价，而且患者本身的耐受性也可以通过步态训练得以增强。老年人股四头肌和小腿三头肌功能随年龄增长衰退明显，老年人应注意这两处运动能力的练习［16］。因此步态分析将逐步引入到临床应用中，协助治疗方案的制订，特别是对患者步行功能康复治疗，通过建立足部运动学模型，进行相应肢体和关节的步态运动学分析，以此作为医学及康复应用的辅助工具，但由于缺乏规范化、标准化的指导原则，仍需要进一步研究探讨。3足部生物力学模型通过全面了解正常和非正常足部在不同载荷下的应力分布和运动状态，可以为人们研究足部生理学和病理学提供十分有用的信息。因此，能否提出合理的足部生物力学模型进行计算分析，成为足部生物力学研究的关键。并已有一些文献报道了相关研究情况［17－21］。借助于数值模型和有限元分析，研究人员已经可以从中探索和研究一些复杂的足部功能原理和足部疾病的病因。但目前对于韧带、肌肉和肌腱等其他软组织结构模型建立，仍主要从解剖学研究中获得它们的几何数据，而这些组织结构与骨骼系统的结构功能联系，在模型中建立仍是难点之一，如何解决它们之间的功能联系将是今后模型建立及应用分析的重点。4常见足部疾病相关生物力学4．1踝关节损伤的生物力学研究踝关节是人体重要的负重和传动关节。Putti等［22］计算了踝关节在力的传导中超过体质量的2倍。同时踝关节在运动中易受伤［23］。据统计，在所有体育运动损伤中，踝关节损伤占25%［24］。踝关节如此容易受伤使得许多人都希望了解踝关节受伤的机制。但以往在临床上对踝关节的不稳定缺乏必要的认识。近年来，已有很多学者就踝关节不稳作了大量的生物力学和临床研究。Michelle［25］报道了踝的跖屈和背屈对人的步态、平衡有很密切的关系。Butler等［26］也报道了腿部力量特别是踝关节的力量在日常活动中的重要性。通过对踝关节力量的测试可以预测人体摆动、平衡、跌跤的可能性，腿部肌肉和踝部肌的另外一个重要作用是能够吸收来自地面的冲击，对关节起到保护作用。因此踝关节的稳定性对其保持负重和运动功能具有重要的意义。但目前对于踝关节生物力学的研究结果大多仍是通过离体标本或人工模型研究所得，而且研究方法比较单一，大多是单因素的体外研究，容易造成结果的不全面。因此，对于踝关节的生物力学研究方法有待于改进，以期更深入地研究和探讨踝关节的在体运动及损伤机制。4．2踇外翻的生物力学研究踇外翻是足趾向外侧过度倾斜所引起的一种足趾畸形，多发于女性，大多由于穿鞋不当所致，手术治疗目前多数存在二次翻修的可能。严重者对行走功能有很大影响，近年在临床受到越来越多的重视。陈宝兴［27］曾统计踇外翻的治疗方法近200余种。因此应用生物力学方法研究外翻引起的足变化，更有助于对踇外翻的进一步认识和对症治疗。首先是踇外翻与足橫弓之间的关系。Adams等［28］较早进行了外翻足的X线摄影，提供了踇外翻中足横弓的塌陷的影像学数据。踇外翻患者有明显的足横弓塌陷现象，趾解剖结构发生改变。其次是跖趾间解剖位置关系与前足受力区的外移。正常人前足的压力分布从第一至第五跖骨头区依次减小，而踇外翻患者存在前足受力区外移的趋势，且这种趋势与踇外翻畸形程度相关［29，30］。吴立军等［31］研究发现，踇外翻患者在直线行走时第1、2跖骨头压力明显增高。由此可见，如何改善第1、2跖骨的解剖关系及其在前足的受力分布，是踇外翻临床治疗的关键所在。因此，通过对踇外翻生物力学的研究，从跖趾结构关系入手，探究踇外翻畸形的形成机制及发生后的功能变化，结合个体的习惯特点，加强踇外翻畸形的早期诊断和治疗，是目前临床和矫形康复的重点。4．3扁平足的生物力学研究扁平足是常见足外科功能畸形症，以足弓降低或消失为主要特征。主要多发于青少年时期，30%以上的婴儿在出生时足弓都有降低并跟骨外翻现象［32，33］，但随着生理发育的成熟，逐渐趋于正常。Lee等［34］对扁平足进行了解剖学描述:人站立时，距骨、跖屈、距下联合关节过度外翻，跟骨相对胫骨跖屈，舟骨背屈并外展，足前部旋后。Carson等［35］研究认为，舟骨下陷的足比正常足更柔软。因此对扁平足的研究应该从其生物力学特点上深入。随着对扁平足引起的走姿不雅等负面影响的关注，以及人们对应用足底压力分析步态重要性认识的逐步加深，利用足底压力信息对矫正扁平足患者的步态研究将是今后步态矫形的热点之一。5展望综上所述，到目前为止足部生物力学虽然已经取得了很多研究成果，但仍有局部问题尚待研究。未来的研究可能会从以下几个方面展开:足部生物力学进一步促进足部病理和足部功能深入性研究;随着研究手段的进步，足部三维运动参数的获取与临床应用的结合;完善足部三维有限元模型以及足部运动状态下压力、应力的准确测量，并根据个体差异，准确定制设计不同的康复矫形器、功能鞋以及假肢等，以期更好地为患者的术后康复评定及功能恢复服务。参考文献［1］刘人怀，王璠．浅谈我国生物力学的研究近况［J］．暨南大学学报，2001，22(1):59-62．［2］李建设，王立平．足底压力测量技术在生物力学研究中的应用与进展［J］．北京体育大学学报，2005，28(2):191-193．［3］黄海晶，王志彬，金鸿宾．正常行走足底压力测定与临床作用［J］．中国矫形外科杂志，2007，15(3):210-212．［4］Forner-CorderoA，KoopmanVH，vanderHelmFC．Inversedynamicscalculationsduringgaitwithrestrictedgroundreactionforceinformationfrompressureinsoles［J］．GaitPosture，2006，23(2):189-199．［5］MurphyDF，BeynnonBD，MichelsonJD，etal．Efficientofplantarloadingparametersduringgaitintermsofreliablityvailability，effectofgenderandrelationshipbetweencontactareaandplantarpressure［J］．FootAnkleInt，2005，26(2):171-179．［6］ElftmanNW．Nonsurgicaltreatmentofadultacquiredflatfootdeformity［J］．FootAnkleClini，2003，8(3):473-489．［7］GizaE，CushG，SchonLC，etal．theflexibleflatfootintheadult［J］．FootAnkleClin，2007，12(2):251-271．［8］MinnsRJ．Theroleofgaitanalysisinthemanagementoftheknee［J］．K