足底壓力測量在步態分析中的應用

2021-02-11 冠一科儀

足底壓力研究可揭示人體在不同狀態下的足底壓力特徵,即運動過程中足的動力學特性。它已逐漸成為臨床生物力學研究診斷病理足與足部康複評定的重要手段。其測量手段發展歷經對足底的壓力及分布做出定性判斷足印技術、依光學反射原理的足底壓力掃描技術和依傳感器的力板與測力臺技術、壓力墊技術等。

隨著新型傳感器技術的壓力測量儀器的發展與計算機技術的廣泛應用,足底壓力測量技術在臨床醫療診斷及康復醫學中得到越來越廣泛的應用,其測量技術也不斷的發展成熟,指標也逐步豐富,測量的精度也隨之提高。它能為臨床足疾患者(糖如尿病足、足部損傷等)和特殊人群(如孕婦、老年人、小兒麻痺症患者等)的足底壓力測量和步態特徵分析提供技術支持,為足疾的功能康復、療效評定和手術後效果鑑定提供客觀評價。因此這方面的研究由於測量技術的進步在近些年已逐步成為一個研究熱點。

袁剛等研究表明步行時足底壓力較站立時明顯增加且壓力分布改變,超過5O%的正常人動態峰值足壓位於第2蹠骨頭,而足跟區域出現動態峰值足壓僅佔16% ,表明步行時足底最大壓力前移,以前足蹠骨頭區域受壓最大,並且第1趾也成為主要受力部位。正常人行走過程中,前足承擔體質量的49% ,中足與後足共同負擔體質量的51%。

錢競光等對步行時的足底壓力進行研究,主要觀察力一時間曲線的特徵,即谷峰值、谷值的出現時間和幅度的變化。在整個步態周期中,垂直方向受力曲線具有典型的對稱雙峰性質。行走時足一地接觸力在垂直方向上的分力最大,在每個步態周期轉折點出現極值,足跟著地時有一極大值,隨足部逐漸放平,受力面積逐漸增大,受力減小,足部完全放平時受力達最小,至足跟離地,足趾登地時出現另一極大值。正常人足一地接觸力在水平、前後方向受力較小,且基本對稱。對在不同行走速度下的足底壓力進行的測試結果表明隨行走速度的增加,地面對足底的垂直作用力增加。這與牛頓力學規律相吻合。Zhu 等的測量結果還表明,隨行走速度的增加壓力時間積分值逐漸減小。

Mohamed等對在地毯、草地、混凝土路3種不同地形行走時的足底壓力進行了研究,結果認為壓力峰值、最大壓力的平均值,壓力時間積分在足底除足中部區域以外的區域赤腳在混凝土路面行走比在草地、地毯上行走要高,而在草地、地毯三值則十分相近。穿鞋由於增加了接觸面積,三指標數值均比赤腳時小。

Burnfield等對健康老年人不同步速下足底的壓力進行了測定,結果步速的增加使足部各區(除足弓區和側蹠骨區外)的壓力升高。Lundeen等將水平行走與上、下樓梯、旋轉行走、交叉步行走的足底壓力特徵進行比較,發現5種行走姿勢最大壓力峰值與壓力時間積分在蹠骨和足跟區域存在顯著性差異。二指標在下樓梯時足跟部減小,而對於旋轉行走和交叉步行走在蹠骨區則數值增加。

Wang等對7名健康女性在跨越不同高度的障礙物時足底的壓力中心移動速率進行了研究,結果表明,在腳剛接觸地面時壓力中心移動速率與正常行走時沒有顯著性差異,而在支撐階段中期壓力中心的移動速率隨跨越高度的增加而下降,而在預擺階段前腳掌壓力中心的擺動幅度隨跨越高度的增加而變大。

Chen等對43例腦卒中患者和20名正常人的足底壓力特徵進行了比較,結果在足底的蹠骨區和足趾區的壓力峰值偏癱患者明顯低於正常人,且不表現出正常人的雙峰態特徵,行走速度低。研究認為,足底壓力可反映出偏癱患者的運動步態控制水平,可用於臨床診療。

德國Novel公司是世界首家動態人體壓力測量分析技術研發製造公司,Emed足底壓力平板內置多個電容式傳感器(分布數量高達4個/cm2),可以快速、準確地記錄和評估足底壓力分布。Emed足底壓力平板有多種尺寸可選:60cm、70cm、150cm,可根據研究需求進行選擇。

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    由德國medilogic公司研製的足底壓力測量系統通過每個腳墊上的64個壓力傳感器,可以實時採集足底壓力,並將信號無線發射至電腦進行處理和分析。廣泛用於生物力學、運動訓練、康復醫學及人體工程學等領域。足底壓力測量作為當今步態研究、足疾診斷和運動鞋設計等領域的支撐技術,其發展歷經足印技術(Pedography)、足底壓力掃描技術(solebarograph)、力板(ForcePlate)與測力臺技術(ForcePlatform)、壓力鞋與鞋墊技術(In-shoeplantar)。足印技術依據人足在石膏、橡膠等易變形物質上留下的足印或痕跡,對足底的壓力及分布做出定性判斷。
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    Tsung等對6名糖尿病患者與8名正常人進行足底壓力測試,將整個足底劃分為6個區域,大拇趾區,第一趾骨前區,第二、三趾骨前區,第四、五趾骨前區,足中區,足跟區。結果表明:糖尿病人與正常人在壓力峰值、二三趾骨前區的壓力時間積分存在顯著性差異,糖尿病人明顯高於正常人。Mueller等的研究認為糖尿病足的潰爛與足底長期受到高壓力峰值的影響所致。
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