【曼氏足踝-第3讲】足踝部的生物学机制——足底压力的测量

2016-09-28   文章来源:国际足踝联盟 摘自《曼氏足踝外科学》    点击量:1955 我要说

  足底压力以及足-地接触力的测量在相关研究领域已较为完善,对足底不同部位的受力情况的研究有助于对许多足踝疾病致病机理的了解和相关治疗的研究。

  间接测量技术与直接测量技术

  间接测量技术是基于对其他可测量的步态参数与足底特点的关系,例如,对足-地接触力的评估可借助于对足-地接触时间的测量。

  直接测量技术依赖于通过物理特点或电子传感器将足与地面的作用转化为可测量的参数。但遗憾的是,不同系统在同一条件下的测量结果不尽相同。空间分辨率以及样本大小会影响到系统记录足底的峰值压力以及足底特定区域的分割的真实性。

  直接测量技术的应用

  1 脚印深浅测量

  最早的直接测量手段是根据材料的物理特性来获得足与地面的相互作用。将足置于粘土、石膏或土壤中,通过脚印的深浅来判断足底压力的分布。应用材料包括橡胶垫结合纵脊、锥形投影或多层网格(如Harris-Beath垫)等,当站立或在行走于其上时,产生的压力与材料凹陷的程度成正比,进而可以对足底进行测量(图1)

  优点:廉价、便携。

  缺点:其测量结果分辨率较低且缺乏实时分辨力。

  图1 通过压力计测量的足底压力分布。图中点的密集程度与延伸深浅与该区域压力的大小呈正相关(引自 Elftman H: A cinematic study of the distribution of pressure in the human foot. Anat Rec 59:481-491, 1934.)。

  2 肉眼观察足底面

  以肉眼观察为基础的研究体系依赖于对站立或步行中足底面的观察。

  最直观的方法是双足站立于一块透明的平板上,观察或影像记录足底的形态(图2)。

  图2 下肢立于压力计上的测试结果。图A为下肢肌肉放松时的测试结果。图B为足跟离地时的测试结果。

  在平板上添加一个物理传感器可对足底不同区域的压力进行量化并且可以弥补单独应用传感器测量时由于压力的瞬时变换而无法测量的一些数据。

  足压计将一薄的塑料膜片置于一块透明板上,穿过薄膜边缘的光线强弱与压力大小成正比。通过对所得图像的记录与校准便可实现Harris-Beath垫所无法保证的空间分辨度以及对实时压力的测量。

  优点:精确、动态以及定性的测量手段

  缺点:对高压力的反应延迟性是其不足之处。

  3 测力板

  测力板所测量的是地面的反作用力,即该作用力的三个方向的矢量(即垂直方向上的反作用力、向前的反作用力以及横向的反作用力),同时也可计算出足踝部的力矩(轴向力矩、矢状面力矩以及冠状面力矩)。

  将压力传感器置于一块放置于地面拐角处的直角平板上,所得数据的计算结果可得到足部在步态周期中与地面作用力的一组均值(图3)。

  图3 步行中的地面反作用力的变化。图A 垂直作用力。图B 前后作用力。图C 横向作用力。图D 力矩。图例注释:Ext.,外侧; Fwd., 前侧; Int., 内侧; Lat., 外侧; Med.,内侧.

  优点:是可以对垂直方向以外的横向剪切力以及相关力矩进行测量。

  缺点:在于无法对足底受力区域进行明确。但该缺点可通过应用前文所提到的光衍射系统或在地面上放置一系列小型测力板进行弥补。

  4 压力传感器

  现在的压力传感器的尺寸较先前缩小了很多,这使得测量足底不同区域的压力成为可能。这些传感器可置于足底特定的受力点或受力区域,从而描绘出步行或站立时足底的压力分布图。这些数据可用来绘制成整个步态周期中包含时间与空间因素的足底受力图(图4)。

  图4 赤足行走时足底压力分布图。图像中的离地部分的高度与该区域足底压力大小呈正比。

  许多系统是通过在地板中置入有压力传感器的薄膜或膜片等仪器来对足底压力进行测量。

  此外,还可以选择的一种方法是将含有传感器的薄膜置入鞋中(图5)。通过此方法,可根据鞋子的影响大小来选择不同的方法对足底压力进行测量。例如,相比于拥有坚硬的橡胶鞋底的鞋,平底柔软的鞋可使足底的压力增大10%到50%。

  图5 将传感器置入鞋中的方法测得的足底压力图。红色区域代表压力相对较大,紫色区域代表压力相对较小。

  地板传感器测试法与鞋内传感器测试法的结合使用可以很好地克服硬底鞋或赤足时的足底压力测量差异问题。但是,尚有一系列的测量或分析方法的限制等会对压力传感器的测量结果产生相关影响,包括压力传感器密度、反应性、线性度、分辨率以及分布范围。

  此外,一些测量参数的选择如对足-地接触力或足底压力、峰值压力或在一定时间内受力总值以及对足底区域的划分方法等,同样各不相同。相比于低密度分布的压力传感器测试法,更高密度分布的测量方法可提供更可靠的数据,如峰值压力,前者可能会出现漏测。一些压力传感器由于受其测量上限的限制而在一些极端情况下无法提供线性的测量结果。同时,大样本的测量可能对接触时间的测量结果产生影响,而小样本的测量又可能因为漏测峰值压力而造成偏差。


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