无症状扁平足与正常足生物力学差异的数字化研究

吴立军 李宇婷 王 亭 余凤娇 卢行芳 郑蓉梅 郑祥武 钟世镇

1(温州医科大学数字化医学研究所,浙江 温州 325000)2(浙江工贸职业技术学院，浙江 温州 325000)3(温州医科大学附属第一医院影像科，浙江 温州 325000)4(南方医科大学生物力学实验室，广州 510515)



无症状扁平足与正常足生物力学差异的数字化研究

吴立军1李宇婷1王 亭1余凤娇1卢行芳2郑蓉梅1郑祥武3钟世镇4

1(温州医科大学数字化医学研究所,浙江 温州 325000)2(浙江工贸职业技术学院，浙江 温州 325000)3(温州医科大学附属第一医院影像科，浙江 温州 325000)4(南方医科大学生物力学实验室，广州 510515)

运用足底压力测试与影像学X线测量结合的足踝数字化无损测评系统，对比分析无症状扁平足者与正常足者在足底压力和足弓形态上的生物力学差异。受试为青年学生，其中正常足者12人(男女各6人，左右足共24只,其中左足12只，右足12只)，无症状扁平足者12人(男女各6人，左右足共24只，其中左足12只，右足12只)。利用Zebris足底压力测量仪对正常足组和无症状扁平足组进行直立状态和行走状态下的足底压力测试，并拍摄其负重位和非负重位的侧位X线片进行足弓形态测量，测量数据进行统计学分析，从而对比得出无症状扁平足与正常足足弓和足底压力方面的生物力学差异。结果表明：双足直立时，无症状扁平足组与正常足组的足底压力差异无显著意义(P>0.05)；单足直立时，无症状扁平足组的足前负重比例增大；步行时，无症状扁平足组与正常足组足底压力的峰值相比差异显著(P<0.05)。无症状扁平足组负重位与非负重位的足弓形态各参数有显著差异(P<0.05)，而且无症状扁平足组负重位与正常足组负重位的足弓形态有显著差异(P<0.05)。非负重状态和双足直立状态下，无症状扁平足表现出一定的隐匿性。单足直立和行走状态下，无症状扁平足的足底压力和足弓形态与正常足相比有明显差异。应用FA-DNTS测量评价足踝生物力学性能，方法简单，实用，易于推广。

无症状扁平足； 足底压力； 数字X线； 数字化测量；隐匿性症状

引言

扁平足是一种常见的足部疾患，指足弓降低或消失，站立时足弓塌陷，内缘接近地面，但并非所有扁平足患者都会出现临床症状和行为受限[1-2]。单纯的扁平足一般没有症状，即无症状扁平足[3]，多由后天因素造成，如长时间站立、负重行走。同时，年龄、性别、体重、鞋类、自身疾病(如糖尿病、类风湿等)也可能是引起无症状扁平足的因素[4-6]。但是，目前对于青少年无症状扁平足临床诊断评价指标，还不足以客观且全面地反映无症状扁平足生物力学和功能解剖学信息及其发育规律[2]

本研究结合足底压力测试法和影像X线检查，通过对青年学生无症状扁平足足底压力和足弓形态的测量，并与同龄正常足进行比较，从生物力学和功能解剖学两个方面探讨无症状扁平足的特点，为临床上评价和辅助诊断此类扁平足提供更为重要的数据。同时可对这两种测试技术进行普适性检测，构建足踝数字化无损测评系统(foot & ankle digitized nondestructive testing system, FA-DNTS)，以期推广到临床应用。

1 材料与方法

1.1 一般资料

抽查温州市大学生无症状扁平足的发病情况，从中随机抽取正常足者12人(男女各6人，左右足共24只,其中左足12只，右足12只,)，无症状扁平足者12人(男女各6人，左右足共24只，其中左足12只，右足12只)。所有受试者均签署知情同意书。经询问确定所有接受测试者无足部外伤史、手术史，无明显运动学障碍。测试者身高、体重、体重指数(BMI)均在正常范围。测试者基本情况见表1。

表1 测试者基本情况

注：BMI为体重指数，BMI为体重/身高2(kg/m2)正常值范围：18.5

Note: BMI:Body mass index, weight/height2(kg/m2),normal range: 18.5

1.2 实验方法

1.2.1实验仪器和设备 足底压力测量采用了Zebris公司研发的Zebris足底压力分布测量系统(Zebris pdm-s,德国)。该装置内置了1 504个精密的电容传感器，可以准确地感测到47 cm×32 cm范围内的压力分布。X线测量采用温州医科大学附属第一医院影像科的数字化X射线摄影系统(DR, Digital Radiography PG-292，Philips Medical公司，美国)。足底压力图像通过Adobe Photoshop8.0进行处理，测出足底压力中心运动轨迹所需要的指标H/L及θ角。X线测试结果由影像学软件Onis2.0进行测量；数据统计通过SPSS19.0统计学软件处理，数值表达采用均值±标准差的形式。统计方法采用秩和检验方法。

1.2.2 实验内容与方法

测试时足底压力，要求测试对象赤足常速自然行走通过足底压力测试板，共6次，其中左右脚各3次；然后，受试者分别于双足站立、左足单足站立、右足单足站立在Zebris压力测试板上，重复3次。记录每次测量结果取平均值。

足部负重位和非负重位侧位X线拍片时，让测试对象模拟单足负重、单足不负重，拍摄足部侧位X线片。实验测试指标设计见图1。静态测试时包括足底压力分布、足前后负重百分比；动态测试时包括足底力峰值、足底压力峰值、足底压力中心运动轨迹(H/L,θ角)(见图1(a))；X线测量指标包括内侧足弓角、外侧足弓角、内侧足弓的高度和长度、外侧足弓高度和长度、侧位距跟角(见图1(b),(c))。

2 结果

2.1 统计结果

经统计分析，无症状扁平足组和正常足组的男女生间差异无显著意义(P>0.05)，可能由于本研究选取样本较少，因此本研究中忽略了性别因素，将男女数据合并进行统计分析。

无症状扁平足组和正常足组的左足、右足间差异无显著意义(P>0.05),但为了更清楚对比无症状扁平足与正常足二者之间的生物力学差异，因此将二组的左足、右足均分开统计。

2.2 两组足底压力数字化测量结果

无症状扁平足组足前后负重比例在单足直立状态下较双足直立状态增加，且差异有显著意义(P<0.05)；正常足组足前后负重比例在单足直立状态下和双足直立状态下不存在显著差异(P>0.05)，见表2。无症状扁平足组无论在单足直立状态还是双足直立状态，足底负重除了足跟和足前，足中部(足弓)也出现负重区；而且单足直立时较双足直立时足中部(足弓)压力面积增大，足内侧负重比例增加。正常足组无论在单足直立时还是双足直立时，足底负重区主要为足跟部和足前，且两者无明显差异。

图1 实验测试指标。(a) 足底压力测试指标HA/LA，θ角；(b)X线侧位片的内侧足弓角、内侧足弓高度(HBm)、内侧足弓长度(LBm)、侧位距跟角; (c) X线侧位片的外侧足弓角、外侧足弓高度(HCm)、外侧足弓长度(LCm)Fig.1 Experimental test indicators. (a) The index of HA/LA, θ of plantar pressure; (b)The angle of medial plantar arch, the height of medial plantar arch(HBm), the length of medial plantar arch(LBm), lateral talocalcaneal angle in X-ray test；(c)The angle of lateral plantar arch, the height of lateral plantar arch(HCm), the length of lateral plantar arch(LCm)in X-ray test

无症状扁平足组和正常足组自然行走足底力、足底压力曲线均呈双峰型，但前组两个峰值的时间间隔相对较长(见图2)。两组足底力的峰值相比无显著差异(P>0.05),但两组足底压力的峰值相比差异显著(P<0.05)，见表3。足底中心运动轨迹显示两组的H/L和θ角两项指标均无统计学差异(P>0.05)(见表3)。

表2 双足站立、单足站立足前后负重比例 (%，均值±标准差)

图2 足底力峰值(上)和足底压力峰值(下)图Fig.2 The peak values of plantar force (the top) and plantar pressure(the bottom)

2.3 两组足弓形态影像学测量结果

无症状扁平足组和正常足组在负重位(均模拟单足负重)和非负重位的足弓形态测量值见表4和表5。无症状扁平足组负重位与非负重位各指标差异有显著意义(P<0.05),其中内侧足弓角、内侧足弓长度、外侧足弓角明显大于非负重位。无症状扁平足组负重位与正常足组负重位(除侧位距跟角外)各指标差异有显著意义(P<0.05)，其中前组负重位的内侧足弓角、外侧足弓角明显大于后组负重位。

无症状扁平足组非负重位与正常足组非负重位各指标(除内侧足弓高度)差异没有统计学意义(P>0.05)。正常足组负重位与正常足组非负重位各指标(除内侧足弓高度、外侧足弓角)差异无统计学意义(P>0.05)。

表3 足底压力、压强峰值、H/L、θ角测量结果(%，均值±标准差)

注：H/L、θ角指标统计时，正常足左足样本量为12，右足样本量为10；无症状扁平足左足样本量为11，右足样本量为11。其他情况样本量均为12。(样本剔除因为存在明显的数据偏差)

Note: WhenH/L,θangle index statistics, the sample size of the left normal foot is 12, the sample size of the right normal foot is 10;the sample size of left asymptomatic flat foot is 11, the sample size of the right asymptomatic flat foot is 11,and the sample size of other cases is 12. (Eliminate sample because there is obvious deviation of data)

表4 无症状扁平足组足弓形态测量所得均值(%，均值±标准差)

表5 正常足组足弓形态测量所得均值(%，均值±标准差)

3 讨论

3.1 无症状扁平足足底压力的特点和意义

扁平足指的是正常足弓的缺失，Tareco等[7]用足底压力垫系统测量单足站立时的静态足底压力分布，将足中部内侧与足中部整体压力的比值大于24.0%定义为扁平足。本研究中结果显示无症状扁平足双足站立、单足站立时足前承重比例都要比正常足大，可以推测无症状扁平足者站立位时由于足弓的塌陷或者消失，为维持平衡将重心前移，身体前倾。从足底压力分布可以看出无症状扁平足站立位时虽然足中部受力，但是并没有全部着地，可以认为无症状扁平足还是有一定的足弓形态的，可以起到一定的维持身体平衡和稳定的作用，这与El等[4]研究结果相一致。无症状扁平组足底压力峰值曲线中段没有出现正常组中段那样的低谷，可以推论无症状扁平足者行走步态中间阶段由于足弓的塌陷，缓冲能力降低，行走时间较长会易出现足部不适及疲劳。

3.2 无症状扁平足足弓形态的特点和意义

本研究结果中无症状扁平足侧位距跟角在负重位或非负重位均无明显差异。单足负重位时，无症状扁平足与正常足相比足弓改变较大，但在非负重位与正常足相比没有明显区别，说明无症状扁平足具有一定的隐匿性，只有在单足负重位或步态中更大的冲击受力时才出现足弓形态变化。因此临床上辨别无症状扁平足或者是扁平足矫正术后观察疗效都应拍摄负重位X线。吴立军等[8]通过二维有限元研究发现扁平足疲劳应力峰值始终高于正常足，易于发生足弓劳损，足底腱膜炎等临床症状。目前，虽然症状性扁平足与无症状扁平足的相关性研究报道较少，但无症状扁平足是运动损伤的潜在因素，应引起临床重视。

3.3 足底压力测试与X线测量技术结合的足踝数字化无损测评系统的优势及意义

扁平足及无症状扁平足的检测方法有很多种，如足印法、比例法等，这些方法虽简单但也容易把足底脂肪较厚的正常足误判为扁平足。MRI三维重建较科学合理，但费用昂贵[9]。足底压力测试法可揭示足多环节结构和足功能的关系。影像学检查，负重/非负重位的足、踝关节正侧位X线片可判定畸形的严重程度、足后关节炎以及是否有其他原因，如类风湿性关节炎和神经性关节炎等[10]。

将足底压力测试和X线测量方法结合，不仅可以反映足部表观特征及运动功能，还能深入了解足踝骨骼系统的功能解剖学变化，从本质上揭示足部病变信息，指导临床诊断、预防和治疗。除了在扁平足中的应用，无损测评系统同时也可以广泛应用于足踝外科，如踝关节置换术、足踝部骨折内固定术等，评价手术疗效。

3.4 本研究的局限性和展望

本课题研究样本量较少，尚无充分的统计学证据来反映人群普遍的现象。人类足部是一个复杂的立体结构，二维影像信息不能完整地反映功能解剖学和生物力学的三维改变，因此建立无症状扁平足三维模型将更有利于研究其运动医学特征。本研究应用的足底压力测试与影像学X线测量技术结合的足踝数字化无损测评系统(FA-DNTS)，其操作简单，准确率较高，适用于扁平足的筛选，同时可应用于足踝外伤、足部疾病如类风湿等疾病的术前、术后评价。然而，由于X线拍摄方法和测量方法缺乏统一性，且因影响设备及技术人员不同，参照物选择不一，导致较多的相异结果，因此关于无损测评系统的测量方法和指标还需标准化。

4 结论

非负重状态和双足直立状态下，无症状扁平足表现出一定的隐匿性。单足直立和行走状态下，无症状扁平足的足底压力和足弓形态与正常足相比有明显差异。运用足底压力测试与影像学X线测量技术结合的足踝数字化无损测评系统(FA-DNTS)，测量评价足踝生物力学性能，方法简单，实用，易于推广。

(致谢 感谢温州医科大学洪建军主任医师、孔凌云主任医师、爱尔思康科技(北京)有限公司刘国华工程师的指导和帮助。)

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The Digital Study about the Biomechanical Differences Between Asymptomatic Flatfoot and Normal Foot

Wu Lijun1Li Yuting1Wang Ting1Yu Fengjiao1Lu Xingfang2Zheng Rongmei1Zheng Xiangwu3Zhong Shizhen4

1(InstituteofDigitizedMedicineofWenzhouMedicalUniversiy,Wenzhou325000,Zhejiang,China)2(ZhejiangIndustry&TradeVocationalCollege,Wenzhou325000,Zhejiang,China)3(TheFirstAffiliatedHospitalofWenzhouMedicalUniversity,Wenzhou325000,Zhejiang,China)4(InstituteofBiomechanicsofSouthernMedicalUniversity;Guangzhou510515,China)

asymptomatic flatfoot; plantar pressure; X-ray; digitized measurement; occult symptoms

10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 06.018

2015-03-12， 录用日期:2015-08-06

温州医科大学科研发展专项(QTJ06012); 国家自然科学基金(81271663, 31471146)

R318

D

0258-8021(2015) 06-0763-05

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: biomech@163.com