3D 数字化扫描技术矫形鞋垫足底减压效果的生物力学评估

麦麦提热夏提·合力力，耿翔，张影哲，邱纪方

（1.复旦大学附属华山医院，上海 200040；2. 浙江康复医疗中心（浙江中医药大学附属康复医院）， 浙江杭州 310053；3.奥托博克（中国）工业有限公司，上海 200120）

人在站立和行走等日常活动中，足底压力主要集中在足跟、跖骨头区及大拇趾，如果足底给予长期异常支撑，可能对足部造成损伤[1]。 因此，足底压力分布情况可以间接的反映人体的下肢力线是否正常，同时，有利于预测和及时发现异常情况下可能会造成的损伤。 在鞋具领域，鞋垫与足底直接接触，起吸汗防滑、缓冲减震、支撑和改善足部功能的作用。 因此，鞋垫能直接影响足部和全身的生物力学特征[2-3]。近年来，在临床治疗中，矫形鞋垫的应用也越来越广泛，可以有效改变一些患者的下肢生物力线，延缓患者病情发展[4]。 矫形鞋垫按其制作方式可以分为预制型矫形鞋垫、定制-模制型矫形鞋垫、定制型矫形鞋垫3 种，在临床上，这3 种鞋垫使用都很常见。

随着3D 数字化扫描技术的成熟， 该技术已开始应用于鞋垫领域，制造出更加符合足底解剖学形态的个性化矫形鞋垫，旨在减少并重新分配主要支撑点的足底压力，从而将这些点在进行身体活动或长时间站立时所承受的压力降到最低，达到最大程度上的缓冲效果。 计算机辅助设计与制造中使用的3D 数字化扫描技术是非接触式三维扫描仪，采用结构光非接触照相测量原理， 分为光栅三维扫描仪和激光扫描仪两种。 光栅三维扫描仪又称为拍照式三维扫描仪，是一种高速高精度的三维扫描测量设备。 三维激光扫描利用激光测距的原理， 快速测得物体轮廓的几何数据，形成数字化模型，具有高效率、高精度的优势。 随着科学技术的发展，三维激光扫描的应用越来越普遍。

该研究采用三维激光扫描技术和计算机辅助设计获取志愿者足部三维信息，定做符合志愿者足部解剖学形态学特征的鞋垫，使用GP MobilData 内鞋垫移动式足底压力测量系统分别检测志愿者穿戴普通鞋垫和定制鞋垫时的足底压力分布情况， 并统计足跟、中足、跖骨头区压力峰值，分析穿戴两种鞋垫时以上3个区域压力峰值的差异变化，进一步评价定制鞋垫足底减压效果。

1 对象与方法

1.1 研究对象

招募10 名健康成年志愿者， 男性6 名， 女性4名。 志愿者在过去无创伤和下肢手术史，过去从未穿戴矫形鞋垫。

1.2 实验设备

OrthoPodoDynamics 足底压力测试板、OrthoPodoScan 3D 三维足部扫描仪、LFT 计算机辅助铣削加工设备、德国GP MobilData 内鞋垫移动式足底压力测量系统。

1.3 实验用鞋和鞋垫

（1）预制型平底运动鞋：不同大小鞋码：38、39、40、41、42；（2）预制型普通鞋垫：不同大小鞋码：38、39、40、41、42；（3）定制矫形鞋垫：根据志愿者足部三位扫描获得的数据，使用计算机辅助设计铣削设备制作矫形鞋垫。

1.4 实验方法

（1）使用OrthoPodoDynamics 足底压力测试板，所有志愿者分别检测赤足状态下行走和静态状态下的足底压力分布情况。 其数据结果直接传输到矫形鞋垫计算机辅助设计（CAD）系统，通过CAD 系统可以根据压力分布情况来对鞋垫模型进行调整， 改变鞋垫高度、支撑来分散局部压力，达到降低压力峰值的目的。

（2）使用OrthoPodoScan 3D 三维足部扫描仪扫描获取所有志愿者双足三维印象信息。

（3）使用LFT OrthoPodo CAM v4.60 软件处理，并设计鞋垫模型，确认压力区域正确。

（4）使用DeskProtocol v6.1 软件进行鞋垫三维建模，通过计算机辅助设计铣削设备制作矫形鞋垫压力承载基底。铣削使用材料：单硬度EVA，硬度值约邵氏硬度A50-55；厚度30 mm。

（5）鞋垫铣削完毕后，对不同压力分布区域采用不同硬度材料进行局部减压。

（6）每个志愿者穿戴适合大小的预制鞋，先后分别穿戴适合大小的普通鞋垫和3D 定制矫形鞋垫，使用德国GP MobilData 内鞋垫移动式足底压力测量系统测量穿戴不同鞋垫行走时的足底压力分布。

1.5 统计方法

使用SPSS 16.0 统计学软件进行统计分析， 志愿者穿戴预知鞋垫和定制鞋垫时上述3 个区域对应的压力峰值进行单因素方差分析，P＜0.05 表示差异有统计学意义。

2 结果

总共10 位志愿者（6 例男，4 例女），年龄范围22～39 岁，平均年龄（30.80±4.59）岁，平均身高（1.71±0.67）m，平均体重（63.80±12.51）kg，参与该研究。

分别比较左右脚穿戴预制鞋垫和定制矫形鞋垫时的足底不同区域压力峰值，结果显示，与穿戴预制普通鞋垫行走时比较，志愿者穿戴定制矫形鞋垫行走时，双侧足跟和跖骨头区，左足中足压力峰值降低，差异有统计学意义（P＜0.05）。

表1 志愿者穿戴两种鞋垫时足底各区域压力峰值比较（n=10）

3 讨论

足踝部矫形器在西方国家应用及发展比较早，我国起步较晚，还处于发展阶段。 近年来，随着临床上广泛应用，矫形鞋垫在改善足底压力分布、降低压力峰值以及矫正下肢力线， 延缓和改善部分疾病的发生、发展，促进儿童的健康发育，提高患者生活质量等方面取得了良好效果。 矫形鞋垫个性化定制过程中，传统的获取足部3 维印象的方法主要是石膏取模、取模盒取模等。 传统取模方法共同的缺点是取模结果易受操作者经验的影响，误差较大，同时浪费耗材[5]。 3D 数字化扫描技术取模制作鞋垫只需要进行扫描、 设计、铣削、打磨，整体耗时在4～8 个工时，同时可以根据设计需求反复调整鞋垫模型，达到最佳减压效果。

近年来，随着工业及计算机技术的发展，在足部取模及定制足部矫形器领域出现了3D 数字化扫描、CAD-CAM 等前沿技术的应用。相关研究报道基于3D数字化扫描、CAD 以及3D 打印技术制作的矫形器与使用传统方法制作的矫形器相比，具有类似的生物力学矫正效果，但是患者主观舒适度评分更高。

该研究初步探索3D 数字化扫描技术矫形鞋垫足底减压效果，使用鞋内足底压力检测设备，分别检测志愿者穿戴预制鞋垫和定制鞋垫行走时的足底压力分布，结果发现基于3D 数字化扫描、CAD-CAM 技术制作的鞋垫具有更好的分散足底压力、降低足跟及前足压力峰值（见表1），增加内侧足弓的压力分布,该方法整合了赤足情况下足底压力分布和鞋垫模型设计，计算机辅助设计过程中根据足底压力峰值分布情况调整鞋垫模型高度来达到更好的矫形、 减压效果，而且基于3D 数字化扫描技术足底形态取模与足部解剖学形态更加贴合。 对于足跟痛、跖痛症、平足症等患者选择使用基于3D 数字化扫描技术矫形鞋垫对症治疗，通过减压、分散应力，缓解病痛效果可能更佳。

综上所述， 基于3D 数字化扫描技术定制矫形鞋垫节省时间及人力资源，过程简便。 行走时与穿戴预制普通鞋垫相比较， 基于3D 数字化扫描技术定制的矫形鞋垫在分散足底压力、降低足跟、前足压力峰值效果明显，同时能适当增加中足负重及内侧足弓的支撑来分散足跟及前足的压力，形态学上更加贴合足的形态。 可能对足跟痛、跖痛症、平足症患者具有使用价值。 但是，该研究样本量较少，并且缺少临床评估，缺乏长期随访，其远期效果有待进一步临床研究。