足底压力分布测量装置在军事训练中的应用探讨

刘 珺，郭军涛，李 毅，吴 铨，陶天柱，张晓丽，张莉莉，刘俊朋，甘 璐，周玉彬，郭 青，郑 超*，伍 骥*

（1.空军特色医学中心，北京 100142；2.北京航天总医院骨科，北京 100076；3.武警特色医学中心研究部，北京 102613）

0 引言

足部接触地面后会受到来自地面的反作用力，从而产生足底压力。足底压力的大小与地面的硬度、人体的质量、足型和步态等密切相关。足底压力分布是指足底所受到的静态和动态压力或压强分布，足底压力分布不均或局部压强过高可能导致人体膝以下部位受伤，包括踝关节不稳定、跟骨骨折、足底筋膜炎和韧带撕裂等常见足踝部疾病。足踝部损伤在军事训练中发生率较高，尤见于伞兵着陆时或士兵长时间行走、跑步和障碍训练时。根据既往文献得到的大数据结果，伞兵在训练及执行任务从高处跳下着陆时踝部受伤率很高，国外资料显示踝关节着陆损伤的发生率为32.8%[1]，国内对空降兵某部的流行病学调查显示，踝关节训练损伤的发生率高达40.46%[2]。除跳伞运动外，常见的军事训练科目如越野也容易引起足踝部疾病，长途越野训练中疾跑落足或踩空时，如足外缘着地，足跖猛然内收，可引起踝外侧韧带扭伤或撕脱性骨折，约20%的患者可转成慢性关节损伤或伤残[3]。测试并分析足底压力可以获取人体在不同状态下的生理病理学参数，揭示足底压力分布特征和模式及运动过程中足的动力性特征。随着新型传感器技术和压力测量仪器的发展以及计算机技术的广泛应用，足底压力测量技术快速发展，已逐渐成为临床生物力学研究和足部疾病诊断、预防以及康复评估的重要手段。近年来，随着军事训练的科学化，足底压力测量技术已逐渐应用于空降兵跳伞模拟训练和士兵不同步态行走时足底压力的比较分析[4-5]。运用足底压力分布测量装置检测足底压力的大小，便于早期发现致使足踝部损伤的高危因素，有效地指导训练伤的预防和治疗，并可通过足底压力分布测量装置测出的数据分析军事训练人员步态，纠正训练中的不良动作，还可以根据足底压力分布测量装置采集到的军事训练人员足底生物力学数据，研发预防军事训练伤的护具，有效保护受训人员足踝部，避免受训人员足踝部损伤，降低军事人员训练的受伤率，因此足底压力分布测量装置对于预防军事训练中的足踝伤和提高军事训练动作正确率有重要作用。本文主要对足底压力分布测量装置在军事训练中的应用进行研究，以促进军事训练科学化，达到有效预防军事训练伤的目的。

1 国内外足底压力分布测量装置简介

近年来，国内外关于足底压力分布测量装置的研究成为热点，涌现出很多种类足底压力分布测量装置，装置也在不断更新迭代，变得越来越智能化、精准化、个体化，下文将按照该类装置的设计原理、结构特点进行分类叙述。

从设计原理上分类，有基于光学原理设计和基于电阻电容式设计的：台湾光学式足底压力检测系统（如图1 所示）是基于光学原理设计的，其优点是感应度和灵敏度高（每平方厘米25 个感测点），而新西兰PDT 裸足压力测试系统、美国tekscan 压力测试系统、比利时footscan 压力测试系统和德国产emed 系统（统称平板式步态分析系统）都是基于电阻电容式设计的，感应度和灵敏度比较低（每平方厘米2～6 个感测点）[6]。

图1 台湾光学式足底压力检测系统及足底压力分布图[6]

从外形结构上分类，有平板式的检测仪和穿戴式的检测仪：国内Gaitview 便携式足底压力检测仪（如图2 所示）是平板式的，操作界面简单易懂，轻薄的设计便于携带，可移动到任何地方使用，能够快速对足部6 个分区压力数据进行采集，快速获得前足、中足、后足的受力情况，进而获悉前足、后足内外翻的情况[7]，而可穿戴的足底压力检测鞋或鞋垫能同时检测动态和静态的足底压力，且更轻便、易携带。穿戴式的足底压力检测鞋或鞋垫更适合用于军事训练人员的足底压力检测。国内外足底压力检测鞋、鞋垫及相关系统列举如下：

图2 Gaitview 便携式足底压力检测仪[7]

丁辛等[8]发明的动态足底压力测试鞋垫采用多层感芯结构聚偏氟乙烯（polyvinylidenefluoride，PVDF）压电薄膜传感器和硬质合成间隔材料膜的设计，改善了柔性鞋垫的动态信号响应滞后和信噪比低等问题，可适配日常穿着的各种鞋类，并可为人体步态生物力学分析和鞋类舒适性评价提供数据依据。但该装置需要将信号调理单元固定于测试者腿部，实验中仅包含正常步速（2 步/s）测试，因此对实际穿着情况下足部高速运动是否适配存在疑问。张一帆等[9]对压力测量装置结构、数据信号采集分析处理和制造成本进行优化，研制了无线智能足底压力监测鞋垫，基于蓝牙通信采用3D 柔性打印技术封装薄膜压力传感器，实现对人体足底压力进行无线实时测量，其中的薄膜压力传感器分辨力高，可无线传输，但该鞋垫的压力测量点位较少，不利于获得足底压力分布特征。针对部分足踝疾病患者，兰海等[10]设计的智能足底压力测试鞋垫通过设置内含柔性薄膜压力传感器的受压凸起、半球形按摩凸起、横竖向通气孔等方式，能够提高患者脚掌部位的舒适感，方便清洗晾干，使鞋垫可重复使用，同时柔性薄膜压力传感器设有外侧保护装置，可在鞋垫主体破损后取出回收，但并没有阐述其可适用的步态情况。基于足底压力分布情况，帅梅等[11]设计了智能传感鞋步态分析系统，结合人体足底生理特点以及步态分析需要，在脚掌区和脚跟区共布置24 个柔性薄膜压力传感器，可持续采集足底压力数据并无线传输给应用系统，还可动态显示足底压力数据信息、足底压力中心（center of pressure，COP）轨迹线，实现步态平衡稳定性评估。国外有学者对足底压力分布监测鞋进行改进，采用64 个敏感元件组成的矩阵及集成电池实现高频数据采集、无线传输和7 h 连续工作[12]。Nino 等[13]对可穿戴式足底压力测量鞋进行拓展，利用鞋中的传感器获取受试者足部特征并生成三维足部数据，实现对受试者的生物信息监测和活动跟踪。德国Pedar-X 足底压力检测系统是由NOVEL 公司研发的高分辨力压力分布测量平台，该系统如图3 所示，主要由鞋垫式压力传感器和控制盒组成，通过电缆将压力传感器与控制盒相连，控制盒具有数据读取、记录、发送、同步输出等功能[2]。该系统能准确记录和快速评估足部所承受的压力分布，还可检测行走时足部的负荷，方便使用且易操作，能提供足部等下肢部位的受力数据。该系统不仅广泛应用于各种走、跑、跳等动作的足底动力学指标值的测定，而且已被证实测出的数据准确、稳定[14-15]。国内研究人员[2]对伞兵着陆军事训练中足底的压力进行测量时应用了该系统，只需将Pedar-X 鞋垫式压力传感器置于足与鞋之间，便得到了大量足底压力数据。应用Pedar-X足底压力分布热力图测量系统测得的静态足底压力分布如图4 所示，颜色趋近于红色的部位表示出现应力集中。

图3 德国Pedar-X 足底压力检测系统

2 足底压力分布测量装置在军事训练中的应用

2.1 空降兵跳伞训练中足底压力测量

人体在跳跃着陆过程中会产生明显的地面应力，当人体从高处降落时，地面反作用力可能引起踝关节外翻[16]，踝关节过度外翻会导致脚和膝关节超负荷和损伤[17]。另外，跟骰关节的外翻角随着下降高度的增加而增加，从2.0 m 高度着陆时，跟骰关节处的最大外翻角增加约52%[18]。跟骰关节的外翻会增加骨折脱位的风险。

为了最大限度地降低伞兵跳伞全足及踝部损伤率，国内研究人员根据足底压力测量值，在伞兵着陆方式及踝关节护具上进行了研究。采用Pedar-X足底压力检测系统采集了伞兵在跳伞着陆时足底最大应力、最大压力等受力数据，比较了半蹲式并腿和半蹲式分腿2 种着陆姿势在足底动力学数据上的差异，结果发现半蹲式分腿着陆容易引起双足受力不均，更容易因落地姿势不稳而造成足踝部损伤，而半蹲式并腿着陆姿势双足受力较为均匀，更适合军事跳伞员着陆时采用。应用Pedar-X 足底压力检测系统测定的伞兵半蹲式并腿和半蹲式分腿2 种着陆姿势的足底压力值见表1、2。利用Pedar-X足底压力检测系统测定人体足底压力的工作流程如图5 所示。应用该系统测出的伞兵在跳伞着陆时全足及踝部的受力数据是研发足踝护具的重要参照，也是评价足踝护具效果的根本依据[2，19]。

图5 Pedar-X 足底压力检测系统工程流程图

表1 半蹲式并腿和半蹲式分腿2 种着陆姿势左足的足底压力值[19] 单位：kPa

表2 半蹲式并腿和半蹲式分腿2 种着陆姿势右足的足底压力值[19] 单位：kPa

另外，伞降训练中对跳伞员的整体动作要求非常高，如果把控不好，极易因双足受力不均使着陆姿态失稳，从而造成损伤，特别是对经验不足的新兵更是如此。通过足底压力分布测量装置测试、分析受训者着陆时的足底压力分布情况，可为受训者调整着陆姿势提供数据参考，使受训者更准确地把握着陆姿势，更科学地纠正训练中的痼癖动作。

2.2 士兵行走或跑步时足底压力测量

行走或跑步军事训练中足底压力分布有一定的规律可循。王修行等[20]研究了士兵不同步态行走时的足底压力，发现齐步走、正步走和自然行走时足底压力分布规律基本相同，最大压力值均出现在足跟内侧，最小压力值均出现在第2～5 趾，足跟内侧、足跟外侧和足弓等部位的压力分布表现为“正步走＞齐步走＞自然行走”的规律。在士兵齐步走行进中，要求脚后跟先着地，所以足跟部位足底压力较正常行走时压力大；而正步走时，因为要展示步伐的力度，士兵会有意识地加大落地时的力量，因此足底压力更大，压强也相应较大。应用足底压力分布测量装置获取士兵步伐训练中的足底压力数据，可为评估训练效果、早期发现和纠正错误动作提供科学依据[20]。

人在行走和跑步过程中许多因素会影响足底的压力分布。首先，随着速度的增加，足底压力也随之向内增加和移动[21]。其次，个体脚的结构特征（例如弓型）也会影响足底压力分布[22]。如刚性高弓形脚倾向于将压力集中在脚跟和前脚下方，中足以下的压力最小，即使随着运动速度增加，足部压力增大，中足压力也不大。柔性的弓形足表现出更分散的压力分布，包括中足下方的区域。此外，体质量也会影响足底压力分布。在站立时人的身体质量指数与足底总压力呈正相关（r=0.50，P=0.000）、与总接触面积呈正相关（r=0.33，P=0.019），在行走时只有中足的峰值压力与身体质量指数呈正相关（r=0.32，P=0.025）[23]。因此根据足底压力分布测量装置获取的数据，可以对运动速度、个体脚结构特征以及体质量等相关因素进行分析。图6 采用在足底不同点位设置压力传感器的方式测量人在行进过程中足底压力分布数据，可得出在行进一步的过程中足底应力集中部位由足跟向足掌方向移动。从图7 可以看出左右足在行进过程中足底受力大小基本一致，步伐交替时左右足共同受力且合力略大于单足受到的最大压力。

图6 足底压力测量装置传感器点位分布及行进过程中足底压力分布热力图

图7 行进过程中左右足底压力测量数值曲线图

根据足底压力分布测量装置获得的人行走时的数据，可以得到足底COP 轨迹线，这是分析人体步态的重要参考指标。COP 轨迹线是标识一只脚整个足部着地过程足底接触面压力中心运动轨迹的参数，其同样表示足部着地过程整体重心的移动轨迹，通过观察足底COP 轨迹线的整体形态变化，不仅可以发现异常步态，如因某种损伤导致的异常步态[24]，或军事训练中痼癖动作导致的异常步态，还可以指导异常步态的矫正[25]。

3 足底压力分布测量装置应用中存在的问题、改进建议及未来发展前景

3.1 存在的问题

应用足底压力分布测量装置监测军事训练人员足底压力分布对于保障军事训练的科学性和安全性具有重要作用，但目前在应用方面还存在以下不足：（1）应用足底压力分布装置测定的样本量较少，且仅用于少数几种军事训练项目上，因此建立的正常和异常标准量数可信度不够；（2）数据的测量、传输、存储和分析尚不支持大群体、实时的处理功能，且足底压力测量数据的准确性有待提高。

3.2 改进建议

针对上述问题建议进行如下改进：（1）积累更多的足底压力分布测量装置监测数据，纳入更广泛的军事训练人群和涵盖更多的军事训练项目，以进一步改进受力分析的模型，并建立更有说服力的正常和异常标准量数；（2）对足底压力分布测量装置在广谱应用和分析效率上进行改进，进一步细化足底压力分区及测量参数，以对足底压力进行更准确的测量。

3.3 未来发展前景

3.3.1 结合足踝军事训练伤调查结果更好地预防军事训练伤

足底压力分布测量装置在军事训练伤预防中的应用价值已经充分体现，可在满足训练需求的同时最大限度地减少训练伤，达到科学施训的目的，有必要扩大足底压力分布测量装置在军事训练中的应用范围，并应用更先进和便捷的足底压力分布测量装置，如基于智能手机的足底压力监测系统，以便实时获取足底压力数据并查看不同位置的足底压力波形[26]。

另外，可以根据实际情况在不同兵种和不同作业部队中进行足踝训练伤的流行病学调查，寻找足踝损伤的相关危险因素，为后续足底压力测量评估提供相应的依据。调查军事训练受训人员足踝损伤类型和急慢性疼痛的发生率，分析足踝损伤类型与足部形态、训练科目（包括耐力、技巧和负重等科目类型）、训练时间、作训鞋、一般资料（体质量、性别、军龄）之间的关联。通过上述流行病学调查，明确足踝损伤的高危因素，并针对高危因素人群进行分层分析，测量足底压力分布数据，为制订军事训练伤预防策略、采取科学的军事训练方案提供理论依据。

3.3.2 根据足底压力分布情况研制足踝军事训练伤预防护具并改良军鞋的设计

以往有研究报道了根据足底压力分布测量装置测定的足底压力等数据对07 式作训鞋鞋垫进行改良设计，提高了其舒适性，缓解了官兵在行军训练过程中的疼痛等不适感[27]。因为足底压力与步态及足底的外形有很大关系，所以可以根据该特点对官兵足底压力分布进行分组测量，动态监测不同足形的官兵足底压力变化趋势，根据测量结果可以为扁平足、高弓足制作不同类型的矫形鞋垫，通过矫形鞋垫平衡足底压力，避免训练过程中受力不均引起的足踝损伤。在长跑或武装越野过程中，对足踝损伤的高危人群如高弓足，可以进一步依据压力分布数据，制作更精细化的个性化鞋垫，最大程度地避免训练中的足踝损伤。

齐步走是部队最常用的队列行军方式，正步走是重大活动中常用的一种队列行进方式。通过测量行进过程中不同步态行走时的足底与支撑面之间的压力分布，可直接反映足部舒适性，尤其在新兵训练过程中，由于长时间高强度的队列训练条件下足底负荷较大，若穿着的作训鞋设计不合理，不仅影响足部舒适性，同时可能会造成足部疲劳损伤，更有甚者可能会导致足弓暂时性变形[28]。因此，通过测量分析不同步态下的足底压力分布对于指导设计舒适的军鞋以减少足部训练损伤等方面具有重要的指导意义。

4 结语

使用足底压力分布测量装置监测足底压力分布，不论对于伞兵跳伞还是普通士兵日常训练，其目的都是发现足踝部生物力学的易损因素并制订科学的训练策略以预防足踝伤，同时指导军事训练中异常步态的矫正和军事训练伤预防护具的研发。未来随着军事训练中足踝受伤流行病学调查的范围扩大和调查项目的精细化，可得到更科学的部队官兵足踝受伤数据，结合其足底压力的生物力学研究结果，经过系统的分析和计算，进而研发出针对性强的护具和更舒适的军用鞋靴，制订科学的训练方案，必将更加有效地保障部队官兵的军事训练安全。