3D 打印支撑鞋垫对扁平足足底压力分布的影响

赵碎浪 ，祁子芮 ，曹中华 ，于百计

（1.北京服装学院，北京 100029；2.北京体育大学，北京 100084；3.广州履朴科技有限公司，广东 广州 510425）

前言

扁平足是内侧纵弓支撑力不足，在负重状态下出现足弓塌陷或消失的现象。在步态支撑期，容易引起下肢力线不齐[1]、足底压力分布不均，进而引发软组织疲劳[2]、关节损伤等症状。矫形鞋垫已被广泛地应用扁平足的矫正，优化下肢力学对线[3]、改善足底压力分布[4]，缓解足底筋膜炎[5]、髌骨疼痛综合征[6]等症状。

矫形鞋垫影响足底压力分布的主要因素有支撑垫结构与鞋垫材料硬度[7]。其中，支撑垫与足弓适配性好可以减少前足峰值压强，提高足部稳定性[8-9]；适配性差则不仅会影响足底压力舒适性，还会对关节面产生持久的负面影响[10]。支撑垫模型的适配性设计是提升矫形效果的核心因素，相比之下，定制鞋垫比预制款能更有效地的降低跖骨和跟骨内侧的峰值压强[11]。

定制 矫形 鞋垫 支撑 垫 的 依 据 主 要 是 足 弓 形 态 ，而足弓形态会随负重的改变而发生变化[12]。目前常见的做法是获取足部全负重位(FWB: full-weight-bearing )、半 负 重 位 (SWB : semi-weight-bearing) 或 非 负 重位 (NWB : non-weight-bearing) 条 件 下 的 足 部 模 型 数据[13]。不同支撑垫的设计对足部的支撑程度不同，其对足底压力分布的影响规律尚未充分探索。

通过扫描仪获取扁平足三种不同负重条件下的足部模型数据，利用 3 D 软件建模并打印与足部模型相匹配的足弓支撑垫；比较分析 3 种支撑型鞋垫对扁平足行走步态支撑期足底压力分布的影响特征，以探究不同支撑型鞋垫对足底压力分配的规律，为设计舒适性、功能性的个性化定制鞋垫提供指导。

1 试验与方法

1.1 受试者信息

9 名青年女大学生参与实验，平均年龄（21.4±1.2）岁，身高（162.3±5.2）cm，体重( 53. 1 ± 5.6) kg，脚长（23.1±0.5）cm，所有受试者可穿着相同鞋号的实验用鞋，以便后期足底压力中心分析。受试者足型足弓高度指数（AHI）[14-15]均低于 0.28，满足扁平足足型分类[16]；测试前 6 个月内未经历下肢损伤，并在测试前签署书面知情同意书。

1.2 鞋垫制备

足 型 扫 描 ： 用 手 持 三 维 扫 描 仪（EinScan-Pro，Hangzhou）获取三种 负 重状态（FWB、SWB 和 NWB）的足部 模 型，分 别 模 拟 步 态 周 期 单 足 支 撑 、双 足 支撑和摆动时相的足部负重特征。

FWB：单脚 站 立，踝 关节中 立 位站 姿[17]，身 体重心在站立脚上；

SWB：双脚与肩同宽站立，踝关节中立位站姿，身体重量均匀分布于双脚；

NWB：膝 关 节弯 曲 90° ，踝 关 节中 立 位坐姿 ，足部无负重状态。

模型建立：用三维建模软件（Rhino3D 6.0，USA）对足弓部位进行曲面取型。支撑垫面积覆盖中足与后足，模型厚度为 3 mm。每位受试者对应三款支撑垫（FWB 为 Ⅰ型、SWB 为Ⅱ型、NWB 为Ⅲ型），如图1 所示。

图1 试验用鞋垫Fig. 1 Insoles for the experiment

模型打印：通过熔融层积技术（PLA，Shore A 95°）进行模型打印。支撑垫的四周边缘进行斜坡过渡加工处理，使边缘无厚度，避免厚度差产生不适感。

鞋垫制备：从足底压力分散和触觉舒 适 性 考虑[18]，在支撑垫上加装一层全掌型聚氨酯发泡材料（Poron，Shore A 30°），全掌标准厚度为 3 mm。另外准备一双同材质、同厚度、无支撑垫的平鞋垫作为对照组。

1.3 实验步骤

所有受试者穿着同款同码平跟帆布鞋（Muji，37码），用松紧带代替鞋带，每位受试者在每次试验中保持鞋子松紧度一致。在开始采集数据之前，受试者加穿实验鞋垫进行适应，确定无明显不适感再进行数据采集。告知受试者以日常正常的速度行走通过装有 1 m 足底压力板（T-plat Medicapteurs，France）的 8 m 长步道。每位受试 者 每次行走时间无显 著 差异 （P =0.361），同一型号鞋垫采集 3 次有效数据。

使用视觉模拟量表(VAS)评估鞋垫的静态与动态舒适性。评分范围从左到右为 0 分到 10 分，舒适度标记左侧为“完全不舒服”；右侧标记为“完全舒服”。

1.4 数据分析

将行走步态周期支撑相分为 4 个阶段[19]：足跟着地阶段(ICP: Initial Contact Phase)、前足着地阶段(FFCP: Forefoot Contact Phase)、全足支撑阶段(FFP:Foot Flat Phase) 和前足 蹬 离 阶段 (FFPOP: Forefoot Push-off Phase)如图 2 所示。

图2 支撑期 4 个阶段的划分方法Fig. 2 Method of dividing the 4 phases during the stance phase of gait

测量受试者右脚指标，包含支撑期总触地时间(TCT: Total Contact Time)、4 个阶段触地时间及各阶段所占时间百分比；归一化触地时间[20]并计算足底压力中心（COP: Center of Pressure）以及相对于对照组内外侧偏移(ML-COP: Medial-Lateral-COP)。定义足跟中部到前足第 2、3 跖骨之间的连线为 COP 中轴线，COP 在 X 轴的数值为内外侧偏移量[21]。

所测参数均为正态分布，采用配对样本 t 检验分析不同支撑鞋垫条件下与对照组之间参数的差异性。使用 SPSS version 21 统 计 分析 软 件(SPSS Science, Chicago) 进行统计分析，P＜0.05 表示差异存在统计学意义。

2 结果

步行支撑期总触地时间、4 个阶段触地时间及时间百分比如表 1 所示。与对照组相比，Ⅱ、Ⅲ型组支撑期总触地时间均显著降低 （P = 0.002、P =0.026），Ⅰ型组总触地时间均值降低，差异无统计学意义(P ＞0.05)。3 种支撑型鞋垫在 FFP、FFPOP 阶段的触地时间均值较对照组降低，但差异均无统计学意义(P ＞0.05)。其余阶段的触地时间以及各阶段时间百分比差异均无统计学意义（P ＞0.05）。

表1 总触地时间、各阶段触地时间及时间百分比 1）Tab. 1 Total contact time, 4 phases’contact time, and time percentage

加穿 4 种类型鞋垫的 COP 均值如表 2 所示，COP 均值轨迹如图 3 所示。与对照组相比，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型组 COP 轨迹均向内侧偏移；其中，Ⅱ、Ⅲ型组在FFP 和 FFPOP 阶段观察到 COP 内侧偏移的幅度最大；而Ⅰ型组，最大 COP 偏移幅度发生在 FFPOP 阶段。与对照组相比，在 ICP 阶段，加穿支撑型鞋垫后COP 偏移量差异无统计学意义（P ＞0.05）；在 FFCP阶段，Ⅱ型和Ⅲ型组 COP 分别向内侧偏移 1.6 mm（P =0.002）和 2.5 mm（P =0.001），Ⅰ型组差异不显著；在 FFP 阶段，Ⅱ型和Ⅲ型组 COP 分别向内侧偏移 2.3 mm（P =0.01）和 2.7 mm（P =0.001），Ⅰ型组差异不显著；在 FFPOP 阶段，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型组 COP 均显著向内侧偏移，偏移量分别为 2.2 mm（P =0.03）、4.7 mm（P =0.001）和 5.1 mm（P =0.001）。

图3 支撑期 4 种测试条件下 COP 均值轨迹Fig.3 Mean COP trajectories of four test conditions during the stance phase of gait

表2 4 种测试条件下的 COP 均值 1）Tab. 2 Mean values of COP under four test conditions

在静立状态下，4 种类型鞋垫舒适性无明显差异（P ＞0.05）；但在动态状态下，Ⅲ型组的舒适性明显降低（P =0.002），其余组舒适性无明显差异（P ＞0.05），如图 4。

图4 主观评价 4 种测试条件下静、动态舒适性Fig. 4 Subjective rating of static and dynamic comfort under four test conditions

3 讨论

以不同负重条件下的足部形态数据为基础，建模并 3D 打印支撑垫，探索不同支撑型鞋垫对扁平足足底压力分布特征的影响。对不同条件下步行支撑期触地时间参数与足底压力中心空间参数进行对比分析。结果表明，加穿了Ⅱ、Ⅲ型支撑垫鞋垫后，支撑期总触地时间 明 显降低 （P = 0.002、P =0.026），同时 COP 向内侧偏移，且偏移的幅度随支撑垫高度的增加而增加。

3.1 总触地时间

足底压力产生的根本原因是足 部与地面接触，支撑期总触地时间关系到足部肌肉的活动时间。本文将支撑型鞋垫与足作为整体考量，对比分析不 同条件下总触地时间的差异。结果表明加穿支撑型鞋垫后，总触地时间均值都降低，其中Ⅱ、Ⅲ型组显著降低。有研究表明，带有支撑结构的鞋垫同 样能显著降低跑步支撑期总触地时间[22]。扁平足人群在行走和运动过程中容易造成足部劳累，其可能原因是扁平足人群在活动过程中，由于内侧足弓支撑功能弱化，易引起过度内旋动作，导致总触地时间延长。足部内附肌群活动时间延长，易提前疲劳，且疲劳后肌肉缓冲负荷的能力减弱，从而增加了韧带及骨骼系 统 负荷[23]，引 发 足 底 筋 膜 炎 、筋 骨 疼 痛 等 症 状[24]。Ⅱ、Ⅲ型鞋垫能有效降低总触地时间，可能与有效控制内旋动作有关。

在行走步态支撑期，足部主要经历 4 个阶段，本文 尝试 进一 步明 晰 触 地 时 间 降 低 的 具 体 阶 段 。Aynollah[22]等人对比研究加穿与未穿支撑鞋垫两种状态下，跑步支撑期各阶段触地时间百分比无显著性差异，本文研究行走步态得到相同的结论。可能原因是，支撑型鞋垫并非仅对支撑期某个阶段起到作用，而是对整体动作进行了优化。支撑型鞋垫能有效恢复足部姿势，其对足部神经 - 肌肉控制系统不会产生即刻效果[25]，在短时间内控制系统对足部动作的时间分配不产生影响。支撑型鞋垫对扁平足的长期作用效果需要进一步的实验验证。

3.2 压力中心轨迹

本文研究结果显示，支撑型鞋垫使扁平足 COP向内侧偏移，特别是Ⅱ、Ⅲ型鞋垫在足部缓冲阶段（FFCP、FFP）COP 向内侧偏移明显。Zhang X[26]等人研究发现正常足在后跟抬高状态下，加穿支撑型鞋垫同样导致 COP 向内侧偏移。可能原因是，支撑鞋垫与中足内侧接触面积增大，有效缓解了跖骨区内侧和跟骨区内侧的压力，而这部分压力向中足转移[27]。作为整体，足中轴线内侧的压力总和并不会因支撑鞋垫而降低。与正常足相比，高弓足的 COP 也向内侧偏移[28]。虽然现象相同，其背后的机制不同。高足弓足部相对僵硬，限制了中足的接触面积，不能分散足底压力，并集中 于 跖 骨区 内侧 和跟 骨区 内侧[29]，因 此 COP 偏 向 内侧。而偏平足在支撑垫的作用下，跖骨区内侧和跟骨区内侧的压强得到有效的分散而降低，而中足内侧支撑部位的压强增加[30]，引起 COP 向内侧偏移。不同的支撑型鞋垫，对中足内侧的支撑程度不同，所承担的负荷不同，造成步态周期中 COP 偏移的幅度不同，本文中Ⅰ型组因支撑垫高度较低，在缓冲阶段对 COP的内外侧位置未造成显著影响。

在 蹬 伸 阶 段（FFPOP）对 照 组 COP 通 过 小 趾 区域，而加穿了支撑型鞋垫后，COP 偏向了大拇趾区域。扁平足旋前动作限制了蹬伸阶段的活动幅度，同时蹬伸时 COP 偏向小趾区域，大拇趾背屈活动减少，弱化了绞盘机制[31]。而支撑型鞋垫与足弓区域接触面积增加，使足底韧带张力增加，激活了 绞 盘机 制 ，限制了大拇趾端关节活动并承担了更多的负荷[31]。

相比于足底压力，压力中心轨迹是比更 为 实用的参数[28]。有学者认为，即使关节轴与 COP 之间的距离发生小至 2 mm 的偏移，也可能影响作用于该关节轴的力矩平衡[32]，导致足部动态功能的异常，引发生物力学病理发展的潜在风险[33]。

Ⅱ型组的 COP 更加接近足中轴线，相比之下地面反作用力施加于距下关节的旋前力矩减小 ，稳 定性更好一些。在步态支撑期缓冲阶段，足弓下压，舟状骨下沉[34]，Ⅲ 型 支撑垫 是 非负重 状 态下 采 集 的数据，其 支撑 高 度 最 高 ，和 缓 冲 阶 段 的 足 弓 形 态 偏 差最大，对足弓形成压迫感。有学者通过尸体研 究 表明，过大的 足 弓 支 撑 垫 ，会 造 成 距 下 关 节 接 触 面 积降低[10]，这可能也是带来不适感的原因。

本次研究还存在一些不足之处。一方面 ，本 文探究了不同支撑型鞋垫对扁平足 COP 的影响特征，但 COP 的 突 然调整，是否会引 发 生物 力 学病理 发展，还需要进一步跟踪研究；另一方面，COP 调整的偏移量，是否存在一个既可以实现矫正效果 又尽可能减少矫枉过正风险的理想范围，后续的研究 可 以结 合 运 动 学 、 动 力 学 以 及 肌 肉 活 动 进 行 多 维 度 测评，为扁平足的矫正划定安全范围。

4 结论

通过比较研究 3 种不同支撑型鞋垫对扁平足步行支撑期触地时间和 COP 内外侧偏移幅度的影响，结果表明Ⅱ、Ⅲ型鞋垫能优化总触地时间，且 COP 轨迹有整体向足内侧偏移的趋势，偏移幅度随支撑垫高度的增加而增加。结合 COP 分布特点与主观评价，Ⅱ型支撑型鞋垫具有更佳的舒适性和稳定性。