基于足底压力特征的功能鞋垫研究进展

闫和秋, 覃 蕊

(青岛大学 纺织服装学院,青岛 266071)

功能鞋垫因具有改善足底受力状态、提高运动机能的优点,在医疗康复领域和运动防护领域已得到了广泛应用[1]。有资料显示,因运动生活习惯和疾病引起的足部压力分布异常是诱发足部疾病的主要原因,除药物和手术治疗外,功能鞋垫的使用可起到辅助治疗的作用[2-3]。在足部疾病治疗方面,接触式鞋垫可以重新分配足底压力,减轻足底高压,降低足底溃疡的风险[4-5]。在矫正方面,矫形鞋垫对因受力异常引起扁平足治疗效果显著[6]。此外,使用功能鞋垫可以降低运动过程中的损伤,提高使用者的运动机能。刘亮[7]认为,慢跑减震鞋垫可最大限度地降低着地时地面对人体造成的冲击力,调整足底的压力分布情况,保护足部健康。Wu等[8]通过一系列对比试验发现,射击运动员穿着足弓支撑鞋垫的射击成绩要显著高于穿普通鞋垫的成绩。

虽然功能鞋垫应用广泛,但仍存在鞋垫材料疲劳性能欠佳[9]、鞋垫腰窝结构设计不合理[10]、造价昂贵[11]等问题。除此之外,功能鞋垫与鞋的适配性较差,部分鞋类如高跟鞋、皮鞋等,鞋内空间狭小,导致无法正常使用功能鞋垫[12]。

本文通过对国内外功能鞋垫设计与开发的研究文献进行归纳总结,分析了正常及异常的足部压力分布特点,介绍了功能鞋垫特性,概括了功能鞋垫在医疗康复领域和运动防护领域的发展现状,分析了目前功能鞋垫存在的问题及不足,并对功能鞋垫的发展趋势进行预测。

1 足底压力概述

足底压力是足部运动状态及足部健康的直接反映,通过足底压力分析有助于进一步了解正常及异常足底压力分布状态,进而指导功能鞋垫的合理化区域设计及材料选择。

1.1 正常足底压力分布

足是人体的重要组成部分,起到承载身体重量的作用。正常人的足底压力分布具有一定的规律和特点。高敏等[13]的研究表明,足部主要由足跟、第1跖骨头和第5跖骨头三点负重。健康人体静止站立时的足底压力分布及足底分区如图1所示,其中深色区域表示压力较高部位,浅色区域为压力较低部位。由图1可以看出,足跟和跖骨区是足部受力较为集中的区域。

但三点负重理论主要考虑骨性结构,事实上足底压力不仅取决于骨性结构,还由足部软组织的功能及厚度决定。王明鑫等[14]通过分析100名健康成年人的足底压力数据发现：在静止状态下,足跟压力>第2～4跖骨头>第1跖骨头>第5跖骨头>拇趾>中足>第2～5趾,其中第2～4跖骨头的足底压力均高于第5跖骨头;在行走时,足跟、第1～4跖骨头、拇趾的压力大,中足、第5跖骨头压力小。相比于静态时的足底压力,动态时的足底压力明显增大,且在一个步态周期中,为了维持身体平衡,足底压力峰值会从足跟向前足转移。该研究为符合人体运动特点的功能鞋垫设计提供了一定的理论参考。

图1 足底压力分布及足底分区示意Fig.1 Schematic diagram of plantar pressure distribution and plantar zoning

1.2 异常足底压力分布

有研究表明,疾病、超重等因素会引起足部压力分布异常[15-16]。Abri等[15]测量了糖尿病患者赤脚状态下的静态足底压力状态,指出糖尿病患者的足底压力高于正常人的足底压力,尤其在足跟、中足及前足内侧区域压力增大较为明显,且糖尿病足的病变越严重,足底压力越大。Sahan等[17]测量了186名超重青少年在静止站立时的足底压力发现,随着身体质量指数(Body Mass Index,BMI)的增加,右前足的负荷明显增加,且双足的平均峰值压力也随之增加。Liu等[18]对比了超重老年妇女和正常老年妇女行走时的足底压力数据,结果显示,超重老年妇女的第1跖骨头、中足、脚跟内侧及脚跟外侧的平均压力显著高于正常老年妇女的足底压力。

此外,部分运动也会引发局部高压,增加足部载荷。Eils等[19]指出,足球运动中的切球动作会导致足跟内侧及前足内侧的平均峰值压力分别增加220%和160%,抢球冲刺时也会使后跟、跖骨头及拇趾的压力峰值增加,并且多次的重复运动会对足部造成额外伤害。Huang等[20]对比普通人和羽毛球运动员在行走和跑步时的足底峰值压力发现,羽毛球运动员的脚趾、第5跖骨头和足跟的足底峰值压力均高于普通人。在跑步过程中,羽毛球运动员的第1～4跖骨头及中足外侧的足底压力峰值也高于普通人。

以上专家学者对于足底压力的研究和分析表明：足跟、前足掌及拇趾是足部最主要的受力部位,但足底压力分布并不是一成不变的,足底压力分布状态与个人健康状况及运动状态有密切关系。因此,合理的鞋垫选择或设计需依照个人的足部状态而定,以最大程度上均衡足底压力,保护足部健康。

2 功能鞋垫的材料及结构特性

根据足底压力特点选择鞋垫的材料和结构可使鞋垫具有不同的功能,鞋垫材料可实现鞋垫的减压、支撑等功能,但各种材料有不同优缺点,即使同一种材料,在设计时参数上的差异也会改变鞋垫的性能;鞋垫结构设计可使鞋垫贴合足底,增加足与鞋垫的接触面积,使得足部受力更均匀合理,从而减少局部高压带来的副作用。在实际应用中,一张鞋垫上可结合不同的材料和结构,用来实现不同的功能性需求。

2.1 功能鞋垫的材料特性

根据制作材料的软硬程度,鞋垫可以分为软质鞋垫和硬质鞋垫。软质鞋垫主要用于增强鞋靴的减震性能、缓解足部疼痛;硬质鞋垫主要用于支撑足弓、矫正足部异常生理结构[21-22]。为改善神经性糖尿病足的异常足底压力,Nouman等[23]在鞋垫上附加了一层硬度为Shore A 30°的多层泡沫软垫,经试验发现,糖尿病患者穿着鞋垫在行走和上坡时,前足的峰值压力有效降低,且足底压力分布优于没有附加多层泡沫软垫的相同材质鞋垫。Meng等[24]根据受试者的足部力学生理特征及形状定制了两种材料相同但硬度分别为Shore A 150°和Shore A 75°的鞋垫,其中硬度为Shore A 150°的鞋垫为硬定制鞋垫,硬度为Shore A 75°的鞋垫为软定制鞋垫,经过测试受试者跑步时的足底峰值压力发现,软定制鞋垫的足底压力显著低于硬定制鞋垫的足底压力,减少了前足内侧的明显高压,降低了跑步过程中前足疼痛的风险。Casado等[25]测试了硬质乙烯醋酸酯(EVA)鞋垫对摩托车骑手的足底压力影响,发现硬质鞋垫可以支撑足部,降低骑手的足底压力,减少足部运动损伤的发生率。

制作功能鞋垫的材料种类繁多,目前市面上常见的材料有乙烯醋酸酯(EVA)、聚氨酯(PU)、硅胶、乳胶等[26]。随着研究的不断深入,更多新材料不断出现。Mortazavi等[27]研究了用于治疗足部力学生物损伤疾病的添加NaY纳米沸石的含硅鞋垫的机械性能,结果表明,NaY沸石的添加改善了医用功能鞋垫的力学性能,能满足医用功能鞋垫要求,并且鞋垫的吸湿性得到很好提升,在均衡足底压力分布状态的同时提高了使用过程中的舒适性。Shahar等[28]探讨了红麻复合材料制作足部矫形器的可能性,结果显示,红麻复合材料的拉伸强度几乎与聚丙烯(PP)相似,能够使着装后的足底压力分布趋于合理且价格更加便宜。

2.2 功能鞋垫的结构特性

鞋垫的结构设计与鞋垫的功能性密不可分,将鞋垫做成三维结构可以增加足部与鞋垫的接触面积,调整足部生物学状态[29]。曹子君等[30]针对糖尿病足的足跟和前脚掌区域的异常足底压力,将该区域的鞋垫设计为多孔结构,经有限元分析发现,鞋垫上的多孔结构可以增加足底接触面积,降低足部软组织和骨骼的压力。此外,鞋垫的足弓高度也是鞋垫设计的重要部位。弓太升等[31]在对比轻度扁平足儿童和正常足儿童的足部数据后,设计了足弓支撑高度分别为7、9、11 mm的足弓支撑鞋垫,经试验发现,研制的3种不同弓高的足弓支撑鞋垫对轻度扁平足有一定的干预作用,随着足弓支撑鞋垫弓高的增加,足弓处受到的支撑力、压强和接触面积逐渐增大。该结论为符合人体运动机能的鞋垫设计提供了一定的理论参考,但该研究只考虑了一种结构对足部产生的影响。事实上,综合多种结构设计的功能鞋垫可以在很大程度上为足部防护带来积极效应。Chen等[32]提出一种新型结构的糖尿病足功能鞋垫,鞋垫分为支撑区和缓冲区,支撑区采用实心拱支撑结构和蜂窝结构构成,缓冲区采用多孔结构,利用3D打印技术制作鞋垫,其缓冲区在压力作用下比普通鞋垫增加18%的形变,支撑区使前足和后足降低了约30%的压力。

目前可用于制作鞋垫的材料越来越多,鞋垫的结构设计越来越科学。为发挥更好的功能效果,在鞋垫的设计制作过程中,可以针对不同区域的足底压力特点选用不同的材料和结构进行组合,在满足功能性的同时提高着装舒适性。此外,在测试鞋垫的功能效果时,可增加长期跟踪试验,以更好验证鞋垫的功能性。

3 功能鞋垫的作用机制及功能性应用

合理的功能鞋垫设计可以有效平衡足底压力,减轻运动过程中的足部受力,在提升人体运动机能的同时,还可以对足部起到有效的治疗和矫正作用。

3.1 功能鞋垫在医疗康复领域的应用

功能鞋垫通过均衡足底压力分布调整下肢生物力线,进而达到治疗、矫正的作用,应用范围广泛[3]。常见的足部疾病特征与功能鞋垫的作用机制如表1所示。

糖尿病足是糖尿病的严重并发症之一,糖尿病患者会出现足底压力分布状态和步态的改变,局部压力过高会导致软组织受损,进而形成足部溃疡[33-34],使用功能鞋垫改善足底压力分布,可在一定程度上保护软组织[35]。Nouman等[36]利用有限元分析方法,模拟了糖尿病患者穿着定制鞋垫时(CMI)的足部状态,该定制鞋垫由三层结构组成,顶层为乙烯醋酸乙烯酯(EVA),中间层为Nora Lunalastike,基层为热塑性聚氨酯(TPU),在基层置入柔软的聚乙烯(PE)脚跟垫和前脚垫,模拟结果显示,定制鞋垫可有效降低峰值足底压力,有助于神经性糖尿病足的管理。研究表明,开发智能化功能鞋垫可以实现足部的实时监测,预防糖尿病足溃疡的发生。Sousa等[37]将99个电容传感器矩阵置入2 mm厚的柔性鞋垫中,配合蓝牙腰带使用,可将足部数据连接存储到笔记本电脑,识别和治疗糖尿病患者足部的体征和症状,延缓或预防糖尿病足溃疡。Chatwin等[38]对使用SurroSense Rx智能鞋垫系统治疗糖尿病足的患者进行了18个月的随访试验,调查结果显示,每天使用智能鞋垫系统并通过智能鞋垫系统进行持续的足底压力反馈,可减少糖尿病足溃疡高风险患者的高压发作次数。

表1 功能鞋垫在医疗康复领域的应用Tab.1 Application of functional insoles in the field of medical rehabilitation

目前用于治疗糖尿病的功能鞋垫已经较为成熟,且在扁平足治疗上也有较多的研究成果。Xu等[39]通过研究治疗扁平足的功能鞋垫,指出鞋垫通过将患者跖骨区域压力转移到中足区域,可以有效降低患者跖骨区域的足底压力,进而减少足部疼痛及损害。蔡广庆等[40]对使用功能鞋垫的正常及柔韧性扁平足儿童进行了3年的观察,发现定制矫形鞋垫能维持扁平足的形态接近正常,并且能改变平足儿童的足弓排列,同时解除或减轻疼痛症状。

除此之外,功能鞋垫能够调整下肢生物力线,纠正不正常的解剖结构,使膝关节受力均匀,从而治愈以膝外翻和膝内翻为代表的膝关节畸形[41]。

3.2 功能鞋垫在运动防护领域的应用

有研究发现,高强度的运动和体能训练容易造成人体下肢出现过劳性损伤[42]。此外,与年轻参与者相比,参加体育运动的老年运动员受伤率较高[43]。功能鞋垫可以提供良好的舒适度,降低运动损伤的风险并提高运动表现[44]。Lullini等[45]研究发现,具有弹性足弓支撑的减震鞋垫可以在足底关键区域释放压力,从而减轻士兵在行军和跑步等重复性任务中的过度冲击载荷,减少下肢损伤发生率。Lilley等[46]的研究证明了带有外侧楔和内侧足弓支撑的功能鞋垫可以减少老年妇女跑步时的前平面膝盖力矩,保护膝盖,降低老年女性跑步者膝盖疼痛和损伤的发生。Ko等[47]探讨了碳纤维鞋垫(CFI)在跑步运动中对运动成绩、下肢肌肉活动和主观舒适度的影响,研究发现,碳纤维鞋垫显著提高了运动中的敏捷性,运动员能在跑步运动中获得更高的成绩,但它激活了更多的胫骨前肌和腓肠肌内侧肌,导致舒适性下降。

总体来说,功能鞋垫在疾病治疗和足膝矫正方面效果显著,尤其是现代化科技的融入使实时监测足部状态成为可能;在运动防护领域,功能鞋垫可以吸收分散冲击力,平衡足底压力,进而减少下肢损伤,提高运动表现能力,但鞋垫的舒适性还有待提升。

4 功能鞋垫存在的问题及发展趋势

4.1 功能鞋垫存在的问题

虽然国内外多项研究均表明功能鞋垫具有辅助治疗、加强运动防护、改善运动机能的功能,且部分产品已通过临床试验或进入市场,但通过对功能鞋垫的分析发现,功能鞋垫仍存在一定的问题需进一步完善：1) 鞋垫材料疲劳性能欠佳,舒适性有待提升。如今制作功能鞋垫的材料多以合成材料为主,多数合成材料存在透气性差、接触舒适感不佳等问题,且随着使用时间的延长会出现变黄、断裂、对温度敏感等情况。2) 功能鞋垫与鞋的适配性需加强。功能鞋垫主要面向足部疾病患者、运动爱好者及运动员研发,很难适配市面上某些鞋类产品,如部分鞋内空间狭小的鞋类无法正常使用功能鞋垫。3) 目前的功能鞋垫主要针对材料和结构等方面进行研发,智能化程度相对较低。4) 结构设计合理性需进一步加强,未实现差异化,造价昂贵。市面上的预制功能鞋垫只能满足部分使用者的要求,未实现差异化设计,而定制功能鞋垫价格较昂贵。

4.2 功能鞋垫的发展趋势

4.2.1 有限元分析的应用与完善

有限元分析因方便快捷、易于模拟、对人体无损伤等特点使其在鞋垫设计中得到广泛应用,但功能鞋垫的有限元分析仍存在一定的局限性,使其与实际测试结果仍存在一定的偏差。首先足部模型的建立大多是以简化的骨骼及软组织为主,肌肉韧带并未进行准确划分,简化的模型很难准确地表示出足部基本特征。其次,在用于病足的功能鞋垫模拟上,模型建立多以健康人的足部信息为参考,未综合考虑病足的发病机理及足部生物力学差别[29]。此外,力学模拟时大多只考虑足底与鞋垫之间的力学关系,对于穿鞋状态下的鞋底及鞋帮对鞋垫的功效学影响考虑甚少。如何提升模型建立和分析的精确度,并根据模拟分析结果设计符合人体运动机能和个性化需求的功能鞋垫仍需进一步研究。

4.2.2 足与鞋垫动态接触压力的获取

目前对于足与鞋垫之间的压力数据获取大多在静止状态下完成,然而,当人体处于运动状态时,足底压力会随之发生改变,足底压力峰值也会发生转移。因此,基于动态接触压力分布特征设计研发功能鞋垫更加符合人体的运动需求,是未来功能鞋垫研究的发展趋势。研究过程中,测量在特定运动下足与鞋垫之间的动态压力,分析足底压力峰值的变化情况、足底压力的动态分布情况,进而获得足与鞋垫之间的压力分布规律,以此为依据进行功能鞋垫的设计制作及性能优化,以期对足部实施更加科学的防护、治疗及提升运动机能。

4.2.3 功能鞋垫的智能化及个性化研发

随着科技的发展及人们需求的增加,未来功能鞋垫也会向智能化和个性化方向发展。如根据使用者的不同需求,设计符合用户足部运动生物力学特点的功能鞋垫,并在鞋垫特定部位置入传感器,与手机APP或智能手表等移动设备连接,既能实时监测人体足部的健康状态,又能将数据即时反馈给使用者,同时形成个性化用户足部健康数据库,为符合人体生理特点的功能鞋垫优化设计、性能提升、工艺改善提供数据支撑。此外,功能鞋垫还可以融入智能提醒装置,当检测到使用者足部的异常压力时,能及时提醒用户调整足部状态或就医,以最大限度地保护足部健康。

4.2.4 功能鞋垫的材料组合

根据用户的足底压力情况,综合多种材料的特点生产制作鞋垫,可实现足底峰值压力的转移。压力分散材料可在足部压力升高时,通过鞋垫内部的分子结构“流动”,发生变形并将支撑点扩散至整个足部,使得压力在整个足底分散[48],但过于柔软的材料会降低足部控制力,增加足部扭伤风险;硬式或半硬式支撑材料,可以支撑足弓有效提升矫正效果,但足底压力峰值、韧带及关节应力会随着鞋垫材料的硬度增加而增加[49]。因此,如何正确综合不同硬度的材料特点,确定最符合人体足部生理结构的鞋垫硬度,在保证鞋垫功能效果的前提下提升鞋垫的舒适性,仍需进行更深入的研究。

5 结 语

通过对国内外有关功能鞋垫研究的分析和总结,发现近年来有关功能鞋垫的研究及应用主要集中在医疗保健领域和运动防护领域。目前,功能鞋垫的研究多以人体足部压力特点为依据,如通过设置减压或支撑结构、利用有限元模拟分析对功能鞋垫进行优化设计与改进。功能鞋垫对于足部疾病治疗及运动防护均具有积极作用,然而,目前功能鞋垫仍存在结构设计合理性有待提升、未实现差异化设计、与鞋的适配性仍需加强等问题。在未来,有限元分析方法、足与鞋垫动态接触压力将会在功能鞋垫的研究中得到更为广泛的应用,鞋垫的材料使用更加科学,功能鞋垫将融入更多的智能技术,不断朝着智能化和个性化的方向发展。

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