3D 數字化掃描技術矯形鞋墊足底減壓效果的生物力學評估

麥麥提熱夏提·合力力，耿翔，張影哲，邱紀方

（1.復旦大學附屬華山醫院，上海 200040；2. 浙江康復醫療中心（浙江中醫藥大學附屬康復醫院）， 浙江杭州 310053；3.奧托博克（中國）工業有限公司，上海 200120）

人在站立和行走等日常活動中，足底壓力主要集中在足跟、跖骨頭區及大拇趾，如果足底給予長期異常支撐，可能對足部造成損傷[1]。 因此，足底壓力分布情況可以間接的反映人體的下肢力線是否正常，同時，有利于預測和及時發現異常情況下可能會造成的損傷。 在鞋具領域，鞋墊與足底直接接觸，起吸汗防滑、緩沖減震、支撐和改善足部功能的作用。 因此，鞋墊能直接影響足部和全身的生物力學特征[2-3]。近年來，在臨床治療中，矯形鞋墊的應用也越來越廣泛，可以有效改變一些患者的下肢生物力線，延緩患者病情發展[4]。 矯形鞋墊按其制作方式可以分為預制型矯形鞋墊、定制-模制型矯形鞋墊、定制型矯形鞋墊3 種，在臨床上，這3 種鞋墊使用都很常見。

隨著3D 數字化掃描技術的成熟， 該技術已開始應用于鞋墊領域，制造出更加符合足底解剖學形態的個性化矯形鞋墊，旨在減少并重新分配主要支撐點的足底壓力，從而將這些點在進行身體活動或長時間站立時所承受的壓力降到最低，達到最大程度上的緩沖效果。 計算機輔助設計與制造中使用的3D 數字化掃描技術是非接觸式三維掃描儀，采用結構光非接觸照相測量原理， 分為光柵三維掃描儀和激光掃描儀兩種。 光柵三維掃描儀又稱為拍照式三維掃描儀，是一種高速高精度的三維掃描測量設備。 三維激光掃描利用激光測距的原理， 快速測得物體輪廓的幾何數據，形成數字化模型，具有高效率、高精度的優勢。 隨著科學技術的發展，三維激光掃描的應用越來越普遍。

該研究采用三維激光掃描技術和計算機輔助設計獲取志愿者足部三維信息，定做符合志愿者足部解剖學形態學特征的鞋墊，使用GP MobilData 內鞋墊移動式足底壓力測量系統分別檢測志愿者穿戴普通鞋墊和定制鞋墊時的足底壓力分布情況， 并統計足跟、中足、跖骨頭區壓力峰值，分析穿戴兩種鞋墊時以上3個區域壓力峰值的差異變化，進一步評價定制鞋墊足底減壓效果。

1 對象與方法

1.1 研究對象

招募10 名健康成年志愿者， 男性6 名， 女性4名。 志愿者在過去無創傷和下肢手術史，過去從未穿戴矯形鞋墊。

1.2 實驗設備

OrthoPodoDynamics 足底壓力測試板、OrthoPodoScan 3D 三維足部掃描儀、LFT 計算機輔助銑削加工設備、德國GP MobilData 內鞋墊移動式足底壓力測量系統。

1.3 實驗用鞋和鞋墊

（1）預制型平底運動鞋：不同大小鞋碼：38、39、40、41、42；（2）預制型普通鞋墊：不同大小鞋碼：38、39、40、41、42；（3）定制矯形鞋墊：根據志愿者足部三位掃描獲得的數據，使用計算機輔助設計銑削設備制作矯形鞋墊。

1.4 實驗方法

（1）使用OrthoPodoDynamics 足底壓力測試板，所有志愿者分別檢測赤足狀態下行走和靜態狀態下的足底壓力分布情況。 其數據結果直接傳輸到矯形鞋墊計算機輔助設計（CAD）系統，通過CAD 系統可以根據壓力分布情況來對鞋墊模型進行調整， 改變鞋墊高度、支撐來分散局部壓力，達到降低壓力峰值的目的。

（2）使用OrthoPodoScan 3D 三維足部掃描儀掃描獲取所有志愿者雙足三維印象信息。

（3）使用LFT OrthoPodo CAM v4.60 軟件處理，并設計鞋墊模型，確認壓力區域正確。

（4）使用DeskProtocol v6.1 軟件進行鞋墊三維建模，通過計算機輔助設計銑削設備制作矯形鞋墊壓力承載基底。銑削使用材料：單硬度EVA，硬度值約邵氏硬度A50-55；厚度30 mm。

（5）鞋墊銑削完畢后，對不同壓力分布區域采用不同硬度材料進行局部減壓。

（6）每個志愿者穿戴適合大小的預制鞋，先后分別穿戴適合大小的普通鞋墊和3D 定制矯形鞋墊，使用德國GP MobilData 內鞋墊移動式足底壓力測量系統測量穿戴不同鞋墊行走時的足底壓力分布。

1.5 統計方法

使用SPSS 16.0 統計學軟件進行統計分析， 志愿者穿戴預知鞋墊和定制鞋墊時上述3 個區域對應的壓力峰值進行單因素方差分析，P＜0.05 表示差異有統計學意義。

2 結果

總共10 位志愿者（6 例男，4 例女），年齡范圍22～39 歲，平均年齡（30.80±4.59）歲，平均身高（1.71±0.67）m，平均體重（63.80±12.51）kg，參與該研究。

分別比較左右腳穿戴預制鞋墊和定制矯形鞋墊時的足底不同區域壓力峰值，結果顯示，與穿戴預制普通鞋墊行走時比較，志愿者穿戴定制矯形鞋墊行走時，雙側足跟和跖骨頭區，左足中足壓力峰值降低，差異有統計學意義（P＜0.05）。

表1 志愿者穿戴兩種鞋墊時足底各區域壓力峰值比較（n=10）

3 討論

足踝部矯形器在西方國家應用及發展比較早，我國起步較晚，還處于發展階段。 近年來，隨著臨床上廣泛應用，矯形鞋墊在改善足底壓力分布、降低壓力峰值以及矯正下肢力線， 延緩和改善部分疾病的發生、發展，促進兒童的健康發育，提高患者生活質量等方面取得了良好效果。 矯形鞋墊個性化定制過程中，傳統的獲取足部3 維印象的方法主要是石膏取模、取模盒取模等。 傳統取模方法共同的缺點是取模結果易受操作者經驗的影響，誤差較大，同時浪費耗材[5]。 3D 數字化掃描技術取模制作鞋墊只需要進行掃描、 設計、銑削、打磨，整體耗時在4～8 個工時，同時可以根據設計需求反復調整鞋墊模型，達到最佳減壓效果。

近年來，隨著工業及計算機技術的發展，在足部取模及定制足部矯形器領域出現了3D 數字化掃描、CAD-CAM 等前沿技術的應用。相關研究報道基于3D數字化掃描、CAD 以及3D 打印技術制作的矯形器與使用傳統方法制作的矯形器相比，具有類似的生物力學矯正效果，但是患者主觀舒適度評分更高。

該研究初步探索3D 數字化掃描技術矯形鞋墊足底減壓效果，使用鞋內足底壓力檢測設備，分別檢測志愿者穿戴預制鞋墊和定制鞋墊行走時的足底壓力分布，結果發現基于3D 數字化掃描、CAD-CAM 技術制作的鞋墊具有更好的分散足底壓力、降低足跟及前足壓力峰值（見表1），增加內側足弓的壓力分布,該方法整合了赤足情況下足底壓力分布和鞋墊模型設計，計算機輔助設計過程中根據足底壓力峰值分布情況調整鞋墊模型高度來達到更好的矯形、 減壓效果，而且基于3D 數字化掃描技術足底形態取模與足部解剖學形態更加貼合。 對于足跟痛、跖痛癥、平足癥等患者選擇使用基于3D 數字化掃描技術矯形鞋墊對癥治療，通過減壓、分散應力，緩解病痛效果可能更佳。

綜上所述， 基于3D 數字化掃描技術定制矯形鞋墊節省時間及人力資源，過程簡便。 行走時與穿戴預制普通鞋墊相比較， 基于3D 數字化掃描技術定制的矯形鞋墊在分散足底壓力、降低足跟、前足壓力峰值效果明顯，同時能適當增加中足負重及內側足弓的支撐來分散足跟及前足的壓力，形態學上更加貼合足的形態。 可能對足跟痛、跖痛癥、平足癥患者具有使用價值。 但是，該研究樣本量較少，并且缺少臨床評估，缺乏長期隨訪，其遠期效果有待進一步臨床研究。