糖尿病人群自然步態下足底壓力分布研究

張建國 ，卜月麗，王 芳 ，黃玲曉，李雪梅

(1. 天津科技大學機械工程學院，天津 300222；2. 天津市輕工與食品工程機械裝備集成設計與在線監控重點實驗室，天津 300222；3. 天津醫科大學代謝病醫院，天津 300070)

糖尿病是指以慢性高血糖為特征的代謝性疾病，隨著糖尿病患者數量不斷增多，各種糖尿病并發癥患者數也相應增加，而糖尿病足病是糖尿病最常見的并發癥之一，會導致患者足部發生潰爛、壞疽甚至截肢，具有發病率高、致殘率高、醫療費用高等特點，嚴重影響患者的生活質量[1]．有學者發現糖尿病患者的足底受壓時間較正常人延長，這可能是糖尿病患者易發生足底潰爛與壞疽的原因[2]．Lepantalo等[3]確定了足底壓力的異常升高和周圍神經病變是導致糖尿病足最常見危險因素．Frykberg等[4]測量了251例糖尿病人群的足底壓力，發現足壓異常升高易導致足潰瘍的發生．國外有通過減輕足底壓力來預防糖尿病足潰瘍發生的研究，并提出使用特制的跑鞋來預防糖尿病患者因足底壓力異常造成的足潰瘍[5–6]．降低糖尿病足截肢率的關鍵在于預防足底潰瘍的發生，而預防足潰瘍的關鍵是要延緩足底壓力的異常升高，因而對于糖尿病患者足底壓力分布情況的研究具有十分重要的意義[7]．國內學者主要研究糖尿病患者與正常受試者之間足底壓力變化情況[8]，為進一步分析異常足底壓力在糖尿病足病變過程中的影響，本研究細化了研究對象，旨在探討健康人、糖尿病非足病患者、糖尿病足病患者在自然行走步態下足底壓力分布特點及差異性，通過實驗數據分析，為糖尿病足的臨床預防與治療以及為糖尿病足減壓鞋的設計與研發提供實驗依據與數據參考．

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本研究招募了 115名患者：83名糖尿病非足病患者(diabetes mellitus，DM)，32名糖尿病足病患者(diabetic foot，DF)．受試者均自愿參加此次實驗，且對此研究知情、同意，并簽署知情同意書．參與實驗的糖尿病患者在穩定代謝控制下均診斷為糖尿病.所有受試者的納入標準：①下肢無嚴重行走功能障礙者；②無嚴重足部骨性畸形者；③精神狀態良好能積極配合者．另外，55名正常健康志愿者(normal control，NC)作為匹配對照組參與了本研究．

1.2 研究方法

本實驗采用了美國T&T medilogic 5.8.1鞋墊式足底壓力檢測系統，鞋墊內有覆蓋整個足部的240個傳感器，傳感器可以完整記錄足部動態和靜態壓力分布情況．

實驗對受試者的基本信息進行采集，并計算了受試對象身體質量指數(body mass index，BMI)．本實驗配備統一的平底布鞋和襪子，受試者以自然步態行走 10m 距離，通過該系統收集數據．研究將足底分為 10個足區，分別是足跟外側(HL)、足跟中部(HC)、足跟內側(HM)、中足區(MF)、第 1—5趾骨(M1—M5)以及腳趾區(T)．本研究在黃玲曉[9]研究基礎上對受試者足部沖量百分比、峰值壓力、包絡壓力中心點95%橢圓置信面積等參數進行分析研究．

1.3 統計學方法

本研究中，用 SPSS 22.0軟件進行統計分析，將數據進行 z-score標準化處理，然后對數據進行單因素方差分析，用 Dunnet法進行顯著性檢驗，當 P＜0.05時，表示差異有統計學意義．

2 結果與分析

2.1 受試對象基本情況比較

受試對象基本情況見表 1．分析顯示，受試者年齡之間差異無統計學意義(P＞0.05)．DM、DF組的BMI較 NC組有所升高，差異有統計學意義(P＜0.05)，認為可能是糖尿病患者本身長期的日常生活環境與飲食習慣等綜合因素造成的，是糖尿病患者群體的普遍特征．

表1 受試對象基本情況()Tab. 1 Basic information of the subjects()

表1 受試對象基本情況()Tab. 1 Basic information of the subjects()

注：*表示DM、DF組與NC組比較，P＜0.05．

分組 性別 例數 年齡 BMI NC 女 33 54.95±17.28 22.93±2.51*男 22 57.95±19.44 23.93±2.61*DM 女 34 61.50±8.930 27.11±3.82*男 49 57.50±13.41 26.46±3.06*DF 女 10 59.20±6.750 25.12±2.91*男 22 58.78±13.50 26.81±3.49*

2.2 各足區沖量百分比的組間差異分析

足底各區域沖量百分比情況見表 2、表 3．足部10個區域的沖量百分比的變化位置如圖 1所示(紅色表示與NC組相比DM/DF沖量百分比升高，綠色表示降低)．與NC組相比，DM組男性左足HL區的沖量百分比有所減小；男性左足 M2—M4區、T區，右足 M2、M3區，女性左足 M1—M5區，右足 M1—M3區的沖量百分比有所增大，差異有統計學意義(P＜0.05)．與 NC 組相比，DF組男性左足 HC、HL區，右足 HM、HL區，女性左足和右足 HC、HL區的沖量百分比有所減小；男性左足MF、M2—M4區，右足 MF、M2、M3區，女性左足 MF、M1—M3區，右足MF、M2—M4、T區的沖量百分比有所增大，差異有統計學意義(P＜0.05)．與 DM 組相比，DF組男性左足和右足、女性左足和右足的沖量百分比均在MF區有所增大，增幅在 50%～110%，差異均有統計學意義(P＜0.05)．其余區域的沖量百分比組間差異均無統計學意義(P＞0.05)．

表2 各組左足足底各區域沖量百分比情況()Tab. 2 Percentage of impulses of the left foot in each group()

注：*表示DM、DF組與NC組比較，P＜0.05；△表示DF組與DM組比較，P＜0.05．

分組 HM HC HL MF M1 M2 M3 M4 M5 T沖量百分比/%NC 女 23.9±5.3 15.3±3.1 37.8±6.0 4.7±2.5 3.3±3.1 2.7±2.0 2.3±1.2 2.7±1.1 4.0±2.3 3.3±2.9男 23.8±6.1 13.0±3.8 32.9±10.8 5.1±3.2 6.2±5.8 4.1±3.8 2.6±1.8 3.9±1.9 5.7±3.1 2.8±2.5 DM 女 23.3±4.9 12.9±2.8 33.2±6.92 5.01±1.8 5.6±3.2* 4.5±2.2* 3.2±1.4* 3.7±1.4* 5.8±2.6* 2.7±2.1男 21.0±5.4 9.5±3.0* 27.9±7.2 5.7±3.3 8.0±4.9 6.2±3.4 4.3±1.8* 5.1±1.7* 7.4±3.2 4.9±3.9*DF 女 22.6±7.7 12.0±3.4* 29.0±6.7* 8.6±5.7*△ 5.8±3.9* 5.7±3.8* 3.7±1.8* 3.5±1.2 5.8±2.9 3.3±3.1男 20.1±7.9 10.0±4.3* 23.3±7.8* 11.7±12.8*△ 6.9±4.5 7.5±4.6* 4.6±2.5* 5.2±2.4* 7.1±3.9 3.5±2.9

表3 各組右足足底各區域沖量百分比情況()Tab. 3 Percentage of impulse of the right foot in each group()

表3 各組右足足底各區域沖量百分比情況()Tab. 3 Percentage of impulse of the right foot in each group()

注：*表示DM、DF組與NC組比較，P＜0.05；△表示DF組與DM組比較，P＜0.05．

分組 HM HC HL MF M1 M2 M3 M4 M5 T沖量百分比/%NC 女 25.5±8.7 11.0±3.7 25.4±8.2 7.7±3.1 6.4±4.1* 6.9±4.0* 2.5±1.9 2.9±1.5 5.6±3.2 3.5±2.3男 26.2±6.7 11.2±3.9 28.2±11.1 8.2±4.7 5.3±3.5 4.1±2.6 2.8±1.6 3.6±1.6 7.3±3.1 3.3±2.4 DM 女 24.1±6.8 11.0±3.7 25.4±8.2 7.7±3.1 6.4±4.1* 6.9±4.0* 3.9±1.6* 3.7±1.4 7.0±3.4 3.8±1.9男 22.6±5.3 8.5±3.0 22.9±7.3 8.3±3.8 8.0±4.8 6.9±3.4* 4.4±1.8* 4.8±1.6 9.1±3.7 4.5±2.1 DF 女 23.9±3.9 8.5±3.2* 19.6±9.6* 13.3±6.4*△ 6.6±4.4 7.7±3.0* 4.7±2* 3.9±1* 6.2±2.4 5.4±2.9*男 21.5±7.3 9.2±4.7 20.5±8.9* 12.4±6.8*△ 7.4±7.9 7.9±6.3* 4.4±2* 4.4±2.4 7.4±4.2 4.9±4.8

圖1 足部10個區域的沖量百分比的變化位置Fig. 1 Position change of the impulse percentage of the tenth zone of the foot

2.3 各足區峰值壓力的組間差異分析

各組足底各區域峰值壓力情況見表 4、表 5，各組在差異性顯著足區峰值壓力變化情況見圖 2．與NC 組相比，DM 組男性左足 M1—M5、T區，右足M1-M4、T區，女性左足 M1—M5區，右足在 M1—M4區的峰值壓力有所升高，差異有統計學意義(P＜0.05)．與 NC組相比，DF組男性左足 MF、M2—M5區，右足 MF、M2、M3區，女性左足 MF、M1—M5區，右足 MF、M1—M4、T區的峰值壓力有所升高，而女性右足HL區峰值壓力有所降低，差異有統計學意義(P＜0.05)．與DM 組相比，DF組男性左足和右足、女性左足和右足的峰值壓力均在 MF區有所升高，增幅在 70%～115%，差異均有統計學意義(P＜0.05)．其余區域的峰值壓力組間差異均無統計學意義(P＞0.05)．

表4 各組左足足底各區域峰值壓力情況()Tab. 4 Peak pressure in each area of the left foot()

表4 各組左足足底各區域峰值壓力情況()Tab. 4 Peak pressure in each area of the left foot()

注：*表示DM、DF組與NC組比較，P＜0.05；△表示DF組與DM組比較，P＜0.05．

DF 女 204.5±70 106.3±24 258.1±43 90.9±75*△ 88.1±79* 87.2±59* 52.1±34* 42.8±24* 65.2±34* 49.2±52男 265.8±133 131.4±70 296.5±127 144.6±136*△ 131.3±119 144.1±109* 88.6±65* 89.5±61* 109.6±71* 70.6±72

表5 各組右足足底各區域峰值壓力情況()Tab. 5 Peak pressure in each area of the right foot()

表5 各組右足足底各區域峰值壓力情況()Tab. 5 Peak pressure in each area of the right foot()

注：*表示DM、DF組與NC組比較，P＜0.05；△表示DF組與DM組比較，P＜0.05．

分組 HM HC HL MF M1 M2 M3 M4 M5 T峰值壓力/N NC 女 185.2±78 94.8±35 227.9±73 62.8±35 44.9±42 48.5±72 28.5±30 25.9±18 48.9±34 35.5±26男 266.9±102 111.6±65 275.3±153 78.3±43 71.9±49 66.4±46 39.1±25 39.1±19 73.3±39 52.7±44 DM 女 213±77 96.1±39 217.4±82 73.4±31 96±73* 119.3±81* 58.9±33* 46.5±23* 87.2±59* 59.2±36男 256.7±69 95.2±37 250.8±93 84.6±44 164.6±118* 139.9±82* 77.8±45* 70.2±39* 109.3±55 89.9±52*DF 女 233.2±85 79.8±39 172.9±91* 124.7±69*△ 108.2±76* 132.8±98* 64.3±43* 48.7±24* 78.9±49 94.2±61*男 265.9±93 109.6±60 240.6±114 148.5±87*△ 126.3±108 132.9±99* 72.1±50* 64.4±43 98.2±66 88.8±103

圖2 各組在差異性顯著足區峰值壓力變化情況Fig. 2 Group peak pressure changes in the foot zone with significant differences

2.4 各組包絡壓力中心點95%橢圓置信面積的比較

各組包絡壓力中心點 95%橢圓置信面積統計結果見表6．NC組與DF組、DM組與DF組之間差異有統計學意義(P＜0.05)，表現為 NC組＞DM 組＞DF組．

表6 各組包絡壓力中心點95%橢圓置信面積統計結果Tab. 6 Statistical results of 95% confidence ellipse of the center pressure

3 討 論

沖量指的是壓力-時間積分，反映的是某足區在一定時間內壓力連續作用所產生的積累效應[10]．有相關研究[11]表明，在評價足底所承受壓力負荷時，沖量較單純的峰值壓力更有說服力．本研究結果顯示，與NC組相比，DM組、DF組前足的沖量百分比主要在M2—M5區有所增大，集中表現在M2、M3區，多數足區增幅在 50%～80%，有的足區高達 130%．與NC組相比，DF組足跟的沖量百分比在HC、HL等足區降幅在 15%～30%．當患者發展到足病以后，足底壓力向中足區轉移．

自然行走步態下糖尿病患者足底沖量百分比在足跟部位顯著減小，在跖骨部位尤其是第二、三跖骨區顯著增大．有研究[12]表明，糖尿病潰瘍患者在腳趾區和中足區的壓力-時間積分顯著高于健康人和非潰瘍患者．這與本研究DF組的沖量百分比在MF區高于 DM 組、NC組的結論一致，其他觀點因為對比分析的人群分組不同產生了一定的差異．Kwon等[13]研究發現，如果糖尿病患者前腳掌的足壓力升高并在時間維度上長期積累，會導致患者足部感覺缺失，易出現炎癥和感染，進而導致潰瘍．

峰值壓力是反映足底壓力分布的重要指標，其大小和部位對于足部疲勞的積累和損傷的發生具有重要影響[14]．本研究表明：三組峰值壓力存在顯著性差異的足區主要集中在前足M1—M5區、T區等，表現為 DM 組、DF組較 NC組峰值壓力均顯著升高．跖骨區是壓力主要升高的部位，升高百分比多數在60%～100%，有的足區高達 140%，表明糖尿病患者峰值壓力向前腳掌的趾骨部位轉移．相關學者的研究也證明了這一點，Hastings等[15]研究表明，壓力性潰瘍更易發生在前足部位跖骨區．李世光等[16]測量了糖尿病神經病變患者與健康受試者的足底壓力，發現患者組的足底峰值壓力在第 2、3、5跖骨區明顯高于健康組．Ledoux等[17]研究發現跖骨部位易發生潰瘍與該區域壓力異常升高有關．

本研究中，DM組與DF組存在顯著性差異的足區主要在 MF足區，這與張勇等[12]研究發現足潰瘍患者的峰值壓強在 MF區顯著高于非潰瘍患者的結論具有一致性．由于糖尿病足患者的跖骨區壓力異常升高，發生潰瘍，患者在行走過程中為減少疼痛和緩解潰瘍，有意避開發生潰瘍的跖骨部位使之免于受壓，如此壓力便向中足區轉移，久而久之，DF組相較于DM組足底峰值壓力在MF區顯著升高[18]．

本研究通過包絡壓力中心點 95%橢圓置信面積評價受試者在自然步態下身體的搖擺幅度與靈活性.這一參數廣泛用來評價受試對象完成某一實驗動作過程中身體的晃動幅度，一般情況下，橢圓面積與身體動作幅度呈正相關．本研究表明，包絡壓力中心點95%橢圓置信面積變化趨勢為 NC組＞DM 組＞DF組，其中DF組與其他兩組有差異性且下降趨勢更加明顯，發生這種變化的原因是糖尿病限制了患者的行走動作，使靈活性大大降低．

4 結 語

糖尿病患者在自然行走過程中，足底沖量百分比與足底峰值壓力明顯向前足跖骨部位轉移，糖尿病足患者又向中足區轉移，且行走時身體穩定性降低．因此，在糖尿病足的臨床預防與治療中，應著重對跖骨部位進行減壓干預，降低糖尿病患者足部潰瘍、壞疽等癥狀的發生概率．