基于足底壓力特征的功能鞋墊研究進展

閆和秋, 覃 蕊

(青島大學 紡織服裝學院,青島 266071)

功能鞋墊因具有改善足底受力狀態、提高運動機能的優點,在醫療康復領域和運動防護領域已得到了廣泛應用[1]。有資料顯示,因運動生活習慣和疾病引起的足部壓力分布異常是誘發足部疾病的主要原因,除藥物和手術治療外,功能鞋墊的使用可起到輔助治療的作用[2-3]。在足部疾病治療方面,接觸式鞋墊可以重新分配足底壓力,減輕足底高壓,降低足底潰瘍的風險[4-5]。在矯正方面,矯形鞋墊對因受力異常引起扁平足治療效果顯著[6]。此外,使用功能鞋墊可以降低運動過程中的損傷,提高使用者的運動機能。劉亮[7]認為,慢跑減震鞋墊可最大限度地降低著地時地面對人體造成的沖擊力,調整足底的壓力分布情況,保護足部健康。Wu等[8]通過一系列對比試驗發現,射擊運動員穿著足弓支撐鞋墊的射擊成績要顯著高于穿普通鞋墊的成績。

雖然功能鞋墊應用廣泛,但仍存在鞋墊材料疲勞性能欠佳[9]、鞋墊腰窩結構設計不合理[10]、造價昂貴[11]等問題。除此之外,功能鞋墊與鞋的適配性較差,部分鞋類如高跟鞋、皮鞋等,鞋內空間狹小,導致無法正常使用功能鞋墊[12]。

本文通過對國內外功能鞋墊設計與開發的研究文獻進行歸納總結,分析了正常及異常的足部壓力分布特點,介紹了功能鞋墊特性,概括了功能鞋墊在醫療康復領域和運動防護領域的發展現狀,分析了目前功能鞋墊存在的問題及不足,并對功能鞋墊的發展趨勢進行預測。

1 足底壓力概述

足底壓力是足部運動狀態及足部健康的直接反映,通過足底壓力分析有助于進一步了解正常及異常足底壓力分布狀態,進而指導功能鞋墊的合理化區域設計及材料選擇。

1.1 正常足底壓力分布

足是人體的重要組成部分,起到承載身體重量的作用。正常人的足底壓力分布具有一定的規律和特點。高敏等[13]的研究表明,足部主要由足跟、第1跖骨頭和第5跖骨頭三點負重。健康人體靜止站立時的足底壓力分布及足底分區如圖1所示,其中深色區域表示壓力較高部位,淺色區域為壓力較低部位。由圖1可以看出,足跟和跖骨區是足部受力較為集中的區域。

但三點負重理論主要考慮骨性結構,事實上足底壓力不僅取決于骨性結構,還由足部軟組織的功能及厚度決定。王明鑫等[14]通過分析100名健康成年人的足底壓力數據發現：在靜止狀態下,足跟壓力>第2～4跖骨頭>第1跖骨頭>第5跖骨頭>拇趾>中足>第2～5趾,其中第2～4跖骨頭的足底壓力均高于第5跖骨頭;在行走時,足跟、第1～4跖骨頭、拇趾的壓力大,中足、第5跖骨頭壓力小。相比于靜態時的足底壓力,動態時的足底壓力明顯增大,且在一個步態周期中,為了維持身體平衡,足底壓力峰值會從足跟向前足轉移。該研究為符合人體運動特點的功能鞋墊設計提供了一定的理論參考。

圖1 足底壓力分布及足底分區示意Fig.1 Schematic diagram of plantar pressure distribution and plantar zoning

1.2 異常足底壓力分布

有研究表明,疾病、超重等因素會引起足部壓力分布異常[15-16]。Abri等[15]測量了糖尿病患者赤腳狀態下的靜態足底壓力狀態,指出糖尿病患者的足底壓力高于正常人的足底壓力,尤其在足跟、中足及前足內側區域壓力增大較為明顯,且糖尿病足的病變越嚴重,足底壓力越大。Sahan等[17]測量了186名超重青少年在靜止站立時的足底壓力發現,隨著身體質量指數(Body Mass Index,BMI)的增加,右前足的負荷明顯增加,且雙足的平均峰值壓力也隨之增加。Liu等[18]對比了超重老年婦女和正常老年婦女行走時的足底壓力數據,結果顯示,超重老年婦女的第1跖骨頭、中足、腳跟內側及腳跟外側的平均壓力顯著高于正常老年婦女的足底壓力。

此外,部分運動也會引發局部高壓,增加足部載荷。Eils等[19]指出,足球運動中的切球動作會導致足跟內側及前足內側的平均峰值壓力分別增加220%和160%,搶球沖刺時也會使后跟、跖骨頭及拇趾的壓力峰值增加,并且多次的重復運動會對足部造成額外傷害。Huang等[20]對比普通人和羽毛球運動員在行走和跑步時的足底峰值壓力發現,羽毛球運動員的腳趾、第5跖骨頭和足跟的足底峰值壓力均高于普通人。在跑步過程中,羽毛球運動員的第1～4跖骨頭及中足外側的足底壓力峰值也高于普通人。

以上專家學者對于足底壓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,但足底壓力分布并不是一成不變的,足底壓力分布狀態與個人健康狀況及運動狀態有密切關系。因此,合理的鞋墊選擇或設計需依照個人的足部狀態而定,以最大程度上均衡足底壓力,保護足部健康。

2 功能鞋墊的材料及結構特性

根據足底壓力特點選擇鞋墊的材料和結構可使鞋墊具有不同的功能,鞋墊材料可實現鞋墊的減壓、支撐等功能,但各種材料有不同優缺點,即使同一種材料,在設計時參數上的差異也會改變鞋墊的性能;鞋墊結構設計可使鞋墊貼合足底,增加足與鞋墊的接觸面積,使得足部受力更均勻合理,從而減少局部高壓帶來的副作用。在實際應用中,一張鞋墊上可結合不同的材料和結構,用來實現不同的功能性需求。

2.1 功能鞋墊的材料特性

根據制作材料的軟硬程度,鞋墊可以分為軟質鞋墊和硬質鞋墊。軟質鞋墊主要用于增強鞋靴的減震性能、緩解足部疼痛;硬質鞋墊主要用于支撐足弓、矯正足部異常生理結構[21-22]。為改善神經性糖尿病足的異常足底壓力,Nouman等[23]在鞋墊上附加了一層硬度為Shore A 30°的多層泡沫軟墊,經試驗發現,糖尿病患者穿著鞋墊在行走和上坡時,前足的峰值壓力有效降低,且足底壓力分布優于沒有附加多層泡沫軟墊的相同材質鞋墊。Meng等[24]根據受試者的足部力學生理特征及形狀定制了兩種材料相同但硬度分別為Shore A 150°和Shore A 75°的鞋墊,其中硬度為Shore A 150°的鞋墊為硬定制鞋墊,硬度為Shore A 75°的鞋墊為軟定制鞋墊,經過測試受試者跑步時的足底峰值壓力發現,軟定制鞋墊的足底壓力顯著低于硬定制鞋墊的足底壓力,減少了前足內側的明顯高壓,降低了跑步過程中前足疼痛的風險。Casado等[25]測試了硬質乙烯醋酸酯(EVA)鞋墊對摩托車騎手的足底壓力影響,發現硬質鞋墊可以支撐足部,降低騎手的足底壓力,減少足部運動損傷的發生率。

制作功能鞋墊的材料種類繁多,目前市面上常見的材料有乙烯醋酸酯(EVA)、聚氨酯(PU)、硅膠、乳膠等[26]。隨著研究的不斷深入,更多新材料不斷出現。Mortazavi等[27]研究了用于治療足部力學生物損傷疾病的添加NaY納米沸石的含硅鞋墊的機械性能,結果表明,NaY沸石的添加改善了醫用功能鞋墊的力學性能,能滿足醫用功能鞋墊要求,并且鞋墊的吸濕性得到很好提升,在均衡足底壓力分布狀態的同時提高了使用過程中的舒適性。Shahar等[28]探討了紅麻復合材料制作足部矯形器的可能性,結果顯示,紅麻復合材料的拉伸強度幾乎與聚丙烯(PP)相似,能夠使著裝后的足底壓力分布趨于合理且價格更加便宜。

2.2 功能鞋墊的結構特性

鞋墊的結構設計與鞋墊的功能性密不可分,將鞋墊做成三維結構可以增加足部與鞋墊的接觸面積,調整足部生物學狀態[29]。曹子君等[30]針對糖尿病足的足跟和前腳掌區域的異常足底壓力,將該區域的鞋墊設計為多孔結構,經有限元分析發現,鞋墊上的多孔結構可以增加足底接觸面積,降低足部軟組織和骨骼的壓力。此外,鞋墊的足弓高度也是鞋墊設計的重要部位。弓太升等[31]在對比輕度扁平足兒童和正常足兒童的足部數據后,設計了足弓支撐高度分別為7、9、11 mm的足弓支撐鞋墊,經試驗發現,研制的3種不同弓高的足弓支撐鞋墊對輕度扁平足有一定的干預作用,隨著足弓支撐鞋墊弓高的增加,足弓處受到的支撐力、壓強和接觸面積逐漸增大。該結論為符合人體運動機能的鞋墊設計提供了一定的理論參考,但該研究只考慮了一種結構對足部產生的影響。事實上,綜合多種結構設計的功能鞋墊可以在很大程度上為足部防護帶來積極效應。Chen等[32]提出一種新型結構的糖尿病足功能鞋墊,鞋墊分為支撐區和緩沖區,支撐區采用實心拱支撐結構和蜂窩結構構成,緩沖區采用多孔結構,利用3D打印技術制作鞋墊,其緩沖區在壓力作用下比普通鞋墊增加18%的形變,支撐區使前足和后足降低了約30%的壓力。

目前可用于制作鞋墊的材料越來越多,鞋墊的結構設計越來越科學。為發揮更好的功能效果,在鞋墊的設計制作過程中,可以針對不同區域的足底壓力特點選用不同的材料和結構進行組合,在滿足功能性的同時提高著裝舒適性。此外,在測試鞋墊的功能效果時,可增加長期跟蹤試驗,以更好驗證鞋墊的功能性。

3 功能鞋墊的作用機制及功能性應用

合理的功能鞋墊設計可以有效平衡足底壓力,減輕運動過程中的足部受力,在提升人體運動機能的同時,還可以對足部起到有效的治療和矯正作用。

3.1 功能鞋墊在醫療康復領域的應用

功能鞋墊通過均衡足底壓力分布調整下肢生物力線,進而達到治療、矯正的作用,應用范圍廣泛[3]。常見的足部疾病特征與功能鞋墊的作用機制如表1所示。

糖尿病足是糖尿病的嚴重并發癥之一,糖尿病患者會出現足底壓力分布狀態和步態的改變,局部壓力過高會導致軟組織受損,進而形成足部潰瘍[33-34],使用功能鞋墊改善足底壓力分布,可在一定程度上保護軟組織[35]。Nouman等[36]利用有限元分析方法,模擬了糖尿病患者穿著定制鞋墊時(CMI)的足部狀態,該定制鞋墊由三層結構組成,頂層為乙烯醋酸乙烯酯(EVA),中間層為Nora Lunalastike,基層為熱塑性聚氨酯(TPU),在基層置入柔軟的聚乙烯(PE)腳跟墊和前腳墊,模擬結果顯示,定制鞋墊可有效降低峰值足底壓力,有助于神經性糖尿病足的管理。研究表明,開發智能化功能鞋墊可以實現足部的實時監測,預防糖尿病足潰瘍的發生。Sousa等[37]將99個電容傳感器矩陣置入2 mm厚的柔性鞋墊中,配合藍牙腰帶使用,可將足部數據連接存儲到筆記本電腦,識別和治療糖尿病患者足部的體征和癥狀,延緩或預防糖尿病足潰瘍。Chatwin等[38]對使用SurroSense Rx智能鞋墊系統治療糖尿病足的患者進行了18個月的隨訪試驗,調查結果顯示,每天使用智能鞋墊系統并通過智能鞋墊系統進行持續的足底壓力反饋,可減少糖尿病足潰瘍高風險患者的高壓發作次數。

表1 功能鞋墊在醫療康復領域的應用Tab.1 Application of functional insoles in the field of medical rehabilitation

目前用于治療糖尿病的功能鞋墊已經較為成熟,且在扁平足治療上也有較多的研究成果。Xu等[39]通過研究治療扁平足的功能鞋墊,指出鞋墊通過將患者跖骨區域壓力轉移到中足區域,可以有效降低患者跖骨區域的足底壓力,進而減少足部疼痛及損害。蔡廣慶等[40]對使用功能鞋墊的正常及柔韌性扁平足兒童進行了3年的觀察,發現定制矯形鞋墊能維持扁平足的形態接近正常,并且能改變平足兒童的足弓排列,同時解除或減輕疼痛癥狀。

除此之外,功能鞋墊能夠調整下肢生物力線,糾正不正常的解剖結構,使膝關節受力均勻,從而治愈以膝外翻和膝內翻為代表的膝關節畸形[41]。

3.2 功能鞋墊在運動防護領域的應用

有研究發現,高強度的運動和體能訓練容易造成人體下肢出現過勞性損傷[42]。此外,與年輕參與者相比,參加體育運動的老年運動員受傷率較高[43]。功能鞋墊可以提供良好的舒適度,降低運動損傷的風險并提高運動表現[44]。Lullini等[45]研究發現,具有彈性足弓支撐的減震鞋墊可以在足底關鍵區域釋放壓力,從而減輕士兵在行軍和跑步等重復性任務中的過度沖擊載荷,減少下肢損傷發生率。Lilley等[46]的研究證明了帶有外側楔和內側足弓支撐的功能鞋墊可以減少老年婦女跑步時的前平面膝蓋力矩,保護膝蓋,降低老年女性跑步者膝蓋疼痛和損傷的發生。Ko等[47]探討了碳纖維鞋墊(CFI)在跑步運動中對運動成績、下肢肌肉活動和主觀舒適度的影響,研究發現,碳纖維鞋墊顯著提高了運動中的敏捷性,運動員能在跑步運動中獲得更高的成績,但它激活了更多的脛骨前肌和腓腸肌內側肌,導致舒適性下降。

總體來說,功能鞋墊在疾病治療和足膝矯正方面效果顯著,尤其是現代化科技的融入使實時監測足部狀態成為可能;在運動防護領域,功能鞋墊可以吸收分散沖擊力,平衡足底壓力,進而減少下肢損傷,提高運動表現能力,但鞋墊的舒適性還有待提升。

4 功能鞋墊存在的問題及發展趨勢

4.1 功能鞋墊存在的問題

雖然國內外多項研究均表明功能鞋墊具有輔助治療、加強運動防護、改善運動機能的功能,且部分產品已通過臨床試驗或進入市場,但通過對功能鞋墊的分析發現,功能鞋墊仍存在一定的問題需進一步完善：1) 鞋墊材料疲勞性能欠佳,舒適性有待提升。如今制作功能鞋墊的材料多以合成材料為主,多數合成材料存在透氣性差、接觸舒適感不佳等問題,且隨著使用時間的延長會出現變黃、斷裂、對溫度敏感等情況。2) 功能鞋墊與鞋的適配性需加強。功能鞋墊主要面向足部疾病患者、運動愛好者及運動員研發,很難適配市面上某些鞋類產品,如部分鞋內空間狹小的鞋類無法正常使用功能鞋墊。3) 目前的功能鞋墊主要針對材料和結構等方面進行研發,智能化程度相對較低。4) 結構設計合理性需進一步加強,未實現差異化,造價昂貴。市面上的預制功能鞋墊只能滿足部分使用者的要求,未實現差異化設計,而定制功能鞋墊價格較昂貴。

4.2 功能鞋墊的發展趨勢

4.2.1 有限元分析的應用與完善

有限元分析因方便快捷、易于模擬、對人體無損傷等特點使其在鞋墊設計中得到廣泛應用,但功能鞋墊的有限元分析仍存在一定的局限性,使其與實際測試結果仍存在一定的偏差。首先足部模型的建立大多是以簡化的骨骼及軟組織為主,肌肉韌帶并未進行準確劃分,簡化的模型很難準確地表示出足部基本特征。其次,在用于病足的功能鞋墊模擬上,模型建立多以健康人的足部信息為參考,未綜合考慮病足的發病機理及足部生物力學差別[29]。此外,力學模擬時大多只考慮足底與鞋墊之間的力學關系,對于穿鞋狀態下的鞋底及鞋幫對鞋墊的功效學影響考慮甚少。如何提升模型建立和分析的精確度,并根據模擬分析結果設計符合人體運動機能和個性化需求的功能鞋墊仍需進一步研究。

4.2.2 足與鞋墊動態接觸壓力的獲取

目前對于足與鞋墊之間的壓力數據獲取大多在靜止狀態下完成,然而,當人體處于運動狀態時,足底壓力會隨之發生改變,足底壓力峰值也會發生轉移。因此,基于動態接觸壓力分布特征設計研發功能鞋墊更加符合人體的運動需求,是未來功能鞋墊研究的發展趨勢。研究過程中,測量在特定運動下足與鞋墊之間的動態壓力,分析足底壓力峰值的變化情況、足底壓力的動態分布情況,進而獲得足與鞋墊之間的壓力分布規律,以此為依據進行功能鞋墊的設計制作及性能優化,以期對足部實施更加科學的防護、治療及提升運動機能。

4.2.3 功能鞋墊的智能化及個性化研發

隨著科技的發展及人們需求的增加,未來功能鞋墊也會向智能化和個性化方向發展。如根據使用者的不同需求,設計符合用戶足部運動生物力學特點的功能鞋墊,并在鞋墊特定部位置入傳感器,與手機APP或智能手表等移動設備連接,既能實時監測人體足部的健康狀態,又能將數據即時反饋給使用者,同時形成個性化用戶足部健康數據庫,為符合人體生理特點的功能鞋墊優化設計、性能提升、工藝改善提供數據支撐。此外,功能鞋墊還可以融入智能提醒裝置,當檢測到使用者足部的異常壓力時,能及時提醒用戶調整足部狀態或就醫,以最大限度地保護足部健康。

4.2.4 功能鞋墊的材料組合

根據用戶的足底壓力情況,綜合多種材料的特點生產制作鞋墊,可實現足底峰值壓力的轉移。壓力分散材料可在足部壓力升高時,通過鞋墊內部的分子結構“流動”,發生變形并將支撐點擴散至整個足部,使得壓力在整個足底分散[48],但過于柔軟的材料會降低足部控制力,增加足部扭傷風險;硬式或半硬式支撐材料,可以支撐足弓有效提升矯正效果,但足底壓力峰值、韌帶及關節應力會隨著鞋墊材料的硬度增加而增加[49]。因此,如何正確綜合不同硬度的材料特點,確定最符合人體足部生理結構的鞋墊硬度,在保證鞋墊功能效果的前提下提升鞋墊的舒適性,仍需進行更深入的研究。

5 結 語

通過對國內外有關功能鞋墊研究的分析和總結,發現近年來有關功能鞋墊的研究及應用主要集中在醫療保健領域和運動防護領域。目前,功能鞋墊的研究多以人體足部壓力特點為依據,如通過設置減壓或支撐結構、利用有限元模擬分析對功能鞋墊進行優化設計與改進。功能鞋墊對于足部疾病治療及運動防護均具有積極作用,然而,目前功能鞋墊仍存在結構設計合理性有待提升、未實現差異化設計、與鞋的適配性仍需加強等問題。在未來,有限元分析方法、足與鞋墊動態接觸壓力將會在功能鞋墊的研究中得到更為廣泛的應用,鞋墊的材料使用更加科學,功能鞋墊將融入更多的智能技術,不斷朝著智能化和個性化的方向發展。

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