足底壓力系統(tǒng)及肌電測(cè)試在動(dòng)作技術(shù)中的應(yīng)用11

1、2綜述：足底壓力系統(tǒng)及肌電測(cè)試在動(dòng)作技術(shù)中的應(yīng)用。1 相關(guān)概念足底壓力測(cè)量作為當(dāng)今步態(tài)研究、足疾診斷和運(yùn)動(dòng)鞋設(shè)等領(lǐng)域的支撐技術(shù),其發(fā)展歷經(jīng)足印技術(shù)、足底壓力掃描技術(shù)、力板與測(cè)力臺(tái)技術(shù)、壓力鞋與鞋墊技術(shù)。足底壓力掃描技術(shù)則是在一塊玻璃的兩端安置光源,玻璃上放置橡膠彈性墊,當(dāng)足踩上彈性墊后,由于光在玻璃內(nèi)全反射,受壓的彈性墊即可在玻璃下產(chǎn)生一清晰的足印象,由于影像的光強(qiáng)度與壓力成正比,據(jù)此定性分析足底壓力及分布。力板與測(cè)力臺(tái)、壓力鞋和鞋墊則是在換能器、傳感器基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的足底壓力測(cè)量系統(tǒng)。力板與測(cè)力臺(tái)可以準(zhǔn)確測(cè)量足或鞋底壓力及分布,但無(wú)法評(píng)定“足-鞋界面”的受力情況。由于力板與測(cè)力臺(tái)的面積較小,

2、通常只能測(cè)量人體站立或一個(gè)單步的壓力參數(shù)。壓力鞋與鞋墊則是將傳感器安置在鞋或鞋墊中,由于鞋或鞋墊與足底貼服,可以測(cè)量“足-鞋界面”壓力的連續(xù)參數(shù),并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋。目前,在生物力學(xué)研究中運(yùn)用最廣泛的是比利時(shí)F-Scan測(cè)力鞋墊和德國(guó)Novel Emed測(cè)力板和Pedar測(cè)力鞋墊,在步態(tài)分析、足疾診療、運(yùn)動(dòng)鞋設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的應(yīng)用具有先進(jìn)性。2研究現(xiàn)狀2.1國(guó)外相關(guān)研究近20年來(lái),隨著新型傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,足底壓力測(cè)量在生物力學(xué)步態(tài)研究中日顯其重要地位。足底壓力測(cè)量技術(shù),尤其是壓力分布測(cè)量技術(shù)自1882年英國(guó)人Beely率先研究以來(lái)，真正對(duì)步態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研究和臨床研究則始于20世紀(jì)

3、50年代,現(xiàn)已成為生物力學(xué)代表性的研究方向,1997年第16屆國(guó)際生物力學(xué)大會(huì),有關(guān)步態(tài)研究的論文已占論文總數(shù)的13。近年來(lái),在步態(tài)與姿態(tài)、人類工程學(xué)、臨床生物力學(xué)、生物力學(xué)雜志等國(guó)際學(xué)術(shù)刊物發(fā)表了大量步態(tài)研究的論文,這些論文大多涉及足底壓力及分布的測(cè)量分析。2.2國(guó)內(nèi)相關(guān)研究我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始了對(duì)步態(tài)的動(dòng)力學(xué)研究,較有代表性的研究成果有,戴克戎等對(duì)人體行走的步態(tài)觀察、步態(tài)分析和臨床研究;龐伯友等對(duì)正常人平地行走時(shí)足底三維力的測(cè)量與分析;洪友廉等對(duì)少年兒童背負(fù)書(shū)包狀態(tài)下行走的步態(tài)分析;趙芳等對(duì)中老年人步態(tài)指標(biāo)與衰老關(guān)系的研究;伍勰等對(duì)健康老年人常速行走的步態(tài)分析等。然而,上述步態(tài)分析的

4、動(dòng)力學(xué)測(cè)量還基本處在足印、力板和測(cè)力臺(tái)技術(shù)水平,足底壓力分布測(cè)量的應(yīng)用研究不足,對(duì)步態(tài)的力學(xué)特征分析還遠(yuǎn)不充分。2.3“臨床足疾”研究中的應(yīng)用及進(jìn)展正常人的足底壓力分布有一定的規(guī)律,足部畸形或功能異常將破壞足底壓力的正常分布。Minns R.J等對(duì)類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)跖痛病人與正常人的足底壓力測(cè)量分析后指出,在靜態(tài)站立時(shí),足的最大壓力分布無(wú)明顯差別,但在行走時(shí),常足在趾離地前的最大壓力多集中在前足中部,而病足在趾離地前的最大壓力多集中在前足外側(cè)。Lord M等的研究表明,糖尿病合并神經(jīng)損傷時(shí),前支撐足的壓力峰值增大,當(dāng)足潰瘍時(shí),前支撐足壓力分布異常增大。R.J. Abboud等對(duì)29名糖尿病患者和22

5、名健康人的足底壓力對(duì)比研究后發(fā)現(xiàn),糖尿病人步行時(shí)足底著地加壓時(shí)間顯著大于正常人(P<0.003),步態(tài)周期延長(zhǎng)。Stoke LAF在對(duì)外翻者的足底壓力研究中指出,患者足內(nèi)側(cè)四趾的最大壓力峰值顯著減小,趾外翻角度與足底壓力偏差相關(guān)。洪水淙對(duì)病理性足外翻及其手術(shù)治療的生物力學(xué)研究表明,正常人前足跖骨頭區(qū),以第一跖骨頭區(qū)負(fù)重最大,外側(cè)四個(gè)跖骨頭區(qū)負(fù)重依次減小,而外翻病人的第二跖骨區(qū)成為前足的主要負(fù)重區(qū),第一跖骨區(qū)成為次要負(fù)重區(qū)。王志彬等對(duì)足弓墊減輕足跟損傷后疼痛的機(jī)理進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)足弓墊可以改變足底壓力分布,使足底壓力的57.1%集中在足弓墊下,有利于增加足弓的支撐力,緩解跖腱膜的牽引力,減

6、輕足跟的負(fù)重,從而減輕足跟疼痛。足底壓力測(cè)量不僅可以對(duì)足疾進(jìn)行診斷分析,而且可以比較準(zhǔn)確地判定足部手術(shù)效果。劉金祥等應(yīng)用自行研制的足底壓力分布視頻圖像測(cè)試系統(tǒng),對(duì)先天性馬蹄內(nèi)翻足平衡矯正畸形的手術(shù)療效作了臨床及足底壓力的綜合評(píng)價(jià),臨床療效優(yōu)良者的足底靜態(tài)壓力分布正常,而動(dòng)態(tài)足底壓力表明,病足第一跖骨頭和跟趾部的壓力峰值減小,全足著地時(shí)間延長(zhǎng),足跟離地時(shí)間縮短,趾部位的壓力·時(shí)間積分減小,表明應(yīng)用此手術(shù)矯正先天性馬蹄內(nèi)翻足,不僅足的形態(tài)及功能可獲得滿意的效果,而且足的生物力學(xué)指標(biāo)基本接近正常。足底壓力測(cè)量技術(shù)對(duì)足部疾病的診斷和治療已比較成熟,一些常見(jiàn)的足部畸形,如馬蹄足、高弓足、扁平足

7、等,其足底壓力分布均有其規(guī)律性的特征。足底壓力測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用,促進(jìn)了臨床生物力學(xué)的發(fā)展,在臨床生物力學(xué)領(lǐng)域,步態(tài)分析是診斷病因及評(píng)價(jià)康復(fù)的重要手段,并能有效地鑒定假肢的安裝質(zhì)量和幫助肢殘人步行。足底壓力測(cè)量對(duì)假肢設(shè)計(jì)和假肢鑒定也有積極的作用,通過(guò)對(duì)足結(jié)構(gòu)和足底壓力、步態(tài)特征的研究,設(shè)計(jì)出最適合病人步行的假肢,并可對(duì)著假肢行走者的步態(tài)壓力進(jìn)行研究,以檢測(cè)、修正和完善假肢的功能。Axel H等對(duì)置假肢者的步態(tài)研究后指出,從足底壓力研究中獲得的信息與數(shù)據(jù),對(duì)掌握假肢在解剖學(xué)和生物力學(xué)意義上的足底負(fù)荷特征帶來(lái)幫助,有利于假肢設(shè)計(jì)的科學(xué)性。2.4“運(yùn)動(dòng)與鞋”研究中的應(yīng)用及進(jìn)展Grundy M等的研究發(fā)現(xiàn)

8、,在裸足狀態(tài)下正常行走時(shí),人體足前掌負(fù)重與足后跟負(fù)重沒(méi)有明顯差別,但足前掌負(fù)重時(shí)間明顯長(zhǎng)于足后跟負(fù)重時(shí)間,他們還發(fā)現(xiàn),隨著鞋底硬度的增加,足前掌的承重功能明顯減弱。Sato H等通過(guò)對(duì)高跟鞋、運(yùn)動(dòng)鞋、平跟鞋的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),增加鞋后跟的高度,將導(dǎo)致步幅減小等一系列力學(xué)指標(biāo)的變化。Joanne R.E.等通過(guò)對(duì)30位1830歲穿不同高跟鞋的女性正常行走步態(tài)的足底壓力研究后指出,女性穿高跟鞋行走時(shí),支撐期足前掌的負(fù)重時(shí)間延長(zhǎng),但這種變化似乎與鞋跟高度沒(méi)有直接的聯(lián)系。當(dāng)鞋后跟高度超過(guò)3.12 cm時(shí),足后跟的負(fù)重時(shí)間開(kāi)始縮短,與裸足狀態(tài)下第五跖骨端峰值壓強(qiáng)相比,隨著鞋跟的增粗增大,第五跖骨端的壓強(qiáng)明顯

9、降低。跟骨中部的壓強(qiáng)峰值在裸足狀態(tài)下最早出現(xiàn),并隨后跟的增高而延遲出現(xiàn)。Joanne R.E等的研究結(jié)論是,鞋跟高度和粗細(xì)對(duì)足底壓力分布具有重要影響,因此,鞋跟設(shè)計(jì)是鞋設(shè)計(jì)中不容忽視的重要因素。Gastwirth B.W通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)鞋與高跟鞋,deLateur B.J通過(guò)平跟鞋與高跟鞋,Schwartz R.P通過(guò)裸足與高跟鞋的對(duì)比研究后,均發(fā)現(xiàn)并指出,鞋后跟高度是導(dǎo)致足底壓力及其分布產(chǎn)生變化的主要原因,而這恰恰容易被鞋設(shè)計(jì)時(shí)所忽略。Chang-Min Lee等的研究也得出了類似的結(jié)論。足底壓力測(cè)量在“足-鞋”領(lǐng)域的研究,對(duì)揭示足病的成因和機(jī)制,指導(dǎo)人們健康穿鞋,鞋的健康設(shè)計(jì)和制鞋工業(yè)帶來(lái)了技術(shù)

10、支持。世界著名的運(yùn)動(dòng)鞋品牌,如Nike,Adidas等都有專門(mén)的生物力學(xué)研究機(jī)構(gòu),在設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)專項(xiàng)運(yùn)動(dòng)鞋和個(gè)性化運(yùn)動(dòng)鞋時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和形態(tài)學(xué)的測(cè)試。Nike公司運(yùn)動(dòng)研究實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始人Frederick博士領(lǐng)導(dǎo)的足履生物力學(xué)研究曾獲奧林匹克獎(jiǎng)。國(guó)際運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)會(huì)主席Kai-Ming Chan教授在2004香港“藉科學(xué)技術(shù)之力,促鞋新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)”工作坊就“鞋設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)”作了專題報(bào)告,指出目前市場(chǎng)上的健身鞋(墊)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)幾乎都離不開(kāi)足底壓力測(cè)量。吳劍等對(duì)青少年女性著高跟鞋、松糕鞋步態(tài)進(jìn)行了足底壓力三點(diǎn)分布測(cè)量和影象測(cè)量,揭示了高跟鞋步態(tài)的主要特征為:步幅小、步速慢、周期長(zhǎng)、重心起伏大、單支撐時(shí)

11、相縮短,足底第一跖趾關(guān)節(jié)最大受力顯著增大。王立平等對(duì)青年女性裸足、平根鞋、中跟鞋和高跟鞋步態(tài)進(jìn)行了全足底壓力分布、表面肌電和影象測(cè)量。研究發(fā)現(xiàn):穿高跟鞋行走時(shí)足前掌受力明顯增加,足跟受力減小;足底受力面積隨鞋跟的增高而減小,鞋跟高度對(duì)足前區(qū)和足中區(qū)受力面積影響較大;足前掌內(nèi)側(cè)跖骨區(qū)和大拇趾區(qū)的受力隨鞋跟增高而增大,而外側(cè)跖骨區(qū)明顯減小,足底壓力中心前移,位移距離明顯縮短;步頻明顯降低,支撐時(shí)間增加,步態(tài)周期和雙肢負(fù)重時(shí)間隨鞋跟增高而增加。陸毅琛等對(duì)穿運(yùn)動(dòng)鞋時(shí)足底壓力的分布測(cè)量,揭示了現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)鞋緩沖振動(dòng)的基本力學(xué)特征。2.5足底壓力測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用展望足底壓力測(cè)量作為當(dāng)今步態(tài)研究中最先進(jìn)的技術(shù),可

12、在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,并可望取得卓越效果。臨床生物力學(xué)領(lǐng)域:為特殊人群(如孕婦、老年、小兒麻痹癥患者等)和臨床足疾患者的足底壓力測(cè)量和步態(tài)特征分析提供技術(shù)支持;為足疾的功能康復(fù)、療效評(píng)定和手術(shù)鑒定提供客觀評(píng)價(jià);足底壓力測(cè)量在臨床生物力學(xué)上的深入研究,可望在帕金森綜合癥、偏癱癥、糖尿病等患者的步態(tài)研究中取得更大進(jìn)步。人類功效學(xué)領(lǐng)域:通過(guò)“足鞋界面”的足底壓力及分布和“鞋地界面”的鞋底壓力及分布特征的研究,揭示鞋底硬度、鞋跟高度、鞋體結(jié)構(gòu)等因素對(duì)足健康的影響,指導(dǎo)人們健康穿鞋。并為足疾和假肢患者的“個(gè)性化”康復(fù)鞋(墊)或“健體鞋”的設(shè)計(jì)和制造提供符合人類功效學(xué)原理的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)領(lǐng)域:

13、足底壓力及分布測(cè)量將開(kāi)辟運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)新的研究領(lǐng)域,為各類平衡動(dòng)作、支撐動(dòng)作、起跳和落地動(dòng)作的動(dòng)力學(xué)測(cè)量與評(píng)價(jià),提供新方法和新技術(shù)。結(jié)合足掃描技術(shù),可望為不同項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)鞋設(shè)計(jì)和優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的“個(gè)性化”運(yùn)動(dòng)鞋設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。參考文獻(xiàn)1龐伯友,吳其常.中國(guó)正常成人平地行走時(shí)足底持重點(diǎn)三維力測(cè)定J.生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,1990,7(4):289.2 Hong,Y.,Li,J.X,Wong,A.S.K.&Robinson,P.D.Weight of school-bags and the metabolic strain created in children. Journal of Human

14、 Movement Studies,1998,35.187-200.3趙芳.中老年人步態(tài)指標(biāo)與衰老關(guān)系的研究J.體育科學(xué),1998(6):28.4伍勰.健康老年人常速行走的步態(tài)分析J.上海體育學(xué)院學(xué)報(bào),2000(5):52-55.5張偉.足底壓力分析在足部疾病中的應(yīng)用J.中國(guó)矯形外科雜志,1998,(3):257-258.6 Minns R.J., Craxford AD. Pressure Under the Forefoot in RheumatoidArthritis. Clinical orthopedics and Related Research, 1984, 187:235.7L

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16、E, EvansMJ. Effects of hallux valgus and Kellers operation on the load-bearing function of the foot duringwalking. Ac-ta Orthopaedica Belgica, 1975, 41:695.10洪水淙.外翻病理足及其手術(shù)方案的生物力學(xué)探討J.中國(guó)生物力學(xué)醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào),1988,7(2):86.11王志彬,王小同,師宜鍵,等.足弓墊的生力學(xué)效應(yīng)J.中國(guó)運(yùn)動(dòng)學(xué)雜志,1988,5(2):71.12劉金祥,王軍,黃耀添.先天性馬蹄內(nèi)翻足術(shù)后遠(yuǎn)期足底壓應(yīng)力分析J.中華小兒外科雜志,1

17、996,17(2):112.3設(shè)計(jì)：綜合自己的專項(xiàng)，構(gòu)建動(dòng)作技術(shù)分析的基本框架。（1）跑步的主要目的是使人體快速位移。影響跑步速度的要素主要有：步長(zhǎng)、步頻。步長(zhǎng)包括：著地距離L1、后蹬距離L2、騰空距離L3。步頻包括：支撐時(shí)間、騰空時(shí)間。（2）短跑動(dòng)作技術(shù)分析：把短跑途中一個(gè)單步分為3個(gè)階段（緩沖階段、蹬伸階段、騰空階段），3個(gè)時(shí)相（著地時(shí)相、蹬伸時(shí)相、離地時(shí)相）來(lái)分析。從著地時(shí)相到離地時(shí)相，經(jīng)過(guò)了緩沖階段和蹬伸階段，在此段時(shí)間人體受到地面支撐反作用力，從騰空著地不可能沒(méi)有阻力，但如果縮短了著地距離L1就起到了減少阻力的作用，有利于跑速的發(fā)揮。腳著地后適當(dāng)延長(zhǎng)緩沖階段時(shí)間，可以增大膝關(guān)節(jié)活動(dòng)幅度，減小后蹬角，提高蹬地效率。起初在低速跑時(shí)，騰空時(shí)間比支撐時(shí)間短，隨著跑速的增加，則騰空時(shí)間比支撐時(shí)間長(zhǎng)，緩沖與后蹬時(shí)間隨跑速的提高而縮短，但它們占支撐時(shí)間的比例基本不變（1：3）。步長(zhǎng)和步頻一般隨跑速的增大而提高，但不是呈線性相關(guān)。跑步騰空后著地的緩沖，主要