1、正常行走足底壓力測(cè)定與臨床作用作者：黃海晶王志彬金鴻賓  【摘要】  目的應(yīng)用自行制作的微型壓力傳感器進(jìn)行正常行走足底壓力測(cè)定與臨床實(shí)測(cè)。方法作者將微型壓力傳感器組裝成測(cè)力鞋，采用視頻計(jì)算機(jī)處理的方式，動(dòng)態(tài)采集、分析一個(gè)步態(tài)周期全過(guò)程的足底壓力分布，同時(shí)結(jié)合臨床病人分析足底壓力的病理變化規(guī)律。結(jié)果在正常組行走過(guò)程中，前足承擔(dān)體重的49%，中足與后足共同負(fù)擔(dān)體重的51%，而在病理狀態(tài)下，人體行走出現(xiàn)動(dòng)態(tài)失衡，引起足部負(fù)重的病理改變。結(jié)論通過(guò)動(dòng)態(tài)分析足底壓力的正常分布與病理改變，明確病因并為臨床治療提供借鑒。 【關(guān)鍵詞】  足底壓力微型壓力傳感器步態(tài)分析Measure

2、ment and clinical application of normal plantar pressure    Abstract：ObjectiveTo develop a minipressuresensor(MPS) for measurement of plantar pressure(PP) and to evaluate its clinical application.MethodThe MPS was installed in the shoes,and computer was used to accumulate and analyze

3、the change of PP in whole walking stage.Pathologic changes of PP in clinical patients were also analyzed by MPS.ResultIn normal walking,the PP of forefoot was 49% of body weight(BW) and of midfoot and heel was totally 51% of BW,but at pathologic state,the equilibrium of walking was dynamically disra

4、pted inducing a pathologic changes of foot bearing.ConclusionSelfdeveloped MPS for measuring PP is help for dynamic analysis of normal PP and is valuable to recognize the pathologic distribution of PP in pathological state and to provide a guide for treatment.    Key words：plantar pre

5、ssure;  mini pressure sensor;  gait analysis步行是人類(lèi)最基本的運(yùn)動(dòng)之一，人體的生理、病理甚至精神狀態(tài)的各種變化都會(huì)不同程度地影響到步態(tài)1、2。創(chuàng)傷與多種骨科疾患都可以造成患者的異常步態(tài)3、4。    目前常用的步態(tài)參數(shù)測(cè)定方法有2種：一種是對(duì)行走過(guò)程拍攝電影技術(shù)圖片進(jìn)行分析，以獲得運(yùn)動(dòng)學(xué)基本參數(shù)，多用于關(guān)節(jié)角度的變化分析5。另一種是被測(cè)者與測(cè)定裝置直接聯(lián)系在一起，直接測(cè)定出動(dòng)力學(xué)基本參數(shù)，多見(jiàn)于人體步態(tài)負(fù)重力學(xué)的分析6。    目前測(cè)力鞋的應(yīng)用使后者的研究大為簡(jiǎn)便。為了探

6、求行走的生物力學(xué)原理，作者自行制作了微型壓力傳感器并組裝成測(cè)力鞋測(cè)定裝置對(duì)臨床病人進(jìn)行了動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)。    1  材料與方法    1.1  實(shí)驗(yàn)對(duì)象    選取正常健康男性受試者10名，年齡2358歲，平均33.7歲，體重5672 kg，平均65.6 kg。在臨床生物力學(xué)測(cè)試中選取2名患者，其中膝部腘繩肌損傷1例，足下垂的病人1例。    1.2  傳感器的制作與工作原理1.2.1  隨著生物力學(xué)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)工作已經(jīng)成為專(zhuān)門(mén)的學(xué)科，為了

7、測(cè)試人體助行帶的生物力學(xué)參數(shù)，作者制作了應(yīng)變片式微型壓力傳感器，表面為4片電阻應(yīng)變片對(duì)稱(chēng)黏貼在彈性薄板上，薄板底部也黏貼有同樣4片電阻應(yīng)變片，總共8片電阻應(yīng)變片組成全橋（圖1）。微型壓力傳感器工作原理為，傳感器表面為一測(cè)壓板，足底壓力作用在測(cè)壓板上，測(cè)壓板通過(guò)中心的圓珠將壓力傳遞到彈性薄板上，引起彈性薄板的變形。通過(guò)黏貼在彈性薄板上的應(yīng)變片測(cè)試到彈性薄板的變形（應(yīng)變），通過(guò)標(biāo)定從而得到足底壓力的大小（圖2）    1.2.2  系統(tǒng)硬件技術(shù)指標(biāo)    足底壓力分布測(cè)量的儀器采用了DSPS 1000型集成化動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)

8、，該系統(tǒng)將微機(jī)、動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量?jī)x和數(shù)據(jù)采集集成一體，全部硬件實(shí)現(xiàn)程控化，具有測(cè)試精度高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小等特點(diǎn)。該系統(tǒng)可以對(duì)大容量、多通道的動(dòng)態(tài)信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。每個(gè)傳感器量程為20 kg，測(cè)量分辨率為0.015 kg左右，采樣率：125 Hz，采樣時(shí)間：25 s，傳感器頻率響應(yīng)：01 000Hz。圖1微型壓力傳感器內(nèi)部構(gòu)造（略）圖2測(cè)量電橋（略）圖3動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)示意圖（略）1.2.3  系統(tǒng)工作原理    本足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng)共使用了6個(gè)微型壓力傳感器，分別置于受試者的第1跖骨頭、第2、3跖骨頭、第4、5跖骨頭、足

9、內(nèi)側(cè)弓、足外側(cè)弓以及足跟的實(shí)測(cè)部位上。這樣正常受試者與患者可以通過(guò)腳踏測(cè)力鞋來(lái)穩(wěn)步完成負(fù)重活動(dòng)。通過(guò)壓力傳感器、DSPS 1000動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)組成的測(cè)力系統(tǒng)就能準(zhǔn)確地測(cè)量和記錄人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)出的力學(xué)信息。    1.2.4  系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)    （1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊:該模塊主要是采集患者在步行過(guò)程中動(dòng)態(tài)足底壓力數(shù)據(jù)。當(dāng)傳感器出現(xiàn)壓力時(shí)，計(jì)算機(jī)開(kāi)始測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并按幀（1 024數(shù)據(jù)點(diǎn)幀）自動(dòng)存儲(chǔ)所有的測(cè)試數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)分析的統(tǒng)一性，多個(gè)傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)分通道按幀同步進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，并將測(cè)試的數(shù)據(jù)保存為一個(gè)數(shù)據(jù)文件。

10、（2）數(shù)據(jù)存貯模塊:將患者足底壓力數(shù)據(jù)和患者的相關(guān)資料自動(dòng)存貯和保存，并可以將保存的數(shù)據(jù)文件分通道按幀以圖形曲線的形式顯示，便于查詢(xún)和分析測(cè)試結(jié)果。    1.3  實(shí)驗(yàn)步驟    進(jìn)入室內(nèi)先由操作人員講解測(cè)試要點(diǎn)和方法，并觀看演示，將測(cè)試鞋制成受試者足等大尺寸測(cè)試，將鞋內(nèi)傳感器導(dǎo)線于受試者足外側(cè)引出接電子計(jì)算機(jī)。按要求穿上滿布傳感器的應(yīng)力測(cè)試鞋往返平步行走34次，正常組左右側(cè)足不限，隨機(jī)選定，測(cè)試組選定患足。    1.4  統(tǒng)計(jì)學(xué)處理    根據(jù)實(shí)驗(yàn)資

11、料要求，選用t檢驗(yàn)及方差分析檢驗(yàn)方法，以P0.05為差別有顯著性。所有統(tǒng)計(jì)過(guò)程采用SPSS 10.0統(tǒng)計(jì)軟件包，在電子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。    2  實(shí)驗(yàn)結(jié)果    2.1  正常組行走測(cè)定    測(cè)定第1跖骨頭、第2、3跖骨頭、第4、5跖骨頭、足內(nèi)側(cè)弓、足外側(cè)弓以及足跟6個(gè)壓力峰值。受試者往返行走5次以上，通過(guò)數(shù)據(jù)采集測(cè)定壓力分布峰值（表1）。表1  足底各區(qū)壓力分布（略）注：組內(nèi)各區(qū)壓力峰值比較，均P值0.012.2  臨床應(yīng)用   

12、2.2.1  1例膝關(guān)節(jié)損傷病人足底壓力分析    （1）病史介紹：    患者，男，28歲右股二頭肌斷裂3個(gè)月，查體：右股四頭肌明顯萎縮，膝關(guān)節(jié)活動(dòng)受限，主動(dòng)活動(dòng)范圍60°。股直肌、股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌肌力3級(jí)。MRI示右大腿股二頭肌陳舊性撕裂，繼發(fā)肌纖維變性萎縮（表2）。    2.2.2  1例足下垂病人足底壓力分析    （1）病史介紹：    患者，男，48歲右脛腓骨中上13開(kāi)放粉碎骨折于急診手術(shù)行清創(chuàng)外固定

13、支架固定，術(shù)中探查示右脛前肌、伸趾總肌、腓骨長(zhǎng)短肌斷裂，腓總神經(jīng)挫傷。術(shù)后半年骨折愈合，外固定支架去除。查體：右小腿肌肉萎縮，右脛前肌、伸趾總肌、腓骨長(zhǎng)短肌肌力2級(jí)。右踝關(guān)節(jié)及足趾不能主動(dòng)背伸，踝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍30°（表3）。表2  股二頭肌斷裂足底各區(qū)壓力分布（略）注：組內(nèi)各區(qū)壓力峰值比較，均P值0.01表3  足下垂足底各區(qū)壓力分布（略）注：組內(nèi)各區(qū)壓力峰值比較，均P值0.013  討論    早在1882年,Beely使受試者站立于薄層沙子上，開(kāi)始了足底應(yīng)力分布的早期研究7。Schwarts和Heath8設(shè)計(jì)出一個(gè)具有多

14、個(gè)壓力傳感器的測(cè)試系統(tǒng)。近年來(lái)，人體負(fù)重力學(xué)越來(lái)越成為臨床學(xué)者饒有興趣的探索領(lǐng)域9。為了探求人體助行帶的生物力學(xué)原理，作者應(yīng)用自主研制的微型壓力傳感器并組裝成測(cè)力鞋對(duì)正常受試者與臨床病人進(jìn)行了動(dòng)態(tài)負(fù)重實(shí)測(cè)。    正常受試者測(cè)定結(jié)果表明：第1跖骨頭（13.08±5.18）kg，第2、3跖骨頭（7.974±1.45）kg，第4、5跖骨頭（8.87±1.65）kg，前足負(fù)重為29.92 kg，占體重的49%。足內(nèi)側(cè)弓負(fù)重（1.31±0.66）kg，足外側(cè)弓負(fù)重（3.87±0.91）kg，其中足內(nèi)側(cè)弓負(fù)重小于足外側(cè)弓負(fù)重

15、，中足負(fù)重為5.18 kg，相當(dāng)于體重的7%。后足負(fù)重為（26.81±4.12）kg，相當(dāng)于體重的44%，中足與后足共同承擔(dān)體重的51%。    根據(jù)以上作者的測(cè)試結(jié)果可以看出，在受試者行走過(guò)程中，前足負(fù)重承擔(dān)體重的49%，中足與后足共同負(fù)擔(dān)體重的51%，這與國(guó)內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者所做出的結(jié)果是相近的10、11。    對(duì)于股二頭肌斷裂患者臨床實(shí)測(cè)結(jié)果表明：第1跖骨頭（7.41±0.77）kg，第2、3跖骨頭（6.27±1.06）kg，第4、5跖骨頭（7.83±0.82）kg，前足負(fù)重為29.92 k

16、g，占體重的33%，較正常減少17%。足內(nèi)側(cè)弓負(fù)重（1.98±0.38）kg，足外側(cè)弓負(fù)重（8.33±1.05）kg，中足負(fù)重為10.31 kg，相當(dāng)于體重的16%。后足負(fù)重為（31.57±3.20）kg，相當(dāng)于體重的51%，中足與后足共同承擔(dān)體重的67%。    從以上測(cè)試結(jié)果進(jìn)而分析，該患者由于股二頭肌的損傷造成屈膝無(wú)力，臨床觀察到其在行走過(guò)程中表現(xiàn)出膝關(guān)節(jié)伸直足跟負(fù)重的被動(dòng)“拖拽步態(tài)”。從足底負(fù)重分布來(lái)看，在行走過(guò)程中由于股二頭肌損傷，使前足負(fù)重明顯減少，中后足負(fù)擔(dān)過(guò)重，造成行走負(fù)重軸線的動(dòng)態(tài)失衡，從而引發(fā)一系列病理改變。

17、60;   對(duì)于足下垂患者臨床實(shí)測(cè)結(jié)果表明：第1跖骨頭（8.76±0.88）kg，第2、3跖骨頭（22.46±1.28）kg，第4、5跖骨頭（8.25±0.66）kg，前足負(fù)重為39.47 kg，占體重的63%，較正常增加14%。足內(nèi)側(cè)弓負(fù)重（1.66±0.41）kg，足外側(cè)弓負(fù)重（5.12±0.88）kg，中足負(fù)重為6.78 kg，相當(dāng)于體重的11%。后足負(fù)重為（15.98±1.97）kg，相當(dāng)于體重的26%，中足與后足共同承擔(dān)體重的37%。    足下垂內(nèi)翻步態(tài)是臨床骨科常見(jiàn)的異常

18、步態(tài)之一。該患者小腿肌肉萎縮，右脛前肌與腓骨長(zhǎng)肌肌力不足3級(jí)，不能形成良好的踏蹬作用，從而引發(fā)足底負(fù)重壓力分布改變，出現(xiàn)足下垂內(nèi)翻步態(tài)。從足底負(fù)重分布來(lái)看，在行走過(guò)程中由于足下垂，使前足負(fù)重明顯增加，中后足負(fù)擔(dān)過(guò)輕，足底受力不均導(dǎo)致跛行及創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。    由以上結(jié)果可以看出，下肢骨科疾病的患者在行走中出現(xiàn)動(dòng)態(tài)失衡，可引起足部負(fù)重的病理改變。通過(guò)足底壓力的動(dòng)態(tài)分析，為病理力學(xué)及臨床治療提供具有參考價(jià)值的生物力學(xué)評(píng)估。【參考文獻(xiàn)】  1 勵(lì)建安.腦卒中的步態(tài)異常和治療對(duì)策J.中華全科醫(yī)師雜志，2005,4（12）:715717.2 Holtzer

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