足部矯形器在下肢運(yùn)動(dòng)損傷中的應(yīng)用

魏晨婧,曹學(xué)軍

運(yùn)動(dòng)損傷是指在體育運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生的各種損傷。主要發(fā)生在人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),但也包括血管和神經(jīng)系統(tǒng)的損傷,是運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)的重要內(nèi)容之一[1]。一般下肢的運(yùn)動(dòng)損傷種類主要有骨折、肌肉韌帶拉傷、關(guān)節(jié)扭傷、關(guān)節(jié)炎癥等。研究者普遍認(rèn)為,運(yùn)動(dòng)損傷的主要機(jī)制在于力的作用:運(yùn)動(dòng)中過(guò)量的活動(dòng)范圍和頻率或意外時(shí)下肢不正常受力,導(dǎo)致癥狀的出現(xiàn),而人體的代償機(jī)制[2]又促使足部結(jié)構(gòu)、功能改變,進(jìn)一步導(dǎo)致病理性變化。目前治療這些運(yùn)動(dòng)損傷的方法多是藥物、理療和手術(shù)。足部矯形器是基于力學(xué)作用及生物反饋機(jī)制,維持足部的形態(tài),同時(shí)刺激神經(jīng)肌肉改變異常步態(tài),可用于預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷,同時(shí)提高步行效率;用于損傷手術(shù)后急性期的保護(hù),以及康復(fù)過(guò)程中減少過(guò)多地運(yùn)動(dòng),保護(hù)關(guān)節(jié);還可用于一些運(yùn)動(dòng)損傷的治療,如:應(yīng)力性骨折、關(guān)節(jié)炎、關(guān)節(jié)扭傷、足底筋膜炎、足部疼痛等[3]。

足部矯形器的歷史可以追溯到1889年[4],被譽(yù)為足部矯形器之父的Whitman利用金屬支架治療平足,他第一次提出中立位概念。1915年,Roberts利用一個(gè)楔形塊來(lái)控制足內(nèi)翻,同時(shí)利用后跟墊控制足跟于正常位置。隨著上世紀(jì)50年代生物力學(xué)的發(fā)展,科學(xué)家們把關(guān)注的目光投注于距下關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)和脛骨的旋轉(zhuǎn),Rose在1962年提出一個(gè)基于生物力學(xué)原理的足矯形器模型,包括了對(duì)前足、中足、后足的整體控制。之后Root發(fā)展了Rose的思路,提出功能性矯形器足矯形器的概念,提出距下關(guān)節(jié)中立位的原理,奠定了現(xiàn)代足矯形器的基礎(chǔ)。而隨著現(xiàn)代生物力學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)及高分子材料學(xué)、機(jī)械工藝技術(shù)的發(fā)展,足部矯形器的形式、材料、裝配都取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。

1 足部矯形器的設(shè)計(jì)裝配

足矯形器按其形式有多種分類,如嵌入式鞋墊、足弓墊、橫弓墊、足趾墊、地面反作用力足矯形器、夜用足矯形器等,以適應(yīng)不同患者的需要。目前使用較多的是取模后整體成型的足矯形器,其可調(diào)性較差。曹學(xué)軍等設(shè)計(jì)一種可移動(dòng)部件式的足部壓力調(diào)整墊,由與腳形一致的平板墊為本體,其上粘附橫弓、縱弓、后跟補(bǔ)正墊、補(bǔ)高墊、外側(cè)楔狀墊等一種或幾種調(diào)整墊,制作簡(jiǎn)單,成本低,便于醫(yī)生患者調(diào)整使用[5]。

足矯形器也可分為預(yù)制、定制和半定制。定制的矯形器誠(chéng)然更符合各人的身體條件,但預(yù)制矯形器卻更加經(jīng)濟(jì)和利于推廣。Avrin Zifchock等對(duì)定制、半定制足矯形器的作用效果進(jìn)行對(duì)比顯示,定制矯形器可以更好地控制足外翻速度,但對(duì)于外翻程度的控制兩者沒(méi)有明顯區(qū)別[6]。

足矯形器按其使用材料可分為硬性、半硬性、軟性。軟性足矯形器多采用泡沫板材制作,舒適性較好。硬性主要采用聚丙烯聚乙烯塑料制作,其對(duì)足的支持性和耐用性比較強(qiáng)。半硬性則兼具兩者優(yōu)點(diǎn),多采用皮革加軟木或塑料化合物制作。運(yùn)動(dòng)損傷多使用硬性和半硬性的矯形器,以達(dá)到更好的支撐和功能[7]。制作足矯形器的材料也在不斷更新,如硅膠鞋墊[8]等,兼顧透氣性、耐用性、工藝性的材料將大大提高足矯形器的使用效果。

足矯形器的制作經(jīng)過(guò)取型、修型、成型、適配等過(guò)程。傳統(tǒng)的取型方法為石膏繃帶取型,它可以更好地將足定位在中立位,但取型過(guò)程患足不負(fù)重;此外還有泡沫取型的方法,取型時(shí)患者將患足踩入特制泡沫中,泡沫定型后拿出,這種方法比較干凈方便,也可以模擬足負(fù)重時(shí)的形態(tài);現(xiàn)在出現(xiàn)了用三維掃描儀和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造(computer-aided design and computer-aided manufacture,CAD/CAM)方法取型。Ki等對(duì)比了對(duì)使用CAD/CAM取型和普通泡沫取型制作的鞋墊,兩者在對(duì)足底壓力的分布的重新分配上差別不大;但使用CAD/CAM取型的形狀數(shù)據(jù)還可以進(jìn)一步利用有限元分析做出對(duì)足壓力的精確推斷[9]。張明等建立了基于解剖結(jié)構(gòu),包括軟組織、韌帶和腱膜,考慮材料的非線性和關(guān)節(jié)接觸的足部三維有限元模型,能預(yù)測(cè)足底壓力分布和足內(nèi)部骨骼軟組織應(yīng)力、應(yīng)變情況,據(jù)此可以為設(shè)計(jì)鞋墊和研究足部各種臨床狀況提供有力的分析工具[10]。Hsu等利用ANSYS 9.0軟件建立足部三維有限元模型,設(shè)計(jì)出一種用于治療足底筋膜炎的矯形鞋墊,可降低足底壓力14%～38.9%[11]。

2 足矯形器在運(yùn)動(dòng)損傷中的應(yīng)用

足矯形器有助于預(yù)防應(yīng)力性骨折。Finestone等利用矯形鞋降低軍人中應(yīng)力性骨折的發(fā)生率[12];之后Ekenman等人對(duì)比使用和不使用矯形器,測(cè)量在行走和跑步時(shí)脛骨的應(yīng)變,得出足矯形器嵌入靴中穿著可以減低脛骨上壓力的最高值,從而減少應(yīng)力性骨折的發(fā)生[13]。

足底筋膜炎是運(yùn)動(dòng)時(shí)腳底頻繁壓力引起的慢性損傷。Kogler對(duì)比5種足矯形器的縱弓墊對(duì)足底筋膜張力的影響,發(fā)現(xiàn)部分形式的縱弓墊可明顯減低足筋膜張力[14],而適當(dāng)?shù)販p輕足底筋膜張力對(duì)治療足底筋膜炎很有效。譚維義等也報(bào)道使用足弓墊配合中藥熏洗治療足底筋膜炎有顯著療效[15]。魏立強(qiáng)認(rèn)為,足矯形器能在短期內(nèi)減輕足底筋膜炎患者的足痛和改善其足功能,但遠(yuǎn)期效果并不好[16]。但是Lee等通過(guò)對(duì)現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為,足矯形器對(duì)足筋膜炎患者足痛和改善其足功能的效果在短期、長(zhǎng)期內(nèi)皆有[17]。

足矯形器對(duì)小腿、膝部的損傷也有一定的效果。郝軍等報(bào)道使用矯正鞋墊對(duì)治療膝骨關(guān)節(jié)炎取得良好療效[18]。Kuroyanagi等也做了相似的研究[19]。兩個(gè)研究均指出,使用鞋墊時(shí)給予踝部和距下關(guān)節(jié)更好的固定和支持則可取得更好的療效。但Kakihana等認(rèn)為,楔形鞋墊對(duì)膝骨關(guān)節(jié)炎和正常人膝關(guān)節(jié)受力的改變?nèi)孕枰嗟睦碚撝С諿20]。Johnston利用定制足矯形器治療由于足過(guò)度旋前引起的髕股疼痛[21]。

此外,足矯形器對(duì)由多種原因引發(fā)的足部疼痛也有一定的療效,如足部和踝部的扭傷、跖骨疼痛、跟腱炎、籽骨炎引發(fā)的疼痛等[22]。也有將足矯形器用于維持踝部穩(wěn)定[23]和預(yù)防踝關(guān)節(jié)扭傷[24]的報(bào)道。

但是,目前也有許多學(xué)者對(duì)于足矯形器在運(yùn)動(dòng)損傷中起的作用抱懷疑的態(tài)度,甚至是相反的結(jié)論。Yu等對(duì)籃球運(yùn)動(dòng)員穿戴足矯形器,第五跖骨受力情況進(jìn)行了測(cè)量發(fā)現(xiàn),矯形器加大了足底的受力,增加了跖骨骨折的危險(xiǎn)[25]。Hume認(rèn)為,足矯形器對(duì)下肢疼痛、損傷有一定效果,但對(duì)運(yùn)動(dòng)損傷的預(yù)防效果尚不明確[26]。

3 足矯形器的生物力學(xué)原理

足部矯形器要解決的兩大關(guān)鍵問(wèn)題是緩解癥狀和改善功能,雖然在臨床實(shí)踐中已經(jīng)有許多成功的例子,但其作用機(jī)制仍不十分明了。多年來(lái),研究者們?cè)囍鴱倪\(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和足底壓力學(xué)的角度分析不同足矯形器的作用原理。

在運(yùn)動(dòng)學(xué)方面,大量的文獻(xiàn)主要關(guān)注于足矯形器對(duì)脛骨和距骨的旋轉(zhuǎn)以及跟骨的內(nèi)外翻的控制。認(rèn)為足矯形器可以將距下關(guān)節(jié)、踝部、膝關(guān)節(jié)的力線保持在中立位[4],從而減少運(yùn)動(dòng)時(shí)脛骨、距下關(guān)節(jié)過(guò)多的旋轉(zhuǎn)和跟骨的內(nèi)外翻,而這些是導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)損傷的主要原因。也有文獻(xiàn)指出,足矯形器可以減少足的最大旋前速率和最大旋前發(fā)生時(shí)間,同時(shí)可以減少額狀面內(nèi)膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。這些被認(rèn)為是矯形器緩解臨床癥狀的主要力學(xué)原理。

地面反力的作用可以說(shuō)是運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ),但其作用點(diǎn)、大小和方向往往是導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)損傷的原因。所以在動(dòng)力學(xué)方面主要研究在不同沖擊力、地面條件的情況下,穿戴不同材料和設(shè)計(jì)的足矯形器產(chǎn)生的地面反力對(duì)人體的作用。矯形器對(duì)足弓部分的支持被認(rèn)為是吸收沖擊力的主要原因[27]。Chiu等研究發(fā)現(xiàn),矯形鞋墊可以降低24%～32%沖擊能,從而預(yù)防損傷[28]。而矯形器的軟硬以及條件對(duì)地面反力的影響還沒(méi)有統(tǒng)一的結(jié)論。Nigg指出,對(duì)沖擊力的吸收還要考慮到人體神經(jīng)肌肉的反饋機(jī)制[29]。

足底壓力的分布異常往往造成許多足部疼痛,如跖痛、筋膜炎等。足部矯形器可以通過(guò)增大受力面積重新調(diào)整足底壓力。也有學(xué)者指出,矯形器對(duì)前足旋轉(zhuǎn)的控制比對(duì)足弓張力的控制更能有效地緩解疼痛[2]。

4 小結(jié)

經(jīng)過(guò)多年研究,直至今日,科學(xué)家們對(duì)于足部矯形器作用的生物力學(xué)原理仍不能提出精確的、突破性的論斷。下肢、矯形器、鞋、地面間的相互作用是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,除了考慮力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的綜合作用,生物對(duì)力的反饋更是研究的重點(diǎn)。在臨床應(yīng)用中,足部矯形器的使用效果也與很多因素有關(guān),如處方正確與否、適配性的好壞、患者是否認(rèn)真穿戴,都直接影響到治療的成功性。所以,不論是基礎(chǔ)原理還是臨床應(yīng)用都需要更多長(zhǎng)期的研究。而隨著3D運(yùn)動(dòng)分析技術(shù)、肌電分析技術(shù)的發(fā)展,將為矯形器作用的效果和原理提供更精準(zhǔn)的依據(jù),從而更加有效地指導(dǎo)臨床應(yīng)用,治療和預(yù)防下肢運(yùn)動(dòng)損傷。

[1]石作礪.運(yùn)動(dòng)解剖學(xué)、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)大辭典[M].北京:人民體育出版社,2000:385.

[2]Nicolopoulos CS.Biomechanical basis of foot orthotic prescription[J].Current Orthopaedics,2000,14:464-469.

[3]Hawke F,Burns J,Radford JA,et al.Custom-made foot orthoses for the treatment of foot pain[CD].Cochrane Database Of Systematic Reviews,2008,CD0068013.

[4]Razeghi M,Batt ME.Biomechanical analysis of the effect of orthotic shoe inserts:a review of the literature[J].Sports Med,2000,29(6):425-438.

[5]曹學(xué)軍.足底壓力調(diào)整墊[P].中華人民共和國(guó),02167386.2.

[6]Leon R.A comparison of semi-custom and custom foot o rthotic devices in high-and low-arched individuals during walking[J].Clin Biomechanics,2008,23:1287-1293.

[7]Goodman A.Foot orthoses in sports medicine[J].South Med J,2004,97(9):867-870.

[8]徐晴巖,周大偉,李立峰,等.使用硅膠足墊分解足底壓力的研究[J].中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志,2007,22(8):736-738.

[9]Ki SW,Leung A,Li A.Comparison of plantar pressure distribution patterns between foot orthoses provided by the CAD-CAM and foam impression methods[J].Prosthetics Orthotics Inter,2008,32(3):356-362.

[10]張明,張德文,余嘉,等.足部三維有限元建模方法及其生物力學(xué)應(yīng)用[J].醫(yī)用生物力學(xué),2007,22(4):339-344.

[11]Hsu YC,Gung YW,Shih SL,et al.Using an optimization approach to design an insole for lowering plantar fascia stress-A finite element study[J].Ann Biomed Engineer,2008,36(8):1345-1352.

[12]Finestone A,Giladi M,Elad H,et al.Prevention of stress fractures using custom biomechanical shoe orthoses[J].Clin Orthopaedics Rela Res,1999,360:182-190.

[13]Ekenman I,Milgrom C,Finestane A,et al.T he role of biomechanical shoe orthoses in tibial stress fracture prevention[J].Am J Sports Med,2002,30(6):866-870.

[14]Kogler GF,Solomonidis SE,Paul JP.Biomechanics of longitudinal arch support mechanisms in foot orthoses and their effect on plantar aponeurosis strain[J].Clin Biomechanics,1996,11(5):243-252.

[15]譚維義,傅浩,孫民焱.足弓墊配合中藥熏洗治療足底筋膜炎 118例[J].實(shí)用心腦肺血管病雜志,2008,16(6):75.

[16]魏立強(qiáng).足矯形器治療足底筋膜炎僅有短期效果[N].中國(guó)醫(yī)學(xué)論壇報(bào),2006-07-20.6版.

[17]Sae Yong Lee,Patrick Mckeon B.Does the use of orthoses improve self-reported pain and function measures in patients with plantar fasciitis?A meta-analysis[J].Phy si Ther Sport,2008,(1):1-7.

[18]郝軍.矯形鞋墊治療膝骨性關(guān)節(jié)炎臨床應(yīng)用初步報(bào)告[J].中醫(yī)正骨,2007,19(1):25-26.

[19]Kuroyanagi Y,Nagura T,Matsumoto H,et al.The lateral wedged insole with subtalar strapping significantly reduces dynamic knee load in the medial compartment-Gait analysis on patients with medial knee osteoarthritis[J].Osteoarthritis Cartilage,2007,15(8):932-936.

[20]Kakihana W,Akai M,Nakazama K,et al.Effects of laterally wedged insoles on knee and subtalar joint moments[J].Arch Physi Med Rehabil,2005,86(7):1465-1471.

[21]Johnston LB,Gross MT.Effects of foot orthoses on quality of life for individuals with patellofemoral pain syndrome[J].J Orthopaedic Sports Physi T her,2004,34(8):440-448.

[22]Axe M J,Ray RL.Orthotic treatment of sesamoid pain[J].Am J Sports Med,1988,16(4):411-416.

[23]Richie DH.Effects of foot orthoses on patients with chronic ankle instability[J].J Am Podiat Med Assoc,2007,97(1):19-30.

[24]Thacker SB,Stroup DF,Branche CM,et al.The prevention of ankle sprains in sports-A systematic review of the literature[J].Am J Spo rts Med,1999,27(6):753-760.

[25]Yu B,Preston JJ,Queen RM,et al.Effects of wearing foot orthosis with medial arch support on the fifth metatarsal loading and ankle inversion angle in selected basketball tasks[J].J Orthopaedic Sports Phys T her,2007,37(4):186-191.

[26]Hume P,Hopkin W,Rome K,et al.Effectiveness of foot orthoses for treatment and prevention of lower limb injuries-A review[J].Sports Med,2008,38(9):759-779.

[27]Dewit BDCL.The effect of varyingmidsole hardness on impact forces and footmotion during foot contact in running[J].J Appl Biomech,1995,11(4):395-406.

[28]Chiu HT,Shiang TY.Effects of insoles and additional shock absorption foam on the cushioning properties of sport shoes[J].J Appl Biomechanics,2007,23(2):119-127.

[29]Nigg BM.Shoe inserts and orthotics for sport and physical activities[J].M ed Sci Sports Exerc,1999,31(Suppl):S421-S428.