無癥狀扁平足與正常足生物力學(xué)差異的數(shù)字化研究

吳立軍 李宇婷 王 亭 余鳳嬌 盧行芳 鄭蓉梅 鄭祥武 鐘世鎮(zhèn)

1(溫州醫(yī)科大學(xué)數(shù)字化醫(yī)學(xué)研究所,浙江 溫州 325000)2(浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325000)3(溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院影像科，浙江 溫州 325000)4(南方醫(yī)科大學(xué)生物力學(xué)實驗室，廣州 510515)

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無癥狀扁平足與正常足生物力學(xué)差異的數(shù)字化研究

吳立軍1李宇婷1王 亭1余鳳嬌1盧行芳2鄭蓉梅1鄭祥武3鐘世鎮(zhèn)4

1(溫州醫(yī)科大學(xué)數(shù)字化醫(yī)學(xué)研究所,浙江 溫州 325000)2(浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325000)3(溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院影像科，浙江 溫州 325000)4(南方醫(yī)科大學(xué)生物力學(xué)實驗室，廣州 510515)

運用足底壓力測試與影像學(xué)X線測量結(jié)合的足踝數(shù)字化無損測評系統(tǒng)，對比分析無癥狀扁平足者與正常足者在足底壓力和足弓形態(tài)上的生物力學(xué)差異。受試為青年學(xué)生，其中正常足者12人(男女各6人，左右足共24只,其中左足12只，右足12只)，無癥狀扁平足者12人(男女各6人，左右足共24只，其中左足12只，右足12只)。利用Zebris足底壓力測量儀對正常足組和無癥狀扁平足組進(jìn)行直立狀態(tài)和行走狀態(tài)下的足底壓力測試，并拍攝其負(fù)重位和非負(fù)重位的側(cè)位X線片進(jìn)行足弓形態(tài)測量，測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，從而對比得出無癥狀扁平足與正常足足弓和足底壓力方面的生物力學(xué)差異。結(jié)果表明：雙足直立時，無癥狀扁平足組與正常足組的足底壓力差異無顯著意義(P>0.05)；單足直立時，無癥狀扁平足組的足前負(fù)重比例增大；步行時，無癥狀扁平足組與正常足組足底壓力的峰值相比差異顯著(P<0.05)。無癥狀扁平足組負(fù)重位與非負(fù)重位的足弓形態(tài)各參數(shù)有顯著差異(P<0.05)，而且無癥狀扁平足組負(fù)重位與正常足組負(fù)重位的足弓形態(tài)有顯著差異(P<0.05)。非負(fù)重狀態(tài)和雙足直立狀態(tài)下，無癥狀扁平足表現(xiàn)出一定的隱匿性。單足直立和行走狀態(tài)下，無癥狀扁平足的足底壓力和足弓形態(tài)與正常足相比有明顯差異。應(yīng)用FA-DNTS測量評價足踝生物力學(xué)性能，方法簡單，實用，易于推廣。

無癥狀扁平足； 足底壓力； 數(shù)字X線； 數(shù)字化測量；隱匿性癥狀

引言

扁平足是一種常見的足部疾患，指足弓降低或消失，站立時足弓塌陷，內(nèi)緣接近地面，但并非所有扁平足患者都會出現(xiàn)臨床癥狀和行為受限[1-2]。單純的扁平足一般沒有癥狀，即無癥狀扁平足[3]，多由后天因素造成，如長時間站立、負(fù)重行走。同時，年齡、性別、體重、鞋類、自身疾病(如糖尿病、類風(fēng)濕等)也可能是引起無癥狀扁平足的因素[4-6]。但是，目前對于青少年無癥狀扁平足臨床診斷評價指標(biāo)，還不足以客觀且全面地反映無癥狀扁平足生物力學(xué)和功能解剖學(xué)信息及其發(fā)育規(guī)律[2]

本研究結(jié)合足底壓力測試法和影像X線檢查，通過對青年學(xué)生無癥狀扁平足足底壓力和足弓形態(tài)的測量，并與同齡正常足進(jìn)行比較，從生物力學(xué)和功能解剖學(xué)兩個方面探討無癥狀扁平足的特點，為臨床上評價和輔助診斷此類扁平足提供更為重要的數(shù)據(jù)。同時可對這兩種測試技術(shù)進(jìn)行普適性檢測，構(gòu)建足踝數(shù)字化無損測評系統(tǒng)(foot & ankle digitized nondestructive testing system, FA-DNTS)，以期推廣到臨床應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 一般資料

抽查溫州市大學(xué)生無癥狀扁平足的發(fā)病情況，從中隨機抽取正常足者12人(男女各6人，左右足共24只,其中左足12只，右足12只,)，無癥狀扁平足者12人(男女各6人，左右足共24只，其中左足12只，右足12只)。所有受試者均簽署知情同意書。經(jīng)詢問確定所有接受測試者無足部外傷史、手術(shù)史，無明顯運動學(xué)障礙。測試者身高、體重、體重指數(shù)(BMI)均在正常范圍。測試者基本情況見表1。

表1 測試者基本情況

注：BMI為體重指數(shù)，BMI為體重/身高2(kg/m2)正常值范圍：18.5

Note: BMI:Body mass index, weight/height2(kg/m2),normal range: 18.5

1.2 實驗方法

1.2.1實驗儀器和設(shè)備 足底壓力測量采用了Zebris公司研發(fā)的Zebris足底壓力分布測量系統(tǒng)(Zebris pdm-s,德國)。該裝置內(nèi)置了1 504個精密的電容傳感器，可以準(zhǔn)確地感測到47 cm×32 cm范圍內(nèi)的壓力分布。X線測量采用溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院影像科的數(shù)字化X射線攝影系統(tǒng)(DR, Digital Radiography PG-292，Philips Medical公司，美國)。足底壓力圖像通過Adobe Photoshop8.0進(jìn)行處理，測出足底壓力中心運動軌跡所需要的指標(biāo)H/L及θ角。X線測試結(jié)果由影像學(xué)軟件Onis2.0進(jìn)行測量；數(shù)據(jù)統(tǒng)計通過SPSS19.0統(tǒng)計學(xué)軟件處理，數(shù)值表達(dá)采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式。統(tǒng)計方法采用秩和檢驗方法。

1.2.2 實驗內(nèi)容與方法

測試時足底壓力，要求測試對象赤足常速自然行走通過足底壓力測試板，共6次，其中左右腳各3次；然后，受試者分別于雙足站立、左足單足站立、右足單足站立在Zebris壓力測試板上，重復(fù)3次。記錄每次測量結(jié)果取平均值。

足部負(fù)重位和非負(fù)重位側(cè)位X線拍片時，讓測試對象模擬單足負(fù)重、單足不負(fù)重，拍攝足部側(cè)位X線片。實驗測試指標(biāo)設(shè)計見圖1。靜態(tài)測試時包括足底壓力分布、足前后負(fù)重百分比；動態(tài)測試時包括足底力峰值、足底壓力峰值、足底壓力中心運動軌跡(H/L,θ角)(見圖1(a))；X線測量指標(biāo)包括內(nèi)側(cè)足弓角、外側(cè)足弓角、內(nèi)側(cè)足弓的高度和長度、外側(cè)足弓高度和長度、側(cè)位距跟角(見圖1(b),(c))。

2 結(jié)果

2.1 統(tǒng)計結(jié)果

經(jīng)統(tǒng)計分析，無癥狀扁平足組和正常足組的男女生間差異無顯著意義(P>0.05)，可能由于本研究選取樣本較少，因此本研究中忽略了性別因素，將男女?dāng)?shù)據(jù)合并進(jìn)行統(tǒng)計分析。

無癥狀扁平足組和正常足組的左足、右足間差異無顯著意義(P>0.05),但為了更清楚對比無癥狀扁平足與正常足二者之間的生物力學(xué)差異，因此將二組的左足、右足均分開統(tǒng)計。

2.2 兩組足底壓力數(shù)字化測量結(jié)果

無癥狀扁平足組足前后負(fù)重比例在單足直立狀態(tài)下較雙足直立狀態(tài)增加，且差異有顯著意義(P<0.05)；正常足組足前后負(fù)重比例在單足直立狀態(tài)下和雙足直立狀態(tài)下不存在顯著差異(P>0.05)，見表2。無癥狀扁平足組無論在單足直立狀態(tài)還是雙足直立狀態(tài)，足底負(fù)重除了足跟和足前，足中部(足弓)也出現(xiàn)負(fù)重區(qū)；而且單足直立時較雙足直立時足中部(足弓)壓力面積增大，足內(nèi)側(cè)負(fù)重比例增加。正常足組無論在單足直立時還是雙足直立時，足底負(fù)重區(qū)主要為足跟部和足前，且兩者無明顯差異。

圖1 實驗測試指標(biāo)。(a) 足底壓力測試指標(biāo)HA/LA，θ角；(b)X線側(cè)位片的內(nèi)側(cè)足弓角、內(nèi)側(cè)足弓高度(HBm)、內(nèi)側(cè)足弓長度(LBm)、側(cè)位距跟角; (c) X線側(cè)位片的外側(cè)足弓角、外側(cè)足弓高度(HCm)、外側(cè)足弓長度(LCm)Fig.1 Experimental test indicators. (a) The index of HA/LA, θ of plantar pressure; (b)The angle of medial plantar arch, the height of medial plantar arch(HBm), the length of medial plantar arch(LBm), lateral talocalcaneal angle in X-ray test；(c)The angle of lateral plantar arch, the height of lateral plantar arch(HCm), the length of lateral plantar arch(LCm)in X-ray test

無癥狀扁平足組和正常足組自然行走足底力、足底壓力曲線均呈雙峰型，但前組兩個峰值的時間間隔相對較長(見圖2)。兩組足底力的峰值相比無顯著差異(P>0.05),但兩組足底壓力的峰值相比差異顯著(P<0.05)，見表3。足底中心運動軌跡顯示兩組的H/L和θ角兩項指標(biāo)均無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)(見表3)。

表2 雙足站立、單足站立足前后負(fù)重比例 (%，均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

圖2 足底力峰值(上)和足底壓力峰值(下)圖Fig.2 The peak values of plantar force (the top) and plantar pressure(the bottom)

2.3 兩組足弓形態(tài)影像學(xué)測量結(jié)果

無癥狀扁平足組和正常足組在負(fù)重位(均模擬單足負(fù)重)和非負(fù)重位的足弓形態(tài)測量值見表4和表5。無癥狀扁平足組負(fù)重位與非負(fù)重位各指標(biāo)差異有顯著意義(P<0.05),其中內(nèi)側(cè)足弓角、內(nèi)側(cè)足弓長度、外側(cè)足弓角明顯大于非負(fù)重位。無癥狀扁平足組負(fù)重位與正常足組負(fù)重位(除側(cè)位距跟角外)各指標(biāo)差異有顯著意義(P<0.05)，其中前組負(fù)重位的內(nèi)側(cè)足弓角、外側(cè)足弓角明顯大于后組負(fù)重位。

無癥狀扁平足組非負(fù)重位與正常足組非負(fù)重位各指標(biāo)(除內(nèi)側(cè)足弓高度)差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。正常足組負(fù)重位與正常足組非負(fù)重位各指標(biāo)(除內(nèi)側(cè)足弓高度、外側(cè)足弓角)差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

表3 足底壓力、壓強峰值、H/L、θ角測量結(jié)果(%，均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

注：H/L、θ角指標(biāo)統(tǒng)計時，正常足左足樣本量為12，右足樣本量為10；無癥狀扁平足左足樣本量為11，右足樣本量為11。其他情況樣本量均為12。(樣本剔除因為存在明顯的數(shù)據(jù)偏差)

Note: WhenH/L,θangle index statistics, the sample size of the left normal foot is 12, the sample size of the right normal foot is 10;the sample size of left asymptomatic flat foot is 11, the sample size of the right asymptomatic flat foot is 11,and the sample size of other cases is 12. (Eliminate sample because there is obvious deviation of data)

表4 無癥狀扁平足組足弓形態(tài)測量所得均值(%，均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

表5 正常足組足弓形態(tài)測量所得均值(%，均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

3 討論

3.1 無癥狀扁平足足底壓力的特點和意義

扁平足指的是正常足弓的缺失，Tareco等[7]用足底壓力墊系統(tǒng)測量單足站立時的靜態(tài)足底壓力分布，將足中部內(nèi)側(cè)與足中部整體壓力的比值大于24.0%定義為扁平足。本研究中結(jié)果顯示無癥狀扁平足雙足站立、單足站立時足前承重比例都要比正常足大，可以推測無癥狀扁平足者站立位時由于足弓的塌陷或者消失，為維持平衡將重心前移，身體前傾。從足底壓力分布可以看出無癥狀扁平足站立位時雖然足中部受力，但是并沒有全部著地，可以認(rèn)為無癥狀扁平足還是有一定的足弓形態(tài)的，可以起到一定的維持身體平衡和穩(wěn)定的作用，這與El等[4]研究結(jié)果相一致。無癥狀扁平組足底壓力峰值曲線中段沒有出現(xiàn)正常組中段那樣的低谷，可以推論無癥狀扁平足者行走步態(tài)中間階段由于足弓的塌陷，緩沖能力降低，行走時間較長會易出現(xiàn)足部不適及疲勞。

3.2 無癥狀扁平足足弓形態(tài)的特點和意義

本研究結(jié)果中無癥狀扁平足側(cè)位距跟角在負(fù)重位或非負(fù)重位均無明顯差異。單足負(fù)重位時，無癥狀扁平足與正常足相比足弓改變較大，但在非負(fù)重位與正常足相比沒有明顯區(qū)別，說明無癥狀扁平足具有一定的隱匿性，只有在單足負(fù)重位或步態(tài)中更大的沖擊受力時才出現(xiàn)足弓形態(tài)變化。因此臨床上辨別無癥狀扁平足或者是扁平足矯正術(shù)后觀察療效都應(yīng)拍攝負(fù)重位X線。吳立軍等[8]通過二維有限元研究發(fā)現(xiàn)扁平足疲勞應(yīng)力峰值始終高于正常足，易于發(fā)生足弓勞損，足底腱膜炎等臨床癥狀。目前，雖然癥狀性扁平足與無癥狀扁平足的相關(guān)性研究報道較少，但無癥狀扁平足是運動損傷的潛在因素，應(yīng)引起臨床重視。

3.3 足底壓力測試與X線測量技術(shù)結(jié)合的足踝數(shù)字化無損測評系統(tǒng)的優(yōu)勢及意義

扁平足及無癥狀扁平足的檢測方法有很多種，如足印法、比例法等，這些方法雖簡單但也容易把足底脂肪較厚的正常足誤判為扁平足。MRI三維重建較科學(xué)合理，但費用昂貴[9]。足底壓力測試法可揭示足多環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)和足功能的關(guān)系。影像學(xué)檢查，負(fù)重/非負(fù)重位的足、踝關(guān)節(jié)正側(cè)位X線片可判定畸形的嚴(yán)重程度、足后關(guān)節(jié)炎以及是否有其他原因，如類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和神經(jīng)性關(guān)節(jié)炎等[10]。

將足底壓力測試和X線測量方法結(jié)合，不僅可以反映足部表觀特征及運動功能，還能深入了解足踝骨骼系統(tǒng)的功能解剖學(xué)變化，從本質(zhì)上揭示足部病變信息，指導(dǎo)臨床診斷、預(yù)防和治療。除了在扁平足中的應(yīng)用，無損測評系統(tǒng)同時也可以廣泛應(yīng)用于足踝外科，如踝關(guān)節(jié)置換術(shù)、足踝部骨折內(nèi)固定術(shù)等，評價手術(shù)療效。

3.4 本研究的局限性和展望

本課題研究樣本量較少，尚無充分的統(tǒng)計學(xué)證據(jù)來反映人群普遍的現(xiàn)象。人類足部是一個復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)，二維影像信息不能完整地反映功能解剖學(xué)和生物力學(xué)的三維改變，因此建立無癥狀扁平足三維模型將更有利于研究其運動醫(yī)學(xué)特征。本研究應(yīng)用的足底壓力測試與影像學(xué)X線測量技術(shù)結(jié)合的足踝數(shù)字化無損測評系統(tǒng)(FA-DNTS)，其操作簡單，準(zhǔn)確率較高，適用于扁平足的篩選，同時可應(yīng)用于足踝外傷、足部疾病如類風(fēng)濕等疾病的術(shù)前、術(shù)后評價。然而，由于X線拍攝方法和測量方法缺乏統(tǒng)一性，且因影響設(shè)備及技術(shù)人員不同，參照物選擇不一，導(dǎo)致較多的相異結(jié)果，因此關(guān)于無損測評系統(tǒng)的測量方法和指標(biāo)還需標(biāo)準(zhǔn)化。

4 結(jié)論

非負(fù)重狀態(tài)和雙足直立狀態(tài)下，無癥狀扁平足表現(xiàn)出一定的隱匿性。單足直立和行走狀態(tài)下，無癥狀扁平足的足底壓力和足弓形態(tài)與正常足相比有明顯差異。運用足底壓力測試與影像學(xué)X線測量技術(shù)結(jié)合的足踝數(shù)字化無損測評系統(tǒng)(FA-DNTS)，測量評價足踝生物力學(xué)性能，方法簡單，實用，易于推廣。

(致謝 感謝溫州醫(yī)科大學(xué)洪建軍主任醫(yī)師、孔凌云主任醫(yī)師、愛爾思康科技(北京)有限公司劉國華工程師的指導(dǎo)和幫助。)

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The Digital Study about the Biomechanical Differences Between Asymptomatic Flatfoot and Normal Foot

Wu Lijun1Li Yuting1Wang Ting1Yu Fengjiao1Lu Xingfang2Zheng Rongmei1Zheng Xiangwu3Zhong Shizhen4

1(InstituteofDigitizedMedicineofWenzhouMedicalUniversiy,Wenzhou325000,Zhejiang,China)2(ZhejiangIndustry&TradeVocationalCollege,Wenzhou325000,Zhejiang,China)3(TheFirstAffiliatedHospitalofWenzhouMedicalUniversity,Wenzhou325000,Zhejiang,China)4(InstituteofBiomechanicsofSouthernMedicalUniversity;Guangzhou510515,China)

asymptomatic flatfoot; plantar pressure; X-ray; digitized measurement; occult symptoms

10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 06.018

2015-03-12， 錄用日期:2015-08-06

溫州醫(yī)科大學(xué)科研發(fā)展專項(QTJ06012); 國家自然科學(xué)基金(81271663, 31471146)

R318

D

0258-8021(2015) 06-0763-05

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: biomech@163.com