第七章 糖尿病患者足底压力的测定及临床应用
第一节 足底压力测定的发展简史
步行是人类最基本、最简单的运动形式之一,人体步行中的双足起着至关重要的作用,足由26块骨头、33个关节、20多条肌肉和100多条韧带组成。美国足部医学会的研究报告显示,一个正常人每天平均大约要行走8000步,人一生所走的距离约为地球周长两周半以上,而在步行时足部所承受的地面反作用力达到1.5倍体重,跑步时更达到体重的三四倍。人体足底压力及分布综合反映了足部的结构、功能及整个身体姿势控制等情况。正常人的足底压力参数和分布有一定的规律,疾病状态时足部畸形或功能异常将导致足底压力改变和分布异常。研究显示正常人无论在站立位还是行走时,左、右足底压力峰值(maxi⁃mum pressure picture,MPP)和压力分布基本相同,说明正常人站立和行走时步态正常,双足承受压力对称,从而避免了出现异常高足压。
100多年前,人们已认识到通过测量足底和支撑面之间的压力及分布可以为研究足部的结构、功能和体态控制提供大量有用的信息,同时还可以利用这些信息对一些足部疾病作出合理的解释。足底压力分析以牛顿第三定律为理论基础,研究足与支持面之间的相互作用力。早在1882年,英国人Beely即开始了足底压力的测量,随着科学技术的发展,足底压的测量经历了由粗略(肉眼观察)到精细(计算机精确量化分析)、由静态转为动静结合、由简单(平面图像)到多维(三维仿真模拟)的发展过程,使足底压的检测结果更适合临床使用。目前计算机量化的三维动态足压力步态分析系统已成为临床研究的首选工具,该系统分为平板式足压测量仪和内置鞋垫式足压测量仪,前者可检查裸足与地面之间的足底压力,后者可测量足与鞋子间的足底压力,还可用于足矫形器疗效的监测,可观察足矫形器能否减轻全足或局部压力负荷及纠正分布异常。目前常用的有德国Novel公司的Emed平板系统和Pedar鞋垫系统、美国TeKscan公司F⁃scan系统、比利时Footscan公司的分析系统、瑞士Kistler测力台等。另外,国内有些机构使用自行设计生产的测力仪。
足底压力是单位面积的足底和地面之间的总体相互作用力。它是足底所承受的压强,分静态和动态足两种,分别代表人在静态站立和动态行走时的足底压强。其测量包括三部分:垂直压力、前后的剪切力、中间和外部的剪切力。剪切力在足溃疡的发生中起重要作用,行走时各方向的剪切力之间的相互作用导致组织伸展明显大于组织聚集,更易引起组织损伤,导致溃疡发生,但目前所用的测力仪均不能直接反映剪切力。故目前大部分研究仅检测了足底的垂直压力。单位面积的力即为压力。应用足底压力平板系统或鞋内压力分析系统测定分析足底不同部位的压力及分布,可了解患者有否存在压力的异常。国内外研究均采用足底平均峰值压力MPP来表示足底压力,大多数以kPa为单位,少数以N/cm 2表示。
1.足印技术
最初是依据人足在石膏、橡胶等易变形物质上留下的足印或痕迹,对足底的压力及分布做出定性判断;之后利用复印技术记录足迹;80年代初出现了用铝箔取代墨水和纸张作为复印介质的改进技术,这一技术不仅可以得到即时可见的足部印痕,还可以通过光学扫描得到量化结果。
2.足底压力扫描技术
此技术是随着电影拍摄技术的发展而发展的,应用Kinetograph电影摄像机,在一块玻璃的两端安置光源,玻璃上放置橡胶弹性垫,当足踩上弹性垫后,由于光在玻璃内全反射,受压的弹性垫即可在玻璃下产生一个清晰的足印象,由于影像机得到的图像的光强度与压力成正比,通过摄影机记录下即时的压力曲线(barogram),从而获得足底压力分布的图像。据此定性分析足底压力及分布。第二代自动压力计出现在1950年前后,它应用的是另一种光学原理,Pedoparograph系统是这一技术的代表,该系统首次使用了显示器和图像处理技术,可以通过黑白或彩色图像进行局部压力分析。随后,研究人员又利用光弹性作为压力转换方式,研制出Photoelastopodometry系统。Cavanagh和Michiyosh I用类似的技术并加以计算机处理得到了准三维压力曲线,曲线上各点的纵向坐标值与足底该点处的压力成比例,直观地反映了足底压力分布状况。近年来,计算机和图像处理技术的不断发展为这一领域的研究开拓了更为广泛的前景,动态压力分布的测量和量化分析已经成为可能。
3.力板或压力板
是在换能器、传感器基础上发展起来的足底压力测量系统。虽然压力分布测量技术从1882年起开始研究,但真正对步态进行系统地动力学研究和临床研究则直到20世纪50年代才开始,但现已成为生物力学代表性的研究方向。力板可以准确测量足或鞋底压力及分布,早期的压力板由于力板与测力台的面积较小,通常只能测量人体站立或一个单步的压力参数,因此无法评定足⁃鞋之间的受力情况,尤其是日常生活中足部受力及分布情况。近年压力板改进及计算机技术发展,测力台的面积明显扩大,可测定走路时足连续压力参数。
4.鞋内垫测量技术
研究人员为了对日常活动的足部载荷加以记录,设计了嵌入鞋内垫的压力转换装置。由于鞋或鞋垫与足底贴服,可以测量足⁃鞋之间压力的连续参数,并进行实时监测和反馈。鞋内垫测量可以对足部与鞋的接触反应作出评价,对设计具有特殊功能的鞋类有重要指导意义。更重要的是,鞋内垫装置可以连续记录行进中的足部压力。
由于足压测量仪价格较贵,足底压力检测在国内多数单位还不能作为糖尿病患者的常规检查项目。国外几项足底压力研究均采用德国Novel公司生产的EMED⁃SF平台系统(传感器0.5/cm 2)。高分辨率压力测试平板能准确记录和评估接触表面所承受的动态压力分布。其测量方法是基于标准化电容传感器,平板由多达6000个传感器构成,可测量参数包括总足及各区域的压力、力、接触时间、接触面积等。并能够以每秒150 000传感器扫描频率,记录动态数据,真实地测量出运动时足部压力,多元化的分析软件可对测量的压力数据进行详细全面地分析,并加以量化。
由于各种测量仪敏感性和特异性不同,重复性也有待改进,故使用不同测量仪所得的检测结果间可能有差异。