足部矯形器在下肢運動損傷中的應用

魏晨婧,曹學軍

運動損傷是指在體育運動過程中發生的各種損傷。主要發生在人體運動系統,但也包括血管和神經系統的損傷,是運動醫學的重要內容之一[1]。一般下肢的運動損傷種類主要有骨折、肌肉韌帶拉傷、關節扭傷、關節炎癥等。研究者普遍認為,運動損傷的主要機制在于力的作用:運動中過量的活動范圍和頻率或意外時下肢不正常受力,導致癥狀的出現,而人體的代償機制[2]又促使足部結構、功能改變,進一步導致病理性變化。目前治療這些運動損傷的方法多是藥物、理療和手術。足部矯形器是基于力學作用及生物反饋機制,維持足部的形態,同時刺激神經肌肉改變異常步態,可用于預防運動損傷,同時提高步行效率;用于損傷手術后急性期的保護,以及康復過程中減少過多地運動,保護關節;還可用于一些運動損傷的治療,如:應力性骨折、關節炎、關節扭傷、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利用一個楔形塊來控制足內翻,同時利用后跟墊控制足跟于正常位置。隨著上世紀50年代生物力學的發展,科學家們把關注的目光投注于距下關節的運動和脛骨的旋轉,Rose在1962年提出一個基于生物力學原理的足矯形器模型,包括了對前足、中足、后足的整體控制。之后Root發展了Rose的思路,提出功能性矯形器足矯形器的概念,提出距下關節中立位的原理,奠定了現代足矯形器的基礎。而隨著現代生物力學、康復醫學及高分子材料學、機械工藝技術的發展,足部矯形器的形式、材料、裝配都取得長足的進步。

1 足部矯形器的設計裝配

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,其可調性較差。曹學軍等設計一種可移動部件式的足部壓力調整墊,由與腳形一致的平板墊為本體,其上粘附橫弓、縱弓、后跟補正墊、補高墊、外側楔狀墊等一種或幾種調整墊,制作簡單,成本低,便于醫生患者調整使用[5]。

足矯形器也可分為預制、定制和半定制。定制的矯形器誠然更符合各人的身體條件,但預制矯形器卻更加經濟和利于推廣。Avrin Zifchock等對定制、半定制足矯形器的作用效果進行對比顯示,定制矯形器可以更好地控制足外翻速度,但對于外翻程度的控制兩者沒有明顯區別[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,其對足的支持性和耐用性比較強。半硬性則兼具兩者優點,多采用皮革加軟木或塑料化合物制作。運動損傷多使用硬性和半硬性的矯形器,以達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。

足矯形器的制作經過取型、修型、成型、適配等過程。傳統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,但取型過程患足不負重;此外還有泡沫取型的方法,取型時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,也可以模擬足負重時的形態;現在出現了用三維掃描儀和計算機輔助設計制造(computer-aided design and computer-aided manufacture,CAD/CAM)方法取型。Ki等對比了對使用CAD/CAM取型和普通泡沫取型制作的鞋墊,兩者在對足底壓力的分布的重新分配上差別不大;但使用CAD/CAM取型的形狀數據還可以進一步利用有限元分析做出對足壓力的精確推斷[9]。張明等建立了基于解剖結構,包括軟組織、韌帶和腱膜,考慮材料的非線性和關節接觸的足部三維有限元模型,能預測足底壓力分布和足內部骨骼軟組織應力、應變情況,據此可以為設計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,設計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 足矯形器在運動損傷中的應用

足矯形器有助于預防應力性骨折。Finestone等利用矯形鞋降低軍人中應力性骨折的發生率[12];之后Ekenman等人對比使用和不使用矯形器,測量在行走和跑步時脛骨的應變,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,從而減少應力性骨折的發生[13]。

足底筋膜炎是運動時腳底頻繁壓力引起的慢性損傷。Kogler對比5種足矯形器的縱弓墊對足底筋膜張力的影響,發現部分形式的縱弓墊可明顯減低足筋膜張力[14],而適當地減輕足底筋膜張力對治療足底筋膜炎很有效。譚維義等也報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]。魏立強認為,足矯形器能在短期內減輕足底筋膜炎患者的足痛和改善其足功能,但遠期效果并不好[16]。但是Lee等通過對現有相關文獻的統計分析認為,足矯形器對足筋膜炎患者足痛和改善其足功能的效果在短期、長期內皆有[17]。

足矯形器對小腿、膝部的損傷也有一定的效果。郝軍等報道使用矯正鞋墊對治療膝骨關節炎取得良好療效[18]。Kuroyanagi等也做了相似的研究[19]。兩個研究均指出,使用鞋墊時給予踝部和距下關節更好的固定和支持則可取得更好的療效。但Kakihana等認為,楔形鞋墊對膝骨關節炎和正常人膝關節受力的改變仍需要更多的理論支持[20]。Johnston利用定制足矯形器治療由于足過度旋前引起的髕股疼痛[21]。

此外,足矯形器對由多種原因引發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、籽骨炎引發的疼痛等[22]。也有將足矯形器用于維持踝部穩定[23]和預防踝關節扭傷[24]的報道。

但是,目前也有許多學者對于足矯形器在運動損傷中起的作用抱懷疑的態度,甚至是相反的結論。Yu等對籃球運動員穿戴足矯形器,第五跖骨受力情況進行了測量發現,矯形器加大了足底的受力,增加了跖骨骨折的危險[25]。Hume認為,足矯形器對下肢疼痛、損傷有一定效果,但對運動損傷的預防效果尚不明確[26]。

3 足矯形器的生物力學原理

足部矯形器要解決的兩大關鍵問題是緩解癥狀和改善功能,雖然在臨床實踐中已經有許多成功的例子,但其作用機制仍不十分明了。多年來,研究者們試著從運動學、動力學和足底壓力學的角度分析不同足矯形器的作用原理。

在運動學方面,大量的文獻主要關注于足矯形器對脛骨和距骨的旋轉以及跟骨的內外翻的控制。認為足矯形器可以將距下關節、踝部、膝關節的力線保持在中立位[4],從而減少運動時脛骨、距下關節過多的旋轉和跟骨的內外翻,而這些是導致運動損傷的主要原因。也有文獻指出,足矯形器可以減少足的最大旋前速率和最大旋前發生時間,同時可以減少額狀面內膝關節的運動。這些被認為是矯形器緩解臨床癥狀的主要力學原理。

地面反力的作用可以說是運動的基礎,但其作用點、大小和方向往往是導致運動損傷的原因。所以在動力學方面主要研究在不同沖擊力、地面條件的情況下,穿戴不同材料和設計的足矯形器產生的地面反力對人體的作用。矯形器對足弓部分的支持被認為是吸收沖擊力的主要原因[27]。Chiu等研究發現,矯形鞋墊可以降低24%～32%沖擊能,從而預防損傷[28]。而矯形器的軟硬以及條件對地面反力的影響還沒有統一的結論。Nigg指出,對沖擊力的吸收還要考慮到人體神經肌肉的反饋機制[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增大受力面積重新調整足底壓力。也有學者指出,矯形器對前足旋轉的控制比對足弓張力的控制更能有效地緩解疼痛[2]。

4 小結

經過多年研究,直至今日,科學家們對于足部矯形器作用的生物力學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復雜的過程,除了考慮力學、運動學、動力學的綜合作用,生物對力的反饋更是研究的重點。在臨床應用中,足部矯形器的使用效果也與很多因素有關,如處方正確與否、適配性的好壞、患者是否認真穿戴,都直接影響到治療的成功性。所以,不論是基礎原理還是臨床應用都需要更多長期的研究。而隨著3D運動分析技術、肌電分析技術的發展,將為矯形器作用的效果和原理提供更精準的依據,從而更加有效地指導臨床應用,治療和預防下肢運動損傷。

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