生物力學參數無創監測評估糖尿病足風險的研究進展

李一鳴，丁 紅

復旦大學附屬華山醫院超聲醫學科，上海 200040

糖尿病足是糖尿病的嚴重并發癥之一，其中預后最差的是糖尿病足潰瘍，其發生率在糖尿病患者中高達10%，是糖尿病患者致殘、致死的重要原因，造成極大的社會經濟負擔。糖尿病足發生、發展的主要因素包括周圍神經病變、血管病變、感染和創傷等。目前糖尿病足的風險評估主要包括病史資料、周圍神經和血管病變的評估，以及皮膚和肌肉骨骼異常的檢查，但缺乏早期準確識別糖尿病足的理想方法和早期干預的直接標識［1］。

糖尿病足進展過程中會出現感覺和運動神經異常。感覺神經病變導致疼痛的感覺減少或缺失，運動神經異常引發踝反射減少、肌肉功能障礙、足畸形等異常，可潛在影響關節活動能力，改變行走模式，感覺與運動神經病變直接引發足底負荷異常［2］。部分基于足底軟組織硬度或黏彈性等生物力學特性與足底負荷參數的相關性的研究［3-5］表明，足底負荷與足底軟組織生物力學特性之間存在潛在聯系。在過度的機械應力刺激下，足底軟組織發生生物力學特性變化，可增加足部損傷和潰瘍的風險。足底壓力可反映足底負荷，通過監測足底壓力可量化評估足底負荷，在損傷預防、運動生物力學研究方面具有重要價值。足底軟組織硬度可在一定程度上量化足底軟組織生物力學特性，組織彈性性質可以反映組織硬度［6-7］。近年來有研究［8-10］使用彈性成像、組織超聲觸診系統及力學儀器等方法對足底組織生物力學特性進行了初步量化研究。因此，了解足底負荷、足底軟組織生物力學特性和潰瘍風險之間的潛在相互作用對于潰瘍風險評估極其重要。本文旨在綜述有關無創力學量化方法在糖尿病足早期篩查、潰瘍風險評估和干預治療效果評價方面的研究進展。

1 足底壓力分布系統評估糖尿病足

1.1 足底壓力變化誘發糖尿病足潰瘍的原理

足底壓力增加至創傷閾值可直接引發足底損傷，重復創傷引起的足底累積應力是促進足底潰瘍生成或抑制潰瘍愈合的重要機制。Waaijman等［1］指出，復發性足底潰瘍患者的足底組織累積應力高于未發生足底潰瘍的患者［（715±538）MPa·s·d-1vs（652±436） MPa·s·d-1］；同時有研究［11］表明，潰瘍愈合者足底組織累積應力較潰瘍未愈合者降低25%，潰瘍體表面積減少≥75%的患者，足底組織累積應力降低了49%。

糖尿病周圍神經病變與足底壓力變化密切相關。周圍神經病變導致軀體感覺減少和足踝部感覺變化，軀體感覺信息在運動及平衡控制調節中發揮重要的反饋作用，保護性感覺缺失或痛性神經病變導致站立或行走時足底壓力模式改變，隨之而來增加的物理創傷直接增加足部潰瘍的風險［12］。周圍神經病變相關的關節活動受限和足部畸形亦可導致足底壓力增加或足底壓力分布不均，進而增加足部潰瘍風險［13］。夏科足是一種主要因周圍神經病變進展為足部畸形的糖尿病嚴重并發癥。一項對夏科足的研究［14］揭示了在中足區，潰瘍復發概率達50%，明顯高于非夏科足（1.8%）。

1.2 足底壓力分布系統及監測指標

足底壓力分布系統可揭示足底表面和支撐面之間的界面壓力，在生物醫學和運動相關領域應用廣泛，涉及運動性能分析、預防損傷、平衡控制改善、康復支持系統和鞋類設計等領域，通常配置有壓力分布平臺、鞋內系統和圖像處理軟件［8］。壓力平臺系統通常用于實驗研究，可進行靜態和動態壓力檢測。壓力平臺靜止平坦使用便捷，缺點是要求患者步態自然，測試持續時間較短。鞋內系統則可以在日常生活中以簡單有效的方式監測個人足底壓力參數，基于小型化傳感器、無線通信、計算信息技術的進步，此類智能穿戴監測設備發展迅速［15-16］。

足底壓力系統最常用的監測參數有峰值壓力和壓力-時間積分。峰值壓力指傳感器所受到的最大壓力的合力作用在足底所產生最大效果的總和，其大小是足底損傷重要危險因素。壓力-時間積分指某區域內壓力-時間曲線下面積，反映足底在一定時間內壓力所產生的積累效應，在疾病或損傷早期或康復期間監測評估足底壓力的異常具有重要意義［8］。

1.3 足底壓力監測糖尿病足的臨床價值

探索足底峰值壓力閾值可評估糖尿病足潰瘍發生風險。研究［17］發現，赤腳足底峰值壓力增加與潰瘍風險增加有關，糖尿病患者足底壓力峰值高于6 kg/cm2時，特定部位發生潰瘍的概率提高6倍。Abbott等［17］的研究提出，高于臨界閾值，足底峰值壓力與糖尿病足潰瘍史具有部位特異的強相關性，指出壓力峰值高于4.1 kg/cm2可作為識別足底特定部位糖尿病足潰瘍的最佳臨界閾值，其靈敏度和特異度在足中部分別為100%和79%、在第5跖頭處分別為80%和65%、中足和跖骨頭聯合區分別為73%和62%，應用峰值壓力閾值可識別先前發生足部潰瘍部位，準確評估重復潰瘍的風險。

動態監測足底壓力，可及時干預卸載壓力從而預防糖尿病足潰瘍發生。與赤腳足底壓力增加容易引發足部潰瘍類似，一項間接研究［18］顯示，較高的鞋內足底峰值壓力與隱匿創傷引起的足部潰瘍風險增加有關，治療性鞋履中的足底峰值壓力隨著時間推移而降低，而非治療性鞋履中的足底峰值壓力隨著時間推移而增加；與非治療性鞋相比，治療性鞋的鞋內足底壓力較低，潰瘍發生的風險較小。因此，通過降低足底峰值壓力來預防足部潰瘍對糖尿病患者至關重要。眾多研究［18-19］曾報道，應用不同的裝置卸載足底壓力用于防止糖尿病足潰瘍的發生或復發，大多數旨在通過矯正調節足底定位，增加緩沖和增加足底支撐來改變足底壓力。

2 足底軟組織硬度評估糖尿病足

2.1 足底硬度變化與糖尿病足潰瘍發生的原理

目前關于糖尿病患者足底軟組織生物力學性質變化誘發足部潰瘍的機制尚未完全清晰。糖尿病患者長期的高血糖狀態導致糖分子與蛋白質或脂質分子的非酶結合即糖基化水平增高，引發人體內部軟組織的結構和功能變化［20］。有研究［21］利用Dixon化學移位MRI揭示糖尿病神經病變患者與健康對照組相比，跟下脂肪墊內脂肪信號分數降低（0.55±0.11vs0.72±0.03，P＜0.005），步行時足底壓力峰值增加［（391±119）kPavs（325±53）kPa，P＞0.05）］，提示脂肪墊的成分變化可損害足底軟組織分配壓力的緩沖能力，即其產生的生物力學特性變化使足底軟組織更容易受到損傷，造成足部發生潰瘍的風險增加。

足底局部組織硬化可能是損傷的潛在標志。如果疼痛閾值確實是足底壓力過載的閾值，重復加載超過閾值強度的負荷則會造成健康足的軟組織損傷。研究［22］發現，在健康人足底加載負荷至疼痛閾值，剪切波彈性成像結果顯示高于疼痛閾值的負荷可導致加載區組織僵硬，而低于疼痛閾值的負荷則無該效果。糖尿病周圍神經病變患者痛覺閾值升高，導致足底軟組織在反復超負荷作用下生物力學性質發生變化，嚴重者造成不可逆性組織損傷繼而發生潰瘍，而檢測組織硬度的變化有望間接評估組織損傷程度。

2.2 足底軟組織硬度檢測方法

現有研究使用超聲彈性成像、組織超聲觸診系統和支撐式硬度計來檢測足底軟組織硬度。超聲彈性成像從影像學和生物力學角度計算組織的彈性模量而無創評估組織硬度。應變彈性成像通過計算組織受壓后產生的形變而定性評估組織的相對硬度，但手動施加應力頻率的不穩定性容易影響硬度測量的準確性［23］；剪切波彈性成像通過測量組織受壓后的剪切波速度反映軟組織硬度［24］?，F有部分研究利用剪切波彈性成像評估肌肉、肌腱、周圍神經病變的生物力學特性［25］。組織超聲觸診系統向軟組織發射和接收超聲脈沖信號，再通過估算速率計算有效楊氏模量［26］。支撐式硬度計可通過測量材料抗壓痕性能來測試軟性材料的硬度［4，27］。

2.3 足底硬度變化評估糖尿病足的臨床價值

利用超聲彈性成像探討足底軟組織的生物力學特性與糖尿病之間的關系，輔助評估糖尿病足并發癥嚴重程度，并對患者進行危險分層。Naemi等［28］的研究揭示患者空腹血糖水平與第一跖骨頭處剪切波速度存在正相關性，且糖尿病組足底軟組織硬度較前驅糖尿病組更高，這些變化可能由于高糖基化水平導致的足底組織學變化。與對照組相比，糖尿病患者足底多處部位的軟組織硬度隨糖尿病及并發癥嚴重程度增加［26］。同時周圍神經病變亦可能是增加足底軟組織硬度的影響因素，在進行相同水平日常活動負荷的研究中，存在周圍神經病變患者的足底整體硬度高于無周圍神經病變的糖尿病患者（39.54±7.13vs25.7±6.31，P=0.001），提示周圍神經病變對足底軟組織產生負面影響［9］。但另有研究［29］持與之相反的觀點，該項為期12個月的前瞻性研究指出，第1跖頭處足底組織硬度低的患者糖尿病足潰瘍風險較高。

3 足底壓力分布與足底硬度的相關性

從人體工程學的角度來看，軟組織受損將造成組織的力學行為發生變化，反之則表明由軟組織損傷引起的生物力學變化可以用來檢測損傷的嚴重程度。在糖尿病足的監測中可以合理利用足底壓力分布和組織生物力學特性（硬度）的改變、組織損傷的之間的聯系，從而實現早期診斷與及時干預［22］。

足底壓力分布與足底硬度的相關性在健康人群中的研究［4］結果指出，在中、后足區足底組織硬度與足底壓力呈正相關，即足底軟組織較硬的區域，足底壓力較高。糖尿病周圍神經病變患者前足區足底組織硬度與壓力峰值以及壓力時間積分之間存在顯著正相關性。這表明并發周圍神經病變的糖尿病患者在日?；顒又蟹峙錂C械應力的減震能力較低，過度的足底壓力負荷可能會加重足底軟組織的僵硬，從而減弱均勻分布異常足底壓力的能力。

但目前也有不同結論的研究報道。Allan等［27］的研究表明，糖尿病周圍神經病變患者足底第一跖骨頭處壓力-時間積分與足底組織硬度呈負相關（r=-0.354，P=0.027），糖尿病患者足底壓力負荷通常更高，根據該研究所持觀點，糖尿病患者足底組織會更軟。增加軟組織的形變能力可以提高組織均勻分布足底負荷的能力，足底組織變軟可以理解為通過降低相同外力所產生的足底壓力來降低軟組織損傷的風險，但過度的形變可導致過度機械應變，增加組織的損傷風險。足底組織變軟是否為一種降低損傷風險的積極適應反應，還是一種增加損傷風險的消極變化尚需要進一步探究［27］。

4 人工智能在力學參數監測糖尿病足領域的應用前景

糖尿病足臨床診斷復雜，且因缺乏早期癥狀而具較強隱蔽性。近年來隨著人工智能技術的發展及糖尿病患者臨床、社會人口、足部照片、溫譜圖等大數據信息的共享，利用機器學習、神經網絡等算法對糖尿病足的早期篩查與診斷監測研究［30］不斷涌現，主要涉及利用人工智能篩查糖尿病足、評估糖尿病足潰瘍風險、識別糖尿病足潰瘍及評判病變嚴重程度等方面。

利用人工智能算法處理足底力學參數在糖尿病足的診療方面同樣具有研究前景，由于傳感器技術的迅速發展，未來在無需更復雜和昂貴的成像技術的背景下，利用可穿戴設備可輕松獲取糖尿病患者足底的連續監測數據，實現糖尿病足精確和個性化早期篩查及時干預提醒。研究設計的智能鞋墊系統提供的持續足底壓力監測和動態卸載足底負荷指令引導可以減少糖尿病足潰瘍復發［18］。Abbott等［16］的研究結果顯示，與對照組相比，干預組潰瘍發生率降低71%。研究［19］設計了智能鞋墊系統集成溫度和壓力傳感器，實現了在家中實時監測個人的足底壓力和溫度，有助于早期發現足部問題。

5 總結與展望

在糖尿病足進展的過程中監測足底壓力與硬度的變化有望實現早期風險評估，及時準確地發現糖尿病足并發癥的病變部位及嚴重程度，并具有簡便無創、量化評估的優勢，借助人工智能方法快速分析，提供干預方案，實現在疾病早期預測，延緩潰瘍進展，減少截肢率，提高患者生存質量。