3D打印鞋墊解決足部健康痛點

曾貞 王凱 陸春華 張琴

不良足踝在人群中的分布情況

足部的生物力學結構包括足弓、足底肌肉、韌帶和關節等組成部分。足部作為人體維持平衡這一閉鏈運動中唯一同地面接觸的部分，當足部出現機能障礙時，可能會導致足弓塌陷、足底肌肉減弱或失衡，從而破壞足踝的穩定性和支撐能力。這可能會影響近端髖、膝、踝的運動，也可能會對身體的姿勢控制能力產生不良影響。

（一）兒童

兒童的足部確實與成人有很大的差別，特別是在骨骼和軟骨的發育方面。兒童的骨骼和軟骨尚未完全發育成熟，因此他們的足部可以塑形。嬰兒出生時是內八字，當成長到6 ～ 8歲時脛骨會向外轉，使足部稍呈外八字。此外，不良的步態和行走姿勢也可能會成為日后各種骨骼問題的隱患，例如脊柱側彎和前凸等。

（二）青年人

有研究調查了4 6例大學生的足底壓力分布情況，發現男生足外翻4 4 %，內翻8 %；女生3 3 .3 4 %足外翻，9 .5 2 %內翻。有3 4 %的學生經常感到足跟疼痛，1 4 %腳趾疼痛，2 6 %前腳掌疼痛。

（三）老年人

隨著年齡的增長，人體因肌肉萎縮、肌腱退化、關節磨損等，很容易引發骨關節炎，特別是足、膝、髖、背等承重關節。上述改變常伴有軀體本體感覺降低，老人易失去平衡而跌倒。足部過度旋前或旋后引起的骨骼位置失準，導致不良的生物力學會加重上述病變。

（四）特殊人群

腦卒中、糖尿病足、下肢骨折術后等患者，常伴有足部控制不穩定、骨骼偏離中立位、生物力學不良等問題。

不良足踝會出現哪些伴隨癥狀

一是跟腱炎。跟腱炎表現為跟腱發炎、刺痛、腫脹，原因是足部過度旋前（扁平足）或旋后（高弓足）。二者都會對肌腱產生額外的壓力，異常的拉伸導致肌腱撕裂，引起發炎和疼痛。

二是足底筋膜炎。足底筋膜發炎是過度拉伸足底筋膜的結果，長時間地拉伸筋膜會產生跟骨骨刺。嚴重時會導致足底筋膜在與跟骨的附著點處撕裂，引起腫脹和疼痛。

三是拇囊炎。拇囊炎是指大腳趾第一跖趾關節底面及側面關節增大，原因是較短的第一跖骨體和足部的過度旋前。癥狀為第一跖趾關節處疼痛，嚴重時拇指會與第二腳趾交疊，不能穿鞋。

四是跖骨痛。疼痛位于2 ～ 4跖骨頭下方，還會有跖間麻木，嚴重時跖骨腫脹。原因是足部過度旋前，足跖骨下降并旋轉，使足橫弓消失，增加了作用于足部結構的剪切力，導致壓力及疼痛的出現。

五是雞眼。這是由于足部骨骼位移導致壓力異常而引起的，大多情況是足部過度旋前或旋后。反復出現意味著足部骨骼位移未糾正。

六是膝關節痛。膝關節可以彎曲，但不能扭轉，不良的生物力學會對膝關節的活動產生負面影響。當身體姿勢不當、肌肉力量不平衡或運動方法不正確時，會導致膝關節扭轉、錯位或承受過度的壓力。這種壓力可能會導致疼痛、炎癥和其他膝關節問題，如滑膜炎、半月板損傷或韌帶損傷等。

七是髖、背部疼痛。任何足部及腿部骨骼的錯位都會影響雙髖及背部，導致疼痛和不適，最常見的是結構性或功能性的腿長差異。結構性腿長差異是由雙腿骨骼的生理差異造成的，可以是遺傳因素導致，也可以因腿骨受創而產生。功能性腿長差異的成因與多種因素有關，如骨盆扭轉或下降、雙腳過度旋前的程度不同或由于創傷而失去足部功能等。

傳統足部矯形墊對不良足踝的糾正作用

一般認為足部矯形墊對于預防足部過勞性運動損傷具有多種可能的作用機制。首先，調整足部和下肢的力學對齊。足部矯形墊可以通過提供額外的支撐和穩定性，幫助調整足部和下肢的力學對齊。這有助于減少異常的負重和運動模式，從而降低足部過度應力和損傷的風險。其次，提高足部減震能力。足部矯形墊可以提供額外的減震和緩沖效果，減少足部在運動中的沖擊和震動。這有助于減輕足部的負擔，降低足部受傷的風險。最后，改善足部本體感覺輸入功能。足部矯形墊可以通過調整足底的感覺輸入，改善足部的本體感覺。這有助于提高足部的穩定性和運動控制能力，減少運動時的不穩定性和損傷風險。

傳統矯形墊的設計和使用可以對足踝的生物力學產生積極影響。根據個體的足部解剖結構和功能需求進行定制，使足踝生物力學線處于中立位，通過控制脛骨的扭轉來幫助足部保持中立位，從而減少過度旋前或旋后對肌腱的拉伸。理想狀態下，穿戴一段時間后能改善姿勢控制能力，減輕與足部問題相關的疼痛和不適。傳統矯形墊還可以通過支撐足部和調整姿勢來改善膝關節和骨盆的狀況。例如，對于扁平足患者來說，矯形鞋墊可以提供額外的支撐和穩定性，幫助調整足部的姿勢和運動模式，從而減少膝關節的扭轉，緩解膝關節疼痛。

然而，傳統足部矯形墊的設計和生產模式確實沒有考慮到對個體足部的完美貼合和姿勢控制的改善。矯形鞋墊的使用效果因人而異，對于一些人來說可能會有明顯的改善，而對于其他人來說可能效果有限。目前足部矯形墊是康復科常用的一種手段，然而我國足部矯形墊在足部畸形、膝關節畸形、慢性病合并足潰瘍中的運用起步較晚。

3 D打印鞋墊的優勢和應用

近年來，隨著3 D打印技術在綜合數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等各領域的快速發展，被譽為“第三次工業革命”來臨。由于其具有加工精度高、制造周期短、材料多樣等特點，能夠制造出任何復雜的結構，已被廣泛應用于航空、汽車、電子制造、生物工程和醫學、服裝和首飾設計、建筑及個性化產品創作等領域。

根據計算機輔助設計的三維模型數據，通過疊加式制造工序，逐層自動打印與數學模型完全一致的三維實體模型，學術上稱為添加制造技術，也稱增材制造技術。隨著該技術的發展，3 D打印鞋墊的應用也逐漸得到重視。3 D打印個性化定制鞋墊能夠有效幫助扁平足、高弓足、內外翻足、糖尿病足等人群改善足部功能、緩解足部壓力，輔助達到矯正足部畸形、緩解疼痛的作用。

具體如何制作呢？研究者先對無負重狀態下的足底進行掃描，取坐姿中立位可避免站位時因體重過重導致的足弓塌陷，難以獲取理想的足弓數據。在患者雙小腿后側下1 /3、跟腱、足跟處標記3個中點，畫一連線。讓患者將雙足分別放入掃描區域內，保持第二趾骨對準前方黑色標識線，雙腳分開與肩同寬，雙手自然放置于大腿上，目視前方。擺放跟骨中立位時，要求患者調整踝關節位置，使之垂直對準膝蓋；患者通過足踝內或外翻，調整跟骨與脛骨的后線位置，觀察小腿后側連線是否與掃描儀激光的紅線重合，如重合即判斷為跟骨中立位。

完成以上流程后計算機會結合足底壓力數據，制作出雛形鞋墊，與目前使用的一體化均質鞋墊相比，計算機通過減小足底各區域間的壓力差，選擇不同填充率的方法和材料，在鞋墊的不同區域實現不同的密度匹配。制作流程：雙側足部信息采集→鞋墊3 D M A X模型設計→打印材料選擇→網格填充設置→打印成品→適配反饋。這樣一來，根據患者足底壓力分布情況，將更多的支撐和緩沖材料放置在需要的區域，有效緩解足部疼痛，提供更好的支撐和減壓效果。根據需要改變足弓和足跟的高度，能更精準地矯正患者站立和行走時的身體力線異常，減少足部異常受力，增加足部行走時的舒適性。根據患者個性化需求，提供更優化的外觀設計，能同時滿足患者對美觀度、隱蔽性和穿戴體驗感的要求。