魏晨婧,曹学军

运动损伤是指在体育运动过程中发生的各种损伤。主要发生在人体运动系统,但也包括血管和神经系统的损伤,是运动医学的重要内容之一[1]。一般下肢的运动损伤种类主要有骨折、肌肉韧带拉伤、关节扭伤、关节炎症等。研究者普遍认为,运动损伤的主要机制在于力的作用:运动中过量的活动范围和频率或意外时下肢不正常受力,导致症状的出现,而人体的代偿机制[2]又促使足部结构、功能改变,进一步导致病理性变化。目前治疗这些运动损伤的方法多是药物、理疗和手术。足部矫形器是基于力学作用及生物反馈机制,维持足部的形态,同时刺激神经肌肉改变异常步态,可用于预防运动损伤,同时提高步行效率;用于损伤手术后急性期的保护,以及康复过程中减少过多地运动,保护关节;还可用于一些运动损伤的治疗,如:应力性骨折、关节炎、关节扭伤、足底筋膜炎、足部疼痛等[3]。

足部矫形器的历史可以追溯到1889年[4],被誉为足部矫形器之父的Whitman利用金属支架治疗平足,他第一次提出中立位概念。1915年,Roberts利用一个楔形块来控制足内翻,同时利用后跟垫控制足跟于正常位置。随着上世纪50年代生物力学的发展,科学家们把关注的目光投注于距下关节的运动和胫骨的旋转,Rose在1962年提出一个基于生物力学原理的足矫形器模型,包括了对前足、中足、后足的整体控制。之后Root发展了Rose的思路,提出功能性矫形器足矫形器的概念,提出距下关节中立位的原理,奠定了现代足矫形器的基础。而随着现代生物力学、康复医学及高分子材料学、机械工艺技术的发展,足部矫形器的形式、材料、装配都取得长足的进步。

1 足部矫形器的设计装配

足矫形器按其形式有多种分类,如嵌入式鞋垫、足弓垫、横弓垫、足趾垫、地面反作用力足矫形器、夜用足矫形器等,以适应不同患者的需要。目前使用较多的是取模后整体成型的足矫形器,其可调性较差。曹学军等设计一种可移动部件式的足部压力调整垫,由与脚形一致的平板垫为本体,其上粘附横弓、纵弓、后跟补正垫、补高垫、外侧楔状垫等一种或几种调整垫,制作简单,成本低,便于医生患者调整使用[5]。

足矫形器也可分为预制、定制和半定制。定制的矫形器诚然更符合各人的身体条件,但预制矫形器却更加经济和利于推广。Avrin Zifchock等对定制、半定制足矫形器的作用效果进行对比显示,定制矫形器可以更好地控制足外翻速度,但对于外翻程度的控制两者没有明显区别[6]。

足矫形器按其使用材料可分为硬性、半硬性、软性。软性足矫形器多采用泡沫板材制作,舒适性较好。硬性主要采用聚丙烯聚乙烯塑料制作,其对足的支持性和耐用性比较强。半硬性则兼具两者优点,多采用皮革加软木或塑料化合物制作。运动损伤多使用硬性和半硬性的矫形器,以达到更好的支撑和功能[7]。制作足矫形器的材料也在不断更新,如硅胶鞋垫[8]等,兼顾透气性、耐用性、工艺性的材料将大大提高足矫形器的使用效果。

足矫形器的制作经过取型、修型、成型、适配等过程。传统的取型方法为石膏绷带取型,它可以更好地将足定位在中立位,但取型过程患足不负重;此外还有泡沫取型的方法,取型时患者将患足踩入特制泡沫中,泡沫定型后拿出,这种方法比较干净方便,也可以模拟足负重时的形态;现在出现了用三维扫描仪和计算机辅助设计制造(computer-aided design and computer-aided manufacture,CAD/CAM)方法取型。Ki等对比了对使用CAD/CAM取型和普通泡沫取型制作的鞋垫,两者在对足底压力的分布的重新分配上差别不大;但使用CAD/CAM取型的形状数据还可以进一步利用有限元分析做出对足压力的精确推断[9]。张明等建立了基于解剖结构,包括软组织、韧带和腱膜,考虑材料的非线性和关节接触的足部三维有限元模型,能预测足底压力分布和足内部骨骼软组织应力、应变情况,据此可以为设计鞋垫和研究足部各种临床状况提供有力的分析工具[10]。Hsu等利用ANSYS 9.0软件建立足部三维有限元模型,设计出一种用于治疗足底筋膜炎的矫形鞋垫,可降低足底压力14%～38.9%[11]。

2 足矫形器在运动损伤中的应用

足矫形器有助于预防应力性骨折。Finestone等利用矫形鞋降低军人中应力性骨折的发生率[12];之后Ekenman等人对比使用和不使用矫形器,测量在行走和跑步时胫骨的应变,得出足矫形器嵌入靴中穿着可以减低胫骨上压力的最高值,从而减少应力性骨折的发生[13]。

足底筋膜炎是运动时脚底频繁压力引起的慢性损伤。Kogler对比5种足矫形器的纵弓垫对足底筋膜张力的影响,发现部分形式的纵弓垫可明显减低足筋膜张力[14],而适当地减轻足底筋膜张力对治疗足底筋膜炎很有效。谭维义等也报道使用足弓垫配合中药熏洗治疗足底筋膜炎有显著疗效[15]。魏立强认为,足矫形器能在短期内减轻足底筋膜炎患者的足痛和改善其足功能,但远期效果并不好[16]。但是Lee等通过对现有相关文献的统计分析认为,足矫形器对足筋膜炎患者足痛和改善其足功能的效果在短期、长期内皆有[17]。

足矫形器对小腿、膝部的损伤也有一定的效果。郝军等报道使用矫正鞋垫对治疗膝骨关节炎取得良好疗效[18]。Kuroyanagi等也做了相似的研究[19]。两个研究均指出,使用鞋垫时给予踝部和距下关节更好的固定和支持则可取得更好的疗效。但Kakihana等认为,楔形鞋垫对膝骨关节炎和正常人膝关节受力的改变仍需要更多的理论支持[20]。Johnston利用定制足矫形器治疗由于足过度旋前引起的髌股疼痛[21]。

此外,足矫形器对由多种原因引发的足部疼痛也有一定的疗效,如足部和踝部的扭伤、跖骨疼痛、跟腱炎、籽骨炎引发的疼痛等[22]。也有将足矫形器用于维持踝部稳定[23]和预防踝关节扭伤[24]的报道。

但是,目前也有许多学者对于足矫形器在运动损伤中起的作用抱怀疑的态度,甚至是相反的结论。Yu等对篮球运动员穿戴足矫形器,第五跖骨受力情况进行了测量发现,矫形器加大了足底的受力,增加了跖骨骨折的危险[25]。Hume认为,足矫形器对下肢疼痛、损伤有一定效果,但对运动损伤的预防效果尚不明确[26]。

3 足矫形器的生物力学原理

足部矫形器要解决的两大关键问题是缓解症状和改善功能,虽然在临床实践中已经有许多成功的例子,但其作用机制仍不十分明了。多年来,研究者们试着从运动学、动力学和足底压力学的角度分析不同足矫形器的作用原理。

在运动学方面,大量的文献主要关注于足矫形器对胫骨和距骨的旋转以及跟骨的内外翻的控制。认为足矫形器可以将距下关节、踝部、膝关节的力线保持在中立位[4],从而减少运动时胫骨、距下关节过多的旋转和跟骨的内外翻,而这些是导致运动损伤的主要原因。也有文献指出,足矫形器可以减少足的最大旋前速率和最大旋前发生时间,同时可以减少额状面内膝关节的运动。这些被认为是矫形器缓解临床症状的主要力学原理。

地面反力的作用可以说是运动的基础,但其作用点、大小和方向往往是导致运动损伤的原因。所以在动力学方面主要研究在不同冲击力、地面条件的情况下,穿戴不同材料和设计的足矫形器产生的地面反力对人体的作用。矫形器对足弓部分的支持被认为是吸收冲击力的主要原因[27]。Chiu等研究发现,矫形鞋垫可以降低24%～32%冲击能,从而预防损伤[28]。而矫形器的软硬以及条件对地面反力的影响还没有统一的结论。Nigg指出,对冲击力的吸收还要考虑到人体神经肌肉的反馈机制[29]。

足底压力的分布异常往往造成许多足部疼痛,如跖痛、筋膜炎等。足部矫形器可以通过增大受力面积重新调整足底压力。也有学者指出,矫形器对前足旋转的控制比对足弓张力的控制更能有效地缓解疼痛[2]。

4 小结

经过多年研究,直至今日,科学家们对于足部矫形器作用的生物力学原理仍不能提出精确的、突破性的论断。下肢、矫形器、鞋、地面间的相互作用是一个复杂的过程,除了考虑力学、运动学、动力学的综合作用,生物对力的反馈更是研究的重点。在临床应用中,足部矫形器的使用效果也与很多因素有关,如处方正确与否、适配性的好坏、患者是否认真穿戴,都直接影响到治疗的成功性。所以,不论是基础原理还是临床应用都需要更多长期的研究。而随着3D运动分析技术、肌电分析技术的发展,将为矫形器作用的效果和原理提供更精准的依据,从而更加有效地指导临床应用,治疗和预防下肢运动损伤。

[1]石作砺.运动解剖学、运动医学大辞典[M].北京:人民体育出版社,2000:385.

[2]Nicolopoulos CS.Biomechanical basis of foot orthotic prescription[J].Current Orthopaedics,2000,14:464-469.

[3]Hawke F,Burns J,Radford JA,et al.Custom-made foot orthoses for the treatment of foot pain[CD].Cochrane Database Of Systematic Reviews,2008,CD0068013.

[4]Razeghi M,Batt ME.Biomechanical analysis of the effect of orthotic shoe inserts:a review of the literature[J].Sports Med,2000,29(6):425-438.

[5]曹学军.足底压力调整垫[P].中华人民共和国,02167386.2.

[6]Leon R.A comparison of semi-custom and custom foot o rthotic devices in high-and low-arched individuals during walking[J].Clin Biomechanics,2008,23:1287-1293.

[7]Goodman A.Foot orthoses in sports medicine[J].South Med J,2004,97(9):867-870.

[8]徐晴岩,周大伟,李立峰,等.使用硅胶足垫分解足底压力的研究[J].中国康复医学杂志,2007,22(8):736-738.

[9]Ki SW,Leung A,Li A.Comparison of plantar pressure distribution patterns between foot orthoses provided by the CAD-CAM and foam impression methods[J].Prosthetics Orthotics Inter,2008,32(3):356-362.

[10]张明,张德文,余嘉,等.足部三维有限元建模方法及其生物力学应用[J].医用生物力学,2007,22(4):339-344.

[11]Hsu YC,Gung YW,Shih SL,et al.Using an optimization approach to design an insole for lowering plantar fascia stress-A finite element study[J].Ann Biomed Engineer,2008,36(8):1345-1352.

[12]Finestone A,Giladi M,Elad H,et al.Prevention of stress fractures using custom biomechanical shoe orthoses[J].Clin Orthopaedics Rela Res,1999,360:182-190.

[13]Ekenman I,Milgrom C,Finestane A,et al.T he role of biomechanical shoe orthoses in tibial stress fracture prevention[J].Am J Sports Med,2002,30(6):866-870.

[14]Kogler GF,Solomonidis SE,Paul JP.Biomechanics of longitudinal arch support mechanisms in foot orthoses and their effect on plantar aponeurosis strain[J].Clin Biomechanics,1996,11(5):243-252.

[15]谭维义,傅浩,孙民焱.足弓垫配合中药熏洗治疗足底筋膜炎 118例[J].实用心脑肺血管病杂志,2008,16(6):75.

[16]魏立强.足矫形器治疗足底筋膜炎仅有短期效果[N].中国医学论坛报,2006-07-20.6版.

[17]Sae Yong Lee,Patrick Mckeon B.Does the use of orthoses improve self-reported pain and function measures in patients with plantar fasciitis?A meta-analysis[J].Phy si Ther Sport,2008,(1):1-7.

[18]郝军.矫形鞋垫治疗膝骨性关节炎临床应用初步报告[J].中医正骨,2007,19(1):25-26.

[19]Kuroyanagi Y,Nagura T,Matsumoto H,et al.The lateral wedged insole with subtalar strapping significantly reduces dynamic knee load in the medial compartment-Gait analysis on patients with medial knee osteoarthritis[J].Osteoarthritis Cartilage,2007,15(8):932-936.

[20]Kakihana W,Akai M,Nakazama K,et al.Effects of laterally wedged insoles on knee and subtalar joint moments[J].Arch Physi Med Rehabil,2005,86(7):1465-1471.

[21]Johnston LB,Gross MT.Effects of foot orthoses on quality of life for individuals with patellofemoral pain syndrome[J].J Orthopaedic Sports Physi T her,2004,34(8):440-448.

[22]Axe M J,Ray RL.Orthotic treatment of sesamoid pain[J].Am J Sports Med,1988,16(4):411-416.

[23]Richie DH.Effects of foot orthoses on patients with chronic ankle instability[J].J Am Podiat Med Assoc,2007,97(1):19-30.

[24]Thacker SB,Stroup DF,Branche CM,et al.The prevention of ankle sprains in sports-A systematic review of the literature[J].Am J Spo rts Med,1999,27(6):753-760.

[25]Yu B,Preston JJ,Queen RM,et al.Effects of wearing foot orthosis with medial arch support on the fifth metatarsal loading and ankle inversion angle in selected basketball tasks[J].J Orthopaedic Sports Phys T her,2007,37(4):186-191.

[26]Hume P,Hopkin W,Rome K,et al.Effectiveness of foot orthoses for treatment and prevention of lower limb injuries-A review[J].Sports Med,2008,38(9):759-779.

[27]Dewit BDCL.The effect of varyingmidsole hardness on impact forces and footmotion during foot contact in running[J].J Appl Biomech,1995,11(4):395-406.

[28]Chiu HT,Shiang TY.Effects of insoles and additional shock absorption foam on the cushioning properties of sport shoes[J].J Appl Biomechanics,2007,23(2):119-127.

[29]Nigg BM.Shoe inserts and orthotics for sport and physical activities[J].M ed Sci Sports Exerc,1999,31(Suppl):S421-S428.