足底压强的评估

1、足踝在步态和其他一些功能活动中起着承重和转移体重的功能，为此它必须兼 具必要的支撑作用和柔韧性。足底压强的测量能够提供一项反映在步态和其它 功能活动中足踝功能的指标1-3。人们已经认识到足底压强的数据是评价糖尿病 及外周神经病变的重要因素，实际上来自足底压强的信息还能帮助判断和处理 与各种肌骨疾病、表层组织疾病、神经病相关的损害。测力平台（force platform）是评估足与支持面之间相互作用的最常用方法。虽然测力平台能 同时提供关于地面反作用力的垂直分力和剪切分力的有价值信息，但是它基本上不能反映足 底面如何受到支持面的负荷的具体情况。实际上评价患者时，异常的负荷量或负荷模式可能 反映了

2、系统性的或局限性的下肢病变，也可能是进一步病变或病变恶化的指标（危险因子 risk factors）或预测因子（predictor）4。此外，准备收集数据时，如何将测力平台固定到支 持面上有非常具体的要求。而众多商用的足底压强测量系统（如Emed sensor platform，Pedar insole system， F-Scan system， Musgrave footprint system）不存在此问题。因此足底压强测 量系统可以为临床医生提供高度的便携性，使之能够在多处临床机构使用。压强（pressure， p； 有时也称为stress）的定义是单位面积上受到的力的作用。力 （fo

3、rce） （在测力平台测量时）是地面反作用力的三个分力的合力（net force），即作用于足的终力 （resultant force）6。地面反作用力的三个分力分别是前后向分力、内外侧分力、和垂直分力。力的国际单位是牛顿（N），压强的国际单位是帕斯卡（P），1P=1N/m2。8当足与支持 面接触时，预先放置于支持面上的多个传感器测出各自受到的力，将力的测量 值除以受激发的传感器的面积就是相应解剖部位的压强值。当测得压强值异常时，提供的信息可以帮助我们（判断疾患的病理机制，）指导治疗方案的 选择，或调整治疗方案如调整鞋具或足矫形器、调整训练方案、以及改变负重的量。足底压 强测量获得信息还有助于

4、研究足底压强和各种下肢姿势之间的关系。站立和行走并不是产生 足底压强的唯一活动，研究者将各种有氧运动13、舞蹈I4、和功能活动15与水平行走进行 了比较，以深入了解这些活动施加于足和下肢的应力。.本文目的在于：（1）介绍关于足底压强测量的当前技术和相关术语；（2）介绍足底压强测量 技术在临床的应用；（3）回顾一些文献报道中理疗师如何利用足底压力测量来评价和治疗与 神经系统、皮肤系统以及肌骨系统疾病相关的损害。读者要想更全面地回顾足底压强评估的 发展过程，可以参阅Alexzander16和Cavanagh17等人的文章。当前用于评估足底压强的技术测量的变量足底压强测量系统的典型配置包括测量装置，

5、由制成平台或鞋垫形式的传感器构成；负责采 集、储存、和提取数据并进行分析的计算机；以及用于显示数据的显示器。还有各种帮助临 床医生将足底划分成若干个区域来进行数据分析的软件包（图1）。最感兴趣的变量包括峰 压强和平均压强，力，以及范围。峰压强方格图（peak pressure plots）表达了每个传感器在整个负重期的最高压强值，还可以 根据用户设定的配色表直观的显示足底各区域压强值的高低。峰压强（peak pressure） 常常有助于判断缓冲性足矫形器（a cushioned foot orthosis）降低敏感跖骨头下面所受压迫的 效果。平均压强值（avarage pressure）则帮

6、助临床医生了解步太周期中作用于具体解 剖区域的一般压强。范围（area）指足底与传感器之间接触面的大小。力-时间曲线以及压强-时间曲线下的范 围也可以计算出来，并称之为曲线的积分（integral）或冲量（impulse）。冲量值可以帮助 临床医生理解一段时间内（如足接触期间）作用的力或压强的量。现有的商用软件还允许对 压强和范围进行序列观察（sequential viewing），从足接触支持面开始到离开支持面为止。足 压的三维显示能有效地教育患者了解自己足底的高压区域，并有助于糖尿病和外周神经病变 患者形象的理解自己发生溃疡的风险和区域。系统的规格大多数压强评估系统的局限性在于传感器所测的

7、力值（并被用于计算压强值） 是正交力/法向力（normal force）即垂直于传感器表面的力。如果用固定于支持面的平台收集数据，正交力/法向力可以看作是垂直力（vertical force）。但 是使用放在鞋内的传感器鞋垫测量足底压强时，所测得正交力可能只在全足接 触支持面时才是垂直力17。总之，测量压强的传感器不能像测力平台一样测量前 -后向和内-外向的剪切力16。这一点很关键，因为剪切力被认为是在糖尿病神经 病变患者产生足底溃疡过程中的一个重要因素7。选择一个测压系统时需要考虑的系统规格包括分辨率（resolution，又称为空间分辨率）、 采样频率（sampling frequency

8、，又称为时间分辨率）、可靠性（reliability）、标定（calibration）。 分辨率指系统中使用的传感器的大小和数目。系统的分辨率越高，则所用的传感器数目越大。 传感器的大小也很重要，因为压强是由力和受力的面积共同决定的，传感器的大小显然会影 响压强的读数。考虑到足以及跖骨头、拇趾、足趾的大小存在巨大的解剖学差异， 压强测量系统的分辨率应成为临床医生重点考虑的因素。分辨率对于小脚儿童的足 底压强的评估更显关键。采样频率是决定系统的时间分辨率的一个重要因素。采样频率是每个传感器每秒钟测得的样 本数，单位是赫兹，即周期每秒Mittlemeier和Morlock检查了四种不同采样频率测量

9、足底 压强的效果，报道称在行走状态下采样频率达45100赫兹即能满足要求。对于高 速活动，如跑步时，采样频率需要达到200赫兹或更高命21。压强传感器获得的测量值的可靠性对于获得准确的测量值来说很关键。Hughes建议行走 35趟后取平均值来提高压强测量的可靠性22,但是由于每趟行走之间固有的差异性， 不可能达到100%的重复率。据报道，不同的压强测量系统获得测量值的可靠性不同，所以 临床医生必须对所使用系统的可靠性（误差）有明确的认识。标定对于建立力和压强的测量值的有效性至关重要。尽管系统可能获得一致的重复 测量值，也就是具有可靠性，这些测量值也许并不能准确反映作用于足底的真实的力或压强。

10、即可标定平台传感器又可标定鞋垫传感器的的方法之一是将传感器系统置于橡皮囊下，然后 向囊内充压缩气体使之达到已知的压强水平。此法能使每个传感器受到均匀一致的负荷，并 生成关于每个传感器或每个矩阵传感器组的标定曲线。另一种方法是让一个患者站在鞋垫系 统或平台系统上进行标定，此法或许不够充分，因为不是每个传感器都能受到一致的负荷， 甚至有些传感器根本就没受到负荷。测量技术足底压强可以使用各种装置进行测量，包括力敏感电阻、水囊、微胶囊、突起装置、观足镜、 电容换能器、以及临界光反射装置等。这些装置大多可以作为独立的离散分布的传感器使用，也可以排列组合成传感器矩阵使用。重要的一点是临床医生在选择某种装置

11、采集数据之前应 该了解各装置的特点。离散式测量法(discrete measurements)是在足底的具体解剖部位使用独立的压强换能器。 于是，为了获得最佳数据需要临床医生对离散式换能器的最佳安放位置做出预判。由于在任 何时刻只有少数传感器在工作，离散式测量法的最大优点是具有更高的采样速率，有 些情况下达到200次每秒。因此离散式测量法经常用于高速活动时，如跑步或各种体育活动。 离散式传感器系统使用方便，价格便宜，但是使用这种压强测量方法时需要注意几个问题： 离散的传感器相当于鞋内异物，因此可能会引起激惹作用，就好像鞋内有个扁平的石头一样。 此外，由于制作传感器的材料与皮肤之间缺乏一致性会导

12、致“边缘效应”17，产生假的压强 值升高。最后，在活动时由于足-鞋界面之间存在剪切力可能引起传感器离开原来的位置。矩阵式测量法(matrix measurements)使用纵横排列、组合的传感器而不是单独的离散的 传感器进行测压。因此能够同时评估整个足底的压强分布情况。主要优点之一是在测 量压强之前不需要做出预判。此外一次测量能够评估跟更大面积的足底区域。微胶囊装置(microcapsules)25是用均匀分布在两层薄的泡沫塑料之间的许多充满染料的小 胶囊制成袜子一样的装置，在病人穿鞋之前套在足上。让病人行走，受到一定负荷的胶囊就 会破裂，破裂胶囊释放出的染料进入泡沫塑料层，这样在压强最高的足

13、底区域就会留下可以 看见的印记。微胶囊装置代表了为获取经济合算的鞋内足底压强评价所做的最早期的尝试之 一，但是此法不能对不同水平的压强进行量化评价。此外，穿上用微胶囊特制的袜子的过程 很费时间，而且在试图穿上鞋子的时候，微胶囊常常会破裂。突起装置(projection devices)26这种装置包括一个带有重复排列的各种形式小突起的橡皮 垫，各种突起的表面分别处于几种不同高度。垫子上涂上墨水，然后盖上纸。当病人对垫子 施加一定负荷时，在压强最高的部位，垫子的各层突起都会受到负荷的压迫，因而沉积的墨 水最多。Harris和Beath最先报道使用此法对加拿大士兵的足部结构进行分类。目前仍可以 弄

14、到的一种突起装置就是Foot Imprinter。这种垫子型的突起装置适合足底压强模式的定性 描述，但也一样不能定量表达足底压强值的大小。足镜(podoscope)27由一个带玻璃盖的木盒子构成。玻璃盖的各边用荧光照亮。一面镜子 呈45度角左右放在玻璃盖下面，用来观察足底的情况。为了记录病人足底压强的分布模式， 可以将镜子反射出的视像拍照、录像或者描记在纸上。足镜能够以迅速地、彩色影像的形式 呈现足底的高压区域，但是不能定量的反映压强值。一般用来向临床医生提供站立或单足负 重时足底压强分布的视像。电容传感器(capacitance transducers)28 Nicol和Henning于19

15、86年率先描述了使用一种 电容换能器测量足底压强。一个电容换能器由两个导电材料制作的板和将两块板隔离开的一 层绝缘体一一电介质构成。换能器储存电荷，对换能器施加压力时，两块电板之间的距离就 会减小，于是电容增大，结果导致电压变化而被检测出来。Novel Electronics公司在他们的 Emed传感器平台和Pedar鞋垫系统中使用的是多个电容换能器组成的矩阵。使用电容传感 器的压强测量系统能为矩阵中的每个传感器建立标定曲线，可以对压强进行量化的评估。在 鞋内压强测量系统中使用电容传感器的一个缺点是传感器鞋垫的厚度(接近2mm)比其他 类型传感器更厚。力敏电阻(force-sensing re

16、sistors) 17 FSR是一种非常薄的夹层装置，包括两片印有金属模 的聚酯类高分子材料层，和夹在两者之间的具有导电性的聚合物层。当聚酯层之间的压强增 大时，导电的聚合物层对电子流的阻抗就会降低。这种装置的输出信号可以是力或压强。但 是所测的力是垂直方向的力。Tekscan公司在其商品名为“F-Scan”的地面平板系统和鞋垫 系统中使用的都是基于FSR技术的矩阵测量法。临界光反射(critical light reflection)16运用临界光反射技术测量足底压强必须的硬件包括 一个塑料片、一个从侧方照明的而且四角都安装了力换能器的矩形玻璃板、一部视频相机、 一个存储数据的微型计算机。塑

17、料片的下面有多个微小的球形突起，当对塑料片施加压力时 这些球形突起会在矩形玻璃板的表面被挤压变扁平，使得投射光通过玻璃板的光的强度发生 改变。这些光强度的变化被视频相机记录下来，而施加在玻璃板表面的力的大小通过位于四 角的力换能器读出。根据光强度的变化和测量出的力，微型计算机就能够判断作用于足底的 压强。这种系统的商品名称为足压计(pedobarograph)，已经有好几位作者详尽介绍了它在 临床上的应用。水囊(hydrocell)21水囊是嵌入鞋垫内的充满液体的封闭小腔，每个腔内含有一个独立的 压阻传感器。对水囊施加负荷会引起囊腔内水环境的电阻增大，结果使囊腔内的压阻传感器 产生一个电荷。由

18、于压阻传感器(又名压电传感器)的物理性能，水囊被认为能够不仅测量 垂直向的力也能检测剪切力，尽管还需要进一步的研究来证明水囊的这种性能。目前，Parotec 系统使用的就是这种技术，它是一种嵌入了 24个相互独立的水囊的柔性鞋垫。水囊技术可 以对足底压强进行量化的分析。属于低成本的足底压强测量装置包括突起装置，微胶囊技术，和足镜。这些装置的优点 是：1，价格低廉，一般每套装置不超过200美元；2,容易获得和掌握，几乎不需要专门的 技术培训或专长。临床医生可以有效的利用该系统鉴定足底高压的区域，并对患者进行足底 压强增高的形象教育。而主要缺点是不能对足底压强进行量化的分析。高成本的装置包括水囊传

19、感器，电容传感器，力敏电阻传感器，和临界光反射装置。优点包 括：1，定量的表达足压；2,分析足底具体区域的压强、力、冲量和范围(area)。缺点是 比较昂贵，每套装置价格根据附件和分析软件的不同从15,000至50,000美元以上不等。数据收集方法的选择：平台系统还是鞋垫系统平台系统的优点是系统一般都具有更多数量的传感器，因而具有更高的分辨率；此外，由于 压强传感器的位置总是平行于支持面，所以提供的是“真正”垂直力的测量值。应用平台系 统或垫子系统收集数据存在的问题包括，需要行走很多步才能收集到可靠的数据，以及病人 常会产生瞄准平台传感器表面(targeting of the platform

20、)的行为。使用平台系统收集数据的传统方法被命名为“mid-gait”技术。此技术要求病人走过一个走 道一一一般至少9米长，病人的一次单足接触传感器平台时的足压值被记录下来。先前的研 究已经显示至少需要采集35个步子的数据才能建立数据的可重复性(replicability)，因此 为了搜集到可靠的数据需要病人多次赤足从走道上走过。这会增加糖尿病神经病变的病人发 生足底溃疡的风险。此外，有神经损害的病人由于本体感觉(proprioception)和协调能力(coordination)的问题可能会在足与平台接触方面遇到困难。为了消除mid-gait技术所带来的问题，Rodgers建议对于存在足底溃疡

21、风险的人使用一步法 的 mid-gait 技术(the mid-gait and 1-step methods )采集数据。后来 Meyers-Rice 描述了一种 两步法(2-step method)的mid-gait技术，在复制足底压强模式时比一步法更优越，因为两 步法提供的足压值更近似于传统的(多步法)mid-gait技术？ ？瞄准(targeting) 一词表明病人调整了行走模式(walking pattern)使自己的足能够接触到平 台。不幸的是瞄准的行为可能会导致病人的典型足压模式也改变。使用鞋垫系统收集数据被认为能够消除瞄准问题，因为病人所要做的事情就是像平时那样行 走。而且鞋内

22、的数据收集能向临床医生提供发生于鞋内的、足-鞋界面的压强情况。鞋内的 压强测量也允许临床医生去研究其他功能活动一一如舞蹈。对于评估为了调整作用于足底的 压强而专门设计的鞋具或足矫形器的效能，鞋内的足压测量尤其重要。应用鞋内的数据收集技术也存在几个问题：1,压力传感器鞋垫所含有的传感器数量比平台 系统的少，所以分辨率一般也比平台系统低。2,传感器鞋垫更易发生机械故障，因为连接 传感器与微机的电缆在从鞋子内出来时会被弯曲或拉伸。每个传感器也可能因为持续不断的 重复负荷而毁坏。3,鞋内的热、潮湿、以及通常高低起伏的环境也会影响传感器测量值的 可靠性和有效性。4,因为鞋内的传感器相对于支持面的位置关系

23、，传感器鞋垫只能测量正 交力(normal force)，所以在步态周期的起始期和末期不会检测到真正的垂直力。足底压强评估的临床应用几份以前发表的研究报告解释了理疗师是如何利用足底压强测量来评估和治疗下肢和足的 神经系统、表层组织、和肌骨系统的疾病。踝-足矫形器用于成人或儿童神经性疾病的效能已经成为足底压强研究的主要关注点。Mueller等人探讨了抑制肌张力的动态踝-足矫形器(tone-inhibiting dynamic ankle-foot orthoses)对于成人偏瘫的足负荷模式的影响。这些研究结果提示踝-足矫形器使整个后足、 中足和前足在接触支持面时的力、范围、以及冲量均增大Kirkeide报道了应用足底压强测 量判断和比较铰链式与固定式踝-足矫形器对于痉挛型双侧瘫患儿(脑瘫)步行时负荷模式 的影响。在Kirkeide所作的研究中，由于应用了鞋内压强测量系统，数据收