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1、1正常行走足底压力测定与临床作用作者：黄海晶王志彬金鸿宾 【摘要 】 目的应用自行制作的微型压力传感器进行正常行走足底压力测定与临床实测。 方法作者将微型压力传感器组装成测力鞋，采用视频计算机处理的方式，动态采集、分析一个步态周期全过程的足底压力分布，同时结合临床病人分析足底压力的病理变化规律。 结果在正常组行走过程中，前足承担体重的49%，中足与后足共同负担体重的 51%，而在病理状态下，人体行走出现动态失衡，引起足部负重的病理改变。 结论通过动态分析足底压力的正常分布与病理改变，明确病因并为临床治疗提供借鉴。【关键词】 足底压力微型压力传感器步态分析Measurement and clin
2、ical application of normal plantar pressure Abstract：ObjectiveTo develop a minipressuresensor(MPS) for measurement of plantar pressure(PP) and to evaluate its clinical 2application.MethodThe MPS was installed in the shoes,and computer was used to accumulate and analyze the change of PP in whole walk
3、ing stage.Pathologic changes of PP in clinical patients were also analyzed by MPS.ResultIn normal walking,the PP of forefoot was 49% of body weight(BW) and of midfoot and heel was totally 51% of BW,but at pathologic state,the equilibrium of walking was dynamically disrapted inducing a pathologic cha
4、nges of foot bearing. ConclusionSelfdeveloped MPS for measuring PP is help for dynamic analysis of normal PP and is valuable to recognize the pathologic distribution of PP in pathological state and to provide a guide for treatment.Key words：plantar pressure; mini pressure sensor; gait analysis步行是人类最
5、基本的运动之一，人体的生理、病理甚至精神状态的各种变化都会不同程度地影响到步态1、2 。创伤与多种骨科疾患都可以造成患者的异常步态3 、 4 。目前常用的步态参数测定方法有 2 种：一种是对行走过程拍摄电影技术图片进行分析，以获得运动学基本参数，多用于关节角3度的变化分析5 。另一种是被测者与测定装置直接联系在一起，直接测定出动力学基本参数，多见于人体步态负重力学的分析6 。目前测力鞋的应用使后者的研究大为简便。为了探求行走的生物力学原理，作者自行制作了微型压力传感器并组装成测力鞋测定装置对临床病人进行了动态实测。1 材料与方法1.1 实验对象选取正常健康男性受试者 10 名，年龄 2358
6、岁，平均33.7 岁，体重 5672 kg，平均 65.6 kg。在临床生物力学测试中选取 2 名患者，其中膝部腘绳肌损伤 1 例，足下垂的病人 1 例。1.2 传感器的制作与工作原理1.2.1 随着生物力学的发展，实验工作已经成为专门的学科，为了测试人体助行带的生物力学参数，作者制作了应变片式微型压力传感器，表面为 4 片电阻应变片对称黏贴在弹性薄板上，薄板底部也黏贴有同样 4 片电阻应变片，总共 8 片电阻应变片组成全桥4（图 1） 。微型压力传感器工作原理为，传感器表面为一测压板，足底压力作用在测压板上，测压板通过中心的圆珠将压力传递到弹性薄板上，引起弹性薄板的变形。通过黏贴在弹性薄板上
7、的应变片测试到弹性薄板的变形（应变） ，通过标定从而得到足底压力的大小（图 2）1.2.2 系统硬件技术指标足底压力分布测量的仪器采用了 DSPS 1000 型集成化动态信号采集分析系统，该系统将微机、动态信号测量仪和数据采集集成一体，全部硬件实现程控化，具有测试精度高、抗干扰能力强、体积小等特点。该系统可以对大容量、多通道的动态信号自动进行数据采集和分析，测试系统如图 3 所示。每个传感器量程为 20 kg，测量分辨率为 0.015 kg 左右，采样率：125 Hz，采样时间：25 s，传感器频率响应：01 000Hz。图 1 微型压力传感器内部构造（略）图 2 测量电桥（略）图 3 动态信
8、号采集系统示意图（略）51.2.3 系统工作原理本足底压力分布测量系统共使用了 6 个微型压力传感器，分别置于受试者的第 1 跖骨头、第 2、3 跖骨头、第 4、5 跖骨头、足内侧弓、足外侧弓以及足跟的实测部位上。这样正常受试者与患者可以通过脚踏测力鞋来稳步完成负重活动。通过压力传感器、DSPS 1000 动态信号采集系统组成的测力系统就能准确地测量和记录人体运动过程中发出的力学信息。1.2.4 系统软件结构（1）实时数据采集模块: 该模块主要是采集患者在步行过程中动态足底压力数据。当传感器出现压力时，计算机开始测试实验数据，并按帧（1 024 数据点帧）自动存储所有的测试数据。为保证数据分析
9、的统一性，多个传感器的测试数据分通道按帧同步进行采集和存储，并将测试的数据保存为一个数据文件。 （2）数据存贮模块:将患者足底压力数据和患者的相关资料自动存贮和保存，并可以将保存的数据文件分通道按帧以图形曲线的形式显示，便于查询和分析测试结果。1.3 实验步骤6进入室内先由操作人员讲解测试要点和方法，并观看演示，将测试鞋制成受试者足等大尺寸测试，将鞋内传感器导线于受试者足外侧引出接电子计算机。按要求穿上满布传感器的应力测试鞋往返平步行走 34 次，正常组左右侧足不限，随机选定，测试组选定患足。1.4 统计学处理根据实验资料要求，选用 t 检验及方差分析检验方法，以P 0.05 为差别有显著性。
10、所有统计过程采用 SPSS 10.0 统计软件包，在电子计算机上进行。2 实验结果2.1 正常组行走测定测定第 1 跖骨头、第 2、3 跖骨头、第 4、5 跖骨头、足内侧弓、足外侧弓以及足跟 6 个压力峰值。受试者往返行走 5 次以上，通过数据采集测定压力分布峰值（表 1） 。表 1 足底各区压力分布（略）7注：组内各区压力峰值比较，均 P 值0.012.2 临床应用2.2.1 1 例膝关节损伤病人足底压力分析（1）病史介绍：患者，男，28 岁右股二头肌断裂 3 个月，查体：右股四头肌明显萎缩，膝关节活动受限，主动活动范围 60。股直肌、股内侧肌、股外侧肌肌力 3 级。 MRI 示右大腿股二头
11、肌陈旧性撕裂，继发肌纤维变性萎缩（表 2） 。2.2.2 1 例足下垂病人足底压力分析（1）病史介绍：患者，男，48 岁右胫腓骨中上 13 开放粉碎骨折于急诊手术行清创外固定支架固定，术中探查示右胫前肌、伸趾总肌、腓骨长短肌断裂，腓总神经挫伤。术后半年骨折愈合，外固定支架去除。查体：右小腿肌肉萎缩，右胫前肌、伸趾总肌、腓骨长短肌肌力 2级。右踝关节及足趾不能主动背伸，踝关节活动范围 30（表 3） 。8表 2 股二头肌断裂足底各区压力分布（略）注：组内各区压力峰值比较，均 P 值0.01表 3 足下垂足底各区压力分布（略）注：组内各区压力峰值比较，均 P 值0.013 讨论早在 1882 年,
12、Beely 使受试者站立于薄层沙子上，开始了足底应力分布的早期研究7 。Schwarts 和 Heath8设计出一个具有多个压力传感器的测试系统。近年来，人体负重力学越来越成为临床学者饶有兴趣的探索领域9 。为了探求人体助行带的生物力学原理，作者应用自主研制的微型压力传感器并组装成测力鞋对正常受试者与临床病人进行了动态负重实测。正常受试者测定结果表明：第 1 跖骨头（13.085.18）kg，第 2、3 跖骨头（ 7.9741.45）kg，第 4、5 跖骨头（8.871.65）kg，前足负重为 29.92 kg，占体重的 49%。足内侧弓负重（1.310.66）kg，足外侧弓负重（3.870.
13、91）kg，其中足内侧弓负重小于足外侧弓负重，中足负重为 5.18 kg，相当于体9重的 7%。后足负重为（ 26.814.12）kg，相当于体重的 44%，中足与后足共同承担体重的 51%。根据以上作者的测试结果可以看出，在受试者行走过程中，前足负重承担体重的 49%，中足与后足共同负担体重的 51%，这与国内外大多数学者所做出的结果是相近的10、11 。对于股二头肌断裂患者临床实测结果表明：第 1 跖骨头（7.410.77）kg，第 2、3 跖骨头（6.271.06）kg，第 4、5 跖骨头（7.830.82）kg，前足负重为 29.92 kg，占体重的 33%，较正常减少 17%。足内侧
14、弓负重（1.980.38）kg，足外侧弓负重（8.331.05）kg，中足负重为 10.31 kg，相当于体重的 16%。后足负重为（31.573.20）kg ，相当于体重的 51%，中足与后足共同承担体重的 67%。从以上测试结果进而分析，该患者由于股二头肌的损伤造成屈膝无力，临床观察到其在行走过程中表现出膝关节伸直足跟负重的被动“拖拽步态” 。从足底负重分布来看，在行走过程中由于股二头肌损伤，使前足负重明显减少，中后足负担过重，造成行走负重轴线的动态失衡，从而引发一系列病理改变。对于足下垂患者临床实测结果表明：第 1 跖骨头10（8.760.88）kg，第 2、3 跖骨头（22.461.2
15、8）kg，第 4、5跖骨头（8.250.66）kg，前足负重为 39.47 kg，占体重的 63%，较正常增加 14%。足内侧弓负重（1.660.41）kg，足外侧弓负重（5.120.88）kg，中足负重为 6.78 kg，相当于体重的 11%。后足负重为（15.981.97）kg ，相当于体重的 26%，中足与后足共同承担体重的 37%。足下垂内翻步态是临床骨科常见的异常步态之一。该患者小腿肌肉萎缩，右胫前肌与腓骨长肌肌力不足 3 级，不能形成良好的踏蹬作用，从而引发足底负重压力分布改变，出现足下垂内翻步态。从足底负重分布来看，在行走过程中由于足下垂，使前足负重明显增加，中后足负担过轻，足底
16、受力不均导致跛行及创伤性关节炎的发生。由以上结果可以看出，下肢骨科疾病的患者在行走中出现动态失衡，可引起足部负重的病理改变。通过足底压力的动态分析，为病理力学及临床治疗提供具有参考价值的生物力学评估。【参考文献】1 励建安 .脑卒中的步态异常和治疗对策J.中华全科医师杂志，2005,4（12）:715717.112 Holtzer R,Verghese J,Xue X,et al.Cognitive processes related to gait velocity:results from the Einstein aging studyJ.Neuropsychology,2006,20:215223.3 Gibbon CA,Krebs DE.Agerelated changes in lower tr
