步态研究中设备的选择十分关键,步态设备的性能发展会对足部生物力学研究产生极大的促进作用。人类于20世纪初期开始对步态产生兴趣,自1938年第一块测力板被用来探讨猫的步态以来,足底压力分布测试系统发展迅速。目前,具有世界先进水平的代表性的产品有:瑞士奇士乐(KISTLER)公司产的测力板;德国Novel公司产的Pedar鞋垫式足底压力测试系统;德国ADAM测力板;德国Zebris测力板;鞋垫式足底压力测试系统;美国Tekscan公司产的测力板及F-Scan鞋垫式足底压力测试系统;美国的AMTI生物力学测力板系统等。国内也进行了相关研究,研制了以下几套系统:1986年上海第九人民医院研制的S9-1型微机化的步态测试系统;1990年北京军区总医院研制的IGI-3型综合步态测试系统;中国科学院成都分院研制的TK-2型三维测力系统;1997年王军等研制的动态式足底压应力测试系统;2000年韦启航等研制的足底压力测量系统;2002年袁刚等研制的足底压力分布系统。目前,研究足底压力的测试系统,根据其测量基本原理,大致可分为以下几类:足印技术、直接形象化技术、力板测试技术、多负载单元测试技术和压力鞋与鞋垫测试技术。
测力平台是分析足部多角度运动分力的一个基础研究设备,步行时可以通过测力平台测试人体GRF的大小、方向和时间。测力平台一般平行设置在步行通道的中间,可以平行或前后放置,保证能够连续记录一个步行周期的压力。测力平台测定身体运动时的垂直力和剪力。垂直力是体重施加给测力平台的垂直应力,而剪力是肢体行进时产生的前后/左右方向的力,与运动学参数结合可以分析内力与肌肉、肌腱、韧带和关节所产生的力矩。
足底压力分布测力板主要用来测量足底的垂直压力,它分为平板式和鞋垫式两种。平板式可以直接测试鞋外底的压力分布。鞋垫式可以测试鞋腔内脚与鞋内底之间的压力。两者可以测定站立或步行时足底受力分布及重心移动的静态或动态变化情况。并根据测试结果对受试者步态进行分析,还能帮助设计合适的矫形鞋。足底压力分布测量目前已在临床医学、康复医学、生物力学、体育训练、工业和人机工程等方面广泛应用,体现了其极大的应用价值。
在临床医学方面,亚尔莫R.佩尔图宁(Jarmo R.Perttunen)等对严重胫骨骨折、伴有大面积软组织损伤手术后患者步态的对称性进行了评估分析。S·迈林(S·Meyring)等对偏瘫病人的动态足底压力进行了测试,并与正常人对比,探讨了评价偏瘫病人步态的客观、量化及可再现的标准。爱丽丝(Alice)等对帕金森病患者的步态中的足底压力进行了对比测试,探讨了足底压力分布情形。茱莉(Julie E.)等对糖尿病人的足底压力进行了分析,指出糖尿病人的峰值足底压力出现在同一区域,但不是同时出现,二者有一定的时间差。G.格拉万特(G.Gravante)等利用测力台,对肥胖的年轻人和相应正常人的足底压力进行了对比测量,指出虽然压力中心并未因肥胖而改变,但肥胖病人足底的接触面积和足底压力会大大升高。安东内拉(Antonella)等使用F-Scan Mat系统对糖尿病人的足底压力进行了对比测量,除足底压力升高可以预测糖尿病人的足部神经性溃疡,还发现了足底压力前后比例的升高可以预测脚的溃疡。AM.道林(AM Dowling)等通过青春期的13名肥胖儿童与13名正常儿童进行了对比研究,对肥胖儿童足结构和足底压力分布进行了探讨。C.贾科莫齐(C.Giacomozzi)等对糖尿病人的足底压力进行了测试,并通过体重进行了标准化处理,消除了体重对结果的影响。张伟等对拇外翻病人进行了静动态足底压力测定,并对单侧先天性髋关节脱位病人的动态足底压力进行了测定和分析。李长友等人对类风湿性关节炎病人足底板的生物力学进行了测定;吴汶阑对膝下截止患者的动态站立平衡进行分析;宫崎(Miyazaki)曾对骨性关节炎病人手术后,使用不同拐杖的情况进行了对比分析。(www.daowen.com)
在生物力学应用方面,吴剑和李建设对青年女性着高跟鞋平地行走时步态的生物力学进行了研究,指出青少年女性穿跟高在6.5cm以上的高跟鞋行走时,足底第一趾关节最大受力值是青少年女性穿球鞋行走时该点最大受力值的4倍,是青少年女性穿中跟鞋和松糕鞋行走是该点最大受力值的2倍;朱晓兰利用三维测力台,对127名正常老年人的步态能力进行了研究,初步建立了老年人步态特征评价系统;汤荣光利用Musgrave Footprint软件控制测力板,对正常人的足底静态和动态压力分布进行了测定;埃尔夫特曼(Elftman)和斯科特(Stott)对扁平足的纵弓进行了探讨;埃尔夫特曼(Elftman)和卡拉加纳(Caragna)用测力板得出了正常和异常步态期间病人重心的移动轨迹,研究了长跑运动员的足损伤机理;马奎特(Maquet)从生物力学的角度对膝关节的受力情形,进行了分析;埃莱夫塞里奥斯·凯利斯(Eleftherios Kellis)对学龄前儿童在赤足状态下,站立、行走和跳跃情形下的足底压力分布进行了测定;马修A.纳斯(Matthew A.Nurse)和本诺·米格(Benno Migg)利用冰作为介质,使足部感觉发生变化,对足底压力和肌肉活动的影响进行了研究。
足底压力的分布研究现在已被用于鞋的研制与开发、辅助改良鞋的设计和矫形鞋的设计、鞋垫的设计与开发、脚支撑的研制与开发、优化相关设计等诸多方面。G.布里苏埃拉(G.Brizuela)等对足球鞋的鞋底生物力学设计进行了研究,指出鞋底有15凸和14凸起的,在提高成绩和预防受伤方面,不如13凸起的效果好;M·J·米勒(M·J·Mueller)等对糖尿病和截肢患者穿着六种不同鞋子的效果进行了研究,研制了能够降低峰值压力的鞋具;莎腾(Shorten)将足底压力分布数据应用于运动鞋设计中去;山田(Yamada)初步对鞋和鞋垫材料降低糖尿病人足底压力的有效性进行了研究;尼斯卡(Nyska)对鞋对足底压力的效果进行了研究;迈克(McPoi)则对行走时鞋垫材料足底受力和压力的影响效果,进行了相关研究。
在体育训练应用方面,米科、维马维尔塔(Mikko Virmavirta)等对跳台滑雪起始阶段的足底压力进行了分析;埃里克·艾尔斯(Eric Eils)等对不同速度下滑雪中的足底压力分布进行了测试;莫洛克&尼格(Morlock&Nigg)指出,人体改善足部穿着可以降低足部伤害,同时也有助于改进足部受力的模型;克莱尔·珍妮(Claire Jeanne)和路易·塞耶斯(Louise Sneyers)等指出扁平足和弓形足在足部的压力分布情形,与正常足不同,这两种足型在跑步时容易受到伤害;克莱尔(Claire)等指出弓形足、正常足和扁平足,若足部各区如足压分布均匀,可以降低运动伤害,而足压平均的定义为最大压力和最小压力的范围越小越好;玛丽(Mary)指出如在足部某一部位,承受过大压力时,即易产生过度使用伤害。
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