ACF鞋垫在扁平足患者中的研究

任庭杰1，2，陈扬[1]*，陈国强1，陈铭璁4，王博伟3，王小刚5，习会峰6，黄世清6，黄治官7

【摘要】健康的足内侧弓在人们的日常生活中扮演着重要的角色，可以帮助正常行走、跳跃、奔跑，使我们不受地面的反作用力受到伤害，提供保护作用，因此足弓对人类至关重要。足弓高可以提供较大的弹性，适合跳跃并能缓冲震荡，而足弓低弹性较差，就可能会受到地面对脚的冲击，导致运动生物力学改变引起疼痛，成了我们最常见的的足部疾病——扁平足。由于扁平足患者往往伴有下肢生物力线改变，因此鞋垫往往是针对其发病机制进行治疗的，使用优质的鞋垫主要通过鞋垫的结构形状或材料特性，提高和恢复足弓的正确支撑，通过更正人们日常生活行走或者运动中下肢足部各部位的受力特点，重新对下肢足弓受力分布进行划分，改善足部结构。ACF是基于仿生学的原理，模仿人的软骨组织制作的材料，能够吸收绝大部分的冲击力。本文综述了扁平足发病机制及ACF治疗鞋垫材料优势。此外概述了近几年来矫正鞋垫材料使用的最新发展，以突出ACF作为材料应用矫正鞋垫的优越性。

【关键词】扁平足；人工软骨仿生材料；矫正鞋垫；运动生物力学；畸形

引言：足是人体日常行走功能的重要组成部分，若足部受伤或感染疾病时，足部的健康问题不仅会影响正常生活，更会影响人们的自信心，因此足部问题被越来越多人关注。而在这之中扁平足是一种容易被人忽视的疾病，他好发于年轻人，若不及时治疗，会随着年龄的增长而逐渐加重，影响儿童未来的发育，给身体健康有着不良的影响。

当病人长期行走或过度活动, 也会造成关节及足底部软组织的发炎。扁平足的人因缺乏足弓支撑，可造成双下肢及脊椎侧弯，再加上受到压力不均的影响, 走路时足部会自然的向内旋转，造成关节两侧韧带受到不一样张力引起膝盖内弯。[1]不仅如此，当患者长期站立、行走或跑跳时，由于没有良好足弓支撑，无法起到缓冲的作用，病人的内脏器官及脑部无法免于震荡。长年累月下来便会引起足、腿、腰、膝、颈等容易疲劳和疼痛。

治疗方式目前包括保守治疗和手术治疗，手术虽然可以彻底解决畸形带来的问题，但保守治疗更受年轻人喜爱，如矫形鞋垫。脚型鞋垫的优点在于使用接受度高、方便、无痛、不需要住院手术就可以缓解疼痛，改善下肢力线，同时成品鞋垫的价格较低，大部分患者可以接受。 相比之下，手术治疗一步到位但费用相比于鞋垫要更加昂贵，治疗时间长，存在许多风险，因此大多数情况下患者通常会选择矫形鞋垫进行矫正治疗[2]

2.扁平足矫形鞋垫的原理及制作

2.1作用原理

矫形鞋垫的治疗是根据扁平足发病机制来应对的，通过矫正扁平足患者足部的异常畸形，来改善患者下肢力线。异常的外旋和外翻会影响足踝关节的稳定性并在运动时使下肢受累，导致生物力线偏离，造成不正常的运动和碰撞并引起局部组织水肿和炎症，诱发疼痛和姿势异常[3]

2.2设计制作

通过对MRI数据的后处理创建定制的3D鞋垫原型，并通过3D打印机技术进行打印。MRI图像用于3D扫描，用于制作TFD的3D夹板。临床随访采用AOFAS（美国骨科足踝协会评分）和FHSQ（足部健康状况问卷）。将患者的MRI图像导入Mimics软件，以便使用图像处理创建3D模型。因此，基于3D打印技术的患者专用3D定制硅胶矫正鞋垫应运而生。鞋垫可按标准尺寸预制或定制生产。与预制鞋垫相比，定制鞋垫更适合患者的足底结构，更适合患者的足部。此外，它通过减少损伤来增加病人的舒适度，而且比预制制品更有效。定制足部矫形鞋垫，定义为黄金标准，可以使用CAD、CAM和3D扫描生产。在这方面，患者特异性足部假体可以通过3D打印制造出来[4]

2.3材料选择

常见扁平足矫形鞋垫的材料包括热塑性弹性体（TPE）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、乙烯醋酸乙烯酯（EVA）等[4]有研究表明，增加鞋垫的质地同时也会增加足底的感觉，从而增加姿势稳定性,其中，目前选择的缓冲材料制作矫正鞋是毫无疑问的，如某些疾病如糖尿病足中，其鞋垫的宗旨在于重新分配足底负荷，以减少足底压力是主要治疗目标之一[6]

2.4材料对比

2.4.1低中密度聚氨酯鞋垫

Healyetal[7]等人研究了4种不同材料，分别为低密度聚氨酯、中密度聚氨酯、低密度EVA、中密度EVA与普通鞋垫在跑步机上行走时候的峰值压力和峰值力，并将脚定义为六个部分，以评估鞋垫材料及密度对足底压力峰值的影响，发现与对照（即仅鞋）条件相比，无论何种的PU均可降低足底所有区域的峰值压力和峰值力。其中最大的降低发生在跖骨下部。低密度PU可大幅降低峰值压力和峰值力，而中密度PU也中等程度的降低峰值压力和峰值力。

2.4.2 EVA材料鞋垫

另两项报告[7][8]探讨了有关EVA为材料的鞋垫性能，均为3mm鞋垫，其中Healyetal[7]的研究报告研究了中低密度的EVA，研究结果表明：与仅穿鞋相比，所有材料都能有效地显著降低中、外侧跟处的峰值压力且能减少了外侧跖骨、内侧和外侧跟处的整体压力时间，但在外侧跖骨区域的峰值压力方面，只有中密度EVA无法降低导致中密度EVA组的站立阶段持续时间显著少于低密度EVA组(0.70±0.03 s vs. 0.71±0.03 s)，并且中密度EVA在跖外侧区域及脚跟内侧比低密度EVA和所有PU组产生更大的峰值力，与低密度EVA组相比，中密度EVA组的的股骨/胫骨内收运动幅度明显更小，仅对照组的前足/后足旋后运动幅度小于中密度EVA组。

本文综述中的实验人群均为正常健康人作为实验者，因此研究结果得不到推广到相应疾病患者的人群当中，其次样本量不足，这可能导致很难检测到有实际效果的临床结果。并且长时间和材料活性磨损材料而退化的影响鞋垫缓冲效果还没有得到充分的研究。

目前市面上较常见的缓震材料有EVA、ACF人工软骨仿生材料、保利优、纯AosoLite，这几种材料都被普遍应用于鞋垫行业。而在这几种材料当中，人工仿生软骨材料正不断受到人们的关注。

根据陈润峰[9]及其团队对人工软骨仿生材料垫片和传统缓冲垫片进行了对比，为了研究ACF垫片与传统垫片在缓冲性能上的差距，结果表明人工软骨仿生材料在相同条件下对比传统的EVA、石墨、聚氨酯材料，减拥更小加速度峰值，同时延长加速度时间和缓冲性能比传统材料更好，并且也具有更强的稳定性。适用于扁平足患者长期维持并减少足部的压力，使没有足弓的扁平足患者，更好的吸收地面对足的负荷，达到缓冲减震的效果。

杜晓宁[10]等通过测量扁平足患者足底压力参数的分布规律，比较扁平足与正常足的足底压力及步态特征对扁平足和正常足的步态特征进行了研究分析。结果表明：正常足弓、前掌所受冲量占全掌比例均小于扁平足；而后跟所受冲量占全掌比例大于扁平足。扁平足患者相对于正常人，前掌所受冲量比例大于正常人，而承重的后跟却小于正常足，改变了足底压力分布，使压力落到了次要的承重点上，因此对于治疗鞋垫，改变足底压力分布也是治疗项目的一环。

根据黄治官[11]及其团队对ACF羽毛球鞋垫的研究，通过ACF材料制作的羽毛球鞋垫与普通鞋垫相比较，足底足中足区的最大力值和最大压力值都要更少。因此当患者脚穿ACF为材料的鞋垫时候，只要根据扁平足患者制作相应形状的鞋垫，便可以将重力线由中部向后移，使重力线回到足跟，减轻中部压迫，最大程度地减轻足弓压力。

除此之外，黄治官[24]及其团队对ACF材料制作的羽毛球鞋垫的研究表明，通过ACF材料制作而成的鞋垫，在进行羽毛球的跨步及顶球动作时，可以通过改变膝关节与踝关节垂直方向的受力，减少并降低关节功率减少关节内力，减小膝关节和踝关节在运动时的压力，使身穿ACF羽毛球鞋垫的人运动时能够有效保护膝关节和踝关节，减少关节损伤的发生。这一点可以应用于改善由扁平足带来的身体立线偏移所引起的脊椎侧弯、关节炎等其他疾病。

因此我们可以认为综上可见，与普通材料制作的矫正鞋垫相比，ACF材料所制作而成的鞋垫能在扁平足患者穿着时改善足底压力分布、改善下肢力线、改变足—地接触角度以及负重点，减少不正常姿态带来的身体损伤。

3结论与展望

矫形鞋垫作为一种安全的治疗手段，已被广泛用于临床柔性扁平足的治疗。关于矫形鞋垫的原理以及设计制作已有较多的研究作为理论支撑，且现有研究已证实了扁平足矫形鞋垫在穿着过程中对人体步态及足底压力起着改善作用，但矫形鞋垫的长期作用效果还不明确；目前在研究中将ACF材料纳入制作材料具有巨大的潜力和优势，相对于普通的传统材料，可以利用其吸能结构吸收90%以上的冲击力，最大限度保护扁平足患者足部不受损害，使扁平足患者在穿着ACF鞋垫过程中对人体步态、足底压力及下肢力线起着改善作用。综上，目前运用ACF材料制作矫形鞋垫对柔性扁平足进行长期治疗的研究尚未形成统一的结论，尤其是国内在定制鞋垫领域的研究还不够深入，利用ACF材料结合矫形鞋垫生产将会是今后扁平足矫形鞋垫的发展方向，未来期待更深入全面的研究以促进我国柔性扁平足矫形鞋垫的发展

参考文献

[1]吴立军,钟世镇,李义凯,赵卫东.扁平足第二跖纵弓疲劳损伤的生物力学机制[J].中华医学杂志,2004(12):34-38.

[2]刘梦媛,刘浩,晏诗阳,等.扁平足矫形鞋垫的研究进展[J].皮革科学与工程,2021,(2):54-61.

[3]Watanabe,Kota,et al."Posterior tibial tendon dysfunction and flatfoot:analysis with simulated walking."Gait&posture 37.2(2013):264-268.

[4]Yildiz,Kadri,et al."Triad of foot deformities and its conservative treatment:With a 3D customized insole."Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part H:Journal of Engineering in Medicine 235.7(2021):780-791.

[5]刘梦媛,刘浩,晏诗阳,等.扁平足矫形鞋垫的研究进展[J].皮革科学与工程,2021,(2):54-61.

[6]Iglesias,Marta Elena Losa,Ricardo Becerro de Bengoa Vallejo,and Domingo Palacios Peña."Impact of soft and hard insole density on postural stability in older adults."Geriatric Nursing 33.4(2012):264-271.

[7]Healy A,Dunning D N,Chockalingam N.Effect of insole material on lower limb kinematics and plantar pressures during treadmill walking[J].Prosthetics and orthotics international,2012,36(1):53-62.

[8]McCormick C J,Bonanno D R,Landorf K B.The effect of customised and sham foot orthoses on plantar pressures[J].Journal of Foot and Ankle Research,2013,6(1):1-14.

[9]陈润峰,石庚辰,张力,邱强强,魏雪霞.人工软骨仿生材料在引信缓冲中的应用[J].探测与控制学报,2020,42(06):8-12.

[10]杜晓宁,赵晓哲,张欣.正常足与扁平足的足底压力及步态特征[J].中国组织工程研究与临床康复,2008,12(46):9058-9061.

[11]黄治官,王博伟.ACF 羽毛球鞋垫研发报告.

基金项目：广东省3D骨科仿生转化医学工程技术研究中心(粤科函产字[2020]141号)；佛山市骨科3D数字化精准仿生转化医学工程技术研究中心（佛科[2019]125号）

通讯作者：陈扬，E-mail：[e-mail]

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