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【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 clinical application of normal plantar pressure∥
HUANG Haijing,WANG Zhibin,JIN Hongbin.
Department of Traumatic Orthopedics,Orthopedic Institute,Tianjin Hospital,Tianjin,300211,China
Abstract：［Objective］To develop a minipressuresensor(MPS) for measurement of plantar pressure(PP) and to evaluate its clinical application.［Method］The MPS was installed in the shoes,and computer was used to accumulate and analyze the change of PP in whole walking stage.Pathologic changes of PP in clinical patients were also analyzed by MPS.［Result］In 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 changes of foot bearing.［Conclusion］Selfdeveloped 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23～58岁，平均33.7岁，体重56～72 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（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：0～1 000Hz。
图1微型压力传感器内部构造（略）
图2测量电桥（略）
图3动态信号采集系统示意图（略）
1.2.3 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
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3～4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。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）
注：组内各区压力峰值比较，均P值＜0.01
2.2 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1／3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）。
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＜0.01
3 讨论
早在1882年,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Heath〔8〕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（13.08±5.18）kg，第2、3跖骨头（7.974±1.45）kg，第4、5跖骨头（8.87±1.65）kg，前足负重为29.92 kg，占体重的49%。足内侧弓负重（1.31±0.66）kg，足外侧弓负重（3.87±0.91）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，相当于体重的7%。后足负重为（26.81±4.12）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（7.41±0.77）kg，第2、3跖骨头（6.27±1.06）kg，第4、5跖骨头（7.83±0.82）kg，前足负重为29.92 kg，占体重的33%，较正常减少17%。足内侧弓负重（1.98±0.38）kg，足外侧弓负重（8.33±1.05）kg，中足负重为10.31 kg，相当于体重的16%。后足负重为（31.57±3.20）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（8.76±0.88）kg，第2、3跖骨头（22.46±1.28）kg，第4、5跖骨头（8.25±0.66）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（1.66±0.41）kg，足外侧弓负重（5.12±0.88）kg，中足负重为6.78 kg，相当于体重的11%。后足负重为（15.98±1.97）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。
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作者单位：天津市天津医院创伤骨科；天津市天津医院骨科研究所，天津 300211