儿童倒走足底压力的分布特征研究

儿童倒走足底压力的分布特征研究（精选5篇）

儿童倒走足底压力的分布特征研究 第1篇

儿童倒走足底压力的分布特征研究

为探讨倒走锻炼相对于正常向前行走在足底压力分布方面的特征,对12名健康男性小学生正,倒走足底压力分布进行采集.然后对足底10个区的最大压力和冲量进行分析.结果表明,儿童正,倒走足底压力分布差异明显.与正走相比,倒走时足弓、第4,5趾骨区的压力均变为较高压力区域,而大拇指、第1,2趾骨区变为较低压力区域.该结果提示,倒走足底压力分布特征可能是倒走所具有的`锻炼、康复特殊效果主要原因之一.

作 者：郝卫亚 陈严 胡水清 HAO Weiya CHEN Yan HU Shuiqing  作者单位：郝卫亚,胡水清,HAO Weiya,HU Shuiqing(国家体育总局体育科学研究所,北京,100061)

陈严,CHEN Yan(国家体育总局体育科学研究所,北京,100061;广东省体育科学研究所,广州,510663)

刊 名：力学与实践  ISTIC PKU英文刊名：MECHANICS IN ENGINEERING 年，卷(期)： 30(3) 分类号：O3 关键词：儿童   倒走   足底压力   足   生物力学  

儿童倒走足底压力的分布特征研究 第2篇

随着人们生活水平不断提高和生活习惯的改变, 超重和肥胖已经成为一种流行病, 尤其是近年来, 青年男性肥胖的人越来越多, 所以肥胖已经成为一个大家关注的重要课题。肥胖与大量的健康问题有关, 如高血脂、高血压和糖尿病[1]。由于肥胖可能会造成骨骼肌肉系统负荷过大, 所以它还与一些骨科疾病相关。

有研究表明, 与正常成年人相比, 肥胖成年人在行走过程中的足底压力[2]、足的结构[3]和足的力学[4]等方面, 都存在很大的差异。

还有报道指出, 肥胖成年人在时空参数上与正常成年人也是有差异的, 比如, 行走速度、频率、步长、支撑期和摆动期都和正常的成年人不同[3]。

关于老人和肥胖儿童足底压力及步态分析的研究很多, 但是肥胖青年男性这方面的研究较少。因此, 本研究利用平板式足底压力测试系统, 获得60名BMI (体重指数, body mass index) 不同的青年男性赤足自然行走时的足底压力参数, 旨在探讨BMI对青年男性动态足底压力分布的影响。

1 研究对象和方法

1.1 测试对象

测试对象为60名BMI不同的青年男性大学生, 根据测试对象BMI的不同, 按照中国肥胖工作组所指定的BMI的分类标准分为四组, BMI<18.5为偏瘦组, 18.5BMI<24为正常组, 24BMI<28为超重组, BMI≥28为肥胖组。要求所有受试者的足部无畸形、外伤史、步态异常等情况, 受试者的基本情况如表1所示。

1.2 试验仪器

本试验使用的设备是比利时生产的足底压力平板测试系统 (Footscan 7 USB 2 gait system) , 采样频率为500Hz, 该系统由一个测力平板及相对应的软件组成。该测力平板的面积为40cm50cm, 其中每cm2有4个传感器, 设备共有4096个传感器。

1.3 研究方法

1.3.1 测试方法

测试前要求受试者赤足在跑道上自然行走, 以便能够适应试验环境, 避免不必要误差的产生, 并对所有的受试者讲解该试验应注意的事项。测试时, 让测试者跟随伴随者的速度进行常速自然行走, 以确保行走速率一致, 每个人测量6次, 左右脚各测试3次, 最后数据取3次的平均值进行分析。

1.3.2 试验数据处理方法

本研究利用足底压力平板测试系统配套的软件对数据进行采集和分析, 并结合Excel2007对所有数据进行统计与记录, 分析峰值压力、峰值压强、冲量、负载率等足底压力参数, 利用SPSS17.0分析足底压力分布的各种数据, 即用T检验对差异性进行分析和Pearson相关性分析BMI与足底压力各项参数的相关性。

足底各区域分别为第1趾骨 (T1) 、第2~5趾骨 (T2~5) 、第1跖骨 (M 1) 、第2跖骨 (M2) 、第3跖骨 (M3) 、第4跖骨 (M4) 、第5跖骨 (M5) 、足弓 (MF) 、足跟外侧 (HL) 和足跟内侧 (HM) 。见图1。

1.4 测试指标

本研究分析测试的参数指标如下:

(1) 支撑时相各阶段分期时间占比 (%) 。行走属于一种周期性的位移运动, 一个步态周期可以分为摆动时相和支撑时相, 本研究将支撑时相分为足跟着地阶段、足支撑阶段、足蹬伸阶段3个分期。为了消除各位受试者支撑绝对时间对分析结果的影响, 支撑时相各个阶段分期时间使用百分比表示。

(2) 偏瘦组、正常组、超重组和肥胖组的左右足的足底各分区的峰值压强 (N/cm2) 。

(3) 偏瘦组、正常组、超重组和肥胖组足底前掌、足弓和后跟3个区域所受冲量占全足的百分比 (%) 。

(4) 足底前掌 (forefoot) 、足弓 (mid-foot) 和后跟 (rear-foot) 3个区域的接触面积占比 (%) 及负载率 (Ncm-2s-1) 。

2 结果与讨论

2.1 支撑时相各阶段分期时间及其与BMI的关系

左右脚各组别支撑时相各阶段分期时间占比如表2所示。

根据表2数据分析, 得到足底峰值压强与BMI的关系, 见表3。

通过对表2、表3分析发现, BMI与足跟着地阶段分期时间占比呈负相关, 与足弓支撑阶段分期时间占比呈显著负相关, 且肥胖组的支撑阶段分期时间占比较BMI较小的其他组小 (相对时间比较短) , 说明肥胖男性青年在行走过程中的足跟着地阶段所受到的冲击力不能得到很好地缓冲, 故容易对足部造成较大的冲击而导致扁平足等足部疾病。

同时, 肥胖青年前掌蹬伸阶段的时间占比较大, 其主要原因是由于体重过大, 需要相对更长的蹬伸时间来给人体前行提供动力, 预防身体倾斜跌倒。

%

*:P<0.05, 在0.05水平上显著相关;**:P<0.01, 在0.01水平上显著相关。

注:同表3。

2.2 足底峰值压强及其与BMI的关系

偏瘦组、正常组、超重组和肥胖组的左右足的足底各分区的峰值压强数据如图2、图3所示。

根据图2、图3数据分析, 得到足底峰值压强与BMI的关系, 见表4。

从表4中可以看出:左足的T 2~5、M 3、H M、H L和右足的T2~5、M5、MF、HL的峰值压强与BMI呈弱相关 (P>0.05) ;左足的T1、M1、M4、MF和右足的M1、M 2、M 3、M 4、H M的峰值压强与BMI呈显著相关 (P<0.05) ;左足的M2、M5及右足T1的峰值压强和B M I呈高度显著相关 (P<0.01) 。

足底压强是指足底单位面积所承受力的大小, 它是研究避免足底各个区域的相关组织承受过大压力而引起足部伤害的重要指标。

研究表明, 如果足部的某一部位承受的压力过大时, 易产生疲劳损伤。往往足底某一部位的峰值压强过大时, 会引起脚功能和结构的改变[5]。

在本研究中, 肥胖青年男性足底各区域的峰值压强明显大于正常青年和偏瘦青年, 表明BMI大的男性青年足底各区域受到的冲击力较大, 长期如此, 会导致行走时受力不均、稳定性差, 甚至会改变行走时的姿势, 引起各种足部疾病。

同时, 左右足足底的M 2、M3、M4区域所受到的冲击力与BM呈显著正相关性 (P<0.05) , 表明这几个部位是冲击性负荷的主要承受部位。由于跖骨部位由一些细小的骨头和韧带组成, 比较脆弱, 因此BMI大的青年男性的这些部位容易受到损伤和感觉到疲劳。

%

%

注:同表3。

2.3 足底各区域冲量占比及其与BMI的关系

冲量是描述在一段时间内力对足底各区域的作用效果的积累的物理量。左右足的足底各区域所受冲量占全足的百分比分别如表5、表6所示。

根据表5、表6数据分析, 得到各区域所受冲量百分比与BMI的关系, 见表7。

从表7可以看出, 左足的足跟部位的冲量占比与BMI呈弱的负相关, 而右足的足跟部位的冲量占比与BMI呈高度显著负相关 (P<0.01) , 左右足的足弓部位和右足的前掌的冲量占比都与BMI呈显著相关性 (P<0.05) , 左足的前掌的冲量占比与BMI呈弱的正相关 (P>0.05) 。

从表5~表7可以看出, 前掌和足弓部位的冲量占比与BMI呈正相关, 即随着BMI的增加, 前掌和足弓部位的冲量增加。

由此表明, 肥胖青年在行走过程中前掌和足弓部位受到的冲击比较大, 易受到损伤, 所以肥胖青年男性在日常活动中应注意休息, 防止运动过度所造成的足底相关部位和下肢关节的损伤。

2.4 足底各区域接触面积占比及其与BMI的关系

足底接触面积反映了足与地面接触面积大小及受力的位置点, 故其对于足底压力的研究有着重要的作用。左右足的足底各区域接触面积占比分别如表8、表9所示。

根据表8、表9数据分析, 得到足底各区域接触面积占比与BMI的相关性, 见表10。

从表10中可以得出, 左足的足跟和足弓部位的接触面积占比与BMI呈弱的正相关 (P>0.05) , 然而左足的前掌部位的接触面积占比与BMI呈负相关;右足的足跟部位的接触面积占比与BMI呈显著的正相关性 (P<0.05) , 右足的足弓部位的接触面积占比与BMI呈高度显著相关 (P<0.01) , 右足的前掌部位的接触面积占比与BMI呈显著负相关 (P<0.05) 。

以上分析可以看出, 足跟和足弓部位的接触面积占比与BMI呈正相关, 即随着BMI的增加, 足跟和足弓的接触面积逐渐增大, 因此在行走过程中容易产生疲劳。同时, 足弓容易发生病变, 例如扁平足等。

BMI较大人群足弓的接触面积增大的主要原因是, 为了维持行走、站立等各种姿势, 其足弓被过重的身体负荷所压迫, 导致其足弓被压平。

2.5 足底各区域负载率及其与BMI的关系

负载率即压强随时间的变化率, 是描述在一定时间内某部位压强随时间变化的快慢, 负载率越大, 表明足部越容易受到损伤[6]。左右足的足底各区域负载率分布分别如表11、表12所示。

根据表11、表12数据分析, 得到足底各区域负载率与BMI的相关性, 见表13。

从表13中可以看出, 左足的T2~5、M2、M3、M4、M5、HM及右足的T2~5、M1、M2、M3、M 4、M 5、H M的负载率和B M I呈弱的正相关 (P>0.05) , 左足的T 1、M 1部位的负载率和B M I呈显著正相关 (P<0.05) , 左足的足跟外侧及右足的T1、HM、HL的负载率与BMI呈弱的负相关 (P>0.05) 。

由以上分析可以看出, 偏瘦组、正常组、超重组、肥胖组这4个组中负载率最大的部位都在足跟部位, 最小的部位都在T2~5, 除了T1、HM和HL外, 足底的各个区域的压强变化率都与BMI呈弱的正相关, 即随着BMI的增加, 负载率增大, 足底区域更容易受到伤害。说明随着肥胖程度的增加, 人体运动的平衡协调能力却在下降。

%

%

注:同表3。

Ncm-2s-1

Ncm-2s-1

注:同表3。

3 结论

通过本研究得出如下结论:

(1) BMI大的青年男性的跖骨部位受的冲击比较大, 易疲劳。

(2) 在行走过程中, BMI大的青年男性足底所受到的冲击力不能得到很好地缓冲, 稳定性比较差。

(3) 在行走过程中, BMI大的青年男性需更长的时间来维持身体的平衡与稳定性, 前掌和足弓部位受到的冲击力比较大, 易受到损伤。

参考文献

[1]Must A, Spadano J, Coakley E H et al.The disease burden associated with overweight and obesity[J].JAMA, 1999, 282:1523-1529

[2]Riddiford-Harland D L, Steele J R, Storlien L H.Does obesity influence foot structure in prepubescent children[J].Int J Obes Relat Metab Disord, 2000, 24:541-544

[3]Messier S P, Davies A B, Moore D T, et al.Severe obesity:effects on foot mechanics d u r i n g w a l k i n g[J].F o o t&A n k l e International, 1994, 15:29-34

[4]Spyropoulos P, Pisciotta J C, Pavlou K N, et al.Biomechanical gait analyzed i n o b e s e m e n[J].A r c h P h y s M e d Rehabil, 1991, 72:1065-107

[5]Giacomozzi C, Macellari V, Leardini A, et al.Integrated pressure Force kinematics measuring system for the characterization of plantar foot loading during locomotion[J].Med Biol Eng Comp, 2000, 38:156-163

儿童倒走足底压力的分布特征研究 第3篇

关键词：脚型结构,足底压力,青年女性,鞋类舒适性

1 前言

鞋具有悠久的历史,鞋文化反映了人类文明的发展。随着社会生活水平的提高,人类健康意识的加强,现代社会人类在追求鞋类独特外观和保护功能的同时,越来越关注鞋的穿着舒适性及保健功能。更高的舒适性将是未来鞋类设计制作的发展趋势和关注重点。

鞋的舒适性跟鞋楦与脚型的相似性有着密切关系,鞋楦设计是以脚型数据为基础的设计,鞋楦设计的好坏直接影响到成鞋的款式和舒适性能[1]。根据足底压力的大小和分布状况进行的鞋底设计能够更好的增加鞋的稳定性、减震性等性能,从而更够好地满足人们对鞋类舒适性的要求[2]。

我国第一次的全国性大规模脚型调查是在1965至1968年的三年期间,并在此调查结果的基础上制定了《中国鞋楦与鞋号的标准》,但受当时科学技术的影响,测量主要采用人工测量的方式,误差较大。从1998年开始至2011年,有学者分别对我国畲族、侗族、苗族等6个少数名族的青少年脚型进行了脚长、脚宽的调查研究,分析了各族青少年脚型的增长规律[3~8]。国内关于脚型的研究大多只单纯的对脚长、脚宽进行了分析,对于脚型结构特征及脚型差异的研究较少。国外Krauss I[9]等在对不同性别的脚型进行测量分析后指出,男、女脚型之间存在着性别性差异。A Anil[10]等指出,不同地区种族的脚型之间存在着显著差异,在进出口鞋类制作中应该加以重视。

近年来,足底压力的研究在国内外受到了越来越多的关注,张庆来[11]等探讨了职业对足底压力分布的影响,指出脑力劳动者和体力劳动者足底压力分布测量各参数间均存在不同程度的差异。Lee Yung-Hui[12]等对10名健康女性足底压力进行了研究,探讨了使用鞋垫和增加鞋跟高度对行走过程中足底压力、冲击力及舒适性的影响。Snow RE[13]等通过对女性穿高跟时足底压力分布的分析指出,随着高跟鞋高度的增加,前脚掌最大压力峰值增大,达到最大压力峰值的时间减少,前脚掌区域随之负荷加大,并指出穿高跟鞋行走时足底压力的增大会使足部的骨骼发生有害的变化。

目前,对于中国当代青年女性足部的分析研究较少,其中专门针对中国当代青年女性脚型结构特点及足底压力的研究更是微乎其微,并且关于脚型的研究多为调查分析的形式,缺少准确的测量过程。因此,本文采用三维扫描仪和足底压力测试系统分别对中国当代青年女性的脚型及足底压力分布进行测量,这有助于更准确的分析该群体的脚型结构特点和足底压力分布特点,为设计和制作出舒适度更高、更符合人机工学的青年女鞋提供数据参考。

2 研究方法与过程

2.1 实验方法

2.1.1 实验对象

受试者为没有明显行走障碍或者功能性下肢疾病的18~27岁之间的当代青年女性,测试总人数为35人,有效数据34例。所有受试者均已签署自愿参与测试协议。

2.1.2 实验仪器

主要实验仪器:Infoot三维扫描仪(日本,I-Ware Lab,IFU-S-01,见图1);Footscan®平板式足底压力测量分析系统(比利时Rscan公司研发,见图2)。

2.3 数据处理

采用Delcam powershape三维软件对扫描得到的足部图像进行包括脚长、跖趾围长、基本宽度、第一跖趾位置、腰窝位置、兜跟围长、拇趾高度、拇趾偏移角度等13个足部特征部位数据的测量,通过Footscan足底压力测试分析系统导出足底10个区域(压力分区见图3)的压力峰值、压强峰值和冲量数据,通过Excel电子表格对相关数据进行整理、采用SPSS17.0对数据进行相关性分析、回归分析、T检验等相关分析。

3 结果与讨论

3.1 脚型结构特点

3.1.1 脚长向结构

脚长向参数包括脚长、小指端点位置、第一跖趾位置、第五跖趾位置和腰窝位置。各特征部位长度指后跟凸点到该特征部位的长度。

1)p<0.01

1)p<0.01

1)p<0.01

表1为脚长方向上各特征部位长度与脚长的百分比关系,以及他们之间的相关性。从表中可以看出,脚长方向上各特征部位的长度与脚长有着非常强的正向线性相关关系(p<0.01),脚长越长,相应的各特征部位也越长。这种强烈的相关性这里简单的以百分比关系来表示。本文中所有受试者的脚长平均值为229.34 mm,为了与目前公认的230mm的中间鞋号脚长更好的保持一致,以便与全国中等型号脚型规律[14]进行比较,表1给出了相对于230 mm脚长时的各长度部位百分比系数。由表1最后两列可以看出,同为230 mm脚长时,当代青年女性脚长方向上小趾端点、第一跖趾、第五跖趾、腰窝等特征部位长度与脚长的百分比系数分别是83.19%、73.90%、63.79%、43.97%,与全国成年人脚型规律统计得到的相应数据相比较大,但两者之间的差异较小。

3.1.2 围度向结构

围度向参数包括跖趾围长、前跗骨围长以及兜跟围长。跖趾围度是判断脚肥瘦型的重要依据,前跗骨围度是脚背高度的重要指参数,兜跟围对于鞋的穿脱性和跟脚性有着重要影响。

表2为各特征部位围度与跖趾围长的百分比关系,以及他们之间的相关性。从表中可以看出,同为围度方向的前跗骨围长和兜跟围长与跖趾围长之间具有非常显著的正线性相关关系。其中,实验得到的230 mm脚长时前跗骨围长与跖趾围长相比较得到的百分比系数为99.27%,与全国成年人脚型规律的100%接近。而兜跟围长是跖趾围长的133.96%,与全国成年人脚型规律数据相比较大。

3.1.3 高度向结构

高度向是指各特征部位到脚底平面的垂直方向,这里的外踝骨高度取的是外踝骨中心与脚底平面间的垂直距离。

表3为各特征部位高度与脚长的百分比关系,以及他们之间的相关性。从表中可以看出,足部各特征部位高度与脚长有一定的正线性相关关关系,但彼此之间线性相关性较弱。除了外踝骨高度与脚长有着显著线性相关关系之外,拇趾高度及第一跖趾高度与脚长之间无明显相关性。实验结果与全国农村成年女子(无全国成年人统计数据)中等脚型数据进行比较,拇趾高度与第一跖趾高度均小于全国脚型数据,而外踝骨高度则大于全国脚型数据,且差异较大。

3.1.4 基本宽度与跖趾围长的关系

基本宽度反映的是脚底轮廓的基本宽度,基本宽度与跖趾围长之间线性相关性非常明显(r=0.948>0.8)。实验测得的基本宽度与跖趾围长相比得到的230 mm脚长时的基本宽度系数为40.23%,与全国成年人脚型规律中的40.30%相差较小。可见,基本宽度系数是一个相对较为稳定的特征系数。

3.1.5 脚长与跖趾围长的关系

脚长与跖趾围长分别为脚长向和围度向上的主要特征数据,他们既都是主要特征,又不在同一方向上,因此他们之间的关系不能简单的以比例关系来表示。对脚长与跖趾围长进行回归分析,利用常数项估计值和回归系数估计值可以得出跖趾围长Y关于脚长X的回归方程为:

跖趾围长=98.264+0.525脚长

由上述回归方程可知,当代青年女性的脚长越长,跖趾围长也越长,脚长每增加10 mm,跖趾围长增加5.25 mm。这一结果与目前的脚型尺寸系列中脚长每增加10 mm,跖趾围长增加7 mm的等差标准有所差异。这种差异再次表明,当代青年女性的脚型结构特点与之前统计的全国成年人脚型结构之间存在一定的差异,对特定人群脚型结构特点分类进行统计分析有利于更准确的设计出与脚型结构相符的鞋楦和鞋靴。

3.1.6 拇趾偏移角

34名受试者的拇趾偏移角平均值为12.80°±4.78°,其中最大偏移角为23.38°,最小偏移角只有4.85°,受试者拇趾偏移角间差距较大,且与其他特征值相关性不大,没有特定的规律。

3.2 足底压力分布

测试所采用的足底压力值为受试者裸足自然行走时的压力值,即足-地界面之间的相互作用。

3.2.1 足底各分区压力峰值(Max F)

表4显示的是足底各分区压力的峰值,结果显示,当代青年女性裸足行走时的最大压力峰值出现在足跟内侧,压力峰值较大的区域为足跟内外侧区域、足弓区域和前掌第二跖趾和第三跖趾区,而第二趾到第五趾区域和第五跖趾区域压力峰值最小。可见,在行走过程中后跟和前掌第二、第三跖趾在行走过程中承受的压力最大,是行走时的主要支持和受力区域。

3.2.2 足底各分区压强峰值(Max P)

从表5中的实验结果可以看出,前掌第二跖趾、第三跖趾、第四跖趾区域和足跟内外侧区域的压强峰值较大,第二趾到第五趾区域和足弓区域的压强峰值较小。与峰值压力的结果进行比较可知,足弓区域虽然受到的压力较大,但其触地面积也较大,因此该区域受到的压强较小。

3.2.3 足底各分区压力-时间积分(Impulse)

表6显示的是足底各分区压力-时间积分值,当代青年女性裸足行走时足跟区域、足弓区域和前掌第二、第三跖趾区域的压力时间积分较大,第二趾到第五趾区域和第五跖趾区域的压力时间积分较小,这一结果与足底各分区峰值压力表中的结果一致。这是因为冲量是压力对时间积分的结果,时间相同的情况下,压力越大,冲量也越大。

1)p<0.05;2)p<0.01

3.2.4 双脚足底各分区压力分布比较

表7中对当代青年女性足底峰值压力进行了左右脚配对T检验,从表中可以看出,除了第二趾到第五趾区域和第四跖趾区域外,其他区域压力峰值左右脚对比均存在显著性差异。并且,这些区域中除了第五跖趾区域和足弓区域是左脚大于右脚外,其他区域均为右脚明显大于左脚。

4 结论

(1)研究结果表明,中国当代青年女性的脚型结构特点与2000年版《中国鞋业大全》(下)的全国成年人脚型规律相比存在一定的差异,当代青年女性的脚长较长、较瘦。对特定群体脚型结构进行分类归纳统计,这有利于制作出舒适度更高、更合脚的鞋靴。

(2)本文中得到的当代青年女性的跖趾围长与脚长间的回归方程显示脚长每增加10 mm,跖趾围长增加5.25 mm,这与鞋号标准中的脚长增加10 mm时跖趾围长增加7 mm的规律存在差异。这种差异除了常数项的影响外,可能还受三个因素的影响,一是由于现代生活水平提高和生活习惯的变化,当代青年女性的脚型也相应有所变化;二是由于受试者多为学生,可能因为劳动形式的不同而导致了这种差异的产生;三是样本数有限带来的影响。

(3)足底前掌第二跖趾、第三跖趾和后跟区域在行走过程中受到的峰值压力、峰值压强以及压力时间积分效果较大,是行走时主要的受力区域,这一结果与其他学者的相关研究结果一致。这些区域在运动中更容易受到损伤,应该对这些区域加强保护。

基于足底压力分布的楦底曲面重构 第4篇

随着人们生活水平的提高, 对鞋靴的款式多样性、穿着舒适性等需求越来越高。鞋楦是鞋类设计和制造的依托, 是制鞋的基础。在鞋楦的设计中, 楦底曲面设计的好坏直接影响足底压力分布情况, 从而影响鞋靴穿着的舒适性。

医学上认为, 足底压力过大往往与前足病变有极高的相关性[1], 还有研究表明, 不合适的鞋袜造成了1/3以上的糖尿病患者足溃疡, , 而85%的糖尿病患者的截肢起因于足溃疡[2,3]。因此一些足疾人群 (如糖尿病患者) 对鞋类压力舒适性有更高的需求。

在制鞋行业中, 通过级放生产不同大小的鞋楦, 以此生产的成鞋能基本保证鞋款的合足、美学特性, 但不能保证其足底压力的舒适性。所以, 有必要对楦底曲面进行基于压力舒适性的重构, 以改善行走时足底压力分布, 进一步提高鞋靴的穿着舒适性。

关于足底压力舒适性的理论研究一直是国内外的一个热点。

宋雅伟等研究了鞋底硬度对人体行走中足底压力的影响[4]。Owings T M等验证了相对于只依据足底形状设计的鞋垫, 结合足底形状和足底压力设计的鞋垫更有利于减少足底的峰值压力[5]。杨九瑞等通过试验分析了不同跟高及不同跟型的高跟鞋在动态、静态情况下的足底峰值压力、压强时间积分的特征[6]。梁丹通过对比试验验证了鞋垫前掌加缓冲垫可显著降低人体足掌部和足全前掌部足底压力值, 但会对足趾部足底压力产生相反效果[7]。

关于提高足底压力舒适性的实践应用研究也有许多。如Sikyung K等根据脚型数据构建5*4*4个特征控制点, 参照足底压力数据来移动控制点, 以达到均衡足底压力的目的[8]。孙天赦等研究了可平衡足底压力的鞋垫, 通过在鞋垫的相应位置上贴合不同的功能块, 实现对足底的保护和平衡足底压力的作用[9]。

本研究小组通过试验证明了根据足底压力分布调整鞋楦楦底曲面的下凹, 可有效降低足底压力集中的情况, 进而可以提高成鞋的足底压力舒适性[11]。但是在具体实施时, 是从足底压力数据中提取若干条特征压力数据曲线, 再基于这些曲线, 来驱动修改楦底曲面凹凸性, 实现过程较繁琐, 自动化程度低[10,11]。

综上所述, 足底压力舒适性是鞋类设计考虑的一个重要研究方面, 得到越来越多的业界学者重视。但在基于足底压力的鞋楦楦底曲面重构方面, 仍缺乏行之有效的处理方法。

本文提出并实现一种基于足底压力的楦底曲面重构技术, 旨在改善行走时的足底压力分布, 提高鞋靴的穿着舒适性。

1 方法

1.1 楦底曲面重构步骤流程图

基于足底压力的楦底曲面重构流程图如图1所示。

首先利用三维扫描仪和压力测力台, 分别获得用户的个性鞋楦点云数据和一个步态周期内的足底压力数据, 然后将压力数据变换为足底峰值压力数据, 再基于提取的楦底轮廓线, 将鞋楦数据分离为楦底数据和楦面数据, 最后通过将变换的压力数据映射到楦底曲面上的对应位置, 实现楦底曲面的重构。

1.2 楦底的分离提取

鞋楦数值模型是通过三维扫描仪扫描得到鞋楦点云数据, 该数据是由一系列沿着楦长方向且含有相同点数的规则数据圈所构成, 如图2所示。

根据鞋楦数据中楦底轮廓处的曲率半径较小的特点, 提取楦底轮廓[12], 基于提取的楦底轮廓数据点, 将楦底曲面数据从鞋楦数据中分离出来, 如图3所示。

2.3足底压力分布数据的处理

足底压力数据是在浙江工贸职业技术学院轻工产品舒适度研究中心Zebris多功能压力测量装置测试得到。

在该平台32cm47cm的面积上, 平均分布了1504个高性能传感器 (每1个传感器对应的测力台面积为1cm2) , 可以有效测量动态的足底压力分布变化。该测力台采集了右脚从后跟着地至大脚趾离地过程中的54帧足底压力分布数据, 如图4。

每1帧压力数据都为1个3247矩阵。由于足部所占面积远小于测力台面板的面积, 在上述压力矩阵中存在大量的零数据, 通过对每帧压力数据的比较, 除去它们共同的压力值全为零的行和列, 得到54帧1024的矩阵。

图4为其中第28帧压力数据图, 采用柱状图和等位云图两种示意方式, 清晰形象的表示压力的大小和分布。该54帧足底压力分布数据可用一个三维矩阵表示如下:

根据54帧压力数据, 提取峰值压力数据, 对楦底曲面进行舒适性重构。

峰值压力数据的提取是通过遍历各帧压力数据矩阵中对应位置的足底压力值, 从中提取出54帧压力数据矩阵各位置最大的足底压力数据。其数学式描述如下:

其中i=1, 2, 3...54, F即为对54帧压力数据处理后的峰值压力数据。其分布等位云图如图5所示, 其中横纵坐标分别表示矩阵的行、列序号, 云图图中的颜色反应了对应的压力值大小。

峰值压力分布数据的数学式可表述如下:

1.4 基于压力分布数据的楦底重构

楦底曲面与坐标系中z-x平面基本平行。楦底曲面各点的y坐标值反映了楦底面的凹凸性。根据足底峰值压力分布数据, 改变楦底曲面各点的y坐标值, 实现对楦底曲面凹凸性的修改, 如图6所示。

具体实施需要解决以下两个问题:压力分布数据与楦底曲面数据的对应以及压力分布数据与楦底曲面的y坐标值修改量的关系。

1.4.1 压力分布数据与楦底曲面数据的对应

鞋楦楦底曲面数据是从每圈鞋楦数据中提取的, 不同鞋楦楦底数据个数 (即提取后的楦底曲面每列数据点数) 不一致。

压力数据是通过测力台采集, 再经简单去零得到, 这样得到的是一个矩形压力数据区域, 为准确将压力数值映射到楦底曲面对应位置上, 需将压力分布数据区域的形状和楦底曲面相匹配, 以及压力数据点与楦底曲面数据点一一对应。只有这样, 才能保证重构后的楦底曲面的光滑平顺, 为此, 本文综合运用了插值方法与仿形算法。

仿形算法的目的是使压力分布区域的外形 (x-z平面上) 与楦底曲面的外形近似, 以利于压力分布数据和楦底曲面形状的自动匹配, 具体实现过程将在下文中叙述。

插值方法是为了使压力数据点与楦底曲面数据点一一对应, 对压力数据进行插值, 采用鞋楦楦底曲面上的数据点在x-z平面上的投影点作为插值点, 在x-z平面上的取值点, 如图4 (a) 所示。

考虑到分段埃尔米特插值既不像分段线性插值那样会失去光滑平顺性, 又不像三次样条函数那样波动性大。所以, 在此采用分段埃尔米特插值方法, 来处理数据点的一一对应关系。

图7显示了通过埃尔米特插值法, 某列的11个压力数据点插值为25个数据点的结果, 从图7中可看出插值后的数据点形成光顺曲线, 且保持了原压力数据的特征。用符号Ф表示该插值变换。

楦底曲面数据的列数记为n1, 其中的前a列和后b列数据与鞋楦设计中放余量和后容差有关, 去除前a列和后b列的楦底曲面数据集合记为E。设经Ф变换后的压力数据的列数为n2, 要完成数据匹配, 则需满足下列条件:

同时, 这两个数据集合中的对应列上的数据点数应相同, 即:

基于式 (1) 、式 (2) , 通过3步处理, 来解决压力分布数据矩阵与楦底数据的匹配问题。

首先, 通过插值变换Ф, 使压力数据的列数和楦底数据E的列数一样, 即满足式 (1) , 数学式表述如下:

其中i=1, 2, 3, ...10, 令此步变换后的压力数据为F1。

然后, 通过仿形算法, 实现压力数据F1的仿形变换。

Step1:遍历压力矩阵中每列数据, 提取每列中第1个非零数所在行号和由非零数过渡到零的非零数所在行号, 分别保存在2个一维数组I1、I2中, 保存位置为提取的数据列号。若某列遍历完成, 未发现非零数据, 将零保存在数组I1、I2相应的位置上。

Step2:同步遍历I1、I2数组中的值, 依据I1、I2中相应的值, 从压力矩阵中提取列号为I1、I2中值的序号且行号夹在两值之间的压力数据, 保存在元胞数组J中, 保存位置从1开始依次递增。

若I1、I2中对应的值为零, 则不做操作。元胞数组J为去零后的压力数据。

图8显示了经上述仿形处理的前后对比图, 令压力矩阵F1经仿形处理后得到的压力数据为F2, 由仿形算法知仿形处理后压力数据中的每列数据点数已不同。

最后, 通过插值, 使压力数据的列点数满足式 (1) 中的第2个关系式, 其数学式描述如下:

式中的h=m1, j, j=1, 2, 3, ...n2, kj表示压力数据中的第j列数据个数。

上式表示了通过插值变换Ф将压力数据{F2}的每列点数, 变换到和楦底数据E的对应列点数相等。

通过此步处理后的压力数据的每列点数, 将和楦底数据E相应列点数相同, 且它们各自的列点数不同。令此步变换后的压力数据为F3。通过上述3步的变换处理, 即完成了数据的一一对应。

1.4.2 压力分布数据与楦底曲面的y坐标值修改量的关系

用压-凹转换系数λ表示压力分布数据与楦底曲面的y坐标值修改量之间的比例关系。经插值、仿形后的压力分布数据F3, 可通过设定的压-凹转换系数λ, 将压力数据映射到楦底曲面数据E对应的y坐标上, 完成楦底曲面重构, 其数学式表述如下:

其中i=1, 2, ...m1, j, j=1, 2, 3, ...n2, E为重构后的楦底曲面数据。

值得注意的是, 压凹转换系数的值是影响楦底重构后舒适性的关键因素。如果选择不当, 不仅起不到改善楦底压力舒适性的作用, 反而会加大穿着的不适性。

在实际设计中, 压-凹转换系数的选取是否恰当, 需要通过试验来验证[10], 因此, 本文将压-凹转换系数设置为可变参数, 可通过交互界面方便的修改。

3 算法实现

本文所述基于足底压力分布的楦底曲面重构算法, 已通过matlab软件在微机平台上予以实现。

图9所示为楦底重构程序界面的局部。在程序界面中, “放余量”编辑框用来从长度方向设定鞋楦底部曲面不受压力分布影响的区域。“压-凹转换系数”编辑框用来修正压-凹转换系数数值。文件菜单选项中的子菜单可用于鞋楦数据、压力数据的导入及重构后模型数据的保存操作。“压力映射”按钮用以启动楦底曲面重构过程。

利用所建立的楦底重构程序, 对一个尖头鞋楦的数据模型进行基于足底压力分布的楦底曲面重构的实例应用, 足底压力分布数据采用前述54帧足底压力分布数据。重构后的楦底曲面如图10所示。

楦底曲面的等位云图的颜色反应了重构后楦底曲面的y坐标值的变化量。图10中 (a) 、 (b) 、 (c) 是通过设定不同压-凹转换系数的基于峰值压力数据的楦底重构曲面。

可以看出, 设定的压-凹转换系数越大, 楦底曲面的凹凸改变量越大。重构后的曲面较光滑平顺, 且能较准确反应足底压力特征。

3 结论

本文提出并实现了一种基于足底压力数据的楦底曲面重构方法, 可以改善足底压力分布, 提高鞋类穿着舒适性, 对于鞋楦个性化设计有较大的意义。所建立的楦底曲面重构程序自动化程度高、执行效率较高。

实例应用的结果表明, 通过修改压-凹转换系数的值, 可实现对楦底曲面进行不同凹凸度的重构, 且重构后的楦底曲面较光滑平顺, 满足实际的鞋楦制作工艺要求。通过修改放余量, 可实现对不同鞋楦楦底曲面的重构, 普适性较好。

本文提出的压-凹转换系数λ的选取, 关乎到楦底的压力舒适性, 需要进一步通过压力测试、穿着舒适性试验, 来确定最佳压-凹转换系数。

参考文献

[1]Force R K J.Pressure and motion measur ements in the foot:current concepts[J].Clinics in Podiatric Medicine and Surgery, 1988, 5 (3) :491-508

[2]Hennis A, Fraser H S, Jonnalagadda R, et al.Explanations for the high risk of diabetes-related amputation in a Caribbean population of black African descent and potential for prevention[J].Diabetes Care, 2004, 27:2636-2641

[3]Viswanathan V, Mivagami S, Gnanasundaram S, et al.Effectiveness of different types of footwear insoles for the diabetic neuropathic foot[J].Diabetes Care, 2004, 27:345-352

[4]宋雅伟, 蔡奕玺, 寇恒静, 等.鞋底硬度与人体行走中足底压力的变化[J].中国组织工程研究与临床康复, 2009, 46 (1) :9113-9116

[5]Owings T M, Woerner J L, Frampton J, et al.Custom therapeutic insoles based on both foot shape and plantar pressure measurement provide enhanced pressure relief[J].Diabetes Care, 2008, 31 (2) :839-844

[6]杨九瑞, 张杲阳.女式高跟鞋鞋跟形状对压力舒适性的影响[J].中国皮革, 2011, 40 (12) :114-117

[7]梁丹.缓冲垫对人体前掌部足底压力的影响[J].漳州师范学院学报, 2012, 75:80-83

[8]Sikyung K, Mazumder M M G, Sejin P.A Last design with uniform foot pressure free form deformation[C].2007 11th International Conference on Intelligent Engineering Systems, 2007:89-92

[9]孙天赦, 钱金波, 吴建欣, 等.可平衡足底压力的鞋垫[P].CN201010200257, 2010

[10]胡小春, 施豪亮, 万孝军.基于足部压力分布的个性化鞋楦CAD研究[J].轻工机械, 2009, 27 (4) :43-45

[11]胡小春, 王刚, 万孝军.基于足底压力分布的鞋楦参数化设计[J].合肥工业大学学报, 2011, 34 (2) :181-183

儿童倒走足底压力的分布特征研究 第5篇

关键词：增高鞋垫,峰值压强,后跟平衡

1 前言

为了美观,女性选择穿高跟鞋以达到视觉上的美感,但穿高跟鞋会改变人体正常生物力学平衡,比如前掌压力过大,踝关节力减小等,还会影响步态及身体的平衡[1,2]。高跟鞋运动损伤的研究表明穿着高跟鞋不仅能引发足部疾病,还可能引发腰背疼痛、应力性骨折、骨关节炎等疾病[3]。而且高跟鞋的款式有限,也不能满足男性的增高需要等。由于增高鞋垫可以放置于鞋内,有隐形增高的作用,对鞋的款式没有太多要求,现在越来越多追求时尚需要增高的男女性选择增高鞋垫。但是目前还没有关于穿增高鞋垫对足底压力分布及足部平衡影响的研究,本论文采用常用的Footscan压力板与Novel鞋垫系统测量穿板鞋及穿垫有增高鞋垫的板鞋时足底压力参数,通过分析比较两种状态下足底压力分布与平衡状况,探讨穿增高鞋垫对足底压力分布与足部平衡的影响。

2 实验部分

2.1 实验对象

15名健康青年大学生参加了本实验,其中男性5名,体重(58.7±2.3)kg,身高(171.2±1.5)cm,鞋号均25号;女性10名,体重(46.7±3.4)kg,身高(156.8±2.9)cm,鞋号均23号。所有受试者均无重大足部与下肢损伤。

2.2 实验仪器

1)Footscan压力板

比利时RSscan公司生产,压力板长1 m,数据采集频率为250 Hz,在有效传感器区域(975 mm325 mm)内有8192个传感器。Footscan分析软件有较完善的平衡分析功能,能分析足部内外翻、后跟平衡及压力中心偏移量等。

2)Novel Pedar-X鞋垫系统

德国Novel公司生产,数据采集频率为100 Hz,每只鞋垫表面分布99个压力传感器,通过电缆线与控制盒相连。 Novel Pedar-X鞋垫放置在鞋内部测量“足-鞋”界面的压力参数,能真实反映穿鞋时的足部受力状况。

3)实验用鞋袜及鞋垫

23号普通女士板鞋,25号普通男士板鞋,薄棉袜15双,硅胶增高鞋垫一双(如图1),后跟高度为2.55 cm,长度为13.25 cm。

2.3 实验过程

1)让受试者穿着实验用鞋走动几分钟以适应,并记录穿鞋时的感受。

2)受试者穿戴好放置了Novel足底压力鞋垫的实验鞋,以二步法按自然正常步速走过压力板,同时测量“足-鞋”界面与“鞋-地”界面压力参数,测量五次;

3)受试者穿戴好放置了硅胶增高鞋垫与Novel足底压力鞋垫的实验鞋,以二步法按自然正常步速走过压力板,同时测量“足-鞋”界面与“鞋-地”界面压力参数,测量五次。

3 结果分析与讨论

将足(鞋)底分为7个区域:第1趾骨、第2～5趾骨、前掌内侧、前掌外侧、足弓、足跟内侧和足跟外侧。由于左右足的压力分布具有一致性[4],故本研究只选用左足压力参数。分析压力参数包括峰值压强、接触时间及冲量。由于受试者男女体重差异较大,所有压强和冲量数据均先除以各受试者体重,标准化数据,再进行统计分析。数据用spss16.0软件分析,对实验数据进行配对t检验统计学分析。统计结果用±s表示,由于影响受试者步态的因素较多,实验数据随机误差较大,因此差异显著性用P<0.1表示[5]。分析参数的变化率为穿增高鞋垫前后参数的差值与穿板鞋参数值的百分比。

受试者穿着感受为:穿垫有增高垫的鞋感觉更舒适,但行走时感觉后跟摇摆不定。经常穿增高鞋垫的受试者表示行走时间长时易疲劳。

3.1 穿增高鞋垫前后接触时间的比较

穿增高鞋垫前后接触时间的比较见表1。

穿增高鞋垫后各区域接触时间均增加,这与增高鞋垫较软易变形有关,步行时增高鞋垫受挤压发生形变,从而增加了接触时间。后跟外侧部位接触时间增加比例最大,这可能是因为行走时后跟外侧先着地,且此时冲击力较大使得增高鞋垫受挤压变形量最大导致时间增加最多。穿增高鞋垫后接触时间的增加可能是增高鞋垫发生形变导致,而形变会消耗人体部分能量,久穿容易导致疲劳,这与增高鞋穿着者反映长期穿着增高鞋垫容易疲劳的主观感受一致。

3.2 穿增高鞋垫前后峰值压强的比较

压强是单位面积内承受的压力,足底峰值压强是足部病变的一个重要指标,与舒适度关系密切,降低压强可提高穿着舒适度。表2为受试者穿增高鞋垫前后峰值压强的比较。

穿了增高鞋垫后,除前掌区域压强变化不大外,足底各区域的压强均减小,且在趾骨区及后跟外侧处有显著性差异,在其他足底区域峰值压强变化率也都较明显,说明增高鞋垫能明显降低足底大部分区域的峰值压强,这与受试者穿着感受更加舒适相符。穿增高鞋垫后压强降低可能是增高鞋垫较软,受力后易发生形变从而增加接触面积,且能延长受力时间,减小冲击力,导致足底峰值压强降低。

3.3 穿增高鞋垫前后冲量的比较

冲量为在接触时间内力对足底冲击的累积效应,其大小受每个区域的压力值和接触时间两个因素的影响,冲量能反映足部所受负荷的大小。表3为穿增高鞋垫前后冲量的比较。

穿增高垫后足趾区域冲量减小,其余足底区域冲量均增大,其中后跟外侧冲量增大最明显,这可能是因为后跟外侧最先着地冲击力较大且接触时间增加较多。穿增高鞋垫前后足底总冲量分别为2.33 Ns和2.44 Ns,变化不大,说明穿增高鞋垫对足底总负荷影响不大,部分负荷由前尖部位转移到了后跟部位。

3.4 增高鞋垫对后跟部位平衡性能的影响

对受试者行走测量时,可依据受试者行走时的足底压力分布情况判断其足部内、外翻情况。由于足部解剖生理特点,后跟容易内翻,而过度内翻会对踝关节造成损伤[6]。Footscan压力板分析软件用后跟内侧压力值与后跟外侧压力值之差(HMHL)来判断足部内外翻,差值为正表示后跟外翻,差值为负表示后跟内翻。图2是一名受试者穿增高鞋垫前后左足的后跟平衡图示,图中两条灰色竖线将足部支撑期分为三个阶段:后跟着地期、中间支撑期及前掌推进期。图中的白色带状区域是受试者后跟内外翻的安全区域,波状曲线表示后跟内外翻值即(HMHL)值。

由图2可看出后跟翻转安全值范围为(-10～23)N,在后跟着地期间由负值转为正值,且穿增高鞋垫前后后跟内外翻数据在后跟着地期变化最大,因此对后跟内外翻的分析选择后跟着地期(0～15%支撑期)。表4为所有受试者穿增高鞋垫前后在后跟着地期时内外翻峰值的比较。

穿增高鞋垫后,内翻峰值绝对值增加,且有显著性差异,外翻峰值有所增加,内外翻峰值差变大,说明穿增高鞋垫后后跟的稳定性变差。这可能与增高鞋垫较软,不能提供较好的支撑有关。内外翻峰值均超出了安全范围,穿增高鞋垫后内翻峰值超出较多,这会导致踝关节受损风险增大。

4 结论

现在市面上的增高鞋垫大都较软,正如行走在沙滩上,虽然感觉舒适但容易疲劳,稳定性也较差。测量结果显示穿增高鞋垫后,足底各区域接触时间均延长,鞋垫形变大导致耗能增加;大部分区域压强降低,穿着舒适性较好;部分冲量由前尖向后跟部位转移,增加了后跟的负荷;后跟在着地期间的平衡稳定性降低,易引起踝关节损伤。本文只研究了一种增高鞋垫对足底压力与平衡的影响,且鞋垫高度选择较低,不能充分说明市面上各种增高鞋垫的性能,日后还需要对不同跟高、不同材料的增高鞋垫进行进一步研究。

参考文献

[1]陈奕男,闫红光.对穿高跟鞋人群步态的生物力学研究[J].辽宁体育科技,2009,31(2):33-35

[2]闫松华,刘志成.青年女性穿不同高跟鞋自然行走的步态研究[J].医用生物力学,2008,23(5):394-398

[3]李媛,李建设,陈佳佳.高跟鞋-步态-损伤之生物力学研究[J].浙江体育科学,2010(1):125-128

[4]张庆来,孟站领.正常青年人左右足底压力分布特征的对比分析[J].中国组织工程研究与临床康复,2007,11(5):889-892

[5]王颉.试验设计与SPSS应用[M].北京:化学工业出版社,2007:71