足踝部反复损伤青少年足球运动员FootScan足底压力分析.pdf

中国运动医学杂志 2010 年 9 月第 29 卷第 5 期 Chin J Sports Med，Sept 2010，Vol.29，No.5周军杰1俞光荣2曹成福1陈贤奇1庞金辉1石继祥11 上海中医药大学附属普陀医院骨科（上海 200062）2 上海同济大学附属同济医院骨科足踝部反复损伤青少年足球运动员 FootScan 足底压力分析摘要目的：探讨足底压力分析在青少年运动损伤领域的应用价值。方法：2008 年 1 月2009 年 10 月期间，在上海市普陀区青少年运动训练基地将 40 名 1619 岁足踝部损伤 3 次以上的青少年足球运动员分为左足损伤和右足损伤两组，采用美国 Tekscan 公司的 F-Scan 三维动态足底压力步态分析系统，进行静、动态足底压力测试，测试数据与前期 120 名足踝部未损伤的健康青少年足球运动员正常数据进行对比分析。所有受试者均脱鞋袜，以个人正常步态自然行走，测量双脚各 3 次静、动态足底压力，测量指标为足底每个区域的压强峰值、接触时间负荷，计算足底各区域的压强峰值和负荷分布、重心轨迹特征。结果：青少年足球运动员损伤侧足底压力分布特征：（1）足底压强峰值最大区域在第 5 跖骨、足跟外侧；（2）足前区跖骨部的内侧与外侧比值低于正常参考值，差异具有统计学意义，足前区存在内翻倾向；（3）足部压力重心变化有向足前区转移的趋势，双足压强变化不对称；（4）足踝反复损伤者前足撑地时间延长，后足撑地时间减少。结论：足踝反复损伤青少年足球运动员足底压强变化不稳定，双足压强变化不对称；损伤足与正常对照差异显著，足部压力重心变化有向足前区转移的趋势，前足撑地时间延长，后足撑地时间减少，可能是为了减少损伤侧足踝关节的载荷而采取的保护性机制。足底压力分析在预防青少年足球运动员足踝反复损伤方面有临床价值。关键词青少年；足底压力；临床应用；运动医学Analysis on Plantar Pressure of Adolescent Soccer Players with Repeated Foot and Ankle InjuryZhou Junjie1，Yu Guangrong2，Cao Chengfu1，Chen Xianqi1，Pang Jinhui1，Shi Jixiang11 Department of Orthopaedics，Putuo Hospital，Shanghai Traditional Chinese Medicine University，Shanghai，China 2000622 Department of Orthopaedics，Tongji Hospital，Tongji University，Shanghai，China 200065Abstract Aim To investigate the clinical value of plantar pressure analysis in adolescents soccer players withrepeated foot and ankle injuries.Methods From January,2008 to October,2009,40 adolescents soccer players(aged16-19 years)with at least 3 times of foot and ankle injuries in Shanghai Putuo Youth Sports Training Base wereenrolled in this study.They were divided into two groups:left foot injury group and right foot injury group.F-Scan ofTekscan Co.was applied to measure the static and dynamic plantar pressure of the injured subjects.Three static anddynamic data obtained from injured subjects were compared with that from 120 age-matched healthy adolescent soccerplayers.Peak pressure in various contact areas and contact duration were measured,and then average peak plantarforce of various contact areas and load distribution were calculated.Results The characteristics of plantar pressuredistribution in injured side of adolescent soccer player included:（1）The peak plantar pressure mostly located in the5th metatarsal and lateral heel areas;（2）The values of inner and lateral sides at the anterior metatarsal area weresignificantly different from the normal reference values,and there was a varus tendency of propodium；（3）There was atendency of anterior shift toward of center of gravity,and an asymmetry of pressure between left and right foots.（4）The contact duration in propodium prolonged and shortened in metapodium.Conclusion Plantar pressure analysis foryoung football players has certain clinical value in the prevention of chronic ankle injury.Key words adolescent，foot injury，ankle injury，foot pressure基金项目：上海市重点学科资助项目（T0303），上海市体育科技腾飞计划项目（07FT004）通信作者：周军杰，Email：足踝部损伤为最常见的运动性损伤之一，调查发现 16.3%的运动损伤发生在足踝部，其中 20%左右的患者将转为慢性踝关节损伤和伤残，从而影响其运动寿命1。因此，如何促进足踝损伤康复，尤其是早期预防足踝损伤转变为慢性疾患，对于降低运动损伤发生率，延长运动员运动寿命具有重要意义。足部分解剖区域支撑520中国运动医学杂志 2010 年 9 月第 29 卷第 5 期 Chin J Sports Med，Sept 2010，Vol.29，No.5着人体大部分重量，并调节人体平衡，足踝部损伤早期必然引起足部及足底的生物力学改变。F-Scan 足底压力步态分析仪利用计算机测量人站立或行走中足底接触面压力的分布，以直观、形象的二维、三维彩色图像实时显示压力分布的轮廓和各种数据，获取足踝、下肢乃至全身生理、结构及功能等的信息，从而帮助伤病早期诊断、治疗以及康复，防止其转变为慢性损伤。本实验利用美国Tekscan 公司的 F-Scan 三维动态足底压力步态分析系统，测定 40 名存在足踝反复损伤青少年足球运动员自然行走时左右足峰力值、负荷冲量等的动态足底压力分布，同时与 120 名健康青少年足球运动员的正常参考数据进行对比，探讨足底压力分析在评价青少年足球运动员足踝反复损伤中的临床价值。1对象和方法实验设计：单一样本设计。实验对象：2008 年 1 月2009 年 10 月期间，选取上海市普陀区青少年运动训练基地 120 名适龄在编青少年足球运动员，男生 84 名，女生 36 名，年龄 1619 岁，体重、身高等基本情况见表 1。该组受试者均身体健康，无足踝关节运动畸形，无足踝急慢性损伤。表 1 中男、女生 BMI比较，两者差异无统计学意义（P 0.05）。另选 40 名 1619 岁足踝部损伤 3 次以上的青少年足球运动员，分为左足损伤和右足损伤两组，基本情况见表 2、3。该组受试者均身体健康，无足踝关节运动畸形。虽然男性体重大于女性，但表 2 中男、女生 BMI 差异无统计学意义（P 0.05）。表 3中左、右足 BMI 差异有统计学意义（P 0.05）。因文献报道男女足底压力分布规律和特征无明显性别差异2，本实验暂不针对不同性别进行分析。性别n年龄（岁）足长足宽身高（cm）体重（kg）BMI（kg/m2）男生8417.81.653.140.086174.25.6863.86.2121.62.07女生3617.71.533.290.072163.33.8951.64.3720.51.76表 1120 名健康受试者基本情况比较性别n年龄（岁）足长足宽身高（cm）体重（kg）BMI（kg/m2）男生2718.21.363.190.053176.14.3273.85.7223.21.96女生1317.91.783.370.049164.73.7354.34.6921.82.12表 240 名足踝反复损伤男、女受试者基本情况比较性别n年龄（岁）足长足宽身高（cm）体重（kg）BMI（kg/m2）左足损伤2218.51.073.260.071173.12.7666.84.3123.41.13右足损伤1817.11.783.310.063172.22.3868.34.6919.82.47*表 340 名足踝反复损伤受试者左、右足损伤分组基本情况比较注：左右足损伤相比：*P 0.05，*P 0.01。足长与足宽比值测量方法：以最长脚趾端点所接触的垂直线与后跟突点所接触的垂直线之间的水平距离为足长，以第一和第五跖趾关节连线最宽处的水平距离为足宽，测量条件与足长相同。所有受试者实验前均知情同意。由于足球运动员存在左右足运球不同习惯者，相应的左右足着地点会有所差异，但左足运球习惯者相对较少，无法满足统计学分组对照要求，故本实验暂选取右足运球习惯者进行实验。设计、实施、评估：由所有作者共同完成，非盲法评估。所有作者均接受过正规培训。实验设备：美国 Tekscan 公司的 F-Scan 三维动态足底压力步态分析系统，F-Scan誖Mobile USB 平板系统：0.5 米的单步平板装有 4096 个传感器，使平板分辨率高达 4 个/cm2，采样率可达 125300Hz。F-Scan誖Mobile 鞋垫系统：采用目前最先进的离线式设计，系统采样率可达500Hz。压力传感器采用压阻方式设计，精确、持久耐用。鞋垫厚度 0.15 毫米，传感器密度 4 个/cm2。每个传感器量 程 为 20kg，测 量 分 辨 率 为 0.015kg 左 右，采 样 率125Hz，采样时间 25s，传感器频率响应 01000Hz。采用系统所附带的时间分析模块（timing analysis module，TAM）进行足压力中心（center of pressure，COP）运动轨迹和足底相关区域峰值压力测量，采用重心分析（centerof mass analysis，COM）模块进行人体重心（center ofgravity，COG）分析。实验方法：检测时，所有测试者足踝活动正常，以个人平常步态自然行走，步幅大小因人而异，一般为个人身高的 37%，以 80120 步/min 的速度水平匀速直线行走，采集时间为 8 秒，收集频率为 50 帧/秒3。平板系统单步法测量时所有受试者均脱鞋袜，左右脚各测 3 次静态足底压力。鞋垫法检测时所有受试者均穿着软底跑步运动鞋，选择符合受试者鞋内底尺码的测试鞋垫，确保测试鞋垫边缘无折痕，鞋垫大小与鞋底边缘吻合。佩戴测试设备后，实验前对受试者说明需注意的问题后对其进行步态训练，使其步态短期内达到实验要求。测试前进行 3 分钟左右的适应性练习。在单位瞬间压力测试的 8 秒钟采集时间内，取第一帧的足底压力接触面积、第一帧瞬间双足底面与平板接触面积峰值压力、各部位压强平均峰值。测量的力学特征指标为：各足底区域压强峰值分布；各足底区域压力重心轨迹对比；足底各主要区域与地面接触时间百分比均值；数据采集与分析采用配套软件521中国运动医学杂志 2010 年 9 月第 29 卷第 5 期 Chin J Sports Med，Sept 2010，Vol.29，No.5足底区域左足（伤侧）右足（健侧）第 1 趾59.3115.9192.4719.84*第 25 趾58.8116.4230.7612.28*第 1 跖骨28.3913.5695.7613.97*第 2 跖骨54.4214.87137.3111.07*第 3 跖骨71.4418.5590.9717.22第 4 跖骨69.0419.5776.8912.45第 5 跖骨95.3517.8954.7812.89*足弓66.4813.8060.9118.01足跟内侧39.3819.31179.7515.99*足跟外侧163.3518.47192.3721.24*注：左右足相比：*P 0.05，*P 0.01。footscan SOFTWARE7.0，根据足底区域各有效受力区间建立 10 个分析区域4，具体选取位置为：第 1 趾骨前端（T1）、第 25 趾骨前端（T2-T5）、第 1 跖骨头（M1）、第 2跖骨头（M2）、第 3 跖骨头（M3）、第 4 跖骨头（M4）、第 5跖骨头（M5）、足中部（V1-V2）、足跟内侧（H1）和足跟外侧（H2），见图 1。采用 F-Scann誖Mobile 鞋垫系统，其鞋垫含有 64 个FSR 高敏感压力传感器，可测试站立、走、跑等多种运动状态下的足底压力变化。压力范围：0.565N/cm2；采样频率：60Hz 或 300Hz。可实时无线传输鞋底压力信号，并通过软件控制和分析，显示压力三维网格、彩色压力频谱。统计学分析：首先应用系统自带的分析软件对采集的数据文件进行分析，得到相应曲线及原始数据。所有数据处理均用 SPSS13.0 软件，统计结果用（xs）表示，左、右足压力参数比较采用配对 t 检验。2结果2.1足底各区域压强峰值分布表 4 显示：120 名未受伤的青少年足球运动员正常行走足部压强峰值（MF）在足跟外侧最大，其次是第 2、3跖骨。足底压强峰值较小的区域主要分布在第 25 趾和第 5 跖骨，且左右双足分布规律一致。左右双足足底压强峰值在第 1 趾，第 1、2、5 跖骨，足弓、足跟内外侧区域存在显著性差异。检测图示见图 2。表 4 显示，健康受试者左足前区跖骨部内侧（第 1 跖骨+第 2 跖骨=148.214.37）与外侧（第 4 跖骨+第 5 跖骨=143.1917.17）比值 X平均内翻=1.0350.036；右足前区跖骨部内侧（第 1 跖骨+第 2 跖骨=188.0323.18）与外侧（第 4 跖骨+第 5 跖骨=127.4210.56）比值 X平均内翻=1.39860.345。由表 5、6 可见，40 名足踝损伤运动员正常行走时足底各区域压强峰值（MF）分布特点：（1）足底压强峰值最大区域在足跟外侧、第 5 跖骨，最小区域在第 1、2 跖骨和足跟内侧；（2）根据表 5，伤侧足为左足者左足前区跖骨部内侧（第 1 跖骨+第 2 跖骨=82.8114.21）与外侧（第4 跖 骨+第 5 跖 骨=164.39 18.73）比 值 X平 均 内 翻=0.54820.0635；根据表 6，伤侧足为右足者右足前区跖骨部内侧（第 1 跖骨+第 2 跖骨=104.0919.01）与外侧（第4 跖 骨+第 5 跖 骨=183.71 19.19）比 值 X平 均 内 翻=0.56660.034，该比值均小于正常参考值（与表 4 对照），差异具有统计学意义（P 0.05），说明伤侧足前区存在内翻倾向；（3）健侧足相应部位压强较正常有增大趋势。图 1足底测试的 10 个压力分布区域图 2平板系统测试单足足底压力分布区域表 4120 名健康受试者足底各区域压强峰值（f/N）足底区域左足右足第 1 趾72.4411.4590.3210.56*第 25 趾19.569.7624.359.67第 1 跖骨51.5310.1485.1216.45*第 2 跖骨96.6718.59118.919.90*第 3 跖骨76.9220.3487.6314.83第 4 跖骨67.9012.6379.0810.84第 5 跖骨75.2921.7048.3410.28*足弓71.4512.9358.3913.79*足跟内侧141.2322.07175.8318.07*足跟外侧154.9721.56189.5425.49*注：左右足相比：*P 0.05，*P 0.01。表 522 名左足反复损伤受试者足底各区域压强峰值（f/N）522中国运动医学杂志 2010 年 9 月第 29 卷第 5 期 Chin J Sports Med，Sept 2010，Vol.29，No.5健康组（%，n=120）左足损伤组（%，n=22）右足损伤组（%，n=18）左右左右左右后跟着地期6.60.225.90.343.50.34*6.20.255.90.363.20.49*中间稳定期3.40.511.90.465.30.42*2.70.322.60.575.80.38*推进期44.40.2746.20.4141.20.3740.40.5141.90.4044.20.29举步期45.20.3946.40.6249.90.61*50.10.7249.80.5146.30.44注：*P 0.05，*P 0.01：损伤组与健康组同侧足比较。2.2左右足压力重心轨迹对比从图 3 可见：损伤足压力重心有向足前区转移的趋势，双足压强变化不对称。健侧足压力网格缓冲转变，压力重心轨迹曲线平滑；伤侧足压力网格突兀转变，压力重心轨迹曲线不规则，呈现脉冲式变化。2.3单一步态中各阶段时间分布特征鞋垫系统测试单一步态双足连续动态足底压力变化相关图示如图 4。表 7 显示，120 名健康受试者在自然行走时，各阶段时间所占支撑期比例最大的是举步期，其次是推进期、中间稳定期和后跟着地期。左右足表现基本一致。与健康组同侧足比较，40 名足踝反复损伤受试者伤侧足各阶段占支撑期时间百分比，后跟着地期、中间稳定期左右足均存在显著差异（P 0.05）；举步期左足存在显著差异（P 0.05）。3讨论3.1足底压力分析在足踝运动损伤领域的应用解剖人类的步态是一组复杂的运动，通常由若干个步态周期（gait cycle，GC）组成。每一个分为两个阶段站立时相（stance phases）和举步时相（swing phases）。其中站立时相又包括 3 个阶段，即后跟着地期、中间稳定期、推进期，各阶段足底各部接触时间除以整足支撑期，用百分比表达。在其每个步态周期（gait cycle，GC）中存在多个 阶 段 站 立 时 相（stance phases）和 举 步 时 相（swingphases）的不断更替，每个时相的转换过渡都必须通过足地作用及反作用力来实现，因此正常足在行走的各足底区域左足（健侧）右足（伤侧）第 1 趾79.7816.4672.3514.57第 25 趾28.6815.3356.9817.51*第 1 跖骨72.4614.8145.8819.02*第 2 跖骨116.3618.3258.2118.99*第 3 跖骨79.3913.0987.5511.47第 4 跖骨59.9416.3475.7219.32*第 5 跖骨80.7710.25107.9919.07*足弓79.8911.5649.1519.82*足跟内侧158.0913.5647.0119.03*足跟外侧159.789.089198.4132.92*注：左右足相比：*P 0.05，*P 0.01。表 618 名右足反复损伤受试者足底各区域压强峰值（f/N）图 3左右足压力和重心对比注：A：压力网格图，左侧为健侧足压力网格图。B：重心轨迹对比，上面为健侧足重心轨迹。图 4鞋垫系统测试双足步行时不同时相足底压力分布AB表 7所有受试者单一步态中支撑期各阶段时间分析（占支撑期%）523中国运动医学杂志 2010 年 9 月第 29 卷第 5 期 Chin J Sports Med，Sept 2010，Vol.29，No.5个时相都具有生物力学的保护性功能，足会尽可能地应对一定的足底压力即足与支撑地面之间总体相互垂直的作用力而增大接触部位受力面积，保证相对较低的足底压强即单位面积的足底应力，防止足底组织遭受过高足底压力而引起损伤。人体在足尖着地时，足部关节就是一个杠杆，脚尖支撑构成杠杆的支点，重力、惯性力以及摆动离心力作用于脚的中间部位，小腿腓肠肌被迫拉长作离心收缩以维持杠杆的平衡，力作用在足跟部，方向竖直向上，由于动力臂大于阻力臂，所以腓肠肌收缩用较小的力就可以抵抗巨大的压力而使踝关节保持平衡。若使踝关节在压力作用下被动屈曲，其所受压力需远远大于腓肠肌肌力，因此，足关节的特殊结构使踝关节能够承受巨大的压力负荷6。踝关节扭伤将直接影响踝关节承载负荷的能力。若机体全身或足部相关组织出现病变，足底相关区域峰值压力及其分布则会发生改变，而这种改变往往比临床症状、体征出现得更早。因此，分析比对伤病患者足底压力水平与正常参考值，对损伤的早期诊断治疗有较大临床意义7。3.2慢性足踝损伤青少年运动员的足底压力变化Simpson5调查发现，足踝损伤次数大于 3 次者，其发生慢性足踝损伤的可能性增加 67.8%，反复损伤可造成其他软骨或骨的损伤，致使踝关节急性或慢性创伤性关节炎的发生几率大大增加，关节内滑液性质的改变也会影响关节软骨的营养和软骨相互间的摩擦系数。本实验结果显示，40 名足踝部损伤次数大于 3 次的可能存在慢性足踝损伤者伤侧足压力分布特点为：（1）足底压强峰值最大区域在足跟外侧、第 5 跖骨，其次是第25 趾，最小区域第 1，2 跖骨、足跟内侧；（2）足前区跖骨部的内侧（第 1 跖骨+第 2 跖骨）与外侧（第 4 跖骨+第 5 跖骨）比值小于正常参考值，足前区存在内翻倾向；（3）健侧足相应部位压强较正常有增大趋势。损伤足压力重心变化有向足前区转移的趋势，双足压强变化不对称。损伤足前足撑地时间延长，后足撑地时间减少。出现上述情况可能是由于伤侧足存在慢性损伤机制，足底局部区域为减少其所受局部压强影响，而相应减少着地时间，是前足部分着地时间和压强代偿性增加，以减少后足部分区域受到地面反作用力的进一步作用。正是人体存在这样一种保护性代偿机制，引起足底局部压力分布和压强改变。利用足底压力分析系统可早期发现压力变化，从而达到早期诊断、治疗和康复的目的。F-Scan 足底压力步态分析仪在实用性、操控性上均具有较为明显的优势，通过 F-Scan 步态分析仪配套软件进行生物力学检测足部骨骼的应力、位移变化等三维运动学研究将是未来发展的主要研究方向8-10。4参考文献1Yard EE，Collins CL，Comstock RD.A comparison of highschool sports injury surveillance data reporting by certi-fied athletic trainers and coaches.J Athl Train，2009，44（6）：645-652.2 De Clercq D，Willems T，De Cock A，et al.The use ofplantar pres sure measurements in the de tection of gaitrelated risk factors for exercise related lower-leg pain insports active young adults.J Biomech，2006，39（1）：191-192.3闫松华，杨进，刘志成.运动性疲劳对健康男大学生足底压 力 分 布 的 影 响.中 国 运 动 医 学 杂 志，2009，28（4）：372-376.4Owings TM，Apelqvist J，Stenstr觟m A，et al.Plantar pres-sures in diabetic patients with foot ulcers which have re-mained healed.Diabet Med，2009，26（11）：1141-1146.5 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