劉 珺，郭軍濤，李 毅，吳 銓，陶天柱，張曉麗，張莉莉，劉俊朋，甘 璐，周玉彬，郭 青，鄭 超*，伍 驥*

（1.空軍特色醫(yī)學中心，北京 100142；2.北京航天總醫(yī)院骨科，北京 100076；3.武警特色醫(yī)學中心研究部，北京 102613）

0 引言

足部接觸地面后會受到來自地面的反作用力，從而產生足底壓力。足底壓力的大小與地面的硬度、人體的質量、足型和步態(tài)等密切相關。足底壓力分布是指足底所受到的靜態(tài)和動態(tài)壓力或壓強分布，足底壓力分布不均或局部壓強過高可能導致人體膝以下部位受傷，包括踝關節(jié)不穩(wěn)定、跟骨骨折、足底筋膜炎和韌帶撕裂等常見足踝部疾病。足踝部損傷在軍事訓練中發(fā)生率較高，尤見于傘兵著陸時或士兵長時間行走、跑步和障礙訓練時。根據既往文獻得到的大數據結果，傘兵在訓練及執(zhí)行任務從高處跳下著陸時踝部受傷率很高，國外資料顯示踝關節(jié)著陸損傷的發(fā)生率為32.8%[1]，國內對空降兵某部的流行病學調查顯示，踝關節(jié)訓練損傷的發(fā)生率高達40.46%[2]。除跳傘運動外，常見的軍事訓練科目如越野也容易引起足踝部疾病，長途越野訓練中疾跑落足或踩空時，如足外緣著地，足跖猛然內收，可引起踝外側韌帶扭傷或撕脫性骨折，約20%的患者可轉成慢性關節(jié)損傷或傷殘[3]。測試并分析足底壓力可以獲取人體在不同狀態(tài)下的生理病理學參數，揭示足底壓力分布特征和模式及運動過程中足的動力性特征。隨著新型傳感器技術和壓力測量儀器的發(fā)展以及計算機技術的廣泛應用，足底壓力測量技術快速發(fā)展，已逐漸成為臨床生物力學研究和足部疾病診斷、預防以及康復評估的重要手段。近年來，隨著軍事訓練的科學化，足底壓力測量技術已逐漸應用于空降兵跳傘模擬訓練和士兵不同步態(tài)行走時足底壓力的比較分析[4-5]。運用足底壓力分布測量裝置檢測足底壓力的大小，便于早期發(fā)現致使足踝部損傷的高危因素，有效地指導訓練傷的預防和治療，并可通過足底壓力分布測量裝置測出的數據分析軍事訓練人員步態(tài)，糾正訓練中的不良動作，還可以根據足底壓力分布測量裝置采集到的軍事訓練人員足底生物力學數據，研發(fā)預防軍事訓練傷的護具，有效保護受訓人員足踝部，避免受訓人員足踝部損傷，降低軍事人員訓練的受傷率，因此足底壓力分布測量裝置對于預防軍事訓練中的足踝傷和提高軍事訓練動作正確率有重要作用。本文主要對足底壓力分布測量裝置在軍事訓練中的應用進行研究，以促進軍事訓練科學化，達到有效預防軍事訓練傷的目的。

1 國內外足底壓力分布測量裝置簡介

近年來，國內外關于足底壓力分布測量裝置的研究成為熱點，涌現出很多種類足底壓力分布測量裝置，裝置也在不斷更新迭代，變得越來越智能化、精準化、個體化，下文將按照該類裝置的設計原理、結構特點進行分類敘述。

從設計原理上分類，有基于光學原理設計和基于電阻電容式設計的：臺灣光學式足底壓力檢測系統(tǒng)（如圖1 所示）是基于光學原理設計的，其優(yōu)點是感應度和靈敏度高（每平方厘米25 個感測點），而新西蘭PDT 裸足壓力測試系統(tǒng)、美國tekscan 壓力測試系統(tǒng)、比利時footscan 壓力測試系統(tǒng)和德國產emed 系統(tǒng)（統(tǒng)稱平板式步態(tài)分析系統(tǒng)）都是基于電阻電容式設計的，感應度和靈敏度比較低（每平方厘米2～6 個感測點）[6]。

圖1 臺灣光學式足底壓力檢測系統(tǒng)及足底壓力分布圖[6]

從外形結構上分類，有平板式的檢測儀和穿戴式的檢測儀：國內Gaitview 便攜式足底壓力檢測儀（如圖2 所示）是平板式的，操作界面簡單易懂，輕薄的設計便于攜帶，可移動到任何地方使用，能夠快速對足部6 個分區(qū)壓力數據進行采集，快速獲得前足、中足、后足的受力情況，進而獲悉前足、后足內外翻的情況[7]，而可穿戴的足底壓力檢測鞋或鞋墊能同時檢測動態(tài)和靜態(tài)的足底壓力，且更輕便、易攜帶。穿戴式的足底壓力檢測鞋或鞋墊更適合用于軍事訓練人員的足底壓力檢測。國內外足底壓力檢測鞋、鞋墊及相關系統(tǒng)列舉如下：

圖2 Gaitview 便攜式足底壓力檢測儀[7]

丁辛等[8]發(fā)明的動態(tài)足底壓力測試鞋墊采用多層感芯結構聚偏氟乙烯（polyvinylidenefluoride，PVDF）壓電薄膜傳感器和硬質合成間隔材料膜的設計，改善了柔性鞋墊的動態(tài)信號響應滯后和信噪比低等問題，可適配日常穿著的各種鞋類，并可為人體步態(tài)生物力學分析和鞋類舒適性評價提供數據依據。但該裝置需要將信號調理單元固定于測試者腿部，實驗中僅包含正常步速（2 步/s）測試，因此對實際穿著情況下足部高速運動是否適配存在疑問。張一帆等[9]對壓力測量裝置結構、數據信號采集分析處理和制造成本進行優(yōu)化，研制了無線智能足底壓力監(jiān)測鞋墊，基于藍牙通信采用3D 柔性打印技術封裝薄膜壓力傳感器，實現對人體足底壓力進行無線實時測量，其中的薄膜壓力傳感器分辨力高，可無線傳輸，但該鞋墊的壓力測量點位較少，不利于獲得足底壓力分布特征。針對部分足踝疾病患者，蘭海等[10]設計的智能足底壓力測試鞋墊通過設置內含柔性薄膜壓力傳感器的受壓凸起、半球形按摩凸起、橫豎向通氣孔等方式，能夠提高患者腳掌部位的舒適感，方便清洗晾干，使鞋墊可重復使用，同時柔性薄膜壓力傳感器設有外側保護裝置，可在鞋墊主體破損后取出回收，但并沒有闡述其可適用的步態(tài)情況。基于足底壓力分布情況，帥梅等[11]設計了智能傳感鞋步態(tài)分析系統(tǒng)，結合人體足底生理特點以及步態(tài)分析需要，在腳掌區(qū)和腳跟區(qū)共布置24 個柔性薄膜壓力傳感器，可持續(xù)采集足底壓力數據并無線傳輸給應用系統(tǒng)，還可動態(tài)顯示足底壓力數據信息、足底壓力中心（center of pressure，COP）軌跡線，實現步態(tài)平衡穩(wěn)定性評估。國外有學者對足底壓力分布監(jiān)測鞋進行改進，采用64 個敏感元件組成的矩陣及集成電池實現高頻數據采集、無線傳輸和7 h 連續(xù)工作[12]。Nino 等[13]對可穿戴式足底壓力測量鞋進行拓展，利用鞋中的傳感器獲取受試者足部特征并生成三維足部數據，實現對受試者的生物信息監(jiān)測和活動跟蹤。德國Pedar-X 足底壓力檢測系統(tǒng)是由NOVEL 公司研發(fā)的高分辨力壓力分布測量平臺，該系統(tǒng)如圖3 所示，主要由鞋墊式壓力傳感器和控制盒組成，通過電纜將壓力傳感器與控制盒相連，控制盒具有數據讀取、記錄、發(fā)送、同步輸出等功能[2]。該系統(tǒng)能準確記錄和快速評估足部所承受的壓力分布，還可檢測行走時足部的負荷，方便使用且易操作，能提供足部等下肢部位的受力數據。該系統(tǒng)不僅廣泛應用于各種走、跑、跳等動作的足底動力學指標值的測定，而且已被證實測出的數據準確、穩(wěn)定[14-15]。國內研究人員[2]對傘兵著陸軍事訓練中足底的壓力進行測量時應用了該系統(tǒng)，只需將Pedar-X 鞋墊式壓力傳感器置于足與鞋之間，便得到了大量足底壓力數據。應用Pedar-X足底壓力分布熱力圖測量系統(tǒng)測得的靜態(tài)足底壓力分布如圖4 所示，顏色趨近于紅色的部位表示出現應力集中。

圖3 德國Pedar-X 足底壓力檢測系統(tǒng)

2 足底壓力分布測量裝置在軍事訓練中的應用

2.1 空降兵跳傘訓練中足底壓力測量

人體在跳躍著陸過程中會產生明顯的地面應力，當人體從高處降落時，地面反作用力可能引起踝關節(jié)外翻[16]，踝關節(jié)過度外翻會導致腳和膝關節(jié)超負荷和損傷[17]。另外，跟骰關節(jié)的外翻角隨著下降高度的增加而增加，從2.0 m 高度著陸時，跟骰關節(jié)處的最大外翻角增加約52%[18]。跟骰關節(jié)的外翻會增加骨折脫位的風險。

為了最大限度地降低傘兵跳傘全足及踝部損傷率，國內研究人員根據足底壓力測量值，在傘兵著陸方式及踝關節(jié)護具上進行了研究。采用Pedar-X足底壓力檢測系統(tǒng)采集了傘兵在跳傘著陸時足底最大應力、最大壓力等受力數據，比較了半蹲式并腿和半蹲式分腿2 種著陸姿勢在足底動力學數據上的差異，結果發(fā)現半蹲式分腿著陸容易引起雙足受力不均，更容易因落地姿勢不穩(wěn)而造成足踝部損傷，而半蹲式并腿著陸姿勢雙足受力較為均勻，更適合軍事跳傘員著陸時采用。應用Pedar-X 足底壓力檢測系統(tǒng)測定的傘兵半蹲式并腿和半蹲式分腿2 種著陸姿勢的足底壓力值見表1、2。利用Pedar-X足底壓力檢測系統(tǒng)測定人體足底壓力的工作流程如圖5 所示。應用該系統(tǒng)測出的傘兵在跳傘著陸時全足及踝部的受力數據是研發(fā)足踝護具的重要參照，也是評價足踝護具效果的根本依據[2，19]。

圖5 Pedar-X 足底壓力檢測系統(tǒng)工程流程圖

表1 半蹲式并腿和半蹲式分腿2 種著陸姿勢左足的足底壓力值[19] 單位：kPa

表2 半蹲式并腿和半蹲式分腿2 種著陸姿勢右足的足底壓力值[19] 單位：kPa

另外，傘降訓練中對跳傘員的整體動作要求非常高，如果把控不好，極易因雙足受力不均使著陸姿態(tài)失穩(wěn)，從而造成損傷，特別是對經驗不足的新兵更是如此。通過足底壓力分布測量裝置測試、分析受訓者著陸時的足底壓力分布情況，可為受訓者調整著陸姿勢提供數據參考，使受訓者更準確地把握著陸姿勢，更科學地糾正訓練中的痼癖動作。

2.2 士兵行走或跑步時足底壓力測量

行走或跑步軍事訓練中足底壓力分布有一定的規(guī)律可循。王修行等[20]研究了士兵不同步態(tài)行走時的足底壓力，發(fā)現齊步走、正步走和自然行走時足底壓力分布規(guī)律基本相同，最大壓力值均出現在足跟內側，最小壓力值均出現在第2～5 趾，足跟內側、足跟外側和足弓等部位的壓力分布表現為“正步走＞齊步走＞自然行走”的規(guī)律。在士兵齊步走行進中，要求腳后跟先著地，所以足跟部位足底壓力較正常行走時壓力大；而正步走時，因為要展示步伐的力度，士兵會有意識地加大落地時的力量，因此足底壓力更大，壓強也相應較大。應用足底壓力分布測量裝置獲取士兵步伐訓練中的足底壓力數據，可為評估訓練效果、早期發(fā)現和糾正錯誤動作提供科學依據[20]。

人在行走和跑步過程中許多因素會影響足底的壓力分布。首先，隨著速度的增加，足底壓力也隨之向內增加和移動[21]。其次，個體腳的結構特征（例如弓型）也會影響足底壓力分布[22]。如剛性高弓形腳傾向于將壓力集中在腳跟和前腳下方，中足以下的壓力最小，即使隨著運動速度增加，足部壓力增大，中足壓力也不大。柔性的弓形足表現出更分散的壓力分布，包括中足下方的區(qū)域。此外，體質量也會影響足底壓力分布。在站立時人的身體質量指數與足底總壓力呈正相關（r=0.50，P=0.000）、與總接觸面積呈正相關（r=0.33，P=0.019），在行走時只有中足的峰值壓力與身體質量指數呈正相關（r=0.32，P=0.025）[23]。因此根據足底壓力分布測量裝置獲取的數據，可以對運動速度、個體腳結構特征以及體質量等相關因素進行分析。圖6 采用在足底不同點位設置壓力傳感器的方式測量人在行進過程中足底壓力分布數據，可得出在行進一步的過程中足底應力集中部位由足跟向足掌方向移動。從圖7 可以看出左右足在行進過程中足底受力大小基本一致，步伐交替時左右足共同受力且合力略大于單足受到的最大壓力。

圖6 足底壓力測量裝置傳感器點位分布及行進過程中足底壓力分布熱力圖

圖7 行進過程中左右足底壓力測量數值曲線圖

根據足底壓力分布測量裝置獲得的人行走時的數據，可以得到足底COP 軌跡線，這是分析人體步態(tài)的重要參考指標。COP 軌跡線是標識一只腳整個足部著地過程足底接觸面壓力中心運動軌跡的參數，其同樣表示足部著地過程整體重心的移動軌跡，通過觀察足底COP 軌跡線的整體形態(tài)變化，不僅可以發(fā)現異常步態(tài)，如因某種損傷導致的異常步態(tài)[24]，或軍事訓練中痼癖動作導致的異常步態(tài)，還可以指導異常步態(tài)的矯正[25]。

3 足底壓力分布測量裝置應用中存在的問題、改進建議及未來發(fā)展前景

3.1 存在的問題

應用足底壓力分布測量裝置監(jiān)測軍事訓練人員足底壓力分布對于保障軍事訓練的科學性和安全性具有重要作用，但目前在應用方面還存在以下不足：（1）應用足底壓力分布裝置測定的樣本量較少，且僅用于少數幾種軍事訓練項目上，因此建立的正常和異常標準量數可信度不夠；（2）數據的測量、傳輸、存儲和分析尚不支持大群體、實時的處理功能，且足底壓力測量數據的準確性有待提高。

3.2 改進建議

針對上述問題建議進行如下改進：（1）積累更多的足底壓力分布測量裝置監(jiān)測數據，納入更廣泛的軍事訓練人群和涵蓋更多的軍事訓練項目，以進一步改進受力分析的模型，并建立更有說服力的正常和異常標準量數；（2）對足底壓力分布測量裝置在廣譜應用和分析效率上進行改進，進一步細化足底壓力分區(qū)及測量參數，以對足底壓力進行更準確的測量。

3.3 未來發(fā)展前景

3.3.1 結合足踝軍事訓練傷調查結果更好地預防軍事訓練傷

足底壓力分布測量裝置在軍事訓練傷預防中的應用價值已經充分體現，可在滿足訓練需求的同時最大限度地減少訓練傷，達到科學施訓的目的，有必要擴大足底壓力分布測量裝置在軍事訓練中的應用范圍，并應用更先進和便捷的足底壓力分布測量裝置，如基于智能手機的足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)，以便實時獲取足底壓力數據并查看不同位置的足底壓力波形[26]。

另外，可以根據實際情況在不同兵種和不同作業(yè)部隊中進行足踝訓練傷的流行病學調查，尋找足踝損傷的相關危險因素，為后續(xù)足底壓力測量評估提供相應的依據。調查軍事訓練受訓人員足踝損傷類型和急慢性疼痛的發(fā)生率，分析足踝損傷類型與足部形態(tài)、訓練科目（包括耐力、技巧和負重等科目類型）、訓練時間、作訓鞋、一般資料（體質量、性別、軍齡）之間的關聯(lián)。通過上述流行病學調查，明確足踝損傷的高危因素，并針對高危因素人群進行分層分析，測量足底壓力分布數據，為制訂軍事訓練傷預防策略、采取科學的軍事訓練方案提供理論依據。

3.3.2 根據足底壓力分布情況研制足踝軍事訓練傷預防護具并改良軍鞋的設計

以往有研究報道了根據足底壓力分布測量裝置測定的足底壓力等數據對07 式作訓鞋鞋墊進行改良設計，提高了其舒適性，緩解了官兵在行軍訓練過程中的疼痛等不適感[27]。因為足底壓力與步態(tài)及足底的外形有很大關系，所以可以根據該特點對官兵足底壓力分布進行分組測量，動態(tài)監(jiān)測不同足形的官兵足底壓力變化趨勢，根據測量結果可以為扁平足、高弓足制作不同類型的矯形鞋墊，通過矯形鞋墊平衡足底壓力，避免訓練過程中受力不均引起的足踝損傷。在長跑或武裝越野過程中，對足踝損傷的高危人群如高弓足，可以進一步依據壓力分布數據，制作更精細化的個性化鞋墊，最大程度地避免訓練中的足踝損傷。

齊步走是部隊最常用的隊列行軍方式，正步走是重大活動中常用的一種隊列行進方式。通過測量行進過程中不同步態(tài)行走時的足底與支撐面之間的壓力分布，可直接反映足部舒適性，尤其在新兵訓練過程中，由于長時間高強度的隊列訓練條件下足底負荷較大，若穿著的作訓鞋設計不合理，不僅影響足部舒適性，同時可能會造成足部疲勞損傷，更有甚者可能會導致足弓暫時性變形[28]。因此，通過測量分析不同步態(tài)下的足底壓力分布對于指導設計舒適的軍鞋以減少足部訓練損傷等方面具有重要的指導意義。

4 結語

使用足底壓力分布測量裝置監(jiān)測足底壓力分布，不論對于傘兵跳傘還是普通士兵日常訓練，其目的都是發(fā)現足踝部生物力學的易損因素并制訂科學的訓練策略以預防足踝傷，同時指導軍事訓練中異常步態(tài)的矯正和軍事訓練傷預防護具的研發(fā)。未來隨著軍事訓練中足踝受傷流行病學調查的范圍擴大和調查項目的精細化，可得到更科學的部隊官兵足踝受傷數據，結合其足底壓力的生物力學研究結果，經過系統(tǒng)的分析和計算，進而研發(fā)出針對性強的護具和更舒適的軍用鞋靴，制訂科學的訓練方案，必將更加有效地保障部隊官兵的軍事訓練安全。