异常足弓男童的静态平衡能力与足底压力特征研究

异常足弓是指足骨系统生长发育的异常，主要表现是扁平足弓和高足弓，是由遗传、环境及特殊病因共同作用的结果，多发于儿童青少年群体。[1]几乎所有的儿童刚出生时均是扁平足，而正常足弓在10岁左右形成。[2-3]10～13岁儿童患扁平足的概率约为19.1%，[4]而高足弓患者比例约为14.6%～25.8%，[5-6]如果在小学阶段没有形成正常的足弓，过了该敏感阶段后，应用非手术方式调整异常足弓的成功率非常低，因此在10岁之前进行干预与治疗最有效。[7]足弓调整过度的扁平足会导致静态足底压力的分布和踝关节的受力异常，也会影响下肢动态功能，[8]同时会代偿影响较近的环节产生问题，越靠近足所受影响越大，膝关节、髋关节等受扁平足的影响递减。[9-10]患有过度高足弓的患者会影响足底压力分布，而引起足踝、足跟以及相关肌肉疼痛，如跖骨痛、脚后跟痛及籽骨炎。[11]异常足弓可能会引起多种足部问题，因此正处于足部快速发育期的8～9岁儿童的异常足弓的特征亟需证实，并根据科学数据进行个性化矫正与干预，如矫正鞋垫、力量训练等。[12]

本研究旨在通过对患有异常足弓的8～9岁男儿童的静态平衡能力、足底压力特征和步态压力特征进行测试与分析，并与同龄人正常足弓比较，得出其异常足弓的原因，为处于生长发育期的儿童进行科学有效的康复治疗与干预提供数据支撑。

1 研究方法

1.1 研究对象

本研究通过LorAn足底压力分析系统检测北京市6所小学三年级的足部健康情况，总人数为1 523人，男生占47.6%。(其中患有扁平足者143名，左右足均患58名，足弓指数不低于35%为21名；患有高足弓94名，左右均高足弓41名，足弓指数不高于14%为18名。)为了排除体重因素对足弓的影响，筛选身高和体重尽量一致者共计为36名。筛选条件：(1)家长、老师及受试者同意，并自愿参加；(2)扁平足的左右足弓指数均在35%以上，高足弓的左右足弓指数均在14%以下；(3)所有受试者体型正常、无足部畸形、异常步态和近半年无严重足部外伤史。在测试之前24 h内未参加过剧烈运动，无肌肉疲劳症状，测试期间足踝关节活动正常；(4)认知正常，沟通无障碍；(5)身高体重尽可能一致，体重上下不超过3 kg。

表1 受试者基本情况

注：进行方差分析和X2检验，正常足弓与异常足弓的受试者体重无差异性。

1.2 实验方法

1.2.1 测试工具

意大利LorAn(型号：MPS)足底压力分布测试系统，适用于静态和动态测试足底压力，由4块压力测量平板组成，可测试多步行走的步态，其中第1块压力板含有人体重心检测平台、传感器、数据采集系统等硬件以及重心分析软件。该设备采样频率为100 Hz，传感器规格9 mm*9 mm，测试板长度为2 m，测压原理为电阻式。

室内测试，其室内温度为24℃～27℃，测试时将压力板平放在水平底板之上，压力板两边均铺上高度和颜色一致的延长步道，测试区域前后各2 m。测试前受试者脱鞋脱袜(减少其对外界的平衡辅助)，在指定的测试区域进行2次的预测试，使其了解测试要求及流程。规定患有异常足弓(扁平足和高足弓)为实验组，正常足弓为对照组。测试分为静态测试和动态测试。数据采集与分析均采用该软件：静态测试分析静态平衡和足底压力指标，动态测试分析时空参数和足底压力指标，足底压力分10个区域(见图1)：第1趾骨(T1)、第2～5趾骨(T2～5)、第1跖骨(M1)、第2跖骨(M2)、第3跖骨(M3)、第4跖骨(M4)、第5跖骨(M5)、足弓(MF)、足跟内侧(MH)和足跟外侧(LH)。[13]

图1足底压力各区域分布

Figure1Distributionofplantarpressureindifferentareas

1.2.2 实验流程

(1)静态测试：要求36名受试者在第1块压力板原地踏步约10 s，听口令“立正”后，成人体解剖姿势站立在测力板上，进行静力测试20 s；(2)动态测试：首先要求受试者在指定的步道上以平常步态匀速自然行走，测量3次，每次测试间歇1 min，每次获取1个完整的步态周期；[14](3)测试结束，记录测试结果，并分析比较组间差异。

1.3 数据统计

应用SPSS 19.0软件进行统计分析。使用独立样本t检验，比较患有异常足弓组和正常足弓组组间差异，结果的描述以“平均值±标准差”表示，结果的显著性水平设定为P<0.05，非常显著性水平设定为P<0.01。

2 研究结果

2.1 不同足弓指数8～9岁儿童静态平衡能力

由表2可知，与患有高足弓的儿童相比，正常足弓儿童的静态平衡能力具有显著差异性，主要表现为重心的移动表面积较大，P<0.05；而患有扁平足与正常足弓儿童的静态平衡能力无明显差异性。说明患有高足弓的儿童静态稳定性相对较差。

表2 不同足弓指数的8～9岁儿童静态平衡能力

*表示P<0.05，患有高足弓与正常足弓的儿童的静态平衡力存在显著差异性。

2.2 足弓指数8～9岁儿童不同的静态足底各区域的接触面积及压力百分比特征

2.2.1 静态足底各区域的接触面积特征

由表3可知，静态站立时，患有扁平足儿童的左足T1、左足M4、右足M4、右足MH、右足LH的接触面积明显小于正常足弓的对应接触面积，而左足MF、右足MF的接触面积明显大于正常足弓的对应接触面积；患有高足弓的左足M1-5、左足MH、左足LH、右足M2和右足M3的接触面积明显大于正常足弓的对应接触面积，而左足MF和右足MF的接触面积非常明显小于正常足弓的对应区域的面积。由左右脚的结果可知，患有扁平足弓儿童的MF的接触面积明显大于正常足弓对应的接触面积，而M4的接触面积明显小于对应的接触面积；患有高足弓儿童的MF的接触面积非常明显小于正常足弓对应区域面积，而M2、M3的接触面积明显大于正常足弓对应的接触面积。

表3 异常足弓儿童的静态足底各区域接触面积

注：扁平足患者与正常足弓相比，#P<0.05,##P<0.01；高足弓患者与正常足弓相比，※P<0.05,※※P<0.01。下同。

2.2.2 静态足底各区域的压力百分比特征

由表4可知，静态站立时，患有扁平足儿童的左足T1、左足M2、左足LH、右足MH和右足LH的压力百分比明显小于正常足弓的对应压力百分比，而左足MF、右足MF的压力百分比明显大于正常足弓的对应压力百分比；患有高足弓的左足LH和右足LH的压力百分比明显大于正常足弓的对应压力百分比，而左足MF和右足MF的压力百分比非常明显小于正常足弓的对应区域的压力百分比。由左右脚的结果可知，患有扁平足弓儿童的MF的接触压力百分比明显大于正常足弓对应的压力百分比，而LH的压力百分比明显小于正常足弓对应的压力百分比；患有高足弓儿童的MF的压力百分比非常明显小于正常足弓对应压力百分比，而LH的压力百分比明显大于正常足弓对应的压力百分比。

表4 异常足弓儿童的静态足底各区域压力百分比分布

2.3 不同足弓指数8～9岁儿童的行走足底各区域的接触面积及压力分布特征

2.3.1 行走足底各区域的接触面积特征

由表5可知，行走过程中，患有扁平足儿童的左足T1、左足T2-5和右足T1的接触面积明显小于正常足弓的对应接触面积，而左足MF、右足MF的接触面积明显大于正常足弓的对应接触面积；患有高足弓的左足M3-5和右足M2-5的接触面积明显大于正常足弓的对应接触面积，而左足MF和右足MF的接触面积明显小于正常足弓的对应区域的面积。由左右脚的结果可知，患有扁平足弓儿童的MF的接触面积明显大于正常足弓对应的接触面积，而T1的接触面积明显小于正常足弓的对应的接触面积；患有高足弓儿童的MF的接触面积明显小于正常足弓对应区域面积，而M3-5区域的接触面积明显大于正常足弓对应的接触面积。

表5 异常足弓儿童的行走足底各区域的接触面积

2.3.2 行走足底各区域的压力分布特征

由表6可知，行走过程中，患有扁平足儿童的左足T2-5的压力百分比明显小于正常足弓的对应压力百分比，而左足MF、右足MF的压力百分比明显大于正常足弓的对应压力百分比；患有高足弓的左足T2-5和左足M3的压力百分比明显大于正常足弓的对应压力百分比，而左足MF和右足MF的压力百分比明显小于正常足弓的对应区域的压力百分比。由左右脚的结果可知，患有扁平足弓儿童的MF的接触压力百分比明显大于正常足弓对应的压力百分比；患有高足弓儿童的MF的压力百分比明显小于正常足弓对应压力百分比。

表6 异常足弓儿童行走足底各区域的压力百分比

3 讨论

静态平衡能力主要是通过人体重心的动摇情况描述人体姿势的变化，应用重心动摇总轨迹长、包络面积、重心动摇速度以及X和Y方向上的动摇情况反应，动摇幅度越小说明平衡能力越好，[15]该指标同时也可推断人体关节、肌肉等存在的损伤及风险率。[16]静态平衡能力受多种因素影响，包括衰老、感觉异常、肌肉韧带功能下降、骨骼问题、神经紊乱以及代谢性疾病等。[17]鉴于本文选取的受试者均为正常儿童，可以排除他项干扰，但由于他们的足部骨骼存在较大差异，高足弓患者的静态站立20 s期间的平衡能力明显差于正常足弓儿童，而患有扁平足的儿童静态平衡力与正常足弓儿童无明显差异。其主要原因可能是患有高足弓者足横弓对静态站立时的贡献率相对正常足弓的儿童明显较低，最有可能引起人体重心摇动。因此，患有高足弓儿童，静态稳定性相对较差，可能会容易出现崴脚现象，建议加强足部相关肌肉韧带的强化锻炼。

足底压力的测量广受科研和临床实践重视，应用足底压力分布情况辨别正常和病态步态[18]、区别足形态[19]、设计和制定足底鞋垫和鞋楦[20-21]并且是评估矫正足部手术是否成功的有效指标之一[22]。本研究结果表明，患有扁平足儿童的接触面积和压力主要集中于MF，这是由足弓骨塌陷造成，而M4的区域面积相对较小，LH的压力相对较小，这最可能是足跖骨外翻原因造成。而患有扁平足儿童T1的接触面积和压力百分比明显小于右侧，可能是由于足弓骨塌陷代偿引起T1接触面积和压力百分比明显低于正常足弓；患有高足弓儿童的左足接触面积明显大于右足，是其重心明显偏向左侧所致，可能是左右腿长不一、骨盆向左旋转、右膝关节过于内翻或者足弓幅度更高等原因引起的。由Castro MP等人[23]研究可知，在足底不同区域之间受高压力，可能会引起儿童的足骨骼变形，对老年人可能会引起相近关节受力形变或产生疼痛等不良现象。足底压力分布可能是引起异常足弓的主要原因，可能由于身体质量和足弓支撑力的合力导致，而足弓支撑力是受足弓骨骼、足部相关肌肉、足部相关韧带以及足部相关筋膜等强度决定的，因此，引起儿童异常足弓的原因可能是由于足部相关肌肉、韧带和筋膜增长发育速度与足部骨骼生长发育不协调所致，如果其增长发育速度明显大于足骨的生长发育速率，可能会引起高足弓，相反，可能会引起扁平足，但仅靠足底压力分布一个因素不能完全说明具体原因，仍需要后期继续研究，增添更多的实验方法，如肌骨超声、肌电评定以及运动能力等研究具体产生的机制。

人类步态是一种有节奏的周期性运动，但步态不具有完全一致性，不同足型的行走方式会影响行走过程中的足底压力区域分布。一般来说，足承受的压力越大，越容易使足部结构感觉不适或疼痛，如果足弓较大能在垂直方向缓解过多压力，但是足弓过大支撑的稳定性相对较差，因此，为了稳定足部和踝关节，就会代偿性引起踝关节、膝关节及髋关节等关节摩擦、损伤或疼痛。由Hudson等人[24]研究可知调整足底压力分布，尤其是减少跖骨下的足底压力峰值，能够降低其受损的风险。行走过程中，足底跖内侧区域的压力过高是引起足中部受伤的风险因素之一。[25]研究表明单足患有扁平足或双足患有扁平足，不仅仅增加了足部结构的负荷，而且还会干扰正常的足部功能或相邻关节功能。本研究中，患有扁平足的儿童T1的接触面积明显小于正常足弓，其原因可能是该人群的足弓MF塌陷并推挤一些“肉垫”，起到支撑行走过程中足尖离地期的接触面积；患有高足弓儿童行走过程中M3-5区域接触面积明显大于正常足弓的，可能是由于高足弓MF过高，用M3-5趾骨的接触面积代MF，以维持足稳定性。而患有异常足弓的接触面积和压力呈正比关系，可能是由足弓骨骼塌陷或过于呈拱型引起的。异常足弓儿童在行走过程中的T1-5、M1-5、MH和LH区域的接触面积和压力百分比与正常行走过程中对应区域存在不同程度差异性，这可能与儿童行走过程中足骨骼、步速、步宽、步频和肌肉韧带的差异有关。

4 结论

(1)高足弓儿童的足部平衡能力比正常足弓的差。建议拉伸儿童足底的趾短屈肌和拇展肌，加强趾短伸肌的锻炼，以改善儿童过度足弓隆起。

(2)相对正常足弓儿童，扁平足的足弓接触面积和压力明显较大，高足弓的足弓接触面积和压力明显较小。建议在儿童足部生长发育阶段进行辅助治疗(如矫形鞋垫、鞋楦等)和主动体能训练，以改善儿童异常足弓特征。

(3)相对正常足弓儿童，患有扁平足儿童站立时第4跖骨接触面积和足跟外侧压力明显较小，而行走时第1趾骨接触面积明显较小；患有高足弓儿童站立时第3-5跖骨接触面积明显较大。建议在进行矫正儿童异常足弓提供个性化矫形鞋垫或鞋楦的理论依据，但具体机制问题还需进一步研究。

参 考 文 献

[1] EL O, AKCALI O, KOSAY E, et al. Flexible flatfoot and related factors in primary school children: a report of a screening study[J]. Rheumatol Int, 2006, 26:1050-1053.

[2] CAPPELLO T, SONG K M. Determining treatment of flatfeet in children[J]. Curr Opin Pediatr, 1998, 10: 77-81.

[3] VOLPON J B. Footprint analysis during the growth period[J]. J Pediatr Orthop, 1994, 14: 83-85.

[4] JEROSCH J, MAMSCH H. Deformities and misalignment of feet in children-a field study of 345 students[J]. Z Orthop Ihre Grenzgeb, 1998, 136: 215-220.

[5] STAVLAS P, GRIVAS TB, MICHAS C, et al. The evolution of foot morphology in children between 6 and 17 years of age: a cross-sectional study based on footprints in a Mediterranean population[J]. J Foot Ankle Surg, 2005, 44: 424-428.

[6] RAO U B, JOSEPH B. The influence of footwear on the prevalence of flat foot[J]. J Bone Joint Surg Br, 1992, 74: 525-527.

[7] YUTO T, TAKAHIKO F, DAISUKE U, et al. Children with flat feet have weaker toe grip strength than those having a normal arch[J]. J Phys Ther Sci, 2015, 27(11): 3533-3536.

[8] LEE J H, SUNG I Y, YOO J Y. Clinical or radiologic measurements and 3-D gait analysis in children with pes planus[J]. Pediatr Int, 2009, 51: 201-5.

[9] CHEN Y C, LOU S Z, HUANG C Y,et al. Effects of foot orthoses on gait patterns of flat feet patients[J]. Clin Biomech, 2010, 25:265-70.

[10] WICART P.Cavus foot from neonates to adolescents[J]. Orthop Traumatol Surg Res, 2012, 98: 813-828.

[11] BURNS J, CROSBIE J, OUVRIER R, et al. Effective orthotic therapy for the painful cavus foot A randomized controlled trial[J].J Am Podiatr Med Assoc, 2006, 96: 205-211.

[12] HAWKE F, BURNS J, RADFORD J A, et al.Custom-made foot orthoses for the treatment of foot pain[J]. Cochrane Database Syst Rev, 2008, 3.

[13] YAN S H, ZHANG K, TAN G Q, et al.Effects of obesity on dynamic plantar pressure distribution in Chinese prepubescent children during walking[J]. Gait Posture, 2013, 7(1): 37-42.

[14] 袁刚，张木勋，王中琴,等.正常人足底压力分布及其影响因素分析[J].中华物理医学与康复杂志，2004, 26(3):156-159.

[15] 管志光，林明星，徐庆莘.人体平衡能力的静态测试[J].西安体育学院学报，2006，23(5)：72-74.

[16] GROSS M T, MERCER V S, LIN F C. Effects of foot orthoses on balance in older adults[J]. J Orthop Sports Phys Ther, 2012, 42: 649-657.

[17] SALZMAN B. Gait and balance disorders in older adults[J]. Am Fam Phys, 2010, 82: 61-68.

[18] GIACOMOZZI C, MARTELLI F, NAGEL A, et al. Cluster analysis to classify gait alterations in rheumatoid arthritis using peak pressure curves[J]. Gait Posture, 2009, 29(2): 220-224.

[19] SANCHEZ-RODRIGUEZ R, MARTINEZ-NOVA A, ESCAMILLA-MARTINEZ E, et al. Can the foot Posture index or their individual criteria predict dynamic plantar pressures[J]. Gait Posture, 2012, 36: 591-595.

[20] YEO B K, BONANNO D R. The effect of foot orthoses and in-shoe wedges during cycling: a systematic review[J]. J Foot Ankle Res, 2014, 7: 31-42.

[21] SALLES A S, GYI D E. An evaluation of personalised insoles developed using additive manufacturing[J]. J Sports Sci, 2013, 31: 442-450.

[22] Xu C, Yan Y B, Zhao X, et al.Polarographic analysis following Pemberton’s Pericapsular Osteotomy for unilateral developmental dysplasia of the hip: an observational study[J]. Medicine (Baltimore), 2015, 94(23): 932.

[23] CASTRO M P, ABREU S C, SOUSA H, et al. In-Shoe Plantar Pressures and Ground Reaction Forces During Overweight Adults' Over Ground Walking[J].Res Q Exerc Sport, 2014, 85(2): 188-197.

[24] HUDSON D. The effect of walking with poles on the distribution of plantar pressures in normal subjects[J]. PM&R, 2014, 6(2): 146-151.

[25] SACCO I C, HAMAMOTO A N, TONICELLI L M, et al. Abnormalities of plantar pressure distribution in early intermediate and late stages of diabetic neuropathy[J].Gait Posture,2014,40(4):570-574.