糖尿病人群自然步态下足底压力分布研究

张建国 ，卜月丽，王 芳 ，黄玲晓，李雪梅

(1. 天津科技大学机械工程学院，天津 300222；2. 天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室，天津 300222；3. 天津医科大学代谢病医院，天津 300070)

糖尿病是指以慢性高血糖为特征的代谢性疾病，随着糖尿病患者数量不断增多，各种糖尿病并发症患者数也相应增加，而糖尿病足病是糖尿病最常见的并发症之一，会导致患者足部发生溃烂、坏疽甚至截肢，具有发病率高、致残率高、医疗费用高等特点，严重影响患者的生活质量[1]．有学者发现糖尿病患者的足底受压时间较正常人延长，这可能是糖尿病患者易发生足底溃烂与坏疽的原因[2]．Lepantalo等[3]确定了足底压力的异常升高和周围神经病变是导致糖尿病足最常见危险因素．Frykberg等[4]测量了251例糖尿病人群的足底压力，发现足压异常升高易导致足溃疡的发生．国外有通过减轻足底压力来预防糖尿病足溃疡发生的研究，并提出使用特制的跑鞋来预防糖尿病患者因足底压力异常造成的足溃疡[5–6]．降低糖尿病足截肢率的关键在于预防足底溃疡的发生，而预防足溃疡的关键是要延缓足底压力的异常升高，因而对于糖尿病患者足底压力分布情况的研究具有十分重要的意义[7]．国内学者主要研究糖尿病患者与正常受试者之间足底压力变化情况[8]，为进一步分析异常足底压力在糖尿病足病变过程中的影响，本研究细化了研究对象，旨在探讨健康人、糖尿病非足病患者、糖尿病足病患者在自然行走步态下足底压力分布特点及差异性，通过实验数据分析，为糖尿病足的临床预防与治疗以及为糖尿病足减压鞋的设计与研发提供实验依据与数据参考．

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本研究招募了 115名患者：83名糖尿病非足病患者(diabetes mellitus，DM)，32名糖尿病足病患者(diabetic foot，DF)．受试者均自愿参加此次实验，且对此研究知情、同意，并签署知情同意书．参与实验的糖尿病患者在稳定代谢控制下均诊断为糖尿病.所有受试者的纳入标准：①下肢无严重行走功能障碍者；②无严重足部骨性畸形者；③精神状态良好能积极配合者．另外，55名正常健康志愿者(normal control，NC)作为匹配对照组参与了本研究．

1.2 研究方法

本实验采用了美国T&T medilogic 5.8.1鞋垫式足底压力检测系统，鞋垫内有覆盖整个足部的240个传感器，传感器可以完整记录足部动态和静态压力分布情况．

实验对受试者的基本信息进行采集，并计算了受试对象身体质量指数(body mass index，BMI)．本实验配备统一的平底布鞋和袜子，受试者以自然步态行走 10m 距离，通过该系统收集数据．研究将足底分为 10个足区，分别是足跟外侧(HL)、足跟中部(HC)、足跟内侧(HM)、中足区(MF)、第 1—5趾骨(M1—M5)以及脚趾区(T)．本研究在黄玲晓[9]研究基础上对受试者足部冲量百分比、峰值压力、包络压力中心点95%椭圆置信面积等参数进行分析研究．

1.3 统计学方法

本研究中，用 SPSS 22.0软件进行统计分析，将数据进行 z-score标准化处理，然后对数据进行单因素方差分析，用 Dunnet法进行显著性检验，当 P＜0.05时，表示差异有统计学意义．

2 结果与分析

2.1 受试对象基本情况比较

受试对象基本情况见表 1．分析显示，受试者年龄之间差异无统计学意义(P＞0.05)．DM、DF组的BMI较 NC组有所升高，差异有统计学意义(P＜0.05)，认为可能是糖尿病患者本身长期的日常生活环境与饮食习惯等综合因素造成的，是糖尿病患者群体的普遍特征．

表1 受试对象基本情况()Tab. 1 Basic information of the subjects()

表1 受试对象基本情况()Tab. 1 Basic information of the subjects()

注：*表示DM、DF组与NC组比较，P＜0.05．

分组 性别 例数 年龄 BMI NC 女 33 54.95±17.28 22.93±2.51*男 22 57.95±19.44 23.93±2.61*DM 女 34 61.50±8.930 27.11±3.82*男 49 57.50±13.41 26.46±3.06*DF 女 10 59.20±6.750 25.12±2.91*男 22 58.78±13.50 26.81±3.49*

2.2 各足区冲量百分比的组间差异分析

足底各区域冲量百分比情况见表 2、表 3．足部10个区域的冲量百分比的变化位置如图 1所示(红色表示与NC组相比DM/DF冲量百分比升高，绿色表示降低)．与NC组相比，DM组男性左足HL区的冲量百分比有所减小；男性左足 M2—M4区、T区，右足 M2、M3区，女性左足 M1—M5区，右足 M1—M3区的冲量百分比有所增大，差异有统计学意义(P＜0.05)．与 NC 组相比，DF组男性左足 HC、HL区，右足 HM、HL区，女性左足和右足 HC、HL区的冲量百分比有所减小；男性左足MF、M2—M4区，右足 MF、M2、M3区，女性左足 MF、M1—M3区，右足MF、M2—M4、T区的冲量百分比有所增大，差异有统计学意义(P＜0.05)．与 DM 组相比，DF组男性左足和右足、女性左足和右足的冲量百分比均在MF区有所增大，增幅在 50%～110%，差异均有统计学意义(P＜0.05)．其余区域的冲量百分比组间差异均无统计学意义(P＞0.05)．

表2 各组左足足底各区域冲量百分比情况()Tab. 2 Percentage of impulses of the left foot in each group()

注：*表示DM、DF组与NC组比较，P＜0.05；△表示DF组与DM组比较，P＜0.05．

分组 HM HC HL MF M1 M2 M3 M4 M5 T冲量百分比/%NC 女 23.9±5.3 15.3±3.1 37.8±6.0 4.7±2.5 3.3±3.1 2.7±2.0 2.3±1.2 2.7±1.1 4.0±2.3 3.3±2.9男 23.8±6.1 13.0±3.8 32.9±10.8 5.1±3.2 6.2±5.8 4.1±3.8 2.6±1.8 3.9±1.9 5.7±3.1 2.8±2.5 DM 女 23.3±4.9 12.9±2.8 33.2±6.92 5.01±1.8 5.6±3.2* 4.5±2.2* 3.2±1.4* 3.7±1.4* 5.8±2.6* 2.7±2.1男 21.0±5.4 9.5±3.0* 27.9±7.2 5.7±3.3 8.0±4.9 6.2±3.4 4.3±1.8* 5.1±1.7* 7.4±3.2 4.9±3.9*DF 女 22.6±7.7 12.0±3.4* 29.0±6.7* 8.6±5.7*△ 5.8±3.9* 5.7±3.8* 3.7±1.8* 3.5±1.2 5.8±2.9 3.3±3.1男 20.1±7.9 10.0±4.3* 23.3±7.8* 11.7±12.8*△ 6.9±4.5 7.5±4.6* 4.6±2.5* 5.2±2.4* 7.1±3.9 3.5±2.9

表3 各组右足足底各区域冲量百分比情况()Tab. 3 Percentage of impulse of the right foot in each group()

表3 各组右足足底各区域冲量百分比情况()Tab. 3 Percentage of impulse of the right foot in each group()

注：*表示DM、DF组与NC组比较，P＜0.05；△表示DF组与DM组比较，P＜0.05．

分组 HM HC HL MF M1 M2 M3 M4 M5 T冲量百分比/%NC 女 25.5±8.7 11.0±3.7 25.4±8.2 7.7±3.1 6.4±4.1* 6.9±4.0* 2.5±1.9 2.9±1.5 5.6±3.2 3.5±2.3男 26.2±6.7 11.2±3.9 28.2±11.1 8.2±4.7 5.3±3.5 4.1±2.6 2.8±1.6 3.6±1.6 7.3±3.1 3.3±2.4 DM 女 24.1±6.8 11.0±3.7 25.4±8.2 7.7±3.1 6.4±4.1* 6.9±4.0* 3.9±1.6* 3.7±1.4 7.0±3.4 3.8±1.9男 22.6±5.3 8.5±3.0 22.9±7.3 8.3±3.8 8.0±4.8 6.9±3.4* 4.4±1.8* 4.8±1.6 9.1±3.7 4.5±2.1 DF 女 23.9±3.9 8.5±3.2* 19.6±9.6* 13.3±6.4*△ 6.6±4.4 7.7±3.0* 4.7±2* 3.9±1* 6.2±2.4 5.4±2.9*男 21.5±7.3 9.2±4.7 20.5±8.9* 12.4±6.8*△ 7.4±7.9 7.9±6.3* 4.4±2* 4.4±2.4 7.4±4.2 4.9±4.8

图1 足部10个区域的冲量百分比的变化位置Fig. 1 Position change of the impulse percentage of the tenth zone of the foot

2.3 各足区峰值压力的组间差异分析

各组足底各区域峰值压力情况见表 4、表 5，各组在差异性显著足区峰值压力变化情况见图 2．与NC 组相比，DM 组男性左足 M1—M5、T区，右足M1-M4、T区，女性左足 M1—M5区，右足在 M1—M4区的峰值压力有所升高，差异有统计学意义(P＜0.05)．与 NC组相比，DF组男性左足 MF、M2—M5区，右足 MF、M2、M3区，女性左足 MF、M1—M5区，右足 MF、M1—M4、T区的峰值压力有所升高，而女性右足HL区峰值压力有所降低，差异有统计学意义(P＜0.05)．与DM 组相比，DF组男性左足和右足、女性左足和右足的峰值压力均在 MF区有所升高，增幅在 70%～115%，差异均有统计学意义(P＜0.05)．其余区域的峰值压力组间差异均无统计学意义(P＞0.05)．

表4 各组左足足底各区域峰值压力情况()Tab. 4 Peak pressure in each area of the left foot()

表4 各组左足足底各区域峰值压力情况()Tab. 4 Peak pressure in each area of the left foot()

注：*表示DM、DF组与NC组比较，P＜0.05；△表示DF组与DM组比较，P＜0.05．

DF 女 204.5±70 106.3±24 258.1±43 90.9±75*△ 88.1±79* 87.2±59* 52.1±34* 42.8±24* 65.2±34* 49.2±52男 265.8±133 131.4±70 296.5±127 144.6±136*△ 131.3±119 144.1±109* 88.6±65* 89.5±61* 109.6±71* 70.6±72

表5 各组右足足底各区域峰值压力情况()Tab. 5 Peak pressure in each area of the right foot()

表5 各组右足足底各区域峰值压力情况()Tab. 5 Peak pressure in each area of the right foot()

注：*表示DM、DF组与NC组比较，P＜0.05；△表示DF组与DM组比较，P＜0.05．

分组 HM HC HL MF M1 M2 M3 M4 M5 T峰值压力/N NC 女 185.2±78 94.8±35 227.9±73 62.8±35 44.9±42 48.5±72 28.5±30 25.9±18 48.9±34 35.5±26男 266.9±102 111.6±65 275.3±153 78.3±43 71.9±49 66.4±46 39.1±25 39.1±19 73.3±39 52.7±44 DM 女 213±77 96.1±39 217.4±82 73.4±31 96±73* 119.3±81* 58.9±33* 46.5±23* 87.2±59* 59.2±36男 256.7±69 95.2±37 250.8±93 84.6±44 164.6±118* 139.9±82* 77.8±45* 70.2±39* 109.3±55 89.9±52*DF 女 233.2±85 79.8±39 172.9±91* 124.7±69*△ 108.2±76* 132.8±98* 64.3±43* 48.7±24* 78.9±49 94.2±61*男 265.9±93 109.6±60 240.6±114 148.5±87*△ 126.3±108 132.9±99* 72.1±50* 64.4±43 98.2±66 88.8±103

图2 各组在差异性显著足区峰值压力变化情况Fig. 2 Group peak pressure changes in the foot zone with significant differences

2.4 各组包络压力中心点95%椭圆置信面积的比较

各组包络压力中心点 95%椭圆置信面积统计结果见表6．NC组与DF组、DM组与DF组之间差异有统计学意义(P＜0.05)，表现为 NC组＞DM 组＞DF组．

表6 各组包络压力中心点95%椭圆置信面积统计结果Tab. 6 Statistical results of 95% confidence ellipse of the center pressure

3 讨 论

冲量指的是压力-时间积分，反映的是某足区在一定时间内压力连续作用所产生的积累效应[10]．有相关研究[11]表明，在评价足底所承受压力负荷时，冲量较单纯的峰值压力更有说服力．本研究结果显示，与NC组相比，DM组、DF组前足的冲量百分比主要在M2—M5区有所增大，集中表现在M2、M3区，多数足区增幅在 50%～80%，有的足区高达 130%．与NC组相比，DF组足跟的冲量百分比在HC、HL等足区降幅在 15%～30%．当患者发展到足病以后，足底压力向中足区转移．

自然行走步态下糖尿病患者足底冲量百分比在足跟部位显著减小，在跖骨部位尤其是第二、三跖骨区显著增大．有研究[12]表明，糖尿病溃疡患者在脚趾区和中足区的压力-时间积分显著高于健康人和非溃疡患者．这与本研究DF组的冲量百分比在MF区高于 DM 组、NC组的结论一致，其他观点因为对比分析的人群分组不同产生了一定的差异．Kwon等[13]研究发现，如果糖尿病患者前脚掌的足压力升高并在时间维度上长期积累，会导致患者足部感觉缺失，易出现炎症和感染，进而导致溃疡．

峰值压力是反映足底压力分布的重要指标，其大小和部位对于足部疲劳的积累和损伤的发生具有重要影响[14]．本研究表明：三组峰值压力存在显著性差异的足区主要集中在前足M1—M5区、T区等，表现为 DM 组、DF组较 NC组峰值压力均显著升高．跖骨区是压力主要升高的部位，升高百分比多数在60%～100%，有的足区高达 140%，表明糖尿病患者峰值压力向前脚掌的趾骨部位转移．相关学者的研究也证明了这一点，Hastings等[15]研究表明，压力性溃疡更易发生在前足部位跖骨区．李世光等[16]测量了糖尿病神经病变患者与健康受试者的足底压力，发现患者组的足底峰值压力在第 2、3、5跖骨区明显高于健康组．Ledoux等[17]研究发现跖骨部位易发生溃疡与该区域压力异常升高有关．

本研究中，DM组与DF组存在显著性差异的足区主要在 MF足区，这与张勇等[12]研究发现足溃疡患者的峰值压强在 MF区显著高于非溃疡患者的结论具有一致性．由于糖尿病足患者的跖骨区压力异常升高，发生溃疡，患者在行走过程中为减少疼痛和缓解溃疡，有意避开发生溃疡的跖骨部位使之免于受压，如此压力便向中足区转移，久而久之，DF组相较于DM组足底峰值压力在MF区显著升高[18]．

本研究通过包络压力中心点 95%椭圆置信面积评价受试者在自然步态下身体的摇摆幅度与灵活性.这一参数广泛用来评价受试对象完成某一实验动作过程中身体的晃动幅度，一般情况下，椭圆面积与身体动作幅度呈正相关．本研究表明，包络压力中心点95%椭圆置信面积变化趋势为 NC组＞DM 组＞DF组，其中DF组与其他两组有差异性且下降趋势更加明显，发生这种变化的原因是糖尿病限制了患者的行走动作，使灵活性大大降低．

4 结 语

糖尿病患者在自然行走过程中，足底冲量百分比与足底峰值压力明显向前足跖骨部位转移，糖尿病足患者又向中足区转移，且行走时身体稳定性降低．因此，在糖尿病足的临床预防与治疗中，应着重对跖骨部位进行减压干预，降低糖尿病患者足部溃疡、坏疽等症状的发生概率．