3D打印鞋垫解决足部健康痛点

曾贞 王凯 陆春华 张琴

不良足踝在人群中的分布情况

足部的生物力学结构包括足弓、足底肌肉、韧带和关节等组成部分。足部作为人体维持平衡这一闭链运动中唯一同地面接触的部分，当足部出现机能障碍时，可能会导致足弓塌陷、足底肌肉减弱或失衡，从而破坏足踝的稳定性和支撑能力。这可能会影响近端髋、膝、踝的运动，也可能会对身体的姿势控制能力产生不良影响。

（一）儿童

儿童的足部确实与成人有很大的差别，特别是在骨骼和软骨的发育方面。儿童的骨骼和软骨尚未完全发育成熟，因此他们的足部可以塑形。婴儿出生时是内八字，当成长到6 ～ 8岁时胫骨会向外转，使足部稍呈外八字。此外，不良的步态和行走姿势也可能会成为日后各种骨骼问题的隐患，例如脊柱侧弯和前凸等。

（二）青年人

有研究调查了4 6例大学生的足底压力分布情况，发现男生足外翻4 4 %，内翻8 %；女生3 3 .3 4 %足外翻，9 .5 2 %内翻。有3 4 %的学生经常感到足跟疼痛，1 4 %脚趾疼痛，2 6 %前脚掌疼痛。

（三）老年人

随着年龄的增长，人体因肌肉萎缩、肌腱退化、关节磨损等，很容易引发骨关节炎，特别是足、膝、髋、背等承重关节。上述改变常伴有躯体本体感觉降低，老人易失去平衡而跌倒。足部过度旋前或旋后引起的骨骼位置失准，导致不良的生物力学会加重上述病变。

（四）特殊人群

脑卒中、糖尿病足、下肢骨折术后等患者，常伴有足部控制不稳定、骨骼偏离中立位、生物力学不良等问题。

不良足踝会出现哪些伴随症状

一是跟腱炎。跟腱炎表现为跟腱发炎、刺痛、肿胀，原因是足部过度旋前（扁平足）或旋后（高弓足）。二者都会对肌腱产生额外的压力，异常的拉伸导致肌腱撕裂，引起发炎和疼痛。

二是足底筋膜炎。足底筋膜发炎是过度拉伸足底筋膜的结果，长时间地拉伸筋膜会产生跟骨骨刺。严重时会导致足底筋膜在与跟骨的附着点处撕裂，引起肿胀和疼痛。

三是拇囊炎。拇囊炎是指大脚趾第一跖趾关节底面及侧面关节增大，原因是较短的第一跖骨体和足部的过度旋前。症状为第一跖趾关节处疼痛，严重时拇指会与第二脚趾交叠，不能穿鞋。

四是跖骨痛。疼痛位于2 ～ 4跖骨头下方，还会有跖间麻木，严重时跖骨肿胀。原因是足部过度旋前，足跖骨下降并旋转，使足横弓消失，增加了作用于足部结构的剪切力，导致压力及疼痛的出现。

五是鸡眼。这是由于足部骨骼位移导致压力异常而引起的，大多情况是足部过度旋前或旋后。反复出现意味着足部骨骼位移未纠正。

六是膝关节痛。膝关节可以弯曲，但不能扭转，不良的生物力學会对膝关节的活动产生负面影响。当身体姿势不当、肌肉力量不平衡或运动方法不正确时，会导致膝关节扭转、错位或承受过度的压力。这种压力可能会导致疼痛、炎症和其他膝关节问题，如滑膜炎、半月板损伤或韧带损伤等。

七是髋、背部疼痛。任何足部及腿部骨骼的错位都会影响双髋及背部，导致疼痛和不适，最常见的是结构性或功能性的腿长差异。结构性腿长差异是由双腿骨骼的生理差异造成的，可以是遗传因素导致，也可以因腿骨受创而产生。功能性腿长差异的成因与多种因素有关，如骨盆扭转或下降、双脚过度旋前的程度不同或由于创伤而失去足部功能等。

传统足部矫形垫对不良足踝的纠正作用

一般认为足部矫形垫对于预防足部过劳性运动损伤具有多种可能的作用机制。首先，调整足部和下肢的力学对齐。足部矫形垫可以通过提供额外的支撑和稳定性，帮助调整足部和下肢的力学对齐。这有助于减少异常的负重和运动模式，从而降低足部过度应力和损伤的风险。其次，提高足部减震能力。足部矫形垫可以提供额外的减震和缓冲效果，减少足部在运动中的冲击和震动。这有助于减轻足部的负担，降低足部受伤的风险。最后，改善足部本体感觉输入功能。足部矫形垫可以通过调整足底的感觉输入，改善足部的本体感觉。这有助于提高足部的稳定性和运动控制能力，减少运动时的不稳定性和损伤风险。

传统矫形垫的设计和使用可以对足踝的生物力学产生积极影响。根据个体的足部解剖结构和功能需求进行定制，使足踝生物力学线处于中立位，通过控制胫骨的扭转来帮助足部保持中立位，从而减少过度旋前或旋后对肌腱的拉伸。理想状态下，穿戴一段时间后能改善姿势控制能力，减轻与足部问题相关的疼痛和不适。传统矫形垫还可以通过支撑足部和调整姿势来改善膝关节和骨盆的状况。例如，对于扁平足患者来说，矫形鞋垫可以提供额外的支撑和稳定性，帮助调整足部的姿势和运动模式，从而减少膝关节的扭转，缓解膝关节疼痛。

然而，传统足部矫形垫的设计和生产模式确实没有考虑到对个体足部的完美贴合和姿势控制的改善。矫形鞋垫的使用效果因人而异，对于一些人来说可能会有明显的改善，而对于其他人来说可能效果有限。目前足部矫形垫是康复科常用的一种手段，然而我国足部矫形垫在足部畸形、膝关节畸形、慢性病合并足溃疡中的运用起步较晚。

3 D打印鞋垫的优势和应用

近年来，随着3 D打印技术在综合数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等各领域的快速发展，被誉为“第三次工业革命”来临。由于其具有加工精度高、制造周期短、材料多样等特点，能够制造出任何复杂的结构，已被广泛应用于航空、汽车、电子制造、生物工程和医学、服装和首饰设计、建筑及个性化产品创作等领域。

根据计算机辅助设计的三维模型数据，通过叠加式制造工序，逐层自动打印与数学模型完全一致的三维实体模型，学术上称为添加制造技术，也称增材制造技术。随着该技术的发展，3 D打印鞋垫的应用也逐渐得到重视。3 D打印个性化定制鞋垫能够有效帮助扁平足、高弓足、内外翻足、糖尿病足等人群改善足部功能、缓解足部压力，辅助达到矫正足部畸形、缓解疼痛的作用。

具体如何制作呢？研究者先对无负重状态下的足底进行扫描，取坐姿中立位可避免站位时因体重过重导致的足弓塌陷，难以获取理想的足弓数据。在患者双小腿后侧下1 /3、跟腱、足跟处标记3个中点，画一连线。让患者将双足分别放入扫描区域内，保持第二趾骨对准前方黑色标识线，双脚分开与肩同宽，双手自然放置于大腿上，目视前方。摆放跟骨中立位时，要求患者调整踝关节位置，使之垂直对准膝盖；患者通过足踝内或外翻，调整跟骨与胫骨的后线位置，观察小腿后侧连线是否与扫描仪激光的红线重合，如重合即判断为跟骨中立位。

完成以上流程后计算机会结合足底压力数据，制作出雏形鞋垫，与目前使用的一体化均质鞋垫相比，计算机通过减小足底各区域间的压力差，选择不同填充率的方法和材料，在鞋垫的不同区域实现不同的密度匹配。制作流程：双侧足部信息采集→鞋垫3 D M A X模型设计→打印材料选择→网格填充设置→打印成品→适配反馈。这样一来，根据患者足底压力分布情况，将更多的支撑和缓冲材料放置在需要的区域，有效缓解足部疼痛，提供更好的支撑和减压效果。根据需要改变足弓和足跟的高度，能更精准地矫正患者站立和行走时的身体力线异常，减少足部异常受力，增加足部行走时的舒适性。根据患者个性化需求，提供更优化的外观设计，能同时满足患者对美观度、隐蔽性和穿戴体验感的要求。