使用STAMPS3D测量足底负荷：关于轮廓矫形器影响的初步研究

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Measuring plantar load with STAMPS3D: a preliminary study on the impact of contoured orthoses

糖尿病足溃疡（DFU）的预防需要优化矫形鞋垫设计。本研究开发STAMPS3D系统，通过3D数字图像相关（DIC）技术测量足底应变，分析不同硬度鞋垫对足底压力和剪切应力分布的影响。实验显示，低和高硬度鞋垫在足底特定区域（如趾间、跖骨）产生显著应变差异，且峰值应变与压力测量存在中等相关性（rho=0.52）。该系统为个性化DFU预防提供新工具。

　　糖尿病相关足部疾病，特别是足部溃疡（DFU）已成为全球范围内的一个严重健康问题。随着糖尿病患者数量的持续增长，预计到2045年，全球糖尿病患者将达到7.83亿，而足部并发症的发生率也随之上升。据统计，约有25%的糖尿病患者在其一生中会发展为足部溃疡，且这些溃疡往往难以治愈，约有20%的患者在一年内无法愈合，50%的患者在溃疡愈合后五年内会再次出现。足部溃疡不仅对患者造成极大的痛苦和生活影响，也给医疗系统带来沉重的经济负担。例如，在英国，仅2014-2015年间，足部溃疡相关的医疗费用就高达10亿英镑，占国家医疗服务体系（NHS）年度预算的约0.9%。因此，预防和管理糖尿病相关足部疾病成为医学研究和临床实践中的重要课题。

在临床干预中，定制足弓支撑的矫形鞋垫（contoured orthoses）被广泛用于降低足部高负荷区域的压力，从而预防足部溃疡的发生。这类鞋垫通常通过设计不同的结构特征，如足弓支撑、减压凹槽、跖骨垫和材料密度变化来实现减压效果。然而，现有的研究主要依赖于足底压力测量来评估鞋垫的效能，并指导个体化的调整。尽管这些测量技术在科研领域已有广泛应用，但目前尚无一种能够同时测量足底压力和剪切应力的鞋内测量工具。这使得对足部载荷的全面理解受到限制，特别是在评估剪切应力对溃疡形成的影响方面。

为了解决这一问题，研究人员开发了STAMPS3D系统，这是一种基于数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）技术的新型测量工具。该系统能够记录足底在行走过程中的累积应变，从而间接反映足底压力和剪切应力的变化。与传统的传感器系统不同，STAMPS3D不需要实时采集数据，而是通过分析足底应变分布，提供高空间分辨率的测量结果。这种非接触式的测量方法不仅适用于不同形状和大小的鞋垫，还能更全面地捕捉足底的载荷情况，特别是在非平面鞋垫的应用中，其优势尤为明显。

本研究通过一项概念验证实验，评估了STAMPS3D系统在测量不同硬度定制鞋垫下足底应变分布的可行性。实验对象为五名健康的志愿者，他们被要求在三种不同的鞋垫条件下行走：低硬度鞋垫、高硬度鞋垫以及标准平面鞋垫。研究发现，不同硬度的鞋垫对足底应变分布产生了显著影响。在低硬度鞋垫条件下，足底应变最高出现在脚趾3-5、第五跖骨头（5th MTH）和脚跟区域。而在高硬度鞋垫条件下，应变峰值则主要集中在脚趾3-5、第五跖骨头和脚跟。相比之下，标准平面鞋垫下的应变峰值则出现在大脚趾（hallux）、第一跖骨头（1st MTH）和第五跖骨头。这些结果表明，鞋垫的硬度和设计特征在影响足底应变分布方面起到了重要作用。

进一步的分析显示，不同区域的应变水平存在显著差异。例如，在足弓区域，高硬度鞋垫条件下应变值明显高于低硬度鞋垫，而脚跟区域则在所有条件下都显示出较高的应变水平。这可能是因为高硬度鞋垫在足弓处提供了更强的支撑力，导致局部压力重新分布，而脚跟区域由于鞋垫边缘的提升，与足底接触更加紧密，从而增加了应变。此外，脚趾区域的应变变化也与鞋垫的硬度密切相关。在低硬度鞋垫条件下，脚趾区域的应变值明显低于高硬度鞋垫，这可能与材料的柔软性有助于分散足底压力有关。

值得注意的是，尽管应变值和足底压力值之间存在一定的相关性，但它们并不总是完全一致。例如，在某些区域，尽管足底压力较低，但应变值却较高，这表明剪切应力可能在这些区域发挥了更大的作用。这种现象在糖尿病患者中尤为常见，因为足部神经病变可能导致患者对足底压力和剪切应力的感知能力下降，从而增加了溃疡的风险。因此，全面测量足底载荷的各个组成部分，如压力和剪切应力，对于准确评估鞋垫的减压效果至关重要。

此外，研究还发现，STAMPS3D系统在测量过程中存在一定的局限性。首先，该系统需要较长时间进行数据采集和处理，这可能影响其在临床实践中的应用。其次，由于测量的是累积应变而非实时数据，因此无法捕捉到足底载荷的动态变化。不过，这些局限性并不妨碍STAMPS3D系统在科研领域的应用，尤其是在探索鞋垫设计对足底载荷的影响方面，其高空间分辨率和非侵入性测量方式具有显著优势。

未来的研究将重点解决这些问题，包括优化数据采集和处理流程，提高系统的临床适用性。例如，研究人员计划开发更高效的图像处理算法，以减少分析所需的时间，同时保持高分辨率。此外，还将探索将STAMPS3D与电子传感器系统结合使用，以实现对足底载荷的全面监测。这种结合可能为临床提供更精确的足底载荷数据，从而帮助医生更有效地制定个体化的治疗方案。

总的来说，STAMPS3D系统的开发为糖尿病足部疾病的研究和预防提供了新的工具。通过测量足底应变，研究人员能够更全面地了解不同鞋垫设计对足底载荷的影响，进而优化鞋垫的结构和材料选择。这项研究不仅为科研人员提供了宝贵的数据支持，也为临床医生提供了新的评估手段，有助于更准确地预测足部溃疡的风险，并制定有效的预防措施。未来，随着技术的不断进步和临床应用的深入，STAMPS3D有望成为糖尿病足部疾病管理中的重要工具，为患者提供更安全、有效的足部护理方案。