矯形鞋墊可幫助治療大部分足部畸形與疾病

人類最基本的特征是直立行走，以及在行走過程中產(chǎn)生一系列的生物學(xué)效應(yīng)。人類的行走，牽涉到人體全身所有環(huán)節(jié)，而作為直接接觸地面的環(huán)節(jié)——足部，在整個(gè)過程中起到了重要的作用。但是往往由于一些外界因素導(dǎo)致足部的各個(gè)部分受力不均，造成足部不適的同時(shí)引發(fā)各類足部疾病，嚴(yán)重影響我們的日常生活行動(dòng)。以臨床上常見的足部畸形疾病之一的扁平足為例，根據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，扁平足在我國青少年中占比高達(dá)25%，在運(yùn)動(dòng)員中占比高達(dá)11.7%，全球大約有10億扁平足患者。其主要表現(xiàn)為足弓塌陷或足弓缺失，扁平足實(shí)際發(fā)病率遠(yuǎn)比相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)高。我國人口調(diào)查報(bào)告顯示，近30年來青少年扁平足患者增加了約20%，給個(gè)人健康和家庭生活造成大負(fù)擔(dān)。因此，合理有效地矯正足部畸形對(duì)提高足部健康、預(yù)防足部疾病具有重要意義。

在足部疾病的防治方面，鞋類至關(guān)重要。研究表明，基于生物力學(xué)的矯形鞋墊可有效改善步態(tài)特征及足底壓力分布情況。根據(jù)國內(nèi)外足踝疾病治療指南，大部分的早期的足部畸形與疾病可以通過康復(fù)鞋墊來治療、減緩、甚至治愈。包括常見的扁平足、拇足內(nèi)外翻、后跟骨刺、長(zhǎng)短腳等常見足部疾病，甚至膝關(guān)節(jié)、骨盆與脊柱疾患也可以通過矯正力線，獲得一定療效。

以扁平足矯形為例，扁平足是臨床上常見的足部畸形疾病，其特點(diǎn)是患者站在克服自身體重時(shí)，足弓呈現(xiàn)明顯低足弓狀態(tài)，主要是內(nèi)側(cè)縱弓下陷，距骨內(nèi)旋和跖屈，前足外翻和外展，距舟骨覆蓋角度增加，使足底觸地面積較正常足增大，足底部組織相對(duì)較松弛。扁平足畸形的足底結(jié)構(gòu)改變了足的功能，給身體帶來了危害。由于下肢補(bǔ)償機(jī)制的存在，使得扁平足畸形往往伴隨著髕骨軟化病和脛骨損傷等的牽連誘發(fā)。

目前臨床上治療平足多采用矯形鞋墊，矯形鞋墊以恢復(fù)人體正常生物力學(xué)為目的, 并能適應(yīng)足踝部的解剖結(jié)構(gòu)。其在正常足的足弓部位設(shè)計(jì)的凸起, 可以支撐塌陷的足弓。在長(zhǎng)期使用中，矯正鞋墊通過為足部提供受力補(bǔ)償及調(diào)整足部受力，對(duì)足部壓力進(jìn)行重新分配?？梢栽龃笞悴渴芰γ娣e，減輕各部分壓強(qiáng)，減緩運(yùn)動(dòng)沖擊，改善扁平足足部疼痛、內(nèi)側(cè)肌肉疼痛、腱鞘炎、關(guān)節(jié)的異常運(yùn)動(dòng)等功能，從而達(dá)到預(yù)防由于受力異常產(chǎn)生的足部疾病。

為保證矯形鞋墊的矯正效果，往往需要根據(jù)每個(gè)患者足部結(jié)構(gòu)進(jìn)行個(gè)性化定制。同時(shí)，需要考慮到支撐剛度、穿戴舒適性，以及鞋墊的輕量化效果等因素影響。傳統(tǒng)的個(gè)性化定制矯形鞋墊主要是通過石膏模型制造，制作成本高昂且制造周期長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展使矯形鞋墊的設(shè)計(jì)與制造更加方便。當(dāng)前較為先進(jìn)的制造方法是由三維掃描儀獲取足部三維結(jié)構(gòu)，進(jìn)行曲面重構(gòu)后生成具有足弓特征表面的鞋墊三維模型，利用矯形鞋墊加工裝置對(duì)鞋墊坯料進(jìn)行雕刻加工。但是統(tǒng)一材料、密度往往會(huì)帶來輕量化與支撐效果之間的矛盾。

拓?fù)鋬?yōu)化與3D打印的出現(xiàn)讓輕量化矯形鞋墊變?yōu)榭赡?/strong>

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)與3D打印技術(shù)的出現(xiàn)則帶來了在保證鞋墊力學(xué)性能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)輕量化的可能性。隨著3D打印技術(shù)的成熟及點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)自身高比剛度、高比強(qiáng)度、輕質(zhì)等特性，越來越受到關(guān)注。利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)生成的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的鞋墊，不僅極大程度上釋放了設(shè)計(jì)自由度，保證鞋墊的力學(xué)性能，還可以實(shí)現(xiàn)輕量化以及緩沖吸能的效果，同時(shí)也滿足了部分有清粉工藝要求的3D打印技術(shù)。

但是，由于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)自身的特殊性，在優(yōu)化設(shè)計(jì)階段是以帶截面屬性的一維單元表示。傳統(tǒng)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)鞋墊受到設(shè)計(jì)及制造的約束，往往采用歸一化的晶胞結(jié)構(gòu)，在賦予同一的截面屬性并進(jìn)行幾何上的合并后轉(zhuǎn)化為三維模型。一方面由于設(shè)計(jì)上的約束，無法在各個(gè)區(qū)域以點(diǎn)陣疏密形式實(shí)現(xiàn)支撐剛度差異化。另一方面，由一維單元的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)到可打印的3D模型之間也存在著技術(shù)難題。因此，至今市面上未能出現(xiàn)可廣泛制造的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)個(gè)性化鞋墊。

博型科技對(duì)用戶腳部幾何模型進(jìn)行幾何清理，根據(jù)用戶輸入的體重及人體足部壓力分布規(guī)律進(jìn)行點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。而后，自動(dòng)將點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為可直接打印的STL幾何模型，同時(shí)考慮到實(shí)際打印工藝及避免打印后的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在生成幾何模型時(shí)自動(dòng)生成了倒角。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的最小構(gòu)件尺寸及間隙可根據(jù)用戶選擇的3D打印工藝進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)為了提升穿戴舒適性，為用戶提供了增加表面蒙皮選項(xiàng)。

矯形鞋墊對(duì)于足部矯形的矯形效果已經(jīng)過大量臨床試驗(yàn)證實(shí)有效，為確保設(shè)計(jì)的輕量化鞋墊符合使用要求，博型科技與國內(nèi)領(lǐng)先的醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行了合作。經(jīng)臨床案例測(cè)試驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)產(chǎn)品有助于改善患者行走步態(tài)及足底壓力分布。優(yōu)化后鞋墊質(zhì)量與初始鞋墊相比降低28.5%，鞋墊整體應(yīng)力分布均勻，最大位移值<1mm，保證了鞋墊的支撐性能滿足日常使用要求，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了鞋墊輕量化設(shè)計(jì)。

目前，矯形鞋墊適用于扁平足、糖尿病足、長(zhǎng)短腿等醫(yī)用領(lǐng)域。根據(jù)國際糖尿病聯(lián)盟（IDF）數(shù)據(jù)顯示，2017年全球約4.25億承認(rèn)患糖尿病。根據(jù)《中國居民營養(yǎng)與慢性病狀況報(bào)告（2015年）》，2012年中國18歲及以上居民糖尿病患病率更是達(dá)到了驚人的9.7%。在專業(yè)運(yùn)動(dòng)，健身等領(lǐng)域，定制化鞋墊也可以有效降低運(yùn)動(dòng)員受傷的風(fēng)險(xiǎn)。隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)足部保健的意識(shí)也愈來愈強(qiáng)烈。因此用于矯形、日常保健和運(yùn)動(dòng)防護(hù)的鞋墊和輔具需求量也不斷增大。同時(shí)仿真技術(shù)、3D打印技術(shù)、人體數(shù)據(jù)建模技術(shù)等不斷的完善發(fā)展，也將造福更多飽受足部疾病困擾的人們。