足踝矯形器及其生物力學影響

足踝部異常除導致疼痛、畸形及運動障礙外，還可進一步影響膝關節、髖關節、骨盆和脊柱等的正常功能。足踝矯形器是以非手術方法解決足踝問題的穿戴器具。常見足踝矯形器包括鞋墊、足弓支撐、局部足墊、護踝等及類似產品。局部足墊是最簡單的矯形器，放置于腳底常用以緩和前足痛。其存在多種樣式、形狀及大小，如圓形或者環形墊用以減緩胼胝或雞眼受壓。鞋墊放置于鞋子內部，可治療包括關節炎和扁平足等在內的多種足部問題。市面可購買到多種型號和尺寸的成品來滿足需求，特殊需求需要進行個性化定制。其軟硬度范圍較廣，最終目的為預防或矯正足部功能異常或畸形，為人體提供穩固的基底支撐。但矯形鞋墊置入鞋內后改變鞋子支撐狀態，可能引起疼痛或者應力增加，通常需要進行局部調整和適應期才能與鞋子成為一個整體的功能單元。

踝-足矯形器（ankle-foot-orthoses，AFO）主要控制參數為踝關節的運動范圍，用于緩解或治療踝關節炎、足下垂及肌腱炎等，也可用于長期臥床者保護足踝功能預防肌骨病變。典型的護踝矯形器呈L型，從膝蓋下緣覆蓋至足部跖骨頭。其主要作用是固定關節正常功能位避免韌帶異常拉伸，牽拉肌腱對抗肌肉攣縮，以及代償部分肌無力，適用于控制有各種神經系統或肌骨系統病變引起的足下垂。運動中的足踝矯形器可以提高足踝穩定性，在步態擺動期使腳趾與地面之間保持間隙，降低腳趾拖地引起的摔倒風險。根據制作方法和功能不同，材料可以包括熱成型塑料、金屬、皮革及碳復合材料。足踝矯形器可使用于從幼兒至老人所有年齡段，是應用最廣泛最常見的矯形器。

足踝矯形器作為人體外部輔助設備幫助人恢復或者加強身體局部的結構和功能缺陷，其影響范圍包括足踝、下肢、骨盆甚至脊柱。其相關的生物力學參數主要包括關節運動及受力、肢體對線、接觸界面應力等，通過調節這些參數改善人體運動的能動性、穩定性和協調性。

足踝矯形器對足踝的影響。足底支撐類及關節包裹類矯形器對足部的最直接影響是應力分布以及足踝內外反角度。在緩解足底疼痛類問題時，局部足底支撐影響限制在疼痛區域應力分布，對足踝或以上部分的運動影響甚微。治療足內外翻類問題的鞋底支撐矯形器，如外側或內側楔形鞋墊可以影響足踝關節運動和角度，如減小足外翻，甚至足踝以上部分。矯形器設計形式、材料和鞋內放置方法不同對足踝生物力學將產生不同影響，也因此在矯形器對后足運動是否造成顯著性影響問題上存在爭議。通常內側楔形鞋墊放置在后足區域，配合足弓支撐治療后跟外翻或過度旋前問題，但近期研究表明，放置在前足或后足都會對過度旋前運動產生影響，前足的旋前會導致后足外翻增加甚至髖關節內轉。有數據表明內側墊放置前足和后足都會減小足外翻角度和速度；Nigg等則認為內側楔形鞋墊僅可以降低旋前初期的足外翻，且后側放置比前足放置這一效果更加明顯；亦有不同觀點稱后足角度不會影響外翻的角度和時長。骨骼運動的監測受到包裹軟組織的影響，矯形器的定量化影響作用并不易通過運動分析精確評估。為了消除軟組織的在運動監測時造成的誤差，有研究把運動檢測點訂入骨頭替代貼在皮膚或鞋子表面，更加精確和定量化評估了內側支撐矯形器對后跟外翻和脛骨轉動的影響作用。

受定制 AFO 被廣泛用于補償跖曲肌肉功能，其有效性與產品的彎曲剛度緊密相關，而彎曲剛度的選取則取決于跖曲肌肉的活動度。跖曲肌在步態的支撐期為足踝提供穩定的上提和向前推進的力量，減少踝關節能量損耗，尤其在支撐期后期腳跟提起時控制小腿的穩定。當足底與地面全接觸時，踝關節是距骨同小腿之間的旋轉中心，此時距下關節運動幫助減小踝關節應力。跖曲肌弱化造成小腿失衡，呈現出屈膝步態、步長減小及步速降低等問題。對正常人佩戴AFO進行運動分析發現佩戴者跖曲肌的發力時間被提前，對于病人來講跖曲肌提前發力并不可行，因此調用其他肌肉用更復雜的機制補償該跖曲需求。有數據表明，AFO能夠增加步態支撐期、足趾離地期以及擺動期的最大背曲量，在動力學方面AFO通過增加足底壓力中心的路徑長度降低了踝關節承載力矩。雖然臨床研究證實AFO能夠增強患側承重能力以及改善膝踝運動功能，但尚未充分證明 AFO 可以改善髖關節運動學及其他關節動力學及肌肉力等。

足踝矯形器對下肢的影響。膝關節的軸向對線維持關節以上身體垂直方向平衡，其影響因素包括最大內收力矩及冠狀面運動，膝關節內收力矩也是影響膝關節載荷的重要參數。外側楔形鞋墊是非手術方法治療膝關節炎的重要矯形器之一，其通過調整足部骨頭位置以及關節對線來降低膝關節內側壓力。實驗發現外側楔形鞋墊能夠減小冠狀面膝關節內收力矩從而降低膝關節炎的惡化風險，但關節疼痛緩解作用并不優于普通平墊。如果伴隨其他足踝問題，干預方法還有鞋型鞋墊加內側足弓支撐、單獨足弓支撐以及吸震鞋墊。但數據表明，外側鞋型鞋墊加內側足弓支撐對冠狀面膝關節最大內收力矩并無明顯影響 ，對冠狀面踝關節和距下關節有較大影響。而單獨內側足弓支撐和單獨吸震鞋墊干預則不會對膝關節內收力矩產生影響。內側楔形鞋墊用于治療身體對線異常綜合癥，數據證明其能夠增加膝關節內收力矩和角度，但對膝關節內收的運動學參數無明顯影響。Meadows在AFO對下肢生物力學影響方向的研究中較為全面闡述了AFO對青少年步態的影響，參數包括了地面反力作用位置和方向及步態周期參數，并指出 AFO 通過降低膝關節過度伸展和加強髖關節伸展增加了下肢的推進作用。在足跟觸地期AFO能夠顯著減小膝關節內收力矩，增加膝關節的屈曲幅度和力矩，最大屈曲值在單腳支撐期也顯著增加。膝關節的最大伸展角度在支撐期有顯著性增加，但在擺動期則不產生影響。

足部矯形器對步長、步幅及步態對稱性產生顯著性影響，對小腿肌肉活動產生肌肉活動時段產生影響，但對肌肉活動度的影響作用在很多研究中發現并不明顯。由距下關節內翻引起的小腿癥狀患者在足部矯形器干預下，脛骨前肌、腓骨長肌及腓腸肌在步態過程中的肌電信號發生變化，脛骨前肌的作用時長顯著性增加，而三組肌肉的活動度無明顯差別。在對下肢痛的緩解治療研究中，下肢肌肉股二頭肌和脛骨前肌的活動度在足部矯形器干預后情況后發生顯著性變化，分別降低11.1%和增加 37.5%，而內側腓腸肌、股內肌及股外肌的活動度則無明顯變化。在AFO對肌肉活動的影響研究中已經證實AFO能夠減少中風康復者的步行期間的能量損耗、增強患側承重能力以及改善膝踝運動功能，但尚未充分證明 AFO 可以改善髖關節運動學、及其他關節動力學及肌肉力等。

足踝矯形器對骨盆及脊柱的影響。足部矯形器對下肢異常生物力學的改變被進一步用以治療骨盆、脊柱及以上部位的對線或病痛。盆骨向上承接頭部和軀干與髖關節相互作用，向下動態連接雙側下肢，是身體對線和運動體系的重要組成部分。盆底肌肉活動的對稱性可以影響盆骨對線，進一步引起足底應力分布變化，反之亦然，足底壓力分布調整優化也有利于盆骨的對稱性。足部矯形器被用于治療人體對線異常綜合癥，可改變下肢動力學參數來恢復脊柱和骨盆的正常功能和結構。

從臨床和理論層面，足部矯形器被認為能夠改變疼痛區域肌肉活動度來緩解疼痛，也被作為治療下腰痛的手段之一。研究已經通過評定疼痛等級的方法證明足部矯形器對下背痛的緩解作用以及提高髖關節外展力矩的對稱性。通過測量分析步態過程中背部肌肉的肌電信號，研究人員發現楔形鞋墊對肌肉活動程度沒有明顯影響，但卻可以改變背部肌肉的活動時段。

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