结合步态分析与有限元建模以优化跟骨溃疡的减压鞋垫

为何保护足跟至关重要

对于糖尿病患者而言，足跟上的一个小溃疡可能演变为难以愈合的严重创面，甚至导致截肢。此类足跟创面称为跟骨溃疡，通常由立立或行走时足跟承受的高压驱动。本研究关注一个看似简单的问题——我们如何在鞋垫内为足跟开出空腔——并表明该空腔的具体形状和尺寸会对保护脆弱皮肤并防止溃疡复发产生重大影响。

每一步都是损伤的来源

行走时，足跟是脚掌首先着地的部位，瞬间承受超过体重一半的重量。糖尿病患者常伴有神经损伤，会减弱疼痛感，因而危险的压力水平可能无人察觉。随着时间推移，这种反复的负荷会压迫微小血管，使组织缺氧并导致皮肤破坏，形成疼痛、难以愈合且对医疗系统代价高昂的溃疡。减压——将压力从高风险区域转移开——已是糖尿病足治疗的核心策略。然而，尽管临床上使用切口和柔软材料制作鞋垫，关于哪种切口形状在足跟下效果最好，令人惊讶地缺乏确凿证据。

测试不同的空腔形状

研究者关注了三种简单几何形状的足跟下空腔（或“空洞”）：圆柱、球体和圆锥。每种形状测试三个尺寸：比常见临床尺寸小50%、常见尺寸以及大50%。所有鞋垫均由相同的缓冲泡沫制成，并根据计算机辅助设计精密铣削，因此唯一变化的是空腔的形状与尺寸。一名健康志愿者先赤脚行走，然后分别穿戴每种鞋垫在压力感测平台上行走，研究组据此测量在自然行走过程中各设计如何重新分配足底压力。

将真实行走与计算模型结合

皮肤表面压力的测量只能说明一部分情况。一款能显著降低足跟表面压力的鞋垫，仍可能在内部产生危险的应力，导致开裂、变形或支撑力下降。为了解决这一点，作者将步态测量数据与称为有限元分析的详尽计算模拟相结合。利用对泡沫材料的实际测试来建立模型，他们计算了在行走的两个关键时刻——足跟着地瞬间和足跟完全承载期间——每种空腔形状与尺寸如何改变鞋垫内部的应力与变形。

对足跟有利的设计与使鞋垫受压的设计

行走测试显示，与赤脚行走相比，三种空腔形状均能降低峰值压力，但效果并不相同。圆锥形空腔产生的降幅最大，能将双脚的足跟峰值压力约降低三分之一。球形空腔表现几乎相当，而圆柱形空腔则提供了较小但稳定的减压效果。然而计算模型揭示了一个权衡：较大的圆锥形和球形空腔往往在泡沫内部产生高且集中的应力，可能缩短鞋垫寿命或导致性能衰退。尤其是较大直径的圆柱形空腔能够更均匀地分散应力，使内部受力更低且更可预测，尽管它们对皮肤表面峰值压力的降低不如前两者激进。

为患者找到实用的平衡点

综合来看，结果表明并不存在单一“完美”空腔形状；相反，每种形状在即时保护与长期耐久性之间提供不同的平衡。对于需要最大短期压力缓解的严重或顽固足跟溃疡，圆锥形空腔可能最为有效，但可能需要更密切的监测和更频繁的更换。球形空腔提供了折衷方案，兼具较强的减压能力与较有利的内部应力分布，适合较长期使用。圆柱形空腔则表现出最稳健且可预测的行为，可能适用于更广泛的临床应用或风险区域较大的患者。尽管这项可行性研究仅使用了一名健康志愿者，但它展示了一种强有力的方法——将真实世界的步行数据与计算建模结合——以设计更智能、针对患者的鞋垫，从而更好地保护脆弱的足跟。

引用: Karatoprak, A.P., Aydin, L. Combining gait analysis and finite element modeling to optimize offloading insoles for calcaneal ulcers. Sci Rep 16, 6383 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35750-9

关键词: 糖尿病足溃疡, 足跟压力, 减压鞋垫, 步态分析, 有限元建模