CN110652070A

CN110652070A - 一种个性化膝关节减荷的变刚度鞋中底设计方法

Info

Publication number: CN110652070A
Application number: CN201911051945.5A
Authority: CN
Inventors: 陈文明; 马昕
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2020-01-07

Abstract

本发明提供了一种个性化膝关节减荷的变刚度鞋中底设计方法，通过个人行走时计算获取的足底压力中心轨迹来实现鞋中底个性化结构分区设计，包括以下步骤：步骤1，根据个人行走时的步态通过压力传感器来获取足底的压力分布数据并根据压力分布数据进行计算，得到足底压力中心轨迹；步骤2，根据足底压力中心轨迹将鞋中底分为内侧与外侧，内侧为足内踝侧，外侧为足外踝侧，其中，外侧的刚度大于内侧的刚度。本发明提供的个性化膝关节减荷的变刚度鞋中底设计方法能够简单便捷地通过足底压力中心轨迹来对鞋中底的内外侧结构进行划分，能够针对性地达到良好的膝关节减荷效果，实现膝关节炎的辅助治疗功能。

Description

一种个性化膝关节减荷的变刚度鞋中底设计方法

技术领域

本发明属于康复领域，具体涉及一种个性化膝关节减荷的变刚度鞋中底设计方法。

背景技术

在人们日常行走过程中，膝关节发挥着力学传导枢纽的作用，大量的临床数据表明，膝关节的内侧最容易发生疼痛，这是由于地面反作用力的力线在步态时始终指向膝关节的内侧，导致关节内侧承受更大的载荷，如何通过改变足底支撑来预防和减缓膝关节炎在近年作为非侵入式治疗手段也引起了人们的重视。

随着物质生活水平的提高、运动的普及，矫形鞋作为一种医疗康复器械在国内国际市场上流行起来，矫形鞋锻炼效果明显，而且不受时间和场地条件的限制，一双适合自己的矫形鞋不仅能防止运动损伤，更能矫正畸形的下肢力线，保护下肢关节。一双矫形鞋的鞋底分为鞋大底、鞋中底以及鞋上底(即鞋垫)，鞋大底为鞋底外层，一般为橡胶等材料起到防滑保护的作用；鞋上底，即鞋垫与脚底直接接触，一般厚度不大；鞋中底为鞋底的功能层，提供包括回弹、缓冲功能以及提供舒适的脚感等，矫形鞋的设计也一般是对于鞋中底部分进行结构变化。而由于每个人从解剖学上和功能上都不同，其结构、运动和步态模式的差异，每个人最为适用的矫形鞋均会有不同，因此矫正鞋必须因人而异进行设计，因此如何快速准确地进行个性化的矫形鞋设计也成了急需解决的问题。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种个性化膝关节减荷的变刚度鞋中底设计方法。

本发明提供了一种个性化膝关节减荷的变刚度鞋中底设计方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1，根据个人行走时的步态通过压力传感器来获取足底的压力分布数据并根据压力分布数据进行计算，得到足底压力中心轨迹；

步骤2，根据足底压力中心轨迹将鞋中底分为内侧与外侧，内侧为足内踝侧，外侧为足外踝侧，其中，外侧的刚度大于内侧的刚度。

在本发明提供的一种个性化膝关节减荷的变刚度鞋中底设计方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1包括以下子步骤：步骤1-1，将步态根据足的接触相位分为着地相、中立相和离地相，着地相为从足跟初始接触地面到足部变平之前的时间段，中立相为从足掌着地到足跟抬起之前的时间段，离地相为紧接着中立相直到足跟离地的时间段，通过压力传感器来获取处于着地相、中立相和离地相时的压力数据，同时测量足底接触面积、接触长度、前足、中足以及后足的接触宽度，得到整个足底的压力分布数据；

步骤1-2，以足跟中点为原点，足跟中点与脚趾第二趾的连线为Y轴来建立坐标系，将单个压力传感器获取的压力数据与压力传感器的坐标的乘积相加，再除以足底的总压力来计算压力中心COP的坐标，从而计算得到压力中心COP的坐标移动轨迹，该坐标移动轨迹即为足底压力中心轨迹。

在本发明提供的一种个性化膝关节减荷的变刚度鞋中底设计方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1-2中的坐标移动轨迹计算公式如下：

式中，∑(压力*X轴坐标)为单个压力传感器获取的压力数据与压力传感器的横坐标的乘积的总和，∑(压力*Y轴坐标)为单个压力传感器获取的压力数据与压力传感器的纵坐标的乘积的总和。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的一种个性化膝关节减荷的变刚度鞋中底设计方法，因为根据使用者的个人步态来计算足底压力中心轨迹，并基于足底压力中心轨迹将鞋中底划分为内侧与外侧，所以能够针对性地得到使用者对应的足底压力中心轨迹，而足底压力中心轨迹作为生理负重曲线，足底压力中心轨迹的变化与下肢关节周围肌肉的变化及整个身体重心运动相关联，每只脚的足底压力中心轨迹直接反应了髋关节、膝关节、踝关节肌肉的神经控制以及足底屈肌和伸肌的联合作用，因此可以通过足底压力中心轨迹来进行鞋中底的内外侧划分，使得基于足底压力中心轨迹划分内外侧的鞋中底达到最佳的治疗效果；因为鞋中底外侧的材料刚度大于内侧的材料刚度，所以，会使得行走时的内外两侧的鞋底形变不一致，产生可控的足外翻，该足外翻在完整的步态周期里随着鞋底的载荷不同而发生变化进而矫正下肢力线，同时又不会产生类似横向楔形鞋固定的楔形角度带来的不舒适性，可以最大程度上减少穿戴者的膝关节在冠状面上的内收力矩，最大程度上降低膝关节内侧室负荷，从而减少内侧膝关节疼痛。因此，本发明的一种个性化膝关节减荷的变刚度鞋中底设计方法能够简单便捷地得到使用者的足底压力中心轨迹，并通过足底压力中心轨迹来对鞋中底的内外侧进行划分，能够针对性地达到良好的膝关节减荷效果，实现膝关节炎的辅助治疗功能。

附图说明

图1是本发明的实施例中的一种个性化膝关节减荷的变刚度鞋中底设计方法的流程图；

图2是本发明的实施例中的足底压力分布图；

图3是本发明的实施例中的足底压力中心轨迹图；

图4是本发明的实施例中的鞋中底在整个鞋底中的放置位置图；

图5是本发明的实施例中的根据足底压力中心轨迹分为内外侧的鞋中底的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。

图1是本发明的实施例中的一种个性化膝关节减荷的变刚度鞋中底设计方法的流程图。

如图1所示，本实施例的一种个性化膝关节减荷的变刚度鞋中底设计方法，包括以下步骤：

步骤1，根据个人行走时的步态通过压力传感器来获取足底的压力分布数据并根据压力分布数据进行计算，得到足底压力中心轨迹。

步骤1包括以下子步骤：

步骤1-1，将步态根据足的接触相位分为着地相、中立相和离地相，着地相为从足跟初始接触地面到足部变平之前的时间段，中立相为从足掌着地到足跟抬起之前的时间段，离地相为紧接着中立相直到足跟离地的时间段，通过压力传感器来获取处于着地相、中立相和离地相时的压力数据，同时测量足底接触面积、接触长度、前足、中足以及后足的接触宽度，得到整个足底的压力分布数据。

本实施例中，共设有1260个压力传感器，分布为60行21列进行压力数据测量。

图2是本发明的实施例中的足底压力分布图。

如图2所示，图中为整个足底的压力分布数据。

图3是本发明的实施例中的足底压力中心轨迹图。

如图3所示，足底压力中心COP移动形成足底压力中心轨迹，足底压力中心先是在脚后跟，然后沿着脚的外侧移动到跖趾关节处，再移动到大拇指的根部。

步骤1-2中的坐标移动轨迹计算公式如下：

步骤2，根据足底压力中心轨迹将鞋中底分为内侧与外侧，内侧为足内踝侧，外侧为足外踝侧。

图4是本发明的实施例中的鞋中底在整个鞋底中的放置位置图，图5是本发明的实施例中的根据足底压力中心轨迹分为内外侧的鞋中底的结构示意图。

如图4和图5所示，鞋底分为鞋大底1、鞋中底2以及鞋上底3，鞋中底2根据足底压力中心轨迹分为内侧21和外侧22，外侧22的刚度大于内侧21的刚度。

本实施例中，通过外侧22与内侧21的刚度不同来调整足底支撑，改变足底受力，进而改变膝、踝的力线角度以减小内侧膝关节负载。

本实施例中，通过实验对鞋底的总地面反作用力和其三个矢量分力、足底压力中心的位置等数据进行测试，测试结果显示通过本实施例的设计方法得到的鞋中底组成的变刚度鞋底与普通鞋底相比，变刚度鞋底在冠状面上的地面反作用力明显减少，同时足底压力中心也往内侧偏移了微小距离，在和冠状面上的地面反作用力减小同时作用下，由于人体质量中心的向外偏移而导致膝关节处的杠杆臂明显缩短，从而能够降低膝关节内侧室的负荷。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的一种个性化膝关节减荷的变刚度鞋中底设计方法，因为根据使用者的个人步态来计算足底压力中心轨迹，并基于足底压力中心轨迹将鞋中底划分为内侧与外侧，所以能够针对性地得到使用者对应的足底压力中心轨迹，而足底压力中心轨迹作为生理负重曲线，足底压力中心轨迹的变化与下肢关节周围肌肉的变化及整个身体重心运动相关联，每只脚的足底压力中心轨迹直接反应了髋关节、膝关节、踝关节肌肉的神经控制以及足底屈肌和伸肌的联合作用，因此可以通过足底压力中心轨迹来进行鞋中底的内外侧划分，使得基于足底压力中心轨迹划分内外侧的鞋中底达到最佳的治疗效果；因为鞋中底外侧的材料刚度大于内侧的材料刚度，所以，会使得行走时的内外两侧的鞋底形变不一致，产生可控的足外翻，该足外翻在完整的步态周期里随着鞋底的载荷不同而发生变化进而矫正下肢力线，同时又不会产生类似横向楔形鞋固定的楔形角度带来的不舒适性，可以最大程度上减少穿戴者的膝关节在冠状面上的内收力矩，最大程度上降低膝关节内侧室负荷，从而减少内侧膝关节疼痛。因此，本实施例的一种个性化膝关节减荷的变刚度鞋中底设计方法能够简单便捷地得到使用者的足底压力中心轨迹，并通过足底压力中心轨迹来对鞋中底的内外侧进行划分，能够针对性地达到良好的膝关节减荷效果，实现膝关节炎的辅助治疗功能。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims

1.一种个性化膝关节减荷的变刚度鞋中底设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据个人行走时的步态通过压力传感器来获取足底的压力分布数据并根据所述压力分布数据进行计算，得到足底压力中心轨迹；

步骤2，根据所述足底压力中心轨迹将鞋中底分为内侧与外侧，所述内侧为足内踝侧，所述外侧为足外踝侧，

其中，所述外侧的刚度大于所述内侧的刚度。

2.根据权利要求1所述的个性化膝关节减荷的变刚度鞋中底设计方法，其特征在于：

其中，所述步骤1包括以下子步骤：

步骤1-1，将所述步态根据足的接触相位分为着地相、中立相和离地相，所述着地相为从足跟初始接触地面到足部变平之前的时间段，所述中立相为从足掌着地到足跟抬起之前的时间段，所述离地相为紧接着所述中立相直到足跟离地的时间段，通过所述压力传感器来获取处于所述着地相、所述中立相和所述离地相时的压力数据，同时测量足底接触面积、接触长度、前足、中足以及后足的接触宽度，得到整个足底的所述压力分布数据；

步骤1-2，以足跟中点为原点，足跟中点与脚趾第二趾的连线为Y轴来建立坐标系，将单个所述压力传感器获取的压力数据与所述压力传感器的坐标的乘积相加，再除以足底的总压力来计算压力中心COP的坐标，从而计算得到所述压力中心COP的坐标移动轨迹，该坐标移动轨迹即为所述足底压力中心轨迹。

3.根据权利要求2所述的个性化膝关节减荷的变刚度鞋中底设计方法，其特征在于：

其中，所述步骤1-2中的所述坐标移动轨迹计算公式如下：

式中，∑(压力*X轴坐标)为单个所述压力传感器获取的压力数据与所述压力传感器的横坐标的乘积的总和，∑(压力*Y轴坐标)为单个所述压力传感器获取的压力数据与所述压力传感器的纵坐标的乘积的总和。