TW201724982A - 具足部三維運動控制及足壓分散之裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係一種具足部三維運動控制及足壓分散之裝置，當人體在行進動作時用以控制足部關節三維運動及足壓分散，可支撐足弓，及調整足部各關節因著地時之運動及地面反作用力所造成的異常足壓。其包括一足弓支撐本體，用以支撐足部的內側縱弓、橫弓與外側縱弓。在行進時用以控制中、前足的關節運動，分散前足足壓。足弓支撐本體後端至少一側向相對應的後足足跟部延伸形成一後足運動調整部，用以調整後足內外翻角度，加強足跟軟組織的吸震度，提供後足著地運動的穩定度，進而降低足跟足壓。在足弓支撐部上另有一剛性加強部，用以加強控制不同型態的足部過度或不足旋前運動。

Description

具足部三維運動控制及足壓分散之裝置
本發明係關於一種用於控制人體運動時足踝關節動作、足壓調整之足部三維支撐及運動控制之裝置。
足部是人體支撐的底座，它包含了28塊骨頭、107條韌帶、32條肌肉及57個關節面，是人體最複雜的骨骼肌肉系統。其主要關節包含了踝關節(ankle joint)、距骨下關節(subtalar joint)、橫跗關節(transverse tarsal joint)、蹠趾關節(metatarsophalangeal joint)與趾間關節(interphalangeal joint)。
人體的足部根據足弓高低，可分為高弓足、正常足、扁平足三種。扁平足的人在一般行走時，因為足弓的下陷，會造成後足部在腳跟著地至站立中期有較大的旋前運動(over pronatioin)導致推進期有過多的旋後運動(over supination)。因此，在足跟及蹠骨區有較一般正常值大的足底壓力值。在一般的正常時間活動下，並不會有特別症狀發生；但長期下來，足部往往較正常人易於產生疲勞及疼痛，甚至引起足底病變，且會導致膝、脊椎等關節的傷害。對於扁平足的人而言，由於足部在旋前運動(pronation)的時間過長，容易造成足部關節、踝關節及下肢承受過大應變，及髖關節補償性的過度內轉，進而導致臏骨內側的過多壓力及外側拉力，造成臏骨疼痛、慢性足部拉傷、肌腱炎、足底筋膜炎、蹠痛等等傷害。
步行時為了維持身體的平衡與前進的穩定，足部與其各關節所產生的相對運動是非常複雜的。足部為了行走時的穩定及適應不同的外在環境，藉由足部的肌腱、韌帶與其它軟組織調整足部各關節的運動，以維持行走時的穩定。人體步行或運動時，下肢足踝與地上的相對運動可分為三期：跟骨搖擺期(heel rocker)；足踝搖擺期(ankle rocker)；前足搖擺期(forefoot rocker)。當足部與地面接觸時反作用力，在踏腳期(heel strike)初期(initial contact)快速作用在後腳跟骨上，此時的作用力會在0.05秒內達到40%的體重，在0.13秒(著重期-loading response)達到110~120%體重。隨著身體前向擺動，壓力中心(center of pressure)從後足向前移動，在推進期時(push off) 前足作用力達120%以上體重，而跑步時更大。
中足外側會與地面適度的接觸但通常並不大，此區的受力值通常只有10 %的身體重。蹠骨區的壓力會隨著個體間的差異而有所不同，通常最大的壓力值會出現在第二與第三蹠骨頭間。高弓足者則在大腳趾、第一蹠骨有較高足壓；低弓足或扁平足者通常在第一、第二與第三蹠骨、足跟區足壓較高。
高弓足者在步行時因脛骨內轉角度不足(insufficient tibial internal rotation)，影響足的旋前(under pronation)，在推進前有過大的旋後運動(over supination)，導致走路姿勢僵硬，造成了高弓足肌肉骨骼問題。在站立期中後期(ankle rocker)的踝關節背曲動作較大，以代償蹠骨過度蹠曲角度，以增加推進期足尖離地高度。高弓足有較高的足部疼痛比率，主要為蹠骨痛及足底筋膜炎。此外，高弓足跑者所承受的衝擊力明顯大於低弓足跑者。
膝內翻與膝外翻：腿部是由股骨(femur)、脛骨(tibia)、腓骨(fibula)、髕骨(patella)所構成。而X光攝影研究時，冠狀面觀察正常的脛骨與股骨骨幹的夾角約為外翻六度。角度過大或過小則稱之為膝外翻(X型腿)或膝內翻(O型腿)， 臨床上簡易的觀察方式乃讓個案雙膝朝前及雙腳內踝併攏，若雙膝間可放入兩指以上的手指寬度時，稱之為膝內翻，此型的下肢都會顯得臃腫，步行時常伴隨過多的脛骨外轉(tibia external rotation)及前足過多的旋後運動(forefoot supination)，下肢肌群不正常作用，進而導致膝內側及足外蹠骨疼痛甚至退化性膝關節炎。若個案雙膝併攏，但雙腳內踝可以放入兩指以上的手指寬度時，稱之為膝外翻，此型在舉步前進時會造成膝蓋與腳踝向內旋轉，長期可能導致外側關節不適及足底筋膜炎。
客製化足矯具可增加接觸面積，使力量重分配而降低足底壓力。近年來，許多因足部結構上的不良或者是其它骨骼肌肉系統的問題，所造成的足部功能障礙，皆已廣泛使用足矯具來修正、輔助步行。早在1983年即有論文證實足部輔具可以明顯降低下肢症狀，它對減輕足底筋膜炎的疼痛有80%的成效，並可以加速受傷的跑者功能的恢復。
使用足部輔具另一個十分重要的目的是希望使下肢的生物力學表現趨近於正常，許多研究皆顯示足部輔具可以減少足部旋前(pronation)或後足活動速度與發生時間。在跑步時足弓墊對下肢運動有最大的影響，在站立期前50%期間可降低脛骨內轉2°，影響脛骨軸向旋轉與跟骨內外翻關係可以降低脛骨的內外轉速度及減少脛骨內轉角度，進而可降低第一趾骨頭與內側足跟處之足底壓力多達30~40%。
習知的足弓墊主要係透過一鞋墊在舟狀骨下方配置一隆起的高度來補償高弓足或是扁平足的足弓高度，進而使足部能進行吸收衝力及分散人體重量的作用。雖習知的足弓墊對因扁平足或高弓足而造成的肌肉酸痛確實有幫助，但此方法僅墊高了舟狀骨之內側中足部(midfoot)，僅能用於改善中、前足的相對運動，對足跟外翻過多的扁平足及旋前不足的高弓足患者，無法有效改善其距骨下關節的運動。使用習知足弓墊者在長期運動下，還是存在前述的骨骼肌肉系統的傷害。
本發明之發明人有鑑於習知技術的不足，在此揭示一種具足部三維運動控制及足壓分散之裝置，該具足部三維運動控制及足壓分散之裝置用以支撐足弓部及跟骨部，不占用過多鞋內空間，且可調整過多的距骨下關節的內外翻(valgus, varus)，及足踝的旋後及旋前運動角度，減少下肢肌肉的不當動作，改善步行或跑步時肌肉疲勞，減少骨骼肌肉的傷害。
本發明目的在於克服上述現有技術中的不足，提供一種具足部三維運動控制及足壓分散之裝置，用以有效控制足部關節的相對運動，調整足底相對足壓，減少不當的下肢肌肉作用。
一種具足部三維運動控制及足壓分散之裝置，用以有效控制足部關節的相對運動以調整足跟著地角度及調整足底相對足壓，其包括一足弓支撐本體，該足弓支撐本體用以支撐足部的內側縱弓、橫弓與外側縱弓，該足弓支撐本體後端至少一側向相應足部的跟骨位置延伸一後足運動調整部，用以調整足跟著地角度，該足弓支撐本體係該內側縱弓、橫弓與外側縱弓的弧度匹配形成的立體結構。
在一實施例當中，該後足運動調整部於該足弓支撐本體後端由相應骰骨側向後延伸至跟骨處。
在一實施例當中，該後足運動調整部於該足弓支撐本體後端由相應足舟骨側向後延伸至跟骨處。
在一實施例當中，該後足運動調整部包括一第一後足運動調整部及一第二後足運動調整部，該第一後足運動調整部於該足弓支撐本體後端相應足舟骨側向後延伸至跟骨處，該第二後足運動調整部於該足弓支撐本體後端處相應骰骨側向後延伸至跟骨處。
在一實施例當中，具足部三維運動控制及足壓分散之裝置包括一剛性加強部，係設置於該足弓支撐本體表面，其係由該足弓支撐本體的後端中部一直延伸至相應足部的外側縱弓處。
在一實施例當中，具足部三維運動控制及足壓分散之裝置包括一剛性加強部，係設置於該足弓支撐本體表面，其係由該足弓支撐本體的後端中部一直延伸至相應足部的內側縱弓處。
在一實施例當中，具足部三維運動控制及足壓分散之裝置包括一剛性加強部，係設置於該足弓支撐本體表面，其係由該足弓支撐本體的後端中部一直向前端中部延伸。
在一實施例當中，該後足運動調整部大致成勾狀。
在一實施例當中，該足弓支撐本體相應足部的第一蹠骨處設有一近端蹠骨支撐部。
在一實施例當中，該足弓支撐本體及後足運動調整部可為塑膠、玻璃纖維、碳纖維混紡或金屬材質。
在綜上所述，本發明之具足部三維運動控制及足壓分散之裝置，其可具有下述優點： (1) 當人體在行進動作時，具足部三維運動控制及足壓分散之裝置能夠有效 控制距骨下關節的運動，以調整過多的旋後及旋前運動角度，透過後足運動調整部的剛性支撐使足部關節的過多或不足的旋前及旋後角度得以控制在正常範圍，進而調整及分散了足底各區的相對足壓。藉此，減少下肢肌肉的不當動作，改善步行或跑步時肌肉疲勞，減少骨骼肌肉的傷害。 (2)具足部三維運動控制及足壓分散之裝置，在運動時隨著地面反作用力之衝擊速率，韻律式的調整足弓高度，控制中、前足運動，降低異常足壓，同時不增加足弓部的的支撐厚度，因此不占用過多鞋內空間，使穿戴舒適。
上述「發明內容」並非用以限制所主張標的之範疇，本發明的各種樣態的詳細概觀，在下述實施方式段落會做更進一步描述。
為詳細說明本發明之技術內容、構造特徵、所達成的目的及功效，以下茲例舉實施例並配合圖式詳予說明。
本發明的主要目的係提供一種具足部三維運動控制及足壓分散之裝置，用以有效控制足部關節的相對運動以調整足跟著地角度及調整足底相對足壓，減少不當的下肢肌肉作用。
請參閱第一圖，人體足部上具有足弓100(plantar arch)可吸收衝力且能分散人體重量，該足弓100包含足部的第一蹠骨、第一楔形骨、舟狀骨與距骨沿足部內緣拱起形成的一內側縱弓110(medial arch)，第一蹠骨至第五蹠骨間形成的一橫弓120(transverse arch)，該第五蹠骨與跟骨間形成的一外側縱弓130(lateral arch)。當人體走動時，該內側縱弓110、橫弓120與外側縱弓130共同吸收衝力且能分散人體重量，而當該足弓100過高就會造成高弓足足(pes cavus or high arch)或是過低造成扁平足(flat foot or low arch)的現象使足底壓力不正常。
請參閱第一圖及第二圖，為了達成上述目的，本發明提供一具足部三維運動控制及足壓分散之裝置1，包括：一足弓支撐本體10及一後足運動調整部20。該足弓支撐本體10係根據人體的該內側縱弓110、橫弓120與外側縱弓130的弧度匹配形成的立體結構，用以支撐該內側縱弓110、橫弓120與外側縱弓130。該足弓支撐本體10包括一前端10a及一後端10b，該後足運動調整部20係由該足弓支撐本體10的該後端10b的至少一側向後延伸至相應足部的跟骨位置所形成，用以調整足跟著地角度，控制後足運動。本發明的具足部三維運動控制及足壓分散之裝置1亦可設置於一足弓鞋墊900上。
該足弓支撐本體10的該前端10a相對應足部的第一蹠骨處設有一近端蹠骨支撐部11，該近端蹠骨支撐部11作為第一蹠骨頭之近端支撐，用於提供足踝在推進期前足的穩定度及減少腳趾的受力。該足弓支撐本體10及該後足運動調整部20可為具支撐力之化工或金屬素材，如：金屬、塑膠、玻璃纖維或碳纖維混紡等。
請參閱第二圖，該後足運動調整部20係由該足弓支撐本體10的該後端10b相應足舟骨側向後延伸至跟骨處且大致成勾狀，其係用以調整低弓足或扁平足腳型的足跟著地角度。
因人體在行走過程踝關節會階段性發生旋後(supination)或旋前(pronation)的三度空間動作，足弓高度過高或過低會使行走的過程產生過度的旋前或旋後運動，如高弓足腳型可能伴隨O型腿，在足跟著地時，會產生過多旋後運動(over supination)，使承重期時(loading response)之踝關節旋前運動不足(under pronation)。扁平足腳型則可能伴隨X型腿，在足部著地時，產生旋前不足運動(under supination)，而承重期的踝關節過多的旋後運動。不足與過多都會產生異常足底壓力，此影響對人體造成的傷害甚巨，則該後足運動調整部20可使足部在接觸地面時，補償過多的內翻或外翻角度，以防止對人體的傷害。
進一步說明，足跟著地角度係透過該後足運動調整部20的支撐調整，可調整足部關節的相對運動，踩踏時，因扁平足腳型的踝關節會向內側M(medial)偏移，呈現過度旋前(over pronation)；透過該後足運動調整部20的剛性支撐足部進而使踝關節向外側L(Lateral)偏移，使得踩踏時維持踝關正常的角度，如第三圖所示，進而調整扁平足足底的壓力分佈。再者，足部在接觸地面後受該後足運動調整部20的剛性支撐，足跟將被調整至鞋墊較柔軟的部位，藉此改變了踝關節著地角度，以防止扁平足對人體造成的傷害。
請參閱第四圖，在一實施例中，該後足運動調整部20於該足弓支撐本體10的該後端10b相應骰骨側向後延伸至跟骨處且大致成勾狀，用以支撐高弓足足腳型的足部。踩踏時，高弓足足腳型的踝關節會過度向外側L(lateral)偏移，呈現過度旋後(over supination)；透過該後足運動調整部20的剛性支撐足部進而使踝關節向內側M(medial)偏移，使得踩踏時維持踝關節正常的角度，如第五圖所示，進而調整足部關節的相對運動。再者，足部在接觸地面後受該後足運動調整部20的剛性支撐，足跟將被調整至鞋墊較柔軟的部位，藉此改變了踝關節旋前不足的運動，以防止高弓足足對人體造成的傷害。
請參閱第六圖，在另一實施例中，該後足運動調整部20包括一第一後足運動調整部200及一第二後足運動調整部201，該第一後足運動調整部200於該足弓支撐本體10相應足舟骨側向後延伸至跟骨中部附近，該第二後足運動調整部201於該足弓支撐本體10相應骰骨側向後延伸至跟骨中部附近，用以支撐正常足弓腳型的足部，如第七圖所示。該第一後足運動調整部200及該第二後足運動調整部201不限於延伸至跟骨中部，其旨在設於跟骨兩側，用以對足跟提供支撐。當踩踏時，人體可能因重心不穩而使足部觸地角度改變，藉由第一後足運動調整部200及第二後足運動調整部201的支撐能夠穩定足部。
進一步的，該內側縱弓110、橫弓120與外側縱弓130的弧度匹配形成的足弓支撐本體10可藉由設置一剛性加強部12控制足部的動態運動穩定，該剛性加強部12係為足弓支撐本體10表面之向上凸出體或是一固體結合於足弓支撐本體10表面 。請參閱第二圖，針對扁平足腳型的該剛性加強部12係設置於足弓支撐本體10表面，其系由足弓支撐本體10的後端10b中部一直延伸至相應足部的內側縱弓110處，因此可使足部內側支撐的剛性大於足部外側，可藉此增加剛性也降低動態時足部內側縱弓110下降的程度。
請參閱第四圖，針對高弓足足腳型的該剛性加強部12其係由足弓支撐本體10的後端10b中部一直延伸至相應足部的外側縱弓130處，因此足部外側支撐的剛性大於足部內側，可藉此增加剛性也降低動態時足部外側縱弓130下降的程度。
請參閱第六圖，針對正常足弓腳型的該剛性加強部12其係由足弓支撐本體10的後端10b中部一直向前端10a中部延伸，可藉此增加足部中間部分支撐的剛性，因足弓支撐本體10相應足部的內側縱弓110處及外側縱弓130處厚度大致相同剛性也大致相同，因此中間部分的剛性大於內、外側也使動態時足部的內側縱弓110處及外側縱弓130處下降的程度大致相同。
進一步說明，足弓支撐本體10表面的該剛性加強部12亦可使過度旋前及過度旋後的踝關節調整為正常的著地角度，藉由該剛性加強部12所設置位置的不同，可控制足弓支撐本體10表面剛性的分布，藉此減少相對應足弓處的下降程度進而調整及控制足底壓力分佈。
人體走路時大致會呈現三個步態週期(gait cycle)，腳跟著地(heel strike)，接著進入站立中期(mid-stance)，然後向前推進(propulsion)，其中站立中期會占用整個步態週期約百分之六十的時間，因此站立中期的穩定很重要，本發明的具足部三維運動控制及足壓分散之裝置1在第一階段的腳跟著地時即可調整旋前或旋後角度，為接下來的站立中期提供穩定的步態。
當人體在行進動作時，具足部三維運動控制及足壓分散之裝置1能夠有效控制距骨下關節的運動，以調整過多的旋後及旋前運動角度，透過後足運動調整部20的剛性支撐使足部關節的過多或不足的旋前及旋後角度得以控制在正常範圍，進而調整及分散足底各區的相對足壓。藉此，減少下肢肌肉的不當動作，改善步行或跑步時肌肉疲勞，減少骨骼肌肉的傷害。
具足部三維運動控制及足壓分散之裝置，在運動時隨著地面反作用力之衝擊速率，韻律式的調整足弓高度，控制中、前足運動，降低異常足壓，同時不增加足弓部的的支撐厚度，因此不占用過多鞋內空間，使穿戴舒適。
綜上所述，本發明之具足部三維運動控制及足壓分散之裝置提供一種有效控制足部關節相對運動的方式，透過本發明結構，足部在運動狀態下可呈現穩定的步態，進而使人體的動態穩定，提升運動效能，能夠滿足一般人至專業跑者的需求。
雖然本發明已具體實施例揭示如上，然其所揭示的具體實施例並非用以限定本發明，任何熟悉此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，其所作之更動與潤飾皆屬於本發明之範疇，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧具足部三維運動控制及足壓分散之裝置 10‧‧‧足弓支撐本體 10a‧‧‧前端 10b‧‧‧後端 100‧‧‧足弓 110‧‧‧內側縱弓 120‧‧‧橫弓 130‧‧‧外側縱弓 11‧‧‧近端蹠骨支撐部 12‧‧‧剛性加強部 20‧‧‧後足運動調整部 200‧‧‧第一後足運動調整部 201‧‧‧第二後足運動調整部 M‧‧‧內側 L‧‧‧外側 900‧‧‧足弓鞋墊
第一圖是人體右足部的足弓與相應骨頭之位置。 第二圖是本發明一種具足部三維運動控制及足壓分散之裝置之示意圖，其對應右足部並且為後足外翻過多(excessive valgus)及過多旋前運動(over pronation)的足踝關節運動，如：扁平足或低弓足腳型專用。 第三圖是第二圖中扁平足者之具足部三維運動控制及足壓分散之裝置之使用示意圖。 第四圖是本發明一種具足部三維運動控制及足壓分散之裝置之一實施例中之示意圖，其對應右足部並且為後足過多內翻(excessive varus)，旋前不足(under pronation)的足踝運動，如：高弓足足腳型專用。 第五圖是第四圖中高弓足腳型者之具足部三維運動控制及足壓分散之裝置之使用示意圖。 第六圖是本發明一種具足部三維運動控制及足壓分散之裝置之一實施例中之示意圖，其對應正常足弓腳型專用。 第七圖是第六圖中正常足弓腳型之具足部三維運動控制及足壓分散之裝置之使用示意圖。
1‧‧‧足部三維運動控制及足壓分散之裝置
10‧‧‧足弓支撐本體
10a‧‧‧前端
10b‧‧‧後端
11‧‧‧近端蹠骨支撐部
12‧‧‧剛性加強部
20‧‧‧後足運動調整部
900‧‧‧足弓鞋墊

Claims (10)

  1. 一種具足部三維運動控制及足壓分散之裝置，用以有效控制足部關節的相對運動以調整足跟著地角度及調整足底相對足壓，其包括： 一足弓支撐本體，該足弓支撐本體用以支撐足部的內側縱弓、橫弓與外側縱 弓，該足弓支撐本體後端至少一側向相應足部的跟骨位置延伸； 一後足運動調整部，用以調整足跟著地角度，該足弓支撐本體係該內側縱 弓、橫弓與外側縱弓的弧度匹配形成的立體結構。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具足部三維運動控制及足壓分散之裝置，其中該後足運動調整部於該足弓支撐本體後端由相應骰骨側向後延伸至跟骨處。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具足部三維運動控制及足壓分散之裝置，其中該後足運動調整部於該足弓支撐本體後端由相應足舟骨側向後延伸至跟骨處。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之具足部三維運動控制及足壓分散之裝置，其中該後足運動調整部包括一第一後足運動調整部及一第二後足運動調整部，該第一後足運動調整部於該足弓支撐本體後端相應足舟骨側向後延伸至跟骨處，該第二後足運動調整部於該足弓支撐本體後端相應骰骨側向後延伸至跟骨處。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之具足部三維運動控制及足壓分散之裝置，其中更包括一剛性加強部，該剛性加強部係設置於該足弓支撐本體表面，其係由該足弓支撐本體的後端中部一直延伸至相應足部的外側縱弓處。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之具足部三維運動控制及足壓分散之裝置，其中包括一剛性加強部，該剛性加強部係設置於該足弓支撐本體表面，其係由該足弓支撐本體的後端中部一直延伸至相應足部的內側縱弓處。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之具足部三維運動控制及足壓分散之裝置，其中包括一剛性加強部，該剛性加強部係設置於該足弓支撐本體表面，其係由該足弓支撐本體的後端中部一直向前端中部延伸。
  8. 如申請專利範圍第1~3項之任一項所述之具足部三維運動控制及足壓分散之裝置，其中該後足運動調整部大致成勾狀。
  9. 如申請專利範圍第1~4項之任一項所述之具足部三維運動控制及足壓分散之裝置，其中該足弓支撐本體相應足部的第一蹠骨處設有一近端蹠骨支撐部。
  10. 如申請專利範圍第1~4項之任一項所述之具足部三維運動控制及足壓分散之裝置，其中該足弓支撐本體及後足運動調整部可為塑膠、玻璃纖維、碳纖維混紡或金屬材質。
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