高跟鞋高度对健康女性足部生物力学特性的影响

任武 张雪玲 陈秋冰 李佳 闫慧娟 胡彬彬

0 引言

高跟鞋受到现代社会众多女性的喜爱，也是女性爱美的体现，但是穿高跟鞋对人体足部踝部产生的生物力学特性改变的研究还不足，常有新闻报道某些女性因为高跟鞋崴脚而健康受损。人体足部是整个骨骼系统中的重要承重部分，也是人体重要的减振和承重结构之一，其在人体生物结构系统中扮演着重要的角色。

近年来关于高跟鞋对人体足部影响的研究主要体现在： Hamandi等[1]通过步态分析研究了年轻女性分别穿1 cm、5 cm和7 cm高跟鞋时足部生物力学特性，表明随着鞋跟高度的增加，膝关节力矩和地面反力都有不同程度的增大；Cha[2]测量了受试者穿不同高跟鞋的足底压力、肌电图和腰骶角来评估其足部生物力学特性，发现长期穿高跟鞋会使人体足部产生适应性生物力学变化；Zeidan等[3]探索了穿不同高度高跟鞋时足部横弓的变化，随着足跟高度的增加，横弓高度增加而横弓长度有所降低。Jae-Wan等[4]分析多位女性青年在穿低、中、高跟鞋时踝关节背屈肌和趾屈肌等肌肉的肌力变化，得出长期穿着高跟鞋与踝部肌肉疾病密切相关的结论。Yu等[5]建立的足踝三维有限元模型并做了对比，结果显示随着足跟的增高，距腓前韧带内的张力和应变增加，而在中等跟高时足底筋膜内的张力和应变降低，说明穿戴适当高度的高跟鞋可以治疗足底筋膜炎。Wiedemeijer等[6]探究了穿高跟鞋走路对步态的影响，研究发现足跟高度的增加使足底屈曲增加，身体平衡会发生改变。Sylvia[7]对比了不同女性穿着不同高度高跟鞋的生物力学差异，通过运动学分析，得出穿着不同高度高跟鞋对运动步态有一定程度的影响。Karimi等[8]通过建立足部骨骼的三维有限元模型，对足部应力、应变进行研究，设计出一种可自由调节的高跟鞋。Kim等[9]通过研究扁平足和正常足人员穿着高跟鞋下楼梯时的肌肉状态，得出扁平足在穿着高跟鞋上下楼梯时易受到更大程度损伤的结论。Deng等[10]设计出了一种具有高跟鞋和平底鞋双重功能的可调鞋，能满足女性在不同场合下对鞋跟高度的需求。Chantarapanich等[11]以CT扫描数据为基础，通过有限元方法，探讨了足部骨骼在不同坡度鞋垫下的应力变化。Sinclair等[12]分析了不同高度高跟鞋对下肢关节的影响，并对志愿者骨骼进行运动学仿真研究。Mishra等[13]通过多名人员着高跟鞋在倾斜地面上行走的姿态，得出足部可变曲率半径，为增强高跟鞋的稳定性和美观性提供了帮助。

以上研究表明，高跟鞋的高度对女性足部的生物力学特性有重要影响，并和踝关节扭伤、拇指外翻和退行性关节病等足部相关疾病发生的概率有密切关系。现有国内外学者对穿不同高度的高跟鞋对足部生物力学特性变化的研究较多，但大部分研究仅考虑足部骨骼系统，对于骨骼皮肤综合系统模型的足部生物力学研究还有待发展。为建立更准确的足部模型，本文在某健康女性足部的骨骼有限元模型基础上加上皮肤模型，对穿不同高度高跟鞋女性的足部生物力学特性进行数值模拟，得到足部的应力和位移变化数据，建立的模型可为今后足部更精确模型提供帮助，所得结果可为女性足部健康提供数据支持，也为临床上足部相关疾病的研究提供定量支撑。

1 材料与方法

1.1 图像采集

图像资料来自新乡医学院第三附属医院影像科，人员是19岁健康女性,身高160 cm,脚长24 cm，体质量50 kg，进行足部CT断层扫描成像，将得到的DICOM图像文件导入Mimics软件中进行三维重建。导入的CT断层扫描图像见图1：左足诸小关节对位良好，关节间隙正常，未见骨折征象，足部基本健康，以避免足部疾病对仿真结果产生干扰。

图1 足部CT断层扫描DICOM图像定位Figure 1 The DICOM image localization of foot CT tomography

1.2 足部三维模型

将采集的健康女性足部影像文件导入Mimics软件中三维重建，重建后的模型还包含有噪声和杂质，需导入Geomagic Studio软件中优化处理，得到符合人体解剖结构的足部骨骼皮肤三维模型。

1.2.1 足部皮肤模型三维重建

使用Mimics软件对足部皮肤进行三维重建，考虑到足部结构的复杂性，足部神经、血管、组织在力学特性上和皮肤综合为一定的黏弹性实体，将生成的STL文件导入Geomagic Studio逆向工程三维软件中，消除图像中包含的噪声和杂质，保存为有限元软件能够识别的IGS格式，见图2(a)。

图2 足部三维模型重建Figure 2 Foot 3D model reconstruction

1.2.2 足部骨骼模型三维重建

足部骨骼重建步骤与足部皮肤重建步骤类似，其区别在于骨骼和皮肤的特定阈值不同，需选择合适的足部骨骼灰度值。利用Mimics和Geomagic Studio软件重建的足部骨骼三维模型见图2(b)。

1.3 有限元仿真设置

在ANSYS/workbench中同时导入足部皮肤和骨骼的重建模型，建立其有限元模型，见图3(a)。进行网格划分时，采取自适应网格划分方法，在ANSYS软件中读取单元数量和节点数量。皮肤模型单元总体积为6.18×10-4m3，总质量为0.694 89 kg。当高跟鞋鞋跟高度为1 cm时，鞋跟模型单元总体积为2.7×10-5m3，总质量为1.6×10-2kg；整体单元数量为88 907个，节点数量为51 373个。当高跟鞋高度为6 cm时，鞋跟模型单元总体积为9.5×10-5m3，总质量为5.7×10-2kg；整体单元数量为181 100个，节点数量为106 979个。

图3 足部综合有限元模型及施加载荷Figure 3 Comprehensive finite element model of the foot and applied load

表1是脚长和鞋跟间的参数关系，θ为鞋跟高度与脚长的夹角，为达到精确计算目的，有限元分析中除了考虑不同方向平移分量，还需加上旋转分量。在有限元模型中改变θ角大小，系统自动计算出模型参数α，α为有限元模型旋转角度分量。依照表1和表2，高跟鞋鞋跟高度通过改变模型的参数α实现。该健康女性受试者体质量为50 kg，因此在其足部有限元模型上施加500 N的体质量载荷，载荷的施加和边界条件的设置根据人体的实际情况得出，模型如图3(b)，然后根据不同鞋跟高度分别计算其应力和应变。

表1 脚长与鞋跟高度关系Table 1 The data analysis of foot length and high heel

将鞋跟分为1 cm、2 cm、4 cm、6 cm、8 cm和10 cm等6种不同高度，在有限元软件中根据表1和表2的数量关系，分别设置相关仿真参数，并模拟仿真得到人体穿高跟鞋时足部的最大应力和最大位移等数据。

表2 有限元模型计算参数

2 结果

按照第1节参数设置，在计算机中进行相关计算仿真，得到的结果如下。

2.1 高跟鞋鞋跟高度为1 cm

模型的参数α设置为38°，鞋跟高度为1 cm。如图4(a)足部整体最大应力为50.35 MPa，最大位移变化为8.43 mm，足部骨骼最大应力为50.35 MPa。

图4 高跟鞋不同高度时足部骨骼皮肤综合位移云图、应力云图和骨骼应力云图Figure 4 Comprehensive bone skin displacement,stress cloud diagrams and bone stress cloud diagrams of the foot at different heights of high heels

2.2 高跟鞋鞋跟高度为2 cm

模型的参数α设置为35°，鞋跟高度为2 cm，如图4(b)足部整体最大应力为50.40 MPa，最大的位移变化为8.43 mm，足部骨骼最大应力为50.40 MPa。

2.3 高跟鞋鞋跟高度为4 cm

模型的参数α设置为28°，鞋跟高度4 cm。如图4(c)足部整体最大应力为51.70 MPa，最大位移变化为8.44 mm，足部骨骼最大应力为51.70 MPa。

2.4 高跟鞋鞋跟高度为6 cm

模型的参数α设置为20°，鞋跟高度为6 cm。如图4(d)足部整体最大应力为51.74 MPa，最大位移变化为8.44 mm，足部骨骼最大应力为51.74 MPa。

2.5 高跟鞋鞋跟高度为8 cm

模型的参数α设置为10°，鞋跟高度为8 cm。如图4(e)足部整体最大应力为51.72 MPa，最大位移变化为8.45 mm，足部骨骼最大应力为51.72 MPa。

2.6 高跟鞋鞋跟高度为10 cm

模型的参数α设置为0°，鞋跟高度为10 cm。如图4(f)足部整体最大应力为61.28 MPa，最大位移变化为8.46 mm，足部骨骼最大应力为51.72 MPa。

从有限元模型建立和仿真计算得到足部的位移云图和最大位移位置，可得：(1)随着高跟鞋的高度不断增加，脚踝部受到的最大位移和最大应力也相应增加，在8 cm以下最大位移和应力增加较慢，但当鞋跟超过8 cm时，位移和应力增加较快，当鞋跟高度达到 10 cm时，足部最大位移增至8.47 mm，最大应力达到61.28 MPa。(2)以高跟鞋高度4 cm为例，如图5所示。随着高跟鞋高度的增加，足部的整体变形分布基本一致，最大位移均发生在踝关节处，说明不论鞋跟高度是多少，相应的最大应力和位移发生部位皆类似。

图5 足部位移云图和最大位移位置Figure 5 Foot displacement cloud map and maximum displacement position

图6(a)为不同高跟鞋高度和足部整体最大变形的关系曲线。随着高跟鞋高度的增加，足部最大位移也基本逐步增加，但当鞋跟高度大于8 cm时，足部变形急剧增大。图6(b)为不同高跟鞋高度和足部整体最大应力的关系曲线。随着高跟鞋高度的增加，足部整体最大应力也逐步增加，但当鞋跟高度大于8 cm时，足部最大应力急剧增加。

图6 穿不同高度高跟鞋时足部整体最大变形和最大应力Figure 6 Maximum deformation and maximum stress of the whole foot at different high heel heights

综上，随着高跟鞋高度的增加，足部的最大应力和最大位移随之升高，当鞋跟高度在0～8 cm时，最大应力和最大位移较小，但当鞋跟高度超过8 cm时，足部最大应力和最大位移急剧增加，且最大变形出现在踝关节处。踝关节对维持人体的步态和平衡状态具有重要作用。踝关节处骨骼皮肤的应力和变形较大时，踝部可能产生损伤甚至出现疾病，为了保证足部的安全和健康，建议女性选择0～8 cm的高跟鞋。

3 讨论与结论

人体足部具有复杂的解剖结构，穿高跟鞋易对足部的生物力学特性产生影响。现有的国内外相关研究聚焦于穿高跟鞋时的足部生物力学特性变化趋势，但大部分研究仅考虑足部骨骼系统模型，对于骨骼皮肤综合系统模型的足部生物力学研究还有待发展。本文在前人的基础上构建了足部皮肤和骨骼的综合模型，对穿不同高度高跟鞋的足部生物力学特性进行数值模拟，得到应力和位移的变化趋势。计算结果显示，当鞋跟高度超过8 cm时，足部的最大应力和最大位移急剧增加，最大变形出现在人体踝关节处。所得结果既可为女性足部健康提供帮助，又可为临床上足部相关疾病的研究提供数据支撑。

限于实验条件和作者现有知识的局限，未来研究需在以下方面进一步探索。

(1) 由于足部解剖结构的复杂性和软硬件的限制，后续可增加CT断层扫描图像的样本数量，提高重建几何模型的精确度。

(2) 有限元仿真分析能够模拟穿高跟鞋女性的足部生物力学特性，但仿真得到的数据与人体足部真实的力学变化规律还有一定差距，还需要与临床结合进行验证，进一步优化模型。

(3) 为了便于计算，因血管、神经、组织的复杂性和在本研究中的特点，本研究将皮肤与血管、神经、组织综合等效为一定的综合力学弹性体，在今后的有限元建模中如需进一步研究以上组织器官的力学特性还应进一步细化模型。