足墊製作用足底取模方法之簡介

呂東武教授

國立台灣大學醫學工程學研究所

足部是人體中極為重要的肢段。在人類發明代步工具之前，人們只能靠著自己的雙腳跋山涉水。由於足部是最直接與地面接觸的肢段，因此足部從站立、走路到跳躍跑步的過程中不但要承載全身的重量，更要承受動作中所產生之巨大的地面反作用力(Ground Reaction Force, GRF)。而在承受外力的同時，足部亦必須面對各種不同地面情況的挑戰，或許有坑窪凹洞，或許有異物凸出路面，又或許落腳之處有各種不同方向的傾斜，這些都考驗著足部的適應性以及穩定性。現代人形步行機器人所面對的巨大挑戰之一，就是如何讓機器人的雙足能像人類的足部一樣同時兼顧適應性以及穩定性。由此可知，人的雙腳結構設計是如此的奧妙，若沒有雙足的帶領，人類或許就無法走出更寬闊的世界。

正因為足部所需要面對的情況是如此複雜，其功能的正常與否就變得極為重要。要有正常的功能，就必須確保足部結構是完整且正確的。功能結構不正確的足部會直接且明顯地反映在肉眼可見的人體姿態上，而人體姿態會進一步影響外界對於人體的力學，進而產生不正常的力量與力矩，並造成組織不正常的拉伸或擠壓。長時間影響下來就會產生包括表皮組織增生(雞眼、繭)、發炎疼痛(足底筋膜炎、足跟痛等)、骨骼變形等各種症狀。足部症狀雖然通常不會致命，但是其疼痛與不適都會對患者的生活品質以及行動力造成嚴重的負面影響。對於深受其害的病人而言，回復雙足的健康或是利用輔助器具使其雙足能如同正常雙足一般工作是他們最大的願望。

目前臨床醫護人員以及相關醫學工程學者都共同朝向非侵入式檢查及保守治療的方向努力，足部型態異常的治療方向亦不例外。醫生通常會建議先藉由支架或足墊等外部輔助器來進行矯正，在追蹤觀察數個月後若無明顯成效才會考慮開刀。因此，如何製作一個好的足部輔具是非常重要的，而如何取得正確的足底模更是直接影響足墊製作的關鍵，不僅影響足墊修改加工的複雜度與成本，亦會影響患者的治療的成效。因此國內從2000年便開始積極發展復健治療，一方面提升骨科治療後之復健效果，另一方面以物理治療方式降低因足部疾病及意外傷害所需的侵入式的手術治療。

依據市調機構Espicom與工研院IEK的統計，2006年全球醫療產品市場規模約有1,562億美元，預估至2010年將可突破2千億美元，其中以醫院用設備與器材為主，佔86％，其餘依次是醫用耗材與傢俱佔11％、輔具佔3％。ITIS估計台灣方面的預估產值為14億美元，其年平均成長率亦高達14.85%，可見保健性商品的潛在市場需求不僅龐大而且仍然在快速成長中。然而過去醫療院所或復健科在製作足墊輔具（orthopedic insoles）時，均以石膏取模的方式來取得患者足部模型，接著再依據治療需求修正石膏模型，並以熱塑性材料逐層加熱覆蓋、彈性繃帶纏繞緊縮、自然冷卻定形，同時透過生物力學觀念導入調整，最後得到一雙完整且量身訂做的矯形足墊。然而這整個製程不僅費時且費力，從取模、修整、成形與調整，患者常需2~3次門診並須要等待4~7天才能取得足墊輔具，且成本與收費極高，不僅帶給患者沉重的醫療負擔，相對的復健科醫師亦因為製作輔具時間過長而影響其他患者就醫品質與時間。其次，患者足部的正中位置(neutral position)通常是由復健師以手為患者固定，但取模的過程中，復健師的手必須離開方能進行取模，因此其足部的相對位置會失去正確性，如此亦會影響輔具的正確度與治療效果。

現今科技發展一日千里，各種量測取模的方法業已被發展出來，但皆具有各自的優缺點。若能集結各家優點並進而改善目前的足底取模方式，對於相關足部疾病的保守治療將會有極大的助益。本文將由足部生理解剖至足墊對足部姿態之影響著眼，討論目前較廣泛使用的足底取模方法及其優缺點。

一、    足部生理解剖與功能簡介

a.      骨骼系統[圖一、(a)]

人體全身共有206塊骨頭，然而單一足部即包含有七塊跗骨(Tarsus)、五塊蹠骨(Metatarsus)以及14塊趾骨(Phalanges)，共有26塊骨頭，因此兩腳就占了超過全身四分之一的骨頭。這26塊骨頭相互組成踝關節、跗骨間關節、跗蹠關節、蹠趾關節、趾間關節。

b.     肌肉韌帶系統[圖一、(b)]

足底肌：包含拇展肌、拇短屈肌、拇收肌。

足背肌：包含趾短伸肌、拇短伸肌。

外側群：包含小趾展肌、小趾短屈肌。

中間群：包含骨間蹠側肌、骨間背側肌、蚓狀肌、趾短屈肌、蹠方肌。

         

c.      正中位置(neutral position)

足部的正中位置就是指足部在背屈90度(小腿與足部的夾角)、內翻/外翻0度(此時由背側可看到阿基里斯腱與足跟呈共線)、以及內轉/外轉0度(足部第二趾到腳跟相對於腿部中軸)的足部姿態。

二、    異常足部對位(alignment)之簡介

足部在結構與對位上有許多巧妙的設計，其中足弓不但提供良好的支撐性，同時也兼顧吸收衝擊力的功能。足部姿態的異常會導致足弓結構的變化，進而影響到足部受力時的對位，因而對其他組織造成異常的負擔並引發各種症狀。本段將介紹常見的異常足部對位。

a.      結構性扁平足

此異常足部結構就是指舟狀骨向下移位造成內縱足弓的塌陷，因而內縱足弓在踏地時消失，同時後足部會呈現外翻的現象。扁平足會造成足底韌帶組織長時間頻繁地被拉伸，因此患者容易感到足部的疲累而無法久站。若長時間走路則會過度拉扯足底筋膜而導致足底筋膜發炎與產生疼痛，此即為足底筋膜炎。

b.     高弓足

高弓足的原因主要是先天性的遺傳或因肌肉無力、不平衡或攣縮及不正確的行走模式而導致的。患者初期大都不會覺得疼痛，甚至感覺行動很敏捷，但長久下來會因身體重量分佈不平均，使得腳底容易長繭與疼痛外，亦會因走路時前足容易外旋，致使腳底筋膜緊繃、足部穩定度不佳、關節較易產生角度過大的傷害，且患者之膝關節兩側壓力不平均而較易形成O型腿現象。

c.      外翻足

與扁平足極為相似，在足部對位上可以看到跟骨相對於小腿呈現外翻姿[圖二]。然此二者主要差異在於外翻足未承重時可以看到足弓，但是承重時足弓消失。外翻足患者鞋子的內側常常會磨耗特別嚴重，且通常會在足部內側以及第二、三蹠骨底部會長繭。此外，常見的症狀亦包括有足底筋膜炎、足弓痛、蹠骨頭痛、脛後肌肌腱炎。

d.     內翻足

內翻足在足部對位上可以看到阿基里斯腱與腳跟並非成一直線而呈現內翻。患者於承重時足弓變高，且易於第五蹠骨外部或底部長繭，其鞋子的外側亦常會磨耗特別嚴重。患者常見症狀尚有足弓痛、蹠骨頭痛、膝痛或背痛等。

三、    足部對位(alignment)對人體力學的影響

正常足於步行時，足底壓力中心(COP)的移動軌跡約在足底中線靠外側處。而扁平足以及外翻足的異常足部對位容易造成COP軌跡往足內側移動，使得地面反作用力對踝關節以及膝關節產生不正常的力矩。反之，內翻足則會使得足底壓力中心軌跡往外側移動[圖三]，亦會使得地面反作用力對踝關節以及膝關節造成不正常的力矩，長時間下來將會導致關節變形與產生不適感。

四、    足墊對人體的影響

正常人在六至七歲即可發展出成熟的步態(gait)。人體在正常行走的過程當中，地面反作用力大致會指向全身的質量中心(Center of Mass, COM)[圖四]，且同時約略通過下肢各關節中心位置。如此一來，便可減少地面反作用力相對於各個關節中心的力臂，進而避免關節承受過大的力矩，同時也避免能量的浪費。由此可知，人體在行走時下肢各肢段間的對位關係以及關節中心位置是很重要的。看似不起眼的差異皆可能會導致關節承受不正常的力學效應，嚴重者除了導致下肢骨骼變形，甚至進一步往上影響骨盆與脊椎而引發其他相關症狀。

足墊除了能有助於吸收來自地面的衝擊進而保護足部不為外力傷害之外，足墊的曲面在經過良好設計後，除可提供足部額外的支撐，另外容易為肉眼觀察到的就是可令足部保持在正中位置，因此具有矯正足部對位不正常的功能。過去在設計足墊時，往往把設計的重點放在足底壓力評估的結果，因此必須製造出成品並且經實際測試後才能知道該足墊對於矯正對位的效果。然而經研究證實，足部對位正常與否對於足底壓力乃至於全身的生物力學都有明顯的影響。因此在設計足墊時，若以足部對位為優先考量的依據，將可有助於縮減足墊研發的時間，同時亦能獲得更顯著的足部矯正效益。

五、    現行足底取模的方法及其優缺點

取模的方法繁多，主要以手工取模、塑性材料取模、光學影像取模幾種方式為主流。手工取模乃是量取足部各項參數，再據之製做鞋子及足墊。塑性材料取模是利用材料的可塑性，經由貼附足底表面的過程取得足底的曲面模型。光學影像則常搭配數位化的資料擷取設備，可以將取得的足底模型數位化，對於加工流程有很大的幫助。以下將介紹幾項常見的足底取模方法。

a.      手工取模

此為最傳統的取模方式，乃是利用手工量測足型的主要參數。一般來說，常需量測的數值有趾球關節圍度（ball circumference）、腰圍（waist circumference）、徑距圍度(span circumference)、足背圍度(instep circumference)與變形鎚狀趾的足趾高度，其後加上足墊厚度與鞋子之餘裕後，將所量得的數值與楦頭進行比對再製作鞋楦。由此可知，此方法準確度與花費時間大多視師傅的功力和經驗而定。好的師傅可以依據其手工量測的數據做出極為合腳且舒適的鞋子，然而此類鞋子的製作流程中大多並未針對矯正足部對位做嚴格的設計，因此通常不具備矯正功能，而且該取模技術常為獨門功夫，且研發製作時間很長而不易控制成本，因此難以利用此方式大量製作客製化足墊。

b.     石膏繃帶取模

此為利用石膏繃帶沾水纏繞足底，待約15~20分鐘的固化時間後取下再翻成石膏陽模。通常量測者會要求患者在等待石膏繃帶固化的這段時間維持在正中姿勢，但是這對足部有傷口以及不能久站的病患而言是難以做到的。再者，取得的陽模尚需再修改成正常姿勢的模型後方能進入足墊加工階段。而一連串的翻模、修模等動作都會使得患者必須等待更久的時間。

c.      泡棉(取模盒)取模

病患直接踩下取模盒，利用泡棉的可塑性取得腳底的形狀。然而一塊泡棉僅供一次量測使用。在病患踩入泡棉的過程中，施測者雖然會提醒受測者以足部維持正中位置的姿勢踩下，然而踩下後的足部通常已無法由受測者維持其姿勢，因此取得的足模常常並非維持在正中位置的足模。利用此法取模尚需將取得的泡棉模型再翻製成陽模，接著再修改此陽模至裡想形狀，因此修改的過程仍必須仰賴製作者的專業與經驗。

d.     STS取模

STS即Silicone Thermoplastic Splinting，主要利用PU材質的熱塑性，方法類似石膏取模，但硬化時間較為石膏短，僅約需5分鐘，因此使用上的受限程度也比石膏取模較小，精準度也較為石膏取模膏高。

e.      低溫熱塑型碳纖維取模

此為以碳纖維為取模的材料。首先請受測者踏在黏土或是裝有高密度矽的軟墊上，由於黏土跟矽會因受測者的重量踩踏出腳型，接著加熱碳纖維製的扁平足墊（足墊可因應足底不同壓力在局部加入些許不同熱塑型材料），使其可以變形，再放入先前受測者在黏土跟矽上所踩踏出的腳型中，稍微下壓對應，或請受測者再踩踏一次，等溫度慢慢下降，直到碳纖維完全回復硬度後再拿出碳纖維足墊，接著再因應受測者所穿的鞋子大小對足墊稍做修剪，若毋需再做額外的修改者亦可立即以此作為足墊使用。因此，此取模法強調的是低溫軟化以及上述幾種取模法所無法達成的反覆局部加熱調整，能夠反覆調整到舒適而理想的狀態。

f.      雷射掃描

以雷射技術掃瞄足部，並能以上萬的資料點產生三維足型，如此便可直接進行圖形比對，以便操作者作比對及修改。從量測至加工成形可一次完成，是極為快速且精準的方法。掃描的時間約略10秒鐘即可完成，掃描精準度約可至0.5mm，可適用於各種疾病患者。但是在掃瞄過程之中，足部的四周不可有阻擋物，因此醫生無法以雙手幫助患者維持在正確的正中姿勢，只能以口頭指示之。雖然從量測到製造的過程非常迅速，但是取得的足底模型並不是在正中位置下的足底模型[圖五]。，且掃描設備價格動輒數十萬美金，並不是每家醫院可以承擔，再加上後續加工製作足墊的系統、設備和材料通常都需搭配原廠規格，因此普及性低。

g.     CCD取模

是利用CCD攝影機擷取影像，再利用影像擷取模組擷取出足部影像，其後再進行影像解碼(Video decoder)、類比輸入處理、色差處理和明視度處理等影像處理程序。CCD掃描時間與雷射掃描時間大致相同，皆約為5~10秒。其精準度略低於雷射掃描，但是CCD掃描器設備的價格相對雷射掃描者較為低廉，且同樣可適用於各種疾病患者。然而在量測期間亦沒有針對足部的姿勢進行矯正，同時受測足是在完全沒有負重的情況下進行掃描[圖六]。因此，量測到的足底模型在轉為電腦數位資料後仍然必須要進行後處理，將量測得到的足底模型進行修改，接著再依據修改完的數據進行加工製造。而修改的適當與否亦須仰賴施測者的專業以及經驗。

取模方法	設備價格	取模時間	取模限制	取模次數	準確度	主要不足之處
手工取模	低	短	通常給正常足型使用	不限	極低	品直接取決於製作者的經驗及技術
石膏繃帶	６０－ １００元/套	１５－２０分鐘	傷口和無法久站病患	單次	低	誤差值高且無法直接量測正中位置的足型
泡棉	低	短	不限	單次	低	誤差值高且無法直接量測正中位置的足型
STS取模	６００元	約５分鐘	受限較小	單次	稍高	誤差值頗高且無法直接量測正中位置的足型
低溫熱塑碳纖維	數百元	不一定 視情況	約同於 STS取模	不限	稍高	誤差值頗高且無法直接量測正中位置的足型
雷射取模	相當昂貴	快 約１０秒	不限	不限	高	無法直接量測正中位置的足型
CCD取模	昂貴	最快	不限	不限	高	無法直接量測正中位置的足型

六、    未來展望

從上述內容不難發現，現行的足底取模技術都無法在製造時程、製造成本、以及量測準確度這三者之間取得良好的平衡。若依靠經驗以手工修改取得的模型，耗時費工且不精確。若以塑性材料包覆足部取得足底形狀，則取得的足模無法確定是否為正確對位，因此仍然需要進行修改，且取模完成到投入製造尚有一段距離。而光學方法則可以提供極為良好的精確度 ，同時可與電腦輔助系統整合，在很短的時間內產生足底模型的CAD圖形，並且投入CAM系統中進行製造。但是在量測的過程中足部周圍需要完全淨空，施測者僅能以口頭指示而無法以其雙手幫助患者維持在正確姿勢下進行量測，雖然從量測到製造的過程非常迅速，卻只能取得不正確的足底模型[表一]。此外，隨著精確度以及量測速度的提升，儀器設備的價格也跟著水漲船高，因此難以普及使用。

若以上述考量，未來理想的足底量測儀器應不僅能夠迅速且精確地量測到足底曲面的模型，同時要能夠讓施測者可在量測過程中幫助患者維持在正中位置，甚至可幫助施測者依據患者的狀況調整其姿勢。而整個量測系統最後亦應整合CAD/CAM系統，以加速從足模資料取得到實際成品完成的過程，更重要的是在量測過程中亦不能讓受測者產生任何不適。若能有一套系統以低成本實現上述各項優點，便可實現迅速且大量客製化足墊的供應，這對於患者乃至於整個醫療系統都將會是一大福音。

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