CC BY
178
УДК 531/534: [57+61]
Российский
Журнал
Биомеханики
www.biomech.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ УПРУГИХ СВОЙСТВ СТОПЫ ЧЕЛОВЕКА
А.И. Перепелкин1, С.И. Калужский2, В.Б. Мандриков3, А.И. Краюшкин1, Е.С. Атрощенко1
1 Кафедра анатомии человека Волгоградского государственного медицинского университета, Россия, 400131, Волгоград, пл. Павших борцов, 1, e-mail: similipol@mail.ru, krayushkin_ai@mail.ru, caterina999@mail. ru
2 Общество с ограниченной ответственностью «Ортопед», Россия, 400011, Волгоград, ул. Электролесовская, 70б, e-mail: hssergey@gmail.com
Кафедра физической культуры и здоровья Волгоградского государственного медицинского университета, Россия, 400131, Волгоград, пл. Павших борцов, 1, e-mail: vbmandrikov@volgmed.ru
Аннотация. Объектом исследования послужили механические характеристики стоп 175 юношей и 315 девушек Волгоградского государственного медицинского университета в возрасте 17-21 года, не имеющих какой-либо патологии опорно-двигательного аппарата. Целью работы явилось получение данных об упругих характеристиках стопы в естественных условиях у лиц обоего пола юношеского возраста. Исследование морфофункционального состояния стопы осуществлялось при помощи компьютерного плантографического комплекса и включало также системный анализ и графоаналитическую расшифровку цифрового изображения стопы. В зависимости от задаваемой нагрузки на стопу, равной 50 и 80% массы тела, проводилось сканирование подошвенной поверхности стопы и одновременно измерялась высота её продольного свода. Вычисляли коэффициенты деформации, упругости и Пуассона, а также модуль Юнга. В ходе проведенного исследования было выявлено, что наибольший коэффициент деформации у лиц обоего пола отмечен вдоль вертикальной оси стопы, а наименьший - вдоль ее сагиттальной оси. Наибольший коэффициент Пуассона у лиц обоего пола был вдоль фронтальной оси стопы, при этом его значение у девушек было больше по сравнению с юношами. Модуль Юнга был выше у юношей. Полученные данные об упругости стопы человека позволяют охарактеризовать ее амортизирующую функцию в норме и степень ее потери при различных деформациях. Разработанный программно-компьютерный комплекс и программная реализация диагностики анатомо-функциональных параметров позволяют проводить оценку упругости стопы человека. Показатели стопы (модуль Юнга, коэффициенты Пуассона, упругости и деформации) характеризуют ее рессорную функцию и способность сопротивляться действию нагрузок. Таким образом, для юношеского возраста выявлена половая дифференциация упругих специфичных характеристик стопы. Разработанный метод целесообразно использовать для исследования упругих свойств стопы у лиц различных возрастных групп, спортивных специализаций, а также у больных с различными заболеваниями стоп.
Ключевые слова: упругость стопы, коэффициент упругости, коэффициент деформации, модуль Юнга, коэффициент Пуассона, компьютерная плантография, юношеский возраст.
© Перепелкин А.И., Калужский С.И., Мандриков В.Б., Краюшкин А.И., Атрощенко Е.С., 2014 Перепелкин Андрей Иванович, д.мед.н., профессор кафедры анатомии человека, Волгоград Калужский Сергей Игоревич, к.т.н., инженер-программист, Волгоград
Мандриков Виктор Борисович, д.пед.н., заведующий кафедрой физической культуры и здоровья, первый проректор, Волгоград
Краюшкин Александр Иванович, д.мед.н., заведующий кафедрой анатомии человека, Волгоград Атрощенко Екатерина Сергеевна, студентка 6 курса лечебного факультета, Волгоград
Введение
В настоящее время продольная и поперечная распластанность, носящая самостоятельный характер, а также и в сочетании с другими статическими деформациями стопы, является одним из наиболее распространенных ортопедических заболеваний. По данным Всемирной организации здравоохранения, 75% людей на планете имеют те или иные патологические изменения стоп, наиболее частым из которых является плоскостопие. Эта деформация стоп является причиной многих тяжелых заболеваний опорно-двигательного аппарата, нередко приводящих к инвалидности [8, 11, 12]. В настоящее время женщины страдают плоскостопием в 4 раза чаще, чем мужчины. Преобладание плоскостопия среди лиц женского пола чаще всего объясняется как изменением гормонального фона во время беременности, кормления грудью, менопаузы, так и хронической травматизацией стопы обувью широкого потребления с высокими каблуками, модными узкими носками [11]. Другие авторы указывают, что деформация стопы не зависит от типа обуви, которой пользуются женщины, а существует индивидуальная предрасположенность к развитию деформации стопы, в основе которой лежит врожденная слабость соединительной ткани [2].
В процессе жизни у всех людей в той или иной мере изменяются функциональные параметры стопы. В первую очередь они касаются ее рессорной и опорной функций [2]. В связи с этим морфофункциональная диагностика состояния стоп является существенным элементом профилактики ряда нарушений опорно-двигательного аппарата [6]. Определение индивидуально-типологической изменчивости морфологии и функции интактной стопы приобретает особую актуальность, поскольку достаточно сложно провести четкую грань между вариантами нормы стопы и начальными стадиями ее деформации с учетом пола, возраста, типа телосложения и уровня функциональной нагрузки [10].
Стопа является первым самым нагружаемым звеном опорно-двигательного аппарата. Она осуществляет контакт с опорой, перераспределяет силу реакции опоры на вышележащие сегменты и выполняет важную рессорную функцию, обеспечивает устойчивость нижней конечности и сцепление с опорной поверхностью. Способность стопы противостоять нагрузкам обусловлена не только биомеханическим совершенством, но и свойствами составляющих ее тканей [5].
Упругость стопы определяется индивидуальными анатомическими и функциональными особенностями, детерминированными генетическими и половыми факторами, изменяющимися под воздействием множественных внешних факторов.
Специфическая структура стопы и голеностопного сустава служит амортизатором опорных реакций, в норме обеспечивает симметричную нагрузку на обе конечности и определяет особенности ее биомеханики при ходьбе. Биомеханика стопы и функции стопы в различные фазы шага различна. Если в фазу амортизации основная задача стопы - смягчение удара при контакте с поверхностью, то в период опоры на всю стопу задача стопы - перераспределение энергии для эффективного выполнения следующей фазы - отталкивания от опоры. Задача этой фазы - передача лежащим выше сегментам силы реакции опоры. Смягчение инерционной нагрузки при ходьбе и беге осуществляется сложным комплексом суставно-связочного аппарата, соединяющим 26 основных костей стопы, в котором выделяют 5 продольных костей и поперечный свод. Пяточная, таранная кости и кости плюсны и предплюсны образуют своеобразную арку - рессору, способную уплощаться и расправляться. Нагрузка массой тела распределяется равномерно на передний и задний отделы стопы. Эти отделы соединены в единую кинематическую цепь межсуставными связками, а также мощным эластичным сухожилием - подошвенным апоневрозом, который, подобно пружине, возвращает в нормальное положение распластанный под нагрузкой свод стопы [3, 7].
В случае нарушения симметричности нагружения стопы при стоянии или во время переднего толчка при ходьбе и беге, а также за счет снижения упругих свойств стопы у лиц всех возрастных групп понижаются амортизирующие ее свойства, что влечет за собой повышенную ударную нагрузку и усиление вибрационных воздействий на все располагающиеся выше суставы и органы [2, 4]. Поэтому определение упругих характеристик, а значит и амортизационных свойств стопы крайне важно в целях ранней диагностики функционального состояния сводов стопы, потеря которых приводит к неблагоприятным последствиям для всего организма человека. Как в отечественной, так и зарубежной литературе не уделяется внимание особенностям упругости стопы, тогда как получение количественных характеристик упругих свойств стопы позволяет, уточнив принципы профилактики заболеваний нижних конечностей, разработать комплекс специальных упражнений для повышения силы стопы [7].
Неразрушающим испытаниям отводится особое место в получении важных сведений о механических свойствах исследуемого элемента. Одним из таких методов является определение амортизирующих свойств стопы путем измерения ее упругой деформации при приложении статической нагрузки.
Цель исследования - получение данных об упругих характеристиках стопы в естественных условиях у лиц юношеского возраста обоего пола.
Материал и методы исследования
Объектом исследования послужили механические характеристики стоп 175 юношей и 315 девушек Волгоградского государственного медицинского университета в возрасте 17-21 года, не имеющих какой-либо патологии опорно-двигательного аппарата.
Исследование морфофункционального состояния стопы, осуществляемое при помощи компьютерного плантографического комплекса («Ортопед», Волгоград) по нашему методу [1], включало также системный анализ и графоаналитическую расшифровку цифрового изображения стопы (рис. 1).
Прилегающая к сканеру поверхность стопы выглядит более светлой на снимке, тем самым имеется достаточно информации, чтобы получить площадь опорной поверхности стопы. Программа для наглядности выделяет определенным цветом каждый из отделов стопы (рис. 2). Для вычисления площади в программе определяют контур стопы и подсчитывают точки, лежащие внутри контура [1, 8, 9].
Рис. 1. Окно программы расчета анатомо-функциональных Рис. 2. Определение
параметров стопы площади опорной
поверхности всей стопы и ее отделов
Исследование проводилось в следующем порядке. Вначале измерялась масса тела человека, затем исследуемый одной ногой становился на плантографическую подставку, помещенную на поверхность грузоприемной платформы электронных тензометрических весов для статического взвешивания, а другой ногой на опорную платформу, расположенную по бокам от подставки и весов. В зависимости от задаваемой нагрузки на стопу, равной 50 и 80% массы тела, проводилось сканирование ее подошвенной поверхности. Одновременно измерялась высота её продольного свода (от горизонтальной поверхности до наиболее высокой точки ладьевидной кости) с помощью высотомера. В дальнейшем пациент менял местами расположение нижних конечностей, и обследование противоположной стопы повторялось в том же порядке. Изменение нагрузки на стопу контролировалось самим обследуемым путем наблюдения за изменением цифровых показателей на дисплее весов. Абсолютные величины, равные 50 и 80% массы тела человека, определялись из предварительно составленной таблицы.
Результаты и их обсуждение
Средняя масса тела юношей составила 70,96±9,19 кг, при этом средняя величина опорной поверхности стопы - 0,0063±0,0022 м . У девушек средняя масса тела составила 59,12±8,15 кг, а опорная поверхность стопы - 0,0049±0,0018 м2. Для изучения упругих характеристик стопы учитывали коэффициенты Пуассона, упругости и деформации, а также модуль Юнга.
Стопа при нормальных нагрузках испытывает упругие деформации (деформация стопы полностью исчезает при снятии нагрузки). В данной работе рассматривается упругая деформация стопы в вертикальной плоскости, поэтому воспользуемся одномерным вариантом закона Гука. Модуль упругости в этом случае будет являться характеристикой рессорной функции стопы.
При приложении нагрузки по одной оси стопы происходит изменение линейных размеров материала по другим ее осям, т.е. при приложении вертикальной нагрузки (массой тела человека) на стопу происходит ее распластывание по фронтальной и сагиттальной осям. Характеристикой этой деформации является коэффициент Пуассона. Величина его равна отношению относительного продольного удлинения (по сагиттальной оси) или относительного расширения (вдоль фронтальной оси) е к относительному вертикальному сжатию стопы е', т.е.
И =А. (1)
е I
По коэффициенту Пуассона для фронтальной и сагиттальной осей можно судить о рессорных функциях стопы по этим направлениям.
Коэффициент упругости рассчитывали по формуле
к = ^, (2) Ду
где Дт - разница между 80 и 50% величинами массы тела, кг; Ду - разница в высоте стопы при нагрузке на нее, равной 80 и 50% от массы тела, м.
Коэффициент деформации рассчитывали по каждой из осей стопы по формуле
Ду
8 =—100%, (3)
V
где Ду - разница линейного параметра по оси стопы; V - первоначальная величина линейного параметра стопы при нагрузке, равной 50% массы тела.
Модуль Юнга вычисляли по формуле
V
Е = к —, (4)
£
где к - коэффициент упругости; V - величина линейного параметра стопы при пятидесятипроцентной нагрузке от массы тела; £ - средняя площадь опорной поверхности стопы.
В ходе проведенных вычислений было выявлено, что коэффициент упругости был больше у юношей. Наибольший коэффициент деформации у лиц обоего пола отмечен вдоль вертикальной оси стопы, наименьший - вдоль сагиттальной оси (таблица).
Модуль Юнга был выше у юношей. Наибольший коэффициент Пуассона был вдоль фронтальной оси у лиц обоего пола, при этом его значение у девушек было больше по сравнению с юношами (рис. 3).
Основные характеристики упругости стопы лиц юношеского возраста
Ось V50, м V80, м m50, кг m80, кг Av, м Am, кг к, H/м 8, % Е, кПа
Юноши
Сагиттальная 0,26745 0,26892 35,48 56,76 0,0015 21,28 - 0,56 -
Фронтальная 0,0897 0, 0909 35,48 56,76 0,00123 21,28 - 1,37 -
Вертикальная 0,0501 0,0474 35,48 56,76 -0,0027 21,28 78815 5,4 616,9
Девушки
Сагиттальная 0,241 0,243 29,5 47,28 0,002 17,74 - 0,83 -
Фронтальная 0,0822 0,085 29,5 47,28 0,0028 17,74 - 3,4 -
Вертикальная 0,0465 0,0437 29,5 47,28 -0,0028 17,74 63357 6 601,2
0,6
Юноши Девушки
Рис. 3. Значения коэффициента Пуассона у лиц обоего пола юношеского возраста вдоль сагиттальной (В) и фронтальной (: ) осей стопы
Выявленная в работе половая дифференциация коэффициента упругости стопы и адаптационного ответа на внешнюю механическую нагрузку может быть объяснима различной эластичностью и пластичностью тканей женщин и мужчин, образующих стопу, а именно кожи, связок, сухожилий и мышц [18, 20]. Предположительно, полученные данные можно объяснить разным влиянием половых гормонов на ткани организма человека, а именно увеличением их ригидности при преобладающем действии тестостерона [21]. Результаты нашего исследования подтверждают литературные данные [13], свидетельствующие о том, что упругость некоторых тканей нижних конечностей у мальчиков выше по сравнению с девочками, а также соответствуют исследованиям [22], в которых отмечена большая подвижность в суставах нижних конечностей у лиц женского пола по сравнению с мужчинами.
Именно качественный и количественный состав всех тканей стопы определяет ее упругость. Так, например, выявлено, что увеличение ригидности ткани у лиц мужского пола отмечается за счет усиления синтеза коллагена [23], а уменьшение упругости у женщин детерминировано меньшим количество волокон, их диаметром и относительным количеством коллагена в каждом волокне связок их стопы [17]. В то же время в исследованиях на животных женского пола в связках отмечена на 82% большая концентрация ДНК, а у особей мужского пола - больше на 70% содержание коллагена I и III типов [19].
На основании полученных в данной работе количественных данных о половых различиях упругости стопы становится понятным более частая встречаемость повреждения подошвенных мышц и ахиллова сухожилия у мужчин. В первую очередь это объясняется тем, что более ригидная ткань не может поглотить достаточную энергию с возникающей на нее нагрузкой, вследствие чего имеется высокая вероятность ее повреждения [16]. В то же время повышенная ригидность стопы у мужчин связана со свойствами мышц и сухожилий, которые не только качественно, но и количественно отличаются от женских мышц. Одновременно мышечное волокно у мужчин более эффективно при сопротивлении изменениям в его длине, что важно для сохранения стабильности в суставах [14, 15].
Выводы
1. Разработанный программно-компьютерный комплекс и программная реализация диагностики анатомо-функциональных параметров позволяют проводить оценку упругости стопы человека.
2. Показатели стопы (модуль Юнга, коэффициенты Пуассона, упругости и деформации) характеризуют ее рессорную функцию и способность сопротивляться действию нагрузок.
3. У испытуемых юношеского возраста выявлена половая дифференциация упругих специфичных характеристик стопы.
4. Разработанный метод целесообразно использовать для исследования упругих свойств стопы у лиц различных возрастных групп, спортивных специализаций, а также у больных с различными заболеваниями стоп для индивидуального подбора ортезов, медикаментозной терапии, методов физиотерапевтического лечения, лечебной физкультуры и массажа.
Список литературы
1. Гавриков К.В., Перепелкин А.И., Мандриков В.Б., Воробьев А.А., Клаучек С.В. Способ определения рессорной функции стопы с использованием возрастающей нагрузки: патент РФ на изобретение №2358650; Бюл. 2009, № 17.
2. Ефимов А.П. Информативность биомеханических параметров походки для оценки патологии нижних конечностей // Российский журнал биомеханики. - 2012. - Т. 16, № 1 - С. 80-88.
3. Кашуба В.А., Сергиенко К.Н. Технология биомеханического контроля состояния опорно-рессорной функции стопы человека // Биомеханика стопы человека: материалы I междунар. науч.-практ. конф., 18-19 июня 2008. - Гродно, 2008. - С. 32-34.
4. Кобелев А.В., Смолюк Л.Т., Кобелева Р.М., Проценко Ю.Л. Нелинейные вязкоупругие свойства биологических тканей. - Екатеринбург: Уро РАН, 2011. - 144 с.
5. Кузнецова Е.А. Исследование амортизации системы человек-обувь-опора в фазе переднего толчка: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Казань, 2009. - 27 с.
6. Лашковский В.В., Болтрукевич С.И. Новые технологии в хирургической реабилитации пациентов с плоско-вальгусной деформацией стопы // Биомеханика стопы человека: материалы I междунар. науч.-практ. конф., 18-19 июня 2008. - Гродно, 2008. - С. 141-143.
7. Мицкевич В. А., Арсеньев А.О. Подиатрия. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. - 136 с.
8. Перепелкин А.И., Краюшкин А.И. Динамика линейных параметров стопы девушек при возрастающей нагрузке // Вестник Волгоградского государственного медицинского университета. -2013. - № 2. - С. 25-27.
9. Перепелкин А.И., Краюшкин А.И., Смаглюк Е.С., Сулейманов Р.Х. Исследование опорной поверхности стопы в юношеском возрасте // Вестник новых медицинских технологий. - 2011. -Т. 18, № 2. - С. 150-152.
10. Перепелкин А. И. Соматотипологические закономерности формирования стопы человека в постнатальном онтогенезе: автореф. дис. ... д-ра мед. наук. - Волгоград, 2009. - 53 с.
11. Тахмезов Р.Т. Расовые и этнические особенности сводов стопы у женщин: автореф. дис. ... канд. мед. наук. - СПб., 2013. - 25 с.
12. Тетерин О.Г., Петров Д.Ю., Маланин Д.А., Гунин К.В., Лемешкин С.С., Чернявский М.А. Коррекция деформаций переднего отдела стопы: метод. пособие. - Волгоград, 2009. - 31 с.
13. Berko N.S., Fitzgerald E.F., Amaral T.D., Payares M., Levin T.L. Ultrasound elastography in children: establishing the normal range of muscle elasticity // Pediatr. Radiol. - 2014. - Vol. 44, № 2. - P. 158-163.
14. Blackburn J.T., Padua D.A., Weinhold P.S., Guskiewicz K.M. Comparison of triceps surae structural stiffness and material modulus across sex // Clin. Biomech. - 2006. - Vol. 21, № 2. - P. 159-167.
15. Blackburn J.T., Bell D.R., Norcross M.F., Hudson J.D., Kimsey M.H. Sex comparison of hamstring structural and material properties // Clin. Biomech. - 2009. - Vol. 24, № 1. - P. 65-70.
16. Foure A., Cornu C., McNair P.J., Nordez A. Gender differences in both active and passive parts of the plantar flexors series elastic component stiffness and geometrical parameters of the muscle-tendon complex // J. Orthop. Res. - 2012. - Vol. 30, № 5. - P. 707-712.
17. Hashemi J., Chandrashekar N., Mansouri H., Slauterbeck J.R., Hardy D.M. The human anterior cruciate ligament: sex differences in ultrastructure and correlation with biomechanical properties // J. Orthop. Res. - 2008. - Vol. 26, № 7. - P. 945-950.
18. Hashmi F., Malone-Lee J. Measurement of skin elasticity on the foot // Skin Res. Technol. - 2007. - Vol. 1, № 3. - P. 252-258.
19. Mariotti A., Rumpf D., Malakhova O., Cooper B. Gender-specific differences in temporomandibular retrodiscal tissues of the goat // Eur. J. Oral Sci. - 2000. - Vol. 108, № 5. - P. 461-463.
20. Mikic B., Amadei E., Rossmeier K., Bierwert L. Sex matters in the establishment of murine tendon composition and material properties during growth // J. Orthop. Res. - 2010. - Vol. 28, № 5. - P. 631-638.
21. Morse C.I. Gender differences in the passive stiffness of the human gastrocnemius muscle during stretch // Eur. J. Appl. Physiol. - 2011. - Vol. 111, № 9. - P. 2149-2154.
22. Shultz S.J., Pye M.L., Montgomery M.M., Schmitz R.J. Associations between lower extremity muscle mass and multiplanar knee laxity and stiffness: a potential explanation for sex differences in frontal and transverse plane knee laxity // Am. J. Sports Med. - 2012. - Vol. 40, № 12. - P. 2836-2844.
23. Wittnich C., Tan L., Wallen J., Belanger M. Sex differences in myocardial metabolism and cardiac function: an emerging concept // Pflugers Arch. - 2013. - Vol. 465, № 5. - P. 719-729.
RESEARCH OF RESILIENT PROPERTIES OF THE HUMAN FOOT
A.I. Perepelkin, S.I. Kalugskiy, V.B. Mandrikov, A.I. Krayushkin, E.S. Atroshchenko (Volgograd, Russia)
The mechanical characteristics of the feet of 175 healthy (without any pathology of musculoskeletal system) young men and 315 young women of the Volgograd state medical university at the age from 17 to 21 years old were observed. The research purpose was to acquire data about the resilient characteristics of the foot under the natural conditions at young persons of both sexes. The examination of the morphofunctional condition of the foot was carried out by means of the computerized plantography, involving the systemic analysis and graphical analytical interpretation of the digital image of the foot. Scanning of the plantar surface of the foot was carried out consistently under compressive loads on each foot which were equal to 50% and 80% of the person's body weight. The height of the longitudinal arch of the foot was measured concurrently. Resilience coefficient, deformation coefficient, Young's module and Poisson's ratio were calculated in both groups. As a result of the fulfilled research, it was revealed that the highest deformation coefficient in the persons of both sexes was found along the vertical axis of the foot. The lowest deformation coefficient was revealed along the sagittal axis of the foot. The persons of both sexes had the greatest Poisson's ratio along the frontal axis of the foot. Poisson's ratio of the women foot in this axis was higher in comparison with young men. Tensile modulus or Young's modulus of the young men was greater than that of young women. The obtained data of the elasticity of the human foot allow us to characterize its amortisation function in normal condition and the extent of its loss at various foot deformations. The proposed computerized diagnostic module and the computerized detection of morphofunctional parameters allow us to carry out an assessment of the human foot elasticity. The foot indicators (resilience coefficient, deformation coefficient, Young's modulus and Poisson's ratio) characterize its amortisation function and ability to resist to the action of loadings. Thus, a sexual differentiation of specific resilient characteristics of the foot in youth is identified. The developed method can be used for the investigation of elastic properties of the human foot in various age groups, sports specializations, and in patients with various foot anomalies (diseases).
Key words: foot resilience, resilience coefficient, deformation coefficient, Young's modulus, Poisson's coefficient, computerized plantography, youth age.
Получено 6 марта 2014
