Наш метод определения механических свойств стопы человека

Перепелкин Андрей Иванович; Мандриков Виктор Борисович; Краюшкин Александр Иванович; Атрощенко Екатерина Сергеевна

http://www. bulletennauki. com

УДК 617.586-007.58:611.986:378.4

НАШ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТОПЫ ЧЕЛОВЕКА

OUR METHOD THE DETERMINATION OF THE MECHANICAL FEATURES

OF THE HUMAN FOOT

©Перепелкин А. И.

д-р мед. наук

Волгоградский государственный медицинский университет

г. Волгоград, Россия, similipol@mail.ru

©Perepelkin A. Dr. habil.

Volgograd State Medical University Volgograd, Russia, similipol@mail.ru ©Мандриков В. Б.

д-р пед. наук

Волгоградский государственный медицинский университет г. Волгоград, Россия, vbmandrikov@volgmed.ru

©Mandrikov V. Dr. habil.

Volgograd State Medical University Volgograd, Russia, vbmandrikov@volgmed.ru

©Краюшкин А. И.

д-р мед. наук

Волгоградский государственный медицинский университет г. Волгоград, Россия, krayushkin_ai@mail.ru

©Krayuschkin A. Dr. habil.

Volgograd State Medical University Volgograd, Russia, krayushkin_ai@mail.ru

©Атрощенко Е. С.

Волгоградский государственный медицинский университет г. Волгоград, Россия, caterina999@mail.ru

©Atroschenko Ye. Volgograd State Medical University Volgograd, Russia, caterina999@mail.ru

Аннотация. Объектом исследования послужили механические характеристики стоп у здоровых юношей и девушек Волгоградского государственного медицинского университета. Целью работы явилось получение данных об упругих характеристиках стопы в естественных условиях у лиц юношеского возраста. 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 воспользовались одномерным вариантом закона Гука. Модуль упругости в этом случае является характеристикой рессорной функции стопы.

Исследование морфофункционального состояния стопы осуществлялось при помощи компьютерного плантографического комплекса (ООО «Ортопед», Волгоград) и включало также

http://www. bulletennauki. com

системный анализ и графоаналитическую расшифровку цифрового изображения стопы. В зависимости от задаваемой нагрузки на стопу, равной пятидесяти и восьмидесяти процентам массы тела, проводилось сканирование подошвенной поверхности стопы, и одновременно измерялась высота ее 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 сагиттальной оси, при этом его значение у юношей было больше по сравнению с девушками. 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 заболеваниями опорно-двигательного аппарата.

Abstract. 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 coefficient 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 coefficient along the frontal axis of the foot. Poisson's coefficient 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 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 to carry out an assessment of the human foot elasticity. The foot indicators (resilience coefficient, deformation coefficient, Young's modulus and Poisson's coefficient) characterize its amortisation function and ability to resist 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).

http://www. bulletennauki. com

Ключевые слова: упругость стопы, коэффициент упругости, коэффициент деформации, модуль Юнга, компьютерная плантография, юношеский возраст.

Keywords: foot resilience, resilience coefficient, déformation coefficient, Young's modulus, Poisson's coefficient, computerized plantography, youth age.

Врожденное и приобретенное плоскостопие является причиной многих тяжелых заболеваний опорно-двигательного аппарата, нередко приводящих к инвалидности [1, с. 77]. 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, с. 97]. В связи с этим, морфофункциональная диагностика состояния стоп является существенным элементом профилактики ряда нарушений опорно-двигательного аппарата [3, с. 139]. Определение индивидуально-типологической изменчивости морфологии и функции здоровой 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 [4, с. 125].

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, она обеспечивает устойчивость нижней конечности и сцепление с опорной поверхностью. Способность стопы противостоять нагрузкам обусловлена не только биомеханическим совершенством, но и свойством составляющих ее тканей [5, с. 25].

Упругость стопы обусловлена индивидуальными анатомическими и функциональными особенностями, детерминированными генетическими и половыми факторами, и изменяющимися под воздействием множественных внешних факторов.

Специфическая структура стопы и голеностопного сустава служит амортизатором опорных реакций, в норме обеспечивающая симметричную нагрузку на обе конечности и определяющая особенности ее биомеханики при ходьбе. Биомеханика стопы и функции стопы в различные фазы шага — различны. 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. Эта фаза ставит перед стопой задачу передачи лежащим выше сегментам силы реакции опоры. Смягчение инерционной нагрузки при ходьбе и беге осуществляется сложным комплексом суставно-связочного аппарата, соединяющего 26 основных костей стопы, в котором выделяют 5 продольных и поперечный свод. Пяточная, таранная и кости плюсны и предплюсны образуют своеобразную арку — рессору, способную уплощаться и расправляться. Нагрузка массой тела распределяется равномерно на передний и задний отдел стопы. Передний и задний отделы стопы соединены в единую кинематическую цепь межсуставными связками, а также мощным эластичным сухожилием — подошвенным апоневрозом, который подобно пружине возвращает распластанный под нагрузкой свод стопы [6, с. 115].

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 выше располагающиеся суставы и органы [7, с. 22]. 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

http://www. bulletennauki. com

организмам 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 [13, с. 83; 14, с. 6; 15, с. 88].

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. Целью нашего исследования явилось получение данных об упругих характеристиках стопы человека.

Материал и методика 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. 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.

Исследование морфофункционального состояния стопы осуществлялось при помощи компьютерного плантографического комплекса (ООО «Ортопед», Волгоград) и включало также системный анализ и графоаналитическую расшифровку цифрового изображения стопы. В зависимости от задаваемой нагрузки на стопу, равной пятидесяти и восьмидесяти процентам массы тела, проводилось сканирование подошвенной поверхности стопы и одновременно измерялась высота ее 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.

Результаты и их обсуждение 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.

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. Предположительно, полученные данные можно объяснить разным влиянием половых гормонов на ткани организма человека, а именно увеличением их ригидности при преобладающем действии тестостерона [12, с. 2150]. Результаты нашего исследования подтверждают литературные данные, свидетельствующие о том, что упругость некоторых тканей нижних конечностей у мальчиков выше по сравнению с девочками, а также с исследованиями, в которых указывается большая подвижность в суставах нижних конечностей у лиц женского пола по сравнению с мужчинами [16, с. 2837].

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, а уменьшение упругости у женщин

http://www. bulletennauki. com

детерминировано меньшим количество волокон, их диаметром и относительным количеством коллагена в каждом волокне связок их стопы [10, с. 946]. 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 типа и коллагена III типа [11, c. 462].

На основании полученных нами количественных данных о половых различиях упругости стопы, становится понятным более частая встречаемость повреждения подошвенных мышц и ахиллова сухожилия у мужчин [9, c. 708]. 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. В то же время, повышенная ригидность стопы у мужчин связана со свойствами мышц и сухожилий, которые также 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 [8, c. 67].

Выводы

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.

Список литературы:

1. Перепелкин А. И., Калужский С. И., Краюшкин А. И., Атрощенко Е. С. Алгоритмы определения формы стопы по ее изображению при выполнении оптической плантографии // Научный вестник. 2015. №3(5). С. 77-89.

2. Перепелкин А. И., Краюшкин А. И., Атрощенко Е. С. Соматотипологические характеристики стопы юношей и девушек из России и Малайзии // Журнал анатомии и гистопатологии. 2015. Т. 4, №3. С. 97.

3. Перепелкин А. И., Краюшкин А. И., Атрощенко Е. С. О методе определения упругих характеристик стопы человека // Научно-практическая конференция профессорско-преподавательского коллектива, посвященная 80-летию Волгоградского государственного медицинского университета: труды / под ред. акад. РАН В. И. Петрова. Волгоград: ВолгГМУ, 2015. С.139-143.

4. Перепелкин А. И., Краюшкин А. И., Атрощенко Е. С. Упругие характеристики стопы человека // Международный научно-исследовательский журнал. 2015. №8 (39), ч. 3. С. 125-128.

5. Перепелкин А. И., Мандриков В. Б., Краюшкин А. И., Плешаков И. А., Атрощенко Е. С. Анатомические параметры стопы девушек различных соматотипов при возрастающей нагрузке // Международная научно-практическая конференция «Современные тенденции в науке и образовании» (28 февраля 2015 г.): труды, в 5 частях. Часть I. М.: «Р-Консалт», 2015. С. 24-25.

6. Перепелкин А. И., Мандриков В. Б., Краюшкин А. И., Плешаков И. А., Атрощенко Е. С. Антропометрические параметры стопы юношей при динамической нагрузке // Международная научно-практическая конференция «Перспективы развития науки и образования» (28 февраля 2015 г.): труды, в 13 частях. Часть 6. Тамбов: Консалтинговая компания Юком, 2015. С.115-116.

http://www. bulletennauki. com

7. Перепелкин А. И., Мандриков В. Б., Краюшкин А. И., Плешаков И. А., Атрощенко Е. С. Плантографические параметры у больных со сколиозом // V международная научно-практическая конференция «Наука в современном информационном обществе» (North Charleston, USA, 26-27 января 2015 г.): материалы. Т. 1. С. 21-24.

8. 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, v. 24, no. 1, pp. 65-70.

9. 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, v. 30, no. 5, pp.707-712.

10. 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, v. 26, no. 7, pp. 945-950.

11. Mariotti A., Rumpf D., Malakhova O., Cooper B. Gender-specific differences in temporomandibular retrodiscal tissues of the goat. Eur. J. Oral Sci, 2000, v.108, no. 5. pp. 461-463.

12. Morse C. I. Gender differences in the passive stiffness of the human gastrocnemius muscle during stretch. Eur. J. Appl. Physiol, 2011, v. 111, no. 9. pp. 2149-2154.

13. Perepelkin A., Mandrikov V., Krayushkin A., Atroschenko K. Anatomical justification of mechanical characteristics of the human foot // Book of abstracts of the 7-th International Symposium of clinical and applied anatomy (ISCAA) (Bratislava, Slovakia, September, 2015). Comenius university in Bratislava, 2015, pp. 83.

14. Perepelkin A. I., Mandrikov V. B., Krayushkin A. I. Individual and typological characteristics of the human foot in the age aspect. Raleigh, North Carolina, USA, Lulu Press, 2015, 175 p.

15. Perepelkin A., Mandrikov V., Krayushkin A., Atroschenko K. Mechanical characteristics of the human foot. Proceedings of the VII International Academic Congress "Innovation in the Modern World" (Australia, Sydney, 18-20 May 2015), v. III, Sydney University Press, 2015, pp. 87-91.

16. 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, v. 40, no. 12, pp. 2836-2844.

References:

1. Perepelkin A. I., Kaluzhskiy S. I., Krayushkin A. I., Atroshchenko Ye. S. Algoritmy opredeleniya formy stopy po ee izobrazheniyu pri vypolnenii opticheskoi plantografii [The algorithms determine the shape of the foot in its image when the optical plantography]. Nauchnyi vestnik, 2015, no. 3(5), pp. 77-89.

2. Perepelkin A. I., Krayushkin A. I., Atroshchenko E. S. Somatotipologicheskie kharakteristiki stopy yunoshei i devushek iz Rossii i Malaizii [Somatotypological characteristics of the foot of boys and girls from Russia and Malaysia]. Zhurnal anatomii i gistopatologii, 2015, v. 4, no. 3. p. 97.

3. Perepelkin A. I., Krayushkin A. I., Atroshchenko Ye. S. O metode opredeleniya uprugikh kharakteristik stopy cheloveka [The method of determining the elastic characteristics of the human foot]. Nauchno-prakticheskaya konferentsiya professorsko-prepodavatel'skogo kollektiva, posvyashchennaya 80-letiyu Volgogradskogo gosudarstvennogo meditsinskogo universiteta [Scientific-practical conference of the teaching staff, dedicated to the 80th anniversary of Volgograd State Medical University]: works, ed. V. I. Petrova. Volgograd, VolgGMU, 2015, pp.139-143.

4. Perepelkin A. I., Krayushkin A. I., Atroshchenko Ye. S. Uprugie kharakteristiki stopy cheloveka [The elastic characteristics of the human foot]. Mezhdunarodnyi nauchno-issledovatel'skii zhurnal, 2015, no. 8 (39), part 3, pp. 125-128.

http://www. bulletennauki. com

5. Perepelkin A. I., Mandrikov V. B., Krayushkin A. I., Pleshakov I. A., Atroshchenko Ye. S. Anatomicheskie parametry stopy devushek razlichnykh somatotipov pri vozrastayushchei nagruzke [Anatomical parameters of various foot girls somatotypes with increasing load]. Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya "Sovremennye tendentsii v nauke i obrazovanii" (28 fevralya 2015 g.) [International scientific-practical conference "Modern trends in science and education" (28 February 2015)]: works, in 5 parts, part 1. Moscow, R-Konsalt, 2015, pp. 24-25.

6. Perepelkin A. I., Mandrikov V. B., Krayushkin A. I., Pleshakov I. A., Atroshchenko Ye. S. Antropometricheskie parametry stopy yunoshei pri dinamicheskoi nagruzke [Anthropometric parameters boys feet and dynamic loading]. Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya "Perspektivy razvitiya nauki i obrazovaniya" (28 fevralya 2015 g.) [International scientific-practical conference "Prospects of development of science and education" (28 February 2015)]: works, in 13 parts, part 6, Tambov, Konsaltingovaya kompaniya Yukom, 2015, pp. 115-116.

7. Perepelkin A. I., Mandrikov V. B., Krayushkin A. I., Pleshakov I. A., Atroshchenko Ye. S. Plantograficheskie parametry u bol'nykh so skoliozom [Planta-graphic parameters in patients with scoliosis]. V mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya "Nauka v sovremennom informatsionnom obshchestve" (North Charleston, USA, 26-27 yanvarya 2015 g.) [V International scientific-practical conference "Science in the modern information society" (North Charleston, USA, 26-27 January 2015)]: materials, v. 1. pp. 21-24.