CC BY
22Оценка влияния скорости ходьбы на плантарное изменение давления под стопами Тагиева К. Ф.1, Аксенов А. Ю.2, Клишковская Т. А.3
1Тагиева Кристина Фаиковна / Tagieva Kristina Faikovna - бакалавр, направление: биотехнические системы и технологии;
2Аксенов Андрей Юрьевич / Aksenov Andrey Yurievich - PhD, ассистент, кафедра биотехнических систем;
3Клишковская Татьяна Алексеевна / Klishkovskaja Tatyana Alekseevna - бакалавр, направление: биотехнические системы и технологии, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им. В. И. Ульянова (Ленина), г. Санкт-Петербург
Аннотация: в данной статье рассматривается влияние скорости ходьбы на изменение плантарного давления под стопами. Также описывается методика, разработанная для этих целей. Проведенное исследование демонстрирует влияние скоростей (3, 4, 5, 6 км/ч) на распределение плантарного давления в различных отделах стопы. Исследование показало, что скорость ходьбы в значительной степени влияет на распределение плантарного давления, равновесия и смещает центр масс. Вследствие этого она является одним из важнейших факторов, который необходимо учитывать при проведении диагностики, исследовании или назначении лечения.
Abstract: this paper examines the impact of changes in walking speed on plantar pressure under the foot. It also describes a technique developed for this purpose. This study demonstrates the effect of the velocity (3, 4, 5, 6 km / h) on the plantar pressure distribution in different parts of the foot. The study found that walking speed greatly affects the distribution ofplantar pressure, balance and shifts the center of mass. As a result, it is one of the most important factors to be considered when conducting diagnostics, research, or initial treatment.
Ключевые слова: плантарное давление, скорость ходьбы, биомеханика походки, максимальное давление, парциальная нагрузка, траектория центра масс, интегральная нагрузка.
Keywords: plantar pressures, walking speed, biomechanics of gait, the maximum pressure, partial load, the center of mass trajectory integral load.
Введение
В среднем человек совершает 10000 шагов каждый день. Стопа является главной составляющей локомоций. Она представляет собой сложную скелетно-мышечную систему, выполняющую различные функции: торможение, приспособление к различным видам поверхностей для балансирования, а также во взаимодействии с голеностопным суставом и мышцами выступает в роли системы амортизации [1]. Неправильно подобранные ортопедические изделия совместно с приобретенным стереотипом ходьбы могут со временем повысить риск развития остеоартроза колена, варусных и вальгусных изменений суставов, деформации стопы, что может отрицательно отразиться на состоянии позвоночника.
Результаты научных исследований показали, что скорость ходьбы в значительной мере влияет на изменение угловых и кинетических характеристик суставов, а также на работу мышц [2-5]. Исследование, проведенное в России, показало значительную корреляцию между фактором скорости и точностью динамоплантографического измерения [6].
Однако на сегодняшний день очень мало доступной информации о влиянии скорости ходьбы на биомеханику стопы и плантарное распределение давления под стопами.
Система измерения плантарного давления под стопами уже давно и широко нашла свое применение во многих странах мира для оценки и диагностики патологий опорно-двигательного аппарата. Такие системы, как ДиаСлед, Medilogic, Novel и многие другие применяются при диагностике стоп как в динамике, так и в статике.
В этой связи проведение таких исследований даст возможность получить недостающую информацию для более глубокого анализа и понимания механизма приобретения патологий скелетно-мышечной системы человека. В дальнейшем применение полученных результатов может способствовать улучшению качества лечения, реабилитации и повышению уровня протезно-ортопедического обеспечения пациентов.
Целью исследования является рассмотрение влияния фактора скорости на плантарное распределение давления для различных отделов стопы.
Методика исследования
Исследование проводилось в биомеханической лаборатории университета «ЛЭТИ» на аппаратно-программном комплексе «ДиаСлед-М», который представлен на рисунке 1: модуль сопряжения с компьютером (рисунок 1а), крепящие его на пояс пациента ремни (рисунок 1г), модуль преобразования и передачи данных (рисунок 1б) и измерительные стельки (рисунок 1в).
Рис. 1. Комплектация «ДиаСлед-М»
Регистрация давления осуществлялась при помощи 81 сенсора в каждой стельке с частотой регистрации 100 Гц.
В исследовании приняли участие 8 девушек в возрасте 20.3 ± 2.7 лет с массой тела 60.5 ± 4.5 кг, и размером стопы 38. Лица с патологией опорно-двигательного аппарата из тестирования исключались. Использовалась обувь с высотой подошвы 1 см.
Для всех испытуемых проводилась серия записей данных для каждой из скоростей 3, 4, 5 и 6 км/ч. При дальнейших расчетах давления скорость 3км/ч считалась контрольной и принималась за 100%.
Условие проведения эксперимента
Перед каждым измерением производилась адаптация к необходимой скорости, для того чтобы сохранить естественную походку в условиях эксперимента.
По результатам нескольких исследований отмечается влияние такого фактора, как вид покрытия опорной поверхности (паркет, бетон и т.д.), на ходьбу человека [7-9]. В связи с этим для увеличения точности исследования был подобран одинаковый и оптимальный вариант для каждого тестируемого: испытуемые ходили по ровной и твердой поверхности длиной 15 метров.
В среднем проводилась регистрация 6 записей для каждой скорости в динамике, а также результаты давления в статике для проведения нормализации данных.
Анализ экспериментальных данных
После регистрации ходьбы системой ДиаСлед (рисунок 2) производился экспорт полученных данных с целью последующей обработки в Microsoft Office Excel и анализа в специально разработанной программе в среде Matlab.
Рис. 2. Пример полученных данных с помощью комплекса «ДиаСлед»
При анализе максимального давления рассматривались следующие отделы стопы: пятка, средний и передний отделы, а также пальцы ног для латеральной и медиальной частей стопы (рисунок 3).
О 50 1СО 150 200 £50
Рис. 3. Расположение датчиков в стельке, отделы стопы
Статистический анализ данных производился в программе SPSS statistics V.23 методом однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA) с коррекцией Бонфероне при стандартном уровне статистической значимости.
Результаты исследования
По результатам, приведенным в таблице 1, видно, что с увеличением скорости происходит изменение максимального давления на отделы стопы в сравнении с контрольной скоростью 3 км/ч.
Таблица 1. Результаты максимального плантарного давления и среднеквадратического отклонения для различных отделов стопы обеих ног латеральной (лат.) и медиальной (мед.) сторон, в %
Максимальное давление, %
Пятка Средний отдел Передний отдел Пальцы
3 км/ч (1) Мед. (100,0±1,9) (100,0±1,7) (100,0±5,1) (100,0±3,1)
Лат. (100,0±2,0) (100,0±2,9) (100,0±2,2)
4 км/ч (2) Мед. (115,8±2,8)1Д4* (98,2± 0,6)1Д4* (113,2±2,4)1,4* (118,0±2,8)1,3,4*
- н Лат. (105,9±1,7)м* (95,8± 1,8)1Д4* (98,8±1,4)4*
о а § 5 км/ч Мед. (130,2± 2,0)1А4* (95,2± 1,3)1А4* (121,4±5,4)1,4* (129,0±3,0)1,2,4*
и (3) Лат. (112,4±4,2)м* (86,4± 3,6)1,2,4* (94,9±1,7)1,4*
6 км/ч (4) Мед. (144,7± 2,7)1А3* (92,0±10,8)1,2,3* (133,4±4,2)1,2,3* (140,8±4,1)1,2,3*
Лат. (118,3± 2,2)1А3* (75,5±3,6)1,2,3* (83,6±5,7)1,2,3*
1,2д4* Показывает статистическую значимость p<0.05 между скоростями 3(1) км/ч, 4(2) км/ч, 5(3) км/ч и 6(4) км/ч.
Результаты изменения суммарного давления (в процентах) на всю стопу для различных скоростей относительно эталонной 3 км/ч представлены в таблице 2.
Таблица 2. Суммарное максимальное давление для различных скоростей
3 км/ч 4 км/ч 5 км/ч 6 км/ч
Максимальное суммарное давление всей стопы, % 0 % увеличилось на 10-20% увеличилось на 21-30% увеличилось на 22-40%
На рисунках 4 и 5 показаны диаграммы динамки траектории центра масс (ТЦМ) и траектории центра давления (ТЦД) для различных скоростей.
Рис. 4. ТЦМ и ТЦД: а) 3 км/ч; б) 4 км/ч
Рис. 5. ТЦМ и ТЦД: в) 5 км/ч; г) 6 км/ч
По результатам анализа можно отметить, что при скорости 6 км/ч происходит смещение центра масс в переднюю область на 6%, а при снижении скорости смещение уменьшается. Также при увеличении скорости можно заметить незначительное нарушение симметричности ТЦМ.
На рисунке 6 представлены результаты интегральной нагрузки для скорости 3км/ч.
file Edit View Insert Tools Desktop Window Help
Load File L 1 1 < Dobaut +1 Right leg 1Ши рое ednii maiker Udalil vse markeri
\ / "" \ - V' \ J -Left f
Л хГ^Л Г ' 1 i д V—V ц 1 I л^-vW II ' __1 M 1 p ' > ь ~ 1—J 1 il '1 LA | J..-U
20«, 1 1 1еП 1ед
0-20%,t ms 0-55%Д ms S5-85%,t ms55-1ÛÛ%,t ms 85-100%Д ms 0-100%,t rr
1 64 112 36 144 48 згл
2 68 112 96 144 48 3=
3 64 108 92 136 44 *
4 64 108 92 136 44 *
5 64 112 96 144 48 з:
6 60 100 88 128 40 2f
1 ел 11? « 144 4fl v,v
< >
Right leg
Рис. 6. Интегральная нагрузка при скорости 3 км/ч
Рисунок 7 отображает результат интегральной нагрузки для максимальной скорости тестирования.
Рис. 7. Интегральная нагрузка при скорости 6 км/ч
Анализ результатов показал значительные изменения экстремумов графиков интегральной нагрузки для скоростей 3 и 6 км/ч в периодах 20-40% и 60-80% цикла переката стопы. А также при скорости 6 км/ч в значительной степени увеличилось максимальное давление на передний и задний отделы стопы (приблизительно на 40%), а нагрузка на средний отдел уменьшилась в среднем на 17%. Стоит подчеркнуть, что с увеличением скорости центр масс в значительной степени смещается в медиальную сторону переднего и заднего отдела, а нагрузка на пальцы возрастает до 40 %.
Дискуссия
Данное исследование фокусируется на влиянии скорости ходьбы на плантарное распределение давления под стопами. Результаты исследования показали, что с увеличением скорости происходит смещение центра масс давления в медиальную сторону стопы. Это может способствовать развитию выраженной деформации первой
плюсневой кости, а также увеличить вальгус голеностопного сустава и варус колена. Поэтому неправильно подобранные ортопедические изделия в сочетании с высокой скоростью ходьбы могут не только способствовать развитию осложнений голеностопного, коленного и тазобедренного суставов, но и отрицательно повлиять на состояние позвоночника.
Стоит отметить, что с увеличением скорости максимальное давление увеличилось в медальной части переднего и заднего отдела, однако время нагрузки в значительной степени снизилось. Людям, имеющим диабетическое заболевание стоп и скелетно-мышечные нарушения в области первой метатарзальной зоны, рекомендуется следить за скоростью ходьбы для снижения вероятности развития деформаций, язв и других осложнений.
Из результатов исследования видно, что при медленной скорости ходьбы давление на средний отдел в значительной степени увеличилось, что удостоверяет увеличение нагрузки на свод стопы. В дальнейшем при постоянной медленной ходьбе может развиться плоскостопие стопы.
У людей, не имеющих патологий опорно-двигательного аппарата, траектория центра давлений имеет симметричный характер и наблюдается незначительная выпуклость линий в сторону I-й плюсневой кости [10]. С увеличением скорости происходит нарушение ТЦД, а также смещение центра масс вперед, что свидетельствует об уменьшении баланса и увеличенной нагрузке на нижний отдел позвоночника и коленного сустава.
Для людей, имеющих различные заболевания опорно-двигательного аппарата, рекомендуется подбирать ортопедические изделия, соответствующие той или иной патологии, и учитывать скорость ходьбы для снижения риска осложнений. Заключение
Результаты экспериментального исследования показали, что скорость ходьбы при регистрации биомеханики походки является чрезвычайно важным фактором. Поэтому ее необходимо контролировать при диагностике опорно-двигательного аппарата для повышения точности получения и интерпретации данных, что позволит улучшить не только качество полученных данных, но и эффективность лечения пациентов.
Литература
1. Young C. C., N. M. W., Morris G. A., Eerkes K. J. Clinical examination of the foot and ankle. Prim Care, 2005. P. 105-132.
2. Sousa A. S. and Tavares J. M. Effect of gait speed on muscle activity patterns and magnitude during stance. Motor Control, 2012. 16 (4). P. 480-92.
3. Chung M.-J. and Wang M.-J. The change of gait parameters during walking at different percentage of preferred walking speed for healthy adults aged 20-60 years. Gait & Posture, 2010. 31 (1). P. 131-135.
4. van Hedel H. J. A., Tomatis L. and Müller R. Modulation of leg muscle activity and gait kinematics by walking speed and bodyweight unloading. Gait&Posture, 2006. 24 (1): P. 35-45.
5. Chiu M.-C. and Wang M.-J. The effect of gait speed and gender on perceived exertion, muscle activity, joint motion of lower extremity, ground reaction force and heart rate during normal walking. Gait & Posture, 2007. 25 (3). P. 385-392.
6. Смирнова Л. М. и Никулина С. Е. Игнорирование фактора скорости локомоции как причина снижения точности динамоплантографического исследования. Биомедицинская радиоэлектроника, 2010. № 5. С. 19-25.
7. Garcia-Perez J. A., P.-S. P., Llana S., Martinez-Nova A., Sanchez-Zuriaga D. Effect of overground vs treadmill running on plantar pressure: influence of fatigue. Gait&Posture, 2013. 38 (4). P. 929-33.
8. Segal A., Rohr E., Orendurff M., Shofer J., O'Brien M., Sangeorzan B. The effect of walking speed on peak plantar pressure. Foot&Ankle Int, 2004. 25 (12). P. 926-933.
9. Choi S. C. H., Kang B., Lee D. H., Kim M. J., Jang S. H. Slip-related changes in plantar pressure distribution, and parameters for early detection of slip events. Annals of rehabilitation medicine, 2015. 39 (6). P. 897-904.
10. Смирнова Л. М., Аржанникова Е. Е., Карапетян С. В., Гаевская О. Э. Методика использования комплексов серии «ДиаСлед-Скан» при диагностике состояния стопы и нарушений опорно-двигательной функции пациента, назначении ортопедических стелек и оценке их эффективности, 2014.
Оптимизация маршрутов перевозки грузов для небольших компаний в условиях города Меандров А. М.
Меандров Алексей Михайлович /Meandrov Alexey Mikhailovich - бакалавр, факультет управления,
Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет, г. Москва
Аннотация: в статье анализируются проблемы организации грузовых автомобильных перевозок для небольших компаний в условиях города. В исследовании было проведено сравнение дорогостоящих программ с упрощенной программой на базе Microsoft Excel, пользователем которой должен быть квалифицированный специалист.
Abstract: the article analyzes the problems of the organization offreight transport for small businesses in the city. The study compared the expensive programs with a simplified program based on Microsoft Excel, where the user must be fully trained specialist.
Ключевые слова: оптимизация - процесс максимизации выгодных характеристик, соотношений (например, оптимизация производственных процессов и производства) и минимизации расходов.
Keywords: optimization - the process of maximizing beneficial characteristics of relations (for example, optimization of production processes and manufacturing) and minimize costs.
Маршрутизация - разработанный заранее путь передвижения автомашин в процессе автомобильных перевозок от места отправления до места доставки груза называется маршрутом.
АСУ - автоматизированная система управления. АТС - автотранспортное средство.
Амортизация - процесс переноса по частям стоимости основных средств и нематериальных активов по мере их физического или морального износа на стоимость производимой продукции (работ, услуг).
Коэффициент использования объёма - коэффициент, показывающий, как часть объёма кузова АТС занимает перевозимый груз.
Коэффициент использования пробега - коэффициент, являющийся отношением груженого пробега к общему пробегу.
Холостой пробег - пробег АТС без груза.
Отрасль грузовых перевозок является одной из самых важнейших для жизни городов и всей страны в целом. От ее правильной организации во многом зависит эффективность всей экономики страны и удовлетворение социальных нужд населения. На сегодняшний день в Госавтоинспекции зарегистрировано более 6,2 млн. грузовых автомобилей и более 3 млн. прицепов и полуприцепов [2]. Только
