CC BY
83
УДК 685.348.2
Л. А. Белова, Н. В. Бекк, Т. С. Захожая,
О. Е. Белоусова, Н. В. Тихонова
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОРТОПЕДИЧЕСКОЙ ОБУВИ С УЧЕТОМ БИОМЕХАНИКИ ДВИЖЕНИЙ
Ключевые слова: ортопедическая обувь, полимер, стопа, сустав.
Ортопедическая обувь разрабатывается специально для людей, страдающих заболеваниями нижних конечностей. Значительное место в производстве ортопедической обуви занимают конструкции для детей с заболеванием детский церебральный паралич. В работе приведен анализ образцов обуви, кинематики суставов при ходьбе, фаз движений, биомеханики стопы, на основании которого предложена классификация основных конструкций обуви для разных сезонов носки. Использование полученных классификационных признаков при проектировании обуви для больных детским церебральным параличом обеспечит более качественное ее производство с повышением реабилитационного эффекта.
Keywords: orthopedic footwear, polymer, foot, joint.
Orthopedic shoes designed specifically for people suffering from diseases of the lower extremities. A significant place in the production of orthopedic shoes occupy design for children with cerebral palsy disease. The paper provides an analysis of samples of footwear, joint kinematics during walking, movement phases, the biomechanics of the foot, on the basis of which the proposed classification of the basic designs of shoes for different seasons socks. Using the obtained classification criteria when designing shoes for patients with cerebral palsy will provide better its production with increasing rehabilitation effect.
Производство ортопедической обуви очень сложный и многопрофильный процесс. Ортопедическая обувь - специально разработанная обувь, которая обеспечивает поддержку людям, страдающих от различных заболеваний нижних конечностей. Обувь специального медицинского назначения возникла достаточно давно и всегда была ориентирована на поддержание двигательной функции стопы. Значительное место в производстве ортопедической обуви занимают конструкции для детей с заболеванием детский церебральный паралич (ДЦП). Для больных характерно передвижение на полусогнутых, приведенных ротированных внутрь ногах, нередко с опорой на переднюю часть стопы, в то время как люди с нормальными стопами в большей степени опираются на пятку и наружный свод.
В Новосибирском технологическом институте Московского государственного университета дизайна и технологии совместно с Новосибирским протезно-ортопедическим предприятием проводятся исследования удовлетворенностью ортопедической обувью при данном заболевании. Полученные данные используются для корректировок и усовершенствования конструкций обуви.
Анализ промышленных образцов обуви показал, что, исходя из медицинских назначений, наибольшей популярностью пользуются 2 модели обуви в различных модификациях, а именно: завышенные сандалии с берцовой частью от 9 см и ботинки с настрочными берцами высотой от 10 см (высота берцев указана для длины следа 135 мм и более). Обе модели предназначены для фиксации голеностопного сустава. В рамках, проводимых исследований, стоит выяснить какая именно степень жесткости фиксации стопы должна быть для различных видов заболевания. Для реализации поставленной цели следует привести характеристику отклонениям
в нижних конечностях при основных формах ДЦП (табл. 1).
Таблица 1 - Влияние формы ДЦП на отклонения в нижних конечностях
Форма ДЦП Отклонения в нижних конечностях
Спастическая дип-легия Тетрапарез, при котором руки поражены в меньше степени, чем ноги. Установочные рефлексы развиваются с 2 лет, в большинстве случаев со значительными ограничениями. Наблюдаются патологические синергии, и как следствие этого, порочная установка конечностей, контрактуры, деформации
Двойная гемиплегия Тетрапарез, при котором руки поражены так же тяжело, как ноги, или тяжелее. Характерна ригидность мышц. Установочные выпрямительные рефлексы совсем или почти не развиты, а, следовательно, дети не сидят, не стоят и не ходят
Гиперкинетическая форма Гиперкинезы различного характера. Параличи, парезы, задержка редукции тонических рефлексов (до 2-3 лет), задержка развития установочных рефлексов. Мышечная ригидность
Атонически-астатическая форма Характеризуется низким тонусом мышц при наличии патологических тонических рефлексов. Характерно отсутствие или недоразвитие установочных рефлексов
Гемипаретическая форма Задержка редукции тонических установочных рефлексов (до 2-3 лет), трофические расстройства, замедление роста костей, следовательно, укорочение длины паре-тичных конечностей
Что касается кинематики движения, исходя из исследований Петрушанской К.А. и Витензона А. С. [1], то наблюдается появление исходного угла сгибания во всех суставах ноги, на который наслаиваются угловые перемещения, редукция амплитуды всех угловых перемещений в основных суставах нижних конечностей. На рисунке 1 представлен график угловых перемещений в суставах нижних конечностей при ходьбе в норме и больных ДЦП (пунктирная линия).
Рис. 1 - График угловых перемещений в суставах нижних конечностей при ходьбе в норме (сплошная линия) и больных ДЦП (пунктирная линия)
Важен тот факт, что при ходьбе больных ДЦП нарушается нормальное соотношение длительностей опорной и переносной фаз шага, а именно:
- фаза переноса укорачивается на 16%, резко возрастает двуопорная фаза (на 73%). Все это свидетельствует о снижении устойчивости больных при ходьбе;
- наряду с этим происходит перефазиров-ка внутри опорной фазы - уменьшается время опоры на пятку и всю стопу и увеличивается время опоры на ее передний отдел.
Такое перераспределение опорных площадей обуславливает выполнять процесс проектирования по зонам соответствия деталей разным фазам ходьбы. Соответственно акценты должны смещаться либо на берцы, либо на союзку.
Длина шага у больных ДЦП уменьшается в среднем на 25%, а средняя скорость ходьбы понижается на 27%. Существенно изменяется и рисунок движений в основных суставах нижних конечностей при ходьбе. Обычно отмечаются следующие типы изменений:
- исходный угол сгибания во всех суставах ноги, с учетом постоянной составляющей, на которую наслаиваются угловые перемещения (на графиках это выражается в смещении всех кинематических кривых вверх от нулевой линии, соответствующей стоянию с выпрямленными ногами);
- редукция амплитуды всех угловых перемещений и их первых двух производных в основных суставах нижних конечностей;
- сдвиг начала и конца отдельных фаз движений (рис. 1).
Сопоставление кинематики суставов при ходьбе в норме и у больных ДЦП показывает, что при ходьбе у больных выражена сгибательная позиция ноги (наклон голени вперед), кратковременный перекат через пятку. Тыльное сгибание в опорную фазу увеличивается из-за предварительного наклона
голени вперед, второе подошвенное сгибание уменьшается, что указывает на недостаточное отталкивание стопы от опоры.
При переносе стопы возможно задевание носком об опорную поверхность, а, следовательно, конструкция обуви и форма носочного участка должны обеспечить безболезненный перекат в носочной части.
Следует отметить, что при ДЦП наблюдаются нарушения мышечного тонуса, играющего ведущую роль в перенастройке движения.
М.Ф. Иваницкий [2], анализируя процесс ходьбы здорового человека, выделяет следующие фазы:
1) опора на пятку, при этом в коленном суставе происходит максимальное выпрямление;
2) перекат стопы с пятки на носок вынесенной вперед ноги;
3) полная опора;
4) перекат на носок, при этом происходит одновременно подошвенное сгибание стопы и разгибание в коленном суставе;
5) отталкивание носка от опоры;
6) положение стопы на вису.
Учитывая тот факт, что при заболевании ДЦП имеют место мышечная ригидность, парезы, недоразвитость установочных выпрямительных рефлексов и т.д., можно сделать вывод о необходимости корректировки движения с помощью ортопедических приспособлений.
Как было отмечено ранее (таблица 1), в каждой форме ДЦП наблюдаются различные отклонения в нижних конечностях. Во всех случаях необходима дополнительная фиксация голеностопного сустава с помощью жестких деталей, но их конфигурация должна быть различной [4-6]. Определены 4 основные степени фиксации стопы во внутриобув-ном пространстве, связанные с жесткостью деталей (табл. 2).
Поскольку при движении происходит уменьшение амплитуды угловых перемещений в голеностопном суставе, то, как видно из таблицы 2, во всех моделях целесообразно использовать жесткие полимерные детали в области голеностопного сустава. Как правило, с их помощью повышается жесткость берцев и задинок, что обеспечивает усиленную фиксацию голеностопного сустава.
Исследования фаз движения стопы и состояния голеностопного сустава, выполненные на базе НПрОП, показали, что время опоры стопы и площадь опоры связаны со сложностью конструкции обуви. Так, в случае максимальной опоры на носочную часть стопы конструкцию обуви выполняют с усилением степени жесткости каркасных деталей в носочно-пучковой части. При более продолжительной фазе опоры на пятку - усиливают каркасные детали в пяточно-геленочной части. В зависимости от площади опоры стопы предложено построение 4 групп конструкций. Таким образом, биомеханика движений детей с данным видом заболевания определяет выбор конструктивно-технологического решения изготовления обуви [6].
Таблица 2 - Степени фиксации стопы в различных конструкциях обуви
Конструкция
Конструкции с высоким жестким задником
Конструкции с высоким жестким берцем
Конструкции с высоким жестким берец и жестким бочком
Конструкции обуви с максимальной фиксации голеностопного сустава
Назначение
При незначительных отклонениях в нижних конечностях
Степень фиксации стопы значительно увеличена
При значительных отклонениях в голеностопных суставах (вальгус, эквино-варус стопы, приведение переднего отдела стопы)
Ярко выраженные отклонения в нижних конечностях
Конструкция
Изучение ассортимента обуви, используемой при ДЦП, позволило составить классификацию основных конструкций для разных сезонов носки. В качестве базовых выделены:
1) сандалии с завышенной берцовой частью и полным открыванием для входа стопы. Данная модель наиболее популярна среди моделей ортопедической обуви, так как может быть назначена при различных заболеваниях нижних конечностей при ДЦП. Данная конструкция подходит как для контактур голеностопного сустава, так и при парезах стопы.
2) обувь с союзкой с завышенным языком и завышенной берцовой частью. В конструкции помимо жестких берцев предусмотрено возможное использование жесткого язычка, для увеличения фиксации голеностопного сустава. Стоит учитывать, что закрытая пучковая часть обуви создает сложность одевания обуви на пациентов с выраженными контактурами и голеностопного сустава и парезами стопы. За счет союзки с завышенным язычком в обуви достигается усиленная фиксация голеностопного сустава.
3) обувь с завышенными берцами и закрытой носочной частью, так же пользуется большой популярностью среди пациентов с ДЦП. Стоит отметить, что данная модель имеет ряд ограничений при назначениях и исключает наличие значительных деформаций в нижних конечностях. Данная модель обуви категорически не подходит пациентам с выраженными контрактурами голеностопного сустава, парезами стоп, деформациями пальцев и т.д.
Вариативное решение базовых моделей присутствует для всех групп фиксации обуви на стопе. Использование классификационных признаков при проектировании обуви для больных с ДЦП обеспечило более качественное ее производство с повышением реабилитационного эффекта.
Литература
1. К.А. Петрушанская, А.С. Витензон, Российский журнал биомеханики, 9, 3, 56-69 (2005);
2. М. Ф. Иваницкий, Анатомия человека. Т. 1: Введение в анатомию. Двигательный аппарат. Учение о движениях. Физкультура и спорт, Москва, 1965;
3. Н.В. Бекк, И.В. Клюева, Н.В. Тихонова, Вестник Казан. технол. ун-та.16, 1, 243-246 (2013);
4. Т. С. Захожая Обеспечение различных степеней жесткости ортопедической обуви при ДЦП за счет использования полимерных каркасных деталей / Т.С. Захожая, Н.В. Бекк, О.Н. Шеломенцева, Л.Ю. Махоткина // Вестник Казан. технол. ун-та.Т.17, № 13.- 2014.- С.137-139.
5. Махоткина Л.Ю.Исследование влияния жесткости низа обуви из различных полимерных материалов на биомеханику ходьбы. / Махоткина Л.Ю., Тихонова Н.В., Жуковская Т.В., Галялутдинова Р.М. // Вестник Казан. технол. ун-та. - Т.17.-№ 16.-2014.- С.69-72.
6. А.П.Жихарев Влияние факторов окружающей среды на материалы легкой промышленности. Монография. // Жихарев А.П., Фукина О.В., Абдуллин И.Ш., Махоткина Л.Ю. Казань 2011.
© Л. А. Белова - к.т.н., доц. каф. конструирования изделий из кожи и промышленного дизайна, НТИ (филиал) МГУДТ; Н. В. Бекк - д.т.н., проф., зав. каф. конструирования изделий из кожи и промышленного дизайна, НТИ (филиал) МГУДТ, 8dayofangel@mail.ru; Т. С. Захожая - асс. той же кафедры; О. Е. Белоусова - к.ф-м.н., доцент, зав .кафедрой физики, НТИ (филиал) МГУДТ; Н. В. Тихонова - д.т.н., проф. каф. конструирования одежды и обуви КНИТУ, nata.tikhonova.81@mail.ru.
© L. A. Belova - Ph.D. of engineering, associate professor of the Department of Leather Goods Design and Industrial Design of Novosibirsk Institute of Technology (Branch) Moscow State University of Design and Technology; N. V. Bekk - Doctor of Technical Science, professor, Head of the Department of Leather Goods Design and Industrial Design of Novosibirsk Institute of Technology (Branch) Moscow State University of Design and Technology, 8dayofangel@mail.ru; T. S. Zakhodzhaya - assistant of the Department of Leather Goods Design and Industrial Design of Novosibirsk Institute of Technology (Branch) Moscow State University of Design and Technology; O. E. Belousova - Ph.D. of physics and mechanics, Head of the Department of Physics of Novosibirsk Institute of Technology (Branch) Moscow State University of Design and Technology; N. V. Tikhonova - Doctor of Technical Science, professor, Garment and Footwear Design Department of KNRTU, nata.tikhonova.81@mail.ru.
