CC BY
52
■ Мкарю, що практикуе
To General Practitioner
УДК 616.728.48-001.5-089 ЧУФИЦКИЙ C.B., КАЛИНКИН О.Г.
НИИ травматологии и ортопедии Донецкого национального медицинского университета им. М. Горького Кафедра биофизики Донецкого национального университета
ВЫСОТА КАБЛУКОВ НОСИМОЙ ОБУВИ КАК ФАКТОР, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЙ НАГРУЗКУ НА ГОЛЕНОСТОПНЫЙ
СУСТАВ
Резюме. С помощью математического моделирования показано, что увеличение высоты каблуков носимой обуви существенно повышает нагрузку на костно-связочный аппарат голеностопного сустава и может служить причиной как артрозных проявлений, так и увеличения суммарного эффекта травмирующей силы, приводящей к повреждению элементов сустава.
Повреждения голеностопного сустава относятся к наиболее частым травмам, составляя, по данным отечественных и зарубежных авторов, от 10,2 до 26,1 % всех повреждений опорно-двигательного аппарата [2, 8]. В имеющейся литературе основное внимание уделяется вопросам диагностики, лечения и реабилитации больных с этой патологией [1, 2, 5—7]. В меньшей степени затронуты вопросы профилактики этого вида повреждений, при том что причины и механизм повреждений голеностопного сустава изучены достаточно полно [5, 8]. Среди причин, приводящих к его повреждениям, выделяют угол вальгусного отклонения оси большеберцо-вой кости и вальгированное положение пяточной кости [4], которые в определенных условиях способствуют чрезмерным нагрузкам на голеностопный сустав и его повреждениям. К таким условиям можно отнести модель и состояние носимой обуви, в частности высоту каблука. В доступных нам работах мы не нашли сведений о влиянии высоты каблука носимой обуви на нагрузку, испытываемую костно-связочным аппаратом голеностопного сустава.
Цель исследования — изучить влияние высоты каблука на величину силовых нагрузок, воздействующих на костно-связочный аппарат голеностопного сустава.
Методы исследования
Для достижения поставленной цели была использована доработанная нами математическая модель голеностопного сустава, предложенная В.И. Евсеевым [3, 4].
В основу математической модели голеностопного сустава положено влияние увеличения угла пронации стопы на степень повреждения голеностопного сустава. В норме этот угол может достигать 7—10°, он ограничен лодыжечной вилкой и связочным аппаратом, стабилизирующими голеностопный сустав [4]. В.И. Евсеевым
[3] предложены формулы для расчета сил, действующих на наружную (1) и внутреннюю (2) лодыжку, а также на дельтовидную связку (3), т.е., как подчеркивает сам автор, универсальные уравнения биомеханики голеностопного сустава, позволяющие получить количественное значение сил, действующих на сустав:
F. = -F„
F, = P sin y h -
cos D
cos(A + B - D)'
1
b + Q -
cos D
Cos(A + B - D)
F sin B - F sin A
F =_b_a_
F cos (B - D)
Q = 2l cos A — а — b cos(A + B),
(1)
(2)
(3)
(4)
где А — угол наружной лодыжки, образуемый с продольной осью вращения голени, В — угол внутренней лодыжки, Б — угол, образуемый дельтовидной связкой и голенью в целом, а и Ь — длины наружной и внутренней лодыжки соответственно, к — высота рычага пронации стопы (в данном случае высота пяточной кости), Р — вес тела, 2Ь — ширина блока таранной кости, у — значение угла пронации.
Предложенные формулы позволяют проследить за изменениями нагрузки в голеностопном суставе сразу по трем показателям, однако они не учитывают особенности носимой обуви и, в частности, влияние высоты каблука. В доработанной нами модели для учета этих особенностей значения необходимых характеристик использовались не в виде усредненных значений, а в виде матриц с определенным шагом от минимального значе-
Том 13, №1 • 2012
www.trauma.mif-ua.com
127
1
Лкарю, що практикуе / То Оепега! РгаеШопег
ния к максимальному. При добавлении в математическую модель значения высоты (И) каблука мы исходили из того, что если в каждой из предложенных В.И. Евсеевым формул (1) и (3) заменить на соответствующее выражение (2), то станет очевидным, что в каждом из трех уравнений, определяющих нагрузки на лодыжки и дельтовидную связку, есть общий множитель — синус угла пронации, вес тела и высота (Р'Ь'зту). Если остальную часть выражений представить в виде коэффициентов, то можно довольно просто изменять значения веса тела и высоты. Таким образом, в формулы можно ввести высоту каблука.
Все расчеты проводились с помощью программы МаШЬаЬ [9]. Начальные значения, занесенные в программу МаШЬаЬ, имеют следующий вид:
а = [1,8; 1,9; 2; 2,1; 2,2; 2,3; 2,4];
Ь = [1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8];
А = [91; 92; 93; 94; 95; 96; 97];
В = [109; 110; 111; 112; 113; 114; 115];
у = [4; 5; 6; 7; 8; 9; 10];
Б = 45.
Все дальнейшие расчеты выполнялись согласно формулам (1—3) при весе тела, равном 70 килограммов, а также при условии, что сустав находился в своем естественном положении, т.е. без обуви. Затем расчеты выполнялись еще раз при тех же условиях, но уже при наличии обуви с каблуком заданной высоты. Максимальное значение высоты каблука при расчетах составило 8 сантиметров.
Результаты исследования и их обсуждение
В естественном положении голеностопного сустава при минимальных длинах лодыжек (1,8 и 1,2 см для наружной и внутренней соответственно), а также при минимально возможных суставных углах (А, В, у) значения нагрузок на наружную и внутреннюю лодыжки, а также на дельтовидную связку составили: 14,27, 8,5 и 10,3 кг соответственно. При наличии в модели каблука высотой 8 см, при тех же минимальных размерах лодыжек и суставных углов, нагрузка распределится следующим образом: 28,17 кг для наружной, 17,06 кг для внутренней лодыжки и 20,52 кг для дельтовидной связки. Полученные результаты представлены графически (рис. 1—3).
Внутренняя лодыжка
Наружная лодыжка
120 ,_100 я" 80 60
сх я 40 х
20 -24г4 0_
28,5
- Без каблука
— -8 см —■- 4 см
3 5 7 9 11 Значение угла пронации, градусы
Рисунок 1. Нагрузка (кг), приходящаяся на наружную лодыжку
я
со >
СХ 1_ я х
23,6
35 30 25 20 15 10 5 0
3 5 7 9 11 Значение угла пронации, градусы
— Без каблука
- ■ Каблук 8 см ■- 4 см
Рисунок 2. Нагрузка (кг), приходящаяся на внутреннюю лодыжку
На каждом графике пунктирной линией обозначена модель, в которую включен каблук высотой 8 см; пунктирной линией с квадратиками обозначена модель, в которую включен каблук высотой 4 см; сплошной линией обозначена модель при естественном положении голеностопного сустава (босая нога).
Таким образом, доработанная нами математическая модель позволяет рассчитать нагрузку на лодыжки и дельтовидную связку как в естественных условиях, так и при использовании модельной обуви с высоким каблуком. Программа направлена не только на получение этих данных, но и на наглядную демонстрацию влияния такого фактора, как качество обуви, на увеличение вероятности повреждений в области голеностопного сустава.
При наличии каблука высотой 8 см нагрузка на костно-связочный аппарат голеностопного сустава возрастает почти в два раза. Постоянное ношение обуви с высокими каблуками может служить причиной формирования артрозных изменений в суставе, а значительное увеличение суммарного силового эффекта травмирующей силы на голеностопный сустав — приводить к повреждению его элементов.
Выводы
1. Доработанная математическая модель голеностопного сустава позволяет рассчитать нагрузки на лодыжки и дельтовидную связку с учетом антропометрических данных отдельного человека, а также позволяет оценить
Дельтовидная связка
120 110,9
Нагрузка, кг 2 4 6 8 О О О О О О
74,1
✓ я ' ^55.4
✓ ■' /
21,4 ш^*__ - ,.—
0 10,3
Без каблука 8 см 4 см
3 5 7 9 11 Значение угла пронации, градусы
Рисунок 3. Нагрузка (кг), приходящаяся на дельтовидную связку
128
Травма
Том 13, №1 • 2012
Лкарю, що практикуе / To General Practitioner
влияние высоты каблука как на отдельные элементы, так и на голеностопный сустав в целом.
2. При наличии каблука высотой 8 см нагрузка на костно-связочный аппарат голеностопного сустава возрастает почти в два раза.
3. Постоянное ношение обуви с высокими каблуками может послужить причиной формирования артроз-ных изменений в суставе, а значительное увеличение суммарного силового эффекта травмирующей силы на голеностопный сустав — приводить к повреждению его элементов.
Список литературы
1. Бойков В.П. Новый подход к проблеме реабилитации пациентов с тяжелыми повреждениями голеностопного сустава/В.П. Бойков, Г.А. Иваничев, К.С. Чер-маков // Казан. мед. журн. — 2008. — Т. 89, № 2. — С. 184-186.
2. Бур'янов О.А. ОптимЬащя способiв лкування дисталь-ного етметаф^а великогомыковоИ шстки / О.А. Бур 'янов, В.П. Кваша, Муаяд Мохаммад Аль Хадж Хусейн Ююб//Травма. — 2008. — Т. 9, №4. — С. 396-398.
3. Евсеев В.И. Математическое обоснование механизма переломов малоберцовой кости и повреждений меж-
Чуфицький С.В., Калiнкiн О.Г.
НД1 травматологи та ортопедП Донецького нацюнального медичного унверситету iM. М. Горького Кафедра б'юф'шки Донецького нацонального унверситету
ВИСОТА n^OPiB ВЗУТТЯ, ЩО НОСИТЬСЯ, — ЧИННИК, ЯКИЙ ВИЗНАЧАе НАВАНТАЖЕННЯ НА ГОМ^КОВОСТОПНИЙ СУГЛОБ
Резюме. За допомогою математичного моделювання показано, що збшьшення висоти шдбор1в взуття, що носиться, пщвищуе навантаження на истково-зв'язковий апарат гомшковостопного суглоба й може служити причиною як ар-трозних проявш, так i збшьшення сумарного ефекту травмуючо'1 сили, що призводить до ушкодження елеменпв суглоба.
берцового синдесмоза. Клиника и лечение повреждений голеностопного сустава. — Казань, 1975. — С. 32-42.
4. Евсеев В.И. Биомеханические особенности голеностопного сустава. Клиника и лечение повреждений голеностопного сустава. — Казань, 1975. — С. 19-31.
5. Евсеев В.И. Биомеханические нарушения в голеностопном суставе деформирующего артроза. — Л, 1977. — С. 128-133.
6. Корж Н.А. Роль лечебной иммобилизации в профилактике инфекционных осложнений при открытых повреждениях голеностопного сустава / Н.А. Корж, Г.В. Бец, В.Г. Бец // Травма. — 2009. — Т. 8, № 3. — С. 343-348.
7. Стоянов А.В. Хирургическое лечение больных с застарелыми пронационными подвывихами в голеностопном суставе: Дис... д-ра мед. наук. — СПб., 2005. — 145 с.
8. Тяжелов А.А., Карпинский М.Ю., Мусса-Джехад Махмуд, Ефимов Р. В. Анатомо-биомеханические особенности голеностопного сустава // Ортопедия, травматология и протезирование. — 2003. — № 3. — С. 42-46.
9. www. mathworks. com/products/matlab
Получено 21.11.11 □
Chufitsky S.V., Kalinkin O.G.
R&D Institute of Traumatology and Orthopedics of Donetsk National Medical University named after M. Gorky Department of Biophysics of Donetsk National University, Donetsk, Ukraine
SHOE HEEL HEIGHT AS A FACTOR DETERMINING THE LOAD ON ANKLE JOINT
Summary. It is shown by means of mathematical simulation, that heel heightening of footwear significantly increases the load on the bone-ligament complex and can cause both arthrosis manifestations and increase total effect of injuring forces resulting in the damage of joint elements.
TOM 13, №1 • 2012
www.trauma.mif-ua.com
129
