Использование видеоанализа походки для оптимизации локомоторного стереотипа у пациентов с перемежающейся хромотой

Развитие критической ишемии тканей нижней конечности, вплоть до развития гангрены, наблюдается у 10–14 % пациентов при давности заболевания от 3 до 5 лет [1], и в структуре инвалидности окклюзирующие заболевания артерий нижних конечностей занимают второе место [2, 3].

Перемежающаяся хромота (ПХ) является одним из синдромов атеросклеротического поражения артерий нижних конечностей, составляя около 20 % от всех сердечнососудистых заболеваний, и встречается в зависимости от возраста у 0,9–7 % лиц [4].

гностироваться у 3 % людей в возрасте 45–64 лет и 18– 27 % людей старше 60 лет [7]. Этот факт, а также очень серьезный прогноз атеросклеротического поражения артерий нижних конечностей делает весьма актуальными раннее эффективное его лечение. Симптомы чаще всего локализуются в икроножных мышцах, вызывают боли и судороги при ходьбе. Время от начала ходьбы до того момента, когда пациент начинает испытывать боль, характеризует тяжесть заболевания [8]. Болевой симптом проходит после непродолжительного отдыха, обычно в течение нескольких минут, после чего пациент способен продолжить движение. Таким образом, процесс ходьбы состоит из следующих друг за другом периодов нормальной ходьбы, ходьбы, сопровождающейся болевыми ощущениями, и периодов вынужденного отдыха. Боль бывает односторонней у 40 % и двусторонней у 60 % больных. Пациенты также могут испытывать чувство усталости или боль в мышцах бедра [9].

Все пациенты с ПХ нуждаются в консервативном или хирургическом лечении, т.к. у 25 % из них могут сформироваться трофические язвы, гангрена и примерно 1-5 % пациентов потребуется ампутация в течение 5 лет [10, 11]. Хирургические методики реваскуляризации формируют артериальную гиперемию конечностей за счёт увеличения интенсивности кровотока, развития коллатерального кровоснабжения с улучшением тканевого дыхания [12]. Адаптивные физические занятия являются одним из эффективных методов лечения, что, по данным литературы, подтверждено существенным увеличением продолжительности ходьбы до вынужденной остановки, особенно среди пожилых пациентов, при этом рекомендуются ежедневные пешие прогулки, в идеале 45-60 минут в день [13]. Дозированная ходьба, то есть ходьба до появления почти максимальной ишемической боли (класс доказательности I) рекомендуется в качестве первоначальной формы лечения пациентов с перемежающейся хромотой (уровень доказательности A) [14, 15]. Положительный эффект отмечен как с упражнениями на выносливость [16, 17], так и при краткосрочных комплексах физических упражнений [18]. При этом лечебная ходьба должна сочетаться с медикаментозной терапией [19, 20]. Формирование адаптационно-приспособительных механизмов при физической нагрузке у пациентов с

МАТЕРИАЛЫ

Исследование проводилось в клинико-биомеханической лаборатории Салфордского университета (Англия) при NHS (National Health System). Все пациенты добровольно подписали информированное согласие на участие в исследовании. Этическое обоснование разработанного экспериментального протокола и его безопасность для испытуемых было одобрено комитетом по этике университета (экспериментальный протокол ETHICS APPLICATION HSCR12/04 – An investigation into the relationship between footwear features and lower limb muscle action and activity, апрель 2012) [20].

В исследовании приняли участие 15 здоровых мужчин в возрасте 25,3 ± 2,7 года, с весом 71,3 ± 8,5 кг и ростом 1,74 ± 0,06 метра. В тестировании безболевой дистанции ходьбы приняло участие 8 пациентов с ПХ в возрасте 66 ± 9,9 года, с ростом 1,73 ± 0,1 метра и весом 87,7 ± 17,2 кг. У пациентов был подтвержден- перемежающейся хромотой включает развитие коллатерального кровообращения, улучшение функции сосудистого эндотелия, метаболические и морфологические изменения скелетных мышц [21, 22].

Когда пациент испытывает резкие боли в икроножных мышцах, это может резко демотивировать его продолжать лечебную ходьбу или тренировку [23]. Поэтому в данной ситуации может помочь обувь, которая будет уменьшать работу икроножных мышц и их потребность в кислороде, увеличивать продолжительность занятий, тем самым тренируя сердечнососудистую систему и общее состояние пациента.

Исследования влияния обуви на изменение кинематики, кинетики и ЭМГ - данных неоднократно встречаются в литературе. Однако в подобных исследованиях не ясно, какая конструктивная особенность на что повлияла, так как тестировалась обувь со многими изменениями одновременно, а также отсутствовал полный спектр анализа таких данных как кинематика, кинетика и ЭМГ. Стоит отметить, что не каждое исследование контролировало скорость ходьбы, поэтому эффект мог быть связан со скоростью ходьбы, а не с обувью. По данным литературы не представляется возможным дифференцировать, какая обувь может разгружать работу икроножных мышц и не уменьшать скорость ходьбы.

У пациентов с ПХ изменяется пропорция типов мышечных волокон, уменьшается метаболизм тканей, масса и сила мышц [24]. По сравнению со здоровыми людьми скорость ходьбы у них в среднем на 27 % меньше и на 40 % больше потребляется кислорода во время ходьбы [25].

Целью исследования является изучение эффекта влияния конструктивных особенностей обуви на изменение биомеханики походки человека, а также работу мышц нижних конечностей для определения оптимальных геометрических характеристик, которые позволят увеличить дистанцию безболевой ходьбы и снизить интенсивность боли у пациентов с ПХ. «Золотым» стандартом в подобных клинических исследованиях биомеханики опорно-двигательного аппарата является система видеоанализа в сочетании с силовыми платформами и системы измерения электрической активности мышц (ЭМГ).

И МЕТОДЫ ный с помощью рентгеновской ангиографии диагноз атеросклероза бедренной, передней или задней большеберцовых артерий. Они предъявляли жалобы на боль в области голени, возникающую после прохождения пешком расстояния от 10 до 400 м. Перед началом тестирования пациентам была дана возможность 20-минутного отдыха для стабилизации артериального давления в нижних конечностях, а затем предоставлен небольшой период адаптации к тестовой обуви. Далее было предложено начать ходьбу с комфортной для них произвольной скоростью. По данным визуальной шкалы испытуемые отмечали интенсивность боли во время возвращения на исходную позицию в тестируемой обуви.

Классическая мужская обувь была адаптирована под исследования. Тестировалась обувь с различной высотой каблука (1,5 см; 2,5 см; 3,5 см; 4,5 см; 5,5 см), различными углами подъема носка (10, 15 и 20 градусов), различной длиной начала переката обуви метатарзальной области (55, 62,5 и 70 % от общей длины обуви); использовали две пары с различными уровнями жёсткости сгибания подошвы в метатарзальной зоне, две пары с различными уровнями переката пятки, а также ходьбу босиком. Контрольная обувь имела следующие характеристики: угол носка15 градусов; высота пятки 3,5 см; высота подошвы в области метатарзальной зоны 2,5 см; 62,5 % – начало переката обуви в метатарзальной зоне от общей длины обуви; полная жёсткость подошвы (рис. 1).

Рис. 1. Конструкция контрольной обуви

Кинематические данные регистрировались оптическими камерами Oqus 3+ (16 камер компании Qualisys) с частотой регистрации 100 Гц, кинетические данные – платформами AMTI (BP600400, США) с частотой 1000 Гц, мышечная активность (большеберцовой, медиальной головки икроножной и камбаловидной мышц) системой Noraxon с частотой 3000 Гц. Скорость ходьбы контролировалась в диапазоне ± 2,5 % для всех испытуемых с помощью лазерных ворот.

Использовался метод CAST установки пассивных маркеров для реконструкции скелета человека [26].

Анализ кинематики, кинетики и ЭМГ проводился в программах QTM (Qualisys) и Visual3D (C-Motion). Использовался фильтр низких частот Баттерворта четвертого порядка с частотой среза 12 Гц для удаления кожных артефактов. Для сглаживания кинетических данных с платформ использовался фильтр низких частот с частотой среза 25 Гц. ЭМГ-анализ проводился методом огибающей кривой (linear envelope) и RMS (Root Mean Square).

Нормализовались данные кинематики голеностопного, коленного и тазобедренного сустава для коррекции статиче ских поз каждого испытуемого. Данные кинетики нормализовались по весу пациента. Для ЭМГ-сигналов контрольная обувь была эталонной, и максимальное значение принималось за 100 % на графиках для сравнения эффектов различных конструктивных особенностей обуви. Все данные по оси абсцисс нормализовались в процентом диапазоне от 0 до 100 %, который соответствовал полному циклу шага или фазе опоры стопы. Был выделен каждый цикл шага и на графиках построены средние значения.

Для статической обработки применялась программа IBM SPSS Statistics с использованием ANOVA (Repeated measures) с коррекцией Бонферрони, где уровень значимости был выставлен p < 0,05. Был проведён анализ мощности, согласно которому количество испытуемых было достаточно, так как результаты имели нормальное распределение. Тестирование было рандомизировано по испытуемым и по последовательности регистрации ходьбы в различной обуви.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Сравнительный анализ влияния различных конструкций обуви на работу голеностопного сустава и икроножных мышц представлен на рисунке 2 и в таблице 1.

Результаты показали, что при увеличении высоты каблука голеностоп находится в позиции плантарф-лексии во время фазы опоры стопы. Увеличение угла носка, а также уменьшение длины начала переката обуви в метатарзальной зоне повлияло на значительное увеличение плантарфлексии во время 40–60 % цикла шага. Высота каблука 4,5 см уменьшила максимальную ЭМГ-активность медиальной головки икроножных мышц по сравнению с обувью, имеющей каблук 1,5 см, 2,5 см и 5,5 см (p < 0,05), а также площадь под кривой ЭМГ по сравнению с обувью с каблуком 1,5 см, 2,5 см. Максимальная активность, а также площадь под кривой камбаловидной мышцы в обуви с каблуком 4,5 см показала значительное уменьшение при ходьбе, если сравнивать с обувью с каблуками высотой 2,5 см, 3,5 см и 5,5 см (p < 0,05).

Максимальная активность медиальной головки икроножной и камбаловидной мышц в обуви с увеличенным углом носка (20 градусов) показали значительное уменьшение (p < 0,05) по сравнению с углами в 10° и 15°. Площадь под кривой поглощения мощности голеностопным суставом для обуви с углом носка 20° и 55 % длины переката метатарзальной зоны показали также значительное уменьшение по сравнению углами носка 10°, 15° и 62,5 %, 70 % длины обуви (p < 0,05).

Результат исследования показал, что обувь с высотой каблука 4,5 см, углом носка 20° и 55 % длины подошвы обуви до начала сгиба метатарзальной зоны уменьшили работу икроножных мышц, изменили угловые локомоции голеностопа, а также площади внешних моментов по сравнению со всеми другими конструктивными изменениями обуви в значительной степени, если не использовалась коррекция Бонферрони.

Результаты тестирования обуви с конструктивными особенностями, которые облегчают работу икроножных мышц у пациентов с ПХ, представлены в виде диаграммы на рисунке 3.

Все восемь участников продемонстрировали увеличение безболевой ходьбы на 39,2 % по сравнению с контрольной обувью (p = 0,01). Интенсивность болевых ощущений при ходьбе в тестовой обуви также оказалась значительно ниже (р < 0,01), чем при ходьбе в контрольной обуви. Средние значения боли в контрольной обуви составили 7,75 балла (СКО = 0,87) по шкале от 1 до 10. Экспериментальная обувь снизила этот показатель на 3,3 балла до 4,41 (СКО = 1,64).

Рис. 2. Графики сравнительного анализа угловых изменений голеностопа в сагиттальной плоскости, ЭМГ-активность медиальной головки икроножных мышц и внешнего относительного момента силы в сагиттальной плоскости для обуви с различной высотой каблука (1,5 см; 2,5 см; 3,5 см; 4,5 см; 5,5 см), различными углами подъема носка (10, 15 и 20 градусов), различной дистанцией до начала переката обуви в метатарзальной области (55, 62,5 и 70 % от общей длины обуви)

Таблица 1

Углы и момент голеностопного сустава (ГСС) в сагиттальной плоскости, ЭМГ-активность медиальной головки икроножных мышц для различных конструкций обуви:

число вне скобок – среднее значение, в скобках – среднее квадратичное отклонение (µ (± SD))

Биомеханические параметры	Обувь
Статистически значимые, когда в индексе	1	2	3	4	5
Высота каблука	1,5 см (1)	2,5 см (2)	3,5 см (3)	4,5 см (4)	5.5 см (5)
Макс. ЭМГ мед. голов. икроножной мышцы (%)	104,2 (13,7)4	110,1 (11,8)4	100,0 (8,8)5	93,5 (9,1)1,2,5	108,1(9,6)3,4
Площадь под кривой ЭМГ мед. голов. икроножной мышцы (%)	114,4 (13,0)4	107,4 (9,1)4	100,0 (10,1)	92,6 (10,5)1,2	103,6 (10,5)
Макс. ЭМГ камбаловидной мышцы (%)	104,7 (11,0)	105,8 (9,0)4	100,0 (6,5)4	91,2 (7,3)2,3,5	107,5 (7,4)4
Площадь под кривой ЭМГ камбаловидной мышцы (%)	109,6 (8,6)	105,5 (7,7)4	100,0 (7,3)4	94,2 (7,0)2,3,5	105,8 (7,7)4
Макс. разгибающий момент в ГСС (Н*м/кг)	1,41 (0,05)2,3,4,5	1,37 (0,04)1	1,41 (0,05)1	1,40 (0,05)1	1,42 (0,04)1
Площадь под кривой сгибающего момента ГСС (%)	128,0 (3,8)2,3,4,5	104,7 (5,5)1,4,5	100,0 (5,9)1	95,1 (5,4)1,2	95,4 (5,1)1
Площадь под кривой генерации мощности ГСС (%)	118,9 (11,7)3,4,5	111,6 (9,8)3,4,5	100,0 (9,2)1,2,4	90,6 (12,3)1,2,3	93,5 (11,1)1,2
Площадь под кривой поглощения мощности ГСС (%)	90,7 (14,0)5	88,2 (11,5)3,4,5	100,0 (13,4)2	105,6 (10,9)2	108,9 (14,0)1,2
Макс. ампл. движ. г/ст. сустава полный цикл шага (°)	26,5 (1,6)3,4,5	25,2 (1,4)4,5	23,8 (1,5)1	23,4 (1,1)1,2	23,0 (1,1)1,2
Макс. угол сгибания колена в фазе отрыва (°)	58,1 (2,8)2,3,4,5	52,3 (2,4)1,2,4,5	50,7 (2,6)1,3,4,5	46,7 (3,0)1,2,3,5	43,6 (3,2)1,2,3,4
Угол носка	10° (1)	15° (2)	20° (3)
Макс. ЭМГ мед. голов. икроножной мышцы (%)	107,2 (9,2)3	100,0 (8,8)3	89,4 (9,9)1,2
Площадь под кривой ЭМГ мед. голов. икроножной мышцы (%)	108,0 (11,2)3	100,0 (10,1)	93,6 (10,1)1
Макс. ЭМГ камбаловидной мышцы (%)	101,4 (7,6)3	100,0 (6,5)3	92,2(8,0)1,2
Площадь под кривой ЭМГ камбаловидной мышцы (%)	102,2 (7,7)	100,0 (7,3)	96,3 (9,1)
Макс. разгибающий момент в ГСС (Н*м/кг)	1,45 (0,05)2,3	1,41 (0,05)1,3	1,26 (0,04)1,2
Площадь под кривой сгибающего момента ГСС (%)	105,4 (5,4)2,3	100,0 (5,9)1,3	92,5 (4,1)1,2
Площадь под кривой генерации мощности ГСС (%)	107,7 (9,1)	100,0 (9,2)	102,0 (10,6)

Продолжение таблицы 1

Контрольная обувь Новая экспериментальная обувь

Рис. 3. Расстояние безболевой ходьбы и интенсивность болевых ощущений для контрольной и новой экспериментальной обуви

Углы и момент голеностопного сустава (ГСС) в сагиттальной плоскости, ЭМГ-активность медиальной головки икроножных мышц для различных конструкций обуви:

число вне скобок – среднее значение, в скобках – среднее квадратичное отклонение (µ(± SD))

Биомеханические параметры	Обувь
Статистически значимые, когда в индексе	1	2	3	4	5
Площадь под кривой поглощения мощности ГСС (%)	111,1 (11,8)2,3	100,0 (13,4)1,3	79,8 (11,0)1,2
Макс. ампл. движ. ГСС в полный цикл шага (°)	25,3 (1,2)	23,8 (1,5)	24,7 (1,6)
Макс. угол сгибания коленного сустава в фазе отрыва (°)	50,8 (2,8)	50,7 (2,6)	50,7 (3,7)
Дистанция до изгиба в метатарзальной зоне	55 % (1)	62,5 % (2)	70 % (3)
Макс. ЭМГ мед. голов. икроножной мышцы (%)	91,3 (11,3)2,3	100,0 (8,8)1	107,1 (9,3)1
Площадь под кривой ЭМГ мед. голов. икроножной мышцы (%)	91,1 (12,6)3	100,0 (10,1)	106,7 (9,0)1
Макс. ЭМГ камбаловидной мышцы (%)	94,7 (9,4)	100,0 (6,5)	98,2 (8,3)
Площадь под кривой ЭМГ камбаловидной мышцы (%)	97,6 (6,8)	100,0 (7,3)	99,4 (8,3)
Макс. разгибающий момент ГСС (Н*м/кг)	1,35 (0,05)2,3	1,41 (0,05)1,3	1,44 (0,03)1,2
Площадь под кривой сгибающего момента ГСС (%)	94,3 (5,4)2,3	100,0 (5,9)1,3	106,4 (5,1)1,2
Площадь под кривой генерации мощности ГСС (%)	104,9 (9,5)3	100,0 (9,2)	94,6 (10,2)1
Площадь под кривой поглощения мощности ГСС (%)	91,4 (11,4)2,3	100,0 (13,4)1,3	113,8 (11,5)1,2
Макс. ампл. движ. ГСС в полный цикл шага (°)	24,1 (1,1)	23,8 (1,5)	24,5 (1,3)
Макс. угол сгибания коленного сустава в фазе отрыва (°)	49,3 (3,1)	50,7 (2,6)	51,8 (2,5)
1,2,3,4,5 – показывает статистическую значимость между тестируемыми конструкциями обуви с коррекцией Бонферрони, p < 0,05

ДИСКУССИЯ

Исследование продемонстрировало, как геометрические изменения конструкции обуви влияют на кинематику, кинетику и ЭМГ-активность голеностопного сустава. Целью работы являлось определение оптимальных параметров обуви для снижения работы икроножных мышц.

Результаты говорят о том, что угол носка в 20°, высота каблука 4,5 см и 55 % длина подошвы до начала переката метатарзальной зоны в значительной степени уменьшают работу медиальной головки икроножной и камбаловидной мышц для всех испытуемых. Стоит подчеркнуть, что высотка каблука 4,5 см уменьшила работу икроножных мышц, а добавление всего 1 см высоты в значительной степени увеличило нагрузку тех же мышц, несмотря на то, что высота каблука геометрически уменьшает расстояние плеча точки силы реакции опоры до центра голеностопного сустава, что, в свою очередь, должно уменьшать работу мышц. Максимальные значения силы мышц определяются длиной мышечных волокон, а также углом между линией, совпадающей с направлением тяги сухожилия, и вектором силы, развиваемой волокном до начала сокращения.

При растягивании активной поперечно-полосатой мышцы ее сила сначала возрастает, а затем падает, и максимум значений («максимум Бликса») достигается при естественной (нормальной) длине мышцы в организме (длины покоя). В норме «максимум Бликса» регистрируется при установке стопы под углом в 95° подошвенной флексии [27]. При сокращении скелетных мышц на 15 % от нейтральной длины (без растяжения и сокращения) максимальная сила генерации теряется приблизительно на 50 % [28]. При ходьбе на высоком каблуке силовые параметры икроножных мышцы больше, несмотря на то, что необходимый момент для выполнения плантарф-лекции сустава намного меньше, чем при сравнении с ходьбой в обуви с меньшей высотой каблуков.

Обувь с 55 % до начала переката в метатарзальной зоне показала уменьшение работы икроножных мышц. Такой эффект может достигаться за счет того, что фаза плантарфлексии во время 30-60 % от полного цикла шага начинается заранее из-за геометрического изменения обуви. Поэтому в первую очередь уменьшается плечо момента голеностопа и, следовательно, самого момента (произведение силы мышц на плечо момента).

Также стопе проще осуществлять плантарфлексию без использования мышц из-за анатомического строения обуви, что и уменьшает нагрузку на икроножные мышцы. Практически такой же эффект получается с увеличением угла носка; уменьшение работы икроножных мышц достигается за счет упрощенного вхождения сустава в плантарфлексию во время финальной фазы цикла переката стопы, то есть анатомически осущест-

вляет упрощенный толчок более естественного переката стопы и уменьшения момента движения в голеностопном суставе.

Клиническое испытание экспериментальной обуви с наиболее эффективными геометрическими параметрами конструкции подошвы, которые уменьшают работу икроножных мышц, показало положительный результат.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведённая работа показала потенциал применения системы видеоанализа для разработки ортопедической обуви. Результаты исследования продемонстрировали, что работа икроножных мышц уменьшается в обуви с высотой каблука 4,5 см (высота в метатарзальной зоне 2,5 см), углом носка 20 градусов и началом линии изгиба (переката) в метатарзальной области,

равной 55 % от общей длины обуви, у молодых мужчин. Клинические испытания экспериментальной обуви с данными характеристиками обуви показали положительный результат, увеличив дистанцию безболевой ходьбы на 39 % у пациентов с ПХ, а также уменьшение интенсивности боли в икроножных мышцах почти вдвое.