Исследование упругих свойств стопы человека

В настоящее время продольная и поперечная распластанность, носящая самостоятельный характер, а также и в сочетании с другими статическими деформациями стопы, является одним из наиболее распространенных ортопедических заболеваний. По данным Всемирной организации здравоохранения, 75% людей на планете имеют те или иные патологические изменения стоп, наиболее частым из которых является плоскостопие. Эта деформация стоп является причиной многих тяжелых заболеваний опорно-двигательного аппарата, нередко приводящих к инвалидности [8, 11, 12]. В настоящее время женщины страдают плоскостопием в 4 раза чаще, чем мужчины. Преобладание плоскостопия среди лиц женского пола чаще всего объясняется как изменением гормонального фона во время беременности, кормления грудью, менопаузы, так и хронической травматизацией стопы обувью широкого потребления с высокими каблуками, модными узкими носками [11]. Другие авторы указывают, что деформация стопы не зависит от типа обуви, которой пользуются женщины, а существует индивидуальная предрасположенность к развитию деформации стопы, в основе которой лежит врожденная слабость соединительной ткани [2].

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]. В связи с этим морфофункциональная диагностика состояния стоп является существенным элементом профилактики ряда нарушений опорнодвигательного аппарата [6]. Определение индивидуально-типологической изменчивости морфологии и функции интактной 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 [10].

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

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

Специфическая структура стопы и голеностопного сустава служит амортизатором опорных реакций, в норме обеспечивает симметричную нагрузку на обе конечности и определяет особенности ее биомеханики при ходьбе. Биомеханика стопы и функции стопы в различные фазы шага различна. 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. Задача этой фазы – передача лежащим выше сегментам силы реакции опоры. Смягчение инерционной нагрузки при ходьбе и беге осуществляется сложным комплексом суставно-связочного аппарата, соединяющим 26 основных костей стопы, в котором выделяют 5 продольных костей и поперечный свод. Пяточная, таранная кости и кости плюсны и предплюсны образуют своеобразную арку – рессору, способную уплощаться и расправляться. Нагрузка массой тела распределяется равномерно на передний и задний отделы стопы. Эти отделы соединены в единую кинематическую цепь межсуставными связками, а также мощным эластичным сухожилием – подошвенным апоневрозом, который, подобно пружине, возвращает в нормальное положение распластанный под нагрузкой свод стопы [3, 7].

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 располагающиеся выше суставы и органы [2, 4]. 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 организма 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 [7].

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.

Цель исследования – получение данных об упругих характеристиках стопы в естественных условиях у лиц юношеского возраста обоего пола.

Материал и методы исследования

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 опорнодвигательного аппарата.

Исследование морфофункционального состояния стопы, осуществляемое при помощи компьютерного плантографического комплекса («Ортопед», Волгоград) по нашему методу [1], включало также системный анализ и графоаналитическую расшифровку цифрового изображения стопы (рис. 1).

Прилегающая к сканеру поверхность стопы выглядит более светлой на снимке, тем самым имеется достаточно информации, чтобы получить площадь опорной поверхности стопы. Программа для наглядности выделяет определенным цветом каждый из отделов стопы (рис. 2). Для вычисления площади в программе определяют контур стопы и подсчитывают точки, лежащие внутри контура [1, 8, 9].

Рис. 1. Окно программы расчета анатомо-функциональных параметров стопы

Рис. 2. Определение площади опорной поверхности всей стопы и ее отделов

Исследование проводилось в следующем порядке. Вначале измерялась масса тела человека, затем исследуемый одной ногой становился на плантографическую подставку, помещенную на поверхность грузоприемной платформы электронных тензометрических весов для статического взвешивания, а другой ногой на опорную платформу, расположенную по бокам от подставки и весов. В зависимости от задаваемой нагрузки на стопу, равной 50 и 80% массы тела, проводилось сканирование ее подошвенной поверхности. Одновременно измерялась высота её продольного свода (от горизонтальной поверхности до наиболее высокой точки ладьевидной кости) с помощью высотомера. В дальнейшем пациент менял местами расположение нижних конечностей, и обследование противоположной стопы повторялось в том же порядке. Изменение нагрузки на стопу контролировалось самим обследуемым путем наблюдения за изменением цифровых показателей на дисплее весов. Абсолютные величины, равные 50 и 80% массы тела человека, определялись из предварительно составленной таблицы.

Результаты и их обсуждение

Средняя масса тела юношей составила 70,96±9,19 кг, при этом средняя величина опорной поверхности стопы – 0,0063±0,0022 м2. У девушек средняя масса тела составила 59,12±8,15 кг, а опорная поверхность стопы – 0,0049±0,0018 м2. Для изучения упругих характеристик стопы учитывали коэффициенты Пуассона, упругости и деформации, а также модуль Юнга.

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.

При приложении нагрузки по одной оси стопы происходит изменение линейных размеров материала по другим ее осям, т.е. при приложении вертикальной нагрузки (массой тела человека) на стопу происходит ее распластывание по фронтальной и сагиттальной осям. Характеристикой этой деформации является коэффициент Пуассона. Величина его равна отношению относительного продольного удлинения (по сагиттальной оси) или относительного расширения (вдоль фронтальной оси) e к относительному вертикальному сжатию стопы e' , т.е.

e

^ц =Pi •

По коэффициенту Пуассона для фронтальной и сагиттальной осей можно судить о рессорных функциях стопы по этим направлениям.

Коэффициент упругости рассчитывали по формуле k = A mg

Δv , где Δm – разница между 80 и 50% величинами массы тела, кг; Δv – разница в высоте стопы при нагрузке на нее, равной 80 и 50% от массы тела, м.

Коэффициент деформации рассчитывали по каждой из осей стопы по формуле

Av e = — 100%, V

где Δ v – разница линейного параметра по оси стопы; V – первоначальная величина линейного параметра стопы при нагрузке, равной 50% массы тела.

Модуль Юнга вычисляли по формуле

E = k^V , S

где k – коэффициент упругости; V – величина линейного параметра стопы при пятидесятипроцентной нагрузке от массы тела; S – средняя площадь опорной поверхности стопы.

В ходе проведенных вычислений было выявлено, что коэффициент упругости был больше у юношей. Наибольший коэффициент деформации у лиц обоего пола отмечен вдоль вертикальной оси стопы, наименьший – вдоль сагиттальной оси (таблица).

Модуль Юнга был выше у юношей. Наибольший коэффициент Пуассона был вдоль фронтальной оси у лиц обоего пола, при этом его значение у девушек было больше по сравнению с юношами (рис. 3).

Основные характеристики упругости стопы лиц юношеского возраста

Рис. 3. Значения коэффициента Пуассона у лиц обоего пола юношеского возраста вдоль сагиттальной () и фронтальной () осей стопы

Ось	V 50 , м	V 80 , м	m 50 , кг	m 80 , кг	Δ v , м	Δ m , кг	k , H/м	ε, %	Е , кПа
Юноши
Сагиттальная	0,26745	0,26892	35,48	56,76	0,0015	21,28	–	0,56	–
Фронтальная	0,0897	0, 0909	35,48	56,76	0,00123	21,28	–	1,37	–
Вертикальная	0,0501	0,0474	35,48	56,76	–0,0027	21,28	78815	5,4	616,9
Девушки
Сагиттальная	0,241	0,243	29,5	47,28	0,002	17,74	–	0,83	–
Фронтальная	0,0822	0,085	29,5	47,28	0,0028	17,74	–	3,4	–
Вертикальная	0,0465	0,0437	29,5	47,28	–0,0028	17,74	63357	6	601,2

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 [18, 20]. Предположительно, полученные данные можно объяснить разным влиянием половых гормонов на ткани организма человека, а именно увеличением их ригидности при преобладающем действии тестостерона [21]. Результаты нашего исследования подтверждают литературные данные [13], свидетельствующие о том, что упругость некоторых тканей нижних конечностей у мальчиков выше по сравнению с девочками, а также соответствуют исследованиям [22], в которых отмечена большая подвижность в суставах нижних конечностей у лиц женского пола по сравнению с мужчинами.

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 [23], а уменьшение упругости у женщин детерминировано меньшим количество волокон, их диаметром и относительным количеством коллагена в каждом волокне связок их стопы [17]. 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 и III типов [19].

На основании полученных в данной работе количественных данных о половых различиях упругости стопы становится понятным более частая встречаемость повреждения подошвенных мышц и ахиллова сухожилия у мужчин. 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 [16]. В то же время повышенная ригидность стопы у мужчин связана со свойствами мышц и сухожилий, которые 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 [14, 15].

Выводы

• 1.    Разработанный программно-компьютерный комплекс и программная реализация диагностики анатомо-функциональных параметров позволяют проводить оценку упругости стопы человека.

• 2.    Показатели стопы (модуль Юнга, коэффициенты Пуассона, упругости и деформации) характеризуют ее рессорную функцию и способность сопротивляться действию нагрузок.

• 3.    У испытуемых юношеского возраста выявлена половая дифференциация упругих специфичных характеристик стопы.

• 4.    Разработанный метод целесообразно использовать для исследования упругих свойств стопы у лиц различных возрастных групп, спортивных специализаций, а также у больных с различными заболеваниями стоп для индивидуального подбора ортезов, медикаментозной терапии, методов физиотерапевтического лечения, лечебной физкультуры и массажа.