Динамика стопы - это взаимодействие сил, действующих на стопу, и тех нагрузок и напряжений, которые возникают при воздействии этих сил. Стопа - это составная часть биомеханической системы опорно-двигательного аппарата и ее динамика не может быть рассмотрена вне связи с этой системой. Динамика стопы это производная от движений опорно-двигательной системы (кинематики). Наиболее типовые движения человека, связанные с нагрузкой стопы - ходьба.
Стопа преодолевает очень большие по величине и по продолжительности повторяющиеся нагрузки. Скорость, на которой стопа "приземляется" на опору, составляет при быстрой ходьбе составляет 5 метров в секунду (18 км в час), а при беге до 20 м. в сек (70 км в час), что определяет силу столкновения с опорой равную 120-250% от веса тела. В течение дня обычный человек совершает от 2 до 6 тысяч шагов (за год - 860 000 - 2 085 600 шагов). Даже современные приборы - протезы стопы не служат при такой эксплуатации более 3 лет. Долговечность стопы человека определяется во первых совершенством механической конструкции и во вторых - уникальность материала, из которого "сделана" стопа.
Рисунок 12. Общие параметры, характеризующие ходьбу.
Наиболее общие параметры, характеризующие ходьбу (рис 12). Такими параметрами являются линия перемещения центра масс тела, длина шага, длинна двойного шага, угол разворота стопы, база опоры, а так же скорость перемещения и ритмичность ходьбы. База опоры – это расстояние между двумя параллельными линиями, проведенными через центры опоры пяток параллельно линии перемещения. База опоры определяет устойчивость тела человека. Разворот стопы – это угол, образованный линией перемещения и линией, проходящей через середину стопы: через центр опоры пятки и точку между 1 и 2 пальцем. Чем больше разворот стопы, тем больше база опоры, но меньше эффективность ходьбы (и наоборот). Короткий шаг – это расстояние между точкой опоры пятки одной ноги и центром опоры пятки противоположной ноги. Ритмичность – число шагов в минуту. Для взрослого – 113 шагов в минуту. Ритмичность – отношение длительности переносной фазы одной ноги к длительности переносной фазы другой ноги. Скорость ходьбы – число больших шагов в единицу времени, измеряется в единицах: шаг в минуту или километр в час.
Рисунок 13. Методика подографии.
Методики исследования ходьбы. Кинематику ходьбы изучают с использованием контактных и бесконтактных датчиков измерения углов в суставах (гониометрия), а так же с применением гироскопов – приборов, позволяющих определить угол наклона сегмента тела относительно линии гравитации. Важным методом в исследовании кинематики ходьбы является методика циклографии – метод регистрации координат светящихся точек, расположенных на сегментах тела.
Динамические характеристики ходьбы изучают с применением динамографической (силовой) платформы. При опоре силовую платформу регистрируют вертикальную реакцию опоры, а также горизонтальные ее составляющие. Для регистрации давления отдельных участков стопы применяют датчики давления или тензодатчики, вмонтированные в подошву обуви. Физиологические параметры ходьбы регистрируют при помощи методики электромиографии – методики регистрации биопотенциалов мышц. Электромиография, сопоставленная с данными методик оценки временной характеристики, кинематики и динамики ходьбы, является основой биомеханического и инервационного анализа ходьбы.
Подография позволяет регистрировать моменты контакта различных отделов стопы с опорой для оценки временной структуры ходьбы. На этом основании определяют временные фазы шага. Рассмотрим пример исследования ходьбы, основанного на применении самой простой, двухконтактной электроподографии. Этот метод заключается в использовании контактов в подошве специальной обуви, которые замыкаются при опоре на биомеханическую дорожку. На рисунке изображена ходьба в специальной обуви с двумя контактами в области пятки и переднего отдела стопы. Период замыкания контакта регистрируется и анализируется прибором: замыкание заднего контакта – опора на пятку, замыкание заднего и переднего – опора на всю стопу, замыкание переднего контакта – опора на передний отдел стопы. На этом основании строят график длительности каждого контакта для каждой ноги.
Рисунок 14. Временная структура ходьбы.
Существуют различные схемы временной структуры шага, предложенные различными биомеханическими школами. График самой простой двухконтактной подограммы изображается в виде двух схем: подограмма правой ноги и подограмма левой ноги. Красным цветом выделена подограмма правой ноги. То есть той ноги, которая в данном случае начинает и заканчивает цикл ходьбы – двойной шаг. Тонкой линией обозначают отсутствие контакта с опорой, затем мы видим время контакта на задний отдел стопы, на всю стопу и на передний отдел. Локомоторный цикл состоит из двух двуопорных и двух переносных фаз. По подограмме определяют интервал опоры на пятку, на всю стопу и на ее передний отдел. Временные характеристики шага выражают в секундах и в процентах к продолжительности двойного шага, длительность которого принимают за 100%. Все остальные параметры ходьбы (кинематические, динамические и электрофизиологические) привязывают к подограмме – основному методу оценки временной характеристики ходьбы.
При ходьбе человек последовательно опирается то на одну, то на другую ногу. Эта нога называется опорной. Контралатеральная (противоположная) нога в этот момент выносится вперед (Это - переносная нога). Период переноса ноги называется «фаза переноса. Полный цикл ходьбы — период двойного шага — слагается для каждой ноги из фазы опоры и фазы переноса конечности. В опорный период активное мышечное усилие конечностей создаёт динамические толчки, сообщающие центру тяжести тела ускорение, необходимое для поступательного движения. При ходьбе в среднем темпе фаза опоры длится примерно 60% от цикла двойного шага, фаза опоры примерно 40%. Рассмотрим наиболее общие перемещения тела в сагиттальной плоскости в процессе двойного шага. Началом двойного шага принято считать момент контакта пятки с опорой. В норме приземление пятки осуществляется на ее наружный отдел. С этого момента эта (правая) нога считается опорной. Иначе эту фазу ходьбы называют передний толчок – результат взаимодействия силы тяжести движущегося человека с опорой. На плоскости опоры при этом возникает опорная реакция, вертикальная составляющая корой превышает массу тела человека.
Рисунок 15. Сила реакции опоры.
Реальные силы при ходьбе, которые можно измерить – это силы реакции опоры. Сопоставление силы реакции опоры и кинематики шага позволяютоценить величину вращающего момента сустава. Сила реакции опоры это сила, действующая на тело со стороны опоры. Эта сила равна и противоположна той силе, которую оказывает тело на опору. Если при стоянии сила реакции опоры равна весу тела, то при ходьбе к этой силе прибавляются сила инерции и сила, создаваемая мышцами при отталкивании от опоры.
Для исследования силы реакции опоры обычно применяют динамографическую (силовую) платформу, которая вмонтирована в биомеханическую дорожку. При опоре в процессе ходьбы на эту платформу регистрируют возникающие силы – силы реакции опоры. Силовая платформа позволяет регистрировать результирующий вектор силы реакции опоры.
Динамическая характеристика ходьбы оценивается путем исследования опорных реакций, которые отражают взаимодействие сил, принимающих участие в построении локомоторного акта: мышечных, гравитационных и инерционных. Вектор опорной реакции в проекции на основные плоскости разлагается на три составляющие: вертикальную, продольную и поперечную. Эти составляющие позволяют судить об усилиях, связанных с вертикальным, продольным и поперечным перемещением общего центра масс.
Сила реакции опоры включает в себя вертикальную составляющую, действующую в направлении вверх-вниз, продольную составляющую, направленную вперед-назад по оси Y, и поперечную составляющую, направленную медиально-латерально по оси X. Это производная от силы мышц, силы гравитации и силы инерции тела.
Рисунок 16. Вертикальная составляющая опорной реакции.
Вертикальная составляющая вектора опорной реакции (рис 16). График вертикальной составляющей опорной реакции при ходьбе в норме имеет вид плавной симметричной двугорбой кривой. Первый максимум кривой соответствует интервалу времени,
Минимум опорной реакции расположен симметрично между ними ниже линии веса тела. Возникновение минимума обусловлено задним толчком другой ноги и последующим ее переносом; при этом появляется сила, направленная вверх, которая вычитается из веса тела. Минимум опорной реакции при разных темпах составляет от веса тела соответственно: при медленном темпе – примерно 100%, при произвольном темпе 70%, при быстром - 40%.
Таким образом, общая тенденция при увеличении темпа ходьбы состоит в росте значений переднего и заднего толчков и снижении минимума вертикальной составляющей опорной реакции.
Реакция опоры - эти силы приложенные к стопе. Вступая в контакт с поверхностью опоры, стопа испытывает давление со стороны опоры, равное и противоположное тому, которое стопа оказывает на опору. Это и есть реакция опоры стопы. Эти силы неравномерно распределяются по контактной поверхности. Как и все сила такого рода их можно изобразить в виде результирующего вектора, который имеет величину и точку приложения.
Рисунок 17. Точка приложения вектора реакции опоры.
Точка приложения вектора реакции опоры на стопуиначе называется центром давления. Это важно, для того чтобы знать, где находится точка приложения сил, действующих на тело со стороны опоры. При исследовании на силовой платформе эта точка называется точкой приложения силы реакции опоры. Траектория силы реакции опоры в процессе ходьбы изображается в виде графика: «зависимость величины силы реакции опоры от времени опорного периода». График представляет собой перемещение вектора реакции опоры под стопой. Нормальный паттерн, траектория перемещения реакции опоры при нормальной ходьбе представляет собой перемещение от наружного отдела пяти вдоль наружного края стопы в медиальном направлении к точке между 1 и 2 пальцем стопы.
Траектория перемещения вариабельна и зависит от темпа и типа ходьбы, от рельефа поверхности опоры, от типа обуви, а именно от высоты каблука и от жесткости подошвы. Паттерн реакции опоры во многом определяется функциональным состоянием мышц нижней конечности и инервационной структурой ходьбы.
Важную информацию о распределении давления на различные участки стопы получают при помощи тензометрических измерений. Тензодатчики – датчики давления располагают в специальной стельке для обуви. Этот метод исследования позволяет изучить не результирующую силу реакции опоры, как при динамометрическом методе, а распределение давления под разными отделами стопы.
Особенности биомеханики стопы при ходьбе. При ходьбе стопа выполняет четыре основные функции: адаптация к неровностям поверхности, поглощение энергии удара при приземлении, функцию жесткого рычага для передачи вращательного момента вышележащим сегментам, перераспределение и смягчение ротационных усилий вышележащих сегментов. Рисунок 18. Фазы опорной реакции.Биомеханика стопы и функции стопы в различные фазы шага – различны. 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. Эта фаза ставит перед стопой задачу передачи лежащим выше сегментам силы реакции опоры. Смягчение инерционной нагрузки при ходьбе и беге осуществляется сложным комплексом суставно-связочного аппарата, соединяющего 26 основных костей стопы, в котором выделяют 3 продольных и поперечный свод. Рассмотрим строение только одного из них – среднего продольного свода. Пяточная, таранная и кости плюсны и предплюсны образуют своеобразную арку - рессору, способную уплощаться и расправляться. Нагрузка – вес тела - распределяется равномерно на передний и задний отдел стопы. Передний и задний отделы стопы соединены в единую кинематическую цепь мощным эластичным сухожилием – подошвенным апоневрозом,
Рассмотрим точки приложения реакции опоры к стопе в процессе фазы опоры. Стопа приземляется на наружный отдел пятки. Затем на протяжении фазы приземления центр силы реакции опоры смещается к центру стопы в фазе опоры на всю стопу и на ее передний внутренний отдел в фазу отталкивания. Биомеханический смысл такой траектории перемещения точки приложения силы реакции опоры заключается в том, что при этом в различные фазы опоры создаются вращающие моменты, которые вызывают следующие движения в суставах стопы: супинация стопы – варус пятки и переднего отделов (рисунок 1); пронация стопы – вальгус переднего отдела и пятки, распластывание стопы (рисунок 2); вновь пронация стопы, при которой суставы стопы замыкаются и стопа приобретает жесткость, необходимую для передачи энергии верхним сегментам (рисунок 3). При опоре на всю стопу суставы размыкаются, стопа легко адаптируется к поверхности опоры. В этот период сухожилие стопы запасает энергию в виде энергии упругих связей, которую затем возвращает в период отталкивания.
Пронация стопы – результат внутренней ротации бедра в первую половину опоры ноги. При опоре на пятку колено подгибается, бедро ротируется внутрь, это ускоряет перекат через пятку и перенос веса тела на всю стопу. Затем стопа неизбежно распластывается, и энергия движения переходит в энергию упругих связей стопы.
Рисунок 19. Супинация и пронация стопы.
Таким образом, во время ходьбы мы можем наблюдать два паттерна движений в суставах стопы: супинация и пронация (рис 19). При супинации стопа вращается внутрь за счетподтаранного сустава, пятка находится в положении варуса, свод высокий. Суставы стопы находятся в положении замыкания, что обеспечивает необходимую жесткость стопы при приземлении и отталкивании. При пронации стопы мы видим обратный паттерн: продольный свод опускается, пятка в подтаранном суставе принимает положение вальгуса, суставы размыкаются, стопа легко адаптируется к опоре. Отметим, что продольный свод стопы активно удерживает передняя большеберцовая мышца, дополнительно смягчает инерцию приземления и возвращает жесткость стопы при отталкивании. В момент пронации стопа создает вращательный момент голени – момент наружной ротации.
Рисунок 20. Движение в подтаранном суставе.
Движение – пронация стопы – это вращение в подтаранном суставе (рис 20). Ось этого сустава расположена косо, таким образом, что пронация стопы приводит к ротации голени. Это важно для рассмотрения вопроса – особенности биомеханики коленного сустава при ходьбе.Ось подтаранного сустава расположена косо в направлении спереди назад, изнутри к наружи. Она явно не совпадает с направлением оси голеностопного и коленного суставов. Однако именно такое ее положение (явно несоосное с другими суставами) определяет эффективность ходьбы.
Рисунок 21. Распределение нагрузки в период опоры на стопу при ходьбе.
На рисунке 21 мы видим, что первый пик нагрузки получается из контакта наружного отделапятки с опорой, этот пик находится в первой фазе, в фазе переднего толчка. По мере переката через пятку нагрузка перемещается более на медиальный отдел пятки. Затем, нагрузка перемещается последовательно на 5, 4, 3 и затем вторую плюсневую кость. Это характерно для фазы опоры на всю стопу. И в фазе отталкивания, в фазе опоры на передний отдел, нагрузка перемещается на первую плюсневую кость и большой палец ноги. Подгибание первого пальца и отталкивание от опоры завершает опорную фазу шага. Стопа отрывается от опоры. Как мы уже говорили, результирующая, полученная при сложении всех сил, которые формируются при приземлении, опоре и отталкивании, выглядит в виде двугорбой кривой. Здесь следует отметить, что силы, определяющие реакцию опоры, имеют различное направление. Если при приземлении, силы гравитации и инерции направлены вниз, то при отталкивании сила активного сокращения мышц и инерции тела – вверх. При приземлении ноги мышцы работают в уступающем режиме и гасят энергию удара. Для реализации этого механизма необходима трансформация поступательного движения во вращательное.
Рисунок 22. Модель обратного маятника.
Однако этого недостаточно для полноценного поглощения переднего толчка. Рассмотрим еще один важный биомеханический механизм - вращение относительно голеностопного сустава. Для этого представим себе идущего человека в виде обратного маятника с центром вращения в голеностопном суставе. Мы видим, как при опоре на пятку возникает вращающим момент, голень под влиянием силы инерции наклоняется вперед, возникает целый каскад вращения в вышележащих суставах ноги, и общий центр масс тела совершает поступательное движение вперед. Схема, представленная на рисунке 22, не совсем точна, на ней (для упрощения) не изображен очень важный момент, очень важный механизм - подгибание в коленном суставе в момент опоры на пятку. Этот и многие другие механизмы трансформации движений при ходьбе, мы возможно рассмотрим в других статьях, посвященных биомеханике ходьбы.
Рисунок 23. Уступающая и преодолевающая работа мышц при ходьбе.
Для того, чтобы получить общеепредставление о работе мышц при ходьбе, которые являются не только источником энергии поступательного движения, но и выполняют важную функцию поглощения и перераспределения энергии в первую фазу опоры посмотрите на рисунок 23. Мышцы нижней конечности работают то в уступающем, то в преодолевающем режиме, то есть то притормаживают, то ускоряют движения в суставах, обеспечивая плавное поступательное движение общего центра массы.
Стопа является первым самым нагружаемым звеном этой сложной трансмиссии. Она осуществляет контакт с опорой, она перераспределяет силу реакции опоры на вышележащие сегменты опорно-двигательного аппарата и выполняет важную рессорную функцию, она обеспечивает устойчивость ноги и сцепление с опорной поверхностью.
Способность стопы противостоять нагрузкам обусловлена не только биомеханически совершенством, но и свойством составляющих ее тканей. Коротки и прочные кости стопы имеют форму точно соответствующую направлению и величине нагрузки.
Известный закон биологии гласит «Функция определяет форму», из этого вытекают прошедшие проверку временем и практикой постулаты: "механические напряжения полностью определяют все детали структуры" и "кость разрастается преимущественно по направлению тяги и перпендикулярно плоскости давления". Структура нагрузки повседневных движений влияет и на рост детского скелета (например, быстрее растет более нагружаемая толчковая, обычно правая, нога), и на структуру скелета у взрослых. Внешняя форма костей может изменяться под влиянием различных видов спорта или профессиональных движений. Они становятся массивнее и толще за счет увеличения костной массы в наиболее нагружаемых участках. Таким образом кости стопы адаптируют свою прочность в соответствии с весом человека и с повседневной двигательной активностью.
Рисунок 24. Подошвенный апоневроз и пяточная шпора.
Аналогичный закон действует и в отношении соединительнотканных структур стопы (связок, сухожилий и фасций). Волокна самой мощной фасции стопы - подошвенного апоневроза ориентированы вдоль самого нагружаемого продольного свода стопы (рис.24).
Если повторяющиеся нагрузки по своей величине или продолжительности превышают возможности тканей стопы, то в них развиваются патологические реакции перегрузки и патологические процессы, такие как воспаление сухожилия, усталостные переломы, разрывы сухожилий... Например, отложение солей кальция в области прикрепления подошвенного апоневроза к бугру пяточной кости, которое именуется пяточной шпорой.
Плоскостопие, гиподинамия, избыточные спортивные нагрузки - обычная причина этих заболеваний. Но об этом в другой статье.
Так и не понял, что делать что бы не было шпор?
ОтветитьУдалить