FEATURES OF THE MECHANICAL PROPERTIES OF THE HUMAN FOOT

Full Text

Foot resilience, resilience coefficient, deformation coefficient, Young's modulus, Poisson's coefficient, computerized plantography, youth age. 22 Выпуск 3 (59). 2016 Врожденное и приобретенное плоскостопие является причиной многих тяжелых заболеваний опорно-двигательного аппарата, нередко приводящих к инвалидности [1]. 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. В связи с этим морфофункциональная диагностика состояния стоп является существенным элементом профилактики ряда нарушений опорнодвигательного аппарата [2]. Определение индивидуально-типологической изменчивости морфологии и функции здоровой 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 [2]. 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, она обеспечивает устойчивость нижней конечности и сцепление с опорной поверхностью. Способность стопы противостоять нагрузкам обусловлена не только биомеханическим совершенством, но и свойством составляющих ее тканей [3]. Упругость стопы обусловлена индивидуальными анатомическими и функциональными особенностями, детерминированными генетическими и половыми факторами, и изменяющимися под воздействием множественных внешних факторов. Специфическая структура стопы и голеностопного сустава служит амортизатором опорных реакций, в норме обеспечивающая симметричную нагрузку на обе конечности и определяющая особенности ее биомеханики при ходьбе. 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 5 продольных и поперечный свод. Пяточная, таранная и кости плюсны и предплюсны образуют своеобразную арку-рессору, способную уплощаться и расправляться. Нагрузка массой тела распределяется равномерно на передний и задний отдел стопы. Передний и задний отделы стопы соединены в единую кинематическую цепь межсуставными связками, а также мощным эластичным сухожилием - подошвенным апоневрозом, который подобно пружине возвращает распластанный под нагрузкой свод стопы [4]. Снижение упругих и амортизирующих свойств у лиц всех возрастных групп влечет за собой повышенную ударную нагрузку и усиление вибрационных воздействий на все выше располагающиеся суставы и органы. Поэтому определение упругих характеристик стопы крайне важно в целях ранней диагностики функционального состояния ее сводов, потеря которых приводит к неблагоприятным последствиям для всего организмам человека. Как в отечественной, так и зарубежной литературе не уделяется внимание особенностям упругости стопы, тогда как получение количественных характеристик ее упругих свойств позволяет, уточнив принципы профилактики заболеваний нижних конечностей, разработать комплекс специальных упражнений для повышения силы стопы [10, 11, 12]. 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 РАБОТЫ Получение данных об упругих характеристиках стопы человека. МЕТОДИКА 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 опорно-двигательного аппарата. 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. Исследование морфофункционального состояния стопы осуществлялось при помощи компьютерного плантографического комплекса ООО («Ортопед», Волгоград) и включало также системный анализ и графоаналитическую расшифровку цифрового изображения стопы. В зависимости от задаваемой нагрузки на стопу, равной 50 % и 80 % массы тела, проводилось сканирование подошвенной поверхности стопы и одновременно измерялась высота ее продольного свода. Вычисляли коэффициенты деформации, упругости и Пуассона, а также модуль Юнга. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Наибольший коэффициент Пуассона у лиц обоего пола был вдоль фронтальной оси стопы, при этом его значение у девушек было больше по сравнению с юношами (табл.). Модуль Юнга был выше у юношей. В ходе проведенного исследования было выявлено, что наибольший коэффициент деформации у лиц обоего пола отмечен вдоль вертикальной оси стопы, а наименьший-вдоль ее сагиттальной оси. Основные механические характеристики стопы юношей и девушек Ось V50, м V80, м m50, кг m80, кг Av, м Am, кг к, H/м s % Е, кПа юноши с 0,26745 0,26892 35,48 56,76 0,0015 21,28 - 0,56 - ф 0,0897 0, 0909 35,48 56,76 0,00123 21,28 - 1,37 - в 0,0501 0,0474 35,48 56,76 -0,0027 21,28 78815 5,4 616,9 девушки с 0,241 0,243 29,5 47,28 0,002 17,74 - 0,83 - ф 0,0822 0,085 29,5 47,28 0,0028 17,74 - 3,4 - в 0,0465 0,0437 29,5 47,28 -0,0028 17,74 63357 6 601,2 Примечание. с - сагиттальная ось, ф - фронтальная ось, в - вертикальная ось; V50 и V80 - высота стопы в метрах при нагрузке на нее, равной 50 и 80 % соответственно от массы тела; m50 - величина, равна 50 % от массы тела; m80 - величина, равна 80 % от массы тела; Am - разница между 80 и 50 % величинами массы тела в кг, Av - разница в высоте стопы в метрах при нагрузке на нее, равной 80 и 50 % от массы тела; s - коэфициент деформации; Е - модуль Юнга; k - коэффициент упругости. Выпуск 3 (59). 2016 23 ШШґорСз [ЩсмеТКЩ Полученные данные об упругости стопы человека позволяют охарактеризовать ее амортизирующую функцию в норме и степень ее потери при различных деформациях. 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. Предположительно, полученные данные можно объяснить разным влиянием половых гормонов на ткани организма человека, а именно увеличением их ригидности при преобладающем действии тестостерона [9]. Результаты нашего исследования подтверждают литературные данные, свидетельствующие о том, что упругость некоторых тканей нижних конечностей у мальчиков выше по сравнению с девочками, а также с исследованиями, в которых указывается большая подвижность в суставах нижних конечностей у лиц женского пола по сравнению с мужчинами [13]. 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, а уменьшение упругости у женщин детерминировано меньшим количество волокон, их диаметром и относительным количеством коллагена в каждом волокне связок их стопы [7]. 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 типа и коллагена III типа [8]. На основании полученных нами количественных данных о половых различиях упругости стопы становится понятным более частая встречаемость повреждения подошвенных мышц и ахиллова сухожилия у мужчин [6]. 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. В то же время повышенная ригидность стопы у мужчин связана со свойствами мышц и сухожилий, которые также 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 [5]. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Разработанный программно-компьютерный комплекс и программная реализация диагностики анатомофункциональных параметров позволяют проводить оценку упругости стопы человека. Показатели стопы (модуль Юнга, коэффициенты Пуассона, упругости и деформации) характеризуют ее рессорную функцию и способность сопротивляться действию нагрузок. Таким образом, для юношеского возраста выявлена половая дифференциация упругих специфичных характеристик стопы. Разработанный метод целесообразно использовать для исследования упругих свойств стопы у лиц различных возрастных групп, спортивных специализаций, а также у больных с различными заболеваниями стоп.

About the authors

A. I. Perepelkin

Volgograd State Medical University

Email: similipol@mail.ru

V. B. Mandrikov

Volgograd State Medical University

A. I. Krayushkin

Volgograd State Medical University

E. S. Atroschenko

Volgograd State Medical University

References

Supplementary files