Healthy_back (healthy_back) wrote,
Healthy_back
healthy_back

Кинематика и динамика стопы при ходьбе

Источник: http://www.medicinform.net/revmo/ther_pop34.htm, автор, если я правильно понимаю — Угнивенко. Почему он боится подписаться — не знаю.

Стопа — это орган опорно-двигательной системы, состоящий из 26 костей, 33 суставов, сети из более 100 связок, сухожилий и мышц, покрытый кожей, которая со стороны подошвы имеет уникальное строение, которое позволяет ей переносить сжимающие нагрузки большой величины (до 200 кг на см2).

Стопа является сложным биомеханическим комплексом, выполняющим 3 важные задачи при обеспечении функции опоры и движения человека:
1) обеспечение опоры и равновесия при стоянии,
2) поглощение энергии удара в момент "приземления" и придание телу вертикального импульса в момент отталкивания от опоры, что необходимо для реализации естественных локомоций (ходьба, бег, прыжки),
3) защита опорно-двигательной системы от возможных травм и перегрузок.

(Я обожаю милую привычку русских людей пиздить картинки и материалы без указания источника. Откуда она взята, я не знаю, встречаю её раз в 3 или 4 в разных местах, конкретно эту взял здесь, кто автор статьи и художник — неизвестно http://www.ploscostopie.ru/specialists/chil_ortoped/stopa_i_osanka1/ — H.B.)

Стопа — это важная составная часть опорно-двигательной системы. Её функция и структура с одной стороны зависит от вышележащих элементов опорно-двигательного аппарата, а с другой стороны оказывает на них положительное или негативное влияние. Функция и структура стопы зависит от особенностей системы управления стоянием и локомоциями (от двигательного стереотипа) и от условий эксплуатации (особенности обуви, особенность и интенсивность повседневной двигательной активности).

Основное движение в стопе пронация — супинация...

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 её 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.



Наиболее общие параметры, характеризующие ходьбу. 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. 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 на силовую платформу регистрируют вертикальную реакцию опоры, а также горизонтальные её 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 иннервационного 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. Временная структура ходьбы.

Существуют различные схемы временной структуры шага, предложенные различными биомеханическими школами. (Класс! Прямо "в военное время косинус 45 может достигать единицы". Только ссылки давать надо — H.B.)

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 её 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 вперёд (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 её наружный отдел (Ссылка где? Откуда взята норма? — H.B.). 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. Сила реакции опоры.

Реакция опоры


Реальные силы при ходьбе, которые можно измерить — это силы реакции опоры. Сопоставление силы реакции опоры и кинематики шага позволяютувеличить оценить 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 путём 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. Вертикальная составляющая опорной реакции.

Вертикальная составляющая вектора опорной реакции.


График вертикальной составляющей опорной реакции при ходьбе в норме имеет вид плавной симметричной двугорбой кривой. Первый максимум кривой соответствует интервалу времени, когда в результате переноса тяжести тела на опорную ногу происходит передний толчок, второй максимум (задний толчок) отражает активное отталкивание ноги от опорной поверхности и вызывает продвижение тела вверх, вперёд и в сторону опорной конечности.

Оба максимума расположены выше уровня веса тела и составляют соответственно при медленном темпе примерно 100% от веса тела, при произвольном темпе 120%, при быстром — 150% и 140%. (Ссылки! Откуда эти данные опять? С потолка? — H.B.)

Минимум опорной реакции расположен симметрично между ними ниже линии веса тела. Возникновение минимума обусловлено задним толчком другой ноги и последующим её 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%.



Рисунок. Точка приложения вектора реакции опоры.

Точка приложения вектора реакции опоры на стопу иначе 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 жёсткости подошвы. Паттерн реакции опоры во многом определяется функциональным состоянием мышц нижней конечности и иннервационной 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


Рисунок. Фазы опорной реакции.

При ходьбе стопа выполняет четыре основные функции:
— адаптация к неровностям поверхности,
— поглощение энергии удара при приземлении,
— функцию жёсткого рычага для передачи вращательного момента вышележащим сегментам,
— перераспределение и смягчение ротационных усилий вышележащих сегментов.

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, который подобно пружине возвращает распластанный под нагрузкой свод стопы (см. статью "стопа в статике").

Рисунок. Супинация и пронация стопы.

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 её 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); (Полая стопа, косолапие — H.B.)
пронация стопы — вальгус переднего отдела и пятки, распластывание стопы (рисунок 2); (Плоскостопие — H.B.)
— вновь пронация стопы, при которой суставы стопы замыкаются и стопа приобретает жёсткость, 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.

Таким образом, во время ходьбы мы можем наблюдать два паттерна движений в суставах стопы: супинация и пронация.

При супинации стопа вращается внутрь за счёт подтаранного сустава, пятка находится в положении варуса, свод высокий. Суставы стопы находятся в положении замыкания, что обеспечивает необходимую жёсткость 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 жёсткость 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


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 кнаружи. Она явно не совпадает с направлением оси голеностопного и коленного суставов. Однако, именно такое её положение (явно несоосное с другими суставами) определяет эффективность ходьбы.

Рисунок. Распределение нагрузки в период опоры на стопу при ходьбе.

На рисунке мы видим, что первый пик нагрузки получается из контакта наружного отдела пятки 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. Один из таких механизмов мы рассмотрели выше: опора на пятку приводит к вращению относительно подтаранного сустава, пронация стопы приводит к наружной ротации голени и таким образом энергия приземления передается к вышележащим сегментам. Однако, этого недостаточно для полноценного поглощения переднего толчка.

Рисунок. Модель обратного маятника.

Рассмотрим ещё 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 вращающий момент, голень под влиянием силы инерции наклоняется вперёд, возникает целый каскад вращения в вышележащих суставах ноги, и общий центр масс тела совершает поступательное движение вперед. Схема, представленная на рисунке, не совсем точна, на ней (для упрощения) не изображён 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. Уступающая и преодолевающая работа мышц при ходьбе.

Для того, чтобы получить общее представление 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. 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 биомеханическим совершенством, но и свойством составляющих её тканей. Короткие 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 растёт 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 счёт 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. 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.).

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. (Ссылочки не забудьте — H.B.)

http://www.ploscostopie.ru/specialists/chil_ortoped/stopa_i_osanka1/ Автор статьи неизвестен, источник картинок — тоже. Но картинку с ротацией я вижу раз в 3 или 4.

Стопа и осанка



Какая связь между этими, казалось бы, отдалёнными частями тела: стопой и позвоночником? Прямая!

Наше тело от стоп до макушки — это отточенная эволюцией конструкция, где все звенья взаимосвязаны.

Стопы — «фундамент» тела, изъяны фундамента неизбежно вызывают перекос всей конструкции, нарушают осанку и походку человека, приводя к болям в позвоночнике и преждевременному «износу» суставов. По данным литературы, не менее чем у 80 % населения возникают проблемы опорно-двигательного аппарата, напрямую или опосредованно связанные с деформациями стопы.

Начальные элементы деформаций и функциональные недостатки стоп и осанки закладываются в детстве и следуют за человеком в его взрослую жизнь.

Считается, что с первых шагов ребёнка и до старости человек пешком огибает землю 4 раза. Стопа — это комплексная структура, состоящая из 26 костей, соединённых связками, суставами, мышцами и сухожилиями.

При рождении стопы детей ещё не сформированы, а будущие костные структуры представлены хрящом. Своды стоп, как и изгибы позвоночного столба, начинают активно формироваться с началом прямохождения. Первый этап формирования сводов стопы и осанки завершается к 8-9 годам, когда очертания стопы и спины ребёнка начинают быть похожими на формы взрослого человека. В период гормонального созревания происходит дальнейшая перестройка, направленная на функциональное совершенствование структур стопы и осанки.

Рисунок. Компенсаторный сколиоз в результате вальгусного отклонения стопы

Рисунок. Восходящая цепь перегрузок и повреждения при плоско-вальгусных стопах
Tags: Ноги
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments