Full Text

Введение Основной опорой и движущей силой для ходьбы являются человеческие ноги. Они отвечают за обеспечение поддержки и гибкости для эффективного переноса веса [12]. Изменение нагрузки может повлиять на нашу стабильность и мобильность. Для изучения функций нижних конечностей используются различные методы. Одним из них является педобарография - изучение распределения нагрузок под стопой. Правильное распределение нагрузки в статике и динамике даёт представление о постуральной и опорно-двигательной стабильности. Значительное число исследователей провели биомеханические исследования осанки с использованием педобарографической техники. Menezes и соавт. [9] опубликовали исследование распределения давления под стопами в вертикальном положении для пациентов с гемиплегией. Kaercher и соавт. [6] также изучали взаимосвязь между подошвенным давлением и тазовыми болями. Было проведено много исследований, касающихся диабета и подошвенного давления, например, в работе Ayumi и соавт. [2]. Эти исследования показывают, насколько сложным является распределение давления под стопами и как на него могут влиять различные факторы. Winiarski и соавт. [16] оценили реакции опоры при нормальной и патологической походке. Они учитывали различные этапы цикла походки. Это исследование показало возможность получения реакция опоры только с использованием двух цифровых камер и стабилоплатформы. Аналогичным образом в работе [11] авторы использовали стабилоплатформу для анализа различных параметров, в том числе реакции опоры для здоровых людей и пациентов после ишемического инсульта. Стабилоплатформа может также использоваться для изучения ходьбы по лестнице [15]. При надлежащем измерении реакции опоры и таких параметров, как моменты инерции сегментов тела, геометрия и топология мышц, можно с хорошим приближением рассчитать силы и крутящие моменты в скелетно-мышечной системе при совершении динамических движений Пример метода описан в статье [1]. Зная силы и крутящие моменты, можно рассчитать нагрузку на суставы и долговечность эндопротезов (например, тазобедренных эндопротезов) [4]. Одним из очень важных направлений использования стабилоплатформ является обеспечение точных измерений реакции опоры для математических моделей опорно-двигательного аппарата (как в работе [7]), где для моделирования динамики системы должны быть известны граничные и начальные условия. Влиянию типа нагрузки и её веса на давление и, следовательно, на сам объект было посвящено множество исследований. В работе Wontae и соавт. [17] исследовано сравнение давления ступней в положении стоя и при походке с различными видами переноса сумок. Результаты показали разницу в планарном давлении левой и правой стоп при ассиметричной нагрузке в положении стоя. Однако во время походки такой разницы не наблюдалось. Также в работе [17] исследователи провели эксперименты по сравнению давления под ногами для статического случая и походки на основе различных типов сумок и грузов. Исследование показало, что ношение рюкзака на обоих плечах не выявило существенных различий между обеими ногами. Однако при ношении сумки от 5% массы тела на одном плече наблюдался дисбаланс давления, уравновешенный одной из двух ног. Во время походки никакой разницы не выявлено. Если сумка весит более 5% от массы тела, то с одной стороны могут быть нарушения опорно-двигательного аппарата, вызванные компенсацией мышц тела с другой стороны. В статье [16] показана эволюция походки у 8-9-летних детей в зависимости от типа переноски рюкзака (в руке, на обоих плечах в высоком положении, на обоих плечах в нижнем положении). Исследование показало, что при ношении школьной сумки весом 17% от веса человека походка изменяется независимо от пола человека. Ношение сумки в одной руке замедляет ходьбу и увеличивает силу реакции опоры. Ношение рюкзака на плечах в высоком или низком положении мало влияет на изменение величины реакции. Австралийский журнал фундаментальных и прикладных наук опубликовал в 2011 г. [13] статью исследовательской группы, которая провела исследование 26 добровольцев. Было установлено, что ношение рюкзака на спине вместе с рюкзаком на груди гораздо полезнее, чем ношение рюкзака только сзади. Действительно, не было замечено заметной разницы между походкой без рюкзака и походкой с обоими рюкзаками. При одинаковой нагрузке на спину и переднюю часть положение центра тяжести во время ходьбы не изменяется. При переносе рюкзака только на спине центр тяжести резко сдвигается вперед, в результате чего значительные усилия действуют на лодыжки и колени. Исследования показали, что ношение рюкзаков в течение учебного дня и вес рюкзаков независимо связаны с возникновением боли в спине у подростков [14]. Согласно другому исследованию [3], средний вес рюкзака составляет примерно 8,5 ± 5% на протяжении всего периода обучения ребенка в школе, начиная от 6% в детском саду до 12% для учащихся 5 класса. Однако масса рюкзака может превышать 15% или 20% массы тела [8], но в некоторых странах она может достигать 30% массы человеческого тела у детей не реже одного раза в неделю, особенно в Италии, как отмечается в данном исследовании [10]. У взрослых при таком проценте массы обнаружено явление компенсации за счет активизации мышц живота и поясницы с увеличением более чем на 40% сжимающей силы поясничного уровня [5], которая несоразмерно возрастает, вызывая значительную нагрузку на диск между позвонками L5/S1. Были проведены многочисленные исследования о соотношении нагрузки, походки и давления, однако мало что было сделано для сравнения реакций опоры во время походки с различными значениями и типами приложения асимметричной нагрузки. Наиболее популярным случаем в других исследованиях является анализ походки при ношении рюкзака на обоих плечах [13, 16, 17]. В данном исследовании этот случай не рассматривается. Данная работа направлена на то, чтобы показать и проанализировать распределение сил под ногами, когда человек несет нагрузку асимметрично для различных значений нагрузки и для различных методов ее переноса. Материалы и методы Объекты исследования Девять здоровых студентов-мужчин вызвались добровольно принять участие в этом исследовании. Эксперимент был организован в соответствии с Хельсинкским регламентом. Все участники были подробно проинформированы о цели, объеме и порядке проведения эксперимента и подписали письменное согласие. Все добровольцы были здоровы, без нервно-мышечно-скелетных расстройств. Возраст составил 23,5 ± 2,5 года, рост 181,1 ± 6,5 см, вес 78 ± 18,5 кг и индекс массы тела 23,7 ± 4,2 кг/м2. Во время экспериментальных исследований объекты ходили босиком. Методология Были рассмотрены четыре различных вида переноса ассиметричной нагрузки, которые наиболее распространены среди учащихся мужского и женского пола (в возрасте 19-29 лет): рюкзак на правом плече, перенос сумки через плечо, перенос сумки в одной руке, перенос сумки на плече, как показано на рис. 1. Влияние груза проверялось для четырех различных нагрузок в зависимости от процента массы тела (0, 5, 10 и 15%). Каждое измерение проводилось на педобарографической стабилоплатформе длиной 1,5 м с дополнительной пешеходной дорожкой длиной 6 м (система Footscan®, RSscan International, датчик 12288 в матрице 192 × 64, сканирование до 200 Гц). Стабилоплатформа находилась посередине. Каждый тест требовал, чтобы испытуемый шесть раз проходил по дорожке, которая располагалась таким образом, чтобы уменьшить влияние фаз начала и окончания ходьбы на результаты. На рис. 2 изображен измерительный стенд. Для измерения естественной походки при ассиметричной нагрузке каждому измерению предшествовала пятиминутная ходьба по беговой дорожке (York Fitness T500 6010) со скоростью 4 км/ч. Вначале производилась видеозапись походки без груза. Затем участники провели тесты с переносом груза, составляющего 5% массы тела: сначала с рюкзаком на одном плече, затем с сумкой на плече, затем с сумкой через плечо и, наконец, с сумкой на плече. Во всех случаях груз был размещен с правой стороны. Такая же последовательность была проведена для грузов 10% и 15% массы тела. Всего было проведено 13 тестов для каждого добровольца. Все участники заявили о правой ноге как ведущей при ходьбе. a б в г Рис. 1. Четыре вида переноски груза: а - перенос рюкзака на одном плече; б - перенос сумки для ноутбука через плечо; в - перенос сумки для ноутбука в одной руке; г - перенос сумки для ноутбука на одном плече Рис. 2. Измерительный стенд Были получены средние значения реакций для каждого прохождения. На их основе были построены графики изменения реакции опоры от времени и произведены расчеты средних значений для данного случая. Пример распределения усилий под различными участками стопы представлен на рис. 3. Дальнейший анализ, проведенный в данном исследовании, основан на общем наблюдении графиков реакций и определении значений максимально приемлемого веса (точка F1), максимальной силы в средней фазе шага (точка F2) и максимальной силы в фазе отталкивания (точка F3) (рис. 4). Значения показателя F1 для всех пропусков в одном случае для одного добровольца были усреднены, и было рассчитано процентное соотношение к ненагруженному телу. Аналогичные расчеты были проведены для F2 и F3. Затем были рассчитаны средние глобальные значения F1, F2 и F3 для всех добровольцев. Позднее эти значения были сопоставлены между различными случаями. Рис. 3. Изменение величины реакции опоры с заданным влиянием каждой части стопы Рис. 4. Схема изменения реакции опоры Результаты и обсуждение В табл. 1-3 представлено процентное соотношение каждого случая к незагруженному случаю для максимального принятия веса (F1) (см. табл. 1), максимальной силы в среднем положении (F2) (см. табл. 2) и максимальной силы в отжимании (F3) (см. табл. 3). Таблица 1 Процентное соотношение для величины F1 F1 5% стопа рюкзак на одном плече сумка в руке сумка на плече сумка через плечо левая 3,70 ± 4,61 5,37 ± 5,23 4,29 ± 8,34 5,79 ± 9,21 правая 2,24 ± 5,41 6,43 ± 6,43 4,20 ± 10,08 5,29 ± 11,88 обе 2,97 ± 5,08 5,90 ±0,53 4,24 ± 9,26 5,54 ± 10,63 10% стопа рюкзак на одном плече сумка в руке сумка на плече сумка через плечо левая 7,08 ± 9,46 8,14 ± 6,05 5,69 ± 7,62 6,04 ± 7,23 правая 9,49 ± 9,76 9,21 ± 18,59 8,10 ± 11,29 7,87 ± 6,63 обе 8,8 ± 9,69 8,68 ± 13,83 6,90 ± 9,71 6,95 ± 6,99 15% стопа рюкзак на одном плече сумка в руке сумка на плече сумка через плечо левая 11,19 ± 8,21 15,77 ± 4,56 10,44 ± 10,48 12,58 ± 10,35 правая 10,82 ± 9,67 16,56 ± 12,79 12,53 ± 10,17 11,34 ± 9,04 обе 11,00 ± 8,97 16,16 ± 9,61 11,48 ± 10,38 11,96 ± 9,74 Таблица 2 Процентное соотношение для величины F2 F2 5% стопа рюкзак на одном плече сумка в руке сумка на плече сумка через плечо левая 4,85 ± 7,09 2,53 ± 5,26 6,85 ± 9,61 6,55 ± 12,41 правая 3,54 ± 4,38 4,34 ± 6,13 5,80 ± 10,21 3,63 ± 7,57 обе 4,20 ± 5,93 3,44 ± 5,78 6,32 ± 9,93 5,09 ± 10,38 10% стопа рюкзак на одном плече сумка в руке сумка на плече сумка через плечо левая 11,86 ± 13,04 11,87 ± 8,94 14,16 ± 9,35 13,65 ± 7,20 правая 12,92 ± 7,76 12,13 ± 14,92 14,35 ± 10,28 12,70 ± 9,94 обе 12,39 ± 10,74 12,00 ± 12,30 14,25 ± 9,83 13,17 ± 8,69 15% стопа рюкзак на одном плече сумка в руке сумка на плече сумка через плечо левая 19,86 ± 11,19 18,01 ± 13,34 22,49 ± 11,89 21,00 ± 12,65 правая 15,70 ± 5,96 19,59 ± 6,11 21,24 ± 13,16 18,62 ± 12,19 обе 17,78 ± 9,20 18,80 ± 10,40 21,86 ± 12,56 19,81 ± 12,48 Как показано в табл. 1-3, даже для 5% массы тела существует разница в реакционных силах. Таблица 3 Процентное соотношение для величины F3 F3 5% стопа рюкзак на одном плече сумка в руке сумка на плече сумка через плечо левая 6,89 ± 5,22 7,18 ± 4,78 8,88 ± 9,82 8,53 ± 10,46 правая 2,74 ± 5,45 6,12 ± 6,33 6,01 ± 8,01 5,00 ± 9,07 обе 4,81 ± 5,73 6,65 ± 5,63 7,45 ± 9,07 6,77 ± 9,95 10% стопа рюкзак на одном плече сумка в руке сумка на плече сумка через плечо левая 10,76 ± 8,89 10,35 ± 7,76 9,89 ± 7,87 11,25 ± 5,00 правая 11,74 ± 7,62 7,54 ± 14,46 11,44 ± 7,20 10,26 ± 6,77 обе 11,25 ± 8,29 8,94 ± 11,69 10,67 ± 7,58 10,75 ± 5,97 15% стопа рюкзак на одном плече сумка в руке сумка на плече сумка через плечо левая 16,87 ± 8,34 13,96 ± 7,42 14,30 ± 11,27 17,77 ± 10,41 правая 13,40 ± 6,80 12,47 ± 10,04 15,69 ± 7,57 13,89 ± 8,46 обе 15,14 ± 7,81 13,21 ± 8,86 14,99 ± 9,63 15,83 ± 9,68 Тем не менее в большинстве случаев не наблюдается существенной разницы между нагрузкой с левой или правой стороны во время походки. Аналогичный вывод сделан и в работе Wontae и соавт. [17]. Этот вывод получился неожиданным, поскольку нагрузка была добавлена только с правой стороны, что наводит на мысль о том, что реакция опоры для этой стороны будет увеличиваться. Однако такого поведения не наблюдалось. Это означает, что даже для 5% нагрузки от массы тела происходит компенсация асимметричной нагрузки, и человек компенсирует приложенную нагрузку, перемещая верхнюю часть тела влево. Такое поведение изгибает позвоночник и сильно влияет на осанку ходячего человека, что в дальнейшем может привести к неправильной осанке. При длительном действии асимметричной нагрузки существует риск необратимого изменения формы позвоночника и влияния на мышечную активность. В отличие от Safikhani и соавт. [13], можно наблюдать разницу между реакцией опоры при F1, F2, F3. Наблюдается общая тенденция к увеличению значений соотношения каждого типа переноски груза с увеличением веса. Наибольшая разница наблюдается в фазе F2 для средней части тела, а наименьшая - в фазе F1 для максимальной приемлемости веса (рис. 5). Заключение В данном исследовании рассмотрены наиболее важные аспекты асимметричной нагрузки при походке. Основной вывод заключается в том, что при внешней нагрузке 5% массы тела уже наблюдается противовес. В большинстве случаев уже при 5% нагрузки наблюдалось заметное изменение значений реакции опоры. Практически невозможно найти другие модели поведения, которые подходили бы всем, поскольку не может быть найдено двух идентичных по позе людей. Поэтому в данном исследовании выбор метода усреднения был сделан в пользу усреднения. 0% 5% массы тела 15% массы тела 10% массы тела Время, мс Рис. 5. Визуализация изменения величин F2 и F3 с увеличением нагрузки для переноса сумки через плечо Для получения более качественных данных можно использовать визуальную систему. Перекодировка участников во время походки с корреляцией с движением позвоночника и ствола и кинематикой нижних конечностей позволила бы получить более широкий спектр результатов. В данной методологии только поле ±1,5 стандартного отклонения является фактором отбора, который может быть улучшен для дальнейшего анализа.

About the authors

I. Talar

K. Hasiński

P. -A Semmad

B. Zagrodny

References

Statistics

Views

Abstract - 68

PDF (Russian) - 47

Refbacks

• There are currently no refbacks.