Биомеханика стопы человека реферат

Обновлено: 02.07.2024

Клиническая биомеханика является составной частью медицинских наук: ортопедии, травматологии, протезирования, реабилитологии, лечебной физкультуры, педиатрии, физиологии и многих других. Клиническая биомеханика - научное направление, в котором с позиций механики и общей теории управления с помощью специализированных методов исследования изучается двигательная активность человека в норме и патологии.

Клиническая биомеханика является одним из разделов медицинской биомеханики. Еще в 1929 г. Н.А Бернштейн в статье «Клинические пути современной биомеханики - наметили основные задачи и перспективы биомеханических исследований, в клиники показав их значимость для понимания вопросов патогенеза различных нарушений опорно-двигательного аппарата. В этом случае биомеханика остается в рамках научных исследований, которые без сомнения, вносят значительный вклад в развитие ортопедических знаний.

С целью анализа динамики стоп произведем анализ анатомических частей стопы с биомеханической точки зрения.

Стопа состоит из трех частей: предплюсна, плюсна и пальцев (рис.2).

Предплюсна, состоящая из семи костей, представляет заднюю часть стопы. В состав входят: таранная кость, пяточная кость, ладьевидная кость, три клиновидные кости, кубовидная кость.

Плюсна состоит из пяти изогнутых трубчатых костей – предплюсневых костей.

Пальцевая часть состоит их фаланг по 2 на большой палец и 3 на остальные.

Рис.2. Отделы стопы

Выделяют следующие функции стопы:

2.Аккомадационная (приспособление к неровной поверхности);

3.Рессорная (компенсация механической нагрузки);

Биомеханика стопы всегда рассматривается с точки зрения ее опорной и рессорной функции. Стопа состоит из большого количества костей, которые образуют два свода: продольный и поперечный. Продольный свод стопы стягивается сухожилиями и мышцами, которые приподнимают внутреннюю сторону стопы. Продольная дуга имеет наружный и внутренний своды, а также срединную "грузовую" пластину. Срединная "грузовая" пластина включает пяточную, кубовидную. II и III клиновидные кости с соответствующими плюсневыми костями, которые обеспечивают основную рессорную функцию стопы и уменьшают сотрясение тела во время движения. Это придает походке уверенность и мягкость [35].

Поперечный свод стопы выполняет преимущественно опорную функцию, что в сочетании с функцией продольного свода стопы обусловливает полноценность работы всей стопы. Поперечная дуга проходит через клиновидные, кубовидную кости и головки плюсневых костей с вершиной на II и III плюсневых костях. Поперечное плоскостопие возникает тогда, когда стопа опирается на головки всех плюсневых костей, а не на первую и пятую, как в норме. При этом нарушается нормальное распределение давления массы человеческого тела на стопу, в результате возникают ее различные деформации. Стопа функционирует нормально как единый анатомо - физиологический комплекс тогда, когда нагрузка, действующая на нее, полностью уравновешивается крепкими связками и мышцами. Деформации чаще всего появляются вследствие ослабления, переутомления или перегрузки мышц и связок стопы и голени, которые обусловливают нормальный свод стопы. При деформации свода стопы постепенно утрачивается рессорная функция и амортизационная роль свода, и внутренние органы подвергаются резким толчкам при различных движениях. Снижению продольного или поперечного сводов стопы предшествуют изменения со стороны связочно - мышечного аппарата стопы, обусловленных функциональной недостаточностью. В организме происходят изменения, в результате которых рессорную функцию стопы начинает выполнять позвоночник, что приводит к изменению его формы [36]

Функциональная биомеханика стопы и голеностопного сустава очень важны именно в нагруженном положении или в закрытой кинетической цепи.

Эти три движения происходят из горизонтальной, сагиттальной и фронтальной плоскости.

Так как оси движения трехплоскостных суставов наклонены, пересекая все три оси тела (сагиттальную, фронтальную и горизонтальную), то движение отведения, тыльного сгибания и эверсии происходят одновременно (фото 2, Р).

Супинация - это трехплоскостное движение, включающее приведение, подошвенное сгибание и инверсия (фото 2, S).

Супинация и пронация, описанные выше, происходят в открытой кинетической цепи.

Root и др. описывают это движение в открытой кинетической цепи, наблюдая за пяточной костью в НЕнагруженном положении.

60% цикла шага - это нагрузка на ногу и описывается как "период опоры".

Супинация и пронация происходят в определенных точках опоры, чтобы помочь движению, стабилизировать суставы и снизить нагрузку на стопу и нижнюю конечность.

Root и др. идентифицировали 5 трехплоскостных суставов, которые позволяют происходить пронации и супинации.

Трепхплоскостные суставы включают в себя голеностопный, подтаранный, поперечный,
первый луч (клиновидно-плюсневый сустав), пятый луч (пятый предплюсне-плюсневый сустав).

Пронация происходит в фазу опоры шагового цикла для амортизации удара во время ходьбы, сохранения равновесия, при изменениях рельефа местности.

С момента касания пяткой до момента касания большим пальцем на стопу и нижнюю конечность воздействуют 4 основные силы, требующие смягчения.

При касании пятки 80% веса тела приходится на пяточную кость, образуется вертикальная к земле сила. Кость – это специальная соединительная ткань, предназначенная для снижения силы компрессии. Расположение большеберцовой, таранной и пяточной кости в момент касания пятки играет важную роль в безопасном распределении вертикальной компрессии.

Распределение компрессии весовой нагрузки с момента касания пяткой до касания большим пальцем происходит между пяточной и плюсневыми костями. Кости плюсны и предплюсны находятся под взаимным давлением подобно арке каменной кладки.

Средняя часть стопы во время фазы опоры не несет на себе веса. Есть также передняя поперечная сила сдвига большеберцовой и таранной кости. Она смягчается в большей степени икроножной/камбаловидной мышечными группами. Mann описывает медиальный сдвиг в стопе как следствие внутренней ротации нижней конечности.

Подтаранный сустав, состоящий из таранной и пяточной костей, отвечает на внутреннюю ротацию и медиальный сдвиг латеральным смещением или вальгусом пяточной кости.

Таранная кость двигается в медальном направлении (подошвенная поверхность совершает флексию и приведение), чтобы полностью совпадать с медиальной суставной фасеткой пяточной кости. Эта медиальная суставная поверхность сформирована медиальным отростком пяточной кости, называемым опорой таранной кости.

Поэтому когда задняя часть пяточной кости идет латерально, медиальный отросток пяточной кости уходит в латеральном направлении вместе с таранной костью (фото 3). Данная ротация таранной и пяточной костей была описана как преобразователь крутящего момента нижней конечности.

Фото 3. Пронация в закрытой кинетической цепи.

А. Подтаранный сустав и талокруральный сустав (голеностопный сустав). Вид спереди
В. Подтаранный сустав и талокруральный сустав (голеностопный сустав). Вид сзади

1. Пяточно/кубовидная артикуляция
2. Таранно-ладьевидная артикуляция
3. Опора таранной кости
4. Пяточная кость
5. Таранная кость
6. Большеберцовая кость
7. Малоберцовая кость

Передвижение – последовательность ротаций, начинающихся в поясничном отделе позвоночника, которые перемещают тело в пространстве. Ротации большой и малой берцовых костей в горизонтальной плоскости передаются и уменьшаются в подтаранном суставе. В фазу опоры шагового цикла ротация стопы не происходит.

Большеберцовая кость вращается внутрь во время касания пяткой, таранная кость следует за ней, что приводит к пронации подтаранного сустава или вальгусу (эверсии) пятки (фото 3).

Ротации нижней конечности в горизонтальной плоскости преобразуются в трехплоскостные движения пронации и супинации.

Поперечный сустав предплюсны, состоящий из таранно-ладьевидного и пяточно-кубовидного суставов, становится мобильным при пронации подтаранного сустава.

Подводя итог вышесказанному, можно сказать, что на стопу и нижнюю конечность от момента удара пяткой до касания носком действует множество сил, из которых мы рассмотрели компрессию, ротацию, передний и медиальный сдвиги. Нормальная пронация играет важную роль в смягчении этих сил. Эта пассивная активность в закрытой кинетической цепи возникает вследствие внутренней ротации нижней конечности и силы медиального сдвига. Пронация инициируется в момент касания пятки и контролируется эксцентрическим сокращением супинаторов. С момента касания пяткой до момента касания носком активными являются следующие 3 мышцы: передняя большеберцовая, длинный разгибатель пальцев, длинный разгибатель большого пальца.

Супинация происходит в конце фазы опоры шагового цикла.

Это позволяет наружным мышцам эффективно функционировать и создает надежный рычаг для отталкивания. Этот жесткий рычаг формируется за счет фиксации костей стопы и голеностопа.

Зафиксированная позиция плюсны и предплюсны способствует установлению блоковой системы мышц. Правильная работа некоторых наружных мышц зависит от костных рычагов. Например, длинная малоберцовая мышца во время толчка стабилизирует первый луч. Способность этой мышцы совершать данное движение зависит от кубовидного блока (кубовидная кость в качестве ролика).

Фото 4. Кубовидный блок (cuboid pulley).

А и F представляют векторы действия длинной малоберцовой мышцы.
А. Вектор отведения;
F. Вектор подошвенного сокращения;
P. Сухожилие длинной малоберцовой мышцы;

1. Кубовидная кость;
2. Клиновидный кости;
3. Таранная кость;
4. Малоберцовая кость;
5. Большеберцовая кость.

Супинация стопы является результатом нескольких механизмов. Сначала в подфазу середины опоры (касание носком и толчок) активность наружных мышц инициализирует супинацию.

Исследования электромиографии показали, что в подфазу середины опоры увеличивается активность икроножной/камбаловидной мышц, задней большеберцовой, длинного сгибателя большого пальца и длинного сгибателя пальцев. Mann и Inman при помощи исследований электромиографии продемонстрировали важность глубоких мышц, участвующих в касании носком/отталкивании. Мышца, отводящая мизинец стопы; короткий сгибатель пальцев; короткий сгибатель большого пальца; короткая головка мышцы, отводящей большой палец; межкостные мышцы и короткий разгибатель пальцев важны для стабилизации плюсневого сустава во время последних 50% фазы опоры.

Второй фактор, влияющий на супинацию – это наружная ротация нижней конечности. Контралатеральная конечность, раскачиваясь вперед мимо опорной конечности, создает силу наружной ротации. Она обуславливает латеральную силу сдвига в стопе, приводящую к супинации. Подтаранный сустав инициирует супинацию инверсией пятки. Таранная кость перемещается в латеральную позицию (абдукция и дорсифлексия) через медиальный отросток пяточной кости. Плюсневый сустав в момент супинации подтаранного сустава блокируется. Механизм блокировки срабатывает тогда, когда кубовидная и ладьевидная кости оказываются перпендикулярными друг другу. Кости становятся прочными рычагами для более эффективной работы длинной малоберцовой и задней большеберцовой мышц. Таким образом, синергическое сокращение этих двух мышечных групп стабилизирует средний отдел стопы и первый луч (кубовидного блока). Стабилизация первого луча обеспечивает хорошее выравнивание первого плюснефалангового сустава и надежный рычаг для отталкивания.

Фото 5. Закрытая кинетическая цепь супинации
А. Вид подтаранного и голеностопного суставов спереди;
В. Вид сзади.

1. Пяточный/кубовидный сустав;
2. Таранный/ладьевидный суставы;
3. Опора таранной кости;
4. Пяточная кость;
5. Таранная кость;
6. Большеберцовая кость;
7. Малоберцовая кость.

Итак, супинация стопы зависит от комбинации статических и динамических механизмов. Активность глубоких и наружных мышц вместе с ротацией наружу и разгибанием плюснефалангового сустава создают супинацию.

Ходьба по ровной поверхности требует относительно малой работы всех групп мышц у здорового человека и происходит практически автоматически, без особого участия сознания. Группы мышц, выполняющие основную работу, включают:

1) подошвенные сгибатели стопы в момент отталкивания,

2) сгибатели бедра в момент отрыва от поверхности,

3) разгибатели бедра в ранней фазе опоры, когда бедро разгибается, чтобы переместить массу тела над опорной стопой, функционируя по принципу маятника (Olney, 2005).

К биомеханическим критериям ходьбы можно отнести:

– поддержание вертикального положения и равновесия в момент перемещения тела вперёд над ступнями;

– контроль за постановкой стоп с пятки;

– отработка ритма движений во взаимосвязи всех звеньев тела;

– координационная взаимосвязь звеньев тела при передвижении;

– гибкость формирования двигательного навыка ходьбы при применении в различных условиях и соответствие поставленным задачам (условия местности, характер грунта, препятствия и др.).

Анализ шагательных движений характеризуется попеременной активностью ног, чередованием отталкивания и переноса каждой ноги. Эти движения отличаются строгой слаженностью и соответствием строению тела. Как указывает Д.Д. Донской (1975), в шагательных движениях каждая нога поочерёдно бывает опорной и переносной. В опорном периоде имеются фазы амортизации и отталкивания, в переносной – период подъёма и торможения ноги.

Основа шагательных движений – фаза отталкивания – неразрывно связана с подготовкой к ней – с фазой амортизации. Вместе они составляют период опоры, когда нога имеет контакт с опорой и находится под действием веса и силы инерции тела (рис. 11).

Рис. 11. Биомеханика ходьбы

Фаза амортизации начинается с постановки ноги с пятки на опору. Амортизация заключается в торможении движения тела по направлению к опоре. Происходит уступающее движение, мышцы растягиваются, совершая отрицательную работу и уменьшая скорость движения тела. К концу амортизации вертикальная составляющая скорости тела падает до нуля, опускание вниз прекращается. Горизонтальная же составляющая скорости за это время уменьшается, но не до нуля, тело не останавливается, а продолжает движение вперёд. Фаза амортизации заканчивается в момент прекращения движения тела вниз.

Окончанием фазы амортизации условно считают наибольшее сгибание опорной ноги в коленном суставе. Амортизация выполняется не только движением в коленном суставе, но и имеет место растягивание мышц в голеностопном суставе (перекат с пятки на носок), оно заканчивается несколько позже амортизации в коленном суставе.

Фаза отталкивания начинается с разгибания опорной ноги в коленном суставе. К этому движению отталкивания несколько позже присоединяется подошвенное сгибание стопы в голеностопном суставе. Условность начала фазы отталкивания определяется движением разгибания бедра опорной ноги в тазобедренном суставе, которое может начинаться в момент опоры. Окончанием фазы отталкивания считают момент отрыва стопы от опоры.

После опорного периода ноги наступает период её переноса. Фаза подъёма ноги начинается с момента отрыва от опоры и заканчивается началом её движения вперёд (относительно таза). В это время происходит опора тела только на одной опорной ноге и длится она до опускания ноги на опору.

Фаза опускания ноги на опору начинается с момента крайнего положения бедра вперёд и кверху и заканчивается в момент постановки стопы на опору. В циклических перемещениях движениям ног соответствуют маховые движения рук, согласованные перекрёстной координацией движений всех четырёх конечностей. Так, соответственно выносу левой ноги вперёд определяется движение правой руки вперёд-книзу. Руки двигаются свободно и ритмично, создавая определённое балансирование и хорошие условия для сердечно-сосудистой и дыхательной систем.

В зависимости от способа шагательного перемещения и темпа шагов, осуществляются движения туловища и таза относительно всех трёх осей: наклоны вперёд и назад, в боковых направлениях, поворот вокруг вертикальной оси. Всё это происходит в большей или меньшей степени, в связи с движениями туловища и таза, которые динамически связаны с движением ног и рук.

Для увеличения скорости шагательных движений нужно увеличить их длину и частоту. Изменяя величину и длительность усилий, перестраивают ритм шагательных движений: изменяется длина, частота шагов и скорость передвижения. Изменение двигательной задачи и условий её выполнения требует качественной перестройки всей системы движений (Д.Д. Донской, 1975).

Указанные особенности биодинамической структуры движений необходимо учитывать в методике обучения шаговым движениям лиц, перенёсших инсульт и имеющих отклонения в опорно-двигательном аппарате и осваивающих ходьбу.

Постоянными сесамовидными костями являются две кости, находящиеся под головкой I плюсневой кости.

В стопе насчитывается 20 суставов, которые обладают 24 степенями свободы.

Голеностопный сустав образован за счет эпифизов костей голени и таранной кости. Он укрепляется с медиальной стороны дельтовидной связкой, которая состоит из 4 связок, а с латеральной стороны тремя связками.

Таранно-пяточный сустав образуется передними суставными поверхностями таранной и пяточной костей. Он укрепляется пятью связками.

Таранно-пяточно-ладьевидный сустав образуется передними суставными поверхностями таранной и пяточной костей, головкой таранной кости и суставной поверхностью ладьевидной кости. Сустав укреплен двумя связками.

Пяточно-кубовидный сустав образуется суставными поверхностями пяточной и кубовидной костей, укрепляется двумя связками.

Поперечный сустав предплюсны (сустав Шопара) представляет собой сочленение между пяточной и таранной и между ладьевидной и кубовидной костями, укрепляется одной связкой.

Клиноводно-кубовидно-ладьевидный сустав образуется соединением ладьевидной кости с первой, второй и третьей клиновидными костями, всех клиновидных костей между собой, а также соединением кубовидной, ладьевидной и третьей клиновидной костей. Он укреплен семью связками.

Плюсне-предплюсневые суставы. Сустав между I плюсневой и первой клиновидной, сустав между II и III плюсневыми костями и второй и третьей клиновидными костями, сустав между IV и V плюсневыми костями и кубовидной костью. Он укреплен клиновидно-плюсневыми связками.

Плюснефаланговые суставы в количестве пяти, в которых головка плюсневой кости соединяется с основанием основной фаланги соответствующего пальца.

Межфаланговые суставы в количестве девяти, образуются головками фаланг с основаниями дистально расположенных фаланг.


а)	б)
Рис. 2. Связки голеностопного сустава с медиальной (а) и латеральной (б) стороны

Огромная сложность и взаимосвязанность всех движений, которые имеют место в стопе, дают основание выделить в стопе ряд функциональных единиц, что облегчает анализ биомеханики конечности. Функциональная единица представляет собой элемент системы, которая выполняет сложные движения. В состав функциональной единицы могут входить одна или несколько костей и суставов с окружающими их мягкими тканями.

Для оценки функции стопы наиболее важными функциональными единицами являются периталарное сочленение и первый луч.

Периталарное сочленение – это суставы вокруг таранной кости. В его состав входят голеностопный, подтаранный и среднеплюсневый суставы. Каждый из суставов, входящих в периталарное сочленение выполняет свою функцию, которая обусловлена анатомическим строением.

Голеностопный сустав . В нем осуществляется сгибание и разгибание стопы, а также трансляция, то есть движение в сагиттальной плоскости вперед и назад.

Таранно-пяточный, или подтаранный сустав.

Среднеплюсневый сустав. Включает в себя еще два сустава: таранно-ладьевидный и пяточно-кубовидный. Суставы имеют две оси, которые позволяют осуществлять эверсию и инверсию переднего отдела стопы. Эти движения считаются относительно простыми.

В периталарном сочленении основными движениями являются сгибание, разгибание, эверсия, инверсия и трансляция. Иногда эверсия и инверсия объединяются единым термином ротация.

В связи с большой значимостью для переката стопы первый луч стопы выделяется в виде отдельной функциональной единицы. В состав первого луча входят I плюсневая и первая клиновидная кости. Подвижность первого луча определяется состоянием первого плюсне-клиновидного сустава.

Источник: Мицкевич В. А., Подиатрия / В. А. Мицкевич, А. О. Арсеньев. - Москва : Бином. Лаб. знаний, 2006 (Ульяновск : Ульяновский Дом печати). - 136 с.

Вестник подологии - интернет-портал для мастеров педикюра и мастеров подологов.

Основная задача платформы - информировать о тематических мероприятиях (выставках, конференциях, форумах), о новых методиках диагностики и обработки проблем ног.

Читайте также: