Введение
Понимание биомеханики важно при работе с ампутантами и людьми с протезами конечностей. Это особенно актуально для понимания того, как возникают нарушения походки и проблемы с давлением, и как они могут быть исправлены. Понимание биомеханики необходимо для протезистов, так как оно влияет на многие аспекты их работы во время реабилитации с протезами. Следующее представляет собой краткое введение в основы биомеханики для протезирования нижних конечностей, которое может помочь людям, не являющимся протезистами, лучше понять эту область.
Силы
Сила это любое взаимодействие, которое стремится изменить движение объекта[1]. Силы важны в протезных устройствах. Протезное устройство прикладывает силы к человеческому телу и может изменить способ взаимодействия сил с телом. Когда сила прикладывается к человеческому телу, это происходит по площади кожи. Это создает давление по следующему уравнению.
Давление равно силе, деленной на площадь (P=F/A)
Когда площадь, на которой распределена сила, увеличивается, давление снижается. Если кто-то наступит вам на ногу в каблуках-шпильках (туфли на высоком женском каблуке с тонким носом), то давление будет большим (и боль).
Тот же человек, стоящий на вашей ноге на каблуке большего размера, вызовет меньшее давление (и меньшую боль) из-за увеличения площади. То, что это тот же человек, означает, что сила в данном сценарии остается постоянной.
В приведенном ниже примере мы видим, что давление также уменьшается, демонстрируя эффект увеличения площади контакта под стопой.
Эта идея используется в конструкции протезного гнезда, чтобы попытаться распределить силу по достаточной площади, чтобы уменьшить давление до приемлемого уровня.
Нередко пациенты просят удалить неудобную часть протеза. Иногда, когда это делается, площадь, на которой распределена сила, уменьшается. Следовательно, по вышеуказанному уравнению P=F/A, давление увеличивается. Это может привести к усилению боли через некоторое время.
Центр масс
Общим биомеханическим принципом является понимание Центра масс[2], иногда называемого Центром тяжести. Это середина массы объекта, и на этот объект можно предположить, что действует сила тяжести из этой точки. Это также место, вокруг которого будут происходить вращения.
У ампутанта, поскольку часть массы удалена, центр массы человека изменяется.
Сила реакции опоры
Сила реакции опоры (GRF) возникает, когда происходит контакт с опорной поверхностью, она равна и противоположна силе, вызванной прохождением массы тела через стопу к поверхности земли[3].
Следует отметить, что ‘сила в результате массы тела’ включает импульс и ускорение массы тела, а также просто влияние на нее силы тяжести. Следовательно, она отличается и в то же время сходна с весовой линией.
Протезная регулировка изменяет походку, манипулируя положением нижней конечности и суставов протеза относительно сил реакции опоры (подробнее здесь).
GRF не используется клинически во многих местах из-за трудности его получения в реальном времени. Медики могут попытаться понять движения, которые они видят, понимая, какое влияние GRF может оказывать на человеческое тело и протез.
Моменты или крутящие моменты
Если Сила не действует непосредственно на COM объекта, она будет вращать объект. Если сила не действует через середину сустава с другим сегментом, она изменит угол сустава. В приведенном ниже примере стопа и нога должны рассматриваться как два сегмента, соединенные в тало-круральном суставе. По мере того, как GRF “толкает” стопу вверх, она будет склонна перемещать стопу в тыльное сгибание. Сила создает крутящий момент, который равен размеру силы, умноженной на длину плеча рычага (расстояние от линии действия силы до центра сустава)
В нормальном движении человека момент, создаваемый внешне приложенной силой реакции опоры, компенсируется (в основном) внутренне генерируемой мышечной силой, которая создает противоположный момент.
Это общее правило не всегда 100% верно, но полезно как приближение. В случае быстрого или сильного движения эти моменты не уравновешены. Также в случае полного выпрямления колена в стоячем положении натяжение тканей заднего комплекса колена обеспечивает уравновешивающий момент.
В этом примере момент тыльного сгибания, создаваемый передним GRF, уравновешивается подошвенными сгибателями за счет натяжения ахиллова сухожилия. У этой мышцы фиксированный рычаг.
У людей с ампутациями отсутствует прямой мышечный контроль над некоторыми суставами.
У людей с ампутациями недостающие части тела, поэтому в некоторых случаях мышечное действие не может выступать в роли противодействия GRF, так как мышца и сустав больше не присутствуют. Если GRF проходит перед лодыжкой у пациента с ампутацией ниже колена, то лодыжка становится достаточно жесткой, чтобы противостоять деформации в тыльное сгибание. (Это не относится к протезным стопам с электроприводом, таким как Propio foot от Ossur).
В случае человека с ампутацией бедра с свободным коленом (без механизма блокировки) GRF должна быть расположена перед коленом на период одиночной поддержки ноги. Это делается следующим образом с помощью статической регулировки, используя более узнаваемые линию Trochanter Hip и Ankle (TKA).
В этом сценарии человек с ампутацией продолжает иметь косвенный контроль над коленом через способность выпрямлять тазобедренный сустав. Когда возникают нежелательные биомеханические ситуации, протезист может иметь возможность изменить биомеханическую ситуацию, фиксируя сустав для движения или манипулируя и перемещая GRF в более выгодное положение.
Осевая нагрузка протеза
Силы тела обычно передаются от скелетной системы к земле через базу поддержки, которая включает структуры подошвенной поверхности стопы (пяточная кость, латеральный продольный свод, головки плюсневых костей и пальцы). У ампутанта нижней конечности эта структура может отсутствовать. Одна из основных задач протеза нижней конечности — обеспечивать средство для осевой нагрузки (иначе говоря, вертикальной передачи силы вдоль длинной оси тела). Другими словами, он должен поддерживать вес тела в положении стоя. Сила, создаваемая массой тела, давит вниз на протез. Сила проходит через протез и далее в землю. Протез должен быть достаточно прочным, чтобы противостоять этому весу. Протезные компоненты от производителей рассчитаны на различную допустимую нагрузку, и индивидуальные части должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать вес, и могут быть изготовлены по рекомендациям или по усмотрению протезиста.
Осевая нагрузка достигается за счет предоставления достаточной противодействующей силы для сопротивления действию силы тяжести. Эта сила должна распределяться по участкам, терпимым к давлению. Хорошее понимание этого необходимо для проектирования гнезда протеза.
Когда мы думаем о силе в протезе, гнездо протеза обеспечивает среду для передачи усилий:
- от земли к человеку
И - от человека к земле.
Протезист нагружает кожу давлением для передачи сил от протеза к скелетной системе ампутанта. Если область идеально подходит для осевой загрузки, через нее может передаваться большое количество силы. Обычно силы направлены параллельно коже, что уменьшает количество сдвиговых сил. Грузоподдерживающие силы протеза на культю всегда параллельны реакции опоры на землю.
Изменение угол наклона (в незначительный сгиб) конечности может повлиять на доступную площадь для вертикальной передачи силы. Зеленая область под гнездами в изображении ниже показывает доступную площадь для вертикальной передачи силы.
Чем больше сгиба добавлено, тем больше доступная площадь для вертикальной передачи силы.
Добавление большего сгиба в гнездо может иметь долгосрочные последствия для диапазона движений в суставе и должно быть тщательно рассмотрено как решение трудностей с осевой нагрузкой.
Соединение протеза
Соединение между гнездом протеза и остаточной конечностью ампутированного не является полностью жестким. Это соединение можно рассматривать как «похожее на сустав» между двумя сегментами тела.
На этом изображении мы видим, что реакция опоры на землю у человека с ампутацией не «давит» прямо вверх на протез. Скорее, она «давит» вверх более медиально. Это создает крутящий момент или момент вокруг соединения между гнездом и ампутантом. Мягкие ткани сжимаются вращением, что ведет к давлению внутри гнезда протеза. Давление, которое развивается в результате момента, показано красными стрелками ниже, проксимально медиально и дистально латерально.
Этот момент сопротивляется сжатием мягких тканей, другими словами, момент гнезда вызывает давление в определённых участках гнезда протеза предсказуемым образом. Проблемы с давлением гнезда следует всегда решать с участием протезиста, который понимает важность выравнивания. Переходить к изменению гнезда слишком быстро не всегда является хорошим решением в клинике. Изменение выравнивания обычно происходит быстро и легко обратимо с современными компонентами.
Резюме
На человеческое тело воздействуют силы в протезировании, что неизбежно ведет к давлению. Давление можно контролировать, увеличивая площадь, на которую оно приложено, и распределяя его продуманно по участкам, терпимым к давлению. Выравнивание протеза нижней конечности может предсказуемым образом повлиять на давление в гнезде. Изменения в протезе могут изменить текущую биомеханическую ситуацию, ограничивая диапазон движений или перемещая реакцию опоры на землю.
Протезист — главный специалист, отвечающий за управление протезом и его воздействие на организм человека. Присутствие протезиста в составе многопрофильной команды необходимо для успешной реабилитации с применением протезов. Использование знаний о биомеханике со стороны протезиста значительно расширяет возможности оптимизации биомеханических условий для пользователя протеза.
Ресурсы
Биомеханика протезов нижних конечностей
Протезы нижних конечностей: кинезиология и биомеханика
Нормальная человеческая ходьба, Часть 2: Движение, Силы реакции опоры и мышечная активность
WestMARC Руководство по коленям для многопрофильной команды протезиста
Учебники
- Левин Д., Ричардс Дж. и Уиттл М.В. Уиттл, Анализ походки. 5-е издание Churchill Livingstone 2012
- Киртли Дж. Клинический анализ походки: теория и практика. Churchill Livingstone 2006
Ссылки
- ↑ Сила. Википедия. Доступно на http://en.wikipedia.org/wiki/Force на 8 марта 2015
- ↑ Центр массы человека. Физический справочник. http://hypertextbook.com/facts/2006/centerofmass.shtml доступно на 8 марта 2015
- ↑ Сила реакции опоры. Бесплатный словарь http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/ground+reaction+force доступно на 8 марта 2015