Разработка методов измерения давления под стопой началась относительно недавно. Для создания приборов, измеряющих давление, использовались самые различные принципы: механический, метод преломления света, тензометрический, ёмкостной и т.д. Практически ни один из принципов не устарел и все они продолжают применяться в настоящее время с большим или меньшим успехом. В 1934 году Elftman создал систему в виде резинового мата, усеянного множеством выступающих конусов. Мат находился на стеклянной плите, под которой была установлена кинокамера. При наступании на мат ногой происходит расплющивание конусов. Степень их деформации свидетельствует о величине приложенного давления. Процесс деформации резинового мата фиксируется на кинопленку.
Рис. 1. Наступание ногой на стеклянную пластину, вид снизу.
В 1947 году Harris, Beath предложили использовать резиновый мат специальной конструкции, который окрашивается краской и укладывается на бумагу. При наступании на мат ногой получается отпечаток, позволяющий определить три степени давления под стопой: 1) нормальное, 2) повышенное и 3) пониженное. Я.С. Якобсон и др. (1958) совершенствовали подобные системы, увеличив мат до размеров дорожки, которую тарируют набором грузов. Для количественной оценки давления авторами была предложена специальная линейка. Aritоmi с соавторами (1983) изготовили мат, состоящий из нескольких пластин, содержащих промежуточные слои, в которых находятся микрокапсулы с краской. Пластина, расположенная в самом низу мата, поглощает краску. Интенсивность окрашивания пластины зависит от величины с которой стопа давит на опору. В 1959 году Я.С. Якобсон с группой соавторов разработали электродинамографическую стельку, состоящую из нескольких тензометрических датчиков. Стелька помещалась в обувь. Методика позволяет избирательно определять нагрузку на передний и задний отделы стопы, наружный и внутренний края пятки, головки плюсневых костей и большой палец. В.С. Шаргородский (1972) определял давление под стопой с помощью магнитофрикционных датчиков, исполненных в виде ферритового кольца. Scranton, McMaster (1976) предложили изучать давление под стопой с помощью устройств, работающих на жидких кристаллах, которые изменяют активность окраски в зависимости от приложенного к ним давления. Кристаллы наносятся на прозрачную пластину, под которой расположена кинокамера. Arcan, Brull (1976) для анализа состояния подошвенной поверхности стопы использовали метод интерференции света. Leduc, Lievens (1978) применили метод дважды поляризованного светового луча. Эта техника позволяет определить участки стопы с разной величиной давления. В 1976 году Nicol разработал измерительную систему, основой которой были датчики, действующие на ёмкостном принципе. В 1976 году Henning, Nicol запатентовали конструкцию мата для измерения давления, сделанного из большого количества конденсаторов. В 1982 году Henning предложил измерительное устройство, работающее на пьезоэлектрическом принципе и вместе с соавторами описал действие измерительного комплекса, состоящего из стельки, работающей на пьезоэлектрических датчиках и электронного блока для обработки информации. В 1982 году Cavanagh, Henning сообщили об измерительной платформе, имеющей жесткую конструкцию, в которой было заключено 1000 пьезокерамических элементов и в 1983 году описали работу этой платформы. В 1985 году идея Henning, Nicol получила техническое воплощение в педографической системе EMED. В состав системы входят сенсорная платформа и электронный блок. Сенсорная платформа составлена из конденсаторов, изменяющих свою ёмкость в зависимости от расстояния между ними. Под давлением ёмкость конденсаторов изменяется и трансформируется в электронные сигналы. Они калибруются и превращаются в видеосигналы, которые появляются на мониторе в виде цветного изображения опорной поверхности стопы. Участки с разным уровнем давления окрашены на экране в разный цвет. Плотность размещения датчиков такова, что на 2 см2 приходится 2 сенсора. Стопа взрослого человека покрывает более 100 датчиков. Это дает достаточный объем информации, чтобы судить о состоянии подошвенной поверхности стопы, используя стандартные анатомические понятия, как область пятки, плюснефаланговых суставов, большого пальца и т.д. Информация, поступающая с датчиков во время переката опрашивается с частотой 50 мсек. Динамика переката оценивается по серии из 15-18 изображений отпечатков разных отделов стопы, которая сопровождается информацией о силе, максимальном давлении и площади опоры в данный момент переката. Компания Novel из ФРГ наладила производство педографов EMED, измерительных стелек и матов, которые нашли применение в клинических исследованиях.
В исследовании распределения нагрузки под стопой с помощью педографа существует своя специфика. Обычно больного просят ходить в привычном темпе по дорожке, длиной не менее 5 метров и наступить одной ногой на платформу. Платформа педографа, на которую больной наступает, расположена ближе к концу дорожки. Желательно, чтобы наступание ногой на платформу происходило максимально естественно. Если величина максимального давления под стопой на протяжении нескольких проходов остается постоянной, то эти данные заносятся в память. Величина максимального давления в наибольшей степени зависит от скорости движения, в то время, как величина реакции опоры оказывается практически независимой от скорости ходьбы. По всей стопе величина стандартного отклонения по данным из трех проходов составляет для площади опоры 2%, для максимального давления 11%, и для реакции опоры 3%. Величина стандартного отклонения для разных отделов стопы оказывается значительно больше.
Рис. 2. Отпечаток левой и правой стоп с линией ОЦМ, вписанных в контур обуви. Самое большое давление имеет красный цвет, меньшее давление — зеленый, самое маленькое давление дает синий цвет.
Наиболее простой способ изучения давления под стопой состоит в визуальном анализе информации, получаемой с педографа. Эта информация включает в себя несколько составных частей. Наиболее важной частью является форма отпечатка опорной поверхности стопы. На отпечатке различными цветами изображено распределение максимального давления, которое оказывается на каждую нагружаемый сенсор за весь период переката. Цвет изменяется в зависимости от величины максимального давления, приложенного к данному участку. Существует 7 градаций давления, каждому из которых соответствует свой цвет. Кроме изображения отпечатка стопы прибор определяет площадь опоры стопы, вертикальную составляющую реакции опоры, которая представляет собой основную силу, действующую на стопу. Подошвенная поверхность стопы нагружается неравномерно. Между участками стопы, которые нагружены по разному, существуют перепады давления. Конфигурация перепадов позволяет судить о функциональных возможностях стопы. Подсчитывается величина максимального давления и указывается локализация самого высокого давления на отпечатке. Сравниваются параметры стопы стоя и в ходьбе, динамика всех параметров во время переката стопы по опоре.
Сила — это величина вертикальной составляющей реакции опоры, приложенной к измерительной платформе за весь период переката, измеряемая в ньютонах.
Площадь опоры — это произведение числа сенсоров, которые испытывают нагрузку в процессе переката на площадь одного сенсора, измеряемая в см2.
Среднее удельное давление, или отношение суммарной силы, действующей на платформу во время переката к величине суммарно нагружаемой площади. Измеряется в Н/см2.
Максимальное давление, или наибольшая величина суммарного давления, оказываемого на один сенсор, измеряемая в Н/см2.
По отпечатку стопы проходят 2 линии. 1) Траектория ОЦМ по стопе, которая во время переката идет по стопе сзади наперед и оканчивается в области большого пальца. 2) Траектория максимального давления, которая соединяет точки наибольшего давления в данный момент времени. Она не является копией траектории ОЦМ в связи с тем, что на стопе имеются участки разной плотности, под которыми давление может быть относительно выше, в направлении которых смещается линия давления.
Рис. 3. Отпечаток опорной поверхности стопы. Большая нагрузка на передний отдел, малая опора на задний отдел. Контакт стопы с опорой начинается со среднего отдела. Траектория максимального давления находится в среднем отделе стопы.
Для точной диагностики состояния стопы исследования на педографе дополняют исследованием на многокомпонентных тензометрических платформах, которые позволяют определить компоненты реакции опоры одновременно двух ног в ходьбе. Две платформы фирмы Kistler встроены в пол или в подографическую дорожку т.о., что поверхность платформ является частью дорожки. С помощью платформы можно получать данные о величине вертикальной, продольной и поперечной составляющих реакции опоры. Две скомутированные платформы позволяют исследовать двойной шаг. Вертикальная составляющая реакции опоры выражается в виде суммарной нагрузки на ногу. Нагрузка на обе ноги за время двойного шага считается за 100%. В зависимости от изменения ходьбы доля нагрузки на одну и на другую ногу может быть либо одинаковой, либо разной, но в сумме они составляют 100%.
Рис. 4. Расположение силовых платформ в для исследования ходьбы
Мицкевич В.А. травматолог-ортопед, докт. мед. наук
