Специализирано списание за хирургия и медицина: Хирургия Ортопедия Биомеханика на стъпалото

Биомеханика на стъпалото

Печат

Биомеханика на стъпалото - трите механизма (гредови, мрежовиден, мускулен) на стъпалото, които носят тежестта на човешкото тяло върху земята.Човешкото стъпало има две основни функции: поддържане и пренасяне на телесното тегло върху земята, както и придвижване на човека. Стъпалото има свойства, наподобяващи пружина, благодарение на които се разтяга при ходене и стъпване и поема силите на удар (импакт). При отблъскване „натрупаните“ сили се освобождават отново, като по този начин се намалява разходът на енергия при ходене.

 

Различните автори оценяват по различен начин функциите на различните костни, лигаментни и мускулни съставни части на стъпалото. Докато едни от тях говорят за надлъжен и напречен свод, разбирайки го като функционално цяло (Мур, 1985 г.; Холинсхед, 1981 г.), други виждат само един или два надлъжни свода, повече или по-малко независими един от друг (Хей, 1982 г.; Джанестрас, 1973 г.; Хелфет, 1980 г.). Стоукс (1979 г.) застъпва друга гледна точка, разглеждайки стъпалото като структура от греди и сводове. Вероятно най- доброто обяснение на структурата на стъпалото е това на Хикс (1954 г., 1961 г.), който говори за мрежовидна конструкция от три стави и крепежни гредички. Основната причина за тези различни гледни точки е частично неправилната употреба на механични и статични изрази, дефинирани сами по себе си. Геометричното подобие на дадена анатомична структура с друга механична съвсем не означава, че анатомичната структура ще се държи по същия начин. Правилното механично представяне на стъпалото е предпоставка за правилна функция.

Основни механични термини
Свод или дъга
Дъгата (или сводът) пренася чисто компресионните сили и при натоварване променя минимално своята форма. Максимални сили са налице в краищата, а в средата - минимални. Статично предопределена е само триставната дъга.

Крепежни елементи на триставното съчленение
Крепежните греди също пренасят сили само в едно измерение, но в две посоки (сили на опън и натиск). В точките на ставите няма хоризонтални сили (на приплъзване) от опъна, свързващ двете механично натоварени точки на ставата.

Носещи греди
Гредата пренася сили в няколко измерения и се огъва при пренасянето на силите. Моментът на огъване е най-голям в средата на гредата (в надлъжна посока), а в краищата е равен на нула. Напрежението на огъване в средата на гредата (в напречно сечение) е равно на нула (неутрални влакна), а по краищата то е максимално.

Анатомични разсъждения
Двата вектора на натоварване на стъпалото
Телесното тегло се пренася върху земята посредством два разделни вектора. Тези два вектора съответстват функционално на двата надлъжни свода на стъпалото.

Медиален надлъжен свод
Медиалният надлъжен свод се образува от костите Os calcaneus, Os talus, Os naviculare, трите Os cuneiformi и Os metatarsali I до III. Талусът е крайъгълният камък, тъй като той пренася телесното тегло към надлъжния свод. Този надлъжен свод е по-висок отколкото латералният надлъжен свод.

Латерален надлъжен свод
Латералният надлъжен свод се образува от костите Os calcaneus, Os cuboid и Os metatarsali IV и V. На отпечатъка на стъпалото този свод обикновено не се разпознава, тъй като меките тъкани, разположени плантарно спрямо този свод, са допрени до земята. Пренасянето на тежестта посредством тези меки тъкани е нищожно.

Напречен свод
Напречният свод се образува от костите Os cuboid, трите Os cuneiformi или петте Os metatarsali, в зависимост от това на каква височина се прави срез. При нормалното стъпало напречният свод е на земята само в латералната област.

Връзка между анатомията и механиката: Трите механизма на стъпалото, носещи тежестта
Хикс (1961 г.) дефинира трите механизма на стъпалото, носещи и пренасящи тежестта: (i) крепежната греда, (ii) мрежа и (iii) мускулите. И трите механизма са както от статичен, така и от динамичен вид. И трите механизма се използват при пренасяне на силите – както латералният, така и медиалният. От представянето на анатомичните и статичните основни понятия става ясно, че от механична гледна точка означението „свод“ или „дъга“ не съвпада с никой от т. нар. „сводове на стъпалото“. За да може да се говори за свод, двете крайни точки трябва да са свързани с пода, което не отговаря в никакъв случай на действителността. Ако стъпалото се освободи от някои меки тъкани с изключение на връзките, то все още може да пренася тежестта върху пода, без да изгубва своята цялостна форма, дори и при спадане на надлъжните сводове. Това ясно насочва към механизма на гредата. Отделните костни части на стъпалото се държат като огъната греда. За да действат като едно цяло, отделните кости трябва да са свързани здраво помежду си. Това се осъществява с помощта на плантарните връзки и плантарната апоневроза, които имат важна роля. Плантарната апоневроза е водещият механизъм на мрежовидната структура на стъпалото. Предимството му е, че може да променя формата си при опън. При стъпалото се случва именно това. В изправено положение плантарната апоневроза се натоварва минимално (приблизително 1% от телесното тегло; Салате, 1986 г.) и механизмът на гредите поема основното натоварване. При натиск в процеса на ходене в плантарната апоневроза могат да възникнат сили на опън до 50% от телесното тегло (Салате, 1986 г.), като по този начин тя поема по-голямата част от натоварването. Това различно натоварване е възможно благодарение механизма на Виндлас.
Плантарната апоневроза е структура с фиксирана дължина (независимо от нейната еластичност). Тя започва отзад в петната кост и достига напред до пръстите на всичките пет лъча. Когато пръстите се огъват дорзално (както става при отблъскване при ходене), плантарната апоневроза се увива около метатарзалните глави, и дължината й между тях и калканеуса се скъсява. Вследствие на това нараства напрежението в плантарната апоневроза и надлъжният свод се повдига. Позицията на центъра на тежестта на тялото задвижва механизма на Виндлас: Когато телесното тегло се премести напред, пръстите автоматично се прегъват дорзално. Третият механизъм на пренасяне на тежестта е мускулният. Мускулатурата подкрепя директно плантарната апоневроза (напр. късите мускули на стъпалото или флексорите) и също може да доведе до повдигане на надлъжния свод (напр. Peroneus longus).

Изводи
В статията са представени трите механизма (гредови, мрежовиден, мускулен) на стъпалото, които носят тежестта на човешкото тяло върху земята. Те не са независими един от друг; напротив – в нормалния случай те работят съвместно, като така позволяват придвижването с минимален разход на енергия. Когато някой от тях не е в състояние да носи определена тежест, той се подкрепя от другите два механизма. Освен това трите механизма взаимно се „заменят“, предимството на което е, че всички структури не са постоянно натоварени. Когато някой от механизмите е увреден, това води до претоварване на другите механизми (и спадащите към тях структури). В спокоен стоеж механизмът на гредите поема почти цялата тежест, като така се облекчава плантарната апоневроза (Салате, 1986 г.). Ако центърът на тежестта попадне в зона, в която не е необходима корекция, мускулната активност също става минимална (Кленерман, 1982 г.). При ходене мускулатурата и плантарната апоневроза имат важна роля, и механизмът на гредите загубва значението си, което означава, че се облекчават плантарните структури.
(От механична гледна точка) понятието „свод на стъпалото“ не е точен. Би имало твърде малко смисъл това означение да се заменя с понятие като „стъпална мрежа“. Все пак би трябвало да се говори за два надлъжни свода (медиален и латерален), тъй като те двата отговарят на медиалния и на латералния вектор от разпределението на силите. Друга смислена гледна точка е разделянето на стъпалото функционално на пет лъча (съответстващи на петте метатарзални с принадлежащите им кости на средното стъпало до петната кост). Дълго време се е смятало, че стъпалото представлява „триточкова опора“ (първата и петата метатарзална глава, и костта на петата). Това схващане отчасти все още се среща в учебниците, въпреки че е погрешно. Геометричната форма „свод“ (по-специално напречният свод) няма нищо общо с пренасянето на тежестта, тъй като не са изпълнени механичните предпоставки за свод. В по-новата (но и в по-старата) литература съществуват проучвания, които сочат, че натоварването на метатарзалните глави II и III е значително по-голямо при стоеж и ходене, отколкото натоварването на глави I и V (Каванах и сътр., 1987 г.; Пери, 1992 г.; Хениг и сътр., 1993 г.). Понятието „напречен свод“ е довело до някои обърквания. Стъпалото стои върху петте метатарзални главички и костта на петата. Метатарзалните кости II и III не само не плуват във въздуха (което би бил случаят при напречен свод), а носят основната част от тежестта в предния отдел на стъпалото, както при статично, така и при динамично натоварване. Това трябва да се взема предвид при функционалния анализ на структурите на стъпалото.

 

 

Автор:
Проф. д-р Михаел M. Морлок Ph.D.,
Отделение по биомеханика към
техническия университет в
Хамбург, Деникелщрасе 15,
21073 Хамбург


Литература:
1 Cavanagh P, Rogers M and Iiboshi A: Pressure
Distribution under Symptom-Free Feet during
Barefoot Standing. Foot & Ankle 1987; 7(5): 262-
276
2 Giannestras N: Foot Disorders. Lea & Febiger,
Philadelphia PA 1973
3 Hamilton J and Ziemer L: Functional Anatomy of
the Human Ankle and Foot. In: AAOS Symposium
on ,The Foot and Ankle‘. Editor: Johnson K, C. V.
Mosby Company, St. Louis MS 1983, 1-14
4 Hay J and Reid J: The Anatomical and Mechanical
Bases of Human Motion. Prentice Hall Inc.,
Englewood Cliffs NJ 1982
5 Helfet A and Gruebel-Lee D: Disorders of the Foot.
J. B. Lippincott Company, Philadelphia PA 1980
6 Hennig E und Milani Th: Die Dreipunktunterstьtzung
des FuЯes: Eine Druckverteilungsanalyse bei
statischer und dynamischer Belastung. Zeitschrift
fьr Orthopдdie 1993; 131: 279-284
7 Hicks J: The Mechanics of the Foot. II. The Plantar
Aponeurosis and the Arch. Journal of Anatomy
1954; 88, Part 1: 25-32
8 Hicks J: The Three Weight-Bearing Mechanisms
of the Foot. In: Biomechanical Studies of the
Musculo-Skeletal System. Editors: Evans G and
Thomas C, Springfield IL 1961
9 Hollinshead W and Jenkins D: Functional Anatomy
of the Limbs and Back. W. B. Saunders Company,
Philadelphia PA 1981
10 Klenerman L: Functional Anatomy. In: The Foot
and Its Disorders. Editor: Klenerman L, Blackwell
Scientific Publications, Oxford, England, 1982
11 Manter J: Distribution of Compression Forces in
the Joints of the Human Foot. Anatomical Rec ord
1946; 96: 313-321
12 Moore K: Clinically Oriented Anatomy. Williams &
Wilkins, Baltimore MD 1985
13 Salathe E and Arangio G: A Biomechanical Model
of the Foot. J Biom 1986; 19(12): 989-1001
14 Stokes I, Hutton W and Stott J: Forces acting on
the metatarsals during normal walking. Journal of
Anatomy 1979; 129, Part 3: 579-590