Вдосконалення бароподометричного методу визначення біомеханічних параметрів стопи

Ескіз

Файли

Tsapenko_dys.pdf (4.92 MB)

Дата

2023

Автори

Науковий керівник

Терещенко, Микола Федорович

Назва журналу

Номер ISSN

Назва тому

Видавець

КПІ ім. Ігоря Сікорського

Анотація

Цапенко В.В. Вдосконалення бароподометричного методу визначення біомеханічних параметрів стопи. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 152 «Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. Дисертація присвячена розширенню функціональних можливостей бароподометричного методу визначення біомеханічних параметрів стопи шляхом комбінованого оцінювання опорно-ресорних властивостей стопи та циклу кроку для підвищення інформативності вимірювань. Дослідження спрямоване на покращення можливостей вимірювань, що дозволить більш детально аналізувати та зрозуміти біомеханічні характеристики стопи людини. В останні роки спостерігається зростання кількості захворювань, травм та патологій опорно-рухового апарату, що має суттєвий вплив на якість життя населення. Слід зазначити, що стопа є важливим структурним компонентом опорно-рухового апарату, який відповідає за статолокомоторну функцію і є цілісним морфофункціональним об'єктом, ключовим для рухової функції людини. Протягом життя властивості стопи можуть змінюватися, особливо це стосується її ресорної та опорної функцій. Зокрема, у випадку порушень симетричного розподілу навантаження в положенні стоячи (в статиці) або під час ходи (в динаміці), а також через зниження пружних властивостей стопи – збільшується ударне навантаження та відбувається посилення впливу вібрацій на опорно-руховий апарат в цілому. Проблема ранньої діагностики ушкоджень та захворювань стопи є дуже актуальною в контексті вибору методів профілактики, лікування, ортезування та контролю їх ефективності. Зокрема, порушення формування склепінь стопи становлять значну частину всієї ортопедичної патології та досягають до 81,5% серед усіх деформацій нижніх кінцівок у дітей. Біомеханічне дослідження вимагає зіставлення механічних та біологічних аспектів рухів з більш точною кількісною оцінкою та розкриттям взаємозв'язків в системах рухів. Для оцінки функціонального стану стопи, необхідно мати інформацію про часові характеристики кроку, сили опорних реакцій, пружні характеристики та розподіл тиску по опорних поверхням, в процесі перекату, протягом повного циклу кроку. Актуальність даного дослідження полягає в тому, що вдосконалення бароподометричного методу визначення біомеханічних параметрів стопи має велике значення для різних галузей науки та практики: медична біомеханіка (вдосконалення методу дозволить більш детально визначати характеристики стопи, що є важливим для діагностики та лікування біомеханічних вад, а також для розробки індивідуальних ортопедичних виробів), спортивна медицина (точний аналіз біомеханічних параметрів стопи може сприяти вдосконаленню техніки виконання рухів, запобіганню травм та підвищенню спортивних досягнень), дослідження руху (вдосконалений бароподометричний метод може бути використаний для дослідження різних типів рухів, що допоможе краще зрозуміти механіку руху людини), розробка нових технологій (отримані результати можуть послужити основою для створення нових технологій у сфері реабілітації, виробництва спортивного спорядження та розробки ігрових аплікацій для вивчення біомеханіки руху), науковий внесок у біомеханіку (дослідження можуть сприяти розширенню наукового розуміння біомеханіки стопи, що, в свою чергу, може вплинути на розробку нових теоретичних концепцій та моделей для пояснення механізмів руху та структурних особливостей стопи). Проведений аналіз наукових джерел показує, що дослідження розподілу навантаження по стопі протягом повного циклу кроку недостатньо досліджено. Традиційні методи діагностики не дозволяють точно виявити реальні функціональні зміни стопи, що відбуваються під час зміни динамічних навантажень в процесі перекату, а також не оцінюють індивідуальні фізіологічні особливості нижніх кінцівок, що обмежує їх ефективність. Не визначеним досі залишається об’єктивний взаємозв’язок опорної та ресорної функцій в статиці та динаміці і їх комплексний вплив на параметри деформації стоп. Тому метою дисертаційної роботи є розширення функціональних можливостей бароподометричного методу визначення біомеханічних параметрів стопи шляхом комбінованого вимірювання опорно-ресорних властивостей стопи та складових циклу кроку для підвищення інформативності вимірювань В роботі проведено аналіз сучасного стану проблеми визначення біомеханічних параметрів стопи, виконано аналіз методів дослідження її опорно-ресорної функції, як в статичному так і в динамічному режимах. На основі виконаного аналізу встановлено, що найбільш інформативними методами аналізу рухів є методи цифрової біометрії. Враховуючи системноструктурний підхід до вивчення біомеханічних параметрів стопи, доцільним є розглядати бароподометричні інструментальні системи, які дозволяють комплексно оцінювати функції стопи. До таких відносять системи, в основу яких покладено метод бароподометрії, що дозволяє проводити дослідження біомеханічних параметрів стопи з врахуванням статичних та динамічних складових. Для об’єктивної оцінки просторово-часових біомеханічних параметрів необхідна реєстрація параметрів повного циклу кроку. Тому необхідно забезпечити певні технічні умови для інструментального аналізу. З метою досягнення відповідності визначеним критеріям було зібрано комплексний вимірювальний стенд, який складається з планшетного сканера стопи та бароподометричної платформи. Розроблено загальну методику проведення вимірів та обробки результатів дослідження. Проведено біомеханічний аналіз стопи. Встановлено, що під час руху змінюються значення і напрямок навантаження - тому саме на рух, а не тільки на стояння необхідно звертати увагу при вивченні будови стопи та оцінки її функціональних параметрів. Враховуючи це, з метою підвищення точності дослідження біомеханічних параметрів стопи необхідно врахувати вплив реальних динамічних навантажень, які відрізняються від статичних тим, що при визначенні напружень слід враховувати сили інерції. Проаналізовано складові повного циклу кроку, періоди кожної фази перекату визначені у відсотковому співвідношенні відносно загального періоду опори певної кінцівки. Запропоновано принципово нову біомеханічну модель, яка досить добре візуалізує чутливість до асиметричних навантажень, які призводять до неефективного використання опорно-ресорних властивостей стопи. Дана модель показує, яким чином взаємопов’язані між собою статичні та динамічні характеристики опорно-ресорної функції стопи. За допомогою отриманої моделі можна комплексно оцінити вплив різновидів навантажень на функціональний стан стопи, зокрема, було встановлено, що величина деформацій та напружень викликаних динамічними навантаженнями, залежить від жорсткості та повздовжніх розмірів пружної системи. На основі цієї моделі проаналізовано та визначено критерії оцінки опорної та ресорної функцій стопи, з врахуванням статичних та динамічних навантажень. Розроблено методику біомеханічного аналізу стопи, яка дозволяє ідентифікувати функціональні порушення стопи. Проведено експериментальне дослідження опорно-ресорних параметрів стопи, з використанням вимірювального стенду за розробленою методикою з залученням 4 груп досліджуваних (середнього шкільного віку). Виконано статистичну обробку експериментальних даних, встановлено закон розподілу та виконано перевірку на наявність надмірних похибок в групах спостережень, з застосуванням критерію Діксона. Розраховані критерії опорного навантаження стопи та виконано якісний аналіз отриманих результатів. Дослідження показало, що максимальний контакт за одиницю часу спостерігається в передньому відділі стопи (під час фази відштовхування), найменший – в середньому відділі стопи (під час фази перекату). Збільшення швидкості та довжини кроку призводить до збільшення ударних навантажень, і ці навантаження найбільше впливають на передній і задній відділи стопи. Тому важливо звертати особливу увагу на ці області при розробці методів профілактики, лікування та ортезування. Результати аналізу розподілу опорних динамічних реакцій по різним зонам стопи вказують на зменшення сили поштовху в експериментальних групах порівняно з контрольною, що виникає через неправильний розподіл навантаження. Статистичний аналіз результатів дослідження за допомогою методу дисперсійного аналізу вказує на те, що фактор критеріїв опорної сили (статична та динамічна складова) може бути використаний як інтегральний діагностичний показник, який впливає на визначення деформацій стопи. Однак важливо враховувати, що цей фактор не є єдиним визначальним чинником деформації стопи. Враховуючи розроблену узагальнену біомеханічну модель, проведено дослідження пружних характеристик стопи. Встановлено, що статична та динамічна складова модуля пружності мають подібний закон розподілу в кожній розглянутій групі. Проведено кореляційний аналіз, результати якого вказують на високий рівень взаємозалежності складових модуля пружності в кожній досліджуваній групі. На основі цього, розроблено чіткі математичні моделі визначення опорно-ресорних властивостей, які пояснюють не встановлений раніше взаємозв'язок опорної та ресорної функцій стопи, враховуючи їх статичні та динамічні компоненти, для кожної досліджуваної групи. Отримані залежності, зокрема, визначають взаємозв’язок статичної та динамічної складової модуля пружності з коєфіцієнтом перенавантаження стопи та дозволяють автоматизувати процес розрахунків необхідних біомеханічних параметрів, які разом з оцінкою характеристик циклу кроку можуть успішно використовуватися для моніторингу стану стопи, встановлення діагнозу та ефективності різноманітних методів лікування. Розраховані значення основних біомеханічних параметрів для контрольної та трьох експериментальних груп, наведено їх співставлення. Виконано розрахунок невизначеності, згідно міжнародним правилам оцінювання результатів дослідження. Також, розглянуто питання контролю ефекту розвантаження стопи в процесі ортезування. Встановлено, що коєфіцієнт перенавантаження визначає співвідношення сил пружності та опори, які забезпечують необхідне значення розвантаження та виявлено інтервали значень, яких він може набувати в залежності від типу порушення функцій стопи. Проведено експериментальні дослідження контролю ефекту розвантаження стопи та оцінені графіки розподілу коєфіцієнта перенавантаження в процесі ортезування. Встановлено, що значення даного коєфіцієнта до ортезування знаходиться в межах розрахованих інтервалів відповідно до типу порушення функцій стопи (0,5..1 – плоска стопа, 1,5..2,2 – порожниста) , після – прямує до інтервалу нормальних значень (1..1,5). Встановлена ефективність використання устілок від 25% до 45%, в залежності від типу функцінального порушення стопи. Значення основних біомеханічних параметрів, в кожній експериментальній групі після ортезування, наближалися до нормальних значень. Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному: 1. Вдосконалено бароподометричний метод визначення біомеханічних параметрів стопи, шляхом комбінованого оцінювання взаємозв’язку опорної та ресорної функцій стопи в статичному та динамічному положеннях, що дозволяє враховувати їх вплив на параметри деформації стопи. 2. Розроблено математичні моделі для встановлення взаємозв’язку динамічного модуля пружності з коефіцієнтом перенавантаження та статичним модулем пружності, що дозволяє ідентифікувати тип порушення функцій стопи. Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному: 1. Розроблено методику біомеханічного аналізу стопи, яка полягає у вимірюванні просторово-часових характеристик та тиску, що дозволяє визначати коефіцієнт перенавантаження і тип функціонального порушення стопи. 2. Розроблено методику контролю ефекту розвантаження стопи, що полягає у порівнянні значень коєфіцієнта перенавантаження в процесі використання індивідуальних ортезів та коригування їх конфігурації, яка впроваджена в ортопедичне виробництво ТОВ «Торговий дім «Алком» (акт впровадження ТОВ «ТД Алком»). Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов’язана з напрямами науково-дослідної роботи кафедри комп’ютерно інтегрованих технологій виробництва приладів приладобудівного факультету КПІ ім. Ігоря Сікорського. Розроблено протокол та відеоматеріал лабораторної роботи за темою «Біомеханіка стопи. Оцінка пружних характеристик стопи» (акт впровадження в навчальний процес на кафедрі КІТВП ПБФ). Результати математичного моделювання впровадженні в практичну діяльність ортопедичного підприємства ТОВ «ТД Алком» (акт впровадження ТОВ «ТД Алком»). Дисертаційна робота виконана на кафедрі КІТВП, ПБФ КПІ ім. Ігоря Сікорського згідно ініціативної науково-дослідної роботи ВП/МПС – 1/2018 Комплексна біометрична система вимірювання та контролю біомеханічних параметрів стопи (д/р № 0118U004676 від 16.05.2018 р).

Опис

Ключові слова

біомеханічні параметри стопи, опорно-руховий апарат, аналіз руху, діагностика, просторово-часові параметри, навантаження, критерії, коєфіцієнт перенавантаження, дисперсійний аналіз, кореляція, множинна регресія, невизначеність, ортез, контроль, кількісне оцінювання, biomechanical parameters of the foot, musculoskeletal system, movement analysis, diagnosis, spatio-temporal parameters, load, criteria, overload coefficient, variance analysis, correlation, multiple regression, uncertainty, orthosis, control, quantitative assessment

Бібліографічний опис

Цапенко, В. В. Вдосконалення бароподометричного методу визначення біомеханічних параметрів стопи : дис. … д-ра філософії : 152 Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка / Цапенко Валентин Валентинович. – Київ, 2023. – 165 с.

URI

https://ela.kpi.ua/handle/123456789/64304

DOI

Зібрання

Дисертації (КІТВП)
Дисертації (вільний доступ)