Вдосконалення бароподометричного методу визначення біомеханічних параметрів стопи

dc.contributor.advisorТерещенко, Микола Федорович
dc.contributor.authorЦапенко, Валентин Валентинович
dc.date.accessioned2024-02-05T12:51:43Z
dc.date.available2024-02-05T12:51:43Z
dc.date.issued2023
dc.description.abstractЦапенко 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).
dc.description.abstractotherTsapenko V.V. Improvement of the baropodometric method of determination of biomechanical parameters of the foot. – Qualifying scientific work, the manuscript. Thesis for the scientific degree of Doctor of Philosophy on speciality 152 "Metrology and Information-Measuring technology". – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2023. The dissertation is devoted to the expansion of the functional capabilities of the baropodometric method of determining the biomechanical parameters of the foot through the combined assessment of the support-spring properties of the foot and the step cycle. The research is aimed at improving the measurement capabilities, which will allow for a more detailed analysis and understanding of the biomechanical characteristics of the human foot. In recent years, there has been an increase in the number of diseases, injuries and pathologies of the musculoskeletal system, which has a significant impact on the quality of life of the population. It should be noted that the foot is an important structural component of the locomotor apparatus, which is responsible for the stato-locomotor function and is a complete morpho-functional object, key to the human motor function. During life, the properties of the foot can change, especially its spring and support functions. In particular, in the case of violations of the symmetrical load distribution in a standing position (in statics) or during walking (in dynamics), as well as due to a decrease in the elastic properties of the foot, the impact load increases and the impact of vibrations on the musculoskeletal system as a whole increases. The problem of early diagnosis of injuries and diseases of the foot is very relevant in the context of the choice of methods of prevention, treatment, orthosis and evaluation of their effectiveness. In particular, violations of the formation of the arches of the foot constitute a significant part of all orthopedic pathology and reach up to 81.5% among all deformities of the lower extremities in children. Biomechanical research requires the comparison of mechanical and biological aspects of movements with more accurate quantification and disclosure of relationships in movement systems. In order to assess the functional state of the foot, it is necessary to have information about the time characteristics of the step, the forces of support reactions, elastic characteristics and the distribution of pressure on the support surfaces, during the rolling process, during the full cycle of the step. The relevance of this study lies in the fact that the improvement of the baropodometric method of determining the biomechanical parameters of the foot is of great importance for various fields of science and practice: medical biomechanics (the improvement of the method will allow to determine the characteristics of the foot in more detail, which is important for the diagnosis and treatment of biomechanical defects, as well as for development of individual orthopedic products), sports medicine (accurate analysis of biomechanical parameters of the foot can contribute to improving the technique of performing movements, preventing injuries and increasing sports achievements), movement research (an improved baropodometric method can be used to study different types of movements, which will help to better understand the mechanics of movement human), development of new technologies (the obtained results can serve as a basis for the creation of new technologies in the field of rehabilitation, production of sports equipment and development of game applications for the study of biomechanics of movement), scientific contribution to biomechanics (research can contribute to the expansion of scientific understanding of the biomechanics of the foot, which, in in turn, can influence the development of new theoretical concepts and models for explaining the mechanisms of movement and structural features of the foot). The analysis of scientific sources shows that the study of the load distribution on the foot during the full step cycle has not been sufficiently investigated. Traditional diagnostic methods are not able to accurately detect real functional changes of the foot that occur during changes in dynamic loads during a rollover, and also do not allow assessing individual physiological features of the lower extremities, which limits their effectiveness. The objective interrelationship of support and spring functions in statics and dynamics and their complex influence on foot deformations still remains undefined. Therefore, the aim of the dissertation is to expand the functionality of the baropodometric method of determining the biomechanical parameters of the foot by means of a combined assessment of the support-spring properties of the foot and the step cycle. In the paper, an analysis of the current state of the problem of determining the biomechanical parameters of the foot is carried out, an analysis of the methods of researching its support-spring function, both in static and dynamic modes, is performed. On the basis of the performed analysis, it was established that the most informative methods of movement analysis are the methods of digital baropodometry. Considering the system-structural approach to the study of biomechanical parameters of the foot, it is appropriate to consider baropodometric instrumental systems that allow a comprehensive assessment of foot functions. These include systems based on the baropodometry method, which allows for the study of biomechanical parameters of the foot, taking into account static and dynamic components. For an objective assessment of the spatio-temporal biomechanical parameters, the registration of the parameters of the full step cycle is necessary. Therefore, it is necessary to ensure certain technical conditions for instrumental analysis. In order to achieve full compliance with the specified criteria, a complex measuring stand was assembled, which consists of a tablet foot scanner and a baropodometric platform. A general methodology for measuring and processing research results has been developed. A biomechanical analysis of the foot was performed. It has been established that during movement, the value and direction of the load change - that is why it is necessary to pay attention to movement, and not only to standing, when studying the structure of the foot and evaluating its functional parameters. Taking this into account, in order to increase the accuracy of the study of the biomechanical parameters of the foot, it is necessary to take into account the influence of real dynamic loads, which differ from static loads in that inertial forces should be taken into account when determining stresses. The components of the full cycle of the step were analyzed, the periods of each phase of the rollover were determined as a percentage relative to the total period of support of a certain limb. A fundamentally new biomechanical model is proposed, which quite well visualizes the sensitivity to asymmetric loads. These asymmetric loads lead to inefficient use of the supportspring properties of the foot. This model shows how the static and dynamic component characteristics of the support-spring function of the foot are interconnected. With the help of the obtained model, it is possible to comprehensively assess the influence of various types of loads on the functional state of the foot, in particular, it was established that the amount of deformations and stresses caused by dynamic loads depends on the stiffness and longitudinal dimensions of the elastic system. Based on this model, the criteria for assessing the support and spring functions of the foot, taking into account static and dynamic loads, were analyzed and determined. For the first time, a comprehensive methodology for the study of the support-spring function of the foot was developed. An experimental study of support-spring parameters of the foot was carried out, using a complex measuring stand according to the proposed improved method with the involvement of 4 groups of subjects (of secondary school age). Statistical processing of the experimental data was performed, the distribution law was established, and a check was performed for the presence of excessive errors in the groups of observations, using the Dixon test. Calculated foot load criteria. A qualitative analysis of the obtained results was performed. The study found that the maximum contact per unit time is in the forefoot (during the push-off phase), followed by the hindfoot (during the landing phase), and the least contact occurs in the midfoot (during the roll-off phase). An increase in speed and stride length results in increased impact loads, and these loads affect the forefoot and hindfoot most. Therefore, it is important to pay special attention to these areas when developing methods of prevention, treatment and use of orthopedic products. The results of the analysis of the distribution of support dynamic reactions in different areas of the foot indicate a decrease in the force of the push in the experimental groups compared to the control group. This reduction in thrust is due to improper load distribution. The statistical analysis of the research results using the variance analysis method indicates that the factor of the supporting force criteria (static and dynamic component) can be used as an integral diagnostic indicator that affects the determination of foot deformities. However, it is important to consider that this factor is not the only determinant of foot deformity. Taking into account the developed generalized biomechanical model, a study of the elastic characteristics of the foot was conducted. It was established that the static and dynamic components of the modulus of elasticity have a similar law of distribution in each considered group. A correlation analysis was conducted, the results of which indicate a high level of interdependence of the components of the modulus of elasticity in each studied group. Based on this, clear mathematical models for determining support-spring properties were developed, which explain the previously unestablished relationship between the support and spring functions of the foot, taking into account their static and dynamic components, for each studied group. The resulting dependencies, in particular, determine the relationship between the static and dynamic components of the modulus of elasticity and the foot overload coefficient. The obtained and proposed mathematical dependencies allow automating the process of calculating the necessary biomechanical parameters and, together with the assessment of the step cycle characteristics, can be successfully used to monitor the condition of the foot, establish the diagnosis and the effectiveness of various treatment methods. The calculated values of the main biomechanical parameters for the control and three experimental groups, their comparison is given. Uncertainty calculation was performed according to the measurement evaluation procedure, which corresponds to international uncertainty evaluation rules. Also, the question of controlling the effect of unloading the foot in the process of orthosing is considered. It was established that the coefficient of overload determines the ratio of elastic forces and support, which provide the necessary value of unloading, and the ranges of values that it can acquire depending on the type of foot function impairment are revealed. Experimental studies on the control of the effect of unloading the foot in the process of orthosing have been carried out. Estimated distribution graphs of the overload coefficient before and after orthosing. It was established that the value of this coefficient before orthoses is within the calculated intervals according to the type of foot dysfunction, after that it goes to the interval of normal values (1..1.5). The effectiveness of the use of insoles has been established from 25% to 45%, depending on the type of functional disorder of the foot. The values of the main biomechanical parameters of the foot in each experimental group after orthosing approached the normal values recorded in the control group. The scientific novelty of the obtained results is as follows: 1. The baropodometric method of determining the biomechanical parameters of the foot has been improved, by means of a combined assessment of the relationship between the support and spring functions of the foot in static and dynamic positions, which allows taking into account their influence on the parameters of foot deformation. 2. Mathematical models have been developed to establish the relationship between the dynamic modulus of elasticity with the overload coefficient and the static modulus of elasticity, which allows identifying the type of foot dysfunction. The practical significance of the obtained results is as follows: 1. A method of biomechanical analysis of the foot has been developed, which consists in measuring spatio-temporal characteristics and pressure, which allows determining the coefficient of overload and the type of functional disturbance of the foot. 2. A methodology for controlling the effect of foot unloading has been developed, which consists in comparing the values of the overload coefficient in the process of using individual orthoses and adjusting their configuration, which is implemented in the orthopedic production of Alkom Trading House (the act of implementation of TD Alkom). Connection of work with scientific programs, plans, topics. The dissertation work is related to the areas of research work of the department of computer-integrated technologies for the production of devices of the instrument-making faculty of KPI named after Igor Sikorsky. The protocol and video material of the laboratory work on the topic "Biomechanics of the foot. Evaluation of the elastic characteristics of the foot" (act of introduction into the educational process at the department of the Institute of Physical Education of the PBF). The results of mathematical modeling are implemented in the practical activity of the orthopedic enterprise TD Alkom (act of implementation of TD Alkom). The dissertation work was completed at the Department of ComputerIntegrated Technologies of Device Production of the Faculty of Instrumentation Engineering of Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute according to the initiative research work of VP/MPS - 1/2018 Complex biometric system of measurement and control of biomechanical parameters of the foot. (No. 0118U004676 dated May 16, 2018).
dc.format.extent165 с.
dc.identifier.citationЦапенко, 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.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/64304
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectбіомеханічні параметри стопи
dc.subjectопорно-руховий апарат
dc.subjectаналіз руху
dc.subjectдіагностика
dc.subjectпросторово-часові параметри
dc.subjectнавантаження
dc.subjectкритерії
dc.subjectкоєфіцієнт перенавантаження
dc.subjectдисперсійний аналіз
dc.subjectкореляція
dc.subjectмножинна регресія
dc.subjectневизначеність
dc.subjectортез
dc.subjectконтроль
dc.subjectкількісне оцінювання
dc.subjectbiomechanical parameters of the foot
dc.subjectmusculoskeletal system
dc.subjectmovement analysis
dc.subjectdiagnosis
dc.subjectspatio-temporal parameters
dc.subjectload
dc.subjectcriteria
dc.subjectoverload coefficient
dc.subjectvariance analysis
dc.subjectcorrelation
dc.subjectmultiple regression
dc.subjectuncertainty
dc.subjectorthosis
dc.subjectcontrol
dc.subjectquantitative assessment
dc.subject.udc617.3
dc.titleВдосконалення бароподометричного методу визначення біомеханічних параметрів стопи
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Вантажиться...
Ескіз
Назва:
Tsapenko_dys.pdf
Розмір:
4.92 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис: