Пассивная поддержка сводов стопы

Материал из BrainstormWiki
Перейти к: навигация, поиск
Связки, участвующие в образовании продольных сводов стопы
Те же, плюс поперечные плюсневые связки, вид с подошвенной стороны стопы


Своды стопы, несмотря на то, что они являются очень свежим эволюционным изобретением, обладают способностью поддерживать свою структуру пассивно, без участия мышц на одних только связках. Обычно для объяснения поддержки внутреннего продольного свода стопы привлекают "механизм лебедки" - windlass mechanism Хикса, и приписывают удержание свода стопы подошвенному апоневрозу, который натягивается большим пальцем с одной стороны, и ахилловым сухожилием (через пятку) с другой.

Но механика поддержания сводов стопы гораздо сложнее и интереснее. Главную роль в удержании сводов играют серия связок, расположенных глубже подошвенного апоневроза, а также поперечный свод. Данная статья собирает свидетельства этого. На иллюстрации справа показаны основные действующие лица:

  • plantar aponeurosis - подошвенный апоневроз. Самая внешняя структура — и она реально обтянута только при разогнутом большом пальце
  • long plantar ligament Длинная подошвенная связка , от бугра пяточной кости вперед к кубовидной и и основаниям 2-5 плюсневых костей
  • short plantar ligament - короткая подошвенная связка, от пяточной кости к клиновидным
  • Plantar calcaneonavicular ligament подошвенная часть комплекса пяточно-ладьевидной связки. В англоязычной литературе именно эту, подошвенную часть называют sping ligament complex - пружинными связками (их там три)
  • Transverse metatarsal ligaments - поперечные плюсневые связки. их описывают как структуры поперечного свода, но, как будет показано ниже, они участвуют и в поддержании продольных сводов тоже

Эксперименты Мертона Рута

Все эти структуры выполняют часть работы по пассивному поддержанию сводов стопы. На протяжении всего XX века появлялись разного рода сообщения об их относительной роли: например, эксперимент Merton Root (см. статью Lee 2001) проводивший в Калифорнийском Политехническом Университете в Pomona где-то в 1970х. Подходящая нога кадавра (с относительно нормальной стопой) устанавливалась в аппарат в нейтральной позиции, с нагрузкой на уровне колена в 75 фунтов. Чтобы избежать распределения нагрузки исключительно на пятку, в аппарате были предусмотрены тяги и веса, натягивающие также длинные мышцы голени (камбаловидную, икроножную, малоберцовые, экстензоры и флексоры), веса подбирались так, чтобы имитировать нормальную фазу опоры. Когда икроножная мышца была таким образом натянута, можно было достичь равномерной загрузки под передней и задней части стопы.

Центр подошвы размещался над окном в столе, так, чтобы снизу "пытливый ум" мог разрезать ткани - стопа при этом остается под нагрузкой в вышеописанном аппарате. Последовательность разрезания:

  1. Кожа на подошве. Никого движения сводов
  2. медиальная часть подошвенного апоневроза. Никакого движения
  3. Центральная и латеральная часть его же. В саггитальной плоскости никакого движения свода
  4. медиальные подошвенные связки, затем пружинная связка (пяточно-ладьевидная), затем межкостные (interosseus) связки. Никакого движения
  5. Затем перешли к внешней части стопы, и как только разрезали длинную подошвенную связку, свод заметно снизился, но стопа тем не менее держалась вместе, хотя свод очевидным образом пострадал
  6. И лишь после разрезания короткой подошвенной связки (включая межкостные и капсулярные связки пяточно-кубовидного сустава) свод "внезапно" полностью упал


Роберт Кер и другие коллеги Роберта МкНила Александера: пружинные свойства стопы человека

Хотя сообщения, подобные вышеприведенным экспериментам Мертона Рута интригуют, впервые методически точно роль связок в поддержании сводов стопы измерили в 80х годах в Лидсе, Великобритания - в лаборатории Robert McNeill Alexander, классика современной биомеханики; он знаменит исследованиями по функциональной анатомии рыб, механики скелета, биомеханики динозавров (в особенности это), и в конце карьеры — биомеханикой бега человека. В его лаборатории были произведены классические опыты на "ножках из холодильника" — препаратах стопы трупов, которые они грузили различными способами. Это важнейшая для понимания темы работа.


фиг 3 из статьи Ker et al 1995

Для эксперимента был построен специальный аппарат. Стопа человека (из анатомички, после оттаивания) помещалась на две стальных опоры на латунных роликах, которые позволяют передней и задней части стопы двигаться относительно друг друга — по мере того, как свод стопы уплощается или собирается. Нагрузку создает актуатор снизу, а сверху препарат закреплен через переходник в берцовой кости.

Ker apparatus.png

Определенное положение берцовой кости крайне важно для стабильности препарата — авторы это отмечают, но не сообщают, какое именно, что очень жаль.

Другой важный момент — для упрощения конструкции никто не тянет за ахиллово сухожилие, вместо этого применяется механический эквивалент — пяточная кость очищена от жировой подушки, и нагрузка от стальной опоры прилагается напрямую к кости.

Упругие пружинные свойства целой стопы

Актуатор создает циклическое давление на стопу, соответсвующее физиологическим нагрузкам при беге. В результате получается график зависимости смещения пятки от передней части стопы (в мм) от нагрузки (в килоньютонах, kN). Графики можно видеть справа. Сосредоточимся пока на верхней кривой a,b - она соответствует целой стопе, со всеми связками;

После нескольких первых циклов кондиционирования график стабилизируется, и стопа "рисует" совершенно стабильную кривую, с точностью механической пружины. Она и работает как пружина — запасая и отдавая механическую энергию. Обратим внимание, что график загрузки отличается от графика разгрузки, образуя петлю, называется гистерезис. Это происходит в следствии механических потерь в стопе. Это не совершенная пружина — но все таки очень хорошая

Поведение стопы при утрате связок

После этого авторы начинают последовательно разрезать связки стопы и наблюдать за эффектом

  • петля c — разрезан подошвенный апоневроз. несмотря на то, что в этом препарате он не может быть обтянут (большой палец в нейтральном положении) утрата апоневроза приводит к частичному коллапсу продольного свода. Теперь существенно меньшее усилие приводит к таким же смещениям, как и в целой стопе.
  • петля d — разрезана длинная подошвенная связка. Упругость стопы упала вдвое
  • петля e — разрезана короткая подошвенная связка
  • петля f — разрезана пружинная связка.

на стадиях e и f свод практически утрачен — собственный вес бывшего хозяина стопы (85кг) соответсвует примерно 0.4kN силы опоры в покое, под собственным весом — и можно видеть что стопа разъезжается уже под этим весом. Напомню, что эксперимент симулирует беговые нагрузки. Это кстати отличает данный эксперимент от описанного выше "пытливого ума" Мертона Рута — там стопу грузили лишь естественным весом. Однако своды стоп человека "рассчитаны" на гораздо большие нагрузки, которые они испытывают при, например, беге. Поэтому эксперимент Александера в смысле диапазона нагрузок гораздо более физиологичен.

Роль поперечного свода в стабильности продольного

фиг 3 из Venkadesan et al 2020

Важнейшее продолжение работы из Лидса последовало спустя 33 года. Снова в Nature, Venkadesan и коллеги повторили аппарат Александера и Кера, с незначительными вариациями, снова поместили в него размороженную стопу из анатомички. Получилось немного иначе - если сравнивать графики, видно, что целая стопа в этот раз несколько более податлива, чем в оригинальном эксперименте.

Но самое интересное, что здесь авторы не трогали ни одной из описанных выше подошвенных связок. Вместо этого они разрушили связки, образующие поперечный свод - разрезая связки между плюсневыми костями, сверху, и не глубже уровня плюсневых костей, но так, чтобы разрезать все сдерживающие их связки — см. врезку b

Результат —  после утраты поперечного свода падает и продольный. Примерно настолько же, как после разрезания подошвенного апоневроза и длинной подошвенной связки в первом эксперименте.

Стопа — цельная структура, и поперечный свод работает и на удержание продольного. Авторы, для наглядного объяснения, приводят пример игральной карты — ее легко согнуть вдоль короткой стороны, когда она плоская, и значительно сложнее — когда она выгнута дугой вдоль длинной стороны.

Ограничения эксперимента

фиг 1а из Ker et al 1987. Стопа живого бегуна, использовавшаяся в качестве референса. Фаза соответствует началу отрыва пятки от опоры

Александер, Кер и коллеги отмечают, что их аппарат не вполне соответствует нагрузке на стопу и ее своды во время бега:

  1. Сгибающий момент действующий на свод ниже на 20-30% по сравнению с реальным бегуном, поскольку симуляция действия опоры на пяточную кость не вполне соответствует натянутому ахиллову сухожилию
  2. Сухожилия малоберцовых мышц и сгибателей пальцев не натянуты в эксперименте

По оценке авторов эти эффекты отчасти компенсируют друг друга, но в целом нарушают физиологичность эксперимента.

В дополнение отметим, что фиксация берцовой кости и берцовой относительно малоберцовой также оказывает значительное влияние на стабильность свода. Авторы обоих статей не приводят достаточно сведений об углах установки костей относительно стопы, к большому сожалению.

Особенно смущает механизм опоры на головку первой плюсневой кости. Как этого достигли авторы, они в подробностях не пишут. В качестве референса они использовали момент толчка в беге (иллюстрация справа), где центр давления опоры находится под пучком стопы (показан стрелкой), а пятка начинает отрыв. В эксперименте натяжение ахилла имитировалось давлением задней опоры на пятку - но авторы уверяют, что они получили опору и на переднюю часть стопы;

Однако даже жесткая фиксация берцовых костей не может создать физиологического распределения нагрузок между внутренним и внешним сводами, и скорее всего внутренний свод у них у всех недозагружен, либо же нога в аппарате была вальгирована.

Пока это остается открытым вопросом.

О "разминке" мертвых стоп

фиг 2 из Crary et al 2003. Только к 12-13 циклу графики загрузки пружинной связки становятся стабильными

Особо отмечу, что во всех приведенных выше экспериментах над ногами из анатомички результаты снимают лишь после нескольких циклов кондиционирования — в ходе которых механические характеристики стопы довольно сильно "плывут".

Фактически, перед основным экспериментом, мертвой стопе приходится делать "разминку". Естественно, трупонога была предварительно оттаяна (заморозка и оттаивание помогают избежать rigor mortis). Очевидно (пишут авторы статьи Crary et al, где этот эффект подробно разобран) при таком кондиционировании из волокон коллагена в связках выдавливается вода.

Неплохой образ структуры сухожилий и связок — канат, сплетенный из веревок, а те - из нитей. Нити - это коллагеновые молекулы, они длинные, и сплетаются очень похожим образом. В этой "веревке" сидит довольно воды. Чуть не половина молекулярного веса. Довольно легко предположить, что связанная коллагеновыми нитями вода и вода в матрице вокруг находятся в некоем балансе... Натяжение/расслабление связки приводит раскручиванию этих "веревок" коллагена, как бы "сушит" их.

Именно это и является, по видимому, объяснением "разминки" мертвых стоп — а, возможно, и не только мертвых — не исключено, что разминка живых структур имеет такие же физические основы.

Литература