Современный метод биомеханической оценки рациональности изготовления приемных гильз протезов нижних конечностей
14.01.19
Предлагается методика оценки приемных гильз нижних конечностей с использованием динамографических исследований, усовершенствованная с учетом зональной резистентности мягких тканей культи к нагрузке. Предложены информативные параметры оценки (пиковое давление, площадь контакта, суммарная нагрузка) и их оптимальный коридор значений, при которых не возникает дискомфорта при пользовании протезами.
Введение
Соблюдение принципов функционального протезирования предполагает, в первую очередь, обеспечение рациональной подгонки приемной гильзы протеза как основного связующего звена данной системы [1, 3, 8].
Основными показателями подгонки приемной гильзы являются степень соответствия ее внутреннего объема объемным параметрам культи и отсутствие локальных перегрузок в отдельных областях. Ключевой параметр ― это характер распределения давления в приемной гильзе [4]. В настоящее время в технологии протезирования голени и бедра происходит переход от принципа максимальной нагрузки отдельных участков культи, способ пых ее переносить, к принципу так называемой «гидростатической полноконтактной нагрузки» , при которой давление по поверхности культи при ходьбе распределяется примерно однородно [6]. Этот принцип реализуется в протезах голени и бедра с силиконовыми чехлами.
Существуют две принципиально разные методики измерения давления по расположению тензометрических датчиков: они располагаются либо в приемной гильзе непосредственно между кожными покровами и стенкой приемной гильзы, либо монтируются в стенку приемной гильзы. Каждая из методик имеет свои преимущества и недостатки, однако чаще всего применяется внутригиль- зовое расположение сенсоров. По данным литературы, результаты исследований очень вариабельны: усредненное давление на кожные покровы культи колеблется от 220 до 400 г/см2 [5, 7]. В то же время современные исследования показывают, что при ходьбе давление на отдельные области культи голени и бедра может составлять от 800 до 2600 г/см2, а в случае вычленения в тазобедренном суставе в области седалищного бугра доходить до 3000-4000 г/см2 без возникновения дискомфорта [2]. Такой разброс данных можно объяснить разнообразием конструкций исследуемых протезов и схем их построения, различием применяемых методик и условий их проведения, анатомическими и функциональными различиями культей, типом походки и весом инвалида.
С учетом этого нам представляется целесообразным выполнить разделение культи по степени резистентности к нагрузке с выделением следующих зон: с высокой резистентностью, с ограниченной и не резистентных к нагрузке.
Цель исследования ― усовершенствование методики'оценки распределения давления в приемных гильзах протезов нижних конечностей.
Материал и методы
За период 2004 ― 2006 гг. в ФГУ «СПбНЦЭР им. Альбрехта Росздрава» были выполнены тен- зометрические исследования в приемных гильзах протеза у 105 инвалидов с культями нижних конечностей: 47 (45 %) человек с культями голени, 32 (31%) ― с культями бедра, 14 (13%) — с двухсторонними ампутациями на различных уровнях, 12 (11%) ― с вычленением в тазобедренном суставе. Протезами голени с силиконовыми чехлами различных типов пользовались 23 (23%) пациента. Средний возраст инвалидов составил 37 лет.
Обследования проводились на программно-аппаратном комплексе «Р-Зсап» (Текзсап 1пс., США) с датчиками тонкопленочного типа. Общая площадь покрытия одним сенсором составляла до 15,5 см2, плотность датчиков давления резистивного типа ― до 9810 штук. Благодаря малой толщине датчики не влияли на естественное взаимодействие культи с протезом и не создавали дефицита пространства в приемной гильзе. Для лучшего контакта с поверхностью культи датчики разрезались на 5 продольных фрагментов. При анализе исходными данными являлись эпюра и графическая карта распределения давления по сенсору, показатели пикового и суммарного давления, а также данные об изменении площади контакта кожных покровов культи и сенсора.
Размещение измерительных датчиков (отмечены цифрами 1, 2, 3) производилось с учетом расположения нагрузочных зон для каждого вида культи конечности (табл. 1).
На культе голени сенсоры располагались непосредственно на коже и фиксировались скотчем. У пациентов с культями бедра и после вычленения в тазобедренном суставе датчики размещались на стенках приемной гильзы протеза. Регистрация данных на программно-аппаратном комплексе проводилась в два этапа. На первом этапе измерение распределения давления осуществлялось в положении стоя в течение 10 секунд в удобной для испытуемого позе, на втором ― при ходьбе в среднем и быстром темпе в течение 10 секунд. Если приемные гильзы нуждались в подгонке, для регистрации полученных изменений обследование проводилось повторно. Показатели болевого порога давления анализировались по субъективным ощущениям испытуемых.
Результаты и обсуждение
Изучение топокарт распределения давления показало, что выраженность давления в пределах зон, одинаковых по резистентности к нагрузке, зависела от длины культи (табл. 2). В случаях коротких культей голени давление на высокорезистентные зоны превышало таковое при длинных культях в среднем на 200 г/см2. Наиболее низкие показатели рабочего давления (800 ± 200 г,/см2) зарегистрированы в случаях длинных и средних культей бёдра, что связано со значительными объемными их размерами. Давление в области седалищного бугра при использовании протезов на вычленение в тазобедренном суставе (ВТБС) зависело от типа культи и составляло до 3400г/см2 при тотальном вычленении и до 2900 г/см2 при чрезмерно коротких культях бедра. Показатели давления в зонах с ограниченной резистентностью к нагрузке зависели от типа культи, однако колебались в узком диапазоне от 500 до 700г/см2. В зонах, не способных переносить давление, коридор колебаний показателей еще более сужался ― до 300 ± 100 г/см2. При использовании силиконовых чехлов проявлялась их роль как распределенного демпфера в сочетании с эффектом гидростатической полноконтактной нагрузки. Таким образом, показатели давления зон с ограниченной резистентностью к нагрузке и областей, не способных ее переносить, выравнивались, формируя обширную зону рабочего давления с показателями не более 350 ±100 г/см2.
В результате неправильного формования приемных гильз превышались показатели рабочего давления при ходьбе, что вызывало дискомфорт у инвалидов в виде чувства трения, онемения, покалывания или сдавливания культи. В зонах культей голени с высокой резистентностью к нагрузке болевой порог при ходьбе на 100 метров составил 2100 г/см2 (превышение на 25 %), в зонах с ограниченной резистентностью ― 1200 г./см2 (превышение на 100 %), а в областях, неспособных переносить нагрузку, ― 600 г/см2 (превышение ― 85 %). Болевой порог для культей бедра и после* вычленения в тазобедренном суставе в процентном соотношении находился в том же диапазоне (табл. 3).
Выраженность и стабильность площади контакта зависела от фазы шага. В фазе переноса протеза голени и бедра в областях, резистентных к нагрузке, наблюдалось плавное уменьшение контакта в среднем на 40 ― 60 % без резких колебаний. Это было связано с естественной кинетикой протеза в фазу переноса и рассматривалось нами как показатель степени фиксации протеза на культе. При плохом качестве подгонки уменьшение зоны контакта достигало больших величии (70 ― 100 %), что свидетельствовало о наличии поршневых движений культи в полости приемной гильзы. При использовании гильз бедра с посадкой на седалищный бугор и полукорсетов классического типа в области седалищного бугра в фазе переноса площадь контакта снижалась вплоть до полной потери соприкосновения кожных покровов со стенками культеприемника.
Таблица 1 ― Расположение зон давления в зависимости от вида культи
Таблица 2 ― Зависимость рабочего давления в пределах нагрузочных зон от длины культи
Таблица 3 ― Предельное рабочее давление в области нагрузочных зон в зависимости от типа культи
В момент пяточного толчка протезированной конечностью наблюдалось активное увеличение площади контакта за счет более плотной посадки в областях, способных переносить нагрузку. В целом при адекватном построении приемных гильз график изменения площади контакта имел четкую плавную структуру без резких колебаний значений.
В случае нарушения построения переднезадних и боковых размеров гильзы и формовки областей контакта с опороспособными зонами культи наблюдалось деформация графиков площади контакта. При этом регистрировались хаотические изменения плавности их структуры с формированием многочисленных ников и провалов, свидетельствующих о наличии нестабильности положения культи в фазе опоры и поршнеобразных движений. Раннее возникновение опорного плато отмечалось при вхождении в контакт с дном приемной гильзы торца культи. Показатели пикового давления максимально нарастали в фазе опоры, при этом разброс показателей в пределах одной зоны при отсутствии дискомфорта у инвалидов составлял не более 10 ― 20 %. В областях, частично резистентных к нагрузке, пиковое давление также нарастало в фазе опоры, но при этом составляло не более 30 ― 40 % от показателей зон, резистентных к нагрузке. В зонах, неспособных к восприятию давления, оптимальным считали давление, соответствующее значениям, регистрируемым в статике, но при условии, что его изменение во времени минимально.
В зонах, высоко резистентных к нагрузкам, на пике давления в большинстве случаев регистрировались провалы, свидетельствующие об адекватном функционировании культи в приемной гильзе и связанные с перепрофилированием давления в момент переноса контралатеральной конечности. В случаях чрезмерной заужен- ности посадочных областей график пикового давления характеризовался наличием «зубчатой» структуры в фазе переката через протез, что также приводило к дискомфорту. Нарушение формирования переднезадних размеров культепри- емника проявлялось всплесками давления в фазу переноса протеза в результате контакта торца культи с передней стенкой гильзы.
Показатель суммарной нагрузки рассматривался нами как интегральный параметр, указывающий на степень использования протеза в качестве опоры в различные фазы шага. В момент опоры на протез, как правило, определялись максимальные значения суммарной нагрузки в виде одного плавного экстремума с последующим резким снижением нагрузки при переходе в фазу переноса. Появление дополнительных всплесков нагрузки в момент фазы переноса на фоне резкого провала давления после заднего толчка свидетельствовало о патологических поршнеобразных движениях культи.
Таким образом, давление в одинаковых зонах культи зависит от ее длины в переделах сегмента нижней конечности. Более короткие культи имеют меньшую общую площадь кожных покровов, в связи с чем повышается суммарная нагрузка на единицу площади. Обычно при коротких культях голени давление в среднем на 100 ― 200 г/см2 больше, чем при более дистальных ампутационных дефектах. Поэтому необходимо наиболее тщательно подгонять приемные гильзы в области резистентных зон для наиболее полной разгрузки проблемных участков.
Важным параметром оценки является равномерность распределения нагрузки в одинаковых зонах культи. Вариабельность показателей давления в пределах одной зоны в пределах 10 ― 15 % может считаться допустимой и не требует коррекции. При превышении этих показателей инвалиды ощущают дискомфорт при ходьбе, что приводит к уменьшению продолжительности пользования протезом. У инвалидов с ампутациями нижних конечностей в результате облитерирующих заболеваний и сахарного диабета вариабельность давления должна быть еще меньше. Это связано со снижением кожной чувствительности, а также с резким снижением трофики мягких тканей, уменьшением толщины подкожной жировой клетчатки, повышением пастозности. В этих случаях превышение давления может оказаться критическим и привести к быстрому развитию потертостей и образованию трофических язв. Средним суммарным давлением, при котором инвалидами ощущается дискомфорт, является превышение показателей рабочего давления на 25 ― 30 % в зонах, способных переносить нагрузку, и на 85 ― 100 % ― в зонах с ограниченной резистентностью и зонах, неспособных к восприятию нагрузки.
Для областей с ограниченной резистетиостыо к нагрузке и не способных к ней наиболее важным фактором состоятельности гильзы является минимальное изменение площади контакта в процессе ходьбы. Выраженное изменение зоны контакта свидетельствует о трении культи и стенок приемной гильзы протеза, что является негативным фактором. Появление зоны контакта только лишь при ходьбе и отсутствие ее в статике свидетельствует о грубых нарушениях построения полости приемной гильзы.
Площадь контакта характеризует степень участия в опоре изучаемой области культи со стенками приемной гильзы. Благоприятным условием для любой области культи является обширная зона контакта в фазе опоры, что свидетельствует о равномерном распределении давления. Снижение площади контакта указывает на наличие пустот в приемной гильзе и приводит к повышению уровня локальных пиковых нагрузок. Показателем оптимальной подгонки гильзы можно считать плавно ускоряющееся увеличение площади контакта в фазе опоры с возникновением стабильного опорного плато. В процессе переноса должно наблюдаться плавное снижение параметра в среднем на 40 ― 60 % от показателей фазы опоры без резких всплесков и провалов. Наличие резких колебаний площади контакта в начальной фазе опоры с возникновением раннего опорного плато часто вызвано вхождением в контакт с гильзой торца культи или ее боковых поверхностей (боковая нестабильность) и указывает на необходимость доработки приемной гильзы. Образование всплесков в момент фазы переноса связано с контактом передней поверхности культи в дистальных областях гильзы из-за нарушения переднезадних размеров культеприемника.
Оптимальным можно считать пиковое давление, максимально нарастающее в зонах, способных переносить нагрузку, при условии достаточной площади контакта в момент формирования экстремума нагрузки в фазе опоры. Разброс показателей в различных областях должен составлять не более 10 ― 15 %. Следует считать допустимым нарастание в фазе опоры показателей пикового давления в областях частичной опороспособности, но не более чем на 30 ― 40 % от показателей зон, способных переносить нагрузку. Разброс в различных областях должен составлять не более 10%. В областях, не способных переносить нагрузку, оптимальным является константное давление в пределах значений, регистрируемых в статике.
Заключение
Таким образом, предложенная методика дает возможность адекватно оценить соответствие внутреннего объема приемной гильзы объемным параметрам культи, провести сравнительный анализ распределения давления в приемной гильзе с учетом зональной резистентности мягких тканей культи к нагрузке. Это позволяет объективно оценить степень подгонки приемной гильзы протезов и добиться максимально благоприятного результата протезирования. Данная методика может успешно применяться для оценки качества изготовления приемной гильзы, прежде всего, у пациентов со сниженной чувствительностью кожных покровов культи, которые не могут адекватно оценить наличие или отсутствие дискомфорта культи при пользовании протезами.
Литература
- Питкин, М.Р. Биомеханика построения протезов нижней конечности / М.Р. Питкин. — СПб. : Человек и здоровье», 2006. — 131 с.
- Предварительный биомеханический анализ удобства вертикального хоккея на протезах. Сравнения скольжения и ходьбы / М.Р. Питкин [и др.] // Вестник гильдии протезистов-ортопедов. — 2003. — №4. -С. 72-74.
- Смирнова, А.М. Способ и измерительно ― информационная система для настройки схемы построения протеза нижней конечности : автореф. дис.... канд. мед. наук / Смирнова Людмила Михайловна. — СПб., 1995. ― 17 с.
- Arthur, F.Т. Rewiev of prosthetic socket boimechanics / F.Т. Arthur, Zhang Ming, A.David // J.Rehab. Res Develop ― 2001. ― Vоl. 38, N 2. ― Р. 129-132.
- Engsberg , J.R. Quantifying interface pressure in bellowknee ― amputee socket / J.R. Engsberg, M.J.N Springer, J.A. Harder // J. Assoc. Child. Prosth.- Orth. Clin. — 1992. — Vоl. 27, N 3. ― Р. 81-88.
- Kristinsson, O. The ICEROSS concept: a discussion of a philosophy / O.Kristinsson // Prosth. Orth. Int. — 1993. — Vоl. 21, N 1. ― Р. 49-55.
- Meier, R.H. Stump ― socket fit of below knee prostheses: comparison of three methods of measurement / R.H. Meier, E.D. Meeks, R.M. Herman // Arch. Phys. Med. Rehabil. . ― 1973. ― Vol. 54. ― Р. 553 ― 558.
- Van Velzen , J.M. Usability of gait analysis in the alignment of trans ― tidial prostheses: A clinical study / J.M. Van Velzen, H. Houdijk, W. Polonmski, C. Van Bennekom // Prosth. Orth. Int. ― 2005. ― Vol. 29, N 3. ― P. 255 ― 267.
-
14.01.21Универсальное программное обеспечение для обработки и анализа данных с динамометрических платформ
Быстрая и точная оценка динамометрических показателей с помощью универсального программного обеспечения
Полная версия статьи -
14.01.19Биомеханические методы оценки функционального состояния пациентов при эндопротезировании тазобедренных суставов
Tekscan Inc проведено сравнение количественных характеристик походки и распределения нагрузок на отделы стоп у различных групп больных до операции и после тотального эндопротезирования тазобедренного сустава.
Полная версия статьи