Современный метод биомеханической оценки рациональности изготовления приемных гильз протезов нижних конечностей

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

1. Питкин, М.Р. Биомеханика построения протезов нижней конечности / М.Р. Питкин. — СПб. : Чело­век и здоровье», 2006. — 131 с. 
2. 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.            
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. Kristinsson, O. The ICEROSS concept: a discussion of a philosophy  / O.Kristinsson  // Prosth. Orth. Int. —  1993. —  Vоl. 21, N 1. ― Р. 49-55.
7. 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.
8. 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.