PODSTAWY BIOMECHANICZNEJ ANALIZY CHODU CZŁOWIEKA
KINEMATYKA - OPIS I ANALIZA RUCHU NIEZALEŻNIE OD SIŁ WYWOŁUJĄCYCH TEN RUCH Pomiary kinematycznych parametrów lokomocji maja długą historię Początki biomechanicznej analizy ruchu bazujące na śledzeniu zmian położenia obiektu w kolejnych chwilach czasu Edward Mybridge (1830-1904) Skonstruował pierwsze urządzenie fotografujące obiekty w ruchu
Początki biomechanicznej analizy chodu człowieka E. Marey konstruuje chronofotograf i w 1883 roku wykonuje pierwszy diagram ruchu człowieka Jako pierwszy opracowuje metodę rejestracji diagramów chodu wykorzystuje czujniki pneumatyczne mocowane do butów osoby badanej rejestrując fazę podparcia i przeniesienia w czasie chodu i biegu
Początki biomechanicznej analizy chodu człowieka Otto Fisher i Ch. W. Braune Dokonali pierwszej trójwymiarowej rekonstrukcji chodu człowieka analizując obraz z kilku kamer jednocześnie J. Amar opracował pierwszy projekt platformy mierzącej trzy składowe reakcji sił podłoża Platforma posiadała mechanizm kompresji gumowych elementów oraz pneumatyczny system transmisji sygnałów
Kolejny przełom w badaniach kinematycznych parametrów lokomocyjnych wprowadziła metoda pomiaru katów stawowych za pomocą specjalnych goniometrów obecnie potencjometrów lub specjalnych przetworników optoelektrycznych Rewolucję w analizie kinematycznej lokomocji człowieka spowodowało zastosowanie komputerów analizujących jednoczasowo wiele rejestrowanych zmiennych Przykładowo do opisu ruchu jednego segmentu potrzeba aż 9 zmiennych: - sześć parametrów liniowych (położenie, szybkość, przyśpieszenie w kierunku poziomym i pionowym); - trzy kątowe ( kąt, prędkość kątowa i przyśpieszenie kątowe ) Obecnie posługujemy się pomiarami takich parametrów kinetycznych jak: siły nacisku stóp na podłoże, aktywność bioelektryczna mięśni, zakresy ruchomości stawów
Chód to naprzemienna utrata i odzyskiwanie równowagi w zmieniających się na przemian fazach podporu i wykroku W. Dega Chód jest czynnością bazującą na wysokim stopniu automatyzacji ruchu Chód można rozpatrywać jako kombinację wielu złożonych procesów takich jak: wytwarzanie i przekazywanie energii, utrzymanie równowagi oraz koordynacja ruchów Chociaż istnieją pewne niewielkie różnice stereotypu chodu poszczególnych ludzi, to jednak zakres tych odchyleń jest na tyle wąski, że pozwala na globalna analizę standardowego modelu chodu A. Zembaty Zazwyczaj potrafimy dostrzec ogólne zmiany w stereotypie chodu spowodowane urazem lub inna patologią. Aby zrozumieć te zmiany musimy poznać prawidłowa lokomocję
Chcąc oceniać sprawność lokomocyjną pacjenta na podstawie zmian zachodzących w narządzie ruchu w trakcie poruszania się człowieka najczęściej odnosimy się do: atrybutów chodu wyznaczników chodu ATRYBUTY CHUDU I. Stabilność podparcia zaburzenia stabilności podparcia mogą być spowodowane: nieprawidłowym stawianiem stopy; upośledzeniem kontroli ruchów w stawach kończyny dolnej i/lub tułowia; wadą budowy kończyn dolnych
ATRYBUTY CHUDU II. Prawidłowy prześwit pod stopą w fazie przenoszenia Uniesienie kończyny w fazie przenoszenia pozwala na uniknięcie ewentualnych przeszkód mogących zaburzyć rytm lokomocji. Przeciętna wielkość prześwitu wynosi około 18 mm. Osoby z zaburzeniami równowagi maja tendencję do chodzenia drobnymi kroczkami z niewielkim prześwitem po stopami co wydłuża czas kontaktu stopy z podłożem
ATRYBUTY CHUDU III. Odpowiednie ustawienie stopy poprzedzające kontakt pięty z podłożem Koordynacja ruchów w stawie skokowym i kolanowym przygotowuje kończynę do prawidłowego postawienia nogi na podłożu oraz do aktywnego przejęcia energii w momencie zetknięcia się pięty z podłożem energia zbyt mała zatrzymanie lub upadek energia zbyt duża mikrourazy w obrębie pięty, kolana, biodra itd. W fazie kontaktu pięty z podłożem funkcja amortyzacyjna zależą od niewielkiego zgięcia w stawie kolanowym i ekscentrycznej pracy mm. czworogłowego
ATRYBUTY CHUDU IV. Odpowiednia długość kroku Czynniki wpływające na nieprawidłowa długość kroku: Zaburzenia równowagi Ból w trakcie obciążania kończyny Niedowłady - jedno lub dwu kończynowe Odepchnięcie kończące fazę podporu ma duży wpływ na długość i prędkość kroku i zależy od prawidłowej funkcji mm. trójgłowego łydki
ATRYBUTY CHUDU V. Minimalne zużycie energii W czasie chodu ludzie poruszają się z pewną preferowana (indywidualna) szybkością zapewniającą optymalne zużycie energii Biomechanika kliniczna zajmuje się również zmianami energetyki chodu spowodowanymi dysfunkcjami narządu ruchu. Wydatek energetyczny organizmu w trakcie lokomocji zależy głównie od sumy przemieszczeń OSC ciała w płaszczyźnie pionowej. Nadmierne przemieszczenia OSC ciała są przyczyną wzrostu wydatku energii
WYZNACZNIKI CHODU WYZNACZNIKI CHODU A DOKŁADNIE KRYJĄCE SIĘ POD TĄ NAZWĄ MECHANIZMY, WYPEŁNIAJĄ TRZY GŁÓWNE ZADANIA redukcja maksymalnego uniesienia środka ciężkości ciała ograniczenie opadania środka ciężkości ciała w na granicach faz podparcia i przeniesienia ograniczenie bocznych przemieszczeń środka ciężkości ciała
WYZNACZNIKI CHODU Wyznacznik pierwszy Boczne przemieszczenie miednicy w trakcie chodu wynika z naprzemiennego obciążanie raz jednej, raz drugiej kończyny. W fazie obciążenia miednica przesuwa się delikatnie w bok - w kierunku nogi podporowej tak aby rzut środka ciężkości ciała znajdował się dokładnie nad punktem podparcia Ruchy boczne miednicy najbardziej widoczne są podczas chodu wolnego; W trakcie biegu są zredukowane do minimum; Ruchy te realizowane są głównie w odc. lędźwiowym i st. biodrowych (na które składa się przywiedzenie, rotacja i odwodzenie) A. Zembaty kinezyterapia tom II
WYZNACZNIKI CHODU Wyznacznik drugi Przemieszczenie miednicy w płaszczyźnie czołowej Miednica lekko opada po stronie nogi przenoszonej. Staw biodrowy nogi obciążonej ustawia się w lekkim przywiedzeniu około 5 Staw biodrowy kończyny przenoszonej ustawia się o taka sama wartość w odwiedzeniu Pamiętajmy w przypadku prawidłowego chodu lekkie opadanie miednicy po stronie nogi przenoszonej z objawem Trendelenburga A. Zembaty kinezyterapia tom II
WYZNACZNIKI CHODU Wyznacznik trzeci Przemieszczenie miednicy w płaszczyźnie poprzecznej w fazie podwójnego podparcia. Miednica powinna się rotować w osi długiej ku przodowi w kierunku nogi, która rozpoczyna podparcie i jednocześnie do tyłu w kierunku nogi zakrocznej. Rotacja ta powinna wynosić około 5 w każdą stronę Staw biodrowy kończyny przenoszonej rotuje się o 5 na zewnątrz; Staw biodrowy kończyny obciążonej rotuje się o 5 do wewnątrz; A. Zembaty kinezyterapia tom II
WYZNACZNIKI CHODU Wyznacznik czwarty Określa wielkość kąta zgięcia stawu kolanowego kończyny podporowej w fazie pełnego obciążenia Powinno ono wynosić 20 Takie ustawienie stawu kolanowego powoduje minimalne wychylenia środka ciężkości ciała w górę i w dół chód jest wtedy bardziej ergonomiczny Chód z zablokowanym stawem kolanowym znacznie zwiększa koszt energetyczny A. Zembaty kinezyterapia tom II
WYZNACZNIKI CHODU Wyznacznik piąty Określa wielkość skrócenia kończyny w fazie przenoszenia w momencie kiedy oś poprzeczna stawu skokowo goleniowego mija płaszczyznę czołową (główną) ciała. Po stronie nogi przenoszonej dochodzi do lekkiego opadania miednicy (wyznacznik drugi) co wymaga pozornego skrócenia kończyny, tak aby mogła się ona zmieścić ponad podłożem. Skrócenie odbywa się we wszystkich trzech stawach ale największe jest w stawie kolanowym około 65 A. Zembaty kinezyterapia tom II
WYZNACZNIKI CHODU Wyznacznik szósty Określa kątową wielkość ruchów w stawie skokowo goleniowym w płaszczyźnie strzałkowej 15 wyprostu początek przetaczania; 20 zgięcia koniec propulsji. Zarówno zgięcie grzbietowe stopy w czasie uderzenia piety, jak i zgięcie podeszwowe stopy przy oderwaniu palców zwiększają efektywna długość kończyny A. Zembaty kinezyterapia tom II
Warto również pamiętać że: Kroki obydwu kończyn muszą mieć taka sama długość Czas obciążania obu kończyn musi być jednakowy Prawidłowa koordynacja pracy kończyn górnych i tułowia z pracą kończyn dolnych. W warunkach prawidłowych wykrokowi jednej kończyny dolnej towarzyszy wysunięcie do przodu przeciwnej kończyny górnej i rotacja tułowia w stronę wykrocznej kończyny dolnej W momencie kontaktu pięty z podłożem początek fazy podparcia pojawia się ruch odwiedzenia stopy powodujący ustawienie w rotacji zewnętrznej podudzia i uda. W momencie odbicia z palców występuje przywiedzenie stopy rozpoczynające rotację wewnętrzną
Faza podporu rozpoczyna się w momencie zetknięcia pięty z podłożem i kończy w momencie oderwania palucha stanowi 60% czasu jednego cyklu. Faza przenoszenia zaczyna się w momencie oderwania palucha od podłoża, a kończy w chwili zetknięcia pięty tej samej kończyny z podłożem stanowi 40% czasu jednego cyklu Faza podwójnego podparcia Sytuacja kiedy kończyna zakroczna (podporowa) ma jeszcze kontakt z podłożem poprzez przodostopie i paluch a kończyna wykroczna już zetknęła się z podłożem
W fazie podwójnego podparcia wyróżnia się: reakcję obciążenia i reakcję odciążenia reakcja obciążenia dotyczy kończyny której pięta uderza o podłoże Reakcja ta ma istotne znaczenie dla stabilności chodu. Kończący wymach kontakt piety z podłożem związany jest z gwałtowną zmiana pędu a towarzyszące temu wstrząsy i impuls siły są amortyzowane przez łańcuch kinematyczny obejmujący całe ciało. Warto pamiętać o znaczącym udziale krzywizn kręgosłupa w amortyzacji wstrząsów kręgosłupa
reakcja odciążenia dotyczy kończyny, której palce odrywają się od podłoża O skuteczności fazy odepchnięcia decyduje synchronizacja zgięcia podeszwowego stopy i wyprostu biodra Badania przeprowadzone przez Davida Wintera (1983), Chana i wsp.(1997) wykazały iż: Około 60% siły napędowej w czasie chodu wytwarzane jest właśnie w stawie skokowym. W czasie chodu skurcz mięśnia trójgłowego łydki w fazie odepchnięcia dostarcza energii napędowej rzędu 20J/kg masy ciała. W zależności od szybkości chodu w obrębie stawu skokowego wytwarzane jest od 40 60% energii niezbędnej do lokomocji Udział stawu biodrowego jest w tym względzie trzykrotnie a kolanowego sześciokrotnie mniejszy. W stawie biodrowym wytwarzane jest około 30% energii napędowej natomiast udział stawu kolanowego wynosi tylko 11% dla wolnego chodu i wzrasta do 22% w trakcie biegu
Parametry czasowo przestrzenne chodu Rytm lokomocji (częstotliwość cadence (c) liczba kroku) kroków liczba wykonanych kroków wykonanych w ciągu w ciągu jednej jednej min. min. Naturalny rytm lokomocyjny jest u kobiet o 6-9 kroków/min wyższy niż u mężczyzn i wynosi odpowiednio 122 i 116 kroków/ min Długość kroku stride length (L) odległość między kolejnymi punktami podparcia tej samej kończyny punktem wyznacznikowym może być pięta lub palce Wykrok step length odległość między charakterystycznymi punktami podparcia obydwu kończyn Średnia szybkość chodu V = (L x c) / 120[m/s] Przeciętna dł. kroku u dorosłego człowieka wynosi 1.5m
Zapis sił reakcji podłoża w fazie podparcia Składowa pionowa sił nacisku stopy na podłoże w czasie normalnej lokomocji ma przebieg o charakterystycznych dwóch załamkach przypominających siodło amortyzacja uderzenia pięty stopa płasko odbicie z przodostopia W momencie rozpoczynającym fazę podparcia na przednim zboczu wykresu pojawia się często niewielki załamek (UP) związany z uderzeniem pięty o podłoże.
Składowa pionowa ma dwa wyraźne szczyty związane z amortyzacją uderzenia stopy o podłoże (pierwszy szczyt) oraz odbiciem stopy od podłoża (drugi szczyt) Maksima przekraczają o około 15 20% wartość równą ciężarowi ciała. W fazie środkowej występuje okres odciążenia przeciętna wartość skłądowej pionowej w tej fazie wynosi 80% ciężaru ciała
Wykres charakterystyczny dla: większego szczytu obciążenie przodostopia i palucha niż pięty, Wykres oznacza krótszy czas kontaktu pięty z podłożem w porównaniu z czasem kontaktu przodostopia; Patologia: Wykres charakterystyczny w przypadku: krótszej kończyny, stopy końskiej, przykurczu zgięciowego stawu kolanowego
Wykres charakterystyczny dla: Wykres oznacza dłuższy czas kontaktu pięty z podłożem w porównaniu z czasem kontaktu przodostopia; Nieznacznie mniejsza wartość nacisku przodostopia w porównaniu z piętą; Patologia: Wykres charakterystyczny w przypadku: płaskostopia, zmian zwyrodnieniowych stawów kolanowych, kolan koślawych, ogólnie pojawia się przy braku propulsji
Wykres charakterystyczny dla: Wykres oznacza brak kontaktu części środkowej stopy z podłożem. Patologia: Wykres charakterystyczny w przypadku: stopy wydrążonej, chodu podskakującego np.: spastyczny mięsień trójgłowy łydki, u osób z chronicznym bólem pleców, konfliktem rzepkowo udowym stawu kolanowego
Wykres charakterystyczny dla: większego szczytu obciążenie pięty niż przodostopia Patologia: Wykres charakterystyczny w przypadku: płaskostopia, znacznej koslawości palucha - hallux, niewydolności mm. prostujących stopę i palce
Chód patologiczny
Chód koszący Spowodowany jednostronnym uszkodzeniem układu piramidowego. Ten rodzaj chodu związany jest z ułożeniem kończyny w patologicznym synergizmie wyprostnym (czynnościowe wydłużenie kończyny). Dochodzi tu również do tzw. chodu podskakującego podczas obciążenia przododstopia, wynikające ze wzmożonego reagowania mięśnia trójgłowego łydki na rozciąganie. Chód Parkinsonowski uszkodzenie jąder podstawy W przypadku takiego uszkodzenia, chory wykonuje małe kroczki, w zwolnionym tempie, bez współruchów kończynami górnymi. Start z miejsca, zmiana kierunku lub zatrzymanie się jest utrudnione. Czasami występuje przymusowy pęd do przodu, tyłu lub na boki.
Chód móżdżkowy Chód na szerokiej podstawie. Chory dodatkowo chwieje się i zatacza. Przy jednostronnym uszkodzeniu występuje zbaczanie w stronę ogniska chorobowego. Polecając choremu wykonanie kilku kroków w przód i kilku w tył, otrzymamy tzw. chód gwiaździsty Zwyrodnienia tylnopowrózkowe - Chód defiladowy, taktyczny Pacjent wykonuje niepewne ruchy, dużymi krokami, różnej długości, nadmiernie zgina nogi w kolanach, gwałtownie wyrzuca stopy, uderzając jednocześnie piętą o podłoże. Przy zamkniętych oczach zaburzenia czucia ułożenia i ruchu jeszcze bardziej się zwiększają. Chód kaczkowaty W trakcie chodu dochodzi do opadania miednicy z powodu osłabienia mięśni pośladkowych średnich.
Rodzaje chodu w przypadku uszkodzenia rdzenia kręgowego Chód może być w tym przypadku poprzeczno-niedowładny wiotki - porażenie wiotkie. W tej sytuacji pacjent chodzi bez odrywania stóp od podłogi, bardzo powoli, (powłóczenie) z asekuracją lub pomocą ortopedyczną. Chory często ugina nagle kolana podczas chodu i chodzenie bez aparatu stabilizującego może być w pewnych przypadkach niemożliwe. W przypadku uszkodzenia rdzenia z porażeniem spastycznym chód poprzeczno niedowładny kurczowy chory ma wyprostowane kończyny dolne, z trudnością odrywa je od podłogi, zahacza palcami o podłoże. Występuje zwieranie i krzyżowanie się nóg. Pacjent nie potrafi oprzeć pięt o podłoże. Chód taki nazwiemy chodem nożycowym. W przypadku porażenia całkowitego obu kończyn, chód możliwy jest tylko przy pomocy kul. Chory w trakcie chodu wykorzystuje mięśnie tułowia do przerzucenia kończyny nieobciążonej do przodu, natomiast chód z kulami odbywa się na zasadzie chodu kangurowego.
Zaburzenia chodu w przypadku porażenia wybranych mm. kończyn dolnych Niewydolność mięśni zginaczy biodra - pacjent przenosi kończynę chorą poprzez obrót miednicy w zdrowym stawie biodrowym z wyrzucaniem chorej kończyny. Niewydolność mięśnia trójgłowego łydki nie występuje przetoczenie i odbicie stopy, wspięcie na palce i podskok. Chód określany jest mianem chodu szczudłowatego. Pacjent ma trudności z chodzeniem pod górę. Niewydolność prostowników stopy- występuje opadanie stopy czyli tak zwany chód brodzący ( chód koguci, chód bociani ). Pacjent nadmiernie zgina kończynę w stawie biodrowym i kolanowym, dodatkowo przy położeniu pięty na podłoże usłyszymy charakterystyczne klapnięcie.
Literatura: 1. Błaszczyk J. W. Biomechanika Kliniczna. AWF Katowice, 2010. 2. Zembaty A. Kinezyterapia. Tom II. Wydawnictwo Kasper 2002. 3. Tejszerska D. Świtoński E. Gzik M. Biomechanika narządu ruchu człowieka. Politechnika Śląska Gliwice, Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii i Eksploatacji PIB. 2011. 4. Oatis C. A. Kinesilogy. The mechanics& pathomechanics of human movement. Lippincott Williams&Wilkins, 2009. 5. Nowotny J., Saulicz E. Niektóre zaburzenia statyki ciała i ich korekcja. AWF Katowice 1993. 6. Nowotny J. Podstawy fizjoterapii. Wyd. Kasper 2004. 7. Nowotny J. Edukacja i reedukacja ruchowa. Wyd. 2003.