Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы профилактики и лечения патологических состояний стопы 10
1.1. Анатомическая особенность строения стопы и ее биомеханическая функция 10
1.2. Причины возникновения патологических состояний стоп и нарушение функций опорно-двигательного аппарата 24
1.3. Классификация патологических состояний опорно-двигательного аппарата 35
1.4. Ортопедическая помощь при патологических изменениях стоп, как основа профилактики и лечения 43
Выводы по первой главе 60
Глава 2. Разработка концепции методики автоматизированного проектирования конструкций вкладных ортопедических приспособлений 61
2.1. Получение антропо-биометрических характеристик стопы 61
2.2. Разработка ассортимента межстелечных слоев 79
2.3. Обоснование принципов проектирования вкладных ортопедических приспособлений 87
Выводы по второй главе 95
Глава 3. Программная реализация процесса автоматизированного проектирования вкладных ортопедических приспособлений обуви 96
3.1. Обоснование выбора технико-программных средств 96
3.2. Обоснование выбора способа описания контуров и поверхностей геометрических объектов 99
3.3. Описание стелек в базе данных. 104
3.4. Представление корригирующих и разгружающих элементов в базе данных 107
3.5. Описание интерфейса программы 112
3.6. Реализация процедур программного комплекса 119
3.7. Апробация результатов научно-технологических разработок 132
3.7.1. Исследования на ТОДП 132
3.7.2. Расчет экономической эффективности 141
Выводы по третьей главе. 143
Общие выводы по работе 144
Список литературы 146
Приложения 156
- Анатомическая особенность строения стопы и ее биомеханическая функция
- Получение антропо-биометрических характеристик стопы
- Обоснование выбора способа описания контуров и поверхностей геометрических объектов
- Расчет экономической эффективности
Введение к работе
Актуальность темы. Отклонения от нормального анатомического роения н функционирования опорно-двигательного аппарата человека ляются одним нз серьезных недугов. Распространенность н частота ^формаций стоп, неудовлетворенность ортопедическими изделиями ставят трос оказания ортопедической помощи лицам с нарушениями строения и ^нкционирования стоп в ряд актуальных проблем ортопедии и ютезирования.
Среди многообразия патологических состояний опорно-двигательного шарага наиболее распространены статические деформации стон. Стойкие ;формации стоп мало поддаются консервативным методам лечения, а >рригируюшие оперативные вмешательства не дают полного восстановления -рукгуры и функции стопы. Поэтому своевременная профилактика атических деформаций стоп и лечение их на начальных стадиях имеют іжное значение для сохранения полноценного физического состояния и іудоспособности человека.
Вариабельность и тяжесть патологических изменений стопы определяют тажность конструкций ортопедических изделий, которые должны хггветствовать не только эксплуатационным, но и медицинским требованиям, с/
Широко используемыми приспособлениями при статических гформациях являются различные конструкции вкладных стелек, внутренняя оверкность которых подобна рельефу плантарной поверхности стопы. Такие гельки вкладываются в стандартную обувь. Их назначение заключается в ассивном поддержании в необходимом положении стопы, наилучшим образом аспределяя нагрузку на ногу в целом.
Подбор ортопедических приспособлений и их изготовление с учетом ндивидуальных особенностей стоп пациента является процессом трудоемким, ребующнм высокой точности, а, следовательно, и значительных заіраї
времени. Поэтому актуальным является вопрос сокращения временных материальных затрат, связанных с изготовлением ортопедических етег Одним из путей решения этой проблемы является автоматизирован ч проектирование вкладных ортопедических приспособлений, кото положительно отразится не только на их качестве, но и профилактик< лечении прогрессирования статических деформаций.
Решение задачи автоматизированного проектирования может б реализовано путем формирования рельефа стельки из отдельных моду/ стельки и межстелечных слоев - деталей, которые служат перераспределения нагрузки по плантариой поверхности стопы. Комбинаї базового модуля с различными межстелечными слоями позволяют получ рельеф стельки для любого сочетания статических деформаций.
Цель и задачи исследований. Цель диссертационной рабі заключается в совершенствовании процесса проектирования вкладі \/ ортопедических приспособлений путем его автоматизации.
Для достижения поставленной цели в работе решены следуюі основные задачи:
проведен анализ патологических отклонений от нормального строе стопы, причин их возникновения; . . .
систематизированы и обобщены классификации патологичесі состояний опорно-двигательного аппарата;
проведены антропо-биометрические исследования стоп;
упорядочено многообразие статических деформаций стоп и выявл их особенности;
проведен анализ конструкций вкладных ортопедичес приспособлений, применяющихся при профилактике статических деформаці
- установлены форма и размеры . обобщенных плантограмм
обследованном коллективе женщин для диагностики состояния ста
автоматизированном режиме;
- предложен ассортимент межстелечных слоев для проектирования
алиых ортопедических стелек при различных статических деформациях;
- выделены группы деформаций и их особенности с рекомендациями
умализопанных назначений для обследованной группы;
- предложен метод описания стельки н межстелечных слоев в ЭВМ;
- предложена методика автоматизированного проектирования вкладной
опедической стельки из модульных элементов.
Методы исследований. Поставленные в работе задачи решались с ользоваиием основных положений теории САПР; конструирования обуви; іплексной методики исследований, объединяющей методы теоретического лиза на основе антропо-биометричееккх измерений и оценке состояний п; математической статистики; классификации н кодирования информации; шелительной техники к программирования.
В качестве объектов исследования выступают стопы женщин различного раста. Для оценки анатомического состояния стоп и их динамики [олъзованы плантографический и педографический методы исследования.
Научная новизна работы заключается в:
создании классификации патологических состояний опорно-ігательного аппарата;
- разработке структуры классификации статических деформаций и их
беншктей; .
- разработке способа установлення диагноза в автоматизированном
шме на основе контуров обобщенных плантограмм, отражающих все
эгообразие возможных деформаций и их сочетаний;
- создании информационного обеспечения, позволяющего формализовать
начсння в соответствии с выделенными деформациями, их особенностями и
:дложенным ассортиментом модулей межстелечных слоев;
- разработке методики автоматизированного проектирования
іригируюших и разгружающих приспособлений обуви.
Практическую значимость работы представляют:
информационное обеспечение автоматизированного проектирован конструкций вкладных ортопедических приспособлений обуви с учел индивидуальных особенностей стоп;
программный комплекс, реализующий проектирование стельки размещение на ее поверхности межстелечных слоев;
- повышение лечебно-профилактического эффекта за счет сокращен!
сроков изготовления ортопедических изделий и улучшения их качества.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались обсуждались на заседаниях кафедры технологии изделий из кожи Московскс государственной академии легкой промышленности, межвузовской научно конференции «Оборудование и технологии сферы быта и услуг (г.Шахты, 1998г.). Научно-практические результаты работы переданы в цент ортопедической медицины «ОрМед» (г.Москва) и Реутовски экспериментальный завод средств протезирования.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано четыр статьи. Учебные пособия: «Характеристика анатомо-биомеханическоп состояния стопы», «Характеристика опорно-кинематической функции стопы» і «Анализ конструкций корригирующих приспособлений» используются прі изучении дисциплин "Основы прикладной антропологии и биомеханики" "Конструирование изделий из кожи" студентами специальностей 28.11 и 28.12.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, три
глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Объем
диссертации составляет Z.O't страниц текста, включающих ч?т рисункоЕ
и -э таблиц. Список использованной литературы содержит 13С
источников. Приложение представлено на страницах.
Анатомическая особенность строения стопы и ее биомеханическая функция
Стопа в течение физиологогенетического развития претерпела значительные изменения вследствие приспособления человека к прямохождению. Вертикальное положение тела человека и все его действенные движения: ходьба, бег, прыжок тесно связаны с особенностями строения и функции стопы. Человек опирается о землю всей стопой, включая и ее задний отдел - пятку. Передний отдел стопы человека пронирован, задний же стоит прямо или иногда несколько супинирован. Относительное удлинение предплюсны превратило стопу в орган опоры. Благодаря наличию сводов, стопа обладает характерной пружинностью, которая значительно смягчает толчки стопы о землю во время ходьбы. В связи с потерей хватательных свойств пальцы стопы сильно укоротились. Большой палец стоит в ряду с другими пальцами и не отличается особой подвижностью, как на руке. Стопа человека -искусно собранный механизм, состоящий из 26-ти деталей-костей [11] (рис. П.).
Стопа имеет следующие участки: предплюсневый (или пяточный), плюсневый (или геленочный) и пальцевый (или носочный) [42].
Предплюсна состоит из семи коротких губчатых костей, расположенных в два ряда: в проксимальном - таранная и пяточная, в дистальном -ладьевидная, три клиновидных и кубовидная кости. Таранная кость сочленяется с костями голени; кубовидная и три клиновидных сочленяются с костями плюсны. Плюсневой участок стопы состоит из пяти тонких трубчатых костей. В каждой из них различают тело и два конца: задний, проксимальный, -основание, и передний, дистальный, - головку. Счет костей ведется со стороны медиального (внутреннего) края стопы (от большого пальца к мизинцу).
Кости пальцев стопы представлены фалангами. В каждой фаланге различают тело и два конца: задний, проксимальный, конец - основания фаланги, и передний, дистальный, конец - головку фаланги. Дистальный конец каждой фаланги имеет бугорок [18]. Проксимальные фаланги сочленяются с плюсневыми костями суставными поверхностями сферической формы. Во всех пальцах, за исключением первого, имеются три фаланги, из которых последняя является ногтевой (остальные две - основная и средняя). На плантарной поверхности первого плюснефалангового сочленения располагаются две сесамовидные кости.
Отделы стопы фиксированы прочным связочным аппаратом, а кости, сочленяясь между собой, образуют большое число суставов. Среди них следует выделить две группы суставов, идентичных по функции и объединенных в два крупных сочленения. Это сустав Шопара и сустав Лисфранка (рис.1.2.).
Многочисленные связки, сухожилия и мышцы образуют систему упругих сводов - два продольных и один поперечный. В свою очередь продольные своды подразделяют на наружный (латериальный) - опорный, который включает в себя пяточную, кубовидную и две наружные плюсневые кости и внутренний (медиальный) - рессорный, который образован таранной, ладьевидной, тремя клиновидными и первыми тремя плюсневыми костями.
Свод стопы проходит через клиновидные, кубовидную и основание головок плюсневых костей. Сводчатая форма стопы удерживается системой арок (продольными: внутренней и наружной и поперечной передней (рис. 1.3.)). Продольная часть подошвенного свода, идущая вдоль длинной оси стопы, опирается на внутреннюю и наружную арки, поперечная часть свода - на переднюю поперечную арку.
Внутренняя арка перекинута между задней опорой (бугром пяточной кости) и передне-внутренней (головкой первой плюсневой кости). Вершиной внутренней арки является ладьевидная кость, отстоящая от плоскости опоры на15-18мм, если стопа находится под нагрузкой. Внутренняя арка эластична. При опоре стопы с нагрузкой внутренняя арка слегка прогибается, что достигается ее удлинением, т.к. при нагрузке стопы головка первой плюсневой кости удаляется от пяточного бугра. С прекращением нагрузки кривизна внутренней арки восстанавливается.
Наружная арка соединяет заднюю опору (бугор пяточной кости) с передненаружной головкой пятой плюсневой кости. Вершина наружной арки, кубовидная кость, приподнята на 3-5мм, над плоскостью опоры.
Передняя арка располагается поперечно стопе. Опорными поверхностями передней арки служат головки первой и пятой плюсневых костей (рис.1.4.).При ходьбе без обуви передняя арка удерживает всю тяжесть тела; в конце каждого шага с момента, когда пятка отрывается от опоры, кривизна передней арки уменьшается.
Получение антропо-биометрических характеристик стопы
Для подбора вкладных приспособлений в целях профилактики и коррекции статических деформаций стоп, необходимо правильно определить наличие и степень тяжести деформаций стопы. Существует множество способов получения необходимых при этом данных об анатомо-биомеханическом состоянии стопы.
Всесторонний анализ ранее проведенных работ [10,34,49,50,55] дал основание заключить, что приемлемым следует считать плантографический метод исследования, как наиболее доступный при массовых обмерах стоп. Он привлекателен на наш взгляд тем, что обеспечивает получение сведений о стопе, определяющих ее морфофизиологическое состояние: отражает все опорные поверхности, их взаимное расположение, характер деформации стопы и отвечает поставленным задачам.
Поэтому для создания банка антропометрических данных, определяющих морфофункциональные состояния стоп в статике, использованы методы расчетно-графического анализа, разработанные К.И. Ченцовой для определения состояния продольного свода и положения стопы [50] и С.Ф. Годуновым для определения положения пятки [55], а также результаты работ Г.Н. Крамаренко для установления положения первого пальца [10] и Н.А. Колесниковой для характеристики сводчатости дистального отдела стопы [49].
Для определения вида деформации ориентиром служит продольная ось стопы. В связи с этим вопрос о выборе ее направления является очень важным.
Впервые о направлении оси стопы заговорил Meyer (1858). Автор отметил важную роль большого пальца стопы при ходьбе, особенно в момент отталкивания стопы от опоры, когда он принимает на себя всю нагрузку. Это обстоятельство явилось причиной выбора направления оси 1 стопы, которая проходит через середину пятки и головку первой плюсневой кости (рис. 2.1,а). Основываясь на этих принципах, Meyer предложил строить стельку с прямым внутренним краем. Однако, по признанию самого автора, форма его стельки подходит только 22% стоп; 50% стоп она соответствует лишь приблизительно; остальным она не подходит вовсе. Основным дефектом этой стельки является то, что большому пальцу предоставляется много места за счет остальных пальцев.
Braatz (1897) рекомендует проводить ось 2 стопы через середину пятки и по оси второго пальца (рис. 2.1,а). Предполагается, что эта ось параллельна внутреннему краю стопы, однако в действительности это не так из-за большого разнообразия форм стопы.
По мнению H.Heidenzeih (1950) и H.Eckhardt (1952) продольная ось 3 стопы проходит через среднюю точку заднего края пятки и между первым и вторым пальцами с небольшим отклонением в сторону большого пальца (рис. 2.1,а).
Weber (1883), Г.И.Гурнер (1926,1927) и Г.А. Альберхт (1930), учитывая большое разнообразие стоп, полагали, что в переднем отделе стопы ось 2 должна проходить через середину линии пучков (рис. 2.1,а). Такое направление продольной оси, по мнению Г.И.Гурнера, показывает, что тяжесть тела при стоянии и ходьбе падает на грузовые продольные своды.
М.А. Петров (1950,1960), разделяя мнение Г.Н.Гурнера, находит, что продольная ось стопы 5 проходит через середину пятки, середину второго плюснефалангового сочленения и далее между вторым и третьим пальцами (рис. 2.1,а).
К.И. Ченцова (1967) также считает, что ось 5 нормальной стопы должна располагаться в центре отпечатка пятки и в переднем отделе пройти между 2 и 3 пальцами (плюсневыми костями) (см. рис. 2.1,а).
По мнению М.И. Куслика (1929,1933,1960) ось стопы начинается от самой удаленной точки пятки, пересекает середину шопаровского сочленения и проходит далее между 2 и 3 пальцами. Это направление, с точки зрения автора, обосновано анатомически и функционально как в статике, так и в динамике. Однако автор считает, что ось стопы может пройти через три указанные точки только при правильной форме стопы. В деформированной стопе провести оси одновременно через все три точки невозможно. Точку зрения М.И. Куслика о направлении оси поддерживает О.С. Доброва (1940, 1960).
С.Ф. Годунов установил, что осевая линия стопы в области пучков должна проходить через "центр моментов сопротивления" плюсневых костей. Для нормальной стопы, по мнению автора, осевая линия будет пересекать линию пучков на расстоянии 40-45% ширины пучков, считая от внутреннего края стопы. Однако положение осевой линии весьма вариабельно и зависит от формы стопы и наличия деформации. Для варусной (скрученной) стопы осевая линия смещается в сторону первого пальца, для вальгусной (раскрученной) и плосковальгусной стопы - в сторону пятого пальца. Наиболее распространенными вариантами являются стопы, осевая линия которых проходит на расстоянии 30%, 40% и 50% от внутреннего края стопы. Автор обращает внимание на разнообразие вариантов переднего отдела стоп и считает необходимым учитывать их в практике построения обувных колодок.
Ю.П. Зыбин (1960) считает, что с технической точки зрения в предмете, не имеющем симметричной формы, любая прямая может быть условно принята за ось. Различают анатомическую ось, как наиболее отвечающую характерным анатомическим параметрам стопы и проходящую через точку середины пятки и второй межпальцевый промежуток; технологическую - ось, которую используют при проектировании следа колодки и которая проходит через центр пятки и первый межпальцевый промежуток; ось симметрии пятки также проходит через середину пятки и применяется для проектирования симметричной пяточной части колодки.
Путем графического анализа плантограмм В.А. Фукин и Ю.П. Зыбин (1966,1967) определили направление проектирования оси 6 стопы, как биссектрису угла, образованного касательными к контуру или отпечатку стопы. В норме эта ось проходит через середину пятки, середину пучков и далее между 2 и 3 пальцами (рис. 2.1,6).
Н.А. Циркунова (1968) считает неоправданным определять направление оси на основании какой-либо одной функциональной характеристики стопы (направление переката, угол разворота стопы, величина нагрузки плюсневых костей, весовые соотношения отделов стопы и т.д.), так как выделение и абсолютизация какого-либо одного, часто второстепенного, фактора из целого комплекса причин, определяющих строение стопы, противоречит диалектическому пониманию формы и функции. В качестве "условной оси" стопы Н.А. Циркунова избрала медиальную кривую 7, которая является геометрическим местом центров множества хорд, проведенных перпендикулярно биссектрисе угла, образованного касательными к отпечатку или габариту стопы (рис. 2.1,в).
Обоснование выбора способа описания контуров и поверхностей геометрических объектов
Для проектирования контуров габарита, отпечатка, базового модуля стельки и модулей межстелечных слоев требуется выбрать способ их описания в виде кривых и поверхностей. Представление антропометрической информации и данных о корригирующих и разгружающих элементах в виде массива точек различных каркасов позволяет осуществить поставленную задачу.
Разрабатываемый программный комплекс должен обеспечивать построение гладкой кривой, которая, плавно изменяясь, последовательно проходила бы через заданное множество вершин Р = {Р0, Рь ..., Рт_ь Рт} с учетом их нумерации. При отыскании подходящего решения задачи приближения важную роль играет ломаная, звенья которой соединяют соседние вершины заданного набора. Эту ломаную называют контрольной или опорной, а ее вершины - контрольными или опорными. Во многих случаях она довольно точно показывает, как будет проходить искомая кривая, что особенно полезно при решении задачи сглаживания. Каждая вершина заданного массива является либо внутренней, либо граничной (концевой). В массиве Р вершины Рь (і = 1, .., m-1) внутренние, а вершины Р0 и Рт- граничные (концевые).
В отличие от ситуации, когда используется метод интерполяции, никаких ограничений на множество вершин не накладывается - они могут быть заданы как на плоскости, так и в пространстве, их взаимное положение может быть совершенно произвольным, некоторые вершины могут совпадать и т.д., поэтому описание нужной кривой следует искать в более общей, параметрической форме, например, в следующем виде
Если количество вершин в заданном множестве Р достаточно велико, то найти универсальные функциональные коэффициенты a,(t), как правило, довольно затруднительно. Если универсальные коэффициенты ai(t) все же найдены, то часто оказывается, что они наряду с нужными свойствами обладают и такими, которые не всегда удовлетворительно согласуются с ожидаемым поведением соответствующей кривой (например, кривая может осциллировать или отклоняться от заданного множества, местами очень заметно).
Для успешного решения поставленной задачи приближения, удобно привлечь кривые, составленные из элементарных фрагментов. В случае, когда эти элементарные фрагменты строятся по единой сравнительно простой схеме, такие составные кривые принято называть сплайновыми кривыми [130].
При написании параметрических уравнений каждого фрагмента привлекается только часть заданных вершин множества Р, а соответствующие коэффициенты имеют одинаковую природу: часто используются многочлены одинаковой степени, рациональные дроби, экспоненты и др.
Для описания элементарных кривых и вычисления их геометрических характеристик (информация о которых необходима при состыковке) в качестве функциональных коэффициентов обычно используются многочлены невысоких степеней, 2-й или 3-ей, в первую очередь потому, что они сравнительно просто вычисляются. Конечно, привлекая многочлены больших степеней, можно описывать весьма сложные кривые. Однако у таких многочленов существенно число коэффициентов, физический и геометрический смысл которых трудно понять. Кроме того, использование многочленов высокой степени может вызвать нежелательные колебания результирующей кривой.
Наибольшее распространение получили методы конструирования составных кривых (Безье, В-сплайновые), в которых используются кубические многочлены. Выбор в качестве функциональных коэффициентов кубических многочленов позволяет учесть и дифференциальные и внешнегеометрические требования, накладываемые на искомую кривую.
Все упомянутые выше способы описания составных кубических кривых, хотя и создают нужную гладкость в местах стыка участков кривой, все же они имеют один общий недостаток: получаемая кривая не проходит через заданный набор точек. Причем в методе Безье можно иметь лишь приблизительное представление, как она пройдет.
Принимая во внимание способ задания исходных данных (массивы точек) и то, что полученная кривая должна быть гладкой и проходить последовательно через все точки, в данном программном комплексе выбран метод интерполяционных кубических кривых Эрмита [130].
Для построения геометрического объекта по заданным вершинам Р0 и Pi и не нулевым векторам Qo и Qi используется (элементарная) кубическая кривая Эрмита, определяемая при помощи векторного уравнения, имеющего вид: R(t) = (1 - 3t2 + 2t3)P0 +12(3 - 2t)Pi + t (1 - 2t + t2)Q0 - t l - t)Qi, 0 t 1.
Матричная запись параметрических уравнений, описывающих лементарную кубическую кривую Эрмита
Рассматривая составную кривую у как целое, более естественно пользоваться единой параметризацией. Наиболее простой является параметризация с равноотстоящими целочисленными узлами. Для массива из m+1 опорных вершин составная кубическая эрмитова кривая строится из m элементарных фрагментов. Если каждый из них определен на единичном отрезке, то длина общего промежутка изменения параметра должна быть равной т. Взяв за 0 начальную точку на отрезке [0, т], узлы параметризации определяются по формуле
Расчет экономической эффективности
Определение эффективности основано на сравнении содержаний технологических процессов и затрат времени на изготовление ортопедических стелек при продольном и продольно-поперечном плоскостопии.
В таблице 3.3. приведены перечень операций и значения норм времени на изготовление ортопедических стелек по технологии Московской фабрики ортопедической обуви.
В таблице 3.4. приведены перечень операций и значения норм времени на изготовление ортопедических стелек по технологии Реутовского экспериментального завода средств протезирования. В таблице 3.5. - перечень операций и значения норм времени на изготовление ортопедических стелек по технологии, предполагающей формирование рельефа стельки из отдельных модулей, спроектированных с использованием разработанного программного комплекса.
Из таблиц 3.3. - 3.5. видно, что использование разработанного нами программного комплекса для проектирования вкладных ортопедических стелек ведет к изменению содержания перечня операций и снижению временных затрат на их изготовление.
Социальное значение и экономический эффект, предложенных в работе решений, подтверждены актами, прилагаемыми в приложении.
