Строение стопы
Стопа является эластичной, податливой структурой в фазу стояния на всей стопе при ходьбе и жестким рычагом в фазу отталкивания. Способность сгибать пальцы ног относительно остальной части стопы в плюснефаланговых суставах является одной из ключевых особенностей ходьбы, которые позволяют человеку эффективно ходить и бегать на двух ногах. По сравнению с обезьянами, у человека имеются более короткие и прямые фаланги, головки плюсневых костей ориентированны дорзально и имеют широкую медиолатеральную суставную поверхность. Во время ходьбы ориентация головок плюсневых костей обеспечивает большую площадь суставной поверхности, по которой скользит основание первой фаланги пальца и, тем самым, увеличивает диапазон движений при разгибании в плюснефаланговых суставах. Наши предки либо ходили босиком, либо носили минималистскую обувь типа сандалий. Первые свидетельства использования сандалий зарегистрированы 10 000 лет назад. Большинство типов обуви до недавнего времени были предельно простыми, не имели супинаторов, амортизаторов, удерживающих берцев и других функциональных приспособлений, которые повышают комфорт и уменьшают нагрузку, приходящуюся на структуры стопы. В процессе эволюции у человека ношение обуви постепенно привело к ослаблению внутренних мышц стопы.
При разгибании пальцев стопы в плюснефаланговых суставах работает механизм лебедки, что укрепляет свод стопы. Разгибание пальцев ног натягивает подошвенный апоневроз, который представляет собой широкий слой волокнистой ткани. Его коллагеновые волокна расположены на подошвенной поверхности стопы от пятки до пальцев. При разгибании плюсне-фаланговых суставов происходит натяжение подошвенного апоневроза. Он притягивает головки плюсневых костей по направлению к пяточной кости, создавая силу, которая поднимает продольный свод, противодействует сжимающей силе со стороны веса тела и придает жесткость всей стопе в целом. Изменяется ось вращения суставов, что меняет ориентацию свода и увеличивает его эластичность. При ходьбе в конце фазы стояния на всей стопе возрастает активность внутренних мышц-сгибателей. Своим напряжением они уравновешивают моменты разгибания в суставах. Мышцы играют роль в поддержании продольного свода стопы и стабилизации всех суставов стопы. В фазу отталкивания головки плюсневых костей и дистальные фаланги являются теми структурами, которыми стопа контактирует с землей и выдерживает нагрузку. Реакция опоры, которая приходится на дистальные фаланги, создает момент, заставляющий разгибаться пальцы. Внутренние мышцы стопы, особенно сгибатель большого пальца стопы и мышцы, отводящие большой палец стопы, активны в конце фазы стояния на всей стопе. Их напряжение уравновешивает разгибательный момент в плюснефаланговых суставах. Для поддержания устойчивости стопы во время движения активные мышцы действуют совместно с пассивными механизмами, такими как воротный механизм.
Рис. 1. Работа механизма лебедки стопы.
(A) Разгибание в плюсне-фаланговых суставах помогает укрепить стопу за счет лебедки или воротного механизма. Разгибание пальцев создает напряжение в подошвенном апоневрозе, которое подтягивает пяточную кость к головкам плюсневых костей. Изгиб продольного свода стопы создает силу, направленную вверх. (B) В фазу отталкивания головки плюсневых костей и дистальные фаланги являются точками контакта стопы с землей и несут нагрузку. Реакция опоры (vGRF) действует на дистальные фаланги на расстоянии R от центра суставов, создавая момент, который вызывает их разгибание (C) Активность собственных мышц-сгибателей в конце периода опоры, уравновешивает момент разгибания в плюсне-фаланговых суставах. В качестве плеча рычага мышц-сгибателей выступает r, расстояние от центра сустава до опоры. (Sichting F,2020, Welte L, 2018).
Конструкция обуви
Рокерная подошва – это тип жесткой подошвы, у которой имеется скошенный передний или задний край. Рокерный скос в переднем отделе подошвы называется пальцевой пружиной. Рокерная подошва характеризуется такими показателями, как высота, угол скоса относительно земли и относительно продольной оси ботинка. Скос носка это изгиб подошвы обуви вверх. Изгиб подошвы вверх, который начинается под головками плюсневых костей, ориентирует пальцы дорзально относительно остальной части обуви. Скос носка это угол между основной фалангой большого пальца и горизонтальной поверхностью опоры. Рокерный скос подошвы в передней части обуви приподнимает носочную часть обуви над землей в дорзальном направлении и, таким образом, удерживает пальцы ног в постоянно разогнутом положении. Если рокерная обувь имеет заметный скос в переднем и заднем отделах, то она называется обувь коромыслом. В такой обуви подошва толще, чем обычная и имеет выпуклость вниз, в направлении земли.
Рис. 2 . Рокерный скос в переднем отделе обуви. Обувная подошва поднята кверху. (A) Угол скоса - это угол между основной фалангой большого пальца и горизонтальной поверхностью опоры. (B) Восходящая кривизна под головками плюсневых костей ориентирует пальцы стопы и носочную часть обуви в дорзальном направлении относительно средней и задней части обуви. (Sichting F, 2020, Welte L, 2018).
Механизм действия
Рокер влияет на работу стопы и целиком на всю ходьбу. Считается, что скос носочной части подошвы помогает передней части стопы перекатываться вперед в фазу стояния на всей стопе и фазу отталкивания ходьбы, когда пятка отрывается от земли. Скос облегчает переднее смещение общего центра масс тела и дает возможность стопе совершать наклон вперед в конце фазы опоры на всю стопу. Скос величиной от 10° до 40° изменяет момент в суставах стопы. Большая степень скоса обувного носка воздействует на плюснефаланговые суставы таким образом, что приводит к снижению роли пальцев во время ходьбы. Если в обуви носочный рокер сочетается с толстым каблуком, то угол сгибания всей стопы в голеностопном суставе увеличивается и угол разгибания пальцев относительно поверхности опоры уменьшается.
Рис. 3. Стопа в рокерной кроссовке с поднятой носочной частью. Пальцы разогнуты в плюснефаланговых суставах за счет скоса носка и подъема пятки.
Нулевой перепад - это разница в высоте между пяткой и плюснефаланговыми суставами стопы.
Основной медицинский эффект рокерной подошвы – это перераспределение давления под стопой. Рокерный скос устанавливает пальцы стопы в разогнутом положении, ограничивает амплитуду движения в плюсне-фаланговых суставах, особенно разгибание, предотвращает движение мягких тканей на подошвенной поверхности стопы в переднем отделе, перераспределяет нагрузку с переднего отдела стопы на средний и задний, где имеется большая площадь. Снижение нагрузки уменьшает травму мягких тканей стопы.
Подъем носка облегчает способность передней части стопы перекатываться вперед в конце опорного периода и влияет на способность стопы функционировать в качестве жесткого рычага, особенно в фазу отталкивания от опоры. Разгибание пальцев вызывает работу механизма лебедки. Скошенный носок оказывает влияние на жесткость свода стопы и механизм ворота. Постоянное разгибание пальцев обеспечивает действие лебедки, поднимает свод, устанавливает пальцы в разогнутом положении, в то время, как в стандартной обуви пальцы находятся в нейтральном, горизонтальном положении, и тем самым обеспечивают плоский свод. При разгибании плюснефаланговых суставов, наблюдается снижение поглощения и рассеивания энергии во время динамических сжатий стопы. В ровной подошве, в отличие от скошенной, при ходьбе или беге в фазу заднего толчка пальцы ног сгибаются в плюснефаланговых суставах в подошвенном направлении для того, чтобы оттолкнуться от опоры. В рокерной обуви подъем носка предотвращает сгибание, одновременно увеличивая свод стопы и делая его более жестким. Эффект придания жесткости выражен в фазу стояния на всей стопе, когда стопа нагружается весом тела до того, как начинается разгибания пальцев, когда пятка начинает отрываться от опоры. Передний скос подошвы уменьшает потребность внутренних мышц стопы в активном участии для поддержания свода стопы. Скос подошвы оказывает влияние на энергозатраты. Во время движения мышцы-сгибатели пальцев выполняют значительный объем работы. Работа, выполняемая мышцами-сгибателями пальцев, пропорциональна амплитуде вращения в плюснефаланговых суставах во время отталкивания, когда суставы разгибаются. Пассивное разгибание пальцев перед отталкиванием, благодаря скосу подошвы, уменьшает угол, на который поворачиваются пальцы, пока мышцы активны. Это воздействие уменьшает затрату энергии на работу внутренних мышц стопы, что является причиной атрофии мышц у людей, которые носят обычную обувь. Подъем пальцев увеличивает жесткость продольного свода во фазу опоры на всю стопу за счет включения механизма лебедки. Большой угол скоса носка уменьшает общую амплитуду поворота в плюснефаланговых суставах, задерживает время прохождения ОЦМ через суставы. В результате кинематических изменений уменьшается момент сустава и отрицательная работа. Сравнение результатов, полученных при использовании скоса носка, с результатами, полученными при ходьбе босиком, показывает, что скос носка способен компенсировать негативное влияние жесткой обуви на работу плюснефаланговых суставов. В результате работы механизма лебедки разгибание пальцев ног увеличивает напряжение подошвенного апоневроза, что приводит к увеличению продольного свода стопы. Если увеличение угла разгибания сустава, вызванное подъемом носка, небольшое, то оно не влияет на жесткость свода стопы.
Скос носка влияет на движение в плюснефаланговых суставов, о чем свидетельствует значительное уменьшение отрицательной работы, связанной с увеличением угла скоса носка. Отрицательная работа самая высокая при ходьбе босиком и в обуви с углом скоса 10°. При ходьбе босиком достигается высокий пиковый угол разгибания в суставах, что требует высокой угловой скорости движения и большой отрицательной работы. Подошва с углом скоса 10° показывает уменьшение угла разгибания при дистальном смещении центра давления по стопе во время отрыва от опоры носка, что увеличивает момент и отрицательную работу. Дистальный сдвиг центра давления в сандалиях является следствием отталкивания от жесткой подошвы, что отражается на более раннем прохождении центром давления линии плюснефаланговых суставов (Sichting F.). С увеличением угла скоса центр давления проходит по суставам относительно медленно в фазе стояния на всей стопе. Задержка во времени объясняет уменьшение амплитуды движения в суставах и траектории центра давления в дистальном направлении. Отмечается значительное снижение отрицательной работы при уменьшении амплитуды движения суставов и траектории ОЦМ, связанной с увеличения угла скоса. Происходит постепенное снижение пиковой угловой скорости с увеличением угла скоса, который нейтрализует негативное влияние жесткой обуви на суставы. В то время как жесткая обувь придает жесткость сочленениям стопы, скос носка компенсирует эффект большого перемещения центра давления дистальней плюснефаланговых суставов, уменьшение общей амплитуды движения в суставах и пиковую угловую скорость, тем самым уменьшая отрицательную работу. Внутренние мышцы стопы играют роль в удержании плюснефаланговых суставов, которые сгибаются в конце опорного периода при ходьбе и беге. Уменьшение отрицательной работы в суставах предполагает, что внутренние мышцы стопы должны выполнять меньшую эксцентрическую работу, чтобы контролировать разгибание в суставах во время ходьбы. Скос носка уменьшает момент в суставах, снимает с внутренних мышц стопы часть работы, необходимой для придания жесткости этим суставам. Для выработки заданного количества энергии требуется сокращать большую долю мышечных пучков, чем в более крупных мышцах конечностей. Небольшая разница в работе мышц приводит к существенным различиям при длительной нагрузке, когда человек делает от 4000 до 6000 шагов в день. Ношение обуви со скосом подавляет или ослабляет способность внутренних мышц стопы генерировать силу. Прямые последствия слабости внутренних мышц стопы неизвестны. Слабость мышц способствует плоскостопию и подошвенному фасцииту, который вызван чрезмерной и повторяющейся нагрузкой на продольный свод стопы. Фасциит является самой частой проблемой стопы у людей, которые носят стандартную обувь. При высоких нагрузках сокращение внутренних мышц стопы предотвращает натяжение подошвенного апоневроза и ослабление внутренних мышц стопы, что ограничивает их способность выполнять эту функцию. Внутренние мышцы стопы сокращаются изометрически, когда пальцы ног сгибаются во время ходьбы и сокращаются концентрически при высоких нагрузках.
Показания
Рокерная обувь показана при артрозе голеностопного сустава или артрозе суставов плюсны и предплюсны. Если подошва скошена в переднем и заднем отделах, то рокер расположен по всей стопе от пятки до носка. Конструкция эффективна при ограничении движения голеностопного сустава и суставов среднего отдела стопы. Во время ходьбы скос пятки уменьшает величину переднего толчка пяткой, т.к. нога быстро перекатывается с пятки на средний отдел стопы и на всю стопу, что облегчает процесс сгибания-разгибания стопы. Если скос расположен в носочной части обуви под головками плюсневых костей, снижается давление под головками плюсневых костей и уменьшается подвижность в суставах пальцев. Скос подошвы позволяет разгрузить и снизить давление на передний отдел стопы, особенно в области головок плюсневых костей, ограничить амплитуду движений в суставах, что снижает риск травм.
Рис. 4. Рокерный скос в переднем отделе обуви
Рис. 5. Рокерный скос в переднем и заднем отделе обуви, подошва коромыслом
Рокерные подошвы могут эффективно снижать пиковое давление под стопой. В зависимости от конструкции рокерная подошва позволяет разгрузить пальцы, пятку, или одновременно, как передний, так и задний отделы стопы. У больных диабетом перераспределение давления под стопой обеспечивает щажение кожных покровов и препятствует развитию язв. Рокерная обувь используется для профилактики и лечения кожных дефектов у больных с диабетической стопой. т.к. снижает риск появления язв на подошвенной поверхности стопы у диабетиков. Рокер перераспределяет давление по стопе. При величине скоса рокера 24° пиковое давление снижается на 30% по сравнению с обычной обувью. Снижение давления наблюдается в медиальной и центральной части переднего отдела стопы и в области большого пальца. Одновременно имеется повышение давления под пяткой, в средней части стопы и в боковых частях переднего отдела стопы. (Schaff P S). У больных с диабетической нейропатией, использование ортопедических стелек в обычной обуви снижает пиковое давление на 32%. Для достижения максимального лечебного эффекта рекомендуется сочетать рокерную обувь с индивидуальными ортопедическими стельками, которые соответствуют форме стопы. Стельки, которые корректируют форму стопы, способны снизить давление на 1/5. При сочетании стелек с обувью на рокерной подошве пиковое давление снижается на более, чем на 1/3 (Cavanagh P R.)
Противопоказания
В рокерной обуви отсутствует опора на всю подошвенную плоскость вдоль продольной оси стопы. Рокерная подошва нарушает равновесие человека, что ограничивает ее применение в медицине. Для пользования рокерной обувью необходимо хорошее чувство равновесия, устойчивое стояние, отсутствие шатания при ходьбе.
Скос пальцев может способствовать ослаблению мышц стопы и повышению восприимчивости к распространенным патологическим состояниям, обусловленными перегрузкой. Слабость или дисфункция внутренних мышц стопы, которые играют роль в ее стабилизации, могут быть связаны с повреждениями от чрезмерного использования, включая подошвенный фасциит, котррый вызывает боль и тугоподвижность в суставах стопы и приводит к образованию пяточной шпоры при повторяющейся нагрузке на свод стопы. Фасциит может быть связан со слабыми мышцами стопы, которые не обладают достаточной силой, чтобы обеспечить стабильность стопы, что увеличивает нагрузку на связки, которые расположены на подошвенной поверхности стопы. Слабые мышцы стопы могут быть следствием конструкции современной обуви, которая пассивно поддерживает продольный свод стопы.
Рис. 6. Деревянная колодка компании Персей для обуви с приподнятым носком
Рис. 7. Обувь компании Персей
ЛИТЕРАТУРА
Schaff P S , Cavanagh P R. Shoes for the insensitive foot: the effect of a "rocker bottom" shoe modification on plantar pressure distribution. Foot Ankle . 1990 Dec;11(3):129-40.
Welte L, Kelly L A , Lichtwark G A ,. Influence of the windlass mechanism on arch-spring mechanics during dynamic foot arch deformation. J R SocInterfac. 2018 Aug;15(145):20180270.
Sichting F, Holowka N. B., Hansen O. B., Lieberman D E. Effect of the upward curvature of toe springs on walking biomechanics in humans. Sci Rep. 2020; 10: 14643.
Мицкевич В.А. врач травматолог-ортопед, докт. мед. наук
