Количественная оценка и моделирование биомеханических характеристик голеностопного сустава

Введение. Рассмотрена методика расчета биомеханических характеристик голеностопного сустава: жесткости сустава и моментов инерции стопы. В основу исследований положены экспериментальные данные сгибания- разгибания-ротации голеностопного сустава и реакций стопы при ходьбе, полученные в лаборатории кинезиологии и биомеханики Тартуского университета Эстонии. Метод. При расчете моментов инерции стопы применен закон сохранения кинетического момента с использованием данных о реакции стопы и последующей оценки импульса реактивной силы. Для оценки жесткости голеностопного сустава использованы данные эксперимента в фазе переноса стопы. Основные результаты. На основании экспериментальных данных реакций ступни и данных маркеров по угловым перемещениям рассчитаны моменты инерции стопы относительно двух осей голеностопного сустава. Для оценки жесткости сустава использованы данные эксперимента в фазе переноса стопы с последующим моделированием ее движения в этой фазе. Обсуждение. Результаты исследования могут помочь в разработке роботов с нижними конечностями. Кроме того, линейку данных по жесткостям голеностопного сустава можно использовать в качестве основы при разработке протоколов реабилитации сустава для конкретного пациента.

1. Donatelli R.A. Normal biomechanics of the foot and ankle // Journal of Orthopaedic & Sports Physical Therapy. 1985. V. 7. N 3. P. 91–95. https://doi.org/10.2519/jospt.1985.7.3.91

2. Donatelli R.A. Abnormal biomechanics of the foot and ankle // Journal of Orthopaedic & Sports Physical Therapy. 1987. V. 9. N 1. P. 11–16. https://doi.org/10.2519/jospt.1987.9.1.11

3. Karamanidis K., Arampatzis A., Brüggemann G.P. Symmetry and reproducibility of kinematic parameters during various running techniques // Medicine & Science in Sports & Exercise. 2003. V. 35. N 6. P. 1009–1016. https://doi.org/10.1249/01.mss.0000069337.49567.f0

4. The problem of the interrelation of coordination and localization // Bernstein N.A. The Co-Ordination and Regulation of Movements. Oxford: Pergamon Press, 1967. P. 15–59.

5. Перепелкин А.И., Мандриков В.Б., Краюшкин А.И., Атрощенко Е.С. Некоторые особенности механических свойств стопы человека // Вестник Волгоградского государственного медицинского университета. 2016. № 3(59). С. 22–24.

6. Оганесян О.В., Иванников С.В., Коршунов А.В. Восстановление формы и функции голеностопного сустава шарнирно-дистракционными аппаратами. М.: БИНОМ, 2003. 120 p.

7. Мусалимов В.М., Паасуке М., Гапеева Е., Ерелине Я., Ерофеев М.А. Моделирование динамики опорно-двигательной системы // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2017. Т. 17. № 6. С. 1159–1166. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2017-17-6-1159-1166

8. Мусалимов В.М., Перепелкина С.Ю., Паасуке М., Гапеева Е., Ерелине Я. Статистическое моделирование передаточных отношений коленного сустава // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2020. Т. 20. № 3. С. 446–454.

9. Белецкий В.В. Двуногая ходьба: модельные задачи динамики и управления. М.: Наука, 1984. 288 с.

10. Alexander R. McN. Mechanics of bipedal locomotion // Perspectives in Experimental Biology. V. 1. Oxford: Pergamon Press, 1976. P. 493– 504.

11. Esteban A.M., van’t Veld R.C., Cop Ch.P., Durandau G., Sartori M., Schouten A.C. Estimation of Time-varying ankle joint stiffness under dynamic conditions via system identification techniques // Proc. of the 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). 2019. P. 2119–2122. https://doi.org/10.1109/embc.2019.8856423

12. Cop Ch.P., Durandau G., Esteban A.M., van’t Veld R.C., Schouten A.C., Sartori M. Model-based estimation of ankle joint stiffness during dynamic tasks: a validation-based approach // Proc. of the 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). 2019. P. 4104–4107. https://doi.org/10.1109/embc.2019.8857391

13. Misgeld B.J.E., Zhang T., Lüken M.J., Leonhardt S. Model-based estimation of ankle joint stiffness // Sensors. 2017. V. 17. N 4. P. 713. https://doi.org/10.3390/s17040713

14. Витензон А.С., Петрушанская К.А. От естественного к искусственному управлению локомоцией = From natural to artificial control of locomotion. М.: МБН, 2003. 438 с.

15. Карпова Н.В. Классическая теория удара и ее применение к решению прикладных задач. СПб.: ОМ-Пресс, 2003. 184 с.

16. Пановко Я.Г. Введение в теорию механического удара. М.: Наука, 1977. 223 с.

17. Гилмор Р.Прикладная теория катастроф: в 2 кн. Кн.1 / пер. с англ. М.: Мир, 1984. 350 с.

18. Sanz-Morère C.B., Fantozzi M., Parri A., Giovacchini F., Baldoni A., Cempini M., Crea S. A Knee-Ankle-Foot Orthosis to assist the sound limb of transfemoral amputees // IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics. 2019. V. 1. N 1. P. 38–48. https://doi.org/10.1109/TMRB.2019.2895789

19. Nalam V., Adjei E., Lee H. Quantification and modeling of ankle stiffness during standing balance // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2021. V. 68. N 6. P. 1828–1837. https://doi.org/10.1109/TBME.2020.3023328

20. Roy A., Krebs H.I., Patterson S.L., Judkins T.N., Khanna I., Forrester L.W., Macko R.M., Hogan N. Measurement of human ankle stiffness using the anklebot // Proc. of the IEEE 10th International Conference on Rehabilitation Robotics. 2007. P. 356–363. https://doi.org/10.1109/ICORR.2007.4428450

21. Kato E., Kanehisa H., Fukunaga T., Kawakami Y. Changes in ankle joint stiffness due to stretching: The role of tendon elongation of the gastrocnemius muscle // European Journal of Sport Science. 2010. V. 10. N 2. P. 111–119. https://doi.org/10.1080/17461390903307834

22. Wind A.M., Rouse E.J. Neuromotor regulation of ankle stiffness is comparable to regulation of joint position and torque at moderate levels // Scientific Reports. 2020. V. 10. N 1. P. 10383. https://doi.org/10.1038/s41598-020-67135-x

23. Кузнецов А.О., Мусалимов В.М. Исследование движения нижних конечностей человека при ходьбе с использованием технологий инерциального захвата движения // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2013. № 5(87). С. 128–133.

24. Zhigailov S., Kuznetcov A., Musalimov V., Aryssov G. Measurement and analysis of human lower limbs movement parameters during walking // Solid State Phenomena. 2015. V. 220-221. P. 538–543. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.220-221.538