Technická univerzita v Mníchove
Klinika ortopédie a úrazovej chirurgie na Technickej univerzite v Mníchove Klinikum rechts der Isar (riaditeľ: Univ.-Prof. Dr. R. Gradinger) Distribúcia plantárneho tlaku počas tehotenstva a po ňom Anita Klement Kompletný odtlačok lekárskej fakulty Technickej univerzity v Mníchove na získanie doktorát z medicíny schválená dizertačná práca predseda: Univ.-Prof. DR. D. Neumeier 1. skúšajúci: Univ.-Prof. DR. R. H. A. Lampe 2. skúšajúci: Priv.-Doz. DR. R. H. H. Burgkart Dizertačná práca bola predložená na Technickú univerzitu v Mníchove 9. novembra 2009 a prijatá lekárskou fakultou 24. marca 2010.
Túto dizertačnú prácu venujem svojim rodičom. Strana 2
I Poďakovanie Srdečné poďakovanie patrí všetkým, ktorí umožnili túto prácu a dlhodobo ju s veľkým nasadením podporili: profesor Dr. Renée Lampe za zadanie témy. Vyštudovaný fyzik Jürgen Mitternacht, ktorý bol vždy po mojom boku a dal správny impulz, najmä v zložitých úsekoch, a tak zohral kľúčovú úlohu v úspechu tejto dizertačnej práce. Moje špeciálne poďakovanie patrí mnohým testovaným osobám, ktoré často cestovali na veľké vzdialenosti a často sa dostali do zložitých podmienok pre popôrodné merania. Ďakujem rodine a priateľom, ktorí sú so mnou už dlho. Strana 3
III Skratky BKD. Čas kontaktu so zemou BMI. Index telesnej hmotnosti, BMI = (telesná hmotnosť v kg): (výška v metroch) ² BW. Telesná hmotnosť, sily sú často vyjadrené v% BW. COM. Ťažisko, zameranie hmoty, zameranie segmentu CT. Počítačová tomografia DSP. Zameranie na tlač EMED. Ochranná známka pre platne na meranie tlaku od spoločnosti Novel FL. Dĺžka chodidla (v metroch), prepočet jednotiek veľkosti topánky: dĺžka chodidla (v cm) = 0,635 * veľkosť topánky (0,635 = ¼ palec: nemecký systém) alebo dĺžka chodidla (v cm) = 0,667 * veľkosť topánky ( ⅔: Parížska rytina, európsky systém) g. Gravitačné zrýchlenie, g = 9,81 m/s2 kg. Kilogram, jednotka hmotnosti SI s metrom, jednotka SI dĺžky M. Medián MFB. Šírka metatarzu na pedograme (kontaktná plocha chodidla so zemou) N.Newton, jednotka SI sily, 1N je sila, ktorá dáva hmotnosti 1 kg zrýchlenie 1 m/s² Nm. Newton meter, jednotka krútiaceho momentu Nms. Newton-meter sekúnd, jednotka krútiaceho momentu Ns. Newton-sekúnd, jednotka silového rázu OP. Prevádzka/operácia (v lekárskom zmysle) členka. horný členkový kĺb (articulatio talocruralis) strana 6
Pa.Pascal (jednotka tlaku SI), 1 Pa = 1 N/m² = 10 000 N/cm² (jednotka tlaku použitá v tejto práci: N/cm²) ROI. Oblasť záujmu (podoblasť, ktorá je predmetom pozornosti), pozri druhú, časovú jednotku SI (niekedy skrátenú ako sek alebo sek) SL. Dĺžka kostry chodidla USG. dolný členkový kĺb (articulatio subtalaris/talocalcaneonavicularis) strana 7
Obr. 10 Prehľad zúčastnených testovaných osôb Pri hodnotení a grafickom zobrazení výsledkov sa počet testovaných osôb N líši, pretože nie všetkým testovaným osobám boli poskytnuté úplné informácie. Väčšina osôb bola prvýkrát tehotná. Tretina už mala za sebou jeden alebo viac pôrodov. Podľa Spolkového štatistického úradu v Nemecku bol priemerný počet detí na ženu v roku 2005 1,34. Počet viacpočetných žien s N = 9 v tejto štúdii nie je dosť vysoký na to, aby bolo možné spoľahlivo tvrdiť, či sú zmeny v chôdzi a štruktúre chodidla silnejšie alebo slabšie u Primigravidy ako u Multigravidy. Zodpovedajúce informácie bolo možné odvodiť iba z individuálnych hľadísk. Strana 25
3.5.5 Príklad pedogramu Na obr. 16 a obr. 17 je uvedený príklad pedografického merania z tejto štúdie, ktorý predstavuje štandardný merací softvér meracej dosky EMED SF. Odvodenie ďalších parametrov z tohto merania je opísané v nasledujúcich kapitolách. 16 Pedografia - meranie distribúcie tlaku pod chodidlom ako na obrázku 15, štandardné zobrazenie na displeji meracieho prístroja EMED-SF. Zobrazujú sa maximá tlaku počas valenia chodidla. Diagramy vpravo ukazujú maximálnu hodnotu tlaku, vertikálnu silu určenú integráciou na celú plochu a kontaktnú plochu s povrchom v priebehu valenia. Rozlišuje sa tiež medzi oblasťou predkolenia (zelené časti krivky) a zadným chodidlom (červené časti krivky). Obr. 17 Celkový proces valcovania pätky merania z obr. 16, sú zobrazené všetky jednotlivé obrázky merania. Frekvencia snímania je 72 meraní za sekundu. Posledný jednotlivý obrázok označený červenou farbou je obrázok maximálneho tlaku s maximálnymi hodnotami tlaku, ktoré sa vyskytli počas odvíjania. Strana 32
V prípade rozloženia tlaku s meniacou sa úrovňou tlaku možno vertikálnu silu F z pre celé chodidlo alebo pre čiastočné oblasti (napr. Hallux/metatarzálny I) vypočítať integráciou rozdelenia tlaku na celé chodidlo alebo na čiastočné plochy: Fz = pa δ A v [N] (9 ) Celková plocha Fz = pa δ A v [N] (10) podoblasti Na obr. 20b sa integrácia tlaku uskutočňuje pre všetky obrazy rozloženia tlaku z procesu valcovania. To vedie k priebehu celkovej sily zeme po dobu kontaktu so zemou (čierna krivka v diagrame na obr. 20b). Sú tiež zobrazené dva diagramy rozloženia tlaku s maximálnou silou zeme. Okrem toho je oblasť haluxov osobitne označená na obrázku maximálneho tlaku, obr. 20a. Integrácia sa tiež opakuje pre celý proces valcovania cez túto časť chodidla. Na diagrame na obrázku 20b to ukazuje podiel haluxov na celkovej pozemnej sile, ďalej rozdelený na podiel palca na nohe a podiel gule palca na nohe. 20a Na určenie pozemnej sily z plantárnej oblasti. Obrázok 20b Na určenie pozemnej sily z distribúcie plantárnej sily tlaku. Hore: Obrázky rozloženia tlaku pre trh- Strana 36
Maximum silovej krivky nezohľadňuje ďalší priebeh tvaru krivky, ale iba jednu nameranú hodnotu. Aby bolo možné urobiť výroky o celkovej metatarzálnej záťaži, je možné zahrnúť trvanie zaťaženia (metatarzálne zaťaženie typu 3), ktoré sa zase môže normalizovať na telesnú hmotnosť (metatarzálne zaťaženie typu 4). V týchto dvoch prípadoch sa určuje plocha pod silovými krivkami, potom samozrejme na krivkách, ktoré nie sú časom štandardizované. Obrázok 23 zobrazuje podiel metatarzálneho zaťaženia na celkovej sile na podlahe pomocou príkladu testovanej osoby P02 počas a po tehotenstve. Obr. 22 Schematické znázornenie definície metatarzálneho zaťaženia MFL: Krivka sily zeme MFL 1 = AM 1. maximum 2. maximum MFL 2 = A/M MFL 3 = sila FA v Newtonoch FM Stredné minimum MFL 4 = FA/FMM: Telesná hmotnosť v Newtonoch A: maximum MFL FA tx A Metatarzálne zaťaženie t v sekundách Obr. 23 Podiel metatarzálneho zaťaženia na celkovej sile podlahy u testovanej osoby P02 počas tehotenstva a po ňom. 3.5.15 Šírka metatarzálu v pedograme V tejto súvislosti šírka metatarzu predstavuje šírku kontaktnej plochy zeme v metatarse, nie skutočnú šírku samotnej nohy. Šírka metatarzu sa meria a spriemeruje v 5 bodoch pedogramu (obr. 21a). 40
v určitých extrémnych prípadoch tri obrázky rozloženia tlaku z procesu valenia, krivka pozemnej sily a krivka momentu vzhľadom na os OSG. Diagramy rozloženia tlaku na obr. 25 zobrazujú moment maximálneho plantárneho ohybového momentu a časový bod prvej a druhej maximálnej pozemnej sily (značky v diagramoch pozemnej sily a spojovacieho momentu). 4 4 Maximum dorsiflexného momentu je zvyčajne o niečo neskôr ako druhé maximum pozemnej sily, pretože sila sa už potom zmenšuje, ale ťažisko rozloženia tlaku sa posúva ďalej vpred a tým sa rameno páky zvyšuje ešte viac, ako sa sila zmenšuje. Strana 42
Obr. 25 Určenie krútiaceho momentu kĺbu vzhľadom na os členka. Tri obrázky rozloženia tlaku z procesu odvaľovania nohy pri chôdzi naboso, krivka pozemnej sily a krivka momentu vzhľadom na premietnutú os členku (červená). Plantárny ohybový moment: časť krivky zvýraznená svetlomodrou farbou, dorsiflexný moment: žltá časť krivky zvýraznená. Pedogram vľavo a prvé označenie v diagramoch: moment maximálneho momentu plantárnej flexie, keď k nej dôjde. Stredný pedogram v okamihu maxima sily na prvom poschodí, pravý pedogram v okamihu maxima sily na druhom poschodí a maximum dorziflexného momentu. Na pedogramoch sa zadáva ťažisko distribúcie súčasného tlaku (DSP) a jeho vzdialenosť h od osi OSG. Strana 43
Obr. 26 Na určenie krútiaceho momentu vo vzťahu k pozdĺžnej osi chodidla. Dva obrázky rozloženia tlaku z procesu odvaľovania chodidla pri chôdzi naboso, krivka pozemnej sily a krivka momentu vzhľadom na pozdĺžnu os (modrá krivka merania, prerušovaná: moment vzhľadom na os OSG). Meranie na testovacej osobe s obzvlášť veľkým okamihom obratu. Moment obrátenia: záporné číselné hodnoty momentu, moment obrátenia: kladné hodnoty. Dva pedogramy a označenia v diagramoch: moment maximálneho evertného momentu a maximálneho inverzného momentu. Na pedogramoch sa zadáva ťažisko rozloženia súčasného tlaku (DSP) a jeho vzdialenosť páky h k pozdĺžnej osi chodidla (pre porovnanie aj s osou OSG). 45. strana
3.5.18 Vnútorný/vonkajší uhol natočenia Vonkajší uhol natočenia chodidla je definovaný medzi pozdĺžnou osou chodidla a smerom sagitálnej chôdze (obr. 27). V tejto štúdii sa to určuje aj z pedogramu analýzy chôdze. Uhlová poloha chodidla môže byť veľmi odlišná. Je predovšetkým silne závislá od uhlovej polohy v bedrovom kĺbe. Tabuľka 3 ukazuje priemerné hodnoty kontrolnej skupiny. Spočiatku sa predpokladá, že zvyšujúce sa zaťaženie dolných končatín počas tehotenstva môže viesť k zvýšenej vonkajšej rotácii chodidla. Obr. 27 Definícia uhla rotácie chodidla: uhlová poloha medzi pozdĺžnou osou chodidla a smerom chôdze. (Príklad vpravo: P13 po tehotenstve) Tabuľka 3 Vonkajší uhol rotácie chodidla v kontrolnej skupine u žien ľavé chodidlo pravé chodidlo Priemer Stredná hodnota -6,9 7,7 7,3 smerodajná odchýlka 4,2 3,7 4,0 u mužov ľavá noha pravá Priemerná hodnota chodidla -7,6 8,1 7,9 štandardná odchýlka 4,0 3,4 3,7 3,5,19 Analýza zaťaženia päty Na základe laterálno-mediálnej asymetrie rozloženia zaťaženia na päte, ako je znázornené na obr. 28a a b, možno dospieť k záveru, že je možné vybočiť z polohy nohy bude. Vychýlenie je na strane 46
Aj keď to nie je možné previesť priamo na stupne, je možné kvalitatívne sledovať zmenu priebehu tehotenstva. Na analýzu sa tlaková krivka stanoví pozdĺž čiary prierezu kolmej na pozdĺžnu os chodidla a cez stred päty a opakovane sa aplikuje z tlačeného obrazu na tlačený obraz počas celého procesu valcovania. Obrázok 28a Na analýzu nesprávneho zarovnania päty. Subjekt P06, žiadne vychýlenie päty. Výška tlaku sa zaznamenáva do diagramu vpravo pozdĺž zelenej čiary prierezu cez pätu, obrázok po obrázku. Kalkaneus tu stojí prevažne na mediálnom okraji jeho stojatej plochy, päta je mediálne naklonená. Značky znázorňujú geometrické ťažisko kontaktnej oblasti päty na zemi a jej pohyb v priebehu valenia. Obr. 28b Subjekt P16, valgusová poloha pätovej kosti mediálne posúva hlavné zaťaženie. 3.5.20 Priemerovanie parametrov odvodených z pedogramov V zásade existujú dve možnosti priemerovania a sumarizácie jednotlivých meraní série meraní:
Obr. 29a Pedogramy v 34. týždni tehotenstva Obr. 29b Pedogramy 7 týždňov po narodení Obr. 29c Krivky parametrov odvodené z rozloženia tlaku: vľavo hore: celková prízemná sila a podiel metatarzu, vpravo hore: maximálny tlak, vľavo dole: kontaktná plocha podlahy, vpravo dole: moment OSG. Modré krivky: v 34. týždni tehotenstva, červené krivky: 7 týždňov po pôrode. Zobrazené vo svetlých farbách: všetky jednotlivé merania, tmavé farby: krivky v priemere nad oboma nohami. Všetky krivky sa časom štandardizovali na 100% času kontaktu so zemou. Prírastok hmotnosti testovanej osoby počas tehotenstva v príklade na obr. 29 je znázornený nárastom pozemnej sily (modrá krivka v prvom diagrame na obr. 29c alebo v zodpovedajúcich krivkách merania na obr. 30). Tvar krivky pozemnej sily sa mení na strane 49
Obr. 29d Grafy všetkých meraní nakreslených nad sebou, začiatok čiary sa posunul do bodu (0,0). Modré krivky: merania počas tehotenstva, červené krivky: merania po pôrode. Okrúhle značenie predstavuje každé 0%, 10%, 20% až 100% času kontaktu so zemou. Silná akumulácia v oblasti lopty a slabá akumulácia v blízkosti osi členkového kĺbu sú zarážajúce (vysvetlenie nájdete na obr. 16, s. 32, obr. 17, s. 32 a obr. 19, s. 35). Tabuľka 4 Rôzne z pedogramov Obr. 29a a b odvodené parametre a ich stredné hodnoty a štandardné odchýlky pre testovanú osobu P16. Horná skupina meraní sa robila ku koncu tehotenstva, dolná skupina po narodení. V poslednom riadku sa porovnávajú namerané hodnoty dvoch sérií meraní: Porovnávacie hodnoty väčšie ako 1 znamenajú, že priemerná hodnota v druhej sérii meraní je väčšia a naopak. Strana 51
Obr. 30 Schémy parametrov testovanej osoby z obr. 29a až d, 4 série meraní počas tehotenstva a popôrodná séria meraní nakreslená nad sebou. Svetlo modré až čierne krivky: séria meraní na začiatku a s postupom tehotenstva, červená krivka: popôrodná séria meraní. 3.6 Hypotézy o očakávaných zmenách parametrov analýzy chôdze počas tehotenstva Zmeny skúmané v tejto štúdii, ktoré sú výsledkom tehotenstva, sa týkajú štruktúry chodidla a modelu chôdze. Hypoteticky očakávané zmeny by sa mali prejaviť aj ako typické zmeny na pedograme a z neho odvodených parametrov: Pri zvýšenom váhovom zaťažení počas tehotenstva sa pozdĺžny oblúk chodidla vyrovnáva s vytvorením plochého chodidla ako maximálneho mysliteľného variantu. Na pedograme by to viedlo k rozšíreniu kontaktnej oblasti metatarzu a zvýšeniu podielu celkového zaťaženia metatarzu. Zväčšenie kontaktnej plochy so zemou môže byť tiež dôsledkom zadržiavania tuku a vody, čo sa pri klinickom vyšetrení nedá jednoznačne určiť. Strana 52
extrémne štrukturálne zmeny v chodidle. Pravdepodobnejším dôsledkom je zvýšenie priemerného tlaku. 5 Prehľad možných vzťahov a často pozorovaných zmien je uvedený na obr. 31. Obr. 31 Často pozorované zmeny v chodidle 5 Príklad výpočtu: so strednou plochou chodidla 123 cm² a priemernou počiatočnou hmotnosťou 64 kg váži každý cm² 0,52 kg Povrch chodidla. Pri priemernom prírastku hmotnosti 12 kg, t. J. 76 kg telesnej hmotnosti, by kontaktná plocha so zemou musela byť 146 cm², takže na každý cm2 plochy chodidla sa umiestni aj 0,52 kg hmoty. Rozdiel medzi týmito dvoma plochami je 23 cm². Zvýšenie plochy chodidla o 23 cm² je však veľmi nepravdepodobné, pokiaľ nie je potlačená plocha chodidla, ktorá zvyčajne nie je v kontakte so zemou, ako je metatarzus - čo by znamenalo extrémne klenutú nohu. 54. strana
v priemernom rozmedzí. Najpravdepodobnejším vysvetlením je to, že členkový kĺb sa počas tehotenstva viac ohýba. Obr. 41a Šírka metatarzu pri chôdzi pred a po pôrode [cm] pred popôrodom Priemerný rozdiel 2,22 2,16-0,05 STD 1,27 1,22 medián 2,36 2,27-0,10 Wilcoxon Zhodné páry podpísané -Ranks test: N = 24, p