В 2023 году Белинг и его коллеги (Behling AV, 2023) опубликовали обзорную статью, в которой оценили биомеханические теории функционирования стопы с учетом новых данных, полученных с помощью современных технологий. Они провели обзор литературы и проанализировали ключевые теории, объясняющие особенности стопы человека, обобщили доказательства в пользу каждой из них. На основе полученных результатов они предложили новую систему описания функций стопы, соответствующую современным научным данным. Их обзор заставляет нас пересмотреть наши представления о функционировании стопы и задуматься о том, какое значение это имеет для клинической практики.
Основные моменты:
- Стопа не функционирует по парадигме «мобильный адаптер → жесткий рычаг». Она демонстрирует значительную подвижность на протяжении всего цикла ходьбы.
- Высоту медиального продольного свода стопы не следует связывать со здоровьем стопы. Пронация стопы это естественное трехплоскостное движение, а не патология.
- Своды стопы существуют в континууме механических свойств (т.е. в диапазоне податливости и жесткости), который определяется взаимодействием костных структур, связок, апоневроза, мышц и сухожилий.
- Механизм «лебедки» не является чисто пассивным и не обязательно делает стопу жестче. Пружинная функция свода тоже не чисто пассивна.
- ЦНС регулирует механическое поведение стопы, управляя внешними и внутренними мышцами, которые действуют наряду с пассивными структурами.
- Наружные и внутренние мышцы стопы могут накапливать или расходовать энергию в соответствии с потребностями организма и поэтому играют важнейшую роль в обеспечении адаптивного поведения стопы.
Обзор доказательств в пользу теорий о функциях стопы
Обзор современной научной литературы, проведенный Белингом, показал, что многие теории, которые исторически лежали в основе наших представлений о функционировании стопы, были гипотезами, основанными на предположениях, а не на наблюдениях или экспериментальных данных. Важно отметить, что в то время, когда были выдвинуты многие из этих теорий, существующие методологии часто не позволяли проводить эмпирическую проверку. Однако в свете технологических достижений, которые сделали возможным проведение современных исследований, имеющиеся данные свидетельствуют о том, что многие из этих устоявшихся представлений не имеют научного обоснования.
Мы рекомендуем
Парадигма мобильного адаптера — жесткого рычага
Согласно этой теории, в начале фазы опоры стопа подвижна и гибка, а в конце — она превращается в жесткий рычаг для отталкивания. Авторы ранних исследований утверждали, что это необходимо для обеспечения устойчивой опоры во время ходьбы (Keith, 1966; Inman VT, 1966, 1969). Анализ этих исследований показал, что парадигма мобильного адаптера — жесткого рычага — это гипотеза, основанная на предположениях, а не на наблюдениях, и что нет никаких экспериментальных подтверждений того, что во время ходьбы стопа превращается из подвижного адаптера в жесткий рычаг. Одной из главных причин отсутствия экспериментальных подтверждений было несовершенство методологий, которое удалось преодолеть лишь в последние годы.
Парадигма мобильного адаптера — жесткого рычага привела к появлению нескольких теорий.
Своды стопы
Стопа человека имеет три свода: медиальный продольный свод, латеральный продольный свод и поперечный свод. Исторически своды стопы считались «здоровой» особенностью, обеспечивающей ее устойчивость. В частности, медиальный продольный свод считался отличительной чертой стопы человека по сравнению с плоской и гибкой стопой приматов. Это наблюдение легло в основу предположения о том, что продольные своды стопы обеспечивают ей способность становиться жесткой.
С момента проведения первых исследований, в которых своды стопы рассматривались как важнейший элемент, обеспечивающий прямохождение (Keith A, 1923; Morton DJ, 1922), было проведено несколько экспериментальных исследований, посвященных изучению функции продольных сводов стопы. В этих более поздних экспериментальных и количественных исследованиях, качество которых выше, сообщается о значительной подвижности стопы человека в начале фазы опоры и отталкивания (Kelly LA, 2015; Kelly LA, 2015; Farris DJ, 2020; Welte L, 2021). Таким образом, несмотря на то, что продольные своды стопы являются уникальной особенностью человеческого организма, это не мешает им деформироваться при нагрузке, а высота сводов не коррелирует с их жесткостью.
Поведение поперечного свода стопы изучено в меньшей степени. Несмотря на отсутствие подтверждающих данных in vivo, исследования in vitro и биомеханическое моделирование показывают, что связки поперечного свода повышают жесткость продольных сводов на 40% (Venkadesan M, 2020). Это позволяет предположить, что между жесткостью поперечного и продольных сводов стопы может существовать взаимосвязь (жесткость в одном направлении может влиять на поведение в другом), но для подтверждения этого необходимы дальнейшие исследования.
«Разлом» средней части стопы (midfoot break)
Это подъем пятки в поздней фазе середины опоры (late midstance) и начале фазы отталкивания (early push-off), при котором средний и передний отделы стопы остаются на плоскости опоры. Считалось, что это характерная особенность стопы приматов, не относящихся к человекообразным. Ранее отсутствие разлома средней части стопы у человека считалось доказательством того, что стопа должна быть жесткой для обеспечения поступательного движения (Keith A, 1923; Elftman H, 1935).
Читайте также статью цикл ходьбы.
С момента этих первых наблюдений количественные измерения, проведенные в ходе нескольких биомеханических исследований 2000-х годов, показали, что разлом средней части стопы является распространенным явлением среди здоровых людей, просто он не так выражен (Bates KT, 2013; DeSilva JM, 2015). Кроме того, ученые выяснили, что такие люди все равно могут успешно отталкиваться при ходьбе (DeSilva JM, 2015).
Блокирование среднего отдела стопы (midtarsal locking)
При блокировании среднего отдела стопы таранно-ладьевидный и пяточно-кубовидный суставы (т.е. сустав Шопара) становятся неподвижными (блокируются) во время перехода к отталкиванию из-за инверсии пяточной кости. Блокирование объясняется двумя механизмами: (1) винтообразным движением кубовидной кости, которая поворачивается относительно дистальной фасетки пяточной кости при инверсии пяточной кости, и (2) при инверсии пяточной кости оси таранно-ладьевидного и пяточно-кубовидного суставов смещаются/сходятся (Elftman H, 1935; Elftman H, 1960; Manter JT, 1941). Ранние исследования, описывающие эти механизмы, носили описательный характер, а отсутствие подходящих измерительных инструментов не позволяло оценить гипотезу о блокировании среднего отдела стопы.
Благодаря технологическому прогрессу и развитию биомеханических методов оценки более поздние исследования с использованием костных штифтов показали, что блокирования среднего отдела стопы не существует в принципе (DeSilva JM, 2015; Bruening DA, 2018; Nester C, 2007; Lundgren P, 2008; Okita N, 2014). Динамическое моделирование ходьбы на трупах показало, что относительная ориентация осей суставов среднего отдела стопы оставалась неизменной во время опоры на всю стопу и была немного более выровненной (а не смещенной или сходящейся) во время отталкивания. Кроме того, сообщалось о схожем диапазоне движений в среднем отделе стопы во время приземления (когда сустав Шопара разблокирован) и отталкивания (когда сустав Шопара заблокирован). Основываясь на имеющихся данных, Белинг и его коллеги пришли к выводу, что гипотезу о блокировании среднего отдела стопы следует отвергнуть, как и общее представление о том, что средний отдел стопы неподвижен во время отталкивания.
Гиперпронация
Пронация — это трехплоскостное движение, которое включает в себя эверсию заднего отдела стопы, отведение переднего отдела стопы и тыльное сгибание стопы относительно таранной кости. В начале XX века пронацию связывали с разблокированием среднего отдела стопы, которая, хотя и была желательна для амортизации при контакте пяткой с плоскостью опоры, считалась препятствием для перехода в режим жесткого рычага для поступательного движения.
Исторически сложилось так, что пронация стопы при плоскостопии считалась нежелательной особенностью, связанной с болью и травмами. Первые исследования, на которых основывалось это убеждение, носили описательный и наблюдательный характер, а их выводы были недостаточно обоснованными. Проведенные с тех пор исследования в целом показывают, что плоскостопие — это здоровая вариация строения стопы у человека.
Исследования показали, что пронация — это естественное движение (McPoil T, 1994; Novacheck TF, 1998), которое не всегда связано с травмами (Nielsen RO, 2014; Neal BS, 2014; Dowling GJ, 2014). Биомеханические исследования с использованием 3D-захвата движения, динамической ультразвуковой визуализации и внутримышечной электромиографии во время ходьбы показали, что пружинящая функция стопы проявляется независимо от ее формы (Maharaj JN, 2016; Maharaj JN, 2017). Эти исследования продемонстрировали, что пронация подтаранного сустава в начале фазы опоры позволяет накапливать энергию в сухожилии задней большеберцовой мышцы, которая затем высвобождается во время отталкивания, когда подтаранный сустав супинируется, а сухожилие задней большеберцовой мышцы сокращается и отдает накопленную энергию. Таким образом, подвижность стопы может быть важным фактором, обеспечивающим ее функциональность, а не проблемой, связанной с патологией. Это также подчеркивает важную роль наружных мышц в обеспечении функционирования стопы.
Механизм «лебедки»
Механизм «лебедки», впервые предложенный Хиксом в 1954 году (Hicks JH, 1954), описывает, как при тыльном сгибании пальцев подошвенный апоневроз действует подобно тросу, намотанному на «лебедку» (плюснефаланговые суставы), притягивая пяточную кость к головкам плюсневых костей и заставляя своды стопы подниматься и укорачиваться. Это стало одним из объяснений того, как стопа становится более жесткой и превращается из подвижного адаптивного элемента в начале фазы опоры в жесткий рычаг при отталкивании. Механизм «лебедки» стал ассоциироваться с жесткостью и структурной целостностью. Предположительно, это было связано с ранними представлениями о том, что более высокие своды стопы свидетельствуют о ее большей жесткости, а подошвенный апоневроз — это нерастяжимый трос (натяжение апоневроза = повышение жесткости стопы).
Ранние исследования на трупах, а также более поздние исследования in vivo подтверждают наличие механизма «лебедки» (Welte L, 2018; Welte L, 2021; Hicks JH, 1954). Вопрос о том, связано ли это с большей жесткостью стопы, остается открытым. В некоторых исследованиях сообщалось, что при задействовании механизма «лебедки» стопа становится более податливой (т.е. менее жесткой) (Welte L, 2018; Sichting F, 2021). Несмотря на то, что подошвенный апоневроз удлиняется (в некоторой минимальной степени) при подъеме пятки (что подтверждает наличие механизма «лебедки»), он быстро укорачивается при опускании сводов стопы в средней и поздней фазе опоры, что свидетельствует о снижении напряжения (Caravaggi P, 2010; Williams LR, 2022).
В последние годы появились новые данные, полученные в ходе дополнительных биомеханических исследований, которые позволили выявить роль мышц в укреплении сводов стопы (Farris DJ, 2020; Smith RE, 2022). Согласно имеющимся данным, механизм «лебедки» объясняет поведение сводов стопы в статических и пассивных условиях, но в динамических условиях взаимосвязь между тыльным сгибанием пальцев и поведением сводов стопы контролируется как пассивными тканями, так и мышцами.
Своды стопы как пружина
В 1987 году Кер и его коллеги предположили, что во время движения своды стопы ведут себя как пружина (Ker RF, 1987). Они описали, что своды стопы сжимаются под нагрузкой, когда сила реакции опоры увеличивается в начале фазы опоры, а затем распрямляются, когда сила реакции опоры ослабевает (в конце фазы опоры). Было выдвинуто предположение, что это способствует повышению эффективности работы стопы за счет упругой деформации подошвенного апоневроза и подошвенных связок, что позволяет накапливать и повторно использовать энергию стопы за счет отдачи. Ранние научные исследования in vitro и in vivo подтвердили эту гипотезу.
Однако более поздние исследования показали, что стопа не ведет себя как пружина в чистом виде: часть энергии, поглощаемой стопой, не возвращается в виде амортизации. Келли и его коллеги предположили (Kelly LA, 2015), что собственные мышцы стопы могут активно контролировать амортизирующую функцию стопы. С помощью внутримышечной электромиографии и трехмерного анализа движений они установили, что во время ходьбы и бега собственные мышцы стопы активно удлиняются в начале и середине фазы опоры и укорачиваются в конце фазы опоры. В последующем исследовании (Farris DJ, 2019) та же группа авторов использовала блокаду периферических нервов, чтобы исключить активное участие собственных мышц стопы. Они обнаружили, что без активации собственных мышц стопы выходная мощность стопы снижается. Таким образом, имеющиеся данные подтверждают существование амортизирующего механизма стопы, но он не является чисто пассивным.
В последние годы биомеханические исследования подтвердили эти выводы и продемонстрировали, что стопа работает как демпфер, когда необходимо рассеять энергию для замедления движения тела, и может генерировать силу, когда телу нужно ускориться (Smith RE, 2021; Riddick R, 2019). Силы, создаваемые внешними и внутренними мышцами стопы, которые действуют параллельно пассивным структурам (подошвенный апоневроз, подошвенные связки), обеспечивают подвижность продольных сводов стопы, что крайне важно для ее многофункциональности.
Клиническое значение
В обзорной статье было указано на ряд пробелов в научных данных, которые привели к ошибочным представлениям о функциях стопы. В этом свете нам следует пересмотреть некоторые теории, лежащие в основе нашей клинической практики, и переосмыслить наши концептуальные представления.
Анализ исследований показал, что парадигма мобильного адаптера — жесткого рычага — это гипотеза, основанная на предположении, которое не было подтверждено последующими исследованиями. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что стопа не переходит из подвижного состояния в начале фазы опоры в жесткое в момент отталкивания. Напротив, стопа сохраняет значительную подвижность на протяжении всей фазы опоры, т.е. как в начале фазы опоры, так и в момент отталкивания. Нам следует перестать описывать стопу как мобильный адаптер, который становится жестким рычагом. Стопа поддерживает вес тела и обеспечивает движение как динамическая система, которая сохраняет подвижность на протяжении всего цикла ходьбы, а подвижность продольных сводов (а не их жесткость) является ключевым компонентом, обеспечивающим универсальную функцию стопы.
Утверждение о том, что наличие продольных сводов стопы играет важную роль в механизме стабилизации стопы, не имеет под собой оснований. Нам следует пересмотреть терминологию, подразумевающую, что форма сводов стопы связана с ее здоровьем. Несмотря на то, что в некоторых случаях, например при приобретенном во взрослом возрасте плоскостопии, это может вызывать беспокойство, в целом имеющиеся данные свидетельствуют о том, что плоскостопие — это здоровая вариация морфологии стопы у людей. Не стоит связывать высоту продольных сводов стопы с ее здоровьем. Помимо морфологии костей и суставов, на функционирование стопы влияют нейромышечный контроль и взаимодействие пассивных структур.
Белинг говорил, что «Центральная нервная система обеспечивает адаптивное управление: мышцы стопы добавляют или рассеивают энергию в системе по мере необходимости, чтобы удовлетворить потребности тела в локомоции». Если задуматься о клиническом значении этой цитаты, то можно сказать, что внешние и внутренние мышцы, контролирующие стопу, обеспечивают ее высокую подвижность и стабильность. Таким образом, оценка состояния и лечение этих мышц являются важным компонентом терапии пациентов с болями и травмами нижних конечностей, а также оптимизации функций нижних конечностей.
Москва 
