Исследование состояния стоп детей с использованием специальной обуви с термоиндикаторными пленками

УДК 685.348.2

М. В. Бекк, Н. В. Бекк, О. Э. Кошелева, Н. В. Тихонова

ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ СТОП ДЕТЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПЕЦИАЛЬНОЙ ОБУВИ

С ТЕРМОИНДИКАТОРНЫМИ ПЛЕНКАМИ

Ключевые слова: Стопа, опорные, рессорные функции, методы исследования, термоиндикаторные пленки.

Амортизирующие свойства стопы предохраняют от постоянных сотрясений позвоночник, центральную нервную систему и внутренние органы, следовательно, функциональное состояние стопы влияет на здоровье человека в целом. Для диагностики патологий стоп, в частности опорно-рессорной функции, разработано несколько методов. Инновационным подходом в медицине считают измерения с термоиндикаторными пленками на основе жидких кристаллов.

Keywords: Foot, single, spring function, research methods, temperature-sensitive film.

Cushioning properties of the foot protect against permanent shocks spine, central nervous system and internal organs, hence the functional state of the foot affects human health in general. For the diagnosis offoot pathology, in particular musculoskeletal spring function, developed several methods. Innovative approach in medicine are considered to be temperature-sensitive measurements with films based on liquid crystals.

Введение

Общеизвестно, что здоровье человека, объективно характеризующееся набором разнообразных показателей, формируется с детского возраста. Патологические заболевания в дошкольном и школьном возрастных периодах развиваются в разной степени. Медицинская статистика последних лет говорит о том, что большая доля выпускников школ имеют различные формы заболеваний. Часть из них связана с патологиями нижних конечностей. Стопа - это система опоры и передвижения, испытывающая большие нагрузки. Амортизирующие свойства стопы предохраняют от постоянных сотрясений позвоночник, центральную нервную систему и внутренние органы, следовательно, функциональное состояние стопы влияет на здоровье человека в целом.

Физическое развитие человека протекает не равномерно, скачкообразно. Выделяют четыре периода для детей (возраст 9, 13, 15 и 18-20 лет) и пятый период в зрелом возрасте от 45 до 50 лет. В указанные периоды опорно-двигательная система человека выдерживает наибольшую механическую нагрузку и становится уязвимой для развития разных заболеваний [1, 2]. Для исследований обычно выбирается одна из возрастных групп с целью обследования пограничных состояний и предупреждения заболеваний.

Исследовательская часть

Для диагностики патологий стоп, в частности опорно-рессорной функции, разработано несколько методов: визуальная оценка стопы, подо-метрия, методы плантографии и др.[3]. Наиболее простыми и распространенными считают визуальные методы, которые сводятся к осмотру внутреннего свода и подошвенной поверхности стоп, а также определению формы стопы (изогнутая, правильная (нормальная) или плоская) и используются при медицинских осмотрах. Этот метод дополняется опросом пациента, где выясняют и особенности обуви.

В настоящее время предпочтительными методами, по сравнению с констатирующими антропометрические характеристики человека, являются методы определения функциональных расстройств. Инновационным подходом в медицине считают измерения с термоиндикаторными пленками на основе жидких кристаллов, позволяющие определять температуру тела. Измерить температуру на стопе достаточно сложно из-за неоднородности температурного поля. Температурные интервалы на поверхности стопы следующие [4]: голени 30 - 32,3, тыла стопы 26,7 - 31,5, пальцев стопы 19,8 - 33,2, стопы в целом 29,3 - 30,6 °С. Критерий теплового комфорта стопы человека - температура 27-33 °С.

Жидкие кристаллы (ЖК) в температурном интервале выше точки плавления вещества способны сочетать свойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) и кристаллических тел (анизотропию). В зависимости от характера микроскопического упорядочения жидкие кристаллы делят на нематические, холестерические и смектиче-ские [5, 6]. Уникальные оптические свойства жидких кристаллов можно использовать для функциональной диагностики стоп - для визуализации температурных полей и измерения температур. В выявлении патологических отклонений применяют в основном холестерические ЖК. В холестериках молекулы в структуре расположены слоями, при переходе от одного слоя к другому они поворачиваются на небольшой угол. В результате образуется слоистая спиральная структура.

В жидкокристаллическом покрытии, нанесенном на предварительно зачерненную поверхность, распределение температур или поверхностного трения на модели определяется с помощью цвета [6]. Для защиты жидких кристаллов от механического воздействия в них добавляют небольшие количества лака или клея, однако более эффективна защита путем капсулирования жидких кристаллов в полимерную матрицу [5].

Термоиндикаторные пленки на основе жидких кристаллов, как и любые датчики температур,

характеризуются эксплутационными свойствами: динамическим диапазоном температур (областью рабочих температур данной ЖК-пленки), цветотем-пературной характеристикой (зависимостью длины волны отражения света от температуры), температурной чувствительностью. Композиции, закапсу-лированные в поливинилацетатную матрицу, практически не меняют свои цветотемпературные характеристики [4].

Техника применения жидких кристаллов достаточно проста, необходимо учитыватьь область температур. Кроме того, ЖК-покрытие не должно нарушать тепловое поле исследуемой поверхности (поэтому теплоемкость исследуемой поверхности должна быть выше теплоемкости ЖК-покрытия), а скорость изменения теплового поля должна быть меньше постоянной времени жидкого кристалла. Жидкокристаллический термоиндикатор должен прилегать непосредственно к объекту исследования, в данном случае - к стопе ребенка для более четкого установления температурных изменений и соответствующих им патологических отклонений.

С целью эффективного замера температур с помощью индикаторных термопленок на ноге требовалась разработка специальной конструкции обуви, позволяющей легко создавать и эксплуатировать изделие и получать достоверные результаты. При этом особенностью конструкции обуви должны быть универсальность размера и плотность прилегания пленки к стопе, а также простота и удобство надевания обуви на ногу, поскольку дети не могут участвовать в длительных и сложных экспериментах.

После анализа разных вариантов была выбрана конструкция обуви типа гетр. Длина стопы у исследуемой группы детей существенно меняется, поэтому в конструкции исключены носочная и пяточная части. Для наиболее плотного прилегания обувь фиксируется на ноге с помощью резинок и застежки-велькро. В пяточной части используются резинки, которые закрепляются на щиколотке и под стопой. Чтобы ребенок мог надеть эту обувь, конструкцией предусмотрены специальные клинья, облегчающие процесс растяжения резинок - это инновационное решение в обуви для обмеров. Помимо функциональной нагрузки обувь для обмеров должна иметь красивый внешний вид, усиливать заинтересованность ребенка, воспринимающего процесс измерения как игру. Особое значение имеет расположение на обуви термоиндикаторных пленок. Индикаторы должны находиться в непосредственном контакте с местами возможной патологии на стопе ребенка - это пучковая часть и голенище. На рис. 1 представлены варианты конструкции обуви для обмеров.

Разработанные конструкции предназначены для возрастной категории 13-15 лет, выполнены из натуральной кожи коричневого или черного цвета, не имеют носочной и пяточной частей. Модель 1 -это цельная деталь, крепится на ноге при помощи ремней. Модель 2 состоит из двух деталей, соединяющихся при помощи молнии, крепится на ноге расположенной сзади молнией. Модель 3 состоит из двух деталей, соединенных при помощи резинок, крепится на ноге при помощи застежки-велькро. Модель 4 - это цельная деталь, крепится при помощи находящейся сзади шнуровки. Модель 5 также цельная деталь, закрепляющаяся при помощи расположенной сбоку молнии. Оптимальной функциональностью и простотой в проектировании обладает конструкция модели 3. При выборе модели учитывались также эстетические и психологические предпочтения исследуемой возрастной группы.

Разработанная модель была изготовлена в промышленных условиях на «Новосибирском протезно-ортопедическом предприятии». Она экономически выгодна, так как дает возможность проводить широкомасштабные исследования в любых условиях без использования дорогостоящего оборудования, позволяя измерить температуру разных участков стопы ребенка.

Обувь использовалась для проведения исследований температурных состояний стопы и голени. Стопа активно участвует в теплообмене организма. Конечности, являясь буфером для организма в целом, обеспечивают постоянство температуры и нормальную работу органов [1, 2, 3]. Если при измерениях температура на стопе ребенка на разных участках имеет отклонение от нормы, то в этом месте могут проявиться различные патологии.

Обмер стоп проводился в группе из 100 человек в возрасте от 10 до 15 лет. В изготовленную обувь были вставлены термоиндикаторные пленки. Замер температуры стопы осуществляли на голени и в пучках, время замера - утром перед выходом из дома, в середине дня, в конце дня, а также во время активного отдыха и после лечебных процедур. Примеры результатов обмеров теплообмена ног с помощью термопленок у здоровых детей представлены в табл. 1 (для стопы) и 2 (для голени).

Таблица 1 - Результаты обмеров с помощью термопленок теплообмена стоп здоровых детей

а

1 2 3 4

Рис. 1 - Варианты конструкции обуви

Воз] эаст

Температура, °С, Девочки Мальчики

при обмере 13 14 15 13 14 15

лет лет лет лет лет лет

перед выходом 27 26 27 26 27 27

в середине дня 30 30 30 30 30 30

в конце дня 33- 30 32- 32- 33- 33-

31 31 31 32 32

во время актив- 33- 33- 33- 33- 33- 33-

ного отдыха 32 32 32 32 32 32

после лечебных 33- 32- 32- 32- 32- 32-

процедур (мас- 32 31 31 31 31 31

саж, ЛФК)

5

Анализ показал следующее: температура стоп и голени у здоровых детей в течение дня почти не меняется, находится в допустимых пределах 27-33°С. Даже при активных занятиях температура ног остается в пределах допустимых значений.

Таблица 2 - Результаты обмеров с помощью термопленок теплообмена голени здоровых детей

Возраст

Температура, Девочки Мальчики

°С, при обмере 13 14 15 13 14 15

лет лет лет лет лет лет

перед выходом 30 30 30 30 30 30

в середине дня 30 30 30 30 30 30

в конце дня 30 32- 32- 32- 33- 33-

30 31 31 32 32

во время актив- 33- 33- 33- 33- 33- 33-

ного отдыха 32 32 32 32 32 32

(бег, прыжки,

плавание)

после лечебных 33- 33- 33- 33- 33- 33-

процедур (мас- 32 32 32 32 32 32

саж, ЛФК)

Обмеры другой группы детей школьного возраста от 10 до 15 лет проводили на протезно-ортопедическом предприятии. Изучались патологические отклонения - плоскостопие и детский церебральный паралич (ДЦП); влияющие на состояние стоп. Примеры результатов обмеров теплообмена стоп с помощью термопленок у детей с патологическими отклонениями на стопе представлены в табл. 3 (для стопы) и 4 (для голени).

Таблица 3 - Результаты обмеров с помощью термопленок теплообмена стоп детей с заболеваниями

Воз раст

Темпера- Девочки Мальчики

тура, °С, 13 14 15 13 14 15

при обме- лет лет лет лет лет лет

ре

перед вы- 26/3 25/3 25/3 26/3 25/3 25/3

ходом 0 0 0 0 0 0

в середине 30/3 30/3 30/3 30/3 30/3 30/3

дня 2 2 2 2 2 2

в конце 33- 32- 32- 32- 33- 33-

дня 31/3 30/3 30/3 31/3 32/3 32/3

3-32 3-32 3-32 3-32 3-32 3-32

во время 33- 33- 33- 33- 33- 33-

активного 32/- 32/- 32/- 32/- 32/- 32/-

отдыха

(бег,

прыжки,

плавание)*

после ле- 32- 32- 32- 32- 32- 32-

чебных 31/3 31/3 31/3 31/3 31/3 31/3

процедур 3-32 3-32 3-32 3-32 3-32 3-32

(массаж,

ЛФК)*

*Примечание: в числителе - значения температур для детей с плоскостопием, в знаменателе - с ДЦП; в плавании и после массажа температура на 1°С ниже.

Из анализа результатов очевидна разница в обмерах ног здоровых детей и детей с патологией. Очевидна температурная разница в течение всего дня. Самая высокая температура стопы 33°С одинакова у всех детей, участвовавших в обмерах, она характерна для конца рабочего дня.

Таблица 4 - Результаты обмеров с помощью термопленок теплообмена голени детей с заболеваниями

Воз раст

Темпера- Девочки Мальчики

тура, °С, 13 14 15 13 14 15

при обме- лет лет лет лет лет лет

ре

перед вы- 30/3 25/3 25/3 30/3 30/3 30/3

ходом 0 0 0 0 0 0

в середине 30/3 30/3 30/3 30/3 30/3 30/3

дня 2 2 2 2 2 2

в конце 30/3 30/3 30/3 30/3 30/3 30/3

дня 3-32 3-32 3-32 3-32 3-32 3-32

во время 32- 32- 32- 32- 32- 32-

активного 31/- 31/- 31/- 31/- 31/- 31/-

отдыха

(бег,

прыжки,

плавание)

после ле- 33- 33- 33- 33- 33- 33-

чебных 31/3 31/3 31/3 31/3 31/3 31/3

процедур 0 0 0 0 0 0

(массаж,

ЛФК)

Наименьшее значение температуры 25-26°С свойственно стопам детей с плоскостопием в утреннее время, что обусловлено отсутствием нагрузки и менее интенсивным кровообращением в самом начале дня. Показатели здоровых детей отличаются от аналогичных показателей детей с патологиями. При плоскостопии стопа работает неправильно, из-за опускания свода стопы кровь начинает плохо циркулировать, вызывая понижение температуры. В середине дня температурный показатель примерно одинаков у всех детей (27-33 °С) за счет более интенсивного кровообращения, увеличения нагрузки на стопу и нахождения стопы в закрытом пространстве обуви.

Таким образом, можно утверждать, что для получения достоверных данных с помощью термоиндикаторных пленок обмеры нужно проводить в начале дня при низкой нагрузке стопы. Также, для детей с ДЦП температура стопы выше, чем у здоровых детей, что связано с постоянным напряжением мышц и связок, большего притока крови и постоянного нахождения ног в обуви. А термоиндикаторные пленки могут успешно применяться для определения патологических отклонений в стопе, а измерения с их использованием относятся к инновационным технологиям.

Литература

1. Биомеханика и коррекция дисфункций стоп [Текст]/под ред. А. И. Свириденка В. В. Лашковского. -Гродно: ГрГУ им. Я. Купалы, 2009. - 279 с.

2. Нарскин Г. И. Средства физического воспитания в профилактике деформаций сводов стопы у детей [Текст]. - Гомель, ГГУ им. Ф. Скорины, 2001 - 124 с.

3. Кочеткова Т.С. и Ключникова В.М. Антропологические и биомеханические основы конструирования изделий из кожи [Текст]: учебник для вузов. - М.: Легпром-бытиздат. 1991. - 192с.

4. Zharkova G.M., Naumenko S.V., Trashkeev S. I., Khachaturyan B.M. Thermographical films containing encapsulated liquid crystals. Mol.Cryst.Liquid Cryst.1991; 3137.

5. Беляков В.Ф., Сонин А.С. Оптика холестерических жидких кристаллов [Текст]. - М.:Наука,1982. - 360 с.

6. Цой, П. В. Методы расчета отдельных задач тепло-массопереноса [Текст] / П. В. Цой. - М.: Энергия, 1971.

- 384 с.

7. Махоткина Л.Ю. Изучение свойств композиционной кожи / Л.Ю. Махоткина, Бекк Н.В., Кошелева О.Э., Володин В.А. // Вестник технологического университета. -2013. - №15 - С.106-109.

8. Гаврилова О.Е. Использование полимерных композитов в производстве комплексных материалов для изготовления изделий в легкой промышленности / Гаврило-ва О.Е., Коваленко Ю.А., Гарипова Г.И // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - №10.

- С. 262 - 264.

© М. В. Бекк - к.т.н., асс. НТИ (филиал) МГУДТ, 8dayofangel@mail.ru, Н. В. Бекк - д.т.н., проф. НТИ (филиал) МГУДТ, 8dayofangel@mail.ru, О. Э. Кошелева - д.т.н., проф., Сибирский государственный университет путей сообще-H^,8dayofangel@mail.ra, Н. В. Тихонова - доктор технических наук, профессор кафедры конструирования одежды и обуви КНИТУ, nata.tikhonova.81@mail.ru

© М. V. Bekk - Ph.D., assistant of the department of Leather Goods Design of Novosibirsk Institute of Tech-nology (Branch) Moscow State University of Design and Technology, 8dayofangel@mail.ru, N.V. Векк - Ph.D., Head of the department of Leather Goods Design of Novosibirsk Institute of Technology (Branch) Moscow State University of Design and Technology, 8dayofangel@mail.ru, O.E.Kosheleva - Ph.D., Professor, Siberian state transport University, 8dayofangel@mail.ru, N.V. Tikhonova - Doctor of science, Garment and Footwear Design Department of Kazan National Research Technological University, nata.tikhonova.81@mail.ru.