Česká kinantropologie 204, vol. 8, no., p. 72 79 HODNOCENÍ ZATÍŽENÍ NOHY PŘI CHŮZI V A BĚŽNÉ SPORTOVNÍ OBUVI* EVALUATION OF PLANTAR PRESSURES IN FOOTWEAR WITH UNSTABLE SOLE CONSTRUCTION AND IN CONVENTIONAL ATHLETIC FOOTWEAR SOŇA JANDOVÁ, KATEŘINA NOVÁKOVÁ 2 Ústav zdravotnických studií, Technická univerzita v Liberci 2 Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci SOUHRN Předkládaná studie se zabývá hodnocením zatížení nohy při chůzi v běžné obuvi a v obuvi typu, tedy obuvi nestabilní konstrukce. Pro analýzu rozložení tlaku na úrovni interakce chodidla a stélky byl použit systém Pedar v kombinaci se synchronním videozáznamem krokového cyklu. Měření proběhlo u souboru 0 zdravých žen při chůzi na trenažéru rychlostí 5 a 7 km.h. Sledovali jsme maximální tlak, maximální sílu působící ve vertikálním směru, maximální sílu ve vertikálním směru v oblasti pod patní kostí, trvání kroku a dobu kontaktu s podložkou. Obuv nestabilní konstrukce v námi definovaných podmínkách významně nezměnila distribuci tlaků na podložku v porovnání s běžnou obuví. V souvislosti se změnou rychlosti chůze se rozložení tlaku na plosce nohy mění. Bylo potvrzeno, že s rostoucí rychlostí roste maximální tlak, vertikální síla i síla pod patní kostí. KIíčová slova: obuv, reakční síla, rozložení tlaku, rychlost. ABSTRACT Our study investigates plantar pressure distribution in both conventional footwear and one type of footwear with unstable sole construction, namely. For the analysis of pressure distribution between the foot and the insole, the Pedar system was utilized in combination with the synchronic video recording of the gait cycle. Our test group for measuring consisted of ten healthy female participants walking on the simulator with the velocity of 5 and 7 km.h. The studied parameters were peak pressure, peak vertical forces, peak vertical forces under the heel bone, gait duration and the length of stance. Within the framework of our study, footwear with unstable sole construction in comparison to conventional footwear did not produce any significant redistribution of plantar pressures. Faster walking speeds initiated foot loading asymmetry on the ˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ * Tato studie byla podpořena z prostředků specifického výzkumu TUL pod interním číslem 5807. 72
foot sole. When walking speeds increased, peak pressure grew, vertical forces rose alongside the plantar pressures under the heel bone. Key words: shoe, reaction forces, pressure distribution, velocity. ÚVOD Současný sedavý způsob života rozšířený nejen u dospělé, ale i u dětské populace je předmětem mnohých diskusí také mezi odborníky v oblasti kinantropologie (např. Hamrik et al., 20). Nedostatečný pohyb má negativní vliv na pohybový systém člověka, projevuje se zvýšenou únavou a bolestí, např. v oblasti bederní páteře. Na tento nepříznivý stav se pokusili reagovat biomechanici zabývající se především analýzou chůze, která je nejpřirozenější podobou lokomoce člověka. Využívá se kromě běžného života také jako doporučovaný terapeutický prostředek, ať už po úrazech či při léčbě některých civilizačních chorob. V současných výzkumech zabývajících se chůzí je velmi diskutovaná otázka použití obuvi typu (Masai Barefoot Technology), tedy obuvi s nestabilní konstrukcí (díky oblému tvaru podrážky). Tato obuv byla vyvinuta se dvěma hlavními záměry. Jednak aktivovat a posílit oslabené svaly dolních končetin a dále odlehčit přetěžovaným kloubům. Pro ověření těchto faktorů byly provedeny různé studie v USA i v Evropě, které se na efektivitu využití obuvi zaměřují (např. Boyer, Blazek & Andriacchi, 2008; Landry, Nigg & Tecante, 2008). Některé studie nespatřují významný efekt v používání obuvi po úrazech či operacích (po ruptuře ACL např. Beyerlein, 2004), avšak většina studií hodnotí využití nestabilní obuvi pro účely rekonvalescence či rehabilitace za velmi prospěšné (např. Kraus et al., 2006 u pacientů trpících osteoartritidou nebo pacientů s kloubní náhradou apod.). Nigg, Hintzen & Ferber (2006) zkoumali biomechanický a terapeutický efekt obuvi. Autoři zdůrazňují, že stabilita během lokomoce je velmi důležitá pro všechny věkové skupiny. V souvislosti s tím uvádějí dvě možné varianty pro zvýšení stability. Buď se jedná o využití obuvi, která podporuje stabilitu, avšak aktivita svalů zajišťujících stabilitu klesá nebo o využití obuvi nestabilní konstrukce. Tento typ obuvi () vyžaduje aktivaci (posílení) posturálních svalů, které zajišťují právě zmiňovanou stabilitu. Při stoji v obuvi se zvyšuje aktivita svalů dolních končetin. Při chůzi v obuvi se zmenšuje zatížení kloubů, čímž se snižuje jejich bolest. Zajímavé jsou výsledky studie Hoppelera et al. (2008), ze které vyplývá, že v důsledku použití bot dochází ke zvýšení metabolismu při stoji a tím je navýšena energetická spotřeba. Federolf et al. (2009) provedl komplexní kinetickou a kinematickou analýzu krokového cyklu při chůzi v běžných botách a v. Autoři uvádějí, že vzhledem k velmi častému výskytu vadného držení těla u běžné populace se využití atypického tvaru obuvi jeví jako vhodné, neboť oblý tvar podrážky vyžaduje výraznější aktivaci posturálního svalstva, které je vlivem sedavého způsobu života atrofováno. Nigg, Emery Hiemstra (2006) sledovali vliv použití sandálů na výkon a bolestivost spodní části zad při golfu. V průběhu šesti týdnů hodnotili statickou a dynamickou rovnováhu a potenciální snížení bolesti zad. Výsledky ukázaly, že z hlediska golfového výkonu a statické či dynamické rovnováhy nedošlo u skupiny s obuví k žádnému významnému rozdílu v porovnání se skupinou používající běžnou obuv. Avšak autoři prokázali účinek obuvi na snížení bolesti zad oproti běžně užívané golfové obuvi. Landry, Nigg & Tecante (2009) zdůrazňují, že obuv aktivuje také drobné svaly blíže kloubům. Zároveň obuv 7
díky své oblé podrážce zaručuje došlap blíže středu nohy, čímž se rovněž redukuje přetížení kloubů. Otázka použití obuvi je v literatuře řešena především z hlediska kinematiky (Demura et al., 20; Horsak & Baca, 202; Taniguchi et al., 202). V dostupné domácí literatuře odpověď na otázku efektivity využití nestabilní obuvi nenalézáme. CÍLE PRÁCE Cílem studie bylo zjistit, jakým způsobem dochází ke změně distribuce tlaku na úrovni interakce chodidla a stélky při použití běžné obuvi a obuvi při chůzi na trenažéru rychlostí 5 km.h a 7 km.h. V souvislosti s tím zhodnotit efektivitu použití obuvi nestabilní konstrukce na zmenšení reakčních sil působících v oblasti pod patní kostí. METODA Měření bylo provedeno u skupiny deseti zdravých žen (věk: 5, ±,26 let; výška: 70 ± 5,72 cm; hmotnost: 64, ± 7,66 kg). U všech žen byla sledována interakce mezi chodidlem a stélkou (obr. ), a to jednak při chůzi v běžné obuvi a jednak při chůzi v obuvi s nestabilní konstrukcí (Masai Barefoot Technology, obr. 2). Měření probíhalo na trenažéru, kde byla nastavena konstantní rychlost pásu 5 a 7 km.h. Před započetím měření měla každá z žen možnost zapracování se na trenažéru, a to po dobu jedné minuty. Zároveň každá ze sledovaných žen měla před měřením v obuvi 5 minut na vyzkoušení tak, aby si dostatečně přivykla na případnou změnu chůze. Všechny zúčastněné byly následně dotázány, zda si na obuv dostatečně přivykly, aby mohly podstoupit měření. Měření probíhalo po dobu 0 s, přičemž analýze bylo podrobeno 0 dvojkroků z prostřední části záznamu. Sledování působících sil včetně časového trvání fáze odrazu bylo provedeno prostřednictvím snímacího a měřicího systému Pedar (Novel, München, Německo) s nastavenou frekvencí snímání na 00 Hz. Toto zařízení zaznamenává pomocí senzorů rozložení tlaku chodidel na podložku (vložku v botě). Stélky byly před použitím řádně zkalibrované. Data byla přenášena pomocí kabelů přímo do PC a následně byla zpracována pomocí příslušného softwaru. Při analýze krokového cyklu byly měřeny průměrné hodnoty z deseti dvojkroků. Vstupními proměnnými byl jednak typ obuvi ( nebo běžná obuv) a rychlost chůze (5 km.h nebo 7 km.h ). Výstupními proměnnými byly nejvyšší tlak, maximální síla (ve vertikálním směru), maximální síla ve vertikálním směru v oblasti pod patní kostí, trvání kroku a doba kontaktu s podložkou. Ke zpracování dat byl použit program Matlab. Pro analýzu závislosti výstupních veličin na vstupních bylo nutno brát v úvahu individualitu sledovaných osob. Nejjednodušší model, který tuto skutečnost zohledňuje, je lineární model: Y ~ a j + b. O + c. R + ε, kde Y je vybraná vstupní veličina, a j jsou vlivy jednotlivých osob (j =, 0), O, R jsou indikátory typu obuvi a rychlosti, tj. O = 0 pro běžnou obuv, O = pro, R = 0 pro 5 km.h, R = pro 7 km.h. Veličina ε představuje náhodné odchylky, o kterých předpokládáme, že jsou vzájemně nezávislé a stejně rozdělené, s normálním rozdělením N (0, σ2). Tento předpoklad byl testován pomocí Lillieforsova testu (zobecnění testu dobré shody Kolmogorov-Smirnova) a dvou neparametrických testů nezávislosti a náhodnosti. 74
Obrázek Příklad interakce chodidla a stélky při použití a běžné obuvi Obrázek 2 Obuv VÝSLEDKY A DISKUSE Předkládaná studie řeší otázku interakce mezi nohou a obuví při chůzi na trenažéru v běžné obuvi a obuvi při rychlosti 5 a 7 km.h. Naměřené výsledky jsou uvedeny v tabulce. 75
N = 0 S.V. E.H. P.V. Z.V. K.V. L.P. V.H. L.K P.CH. K.N číslo měření typ obuvi Tabulka Sledované proměnné u deseti žen při použití a běžné obuvi X, X 2 Y,...,8 V [km.h - ] nejvyšší tlak L [kpa] nejvyšší tlak P [kpa] F max mean/l [N] F max. mean/p [N] F max. Lpata [N] F max. Ppata [N] trvání kroku [s] kontakt [s] 5 2 9 749 8 557 592,08 0,67 2 7 75 462 875 949 769 85 0,90 0,54 5 299 297 88 89 457 496,0 0,67 4 7 8 9 94 744 72 0,9 0,54 5 200 26 694 777 54 55,0 0,62 2 7 80 400 770 8 670 70 0,89 0,5 5 22 2 685 694 50 559,06 0,6 4 7 269 04 795 85 699 727 0,92 0,54 5 206 267 67 676 482 5,07 0,52 2 7 270 26 720 788 620 686 0,90 0,52 5 2 278 658 64 455 4, 0,66 4 7 284 8 750 744 68 605 0,94 0,54 5 94 89 785 857 56 505 0,99 0,6 2 7 407 49 88 887 720 7 0,89 0,5 5 0 87 746 760 52 488,02 0,62 4 7 42 872 846 75 704 0,89 0,54 5 26 07 809 792 52 520 0,9 0,55 2 7 9 89 889 905 660 70 0,86 0,50 5 29 4 809 778 459 94 0,99 0,59 4 7 58 86 9 99 667 706 0,9 0,52 5 98 226 604 652 440 0,94 0,56 2 7 42 254 629 677 40 490 0,85 0,52 5 407 259 709 662 59 408,02 0,6 4 7 84 0 8 770 54 578 0,88 0,5 5 85 2 60 66 468 49,02 0,62 2 7 448 289 752 75 675 66 0,87 0,5 5 6 25 640 592 45 44,0 0,60 4 7 70 284 767 75 60 609 0,89 0,52 5 47 28 884 869 55 5,2 0,69 2 7 489 57 96 004 664 695 0,94 0,64 5 258 244 88 856 507 494,4 0,68 4 7 27 982 006 769 762 0,97 0,57 5 26 20 650 68 42 40 0,95 0,57 2 7 25 26 772 768 594 608 0,85 0,50 5 02 259 680 650 70 96,0 0,60 4 7 6 02 794 765 57 57 0,89 0,5 5 89 220 799 87 492 54 0,97 0,59 2 7 250 247 80 9 62 698 0,82 0,48 5 209 207 786 77 546 567 0,95 0,54 4 7 245 240 86 806 704 649 0,86 0,5 76
Výsledky při rychlosti 5 km.h Z tabulky je patrné, že u sledovaného souboru deseti žen byla zjištěna při rychlosti 5 km.h v proměnné Y maximální tlak na levé noze vyšší hodnota při použití než běžné obuvi celkem 7x. Ve třech případech byly hodnoty maximálního tlaku na levé noze nižší při použití obuvi. V hodnotách proměnné F max (Y ) na levé noze byly hodnoty při použití obuvi ve čtyřech případech nižší než v běžné obuvi a v jednom případě byla hodnota shodná. Na pravé noze byly hodnoty maximálního tlaku (proměnná Y 2 ) při 5 km.h v pěti případech vyšší při použití obuvi a v pěti případech naopak nižší. V hodnotách proměnné F max na pravé noze (proměnná Y 4 ) byly hodnoty při použití obuvi v osmi případech nižší než v běžné obuvi. Při porovnání hodnot F max pod levou patou (veličina Y 5 ) při rychlosti 5 km.h - byly zaznamenány hodnoty v šesti případech nižší při použití obuvi nežli při běžné obuvi. V případě pravé nohy (veličina Y 6 ) tomu bylo v osmi případech. Trvání kroku (veličina Y 7 ) při použití obuvi bylo v osmi z deseti případů časově delší a ve třech případech byly hodnoty doby kontaktu (veličina Y 8 ) při použití obuvi nižší. Výsledky při rychlosti 7 km.h Při rychlosti 7 km.h při použití obuvi měla proměnná Y maximální tlak na levé noze celkem v osmi případech nižší hodnoty nežli tomu bylo při použití běžné obuvi. Na pravé noze (proměnná Y 2 ) tomu tak bylo v sedmi případech, kdy byly hodnoty maximálního tlaku při použití obuvi nižší. V hodnotách proměnné Y, která představuje F max na levé noze, byly hodnoty při použití obuvi ve všech případech vyšší než v běžné obuvi, avšak v hodnotnách F max na pravé noze (veličina Y 4 ) byly hodnoty naopak v šesti případech nižší při použití obuvi. Při porovnání hodnot F max pod levou patou (veličina Y 5 ) při rychlosti 7 km.h byly zaznamenány hodnoty ve třech případech nižší při použití obuvi nežli při běžné obuvi. V případě pravé nohy (proměnná Y 6 ) tomu tak bylo v sedmi případech. Trvání kroku (veličina Y 7 ) při použití obuvi bylo při této rychlosti v devíti z deseti případů časově delší a u jedné osoby bylo trvání kroku shodné. Kontakt s podložkou (veličina Y 8 ) byl u sedmi osob delší a u dvou kratší při použití obuvi. U jedné osoby byly zjištěny shodné časy. Statistické zpracování výsledků Při analýze závislosti výstupních proměnných na vstupních proměnných jsme vyšli z předpokladu, že výsledky jsou ovlivněny individualitou jednotlivých osob, což zohledňuje lineární model, uvedený v metodické části. Provedené testy (Lillieforsův test a dva neparametrické testy nezávislosti a náhodnosti) nevedly k zamítnutí předpokladu, že náhodné chyby (veličina ε) jsou vzájemně nezávislé a stejně rozdělené, s normálním rozdělením N (0, σ2). Tabulka 2 obsahuje výsledné odhady parametrů b, c metodou nejmenších čtverců, v závorce jsou p-hodnoty příslušného t-testu významnosti (tj. nenulovosti) parametru, dále odhad reziduální směrodatné odchylky σ. 77
Tabulka 2 Závislost výstupních veličin na rychlosti a typu obuvi Výstupní veličina Odhad b Odhad c Odhad σ Y 2,5 (0,440) 54,55 (0,0006) 44,5 Y 2 8,70 (0,79) 50,90 (0) 0,2 Y 2,0 (0,0024) 94,0 (0) 0,42 Y 4 26,25 (0,009) 0,25 (0) 6,5 Y 5 4,70 (0,759) 80,80 (0) 40,4 Y 6 0,50 (0,008) 8,80 (0) 42,9 Y 7 0,026 (0,0002) 0,40 (0) 0,024 Y 8 0,08 (0,75) 0,085 (0) 0,027 Z těchto výsledků můžeme učinit závěr, že všechny měřené veličiny závisí na rychlosti. Maximální tlak na levé i pravé noze, maximální síla na levé i pravé noze a maximální síla změřená pod levou i pravou patou, tedy veličiny Y až Y 6 kladně, Y 7 a Y 8 (trvání kroku a doba kontaktu) záporně. Dále výsledky pro veličiny Y a Y 2 ukazují na zápornou závislost na typu obuvi (klesají pro obuv ), avšak tato závislost není statisticky významná. Pokud jde o páry veličin Y, Y 4 a Y 5, Y 6 (jde o měření téže veličiny na levé a pravé noze, proto lze očekávat podobnou závislost), výsledky jsou nejednoznačné a neprokazují významnou závislost na typu obuvi. Lze předpokládat, že stabilnějších výsledků bychom dosáhli na základě většího souboru dat. Výsledky pro veličiny Y 7 a Y 8 ukazují na jejich nárůst pro obuv, statisticky významný nárůst jsme však zjistili jen pro Y 7, u veličin Y a Y 2 se neprokázala závislost na obuvi. U Y až Y 6 jsou výsledky pro odhad b nejednoznačné a ukazují spíš, že závislost na obuvi je nevýznamná. Výsledky pro veličiny Y 7 a Y 8 pak ukazují na slabou závislost na obuvi. Přesnějšího výsledku v těchto případech bychom se pravděpodobně dobrali při větším počtu měření. Samozřejmě, některé výstupní veličiny jsou i závislé vzájemně. Tato závislost byla kvantifikována pomocí korelací. Jak lze očekávat, silná korelace je zejména mezi páry veličin, které měří tutéž kvantitu na levé a pravé noze, i mezi Y 7 a Y 8. Srovnáme-li naše výsledky s výsledky studií Landry, Nigg & Tecante (2009), Federolf et al. (2009), pak můžeme připustit, že obuv díky své oblé podrážce zaručuje došlap blíže středu nohy. Naše výsledky však nepotvrzují zmenšení maximálního tlaku při použití obuvi, jak uvádí ve své studii např. Stewart, Gibson & Thomson (2006). Otázkou však zůstává, jakým způsobem by se měnily tyto veličiny např. při stoji (ve shodě s výše uvedenou studií). ZÁVĚRY Na základě provedené studie můžeme vyslovit následující závěry. V souvislosti se změnou rychlosti chůze se rozložení tlaku na plosce nohy při chůzi na trenažéru mění. Při vyšší rychlosti (měřeno pro v = 5 km.h a v = 7 km.h ) statisticky významně vzrostl maximální tlak, a to pod pravou i levou nohou. Obdobná závislost na rychlosti platí také pro maximální vertikální sílu i sílu pod patní kostí. Naopak nepřímá závislost byla zjištěna pro dobu trvání kroku a kontaktu s podložkou. 78
Obuv nestabilní konstrukce v námi definovaných podmínkách významně nezměnila distribuci tlaků na podložku v porovnání s běžnou obuví. Také závislost maximální změřené síly u levé i pravé nohy a pod pravou i levou patou se ukázala jako nevýznamná. Otázkou pro další studie je sledování krokového cyklu při použití tohoto typu obuvi při současném měření aktivace zapojovaného svalstva především dolních končetin. Poděkování Rádi bychom poděkovali doc. Petru Volfovi, CSc., z katedry aplikované matematiky FP TUL za pomoc při statistickém zpracování výsledků. LITERATURA BEYERLEIN, C. (2004) Effekt eines neuro-muskulären Trainings auf die Koordinationsfähigkeit nach Ruptur des vordenen Kreuzbandes, unter Berücksichtigung der Masai Barfuss Technology (). Krankengymnastik Zeitschrift für Physiotherapeuten, 56(9), p. 60 627. BOYER, K., BLAZEK, K. & ANDRIACCHI, T. (2008) Knee joint loading in walking in the shoe. [Internet, cited 20 August 9]. Available from: http://cz.mbt.com/home/benefits/studies.aspx. DEMURA, T. et al. (202) Gait characteristics when walking with rounded soft sole shoes. The foot, 22(), p. 8 2. FEDEROLF, P., NIGG, B. M., MELVIN, J. M. A. & TECANTE, K. (2009) Kinematic and Kinetic Gait Analysis for Mwalk, Dualboard and a Control Shoe. Unpublished study, Internal Report. Calgary: University of Calgary. HAMRIK, Z., SIGMUNDOVÁ, D., KALMAN, M., PAVELKA, J. & SIGMUND, E. (20) Physical activity and sedentary behaviour in Czech adults: Results from the GPAQ study. European Journal of Sport Science, 6. HOPPELER, H., GASSER, B. & STAUBER, A. (2008) Increased metabolism while standing with unstable shoe construction.. [Internet, cited 20 July ]. Available from: http://us.mbt.com/ Home/Benefits/Studies.aspx. HORSAK, B. & BACA, A. Effects of an unstable Shoe Construction on EMG and Lower and Upper Extremity Gait Biomechanics. Journal of Biomechanics, 45(S), p. 222. KRAUS, I., BENDIG, A. & HORSTMANN, T. (2006) Effectiveness of a 0-week training intevention with the in patients with hip disorders. Deutsche Zeitschrift für Sprtmedizin, 57(7/8), p. 95 200. LANDRY, S. C., NIGG, B. & TECANTE, E. (2008) Activity of Selected Muscles Crossing the Ankle Joint Complex and Lower Limb Gait Characteristics using an Unstable Shoe.. [Internet, cited 20 July ]. Available from: http://us.mbt.com/home/benefits/studies.aspx. NIGG, B., EMERY, C. & HIEMSTRA, L. (2006) The effectivness of the Masai Barefoot Technology () shoe in the reduction of pain in subjects with knee osteoarthritis.. [Internet, cited 20 August ]. Available from: http://cz.mbt.com/home/benefits/studies.aspx. NIGG, B., HINTZEN, S. & FERBER, R. (2006) Effect of an unstable shoe construction on lower extremity gait characteristics. Clinical Biomechanics, 2, p 82 88. STEWART, L., GIBSON, J. N. & THOMSON, C. E. (2007) In-shoe pressure distribution in unstable () shoes and flat-bottomed training shoes: a comparative study. Gait &Posture, 25, p. 648 65. TANIGUCHI, M. et al. (202) Kinematic and kinetic characteristics of Masai Barefoot Technology footwear. Gait & Posture, 5, p. 567 572. Doc. PhDr. Soňa Jandová, Ph.D. FP TUL, Studentská 2, 46 7 Liberec e-mail: sona.jandova@tul.cz 79