Praca oryginalna Original paper
Ssaki na skutek przystosowań do odmiennych warunków środowiska oraz sposobów poruszania się i zdobywania pożywienia wykształciły zróżnicowaną budowę anatomiczną swoich kończyn. Ma to swoje od-zwierciedlenie zarówno w budowie samej stopy (łapy), jak i w rozkładzie ciężaru przenoszonego na poszcze-gólne jej części podczas ruchu. W tym ujęciu wyróż-niamy stopochodność i palcochodność (4). U ssaków stopochodnych cała powierzchnia podeszwowa stopy kontaktuje się z podłożem, a liczba palców zazwyczaj wynosi pięć. Typowymi przedstawicielami stopochod-nych ssaków są: człowiek, niedźwiedź i większość gryzoni, np. szynszylowate i myszowate. U gryzoni ponadto pojawia się często przystosowanie do skoków i znacznemu wydłużeniu ulegają kości śródstopia (1).
W przypadku palcochodności, będącej wynikiem przystosowania do szybkiego i dynamicznego sposo-bu lokomocji, następuje uniesienie łap nad podłoże (uniesienie śródstopia i stępu oraz śródręcza i
nad-garstka), natomiast z podłożem kontaktują się tylko palce. W tej kategorii lokomocji można wyróżnić tzw. półstopochodność, charakterystyczną dla kotowatych i psowatych oraz klasyczną palcochodność, z którą wiąże się redukcja skrajnych palców (zachowanie tylko 2 lub 1): parzystokopytne i nieparzystokopytne (4).
We współczesnej nauce przy opisie biomechaniki kończyn powszechne jest stosowanie obiektywnych metod pomiaru i analizy, w niewielkim stopniu uza-leżnionych od subiektywizmu osoby badającej. Jedną z takich metod jest pedobarografia. Znalazła ona powszechne zastosowanie w ocenie kończyn dolnych i szkieletu osiowego u ludzi (3, 5, 6). W dostępnej literaturze występuje śladowa ilość przykładów za-stosowania pedobarografii u zwierząt (9, 10, 12, 13), co może mieć znaczenie zarówno poznawcze, jak i terapeutyczne.
Wyróżnia się trzy rodzaje badania pedobarogra-ficznego: badanie statyczne, posturalne i dynamiczne.
Możliwości zastosowania pedobarografii
w analizie anatomii i biomechaniki kończyn
wybranych gatunków zwierząt
JACEK LORKOWSKI*, TADEUSZ KUDER**, ALEKSANDER SZCZURKOWSKI**, IRENEUSZ KOTELA*, ***
*Klinika Ortopedii i Traumatologii, Centralny Szpital Kliniczny MSW w Warszawie, ul. Wołoska 137, 02-507 Warszawa **Zakład Anatomii Porównawczej Kręgowców, Instytut Biologii,
Uniwersytet Jana Kochanowskiego w Kielcach, ul. Świętokrzyska 15, 25-406 Kielce ***Zakład Rehabilitacji w Schorzeniach Narządu Ruchu, Instytut Fizjoterapii, Uniwersytet Jana Kochanowskiego w Kielcach, Al. IX Wieków Kielc 19, 25-317 Kielce
Lorkowski J., Kuder T., Szczurkowski A., Kotela I.
Possible applications of pedobarography in the analysis of the limb anatomy and biomechanics of selected animal species
Summary
The aim of this study was to investigate the distribution of plantar pressure under the paws of selected mammalian species, as well as to assess the possibility of using static, postural, and dynamic pedobarography in diagnostics. A PEL 38 pedobarograph with TWIN 99 software working on Windows XP was used. We analyzed the distribution of pressure on the plantar side of the paws of a dog, chinchilla, and Egyptian spiny mouse. Static pedobarographic examination of each animal was performed. Postural and dynamic examinations were also attempted. Two pressure areas on the plantar sides of the dog’s paws were distinguished. In other animals it was impossible to distinguish the areas of the plantar sides of paws because of the insufficient resolution of the device, but it was logical to consider two-, three-, four- and five-point types of pressure. The results suggest that only static pedobarographic examination is possible in each research examination of these animals, The study also showed repetitive, complex patterns of pressure distribution on the plantar side of the paw, which are specific to each animal.
nę rozkładu nacisków na podeszwowej stronie stóp/łap w trakcie stania w dowolnym, wybranym momencie pomiaru. Ocenę rozkładu nacisków na podeszwowej stronie stóp/łap w trakcie stania, w określonym prze-dziale czasowym, czyli tzw. dynamikę stania przepro-wadzamy na podstawie posturalnego badania pedo-barograficznego. Wielkość obciążeń na podeszwowej stronie stóp w czasie chodu określa dynamiczne ba-danie pedobarograficzne. Pozwala ono zarejestrować cały proces przemieszczania stóp/łap (6, 7).
Celem pracy była próba zbadania rozkładu naci-sków na podeszwowej stronie łap u wybranych ga-tunków ssaków oraz ocena możliwości zastosowania pedobarografii statycznej, posturalnej i dynamicznej w diagnostyce zwierząt. Wybór zwierząt nie był przypadkowy. Pies jest przykładem palcochodnego zwierzęcia, czteropalczastego (4). Szynszyla i mysz egipska są zwierzętami stopochodnymi, przy czym szynszyla ma tylne łapy mocno wydłużone, przysto-sowane do skakania na znaczne odległości. Przednie łapy są pięciopalczaste, tylne 4-palczaste (1). Poza tym szynszyla jest zwierzęciem hodowlanym i w związku z tym niniejsze badania mogą mieć aspekt praktyczny. Mysz egipska, będąca przedstawicielem rodziny my-szowatych, jest dosyć częstym zwierzęciem laborato-ryjnym. Wprawdzie jest zwierzęciem stopochodnym, ale o pięciopalczastych kończynach, wydłużonych palcach, a więc nieco innym rozkładzie i sile nacisku na poszczególne punkty (2, 4).
Materiał i metody
Badania potraktowane zostały jako pilotażowe. Zakwa-lifikowano do nich 3 psy (Canis familiaris), owczarki Col-lie, obojga płci, w wieku 4-10 lat, o masie ciała 20-25 kg, 3 szynszyle (Chinchilla lanigera),
obojga płci, w wieku 1-3 lat, o masie 480-570 g oraz 3 myszy egipskie
(Aco-mys cahirinus), obojga płci, w wieku
12 miesięcy, o masie 38-53 g.
Wszystkie zwierzęta były zdrowe, sprawne motorycznie. U żadnego z nich nie stwierdzono istotnych od-chyleń od normy, w szczególności w zakresie narządu ruchu.
U każdego z badanych zwierząt wykonano statyczne badanie pedoba-rograficzne oraz próby badań postu-ralnych i dynamicznych. Do badań wykorzystano pedobarograf PEL 38 (zastosowane oprogramowanie TWIN 99, pracujące w środowisku Windows XP) (7).
Należy zaznaczyć, że zastosowane badania pedobarograficzne były całko-wicie obojętne dla badanego zwierzę-cia, a wszystkie procedury badawcze zgodne z wymogami Lokalnej Komisji Etycznej w Krakowie (3/2011).
W badaniu pedobarograficznym u psów, w pomia-rze statycznym stwierdzono występowanie na pode-szwowej stronie łap przednich i tylnych dwóch stref obciążeń. W części pomiarów strefa przednia ulegała duplikacji, jednocześnie często ulegając asymetrii. Wartość maksymalnych nacisków na podeszwowej stronie łap przednich wynosiła 572 g/cm2, a na
pode-szwowej stronie łap tylnych 625 g/cm2. Maksymalne
średnie naciski wynosiły, odpowiednio, 300 g/cm2
strefa przednia i 346 g/cm2 – strefa tylna (ryc. 1).
U szynszyli w badaniu pedobarograficznym w sta-niu na czterech łapach stwierdziliśmy 2 najczęstsze typy kontaktu podeszwowej strony łap z podłożem. W typie 1 zaobserwowano pierścieniowy kształt pola kontaktu podeszwowej strony z podłożem w obrębie łap przednich z maksymalnym naciskiem w obrębie ich centralnych części i eliptyczny kształt pola kontaktu podeszwowej strony łap tylnych z podłożem (dwukrot-nie większym wymiarem) i maksymalnym naciskiem w obrębie tylnej części (ciśnienie wyższe niż pod łapa-mi przedniłapa-mi) o wartości 98 g/cm2 (ryc. 2a). W 2 typie,
pole kontaktu podeszwowej strony łap z podłożem było analogiczne w obrębie przednich i tylnych łap (ryc. 2b). Podczas stania na dwóch tylnych łapach wyróżniono dodatkowy, 3 typ kontaktu podeszwowej strony łap szynszyli z podłożem. W tym przypadku zwierzęta kontaktowały się z podłożem ogonem, a powierzchnia kontaktu była zbliżona wielkością do stopy, ale wartość ciśnień była dwukrotnie niższa od tego, jakie wytwa-rzała stopa (ryc. 2c). U każdego z badanych zwierząt stwierdzaliśmy wszystkie omawiane typy kontaktu łap z podłożem.
U myszy stwierdziliśmy następujące cztery spo-soby kontaktu podeszwowej strony łap z podłożem:
Ryc. 1. Rozkład nacisków na podeszwowej stronie łap psa (owczarka Collie): a – łapy przednie, b – łapy tylne
Objaśnienie: Kolor czerwony na każdym pedobarogramie oznacza największe obciążenia, zielony naciski o pośredniej wartości, niebieski zaś najmniejsze ich wartości.
a) 4-punktowy kontakt z maksymalnym naciskiem pomiędzy łapami przednimi i tylnymi, punkty nacisku w obrazie pedobarograficznym rozłączne lub łączące się ze sobą (ryc. 3a); b) 5 punktów kontaktu (4 łapy i ogon) (ryc. 3b); c) 3 punkty kontaktu (ogon i łapy przednie lub tylne) (ryc. 3c); d) 2 punkty kontaktu podczas stania na łapach tylnych.
Stwierdziliśmy relatywnie duże naciski pod łapami (do 311 g/cm2) i bardzo duże wartości nacisków pod
ogonem (do 86% maksymalnych nacisków stwierdza-nych w czasie jednego z badań). U każdego z badastwierdza-nych zwierząt stwierdzaliśmy wszystkie opisywane typy kontaktu łap z podłożem.
Wykonanie posturalnego i dynamicznego badania pedobarograficznego u zwierząt okazało się niemoż-liwe ze względu na brak możliwości uzyskania powta-rzalnych wyników badań.
Dyskusja
Współcześnie do oceny ilościowej rozkładu naci-sków na podeszwowej stronie stóp u ludzi, łap u zwie-rząt służy badanie pedobarograficzne. Umożliwia ono jakościowy i ilościowy pomiar nacisków na każdym centymetrze kwadratowym podeszwowej strony stopy/ łapy z graficznym przedstawieniem wyników (mapa obciążeń) (5-7, 11, 14).
Ryc. 2. Rozkład nacisków na podeszwowej stronie łap szynszyli – typy kontaktu łap z podłożem: a – typ pierścieniowy kształtu pola kontaktu podeszwowej strony łap tylnych z podłożem, b – typ symetryczny kształtu pola kontaktu podeszwowej strony łap przednich i tylnych z podłożem (widoczny dodatkowy kontakt z podłożem ogona), c – typ całkowitego odciążenia łap przednich – zwierzę stoi tylko na 2 tylnych łapach (widoczny dodatkowy kontakt z podłożem ogona)
Ryc. 3. Rozkład nacisków na podeszwowej stronie łap myszy egipskiej – typy kontaktu łap z podłożem: a – 4-punktowy kon-takt z podłożem, punkty nacisku w obrazie pedobarograficznym nie łączące się ze sobą, b – 5-punktowy konkon-takt z podłożem (4 łapy i ogon w bezpośrednim sąsiedztwie łapy tylnej), c – 3-punktowy kontakt z podłożem (2 tylne łapy i ogon)
badanych psów, szynszyli i myszy egipskich zarówno kończyny przednie, jak i tylne są narządem podporo-wym i lokomocyjnym. Dla prawidłowego spełniania tych funkcji nieodzowne jest zachowanie właściwych relacji anatomicznych w budowie łap i ich prawidłowa wydolność biomechaniczna (3, 6, 11). Z punktu wi-dzenia biomechaniki, łapy stanowią końcowy element łańcucha kinetycznego, jakim jest ciało zwierzęcia. Prawidłowa artrokinematyka i propriocepcja w ob-rębie łap zapewnia właściwą dystrybucję i rozpro-szenie sił ściskających, ścinających, rozciągających i rotacyjnych generowanych podczas stania i chodu. Odwzorowaniem jednopłaszczyznowym biomecha-nicznej funkcji łap jest rozkład nacisków na ich pode-szwowej stronie (6-8, 14). Ocena ta u zwierząt wydaje się trudniejsza niż u człowieka, ponieważ analizie mu-simy poddać 4 pola kontaktu z podłożem wytworzone przez łapy, a nie tylko dwie, jak jest to u człowieka, stąd uzyskane u zwierząt odwzorowania jednopłasz-czyznowe są bardziej złożone i muszą uwzględniać większą ilość zmiennych. Wykonywana u człowieka analiza szkieletu osiowego będzie w sposób prosty odwzorowywać się na obu kończynach dolnych, zaś w przypadku zwierząt możliwy będzie bardziej zło-żony proces kompensacji ewentualnych wad w rzucie czteropunktowym. W przypadku schorzeń kończyn lub szkieletu osiowego u zwierząt szczególnie pomocne wydawałoby się zatem zastosowanie badania zarówno w czasie stania, jak i chodu.
W niniejszych badaniach pilotażowych zastosowano tylko pomiar statyczny, podczas gdy badania postural-ne i dynamiczpostural-ne okazały się niemożliwe ze względu na brak powtarzalności wyników. Ten rodzaj badań wy-maga zatem przemyślenia i odrębnego potraktowania. W celu przeprowadzenia szczegółowej analizy rozkładu nacisków na podeszwowej stronie łap sen-sownym wydaje się dokonanie ich podziału na strefy. Byłoby to postępowanie podobne jak u człowieka, gdzie powszechnie stosuje się podziały stóp na strefy według Blomgren, Cavanagha, Kernozeka i Stessa. Uwzględniają one wyróżnione w anatomii klinicznej części stopy i różnice nacisków występujące w po-szczególnych strefach (7, 8). W przypadku psów, na-szym zdaniem, właściwym będzie wyróżnienie dwóch stref kontaktu łap z podłożem, zarówno dla kończyn przednich, jak i tylnych. Odpowiadają one, stosownie, czterem poduszkom podpalcowym (strefa przednia) i jednej dużej poduszce śródręcznej lub śródstopnej (strefa tylna). Niekiedy strefa przednia ulega duplikacji (jak zaznaczono w wynikach), co związane jest z pół-kolistym rozmieszczeniem poduszek podpalcowych. Jak wynika z analizy, główny nacisk położony jest na poduszki śródręczne i śródstopne.
W przypadku szynszyli, a w szczególności myszy przy rozdzielczości transducerów 1 × 1 cm2
niemoż-liwe wydaje się proste zastosowanie stref podziału
nienie typów nacisków: dwu-, trój-, cztero-, czy pięcio-punktowego. Wydaje się, że częstość ich występowania będzie odpowiednikiem różnego typu przeciążeń występujących na podeszwowej stronie stóp u ludzi, ale to już wymaga dalszych analiz. Zdaniem autorów, jedynym możliwym wyjątkiem od tej reguły będzie uwzględnienie 2 stref, tj. przedniej i tylnej w obrębie łap tylnych szynszyli, które ze względu na wielkość strefy kontaktu z podłożem mogą podlegać dalszej analizie.
Ciekawie prezentują się z punktu widzenia anato-mii porównawczej maksymalne naciski łap badanych zwierząt: 625 g/cm2 u psa, 98 g/cm2 u szynszyli i 311
g/cm2 u myszy egipskiej, przy najczęstszych
maksy-malnych naciskach występujących u człowieka około 600-700 g/cm2 (8, 11).
U ludzi ocena rozkładu nacisków na podeszwowej stronie stóp w czasie stania i chodu z zastosowaniem pedobarografii, wykorzystywana jest w analizach biomechanicznych stóp, pozostałych części kończyn dolnych i szkieletu osiowego zarówno w praktyce kli-nicznej, jak i pozamedycznych dziedzinach życia (3, 5, 6, 8). Logicznym wydaje się podobne zastosowanie analizy pedobarograficznej u zwierząt, szczególnie w ocenie pourazowej zwierząt oraz w ocenie przed i pooperacyjnej. Tego rodzaju badania wykonywane były u strusi (12). Wartość tej metody oceny nacisków na podeszwowej stronie stóp jest tym większa, że jest ona całkowicie obojętna dla badanego i może być wielokrotnie powtarzana, służąc do monitorowania postępu deformacji, a także oceny przebiegu leczenia.
U ludzi badanie pedobarograficzne rozpoczyna się od wykonania pomiarów statycznych aż do uzyskania powtarzalnych wyników. W statycznym pomiarze bi-pedalnym uzyskuje się pojedynczy obraz podpierania podeszwowego pacjenta w określonej chwili (w czasie rzeczywistym). Po uzyskaniu trzech powtarzalnych wyników badania statycznego w tej samej pozycji wykonuje się najczęściej badanie posturalne lub dy-namiczne. W czasie badania posturalnego istotne jest utrzymywanie przez cały okres pomiaru stałej pozycji ciała. Pomiary powtarza się u każdego z badanych co najmniej trzykrotnie, aż do uzyskania trzech powtarzal-nych wyników. Typ posturalny badania pedobarogra-ficznego wykorzystuje się do analizy dynamiki stania, ponieważ pozwala na zapis podpierania podeszwowe-go przez określony, a priori zadany czas, zaś wynik pomiaru (mapa rozkładu nacisków na podeszwowej stronie stóp), przeanalizowany komputerowo, przed-stawiony jest jako średnia uzyskana ze wszystkich pomiarów. W przypadku wykonywania dynamicznego badania pedobarograficznego koniecznym jest zacho-wanie naturalnej prędkości chodu i długości kroku (7). Nasze obserwacje przy wykonywania badania pe-dobarograficzego u zwierząt, przy wykonaniu kilkuset pomiarów, wykazały brak możliwości technicznych
wykonania badania posturalnego i dynamicznego ze względu na brak współpracy badanych zwierząt, a więc i niepowtarzalność wyników. Przedstawiony powyżej „złoty standard” znajdujący zastosowanie u człowie-ka nie znajduje go u zwierząt. W naszych badaniach oparliśmy się więc tylko na pomiarach statycznych wykonywanych po kilkadziesiąt razy u każdego zwierzęcia, aż do uzyskania pewności powtarzalności wyników. Autorom wydaje się możliwe zastosowa-nie do dynamicznego badania pedobarograficznego u zwierząt drobnych tensorów przylepianych do łap zwierząt. Ich zastosowanie jest jednak ograniczone znacznymi kosztami jednostkowymi badania. Innym alternatywnym rozwiązaniem jest użycie dużej maty pomiarowej niedostępnej w trakcie standardowego badania ludzi. Próba zastosowania sensorów umiesz-czonych we wkładkach wydaje się u zwierząt również nieakceptowalna.
Chociaż wadą statycznej analizy pedobarograficznej jest fakt, że uzyskuje się obraz podpierania podeszwo-wego zwierzęcia w określonej chwili, a to nie pozwala na analizę zmian w podpieraniu i przesuwaniu się cen-trów nacisku, bezsprzecznie ten typ badania dostarcza cennych informacji o przeciążeniu poszczególnych łap szczególnie u zwierząt, przy braku możliwości prze-prowadzenia analiz dynamicznych. Analiza posturalna, która odzwierciedla dynamikę stania i przybliża ocenę biomechaniki stóp i szkieletu osiowego, jest jeszcze trudniejsza do wykonania u ocenianych przez nas zwierząt niż analiza dynamiczna. Wielokrotnie wyko-nywana analiza statyczna w pewnym stopniu, w naszej ocenie, ją zastępuje, a jest dużo prostsza do wykonania. Wyniki wielu naszych analiz pokazują, że wielokrot-nie wykonane statyczne badawielokrot-nie pedobrarograficzne umożliwia obiektywizację stanu funkcjonalnego na-rządu ruchu oraz stwarza możliwość oceny zjawisk przeciążeniowych w nich występujących.
Wnioski
1. U zwierząt można przeprowadzić jedynie statycz-ne badanie pedobarograficzstatycz-ne, które wydaje się cen-nym narzędziem pomiarowym do oceny biomechaniki narządu ruchu.
2. Dokładna analiza rozkładu nacisków w badaniach pedobarograficznych, z zastosowaniem platform dla człowieka, może być wykonywana jedynie u dużych zwierząt, np. psa.
Piśmiennictwo
1. Çevik-Demirkan A., Őzdemir V., Türkmenoğlu I., Demirkan I.: Anatomy of the hind limb skeleton of chinchilla (Chinchilla lanigera). Acta Vet. Brno 2007, 76, 501-507.
2. Cook M. J.: The anatomy of the laboratory Mouse. Academic Press, Surrey 1965.
3. Frigg A., Schäfer J., Dougall H., Rosenthal R., Valderrabano V.: The midfoot load shows impaired function after ankle arthrodesis. Clin. Biomech. 2012, 27, 1064-1071.
4. Głowacka M.: Ślady zwierząt. Zeszyty Edukacyjne Śląskiego Ogrodu Botanicznego, Mikołów 2010.
5. Gurney J. K., Marshall P. W., Rosenbaum D., Kersting U. G.: Test-retest reliability of dynamic plantar loading and foot geometry measures in diabetics with peripheral neuropathy. Gait Posture. 2013, 37, 135-137.
6. Jansen H., Frey S. P., Ziegler C., Meffert R. H., Doht S.: Results of dynamic pedobarography following surgically treated intra-articular calcaneal fractures. Arch Orthop Trauma Surg. 2013, 133, 259-265.
7. Lorkowski J.: Metodyka badania pedobarograficznego – doświadczenia własne i przegląd literatury. Prz. Lek. 2006, 63 supl. 5, 23-27.
8. Lorkowski J., Hładki W., Galicka-Latała D., Trybus M., Brongel L.: Rozkład nacisków na podeszwowej stronie stóp u kobiet z otyłością i zapaleniem rozcięgna podeszwowego. Prz. Lek. 2009, 66, 9, 513-518.
9. Lorkowski J., Kuchinka J., Szczurkowski A., Kuder T.: Pressure distribu- tion under paws of chinchilla (Chinchilla lanigera). XXVth Congress of the European Association of Veterinary Anatomists (EAVA), Oslo 28-31 July 2004, s. 30.
10. Lorkowski J., Lorkowska B.: The first attempt estimation of pressure under collie’s paws using pedobarography. 83eme Congres de l’Association des
Morphologistes, 12th European Anatomical Congress, Lyon – France 23-26
mai 2001, abstr. XV.
11. Lorkowski J., Zarzycki D.: Zastosowanie kliniczne badania pedobarograficz-nego – doświadczenia własne i przegląd literatury. Prz. Lek. 2006, 63 supl. 5, 28-32.
12. Schaller N. U., D’Août K., Villa R., Herkner B., Aerts P.: Toe function and dynamic pressure distribution in ostrich locomotion. J. Exp. Biol. 2011, 214, 1123-1130.
13. Szczurkowski A., Lorkowski J.: Pedobarographic analysis in Egyptian spiny mouse (Acomys cahirinus). Annals of Anat. 2004, suppl.186, 170.
14. Wetke E., Zerahn B., Kofoed H.: Prospective analysis of a first MTP total joint replacement. Evaluation by bone mineral densitometry, pedobarography, and visual analogue score for pain. Foot Ankle Surg. 2012, 18, 136-140.
Adres autora: dr med. Jacek Lorkowski, Klinika Ortopedii i Trauma-tologii Centralnego Szpitala Klinicznego MSW, ul. Wołoska 137, 02-507 Warszawa; e-mail: jacek.lorkowski@gmail.com
