معرفی انواع سیستم های اسکن فشار کف پا و شاخص های تاثیرگذار بر الگوی گام برداشتن

امروزه اسکن پا و استفاده از کفی های طبی عملی مهم در راستای حفظ سلامت پاها و سیستم اسکلتی و عضلانی است. از طرف دیگر مطالعه و معاینه پا (اسکن فشار کف پا) و نحوه گام برداشتن سرشاخه جلوگیری از ایجاد ناهنجاریهای ستون فقرات است. در این گفتار سعی شده است انواع سیستم‌های سنجش فشار کف پا را معرفی کنیم. همچنین مختصری راجع به نکات کلیدی در انتخاب بهترین دستگاه اسکن پا صحبت کرده ایم. و در نهایت شاخص های عمومی تاثیرگذار بر الگوی راه رفتن هر فرد را شرح داده ایم.

نقش پاها در زندگی انسان

پا، حلقه پایانی زنجیره سینماتیک در حرکت انسان است. در هنگام ایستادن نقش اصلی حفظ تعادل با پاهاست و این پاها هستند که برایند نیروها را کنترل میکنند. هنگام گام برداشتن، پاهای انسان در دو فاز منفعل وفعال عمل میکنند. در فاز منفعل پاها نیروی وارده از سمت زمین بر بدن را متعادل میکند. در فاز فعال، پاها عامل اصلی شتاب و انتقال بدن هستند.

چرا اسکن پا اهمیت دارد؟

بر اساس قانون سوم نیوتن، اگر جسم شماره یک بر جسم شماره دو نیرو وارد کند جسم شماره دو نیز نیرویی برابر، همراستا و در جهت مخالف به جسم شماره یک وارد میکند. در هنگام راه رفتن نیروهای مختلفی بین پا و زمین در حال انتقال هستند. سنجش این نیروها در ارزیابی باری که بدن در طول روز با فعالیت های عادی یا ورزش کردن در حال تحمل آن است بسیار مفید است. برای تفکیک بین یک بار نرمال یا غیر نرمال وجود یک ابزار ارزیابی عینی ضروری است. در واقع حتی تفکیک بین عملکرد یک پای سالم و یک پای آسیب دیده یا یک پای اصلاح یا جراحی شده اطلاعات کلینیکی و درمانی مهمی ارائه میکند.

به وضوح، مطالعه ی مچ پا و کف پا در فهم فرایند گام برداشتن  و بدست آوردن یک الگوی صحیح گام برداشتن بسیار مهم است. در واقع هر تغییری در ساختمان کف پا اثر مخرب زیادی بر مچ پا، زانوها، مفصل ران و حتی لگن دارد.

دستگاه اسکن کف پا یا تحلیل گام باید دارای چه ویژگیهای باشد؟

• صحیح و دقیق
• کاملا تکرار پذیر
• حفظ ثبات عملکردی در طول زمان
• عدم تاثیر پذیری یا تداخل با حرکت در زمان سنجش
• مقرون بصرفه

چرا یک متخصص به اطلاعات اسکن کف پا یا تحلیل گام نیاز دارد؟

• نتیجه نهایی در خدمت تشخیص است. قطعا اولین گام در بررسی یا درمان یک عارضه تشخیص است. با وجود اطلاعات دقیق، امکان متمایز کردن ناهنجاریها و یا یافتن دلایل مختلف برای بروز یک ناهنجاری وجود دارد.
• چنین اطلاعات دقیقی میتواند در انتخاب بهترین روش درمان راهنما باشد.
• با وجود چنین اطلاعاتی در طول زمان، نتیجه انتخاب یک روش درمان قابل پیش بینی است.
• رصد بیمار و بررسی روند درمان از نقطه آغاز تا پایان فرایند درمان بسیار مهم و کمک کننده است.

چرا چشم انسان به تنهایی ابزار مناسبی برای سنجش فرایند گام برداشتن نیست؟

در بحث آسیب شناسی ثابت شده است که باید در هر ثانیه 30 تصویر از فرایند گام برداشتن ثبت شود. مطالعات و مقالات معتبر نشان داده اند که صرفا بررسی چشمی فرایند گام برداشتن باعث میشود فقط 22% از ناهنجاریهای ممکن شناسایی شوند.

آنالیز فاکتورهای مهم و اثرگذار در فرایند گام برداشتن در راستای تحلیل مکانیک و جنبشی فرایند است و تحلیل مکانیک یعنی سنجش نیرو، فشار و زمان در بررسی الگوی گام برداشتن. لذا سنجش نیرو و فشار در طول زمان و ثبت عددی و تصویری با حداقل 30 فریم در ثانیه اهمیت بالایی در مطالعه و تحلیل گام دارد. لازم به ذکر است هرچه سرعت ثبت فریم ها بیشتر باشد اطلاعات کاملتر و دقیقتری در اختیار متخصص قرار میگیرد.

نیرو و فشار چیست و چه تفاوتی دارند؟

در آنالیز گیت، مفاهیم نیرو و فشار و تمایز بین این دو اهمیت ویژه ای دارد. نیرو مفهومی است که میزان اثر گذاری دو جسم در تماس با یکدیگر را بیان میکند( N نیوتن). اما فشار مفهومی است که میزان نیرو را در واحد سطح بیان میکند یعنی فشار معادل نیرو تقسیم بر سطح (پاسکل=^2-Nm) است.

در آنالیز گیت باید توجه کرد که فشار، فاکتور بحرانی ای است که میزان آسیب ناشی از نیرو بر بافتها را بیان میکند.

پس سنجش فشار کف پا یعنی اندازه گیری توزیع نیرو در کف پای فرد. به همین دلیل اطلاعات مهمی از میزان فشار اعمال شده بر نواحی مختلف کف پا را شامل میشود. در واقع اختلالات موجود در فرایند گیت مشخصا به فشار وارد شده بر هر ناحیه از کف پا به شکل مجزا اثرگذار است.

در بررسی فرایند گیت از سنجش نیرو استفاده کنیم یا اسکن فشار پا؟

سیستم های سنجش نیرو (force plate) مولفه های مختلف نیرو (افقی در جهت حرکت، افقی عمود بر جهت حرکت، عمودی) را در جهات مختلف نشان میدهند. در واقع مزیت این دستگاه ها توانایی ثبت و ضبط تمام مولفه های نیروی اعمالی از زمین به بدن در تمام جهات با فرکانس بالا است.

اما با این وجود عیب این سیستم این است که اطلاعات و بینشی در رابطه با توزیع نیروی اعمالی بر کف پا ارائه نمیدهد و در نتیجه ارتباط محدودی با آناتومی و آسیب شناسی پا دارد.

در نتیجه اطلاعات مربوط به توزیع نیرو در کف پا توسط دستگاههای سنجش توزیع فشار کف پا یا اصطلاحا foot preesure ارائه می‌شود. در نسخه های پیشرفته تر از دستگاه های تحلیل گام یا Gait Lab استفاده می شود.

سیستمهای اسکن فشار کف پا

در گذشته، به عنوان مقدماتی ترین مطالعه صورت گرفته، از گچ و ثبت اثر پا بر روی ماسه استفاده میکردند. این مطالعه فقط قادر به ثبت شکل پا و در حد نهایی حدود وزن اعمال شده بر روی پا بود.

بعد ها توسط اسکنرهای نوری (podoscope) شکل کف پا ثبت شد، اما اینها دستگاه های ساده ای بودند که فقط شکل کف پا را ثبت میکردند و عملا کاربردی در بررسی فشار اعمالی بر کف پا نداشتند.

امروزه سیستم های سنجش فشار کف پا بر اساس سنسورهای الکترومکانیکی طراحی وساخته میشوند. سنسورهای فشار، مبدل هایی هستند که نیروی اعمال شده در واحد سطح را به کمیت های الکتریکی قابل سنجش تبدیل میکنند.

در اسکن فشار کف پا رنج نرمال فشار معمولا بین کیلو پاسکال تا مگا پاسکال است و تولید کنندگان سیستم های سنجش توزیع فشار کف پا معمولا به شکل نیوتن بر سانتیمتر مربع (10kPa) در گزارشهای خود استفاده میکنند.

سنسور فشار مناسب برای اسکن فشار کف پا کدام است؟

استفاده کنندگان از سیستم های سنجش توزیع فشار باید بسته به نوع استفاده از این سیستم به مشخصات سنسور استفاده شده در دستگاه توجه کنند. برای مثال هرچه سرعت گام برداشتن بالاتر میرود برای ثبت فرایند گیت نیاز به سیستم با فرکانس و فریم ریت بالاتر نیاز داریم.

به علاوه رزولوشن بالاتر در آرایه های سنسوری یعنی با دقت بالاتری میتوان نواحی مختلف کف پا را تفکیک کرد. حداکثر سایز سطحی مورد قبول برای سنسورهای فشار در سیستمهای توزیع فشار کف پا 6.2 میلیمتر * 6.4 میلیمتر است.

 یک آرایه سنسوری خوب باید دارای ویژگیهای زیر باشد تا دقت و صحت اطلاعات را تضمین کند.

• حساسیت متناسب با رنج فشار مورد سنجش
• خطینیگی بالا یا تغییر رفتار قابل پیش بینی در رنج فشار
• نرخ هیسترزیس پایین یا عدم تغییر مشخصه های ذاتی سنسور در تغییرات فشار
• اثر پذیری بسیار پایین یک سنسور از سنسورهای مجاور

بعلاوه مواد استفاده شده در ساخت سنسورها باید قابلیت کالیبراسیون مجدد داشته باشند تا همیشه حداکثر دقت قابل دستیابی باشد.

سنسورهای استرین گیج (Strain guage):

استرین گیج یک سنسور الکترونیکی است که براساس تغییرات نسبی طول یک جسم کار میکند. با تغییر طول جسم مقاومت الکتریکی جسم تغییر میکند.

در سیستم های سنجش فشار کف پا با استفاده از استرین گیج ها، با اعمال فشار به آرایه سنسوری طول سنسورها تغییر کرده و مقاومت الکتریکی سنسور سنجیده شده و میزان فشار اعمالی به این روش اندازه گیری میشود.

هرچند خططینگی این سنسورها بسیار خوب است اما تنظیم دقیق این سنسورها به جهت تغییر طول در جهت مشخص بسیار دشوار است. از طرف دیگر اثر پذیری یک سنسور از سنسورهای مجاور در این سیستم بسیار زیاد است.

سنسورهای خازنی (Capasitive):

سنسورهای خازنی از دو سطح مدار الکتریکی (آرایه سنسوری) تشکیل شده اند که بین آنها موادی از جنس دی الکتریک قرار دارد.

با اعمال فشار به سنسور سطح ماده الکتیریک و ضریب دی الکتریک تغییر کرده و در نتیجه ولتاژ سنسور تغییر میکند. با سنجش ولتاژ هر سنسور در آرایه سنسوری فشار اعمال شده اندازه گیری میشود.

وابستگی این نوع از سنسورها به ماده دی الکتریک نقطه ضعف این سنسورها است. چرا که باید ضخامت لایه دی الکتریک برای همه سنسورها برابر بوده و از طرفی اگر ماده دی الکتریک به سرعت تغییر شکل ندهد پس از هر بار که تحت فشار قرار میگیرد دیرتر به حالت بدون اعمال فشار برگشته و داده های گزارش شده خطا دارند.

پس این نوع از سنسورها به دلیل مشکلات موجود در فرایند ساخت بسیار غیرخطی، با نرخ هیسترزیس بالا و فرکانس پایین هستند و برای کاربردهای سنجش فشار پریدن یا با سرعت گام برداشتن مناسب نیستند.

سنسورهای پیزو الکتریک (Piezoelectric):

در پیزو الکتریکها از مواد سرامیکی استفاده میشود. اثر پیزو الکتریک در موادی همچون کوارتز، سرامیک، زیرکون تیتانیوم و لایه های نازک پلی وینیلیدین فلوراید (PVDF) پیدا میشود. در سنسورهای پیزو الکتریک با اعمال فشار، دوقطبی الکتریکی با جابجایی شارژ الکتریکی در سطح واکنش نشان میدهد. با تقویت و تبدیل این  شارژ به ولتاژ و در نهایت سنجش ولتاژ فشار اعمالی اندازه گیری میشود.

این سنسورها کاملا خطی هستند، نرخ هیسترزیس پایین دارند، طول عمر بالایی دارند و در فرکانس بالا نیز به خوبی عمل میکنند اما عیب بزرگ این سنسورها وابستگی بسیار شدید مواد پیزو الکتریک به دمای محیط است.

در واقع در صورت استفاده از این سنسورها باید دمای محیط همیشه بدون خطا در سطح مشخصی قرار گیرد.

سنسورهای مقاومتی (resistive):

این سنسورها از دوسطح مدار الکتریکی (آرایه سنسوری) تشکیل شده اند که بین این دو سطح لایه ای از جنس کربن قرار دارد.

با اعمال فشار به سنسور لایه کربنی دو سطح مدار الکترونیکی را به هم میچسباند و هرچه فشار بیشتر باشد مقاومت الکتریکی سنسور کاهش میابد. با سنجش مقاومت هر سنسور در آرایه سنسوری فشار اعمال شده اندازه گیری میشود.

مزیت اصلی این سنسورها این است که باریک هستند و فازهای مختلف گیت را با دقت بالایی نمایش میدهند. عیب این سنسورها این است که در دراز مدت خاصیت مقاومتی سنسورها تغییر کرده و نیاز به کالیبره مجدد دارند.

داده های خروجی از اسکن فشار کف پا

پارامترهای استاندارد

داده های مختلفی که از اندازه گیری فشار کف پا بدست میآید. این داده ها میتواند در بررسی همه فضای کف پا و یا یک ناحیه مشخص از کف پا استفاده شود. تصویر زیر نمودار فشار – زمان یک سنسور در آرایه سنسوری سیستم تحلیل گام را نمایش میدهد.

اهمیت هر کدام از پارامترها در این نمودار بستگی به هدف ما از بررسی فشار کف پا دارد. برای مثال در افراد دیابتی یا اصطلاحا پای دیابتی نقطه پیک فشار اهمیت بالایی دارد. زیرا افزایش فشار در پای دیابتی باعث انسداد رگهای خونی در این ناحیه میشود. در نتیجه اسنداد عروق منجر به ایجاد زخم در پا میشود. یا در کاربردهای دیگر پارامترهای وابسته به زمان اهمیت پیدا میکنند تا بتوانیم شاخص های عصبی – عضلانی را بررسی کنیم. کل زمان تماس نقطه مشخص شده با زمین و زمانی که در آن اوج فشار تحمل میشود اهمیت بالایی دارد. حتی ترکیب داده های فشار – زمان و سطح زیر نمودار نمایانگر میزان ضربه ای گام برداشتن هستند.

داده های تخصصی اسکن فشار کف پا

اسکنرهای فشار کف پا از پلتفرمهای نرم افزاری متفاوتی استفاده میکنند. نرم افزارها وظیفه تحلیل کامل فشارهای سنجیده شده را بر عهده دارند. هرچه یک نرم افزار قویتر و کاملتر باشد، ریپورتهای تخصصی و جامعتری را ارائه میدهد. از جمله این ریپورتها میتوان به نمودارهای فشار لحظه ای، میانگین فشار، نمودارهای بالانس، نمودارهای COP و…. اشاره کرد.

نواحی کف پا

پارامترهای استانداردی که در بالا اشاره شده میتوانند برای همه فضای کف پا یا یک ناحیه آناتومیک در کف پا مورد بررسی قرار گیرند.

هیچ استاندارد عمومی برای تقسیم بندی نواحی کف پا وجود ندارد. اما میتوان بر اساس اهداف آزمایش کف پا را به طور ذهنی تقسیم بندی کرد.

روش هایی وجود دارد که از الگوریتمهای کامپیوتری برای تقسیم کف پا به نواحی از پیش تعیین شده استفاده میکنند.

شاخصهای آنتروپومتریک و حرکتی تاثیرگذار بر الگوی فشار کف پا

شاخص هایی وجود دارند که در مطالعه بر روی فشار کف پا باید مورد توجه قرار گیرند. در کمال تعجب حجم توده بدنی آنطور که انتظار میرفت تاثیری بر فشار کف پا ندارد. در نتیجه حجم توده بدنی نمیتواند ملاک خوبی برای پیش بینی فشار کف پا باشد. این شاخص ها به شکل عمومی عبارتند از:

سن:

الگوهای فشار کف پا در نوزادان و افراد بالغ تفاوت کمی با هم دارد. این موضوع میتواند به دلیل افزایش سایز پا در افراد بالغ نسبت به نوزودان باشد. توزیع فشار در سطح بزرگتر باعث تقریبا ثابت بودن پیک فشار در طول گیت میشود. همچنین تفاوت کمی بین الگوی فشار کف پای افراد بالغ و افراد مسن ثبت شده است.

جنسیت:

بر اساس مطالعات انجام شده، فشار پا در ناحیه midfoot در آقایان به طور قابل توجه از خانم ها در حالت ایستا یا گیت بیشتر است.

شکل پا:

شکل پا در الگوی فشار کف پا کاملا تاثیرگذار است. برای مثال مطالعات نشان میدهد اگر متاتارسال دوم از متاتارسال اول بلندتر باشد باعث افزایش پیک فشار در مرکز پا میشود.

همچنین پای با قوس زیاد و قوس کم الگوهای کاملا متفاوتی را نشان میدهتد. در پای با قوس کم فشار در ناحیه midfoot زیاد است. در پا با قوس زیاد فشار در مرکز forefoot زیاد است.

سرعت گام برداشتن:

سرعت گام برداشتن کاملا بر فشار وارد شده در نواحی مختلف پا موثر است.

هرچند با افزایش سرعت فشار وارده بر کف پا به شکل خطی افزایش پیدا میکند اما اگر نواحی مختلف پا را در نظر بگیریم در قسمت پاشنه و forefoot میانی فشار افزایش یافته و در قسمت midfoot  و forefoot جانبی فشار کاهش میابد.

شکل کفش مورد استفاده:

در مطالعات نشان داده شده است که شکل کفش مورد استفاده در الگوی توزیع فشار کف پا تاثیرگذار است.

برای مثال گزارش شده است که افزایش طول پاشنه کفش باعث انحراف فشار در forefoot شده و فشار وارده را به اطراف این ناحیه اعمال میکند.

توجه:

در استفاده از سیستمهای سنجش فشار کف پا معمولا مسیر مشخصی برای قدم زدن تعبیه میشود. طول این مسیر باید بگونه ای باشد که فرد آزمون دهنده به سرعت نرمال خود در گام برداشتن رسیده باشد. سپس از روی پلتفرم عبور کند.

مطالب مرتبط:

مقالات دستگاه اسکن کف پا