Połączenie analizy chodu i modelowania metodą elementów skończonych w celu optymalizacji wkładek odciążających dla owrzodzeń piętowych

Dlaczego ochrona pięty ma znaczenie

Dla osób żyjących z cukrzycą niewielka ranka na pięcie może przekształcić się w poważną ranę, która wolno się goi, a nawet prowadzić do amputacji. Te rany piętowe, nazywane owrzodzeniami kości piętowej, często wynikają z wysokiego ciśnienia pod piętą za każdym razem, gdy osoba stoi lub chodzi. Badanie dotyczy pozornie prostej sprawy — tego, jak wydrąża się miejsce pod piętą we wkładce do buta — i pokazuje, że dokładny kształt i rozmiar tej pustej przestrzeni mogą mieć duże znaczenie dla ochrony delikatnej skóry i zapobiegania nawrotom ran.

Każdy krok jako źródło uszkodzeń

Gdy chodzimy, pięta jest pierwszą częścią stopy kontaktującą się z podłożem, chwilowo dźwigającą ponad połowę ciężaru ciała. U osób z cukrzycą uszkodzenie nerwów może stłumić ból, więc niebezpieczne poziomy nacisku mogą pozostać niezauważone. Z czasem powtarzające się obciążenie może zgnieść drobne naczynia krwionośne, pozbawić tkanki tlenu i doprowadzić do uszkodzenia skóry, tworząc owrzodzenia, które są bolesne, trudno się goją i generują duże koszty dla systemów opieki zdrowotnej. Odciążanie — strategia rozkładania nacisku z obszarów wysokiego ryzyka — jest już centralnym elementem opieki nad stopą cukrzycową. Mimo że klinicyści stosują wycięcia i miękkie materiały we wkładkach, zaskakująco mało jest twardych dowodów, które kształty wycięć działają najlepiej pod piętą.

Testowanie różnych kształtów pustek

Naukowcy skupili się na trzech prostych geometriach pustej przestrzeni (lub „wnęki”) pod symulowaną raną na pięcie: walca, kuli i stożka. Każdy kształt testowano w trzech rozmiarach: o 50% mniejszym niż powszechny rozmiar kliniczny, w rozmiarze powszechnym oraz o 50% większym. Wszystkie wkładki wykonano z tej samej pianki amortyzującej i precyzyjnie frezowano z projektów komputerowych, tak by jedyną zmienną był kształt i rozmiar wnęki. Zdrowy ochotnik chodził boso, a następnie w każdej wkładce po platformie z czujnikami ciśnienia, co umożliwiło zespołowi zmierzenie, jak każdy projekt przeorganizowuje rozkład ciśnienia pod stopami podczas naturalnego chodu.

Połączenie rzeczywistego chodzenia z modelami komputerowymi

Pomiary ciśnień na powierzchni skóry opowiadają tylko część historii. Wkładka, która znacznie obniża ciśnienie na pięcie, może jednocześnie generować niebezpieczne naprężenia wewnętrzne, prowadzące do pęknięć, odkształceń lub utraty nośności w czasie. Aby to rozstrzygnąć, autorzy połączyli pomiary chodu z szczegółowymi symulacjami komputerowymi znanymi jako analiza metodą elementów skończonych. Wykorzystując rzeczywiste testy materiałowe pianki do skonfigurowania modelu, obliczyli, jak każdy kształt i rozmiar wnęki zmienia naprężenia i odkształcenia wewnątrz wkładki podczas dwóch kluczowych momentów chodu: chwili uderzenia pięty o podłoże oraz okresu, gdy pięta jest w pełni obciążona.

Co chroniło piętę — a co obciążało wkładkę

Badania chodu wykazały, że wszystkie trzy kształty wnęk obniżały maksymalne ciśnienie w porównaniu z chodzeniem boso, ale nie jednakowo. Wnęka stożkowa przyniosła największe obniżenie, zmniejszając maksymalne ciśnienia pod piętą o około jedną trzecią w obu stopach. Wnęka sferyczna wypadła niemal tak samo dobrze, podczas gdy wnęka cylindryczna dała mniejsze, lecz konsekwentne obniżenie. Modele komputerowe ujawniły jednak kompromis: większe wnęki stożkowe i sferyczne miały tendencję do generowania wysokich, skoncentrowanych naprężeń wewnątrz pianki, co może skrócić żywotność wkładki lub spowodować pogorszenie jej właściwości. Wnęki cylindryczne, szczególnie o większych średnicach, rozkładały naprężenia bardziej równomiernie i utrzymywały wewnętrzne siły na niższym i bardziej przewidywalnym poziomie, chociaż nie zmniejszały tak agresywnie maksymalnego ciśnienia na skórę.

Znajdowanie praktycznej równowagi dla pacjentów

Razem wyniki sugerują, że nie ma jednego „idealnego” kształtu wnęki; każdy oferuje inne kompromisy między natychmiastową ochroną a trwałością w dłuższym czasie. Wnęki stożkowe mogą być najlepsze, gdy potrzebna jest maksymalna krótkoterminowa ulga od nacisku przy ciężkim lub opornym owrzodzeniu pięty, ale mogą wymagać częstszego monitorowania i częstszej wymiany. Wnęki sferyczne stanowią środek, oferując silne odciążenie i bardziej korzystne naprężenia wewnętrzne, co czyni je obiecującymi do dłuższego stosowania. Wnęki cylindryczne zapewniają najbardziej solidne i przewidywalne zachowanie, co może być wartościowe w szerszym zastosowaniu klinicznym lub u pacjentów z większymi obszarami ryzyka. Chociaż to badanie pilotażowe obejmowało tylko jednego zdrowego ochotnika, demonstruje potężne podejście — łączenie danych z rzeczywistego chodu z modelowaniem komputerowym — do projektowania inteligentniejszych, dopasowanych do pacjenta wkładek, które lepiej chronią wrażliwe pięty.

Cytowanie: Karatoprak, A.P., Aydin, L. Combining gait analysis and finite element modeling to optimize offloading insoles for calcaneal ulcers. Sci Rep 16, 6383 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35750-9

Słowa kluczowe: owrzodzenia stopy cukrzycowej, ciśnienie pod piętą, wkładki odciążające, analiza chodu, modelowanie metodą elementów skończonych