Биомеханика тазобедренного сустава в ненапряженном ортостатическом положении

Биомеханика тазобедренного сустава в ненапряженном ортостатическом положении

Архипов С.В.

Введение

Современные представления о биомеханике тазобедренного сустава (ТБС) сложились на базе учения Hermann von Meyer и Karl Culmann [14]. Существенный вклад в осмысление нормальной биомеханики ТБС привнесли работы F. Pauwels [15]. Заложенные им идеи получили дальнейшее развитие в работах В.Е. Беленького, Х.А. Янсона, R. Bombelli, H. Schoberth [1, 10, 11, 17].

По мнению большинства исследователей, в одноопорном ортостатическом положении (ООП) ТБС функционирует только как аналог рычага первого рода. Действие веса тела уравновешивается усилием отводящей группы мышц, которое, по данным литературы, от двух до трех раз превышает вес тела. При этом результирующая сила действует на головку бедренной кости (ГБК) лишь сверху и составляет от 2.4 до 5 веса тела [8, 10, 11, 13, 14, 15, 17]. Клиницисты принимают данные выводы и широко используют их в своей практике. Вместе с тем отдельные исследователи резонно задаются вопросом: «…чем компенсируются огромные силы, приложенные к головке бедренной кости» [10] и не находят на него ответ. Принято выделять «сильный» тип ООП, когда таз располагается горизонтально во фронтальной плоскости, и «слабой» тип, характеризующийся наклоном таза вниз [1]. Анализ литературных данных показывает, что биомеханика ТБС во фронтальной плоскости детально разработана только для «сильного» (напряженного) типа ООП. Трактовки наклона таза вниз и расчета сил, стабилизирующих тело при «слабом» (ненапряженном) типе ООП, нами не выявлено.

Теория «классической» биомеханики ТБС в ООП проверялась в экспериментах на плоскостных и трехмерных механических моделях [2, 15]. В них воспроизводилось лишь действие веса тела и мышечных групп во фронтальной плоскости, но не учитывалась функция связочного аппарата. Вместе с тем известно, что постоянно присутствующая в нормальном ТБС связка головки бедренной кости (СГБК) влияет на движения в этой плоскости. В частности, она ограничивает приведение бедра [7, 9, 12, 16] и напрягается при прямом стоянии [6]. Более того, Н.И. Пирогов СГБК «…сравнивал со стальной пружиной, на которой подвешен таз к головке» [9]. Близкого мнения придерживались Gerdy и Savory [5]. В отдельных современных исследованиях указывается, что СГБК играет важную роль в биомеханике ТБС [4]. Однако при анализе биомеханики ТБС СГБК не рассматривается как его функциональная связь, в том числе при расчетах нагрузок и определении направлений движений [1, 11, 15, 17], как в напряженном, так и ненапряженном ООП.

Недостаточная изученность функции СГБК, ее взаимодействия с мышечным аппаратом ТБС в ненапряженном ООП определили актуальность избранной темы и послужили основанием для выполнения, данного исследования.

Материал и методы

Клинически обследовано 5 мужчин без признаков патологии ТБС в возрасте от 17 до 27 лет, средний возраст – 21 год. Изучены особенности ненапряженного ООП, а также движения таза и бедра при переходе к нему из двухопорного положения. Всем обследованным выполнены переднезадние обзорные рентгенограммы таза с захватом обоих тазобедренных суставов в ненапряженном ООП (Рис. 1). По рентгенограммам измерена величина отклонения опорного бедра от вертикали в опорном ТБС и величина наклона таза во фронтальной плоскости в неопорную сторону. По рентгенограммам произведено измерение расстояний от точки проксимального крепления СГБК (дна ямки вертлужной впадины) до вектора действия веса тела, а также до вектора действия отводящей группы мышц. Проведен анализ расположения ямки головки бедренной кости при приведении бедра в ненапряженном ООП.

Рис. 1. Обзорная переднезадняя рентгенограмма таза молодого мужчины в ненапряженном ООП.

С целью детального изучения функции СГБК и отводящей группы мышц выполнена трехмерная механическая модель ТБС. Основой ее бедренной части стал однополюсной эндопротез ТБС конструкции Томпсона, закрепленный на кольцевидном основании и снабженный планкой, имитирующей большой вертел. В соответствии с диаметром головки бедренной части выполнена металлическая модель вертлужной впадины, имевшая вид толстостенной сферической оболочки. Внутри ее выбрано фасонное углубление, напоминающее по форме ямку и вырезку вертлужной впадины. Снаружи присоединены планка, имитирующая крыло подвздошной кости, и планка для подвешивания нагрузки, в качестве которой использованы гири 1-3 кг. Модель содержала аналог СГБК, выполненный из капронового шнура. Одним концом он надежно соединялся с отверстием вблизи центра фасонного углубления модели вертлужной впадины, а другим – с головкой бедренной части модели. Обе части модели так же соединялись динамометром, пружина которого имитировала функцию отводящей группы мышц, а в узел трения вводилась смазочное масло – аналог синовиальной жидкости (Рис. 2).

Рис. 2. Трехмерная механическая модель ТБС с аналогом СГБК и отводящей группы мышц, действует нагрузка 1 кг. Узел подвижности замкнут во фронтальной плоскости натянутым аналогом СГБК и аналогом отводящей группы мышц.

Свойства модели изучены при отсутствии аналога СГБК и отводящей группы мышц, а также при их наличии в различных сочетаниях. В отдельных экспериментах изменялась длина аналога отводящей группы мышц, что моделировало различную степень ее напряжения. Уточнены возможные вращательные и поступательные движения в шарнире модели, их объем и элементы ограничители. Моделированы условия равновесия таза во фронтальной плоскости при ненапряженном типе ООП, определена локализация зон нагрузки головки модели.

Результаты и обсуждение

Анализ данных, полученных при обследовании здоровых субъектов, позволил выявить основные черты ненапряженного ООП. В частности, при переходе к нему из двухопорного ортостатического положения наблюдается приведение, разгибание и супинация в ТБС, а также поступательное смещение таза в сторону опорной ноги с его поворотом кзади в горизонтальной плоскости и отклонением неопорной половины таза вниз. Ненапряженное ООП всегда характеризовалось высокой степенью устойчивости и минимальным напряжением тазобедренных мышц. По сравнению с напряженным типом ООП, при котором таз располагается горизонтально, ненапряженное ООП было более комфортным и более предпочтительным. Средняя величина угла отклонения опорного бедра от вертикали, измеренная по рентгенограммам в ненапряженном ООП, составила 77.2° в интервале от 73° до 81°. Средняя величина наклона таза в неопорную сторону, измеренного по этим же рентгенограммам, составила 6.5° в диапазоне от 2° до 10°. Отмечено, что при увеличении угла наклона таза уменьшалась величина отклонения опорного бедра от вертикали. Наши данные подтверждают величину угла наклона таза в ненапряженном ООП, измеренную другими авторами [1]. Кроме этого, при анализе рентгенограмм установлено, что в ненапряженном ООП тень ямки головки бедренной кости никогда не заходила в границы верхнего сектора вертлужной впадины. Указанное свидетельствует о том, что дистальный конец СГБК в норме не контактирует с полулунной поверхностью и не может попадать в суставную щель даже при максимальном приведении с нагрузкой в ООП.

В экспериментах на трехмерной механической модели установлено, что СГБК ограничивает приведение в ТБС, участвует в ограничении отведения, пронации, супинации и поступательного смещения ГБК кнаружи. Вывих бедра без повреждения СГБК невозможен. Натягиваясь посредством приведения бедра и наклона таза, СГБК замыкает (стопорит) ТБС во фронтальной плоскости (Рис. 2) и способствует прижатию ГБК к вертлужной впадине. Отводящая группа мышц ограничивает приведение и в содружестве с мышцами антагонистами способна стопорить ТБС во фронтальной плоскости в произвольном положении. Изолированное напряжение отводящей группы мышц увеличивает отведение и обеспечивает прижатие суставных поверхностей в кранио-медиальном отделе ТБС. Отводящая группа мышц является синергистом СГБК в ограничении приведения и сжатии суставных поверхностей. Ее напряжение уменьшает натяжение СГБК и наоборот, натянутая СГБК способна разгрузить отводящую группу мышц. В отсутствии действия отводящей группы мышц ТБС может замыкаться только посредством натяжения СГБК. При этом ТБС преобразуется в аналог рычага второго рода.

Как показали наши экспериментальные и клинические наблюдения, ненапряженное ООП, при котором одновременно натянута СГБК и умеренно напряжена отводящая группа мышц, наиболее характерно для стоящего человека. За счет приведения бедра и наклона таза в неопорную сторону происходит натяжение СГБК с замыканием ТБС во фронтальной плоскости. При этом так, как указывали Н.И. Пирогов, Gerdy и Savory, таз зависает на СГБК [5, 9] и дополнительно стабилизируется мышами. В данном случае ТБС представляет собой аналог рычага первого рода, а центром вращения системы оказывается проксимальная область крепления СГБК, расположенная в нижнем секторе ямки вертлужной впадины. Согласно нашим измерениям, выполненным по рентгенограммам, плечо (L), веса тела (Р), приблизительно в два раза меньше плеча (L1), усилия отводящей группы мышц (F1) (Рис. 3). 

Рис. 3. Направление сил, действующих в области опорного ТБС с натяжением СГБК и напряжением отводящей группы мышц: F1 – усилие отводящей группы мышц; Р - вес тела; F2 – сила реакции СГБК; F4 – горизонтальная составляющая силы реакции СГБК; F5 – горизонтальная составляющая усилия отводящей группы мышц; F3 – результирующая сила, действующая на ГБК, mgm – средняя ягодичная мышца. Тонкими стрелками показано распределение нагрузки на верхнюю и нижнюю полусферу ГБК (подробнее в см. в тексте). Внизу упрощенная схема ненапряженного ООП при натяжении СГБК и напряжении отводящей группы мышц (рычаг первого рода), где L – плечо веса тела, а L1 – плечо отводящих мышц.

Тогда для ненапряженного ООП с соразмерным напряжением отводящей группы мышц и натяжением СГБК, условие равновесия в ТБС можно записать в следующем виде:

LР = L1F1,

где L1 = 2L, а Р = 0.5F1.

Соответственно сила реакции СГБК (F2), будет равна:

F2 = Р + F1 = 1.5Р.

За вычетом веса опорной нижней конечности при массе тела 70 кг нагрузка на СГБК составит 85.9 кг. При площади поперечного сечения СГБК 50 мм2 (толщина 5 мм, ширина – 10 мм), напряжение в СГБК равно около 1.7 кг/мм2. С учетом нормальной прочности связок (5-9 кг/мм2) [3]. Неизмененная СГБК при ненапряженном ООП имеет запас прочности от 2.9 до 5.2 раз. Повышение напряжения отводящей группы мышц способно еще больше разгрузить СГБК.

При условии соразмерного напряжения отводящей группы мышц и натяжения СГБК в ненапряженном ООП ГБК оказывается нагруженной результирующей силой (F3), имеющей направление, близкое к горизонтальному – изнутри кнаружи (Рис. 3). Это обусловлено тем, что СГБК и отводящая группа мышц отклонены от вертикали. Соответственно, силы их действия имеют, кроме вертикальных, еще и горизонтальные составляющие. Усилие, прижимающее таз к ГБК (F3) есть сумма горизонтальной составляющей (F4), силы реакции СГБК (F2) и горизонтальной составляющей (F5) усилия отводящей группы мышц (F1). Угол отклонения вектора действия силы отводящей группы мышц от вертикали равен 21º [8], а угол отклонения СГБК, по нашим данным, составляет 60º. Тогда, согласно нашим расчетам, величина результирующей силы (F3), прижимающей вертлужную впадину таза к ГБК, оказывается равна менее одного веса тела 0.93Р, при величине горизонтальной составляющей силы (F4) реакции СГБК 0.75Р и величине горизонтальной составляющей усилия (F5) отводящей группы мышц 0.18Р.

Под влиянием горизонтально действующей результирующей силы суставные поверхности ТБС оказываются равномерно нагружены во всех отделах. Величина нагрузки верхней и нижней полусферы ГБК составляет приблизительно по 1/2 веса тела, расположенного выше опорного ТБС, что эквивалентно 28.7 кг при общей массе тела 70 кг.

Заключение

Проведенным исследованием подтверждено, что в норме существуют два вида ООП: напряженное и ненапряженное. Ненапряженное ООП является более предпочтительным по сравнению с напряженным ООП и характеризуется высокой степенью устойчивости. При напряженном ООП таз располагается горизонтально, а в ненапряженном ООП присутствует наклон таза в неопорную сторону. Величина наклона таза находится в зависимости от величины угла отклонения опорного бедра от вертикали. Указанное свидетельствует о том, что в ТБС существует анатомический элемент, ограничивающий приведение бедра и наклон таза. Как показали эксперименты на модели, данным элементом является СГБК. Приведение бедра и наклон таза приводит к натяжению СГБК и подключают ее к поддержанию вертикальной позы. Установлено, что натянутая СГБК ограничивает приведение в ТБС, латеральное и краниальное смещение ГБК, способна стопорить ТБС, во фронтальной плоскости преобразуя его в аналог рычага второго рода, в отсутствии напряжения отводящей группы мышц. Вывих в ТБС без повреждения СГБК невозможен. В ненапряженном ООП неизмененная СГБК не контактирует с полулунной поверхностью вертлужной впадины. Отводящая группа мышц ограничивает приведение в ТБС и в содружестве с антагонистами способна стопорить его во фронтальной плоскости в произвольном положении, обуславливая сжатие суставных поверхностей в кранио-медиальном отделе, а ее напряжение уменьшает натяжение СГБК. В ненапряженном ООП, когда присутствует напряжение отводящей группы мышц и натяжение СГБК, нагрузка, эквивалентная одной массе тела, равномерно распределяется по суставным поверхностям верхней и нижней полусферы ГБК. Координированное взаимодействие мышц и связок в ООП позволяет обеспечить рациональный режим нагрузки ГБК, отводящей групп мышц и СГБК снижает затраты мышечной энергии, повышает устойчивость позы. С учетом этого особое значение приобретает совершенствование существующих эндопротезов ТБС путем введения в них элемента – аналога СГБК. Подобные конструкции улучшат биомеханику ходьбы и статических положений после эндопротезирования ТБС.

Список литературы

Беленький В.Е. Некоторые вопросы биомеханики тазобедренного сустава. – Дисс. … канд. мед. наук. – М., 1962. – 249 с.

Гиммельфарб А.Л. Коксартроз и его хирургическое лечение. – Дисс. … докт. мед. наук. – Казань, 1980. – 424 с.

Морфология человека: Учеб. пособие. // Под ред. Б.А. Никитюка, В.П. Чтецова. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1983. – 320 с.

Неверов В.А., Шильников В.А. Способ формирования искусственной связки головки бедра при эндопротезировании // Вестн. хирург. – 1993. – №7-12. – С. 81-83.

Николаев Л.Н. Роль круглой связки тазобедренного сустава // Мед. журнал. – 1922. – Т.3 – №1-2-3. – С. 10-12.

Николаев Л.П. Руководство по биомеханике в применении к ортопедии, травматологии и протезированию. – Киев, 1947. – 316 с.

Орлецкий А.К., Малахова С.О., Морозов А.К., Огарев Е.В. Артроскопическая хирургия тазобедренного сустава. Под ред. акад. С.П. Миронова. – М., 2004. – 104 с.

Шаповалов В.М., Шатров Н.Н., Тихилов Р.М., Штильман Н.В., Печкуров А.Л. Распределение нагрузок в тазобедренном суставе при дисплазии вертлужной впадины и остеонекрозе головки бедренной кости // Травматол. и ортопед. России. – 1998. – №3. – С. 22-26.

Юрчак В.Ф., Евтушенко В.А. Морфологические особенности тазобедренного сустава у плодов второй половины беременности // Ортопед., травматол. – 1972. – №1. – С. 26-32.

Янсон Х.А. Биомеханика нижней конечности человека. – Рига: Зинатне, 1975. – 324 с.

Bombelli R. Structure and function in normal and abnormal hip: how to rescue mechanically jeopardized hip. – 3-rd. ed., rev. and enl. p. – Berlin, Heidelberg, New York: Springer Verlag, 1993. – 221 p.

Byrd J.W. Operative hip arthroscopy. – New York: Thieme, 1998. – 220 p.

Lucas G.L., Cooke F.W., Friis E.A. A primer of biomechanics. – New York, Berlin, Heidelberg: Springer-verlag, 1998. – 297 p.

Martin R.B., Burr D.B., Sharkey N.A. Skeletal tissue mechanics. – New York, Berlin, Heidelberg: Springer verlag, 1998. – 392 p.

Pauwels F. Biomechanics of the locomotor apparatus. – Berlin, Heidelberg, New York: Springer-verlag, 1980. – 518 p.

Ruhmann O., Borner C., von Lewinski G., Bohnsack M. Ligamentum teres // Orthopade. – 2006. – Jan; №35 (1). – Р. 59-66.

Schoberth H. Die Leistungsprüfung der Bewegungsorgane. – München, Berlin, Wien: Urbans & Schwarzenberg, 1972. – 348 p. 

Автор:

Архипов С.В.

Полесская центральная районная больница

238630, Россия, Калининградская область, г. Полесск, ул. Советская д.4, E-mail: archipovkgd@mail.ru,

Ключевые слова:

обследование, коксартроз, эксперимент, биомеханика, эндопротез, ligamentum capitis femoris, связка головки бедра, круглая связка

Цитирование:

Архипов СВ. Биомеханика тазобедренного сустава в ненапряженном ортостатическом положении. Эндопротезирование в России. Выпуск III: Выпуск II. Всероссийский монотематический сборник научных статей. Казань; Санкт-Петербург: Центр оперативной печати, 2007:14-21.

Примечания:

Публикация посвящена изучению биомеханики тазобедренного сустава в ортостатических позах, с целью уточнения мышечно-связочного взаимодействия в них проведен комплекс экспериментальных исследований на механической модели с аналогом ligamentum capitis femoris (LCF). Работа продемонстрировала необходимость включения в искусственные тазобедренные суставы элемента аналога LCF. 

СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

 Биомеханика и морфомеханика