Роль
связок тазобедренного сустава в одноопорном периоде шага (экспериментальное
исследование)
Архипов
С.В.
Согласно современным представлениям о биомеханике ходьбы,
продвижение тела вперед обусловлено действием мышц и эффектом «свободного
падения» [Скворцов Д.В., 2007]. Мышцы контролируют баланс, стабилизируют
тазобедренный сустав (ТБС) и тормозят движения в нем [Winter D.A., 1990].
Вместе с тем роль связочного аппарата ТБС в его биомеханике изучена недостаточно.
Имеются лишь отрывочные данные о значимости наружных связок: замыкании ТБС при
разгибании в нем за счет натяжения подвздошно-бедренной связки при ходьбе
[Perry J., 1992]. В работах последнего времени отмечается, что и связка головки
бедренной кости (СГБК) является важным стабилизатором бедра, но ее роль в
одноопорном периоде шага не обсуждается [Cerezal L. et al., 2010].
При ходьбе мышцам отдается безусловный приоритет. Так
считается, что в одноопорном периоде шага таз во фронтальной плоскости
удерживается усилием отводящей группы мышц [Pauwels F., 1965, 1980; Bombelli
R., 1993]. При этом ТБС представляет собой аналог рычага первого рода, точкой
опоры которого является головка бедренной кости (ГБК) [Lehmkuhl L., Smith L.K.,
1984]. Расчеты, в основу которых положена эта «классическая» концепция,
свидетельствуют, что во время ходьбы нагрузка на ГБК может достигать
шестикратного веса тела [Paul J.P., 1965]. При этом отдельные исследователи
закономерно задавали вопрос: «…чем компенсируются огромные силы, приложенные к
головке бедренной кости» [Янсон Х.Я., 1975]. Развитие электромиографии
позволило установить, что в середине и конце одноопорного периода шага
биоэлектрическая активность средней ягодичной мышцы, а значит, и развиваемое ею
усилие, снижается [Vaughan C.L. et al., 1992]. Логично предположить, что
инерция веса тела, наклоняющегося с тазом в неопорную сторону, и действие
приводящих мышц должны приводить к противоположному эффекту – повышению ее
напряжения.
Противоречие между значительной расчетной нагрузкой,
воздействующей на ГБК при ходьбе, и парадоксальной гипоактивностью средней
ягодичной мышцы позволило нам предположить, что в одноопорном периоде шага
часть действующих сил шунтируется связочным аппаратом ТБС. В связи с этим целью
настоящего исследования явилось экспериментальное уточнение закономерностей
биомеханики ходьбы и роли связок в одноопорном периоде шага.
Для более детального изучения роли СГБК, наружных связок и
средней ягодичной мышцы нами изготовлена динамическая механическая модель ТБС
[Архипов С.В., Заявка на изобретение №2009124926]. Она содержала подвижно
закрепленную на основании с масштабно-координатной сеткой бедренную часть,
снабженную сферической головкой, шарнирно сопряженную со сферической
поверхностью вертлужного элемента тазовой части. Бедренная и тазовая части
соединялись двумя динамометрами, снабженными элементами крепления с переменной
длинной и электромеханическими приводами. Одно устройство для измерения силы
имитировало среднюю ягодичную мышцу, второе воспроизводило действие комплекса
коротких мышц, вращающих бедро кнаружи. Модель также содержала аналоги наружных
связок ТБС и СГБК, выполненных из гибкого стального проволочного троса
диаметром 2 мм. Аналог СГБК соединял дно фасонной выточки, выполненной на
внутренней поверхности вертлужного элемента, с точкой на головке бедренной
части модели, соответствующей ямке ГБК. С основанием соединялись две
вертикально расположенные плоские поверхности с нанесенной на них
масштабно-координатной сеткой. В точке, расположенной выше, кзади и медиальнее
центра шарнира, модели подвешивалась на цепи нагрузка 1 кг, которая была
снабжена тремя узконаправленными источниками света, проецировавшими лучи на
масштабно-координатные сетки. Свойства модели изучены при отсутствии аналога
СГБК, наружных связках и аналогов мышц, а также при их наличии в различных
сочетаниях. Имитированы все возможные вращательные и поступательные движения в
шарнире модели, уточнен их объем и элементы ограничители. При наличии и
отсутствии тазовой части изучено перемещение СГБК при различных движениях в
шарнире модели. Воспроизведены условия равновесия таза во фронтальной и
сагиттальной плоскости при ненапряженном и напряженном типе одноопорного
ортостатического положения [Архипов С.В., 2008].
С целью моделирования одноопорного периода шага бедренная
часть устанавливалась в позиции приведения 10° с ротацией кнаружи 10°. Тазовой
части придавалось положение, характерное для таза в начале одноопорного периода
шага, и фиксировалось посредством натяжения аналогов мышц. Затем запускались
электроприводы, удлиняющие элементы крепления аналогов мышц, фиксировались
показания динамометров, направление и величины перемещений тазовой части. В
заключении соединение бедренной части модели с основанием деблокировалось в
сагиттальной плоскости и отслеживались возникающие спонтанные движения.
В исходном положении бедро согнуто в ТБС и развернуто
кнаружи. При этом СГБК отклонена от вертикального положения и предварительно
натянута. Таз находится приблизительно в нейтральной позиции во фронтальной
плоскости. В начале одноопорного периода шага таз начинает опускаться вниз, а в
ТБС наблюдается приведение. При этом СГБК натягивается. Сила реакции СГБК и
суставных поверхностей, взаимодействуя с весом тела, приводят к появлению
вращающего момента, за счет которого таз разворачивается по дуге кпереди.
Данное движение притормаживается наружными ротаторами и поддерживается
внутренними ротаторами ТБС. Наклон неопорной половины таза вниз и нарастающее
приведение в ТБС обуславливают увеличение плеча веса тела, что приводит к
увеличению биоэлектрической активности средней ягодичной мышцы, необходимой
также для удержания таза от опрокидывания в неопорную сторону. При достижении
значимого натяжения СГБК она начинает шунтировать нагрузку веса тела, объясняющее
известное снижение биоэлектрической активности средней ягодичной мышцы. Натяжение
СГБК трансформирует ТБС в аналог рычага второго рода. Благодаря этому
результирующая сила, действующая на ГБК, более равномерно распределяется по
верхней и нижней суставной поверхности и составляет для каждой из них, по нашим
расчетам, около одного веса тела. Кроме этого, СГБК стабилизирует тазобедренный
сустав во фронтальной плоскости. В середине одноопорного периода шага в ТБС
наблюдается разгибание, что приводит к натяжению подвздошно-бедренной связки и
замыканию ТБС в сагиттальной плоскости, повышающее стабильность тела в
сагиттальной плоскости.
Колебательное движение таза, «подвешенного» на СГБК, обуславливает перемещение центра масс тела вперед – кнаружи по дуге и приводит к тому, что его проекция оказывается кпереди от центра голеностопного сустава опорной ноги. При этом появляется сила, которая выводит тело из равновесия и вызывает его падение вперед по дуге с центром качания в упомянутом суставе. Качание таза на СГБК и тела в целом на выпрямленной ноге аналогичны движениям математического маятника, частота колебаний которого зависит от длины подвеса (штока) и ускорения свободного падения [Киттель Ч. и др., 1971]. В отношении опорно-двигательного аппарата данные параметры постоянны. Соответственно, указанные движения сегментов тела совершаются с постоянной частотой, которая может изменяться только вынуждающей силой, например, дополнительным мышечным усилием с иной периодичностью. Качание таза на СГБК придает общему центру масс тела ускорение, направленное вверх, что уменьшает вертикальную составляющую реакции опоры в средине одноопорного периода шага. Благодаря описанным механизмам ходьба обретает известную ритмичность, а также снижаются затраты энергии на реализацию цикла шага.
Автор:
Архипов С.В.
Полесская центральная районная больница, г. Полесск, Калининградская область, Россия
Ключевые слова:
тазобедренный сустав, эксперимент, модель, биомеханика, наружные связки, ligamentum capitis femoris, связка головки бедра, круглая связка
Цитирование:
Публикация посвящена изучению на динамической механической модели тазобедренного сустава функционирования наружных связок и ligamentum capitis femoris при ходьбе.
Эксперименты и наблюдения
Комментарии
Отправить комментарий