Роль связок тазобедренного сустава в одноопорном периоде шага (экспериментальное исследование)

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:

Архипов СВ. Роль связок тазобедренного сустава в одноопорном периоде шага (экспериментальное исследование). Труды научно-практической конференции «Реабилитация при патологии опорно-двигательного аппарата», Москва 4-5 марта 2011 года. Тезисы докладов. Москва, 2011:9-10.

Примечания:

Публикация посвящена изучению на динамической механической модели тазобедренного сустава функционирования наружных связок и ligamentum capitis femoris при ходьбе.

СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

 Эксперименты и наблюдения