2019(b)АрхиповСВ_СкворцовДВ

 

Ligamentum capitis femoris - пилотное экспериментальное исследование

Архипов С.В., Загородний Н.В., Скворцов Д.В.

(перевод статьи: Arkhipov SV, Zagorodny NV, Skvortsov DV. Ligamentum capitis femoris a pilot an experimental study. Am J Biomed Sci & Res. 2019;5(2)92-4.)

Аннотация

Ligamentum capitis femoris (син. ligamentum teres, связка головки бедра), соединяет вертлужную впадину и головку бедренной кости. Это один из наименее изученных анатомических элементов человеческого тела. С целью уточнения функций связки головки бедра, наружных связок и отводящей группы мышц нами была изготовлена динамическая модель тазобедренного сустава. Установлено, что этот анатомический элемент участвует в ограничении приведения тазобедренного сустава и может фиксировать тазобедренный сустав во фронтальной плоскости, превращая его в аналог рычага третьего рода. При натяжении связки головки бедра и напряжении отводящей группы мышц нагрузка, равная удвоенной массе тела, равномерно распределяется между верхней и нижней полусферой головки бедренной кости. Функционирование связки головки бедра повышает устойчивость ортостатической позы и разгружает мышечный аппарат тазобедренного сустава. 

Введение

Ligamentum capitis femoris (син. ligamentum teres, связка головки бедра) известна около 2500 лет. Первое описание связи головки бедра в медицинском тексте дано Гиппократом Косским в трактате «О рычаге» (V-IV вв. до н. э.) [1]. В греческом издании рукописи связка головки бедра называется νεῦρον [2], а в латинском – neruus [3]. По нашей гипотезе, первое в истории человечества упоминание о связке головки бедра содержится в древнем литературном памятнике Тора (XII-II вв. до н. э.) [4]. Одни из ранних упоминаний имеются в трудах Гераклида Тарентского (III–II вв. до н.э.) [5], Гегетора (II в. до н.э.) [6], Аполлона Китионского (I в. до н.э.) [7] и Галена Пергамского. (II-III века н. э.) [5]. Однако она остается одной из наименее изученных анатомических структур человеческого тела, действительно, ligamentum incognitum.

Связка головки бедра расположена в тазобедренном суставе, в специальной костно-хрящевой полости, образуемой вырезкой вертлужной впадины и ямкой вертлужной впадины с одной стороны, и суставной поверхностью головки бедренной кости с другой стороны [8]. Нормальная длина связки головки бедра составляет около 25 мм [9], средняя предельная разрушающая нагрузка составляет 204 Н [10], и может достигать около 882 Н [11]. Гистологически основа связки головки бедра состоит из пучков коллагеновых волокон и окружена слоем синовиальной оболочки, состоящей из одного слоя кубических клеток [12, 13]. Связка головки бедра имеет шесть точек крепления на вертлужной впадине и одну точку крепления на бедренной кости [14].

Биомеханическая функция связки головки бедра однозначно не определена [15] и является предметом дискуссий. Тонков писал, что функция связки головки бедра не вполне ясна, во всяком случае, ее механическое значение невелико [9]. Однако, по мнению Неверова и Шильникова, она играет важную роль в биомеханике тазобедренного сустава [16], а Воробьев утверждал, что ее «биомеханическая функция» имеет значение лишь при определенных условиях [17]. С другой стороны, Пирогов сравнивал связку головки бедра со стальной пружиной, на которой подвешен таз к головке бедра [18]. Gerdy и Savory [19] высказали аналогичное мнение, причем первый автор отметил, что связка головки бедра напрягается в вертикальном положении. Иваницкий, касаясь роли связки головки бедра в поддержании вертикальной позы, писал: в асимметричной позе, с наклоном таза, связка головки бедра на опорной стороне, обычно выпрямленной, ноги натягивается и укрепляет тазобедренный сустав [20].

В биомеханике тазобедренного сустава принято считать, что поддержание одноопорной ортостатической позы во фронтальной плоскости обеспечивают только мышцы [21–25]. Связка головки бедра не упоминается как функциональная связь тазобедренного сустава, а ее сила реакции не учитывается при расчете нагрузки на головку бедра.

Целью исследования было выяснение функции связки головки бедра и ее роли в поддержании одноопорной ортостатической позы. 

Материалы и методы

С целью уточнения функции связки головки бедра и отводящей группы мышц нами сконструирована динамическая модель тазобедренного сустава [26]. Мы использовали однополюсной эндопротез Томпсона, фиксированный на основании, названом базальным элементом бедра (Рисунок 1). В соответствии с диаметром головки эндопротеза (аналога головки бедренной кости) изготовлена металлическая модель вертлужной впадины в виде толстостенной сферической оболочки, имеющей фигурную выемку, имитирующую ямку вертлужной впадины и вырезку. Снаружи крепилась фасонная пластина, имитирующая таз, и пластина для подвешивания груза – гантели массой 1–3 кг. Модель содержала аналог связки головки бедра, выполненный из металлического корда диаметром 2 мм, и аналоги наружных связок (подвздошно-бедренная, седалищно-бедренная и лобково-бедренная), изготовленные из металлического корда диаметром 1,5 мм. Один конец аналога связки головки бедра плотно фиксировали к отверстию, выполненном в фигурной выемке модели вертлужной впадины, а другой – к головке эндопротеза. Обе части модели были также соединены динамометром, пружина которого имитировала функцию отводящей группы мышц, а узел трения смазывался маслом. Свойства модели изучались как в отсутствие аналога связки головки бедра, аналогов наружных связок и аналога отводящей группы мышц, так и при их наличии в различных сочетаниях. В некоторых экспериментах мы изменяли длину аналога отводящей группы мышц, моделируя тем самым разную степень ее напряжения. Определены возможные вращательные и поступательные движения шарнира модели, их диапазон и ограничения. Моделировались условия равновесия при движении таза во фронтальной плоскости в ненапряженном и напряженном типах одноопорной ортостатической позы. 

Рисунок 1. Динамическая модель тазобедренного сустава
 (Заявка на изобретение RU2009124926 А, 29.06.2009. 2011 г.) 

Результаты и обсуждение

Эксперименты с динамической моделью тазобедренного сустава показали, что связка головки бедра ограничивает приведение в тазобедренном суставе, ограничивает отведение, пронацию и супинацию, поступательные движения головки бедра наружу и вверх, а также предотвращает вывих. Натяжение связки головки бедра происходит за счет приведения бедра и наклона таза в неопорную сторону, при этом тазобедренный сустав фиксируется во фронтальной плоскости, становясь аналогом рычага третьего рода. При отсутствии напряжения отводящей группы мышц результирующая сила, действующая на тазобедренный сустав, направлена вверх, нагружая только внутреннюю нижнюю часть головки бедренной кости. Наши данные подтверждают, что напряжение отводящей группы мышц увеличивает отведение тазобедренного сустава. Во взаимодействии с антагонистами она способна фиксировать тазобедренный сустав во фронтальной плоскости в произвольном положении. Если напрячь отводящую группу мышц без растяжения связки головки бедра, результирующая сила, действующая на головку бедра, оказывается направлена сверху, нагружая только внутреннюю верхнюю часть головки бедра. При этом группа отводящих мышц взаимодействует со связкой головки бедра, ограничивая приведение. Сокращение отводящей группы мышц может уменьшить натяжение связки головки бедра и, наоборот, большее натяжение связки головки бедра уменьшает нагрузку на отводящую группу мышц. 

Экспериментально установлено, что связка головки бедра не подвергается растяжению в напряженной одноопорной ортостатической позе, в то время как отводящая группа мышц и ее антагонисты блокируют движения тазобедренного сустава во фронтальной плоскости. В этом случае тазобедренный сустав является аналогом рычага первого рода, с нагруженной верхней полусферой головки бедренной кости. Если предположить, что плечо рычага массы тела в три раза превышает плечо рычага усилия отводящей группы мышц [25], то сила, создаваемая отводящими мышцами, будет в три раза превышать массу тела. Тогда результирующая сила, действующая на головку бедренной кости сверху, в четыре раза превысит вес тела.

Анализ экспериментальных данных и результатов клинических обследований показывает, что в ненапряженной одноопорной ортостатической позе приведение бедра и наклон таза в неопорную сторону сдерживаются, в том числе за счет натяжения связки головки бедра, что согласуется с мнением других авторов [20, 27]. В частности, таз, по утверждению Пирогова, «подвешен» на связке головки бедра [18]. Сочетание натяжения связки головки бедра и напряжения отводящей группы мышц является оптимальным с точки зрения нагрузки на все элементы тазобедренного сустава и сохранения устойчивости вертикального положения тела во фронтальной плоскости.

При таком виде одноопорной ортостатической позы от вертикали отклонены как натянутая связка головки бедра, так и напряженная отводящая группа мышц. Горизонтальные составляющие сил реакции связки головки бедра и отводящей группы мышц суммируются, в результате чего образуется горизонтальная сила, равномерно прижимающая вертлужную впадину к головке бедренной кости. Среднее отклонение от вертикали силы, создаваемой отводящей группой мышц составляет 21° [22], а отклонение связки головки бедра составляет, по нашим данным, около 50°. Расчеты показывают, что величина прижатия таза к головке бедра примерно равна удвоенной массе тела (1,96 веса тела), при этом горизонтальная составляющая силы реакции связки головки бедра равна 1,6 веса тела, а горизонтальная составляющая усилия группы отводящих мышц равна 0,36 веса тела. Нагрузка на верхнюю и нижнюю часть головки бедренных костей примерно эквивалентны одной массе тела без учета массы опорной ноги.

В ненапряженной одноопорной ортостатической позе (поза античной статуи) с незначительным участием или без участия отводящей группы мышц, тазобедренный сустав во фронтальной плоскости является аналогом рычага третьего рода. Если предположить, что рычаг массы тела в три раза превышает рычаг силы реакции связки головки бедра, то сила реакции связки головки бедра будет равна утроенной массе тела. Результирующая сила, направленная вверх, действующая на нижнюю часть головки бедренной кости, равна удвоенному весу тела. 

Выводы

1. Экспериментально установлено, что связка головки бедра ограничивает приведение, латеральное и краниальное смещение головки бедренной кости и способна фиксировать тазобедренный сустав во фронтальной плоскости, преобразуя его в аналог рычага третьего рода.

2. При ненапряженном типе одноопорной ортостатической позы, когда тазобедренный сустав стопорится во фронтальной плоскости, в том числе благодаря связке головки бедра, может быть разгружена отводящая группа мышц. В этом случае результирующая нагрузка на головку бедренной кости примерно равна удвоенной массе тела. Эта нагрузка равномерно распределяется между верхней и нижней полусферой головки бедренной кости, если сочетается соразмерное напряжение отводящей группы мышц и натяжение связки головки бедра.

3. При напряженном типе одноопорной ортостатической позы натяжения связки головки бедра не происходит. Тазобедренный сустав фиксируется во фронтальной плоскости за счет напряжения отводящей группы мышц и ее антагонистов, при этом результирующая нагрузка на головку бедренной кости, направленная сверху, действует на верхнюю полусферу и примерно равна учетверенной массы тела. 

Список литературы

1. Adams F (1849). Hippocrates: The genuine works of Hippocrates; translated from the Greek, with a preliminary discourse and annotations. Vol. 1, 2. Sydenham society, London.

2. Littre E (1844) Oeuvres complètes d'Hippocrate, traduction nouvelle avec le texte grec en regard, collationné sur les manuscrits et toutes les éditions; accompagnée d'une introduction, de commentaires médicaux, de variantes et de notes philologiques; Suivie d'une table générale des matières, Par É.Littré. Tome quatrieme. J.B.Baillière, Paris.

3. Cornarius I (1564). Hippocratis: Coi medicorum, omnium facile principis Opera quae extant omnia, Jano Cornario Medico Physico interprete. Apud Haeredes Iacobi Iunctae, Lugduni.

4. Archipov SV, Skvortsov DV (2019) Ligamentum capitis femoris: first written mentions. MLTJ 9(2): 156–164.

5. Galenus C (1597) Galeni librorum quinta classis eam medicinae partem, que ad Pharmaciam spectat, exponens, simplicium medicamentoru, substitutorum, purgantium, antidotorum, componendorum tam per locos quam per genera medicamentorum, ponderum denique, ac mensurarum doctrinam comprehendit: Septima hac nostra editione, … Librorum numerus proximo folio continetur. Apud Iuntas, Veneijs.

6. Cocchi A (1745) Dell'anatomia. Discorso d'Antonio Cocchi Мugellano. Nella stamperia di Gio Batista Zannoni, Firenze.

7. Kollesch J, Kudlien F (1965) Apollonii Citiensis In Hippocratis De articulis commentarius, ediderunt J.Kollesch et F.Kudlien, in linguam Germanicam transtulerunt J.Kollesch et D.Nickel, Corpus Medicorum Graecorum XI 1, 1. Akademie-Verlag, Berlin.

8. Arkhipov SV (2013) Rol svyazki golovki bedrennoy kosti v patogeneze koksartroza. Cand. Sci. (Med.) Dissertation. Peoples’ Friendship University of Russia. Moscow.

9. Tonkov V (1946) Anatomiya cheloveka: Obshchaya chast': Sistema organov dvizheniya. Medgiz, Leningrad.

10. Philippon MJ, Rasmussen MT, Turnbull TL, Trindade CAC, Hamming MG et al. (2014) Structural properties of the native ligamentum teres. Orthop J Sports Med 2: 2325967114561962.

11. Wenger D, Miyanji F, Mahar A, Oka R (2007) The mechanical properties of the ligamentum teres: a pilot study to assess its potential for improving stability in children’s hip surgery. J Pediatr Orthop 27: 408–410.

12. Dehao BW, Bing TK, Young JLS (2015) Understanding the ligamentum teres of the hip: a histological study. Acta Ortop Bras 23: 29–33.

13. O’Donnell JM, Devitt B M, Arora M (2018) The role of the ligamentum teres in the adult hip: redundant or relevant? A review. J Hip Preserv Surg 5(1): 15-22.

14. Brady AW, Mikula JD, Chahla J, Slette E, Trindade C. et al. (2016) Anatomic analysis of the native ligamentum teres. J Hip Preserv Surg 3(suppl_1).

15. Byrd JW (1998) Operative Hip Arthroscopy. Thieme, New York.

16. Neverov VA, Shil’nikov VA (1993) Sposob fornirovaniya iskusstvennoj golovki bedra pri endoprotezirovanii. Vestn Khir 7-12: 81–83.

17. Vorob’ev NA (1962) Svyazka golovki bedra i yeye prakticheskoye znachenuye. In Voprosy travmatologii i ortopedii. Kiev, 157–174.

18. Yurchak VF, Yevtushenko VA (1972) Morphological Features of the Fetal Hip Joint in the Second Half of Pregnancy. Ortoped Travmatol 1: 26–32.

19. Nikolaev LN (1922) The Role of the Orbicular Ligament in the Hip Joint. Med Zh 3(1-2-3): 10–12.

20. Ivanitskii MF (1985) Anatomiya cheloveka s osnovami dinamicheskoy i sportivnoy morfologii: Uchebnik dlya institutov fizicheskoy kultury. Fizkultura i Sport, Leningrad.

21. Belen’kij VE (1962) Some Problems in Hip Joint Biomechanics. Cand. Sci. (Med.) Dissertation, Moscow.

22. Shapovalov VM, Shatrov NP, Tikhilolv RM, Shtilman NV (1998) The Load Pattern in the Hip Joint in Acetabular Dysplasia and Caput Femoris Osteonecrosis. Travmatol Ortoped Ross 3: 22–26.

23. Yanson HA (1975) Biomekhanika nizhnei konechnosti cheloveka. Zinatne, Riga.

24. Bombelli R (1993) Structure and Function in Normal and Abnormal Hip: How to Rescue Mechanically Jeopardized Hip. Springer, Berlin.

25. Pauwels F (1965) Gesammelte Abhandlung zur funktionellen Anatomie des Bewegungsapparates. Springer, Berlin.

26. Arkhipov SV (2009) Dynamic model of the hip joint. Positive decision to grant a patent of the Russian Federation on the application for the invention №2009124926A.

27. Vorob’ev VP (1932) Anatomiya cheloveka: Rukovodstvo i atlas dlya studentov i vrachej. Vol. 1. Medgiz, Moscow. 

 

Авторы и организация

1. Архипов Сергей Васильевич (к.м.н.)

2. Загородный Николай Васильевич (проф., д.м.н.)

3. Скворцов Дмитрий Владимирович (проф., д.м.н.)

Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии имени Н.Н. Приорова, Москва, Россия.

Внешние ссылки

Оригинальная публикация: Arkhipov SV, Zagorodny NV, Skvortsov DV. Ligamentum capitis femoris a pilot an experimental study. Am J Biomed Sci & Res. 2019;5(2)92-4. DOI:10.34297/AJBSR.2019.05.000884 [researchgate.net(PDF) , biomedgrid.com]

Ключевые слова

ligamentum capitis femoris, ligamentum teres, связка головки бедра, отводящая группа мышц, тазобедренный сустав, модель, биомеханика 

                                                                     .

NB! Первая публикация не содержала изображения модели.

СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

 Биомеханика и морфомеханика