5.4.5 Механика тазобедренного сустава в одноопорном положении
Закономерности
функционирования ТБС издавна привлекали к себе внимание ортопедов и
биомехаников. Этому вопросу посвящено значительное число работ. Механика ТБС
изучена достаточно подробно и, пожалуй, более детально, чем какого-либо другого
сустава человеческого тела. Главными причинами тому являются его размеры,
важность выполняемых функций и тяжесть развивающихся в ТБС патологических
процессов.
Современные
представления о кинематике, статике и динамике ТБС считаются уже устоявшимися и
практически не подвергаются ревизии. Представляется, что окончательное мнение о
закономерностях функционирования ТБС сложились после серии работ F.Pauwels. В любом, более-менее значимом
исследовании, посвященном ТБС, и затрагивающем тему его функционирования,
имеются ссылки на указанного автора. В последние десятилетия XX века F.Pauwels, пожалуй, самый цитируемый в
России исследователь механики ТБС. Его воззрения абсолютным большинством
ортопедов воспринимаются как догма. Более того, в настоящий момент мнение,
высказанное F.Pauwels (1973) о том, что биомеханика ТБС
хорошо известна, до известной степени останавливает исследования в этом
направлении.
Согласно
F.Pauwels и цитировавших его авторов (Гурьев
В.Н., 1975; Мирзоева И.И. и соавт., 1976; Соков Л.П., Романов М.Ф., 1991 и др.)
одноопорное ортостатическое положение характеризуется следующими чертами:
-
таз расположен горизонтально,
-
ОЦМ смещен в неопорную сторону,
-
ВВ таза опирается на верхний сектор ГБК,
-
тело находится в покое.
В одноопорном ортостатическом положении сила тяжести, приложенная к ОЦМ, действует медиально от опорного бедра (Рис.5.26, 5.27, 5.30, 5.31, 5.32). В этой ситуации ТБС представляет собой рычаг первого рода. Силе тяжести противодействует сила отводящей группы мышц. Сила тяжести стремится изогнуть бедренную кость. Отсюда по внутренней поверхности бедра присутствуют силы сжатия а, по наружной силы растяжения. Действие последних нивелируется подвздошно-большеберцовым трактом, выступающим в роли гибкой растяжки. Напряжение мышц, прикрепляющихся к подвздошно-большеберцовому тракту, а также оттеснение его латеральной головкой четырехглавой мышцы бедра, приводит к тому, что на наружной поверхности бедренной кости силы растяжения преобразуются в силы сжатия. Означенное доказывают опыты с нагружением фотоупругих моделей (Рис.5.35). Исследования на фотоупругих моделях демонстрируют низкие напряжения в области треугольника Варда, что согласуется с тем, что в этой области количество спонгиозного вещества минимально (Рис.5.21). Расчеты показывают, что мышцы участвующие в удержании одноопорного ортостатического положения способствуют снижению напряжений в костях. Наибольшие напряжения в бедренной кости действуют во фронтальной плоскости, в то время как в большеберцовой кости в сагиттальной плоскости (Pauwels F., 1965).
Рис.5.35. Нагруженная фотоупругая модель бедренной кости, справа с участием подвздошно-большеберцового тракта, слева без такового.
В
одноопорном ортостатическом положении с «пассивным» замыканием коленного
сустава напряжения на медиальной и латеральной поверхностях бедра
противоположны по направлению. На медиальной поверхности действуют напряжения
сжатия, на латеральной – напряжения растяжения. Симметричные напряжения сжатия на
этих участках сустава обеспечивается сокращением латеральной группы мышц бедра
с силой, приблизительно равной весу, действующему на конечность (Шаргородский
В.С., Ильин Л.А., 1972).
Чаще всего кинематику одноопорного ортостатического положения анализируют только во фронтальной плоскости. При этом тело, опирающееся на ГБК, зачастую сравнивают с коромыслом рычажных весов (Рис.5.36). Условия его равновесия рассматривают как равновесие рычага первого рода (Иваницкий М.Ф.,1985). Позволим себе напомнить, что рычаг — это твердое тело, имеющее возможность поворачиваться вокруг неподвижной оси под воздействием сил линии действия, которых расположены в плоскостях перпендикулярных оси вращения. В рычагах первого рода точка опоры лежит между линиями действия сил. Рычагом второго рода называют рычаг, в котором точка опоры находится по одну сторону от линий действия сил. Для равновесия рычага необходимо и достаточно, чтобы сумма моментов действующих на него сил относительно точки опоры равнялась нулю. Произведение силы на плечо есть момент силы относительно точки опоры. Сила, направленная по часовой стрелке, образует отрицательный момент, против часовой стрелки - положительный. Если сила не перпендикулярна рычагу, ее плечо определяется как кратчайшее расстояние от точки опоры до линии действия сил (Гернет М.М., 1973).
Рис.5.36. Аналогия условия равновесия в опорном тазобедренном суставе, и величина нагрузки действующей при этом на головку бедренной кости (К).
Точкой опоры и центром вращения рычага, возникающего в области ТБС, является центр ГБК. Положение равновесия достигается благодаря равенству моментов сил, действующих на балансирующую часть тела относительно центра вращения. Он совпадает с центром ГБК и с центром ТБС. Медиальнее центра ГБК, на тело действует сила тяжести, приложенная к ОЦМ, а кнаружи от ТБС - сила сокращения отводящих мышц. Плечо веса тела есть кратчайшее расстояние от центра ГБК до вертикальной линии, проходящей через ОЦМ. Плечо силы отводящих мышц равно длине перпендикуляра восстановленного от центра ГБК до линии действия отводящих мышц. Соответственно, моменты сил есть произведению силы на ее плечо (Рис.5.37). Если линия действия веса тела вертикальна, то линия действия отводящих мышц находится под углом к горизонту и соединяет подвздошную кость с большим вертелом. Плечо силы отводящих мышц короче плеча веса тела. «Плечо рычага нагрузки веса тела примерно в 3 раза длиннее плеча противодействующих мышц» (Мирзоева И.И. и соавт., 1976). «По данным A.Fisher (1950), F.Pauwels (1951) и др., соотношение плеч действия равнодействующей мышц и силы тяжести равно 1:4» (Гурьев В.Н., 1975). Согласно M.C.Hall (1963) соотношение плеч сил, действующих на ТБС в одноопорном ортостатическом положении, составляет 1:3. F.G.Strange (1965) считает, что плечо силы отводящих мышц в два раза меньше плеча веса тела.
Рис.5.37. Моменты сил, действующие в одноопорном ортостатическом положении.
Для поддержания таза в равновесии при одноопорном ортостатическом положении отводящие мышцы должны создать усилие в 3 раза, превосходящее вес тела. При этом результирующая сила, действующая на ГБК, не вертикальна и имеет горизонтальную составляющую (Рис.3.80, 5.38) (Charnley J., 1979). Данный автор также рассматривает ТБС в указанной позиции как рычаг первого рода.
Рис.5.38. Вертикальная и горизонтальная составляющие силы воздействующей на головку бедренной кости в одноопорном ортостатическом положении.
M.D.J.Inman (1947) показал, что весу тела
противодействует не только сила отводящих мышц, но и мышц, напрягающих широкую
фасцию бедра* (Рис.3.86, 5.26). Сила,
развиваемая данными мышцами, превосходит вес тела и относится к нему, как
1.9:1. Равнодействующая сил, действующих на ГБК, по данным этого автора, не
вертикальна, а отклонена кнаружи, и составляет угол 10-15°.
Причем, направление равнодействующей силы является постоянным и не зависит от
того, приподнят или опущен таз (Крюк А.С., 1970; Соколовский А.М., Крюк А.С.,
1993).
В.Н.Гурьев
(1975) указывает, что мышечная сила складывается из суммы напряжений
пельвио-трохантерной и спино-круральной групп мышц. Пельвио-трохантерная группа
включает, грушевидную, подвздошно-поясничную, среднюю и малую ягодичные мышцы.
Их равнодействующая - в области малого вертела, образует с вертикальной линией
угол 5.5°. В спино-круральную группу входят мышца, напрягающая
широкую фасцию бедра, прямая мышца бедра, а также портняжная. Равнодействующая
данной группы - в области большого вертела, составляет с вертикалью угол,
равный 29.3°. В свою очередь равнодействующая обеих групп идет
сверху-вниз, изнутри-кнаружи. Она отстоит приблизительно на 40 мм от центра ГБК
и образует с вертикальной осью угол 21°.
По
данным Tschauner
et al.,
результирующая сила действует на ГБК во фронтальной плоскости под углом 16°, в
сагиттальной плоскости она вертикальна 0° (Grifka J., Ludwig J., 1998).
Ниже мы приведем несколько иллюстраций из различных источников, на которых наглядно показана точка зрения известных авторов на механику ТБС (Рис. 5.39, 5.40, 5.41, 5.42, 5.43, 5.44, 5.45).
Рис.5.39. Модель, демонстрирующая условия равновесия в опорном тазобедренном суставе.
Касательно
механики ТБС В.Е.Беленький (1960) пишет: «согласно общепринятым представлениям,
давление тяжести тела передается отвесно сверху на головку по так называемой
механической оси бедра. По анатомической оси, проходящей через средину кости,
давление не передается, — это так называемая нейтральная линия». Далее в работе
читаем: «…в верхней части шейки действуют силы растяжения, в нижней силы
сжатия» (Рис.3.79). Автором были поставлены эксперименты на специально
созданной трехмерной модели ТБС, с учетом тяги отводящих мышц и без такового. В
обоих случаях «…имелся рычаг первого рода с точкой опоры на головке бедренной
кости». В верхнем отделе ШБК отмечено небольшое сжатие, а также сжатие в нижней
ее части. Направление результирующей силы – приближается по своему положению к
оси ШБК, но не совпадает с ней. «Взаимодействие сил в области тазобедренного
сустава обуславливает работу шейки «на сжатие», а не «на излом» заключает
данный исследователь.
С
точки зрения О.В.Недригайловой (1967) условия равновесия таза при опоре на одну
нижнюю конечность являются примером рычага первого рода. Точка опоры есть ГБК,
а горизонтальное положение таза уравновешивается во фронтальной плоскости
моментом силы отводящих мышц и моментом силы тяжести.
ТБС функционирует как рычаг первого
рода, при ходьбе и одноопорном положении (к.м.н. Волошин В.П., личное общение,
2001).
В.А.Фокин (2001), соглашаясь с F.Pauwels, указывает, что ТБС является
рычагом первого рода.
В.Е.Беленький, Г.В.Куропаткин
(1994) рассматривают ТБС при опоре на одну нижнюю конечность как рычаг первого
рода. По их данным усилие средней ягодичной мышцы уравновешивает вес тела, при
этом отношение сил составляет как 1:3.
Проксимальный конец бедра, как
рычаг первого рода, также видят З.М.Мителева и соавт. (1984), А.Ф.Краснов и
соавт., (1986).
Распределение сил в ТБС при
одноопорном стоянии «…как при рычаге первого рода с точкой опоры в центре
головки бедренной кости». При этом моменты силы массы тела и тяги средней
ягодичной мышцы равны по величине (Травкин А.А., Леонова Н.М., 1980).
В одноопорном ортостатическом положении точкой опоры тела является ГБК. Вес тела стремиться наклонить таз вниз чему противодействуют средняя и малая ягодичные мышцы. При этом плечо силы веса тела в 2.5 раза больше плеча отводящих мышц. Антагонистическая сила реакции ГБК является суммой вышеозначенных сил и направлена вверх (Wilson F.C., 1983).
Рис.5.40. Условия равновесия таза в одноопорном ортостатическом положении.
По
R.Bombelli (1993) на ГБК в вертикальном
направлении воздействует результирующая сила массы тела и мышц. Ей
противодействует обратно направленная сила, которая может быть разложена на две
составляющие. Одна, из которых горизонтальна, и вдавливает ГБК в ВВ, ей
противодействует эквивалентная сила. Другая же составляющая направлена
вертикально вверх это сила компрессии. Нагрузка приходится на верхний
сферический сектор ГБК с центром, совпадающим с центром ГБК (Рис.5.46). Его
размеры определяет ширина суставной поверхности ВВ, минимальный угол 56°,
максимальный 90°. При уменьшении размеров сектора в
2 раза напряжение в нем увеличивается на 157%.
Согласно D.R.Carter (1987), ГБК испытывает сжатие, с точкой концентрации сжатия и трении в области ее центра, «…а на вогнутой поверхности вертлужной впадины напряжения будут растягивающими и тангенциальными» (Диваков М.Г., 1990).
Рис.5.41. Условия равновесия таза в одноопорном ортостатическом положении.
А.М.Соколовский (1986), соглашаясь
с F.Pauwels (1976), пишет, что в норме на ТБС
действует результирующая сила, проходящая через центр ГБК и контррезультирующая
сила, что может быть разложена на две, одна из которых горизонтальна и
прижимает ГБК к ВВ.
Расчеты З.М.Мителевой и соавт.
(1984) показали, что нагруженным является верхний сектор ГБК, где определяется
«…высокий уровень касательных напряжений … в виде сектора».
А.Л.Гимельфарб, В.И.Евсеев (1979)
изучали распределение напряжений в проксимальном конце бедренной кости на
модели. В поставленных ими экспериментах нагрузка воздействовала на верхний
сектор ГБК. Это указывает на то, что и данные авторы придерживаются мнения о
воздействии нагрузки на ГБК сверху вниз.
С.В.Чабаненко, П.С.Ткач (1990)
считают, что опорной является верхняя поверхность ГБК. Согласно F.G.Strange (1965) основная нагрузка
приходится на верхнемедиальный сектор ГБК.
Место
максимальной нагрузки ТБС находится «…в верхнелатеральном отделе» (Коссинская
Н.С., 1961).
Давление на ГБК распределяется по
закону косинуса, как в шаровой пяте, «…более нагружаемым является
заднелатеральный сегмент головки бедренной кости». При нормальном ШДУ,
равнодействующая сила пересекает ГБК в наружно-верхнем квадранте, именно эта
зона испытывает максимальные нагрузки (Шаргородский В.С., Кресный Д.И., 1989).
У А.Глаубера (1968) читаем, что
только верхняя часть ГБК «…находится в постоянном соприкосновении под давлением
с хрящевой поверхностью вертлужной впадины, тогда как ее средненижняя часть
соприкасается без нагрузки».
Наиболее нагружаемые участки ГБК находятся в верхнезаднем сегменте, а перенос тяжести тела на нее осуществляются через слой жидкости (Неверов В.А., Шильников В.А., 1994).
Рис.5.42. Направление результирующей силы воздействующей на головку бедра и силы отводящих мышц.
Теоретические
данные, изложенные выше, находят свое экспериментальное подтверждение. Так
В.Е.Беленьким (1962) была создана модель ТБС, имитировавшая условия стояния на
одной ноге. Измерение сил, действующих в области модели ТБС, показало, что ГБК
в данной позе, действительно испытывает суммарное действие веса тела и
отводящих мышц. Их равнодействующая, по данным этого исследователя составляет с
вертикалью угол 18-30°, а ее положение определяется,
главным образом направлением тяги отводящих мышц (Крюк А.С., 1970).
Согласно C.W.Heijne, M.Nordin (1986) весу тела противодействует
сила отводящих мышц под углом 70° к горизонтали.
Угол
результирующей нагрузки на ГБК может варьировать от 0 до 30°,
отмечает Х.А.Янсон (1975).
В
соответствии со схемой F.Pauwels, M.E.Muller, приводимой R.Liechti (1974) плечи сил, действующих на
ТБС в одноопорном ортостатическом положении, соотносятся как 1:3, при этом ОЦМ
смещается в неопорную сторону от средней линии. О таком же соотношении плеч
пишет и H.F.Boggiano (1985), по его данным ОЦМ
располагается на уровне второго крестцового позвонка. С соотношением плеч сил
как 1:3, действующих в области ТБС, также согласны G.Chapchal (1965) H.Leonhardt (1970), H.Schoberth (1972) (Рис.5.33). По мнению G.Chapchal (1965), нагрузка на ГБК в
одноопорном ортостатическом положении достигает четырех масс тела.
Следовательно, при весе тела 80 кг она составляет 320 кг. Во время ходьбы, за
счет динамического компонента нагрузка на ГБК равна 4,5 веса тела или 360 кг.
При
сохранении равновесия в одноопорном ортостатическом положении задействованы не
только отводящие, но и приводящие мышцы. С учетом этого M.E.Müller (1957) нашел, что результирующая
сила, действующая на ГБК равна 4.5 веса тела. Тогда при массе тела 70 кг
нагрузка на ГБК составит 315 кг (Bauer R., 1970).
Согласно
Х.З.Гафаров и соавт. (1984) ось нагрузки веса тела проходит через тазовые
кости, ушковидные поверхности крестца к дугообразным линиям подвздошных костей,
от них через крышу ВВ к ГБК. По данным F.Pauwels (1950) при весе тела 47.8 кг
давление в суставе равно 176 кг и для удержания таза в горизонтальном положении
мышцы должны развивать силу равную 131 кг (Фищенко П.Я., Поздникин Ю.И., 1973).
По
данным G.L.Lucas et al. (1998) отношение плеч сил,
удерживающих таз в горизонтальной позиции в одноопорном ортостатическом
положении, составляет в среднем 2.4. Если учесть, что масса опорной конечности
составляет 1/6, результирующая сил действующая на ГБК равна 2.75 веса тела и
направлена под углом 20° к вертикали.
При стоянии на одной ноге на ТБС приходится 2.5 веса тела (Доэрти М., Доэрти Д., 1993). З.М.Мителева, Г.М.Меллерович (1988) методом конечных элементов нашли величину результирующей силы, которая составила 2110 Н. Использовалась двумерная (плоская) модель ТБС, функционирующая как рычаг первого рода. В расчетах было принято, что диаметр ГБК 50 мм, плечо рычага веса тела 110 мм, плечо рычага отводящих мышц 40 мм. Расчетный вес тела 574 Н, угол действия равнодействующей 16°, усилие ягодичной группы 1580 Н. Наибольшие напряжения получены в области равнодействующей силы в верхнем секторе ГБК.
Рис.5.43. Направления усилий в области тазобедренного сустава в одноопорном ортостатическом положении.
По
данным M.D.J.Inman (1947) «…сила, действующая на
головку бедра при стоянии человека на одной ноге, превышает вес человека в
2.4-2.6 раза». Направление противодействующей силы образует с вертикалью угол
165-170° и совпадает с ориентацией медиальных трабекул ШБК.
При стоянии на одной ноге «угол наклона таза над неопорной конечностью
составлял в среднем всего 4° … не принимался во внимание»
(Беленький В.Е., 1960).
При массе тела 70 кг, в одноопорном
положении в норме напряжение в ТБС составляет 7.84×10-4–35.28×10-4
Н/м2 (Евсеев В.И., 1980).
Согласно
N.Rydell (1966), F.Burny, R.Bourgois (1972) в положении стоя на одной
ноге нагрузка на ГБК составляет 2.4Р. По литературным данным напряжения на
поверхности ГБК при одноопорном ортостатическом положении составляет 0.162
кгс/мм2 (Янсон Х.А., 1975).
Рис.5.44. Усилия, удерживающие таз в равновесии в одноопорном ортостатическом положении, показан изгиб позвоночника в опорную сторону и горизонтальное положение таза.
В.М.Шаповалов
и соавт. (1998) также произвели расчеты сил, действующих в области ТБС. В
расчетах было принято, что ТБС функционирует как рычаг первого рода. Диаметр
ГБК – 50 мм, диаметр ШБК – 35 мм, длина плеча рычага веса тела – 110 мм, а
длина плеча равнодействующих мышечных усилий 40 мм. Вес тела 700 Н, вес нижней
конечности 126 Н. Угол действия результирующей силы 15.4° от
вертикали, угол между вертикалью и равнодействующей мышечных усилий 21°.
Величина результирующей силы при указанных параметрах составила 2123.92 Н. Было
принято, также, что нагружаемая площадка ГБК представляет собой сектор 56° дуги
окружности длинной 27.35 мм. Соответственно получено, что нагрузка, которая
приходится на верхний сектор ГБК составила 77.7 кг/см2. Отмечена
концентрация сжимающих напряжений – 131% в верхнем секторе ГБК. В межвертельной
зоне выявлены сжимающие усилия, и довольно значительные растягивающие усилия на участке перехода ШБК в большой
вертел. При уменьшении площади контакта ГБК и ВВ нагрузка закономерно
увеличивалась.
Bay et al. (1997) в лабораторных условиях
моделировали одноопорное ортостатическое положение, при этом система таз-бедро
действовали по принципу рычага первого рода (Martin R.B. et al., 1998).
Моделирование напряженного состояния проксимального отдела бедренной кости осуществили и А.Л.Гимельфарб, Д.Л.Акбердина (1983). Данные авторы рассматривали ТБС как рычаг первого рода. По их данным в подвертельной области и на медиальной поверхности межвертельной области наблюдается деформация сжатия. На верхней поверхности ШБК – растяжение, а на нижней – сжатие.
Рис.5.45. равновесие в области тазобедренного сустава в одноопорном ортостатическом положении.
Из
приведенных выше точек зрения явствует - в настоящее время считается, что
равнодействующая сила, воздействующая на ГБК, направлена сверху-вниз,
изнутри-кнаружи. Ее величина равна сумме силы отводящих мышц и веса тела, или
приблизительно учетверенному весу тела. При этом нагруженными оказываются
только верхний сектор ГБК и ВВ. Равнодействующую силу можно разложить на две
составляющие вертикальную и горизонтальную. Однако существует несколько
нюансов, по которым мнения исследователей расходятся. Так различны данные по
соотношению плеч мышц, действующих в области ТБС, о наклоне таза, величине
результирующей силы, ее направлению и некоторым другим вопросам.
Рис.5.46. Сектор головки бедренной кости нагруженный в одноопорном ортостатическом положении.
Подытоживая
обзор существующих воззрений на механику ТБС, можно привести
цитату из работы И.И.Мирзоевой и соавт. (1976): «к настоящему времени создана
стройная теория действия статико-динамических сил на проксимальный отдел бедра».
Автор:
Архипов С.В. – С.В. Архипов-Балтийский является псевдонимом, который использовался до начала 2006 года с целью более точной дифференцировки на научном поле.
Цитирование:
Архипов-Балтийский СВ. Рассуждение о морфомеханике. Норма. В 2 т. Т. 1. Гл. 1-4. - Испр. и доп. изд. Калининград, 2004. [aleph.rsl.ru]
Архипов-Балтийский СВ. Рассуждение о морфомеханике. Норма. В 2 т. Т. 2. Гл. 5-6. - Испр. и доп. изд. Калининград, 2004. [aleph.rsl.ru]
Примечания:
Первая крупная публикация автора, посвященная морфомеханике живых систем, биомеханике пояса нижних конечностей и связки головки бедра, ligamentum capitis femoris (LCF).
Ключевые слова
ligamentum capitis femoris, ligamentum teres, связка головки бедра, анатомия, морфомеханика, биомеханика
Биомеханика и морфомеханика