Рассуждение о морфомеханике. 5.7.12 Механика тазобедренного сустава во фронтальной плоскости

 

5.7.12 Механика тазобедренного сустава во фронтальной плоскости

Вращательное движение таза во фронтальной плоскости совершается относительно ГБК опорной ноги. Вследствие того, что ОЦМ находится медиально от опорной ноги, а значит и от ее ГБК, таз наклоняется в сторону неопорной нижней конечности во фронтальной плоскости. Приводящие мышцы бедра, способствующие поступательному смещению таза кнаружи, увеличивают наметившийся его крен в неопорную сторону. Наклону таза активно противодействуют отводящие мышцы опорного бедра. Они, контролируя движение, приводят к тому, что неопорная половина таза опускается вниз плавно. В связи с этим уменьшается расстояние между ТБС переносной нижней конечности и плоскостью опоры. Это сопровождается сгибанием не только в ТБС, но и коленном суставе переносной конечности. За счет данных движений существенно уменьшается относительная длина переносной конечности, исключается вероятность задевания ее стопой за опорную поверхность.

Следует отметить, что в эту фазу шага опорный ТБС представляет собой аналог рычага первого рода. Таковым его и видят большинство исследователей механики ОДС. Все современные расчеты значений внутренних сил, направления их потоков, области ОДС, наиболее нагруженные в процессе ходьбы, строятся именно на этих представлениях. Существуют подробные, достаточно проработанные схемы действия при этом мышечных сил, определяются их моменты и вектора, и величины вызываемых ими ускорений.

В теории ходьбы подробно разработанной F.Pauwels и принятой абсолютным большинством ортопедов и биомехаников основная роль отводится действию мышц. Однако, предметный анализ графиков угловых движений сегментов ОДС и сопоставление их с фазами опоры, электромиограммами, и опорными реакциями показывает, что существующие представления о ходьбе не лишены противоречий. Прежде всего, настораживает тот факт, что перемещения всех звеньев нижней конечности и таза, в том числе, строго повторяются, по амплитуде и частоте.

Мышцы действительно способны породить и ограничить объем движения, а также изменить его направление. Вместе с тем известно, что точное повторение движения посредством мышц чрезвычайно сложное дело. Простейший тому пример, попытка нарисовать на стене несколько раз одну и ту же несложную фигуру, таким образом, чтобы каждая из них была точная копия первой (естественно без использования дополнительных приспособлений). Более точная аналогия получится, если то же самое сделать ногой, но уже на полу. Данная задача многократно усложняется, если попытки повторять с закрытыми глазами. Если ходьба — это результат действия мышц, то каким образом удается от цикла к циклу, с исключительной точностью воспроизводить всю сложную картину угловых и поступательных перемещений элементов ОДС, с одинаковыми амплитудами и частотой? Только исключительно рефлексами, условными или безусловными, пускай и чрезвычайно древними, это объяснить невозможно. Думается, что высочайший автоматизм ходьбы обусловлен не столько длительной «тренировкой» мышц, сколько «активным» участием в реализации акта ходьбы связочного аппарата. Только связки способны ограничить объем движения с завидным постоянством. Поддержание постоянной часты смены фаз ходьбы, приводит к сравнению колеблющихся сегментов, соединенных связками с качанием маятника часов. Для точно повторяющихся его колебательных движений, как известно, требуется незначительная энергия. Думается, именно этот принцип использовала Природа в организации акта ходьбы.

Согласно современным представлениям о ТБС как рычаге первого рода, главная сила, удерживающая таз от опрокидывания в одноопорном положении тела, генерируется отводящими мышцами. Первой среди таковых, считается средняя ягодичная мышца. Элементарные расчеты показывают, что плечо отводящих мышц приблизительно в три раза меньше плеча веса тела. Это значит, для удержания тела в вертикальном положении требуется отводящими мышцами генерировать силу в три раза большую, чем вес тела, порядка 200 кг. Размеры мышцы невелики, сложно себе представить, что такая большая работа может ею длительно выполняться. Кроме этого, ее усилие должно быть точно согласовано с движением контралатеральной конечности. А именно, должно быть максимальным, на протяжении всего одноопорного периода.

Изучение графика активности, в частности средней ягодичной мышцы и сопоставление его с периодами и фазами ходьбы позволяет усомниться в значении указанной мышцы для поддержания вертикального положения. Как можно заметить (Рис.5.84) средняя ягодичная мышца максимально активна в двухопорном периоде шага и начале одноопорного периода. В середине одноопорного периода, когда напряжение данной мышцы должно было бы быть наивысшим, оно, наоборот, почему-то уменьшается, а в конце одноопорного периода мышца вообще «молчит», ее электрическая активность падает до нуля!!! Вместе с тем в момент заднего толчка требования к стабильности таза возрастают, так как появляется дополнительное ускорение ОЦМ. В то же время, таз почему-то удерживается от опрокидывания в неопорную сторону, и даже, в определенный момент, наблюдается тенденция к его наклону в направлении опорной ноги (Рис.5.76). Следует также отметить, что происходящий наклон таза в неопорную сторону, уменьшает плечо действия отводящих мышц, а также увеличивает их напряжение по причине растяжения.

Более или менее оптимальным вариантом в одноопорном периоде было бы, наоборот поддержание таза в позиции наклона в направлении опорной ноги. Это не только увеличивает плечо действия отводящих мышц, но и позволяет уменьшить плечо веса тела, а значит, и уменьшить нагрузку на отводящие мышц и результирующую нагрузку на ГБК. Оценивая затраты энергии при движениях с замыканием суставов мышцами, можно однозначно утверждать, что более выгодно замыкание их посредством связок. Целесообразнее ограничение объема и амплитуды движений также связками. Маловероятно, что живая система столь расточительна и будет в норме, для ходьбы, самого используемого вида локомоции расточительно тратить мышечную энергию, когда имеется возможность ее сэкономить. Известно, что «для повышения коэффициента рекуперации энергии необходимо, с одной стороны, накапливать потенциальную энергию в соответствующих упругих элементах … и, с другой стороны, возвращать ее в надлежащие фазы двойного шага для повышения эффективности ходьбы и снижения мышечных энерготрат» (Якобсон Я.С. и соавт., 2001).

Выше было показано, что для поддержания одноопорного ортостатического положения, замыкание ТБС во фронтальной плоскости оптимально осуществлять посредством СГБ. Данная структура позволяет точно ограничивать величину угла приведения в ТБС, амплитуду поворота таза, а также экономить энергию за счет разгрузки отводящей группы мышц. С нашей точки зрения это один из тех упругих элементов, который сначала аккумулирует мышечную энергию, а затем выделяет ее, порождая движение.

Р.А.Корнилов (1958), обнаружил, что при переходе от произвольной ходьбы к спортивной, отмечена стабилизация хронометрических показателей шага и отдельных его фаз для обеих конечностей.* Это является косвенным доказательством участия СГБ в акте ходьбы, СГБ позволяет существенно автоматизировать локомоторный процесс.

Другим доказательством участия СГБ в акте ходьбы является механика локомоций лиц перенесших тотальное эндопротезирование ТБС. В частности В.Е.Беленький, Г.В.Куропаткин (1994), отмечали, что, несмотря на хороший клинический исход протезирования и вполне удовлетворительную силу ягодичных мышц, пациенты все же «…хромали, правда, несильно». При тотальном эндопротезировании ТБС применяющимися конструкциями не воссоздается СГБ. Отсюда, функционирование подобного ТБС в акте ходьбы являет собой искусственно созданную модель механики локомоций в отсутствии СГБ.

Хромота после эндопротезирования ТБС, с нашей точки зрения связана с тем, что в одноопорном периоде шага ТБС функционирует как рычаг первого рода, хотя должен бы работать как рычаг второго рода. С целью компенсации утерянной важной функциональной связи ТБС, каковой является СГБ, пациенту приходится укорачивать время одноопорного периода, а также отклонять корпус в опорную сторону, создавать так называемую опорную девиацию корпуса. Тем самым он непроизвольно уменьшает плечо веса тела, снижает нагрузку на отводящую группу мышц. Нарушается механизм автоматического поворота таза в горизонтальной плоскости, что компенсируется отчасти работой ротаторов бедра. Повреждение ПБС при имплантации эндопротеза (что зачастую делается сознательно) также приводит к кинематическим нарушениям. Ликвидируется замыкание ТБС указанной связкой, изменяется механизм нормального ортостатического положения. При этом подключаются вспомогательные мышцы, которым поддержание ортостатического положения не свойственно, со всеми вытекающими из этого явлениями. Нами указаны только наиболее яркие эффекты патомеханики ТБС после эндопротезирования, думается эта тема требует отдельного предметного исследования.

В общепринятой схеме F.Pauwels, ТБС рассматривается как рычаг первого рода, наиболее нагруженными оказываются верхние сектора ГБК и полулунной поверхности ВВ. Причем, эта результирующая нагрузка, при ходьбе возрастает в несколько раз. Подключение же СГБ, в одноопорном периоде, перераспределяет нагрузку на элементы ТБС, а именно нагружает нижние сектора ГБК и полулунной поверхности ВВ. Это в свою очередь снижает уровень среднепостоянных напряжений в верхнем секторе ГБК и полулунной поверхности ВВ, повышая их в нижних.

Прямых доказательств участия СГБ в акте ходьбы получить практически невозможно из-за малых ее размеров и особенностей расположения. Однако обнаруживаются косвенные свидетельства ее участия в реализации одноопорного периода шага:

-   таз во фронтально плоскости наклоняется в неопорную сторону, а величина угла его наклона точно повторяется от цикла к циклу,

-   приведение опорной и сгибание неопорной ноги такое же, как в статическом одноопорном положении,

-   уменьшение напряжения средней ягодичной мышцы в одноопорном периоде и парадоксальное ее «молчание» в его конце.

-   принципиальная возможность замыкания ТБС посредством СГБ во фронтально плоскости, что более выгодно с энергетической точки зрения.

-   экспериментальное подтверждение разгрузки отводящих мышц, ограничения приведения бедра и наклона таза в неопорную сторону, посредством СГБ при моделировании одноопорного ортостатического положения.

В качестве морфологических подтверждений можно привести следующие факты:

-   наличие медиального участка второй системы трабекул проксимального конца бедра, их «продолжение» трабекулами лонной кости при приведении в ТБС,

-   меньшая толщина хрящевого покрова ГБК в нижнем секторе, что говорит о высоком уровне напряжения в этом участке гиалиновой оболочки.

Вышеприведенные доводы, позволяют утверждать, что в середине одноопорного периода шага, ТБС замыкается во фронтальной плоскости посредством СГБ. Благодаря этому одноопорное динамическое состояние обретает большую устойчивость и стабильность. ТБС, при этом преобразуется в рычаг второго рода. За счет участия СГБ, существенно экономится мышечная энергия, полярно меняются зоны наибольшей нагрузки ГБК и ВВ.

Постепенный переход от двухопорного динамического положения в одноопорное сопровождается наклоном таза в сторону ноги, остающейся позади. Данное движение обусловлено сокращением приводящих мышц с одной стороны и отводящих с другой, а также действием веса тела и сгибанием ноги, располагающейся позади.

Наиболее значимый вклад во вращение таза во фронтальной плоскости привносит действие веса тела и расположение его вектора медиально по отношению к ГБК. В определенный момент наклон таза достигает своего максимума, а СГБ натягивается. Тем самым СГБ предопределяет величину наклона таза во фронтальной плоскости. Плавный наклон таза обусловлен содружественной работой отводящих и приводящих мышц одноименного ТБС. Это исключает резкое увеличение напряжений в СГБ. При переходе к одноопорному динамическому положению опорная нога отклоняется латерально за счет пронации в подтаранном суставе. Соответственно таз в целом и ОЦМ, поступательно смещаются в направлении опорной конечности. Это происходит, так как ТБС оказывается замкнутым во фронтальной плоскости натянутой СГБ, тягой за которую отклоняющееся латерально бедро увлекает за собой и таз. Угол наклона таза относительно бедра остается постоянным и определяется длиной СГБ. Определенную роль в ограничении приведения бедра играет и горизонтальная порция ПБС. Таз во фронтальной плоскости двигается кнаружи по дуге с центром в подтаранном суставе и смещается в опорную сторону. Благодаря натяжению СГБ и ПБС напряжение отводящих мышц уменьшается практически до нулевого уровня. Именно это позволяет существенно сократить расход энергии на поддержание тела в вертикальном положении, в наиболее нагруженном периоде шага. Таким образом, в одноопорном периоде участие СГБ преобразует ТБС в рычаг второго рода, наибольшая нагрузка при этом падает на нижние сектора ГБК и полулунной поверхности ВВ. В двухопорном же периоде нагруженными были наоборот верхние их сектора.

Переход от одноопорного периода шага к двухопорному запускает обратный процесс. Опорная нога начинает отклоняться медиально, за счет супинации в подтаранном суставе под влиянием силы тяжести, приложенной к ОЦМ. Следует отметить, что проекция ОЦМ, в процессе ходьбы никогда не заходит в границы опоры стоп. Это предопределяет некоторую неустойчивость тела в различные фазы шага и постоянное присутствие тенденции к опрокидыванию в неопорном направлении.

Таз, начиная наклоняться опять в неопорную сторону, увлекает за собой бедро и всю ногу. Начало двухопорного периода предопределяет смену направления движения таза во фронтальной плоскости. Он начинает отклоняться в сторону еще остающейся позади нижней конечности. При этом СГБ разгружается, а ТБС размыкается, преобразуясь в рычаг первого рода. Основная нагрузка опять ложится на верхние сектора ГБК и ВВ. Подключается отводящая группа мышц.

В переносном периоде нога сгибается в ТБС и выносится вперед. Это движение совершается по дуге, центробежная сила, а также вес самой нижней конечности увлекает ее вниз. Соответственно нижняя конечность несколько смещается каудально, а в ТБС наблюдается люфт ГБК кнаружи. Это поступательное движение ГБК приводит к разгрузке, как ее, так и контактирующей с ней полулунной поверхности ВВ. Люфт ГБК ограничен наружными связками, суставной сумкой, вертлужной губой, а также тонусом мышц ТБС. Так как вес нижней конечности есть сила направленная вертикально вниз, вполне логично, что бедро стремится к вертикальной ориентации своей оси. При наклоне таза в сторону опорной ноги, переносная нижняя конечность отводится в ТБС. А при отклонении таза в противоположном направлении, неопорная нога, наоборот, приводится в ТБС. По означенным причинам к началу двухопорного периода нижняя конечность оказывается отведенной, а затем постепенно начинает приводиться в ТБС. Приведение ноги в ТБС обеспечивается приводящими мышцами, которые наряду с отводящими определяют, насколько близко друг к другу располагаются стопы при опоре, то есть определяют ширину шага.

Согласно R.B.Martin et al. (1998), ГБК фактически больше в диаметре, чем полулунная поверхность ВВ. При увеличении нагрузки ГБК на ВВ последняя упруго деформируется и суставные поверхности смыкаются. Когда сустав снова разгружен, остаточная упругая сила со стороны ВВ воздействует на ГБК смещая ее кнаружи. Во время ходьбы, ГБК не только вращается, но и перемещается в ВВ и из нее с каждым шагом. Это движение может поддерживать наличие смазывающей пленки на суставных поверхностях.

---

* С нашей точки зрения, спортивная ходьба особенно ярко демонстрирует участие СГБ в акте ходьбы. Она характеризуется продолжительными одноопорными периодами, в которых особенно заметны фронтальные наклоны таза, строго повторяющиеся от цикла к циклу. Отклонение таза в неопорную сторону прежде всего ограничивается СГБ. Можно сказать, что спортивная ходьба есть ходьба на СГБ. 

««назад || СОДЕРЖАНИЕ КНИГИ || вперед»»

                                                                     

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

СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

Биомеханика и морфомеханика