Эксперименты на трехмерной модели головки бедренной кости

 

Эксперименты на трехмерной модели головки бедренной кости

В экспериментах на муляже тазобедренного сустава подмечено, что аналог связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, оказывался натянутым преимущественно в середине и конце одноопорного периода шага. В указанный период шага он двигался по сложной трехмерной кривой. Дистальная область крепления аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, была ограниченно подвижна, а перемещалась преимущественно проксимальная область крепления.

В опытах по моделированию начала одноопорного периода шага проксимальная область крепления находилась латеральнее, ниже и позади дистальной области крепления аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris. В середине одноопорного периода шага проксимальная область крепления находилась медиальнее, ниже и лежала в одной фронтальной плоскости с дистальной областью крепления аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris. Указанные перемещения были малозаметны при движениях муляжа головки бедренной кости, caput femoris, ввиду ее относительно небольшого размера.

С целью уточнения особенностей перемещения связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, в одноопорном периоде шага предпринято моделирование ее движений в увеличенном масштабе. Для реализации задуманного нами создана «трехмерная модель головки бедренной кости». Она содержала модель головки бедренной кости, caput femoris, и модель связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris (Рис. 1).

Рис. 1. Трехмерная модель головки бедренной кости; 1 – надувная резиновая оболочка; 2 - аналог связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris; 3 – опора надувной резиновой оболочки; 4 – область крепления аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris; 5 – модель проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris.

Основой трехмерной модели головки бедренной кости явилась тонкостенная надувная резиновая оболочка диаметром 170 мм. К ней прикреплялся верхний конец аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, выполненный из плетеного полимерного шнура диаметром 3 мм, длиной 90 мм. К нижнему концу присоединялся пустотелый полимерный шар диаметром 30 мм. Он, по нашему замыслу, представлял собой модель проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris. Шар имел возможность совершать колебательные движения на подвесе – аналоге связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris. Его верхняя точка крепления располагалась на тонкостенной надувной резиновой оболочке ниже ее вершины. В свою очередь, надувная резиновая оболочка неподвижно закреплялась в округлой стеклянной опоре.

В исходном положении модели головки бедренной кости аналог связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, натягивался под действием веса модели проксимальной области крепления. Подобным образом действует вес тела, приложенный к проксимальному концу связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, когда наблюдается приведение бедренной кости, os femur, и наклон таза, pelvis, вниз в медиальную сторону. При этом связка головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, натягивается (см. моделирование движений на муляже тазобедренного сустава). В нашей трехмерной модели головки бедренной кости аналог связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, спонтанно принимал положение, близкое к вертикальному, под действием силы тяжести, действующей на модель проксимального крепления (Рис. 2).

Рис. 2. Трехмерная модель головки бедренной кости в исходном положении; слева – вид спереди; в центре – вид сверху; справа – вид сбоку.

В исходном положении верхний и нижний конец аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, лежали во фронтальной плоскости. Верхний конец находился выше и латеральнее нижнего конца аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris. Аналог связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, располагался вдоль главного меридиана надувной резиновой оболочки. Он нами умозрительно проводился через верхнюю (дистальную) область крепления аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, и лежал во фронтальной плоскости. Модель проксимальной области крепления связки головки бедренной кости находилась в покое, самопроизвольно прижимаясь к надувной резиновой оболочке (Рис. 3).

Рис. 3. Аналог связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, трехмерной модели головки бедренной кости в исходном положении (вид сбоку); условные обозначения: красная стрелка – вектор силы реакции аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, синяя стрелка – вектор силы тяжести действующей на модель проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, зеленая стрелка – результирующая сила, прижимающая модель проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, к надувной резиновой оболочке.

Модель проксимальной области крепления стабилизировалась: силой реакции аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, противодействующей силе тяжести, и силой реакции надувной резиновой оболочки. Так как сила реакции аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, была направлена вверх и в латеральную сторону, вектор результирующей силы был обращен изнутри-наружу. Он и обеспечивал прижатие модели проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, к надувной резиновой оболочке – модели головки бедренной кости, caput femoris.

Величину отклонения проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, в медиальном направлении определяла сила реакции сферической поверхности надувной резиновой оболочки. Действие этой силы закономерно отклоняло от вертикали и аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris. Очевидно, что он принял бы отвесное положение при отсутствии силы реакции надувной резиновой оболочки (Рис. 4). 

Рис. 4. Аналог связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, трехмерной модели головки бедренной в исходном положении (вид сбоку); зеленой стрелкой указано направление силы реакции надувной резиновой оболочки.

В реальном тазобедренном суставе, articulatio coxae, на положение связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, влияет локализация областей ее крепления, силы реакции взаимодействующих суставных поверхностей и их пространственная ориентация. По нашему мнению, трехмерная модель головки бедренной в исходном положении воспроизводила позицию связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, в середине одноопорного периода шага.

Далее мы воспроизвели положение связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, в начале одноопорного периода шага (Рис. 5). 

Рис. 5. Трехмерная модель головки бедренной кости при моделировании начала одноопорного периода шага; слева – вид с медиальной стороны; в центре – вид сверху; справа – вид сбоку (модель проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, удерживается дополнительной растяжкой, выполненной из капроновой нити).

 

Как известно, в начале одноопорного периода шага в тазобедренном суставе, articulatio coxae, наблюдается сгибание, супинация и отведение (Pauwels F., 1965; Bombelli R., 1993). С учетом указанного модель проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, перемещена назад, вверх в латеральном направлении с сохранением натяжения аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris. В означенном положении модель проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, удерживалась временной гибкой растяжкой, выполненной из капроновой нити. Соответственно, дистальная область крепления – верхний конец аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, оказывался впереди, выше и медиальнее нижнего конца аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, воспроизводившего проксимальную область крепления. Отмечено, что модель проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, стремилась спонтанно переместиться вниз и вперед под действием силы тяжести (Рис. 6).

Рис. 6. Аналог связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, при моделировании положения связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, в начале одноопорного периода шага (вид с медиальной стороны); условные обозначения: красная стрелка – вектор силы реакции аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, синяя стрелка – вектор силы тяжести, действующей на модель проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, зеленая стрелка – результирующая сила, смещающая модель проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, медиально, вперед и вниз.

 

Положение модели проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, стабилизировалось натяжением гибкой растяжки. Ее сила реакции противодействовала силе реакции аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, и силе тяжести, влияющей на модель проксимальной области крепления. Взаимодействие силы реакции аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, и силы тяжести обусловило появление результирующей силы, направленной снаружи-внутрь, сверху-вниз, сзади-вперед. Она обеспечивала прижатие модели проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, к задней поверхности надувной резиновой оболочки. Это предопределяло потенциал перемещения модели проксимальной области крепления вперед. Кроме этого, результирующая сила имела компонент, который стремился переместить модель проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, в медиальном направлении (Рис. 7).

Рис. 7. Аналог связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, при моделировании положения связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, в начале одноопорного периода шага (вид сзади); условные обозначения: красная стрелка – вектор силы реакции аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, синяя стрелка – вектор силы тяжести, действующей на модель проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, зеленая стрелка – результирующая сила, смещающая модель проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, вперед и в медиальном направлении (справа вверху наблюдается гибкая растяжка, удерживающая модель проксимальной области крепления).

  

Модель проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, стабилизировалась силой реакции аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, силой тяжести и силой реакции временной гибкой растяжки. Так как сила реакции аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, имела ориентацию вверх, вперед и в медиальную сторону, результирующая сила была направлена вперед к фронтальной плоскости, включающей главный меридиан и центр надувной резиновой оболочки. Как уже отмечалось выше, она обеспечивала прижатие модели проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, к надувной резиновой оболочке. В свою очередь, положение проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, позади срединной фронтальной плоскости обеспечивала сила реакции надувной резиновой оболочки. Она определяла величину отклонения от вертикали продольной оси аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris (Рис. 8).

Рис. 8. Аналог связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, при моделировании положения связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, в начале одноопорного периода шага (вид с медиальной стороны); зеленой стрелкой обозначена сила реакции надувной резиновой оболочки.

 

При отсутствии силы реакции надувной резиновой оболочки аналог связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, принял бы отвесное положение. В реальном тазобедренном суставе, articulatio coxae, на положение связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, в начале одноопорного периода шага влияет локализация точек ее крепления, сила реакции взаимодействующих суставных поверхностей, их пространственная ориентация, а также сокращение мышц супинаторов и абдукторов. По нашему мнению, наличие силы, прижимающей связку головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, к головке бедренной кости, caput femoris, может обусловить появление на ее хрящевой поверхности продольного углубления, которое отмечено некоторыми анатомами (Маркизов Ф.П., 1939).

При постепенном удлинении гибкой растяжки результирующая силы реакции аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, силы реакции надувной резиновой оболочки и силы тяжести, перемещала модель проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, вперед, вниз и в медиальном направлении. В итоге аналог связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, принимал исходное положение, близкое к вертикальному, и останавливался. Мы полагаем, что означенная позиция связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, соответствует середине одноопорного периода шага.

В конце одноопорного периода шага наблюдается пронация, приведение и разгибание бедра (Pauwels F., 1965; Bombelli R., 1993). Для воспроизведения указанного положения на нашей модели прежде всего требовалось повернуть надувную резиновую оболочку вперед в сагиттальной плоскости на 10-15°. Описанное движение практически не отражалось на ориентации аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris.

Затем нами поставлена цель визуализировать траекторию движения проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, при переходе из положения, свойственного началу одноопорного периода шага, к положению, характерному для середины одноопорного периода шага. Для реализации задуманного на латеральную поверхность модели проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, был нанесен краситель.

Потом на трехмерной модели головки бедренной кости мы воспроизвели положение связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, в начале одноопорного периода шага. Модель проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, перемещена в латеральном направлении вверх и назад, с сохранением натяжения аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris.

Поэтапно увеличивая длину гибкой растяжки, модель проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, спонтанно перемещалась в медиальном направлении, вперед и вниз вдоль поверхности надувной резиновой оболочки. На ней мы делали отпечатки примерно через равные промежутки. Для это окрашенная поверхность модели проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, нами эпизодически прижималась к надувной резиновой оболочке, а начальное положение обозначено перекрестием (Рис. 9).

Рис. 9. Трехмерная модель головки бедренной кости с воспроизведением движения проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, в одноопорном периоде шага; верхний ряд – положение, свойственное для начала одноопорного периода шага; нижний ряд - положение характерное для середины одноопорного периода шага; слева - изображения модели в виде с медиальной стороны, в центре - изображения модели в виде сверху, справа - изображения модели в виде сзади; видны отпечатки модели проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, на надувной резиновой оболочке, а также начальное положение, обозначенное перекрестием.

  

Таким образом, последовательные отпечатки на надувной резиновой оболочке от модели проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, позволили визуализировать пространственную траекторию его движения в начале–середине одноопорного периода шага. Установлено, что модель проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, перемещалась по дугообразной кривой. Визуально она напоминала траекторию маятника с верхней точкой подвеса, но в проекции на горизонтальную плоскость описывала дугу. При движении в направлении устойчивого равновесия модель проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, перемещалась вниз, вперед в медиальном направлении, огибая надувную резиновую оболочку.

Движение аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, виртуально восстановлено, опираясь на фотографии полученных отпечатков (Рис. 10).

Рис. 10. Трехмерная модель головки бедренной кости с виртуальным воспроизведением движения связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, в начале-середине одноопорного периода шага; слева – изображение модели в виде с медиальной стороны, в центре – изображение модели в виде сверху, справа – изображение модели в виде спереди; видны отдельные отпечатки модели проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, на надувной резиновой оболочке (фотомонтаж положения аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, в начале одноопорного периода шага; на левой и правой фотографии оно изображено черными линиями, на фотографии в центре красными линиями).

Анализируя перемещение модели проксимальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, совокупность положений аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, в различные моменты времени можно представить как часть поверхности конуса. С учетом того, что модель проксимальной области крепления движется подобно маятнику, ее позиции могут быть найдены с использованием дифференциальных уравнений.

При расчетах реального положения связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, в одноопорном периоде шага, должны учитываться: сила реакции связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, вес тела, приложенный к ее проксимальному концу, сила реакции взаимодействующих суставных поверхностей тазобедренного сустава, articulatio coxae, длина связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, угол ее отклонения от вертикали, сила трения скольжения, влияние вязкости синовиальной жидкости на перемещение связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, ее коэффициент упругости, действие мышц пронаторов, супинаторов, абдукторов, а также величина ускорения свободного падения в данной точке планеты. Кроме этого, при ходьбе положение бедренной кости, os femur, изменяется, что обуславливает вращательные и поступательные движения головки бедренной кости, caput femoris, во всех трех плоскостях.

В описанных нами экспериментах, рассмотрен упрощенный случай, когда верхняя точка подвеса аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, неподвижна, а на ее проксимальную область крепления не действуют силы инерции. Соответственно, при расчетах необходимо учитывать подвижность точки подвеса – дистальной области крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, а также силы инерции смещающегося таза, pelvis, и опорной бедренной кости, os femur. Это, несомненно, существенно усложняет реальный расчет перемещения связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, и областей ее крепления при ходьбе. Вместе с тем при малых отклонениях связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris (короткий шаг), ее допустимо рассматривать как аналог математического маятника с верхней точкой подвеса.

Вышеописанное спонтанное перемещение связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, происходит при ее натяжении. Оно может быть обеспечено наклоном таза, pelvis, вниз в медиальную сторону и приведением бедренной кости, os femur, в тазобедренном суставе, articulatio coxae. Инициатором движения является действие силы тяжести, при создании мышцами положения, в котором, связка головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, отклонена от вертикали, а дистальная область ее крепления находится выше, впереди и медиальнее проксимальной области крепления. Мы полагаем, что означенное наблюдается при в одноопорном периоде шага, а также при переходе от напряженной одноопорной ортостатической позы к ненапряженной одноопорной ортостатической позе.

                                                                     

Критика

Нами формально рассмотрено перемещение ligamentum capitis femoris (LCF) в начале-середине одноопорного периода шага. Одним из недостатков опытов является неподвижность модели головки бедренной кости. Для построения пространственной кривой перемещения модели проксимальной области крепления LCF могло быть уместно ее позиционирование с использованием технических средств с привязкой всей модели к единой системе координат.

Примечания

Исходная версия представленного экспериментального материала впервые опубликована в десятой главе второго тома монографии с юмором названой «Биомеханика пингвинов» [academia.edu]. Данная работа написана для личного использования и узкого круга лиц. В книге собраны, систематизированы и проанализированы результаты 25-ти лет изучения ligamentum capitis femoris и смежных тем.

Расшифровку цитированных источников смотри в Списке литературы.

Первоисточник

Архипов СВ. Биомеханика пингвинов: заметки к вопросу о причинах ковыляющей походки и перспективах ее ремоделирования во имя обретения грациозности, сочиненные врачом, к.м.н. Сергеем Васильевичем Архиповым, в бытность им с 1992-го по 2017-й год хирургом и травматологом-ортопедом, по вдохновению в 1991-ом году его сестрою Еленой Васильевной, со светлой любовью к ней и благодарностью! Манускрипт в 5 томах. Т. 2. Главы 7-11. Напечатано Автором во граде Королев при попечении его супруги Людмилы Николаевны, ММXVIII A.D. [2018], bonum factum! [на благо и счастье], 452 с. [academia.edu]

Ключевые слова

ligamentum capitis femoris, ligamentum teres, связка головки бедра, роль, функция, эксперимент, ходьба, модель головки бедренной кости

 СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

Эксперименты и наблюдения

1991-2021АрхиповСВ