Конструкция трехмерной механической модели тазобедренного сустава

 

Конструкция трехмерной механической модели тазобедренного сустава 

Тазобедренный сустав, articulatio coxae, человека образуют сочленяющиеся между собой бедренная кость, os femur, и тазовая кость, pelvis, суставные поверхности которых покрыты гиалиновым хрящом. Данный сустав имеет суставную сумку с вплетенными в нее внесуставными связками, ligamentum extracapsularia, вертлужную губу, labrum acetabulare. Внутри расположена связка головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, синовиальные складки, поперечная связка вертлужной впадины, ligamentum transversum acetabuli, и суставная жидкость – синовия.

В целом тазобедренный сустав, articulatio coxae, человека похож на тазобедренный сустав, articulatio coxae, прочих млекопитающих, амфибий, рептилий и птиц. Основными отличиями тазобедренного сустава, articulatio coxae, человека и птиц является то, что дно ямки вертлужной впадины, fossa acetabuli, первых образовано костной тканью. У птиц и отдельных рептилий, например, у крокодила вертлужная впадина, acetabulum, имеет отверстие, закрытое соединительнотканной перепонкой вертлужной впадины, membrane acetabuli. Кроме этого, в вертлужной впадине, acetabulum, тазобедренного сустава, articulatio coxae, человека, в отличие от птиц, имеется глубокая вырезка вертлужной впадины, incisura acetabuli. Она отклонена в латеральную сторону, вниз и повернута вперед. Поворот вертлужной впадины кпереди в горизонтальной плоскости составляет 15°, а во фронтальной плоскости книзу – 45° (Корнилов Н.В. и соавт., 1997). Согласно M.C. Hall (1963), вертлужная впадина отклонена от фронтальной плоскости на 40°, а от сагиттальной на – 30°. По данным R. Bauer (1970), наклон вниз составляет 42°. Бедренная кость, os femur, в тазобедренном суставе, articulatio coxae, птиц находится в положении отведения и сгибания, а у человека бедренная кость, os femur, ориентирована преимущественно вертикально и приведена к срединной плоскости тела.

Основываясь на анатомии и, прежде всего, перечисленных отличительных признаках, нами изготовлена усовершенствованная трехмерная механическая модель правого тазобедренного сустава второй генерации (см. механическую модель первой генерации). Основой модели явился однополюсной эндопротез тазобедренного сустава конструкции Томпсона (Thompson prosthesis), выполненный из нержавеющей стали (ASTM F 138). Его полированная пустотелая головка имела диаметр 54 мм, а шейка эллипсовидной формы с радиусами кривизны 12 мм и 17 мм, ножка длиной 108 мм, толщиной 10 мм. В ножке выполнены сквозные отверстия под элементы крепления, а в центре медиального сектора головки просверлено сквозное отверстие диаметром 6 мм по направлению к торцу шейки. Отверстие в головке модели явилось аналогом ямки головки бедренной кости – области, где прикрепляется дистальный конец связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris.

Из двух полуколец смонтировано основание модели диаметром 230 мм. При помощи планок, кронштейна и болтов к нему присоединена ножка эндопротеза. Она закреплялась с наклоном 10° кнаружи и поворотом 10° кпереди, что соответствует приведению и повороту вперед (антеверзии) опорной бедренной кости, os femur, в одноопорной ортостатической позе. К верхней части ножки под углом 45° к вертикали присоединена планка, имитирующая большой вертел, trochanter major, а в средней части – два металлических уголка с отверстием для фиксации аналогов внесуставных (наружных) связок. Собранная конструкция обозначена как бедренная часть трехмерной механической модели тазобедренного сустава человека (Рис. 1, 2). 

Рис. 1. Бедренная часть трехмерной механической модели правого тазобедренного сустава человека; обозначения: 1 – основание модели, 2 – головка бедренной части модели, 3 – ножка бедренной части модели с элементами крепления аналогов связок (кронштейны), 4 – аналог большого вертела бедренной части модели.

Рис. 2. Бедренная часть трехмерной механической модели правого тазобедренного сустава человека в различных ракурсах; вверху – вид сверху, в центре – вид с латеральной стороны, внизу – вид с медиальной стороны, в верхней част головки бедренной части модели заметно отверстие – аналог ямки головки бедренной кости.

В качестве прототипа тазовой части модели избрана реальная переднезадняя обзорная рентгенограмма таза молодого мужчины (27 лет) без признаков патологии тазобедренного сустава, articulatio coxae. Основные элементы таза, pelvis, данной рентгенограммы были перенесены на лист картона. В соответствии с диаметром головки бедренной части модели и размерами вертлужной впадины, acetabulum, на рентгенограмме нами выполнена металлическая модель вертлужной впадины. Она представляла собой 1/2 часть толстостенной сферической оболочки с внутренним диаметром 54 мм и допуском на скользящую посадку головки бедренной части модели. Внешний диаметр сферической оболочки составил 70 мм, толщина стенок – 8 мм. В области вершины сферическая оболочка выполнена заодно с цилиндрическим стержнем длиной 55 мм, имеющим три сквозных поперечных отверстия. Перпендикулярно к длинной его оси во фронтальной плоскости присоединены две направленные вверх параллельные планки с отверстиями. Первая, длиной 158 мм, располагалась на расстоянии 33 мм от конца цилиндрического стержня. Она имитировала крыло подвздошной кости, ala ossis ilii, и обозначена как аналог подвздошной кости (Рис. 3). 

Рис. 3. Тазовая часть трехмерной механической модели тазобедренного сустава человека (вид спереди), расположенная на изображении таза, pelvis, скопированного с рентгенограммы молодого мужчины (27 лет) без признаков патологии тазобедренного сустава, articulatio coxae.

Крайнее отверстие означенной планки – аналога подвздошной кости находилось на расстоянии 165 мм от геометрического центра сферической оболочки. Вторая планка меньшей длины служила элементом, упрочняющим конструкцию. Указанные планки винтами соединяла третья планка длиной 125 мм, расположенная во фронтальной плоскости и направленная медиально от сферической оболочки. Элемент нами обозначен как «грузовая планка». Перпендикулярно к ней на расстоянии 18 мм от медиального конца прикреплялся обращенный назад кронштейн с отверстиями длиной 42 мм, который располагался в горизонтальной плоскости (Рис. 4).

Рис. 4. Тазовая часть трехмерной механической модели тазобедренного сустава человека; обозначения: 1 – аналог крыла подвздошной кости, 2 – грузовая планка, 3 - модель вертлужной впадины, 4 – кронштейн грузовой планки.

Кронштейн, прикрепленный к грузовой планке, находился напротив изображения мыса, promontorium, крестца, os sacrum, на рентгенограмме, избранной за прототип. Таким образом, мы расположили кронштейн в проекции общего центра масс тела вертикально стоящего человека.

Внутри сферической оболочки выполнена фасонная выточка. Углубление напоминало по форме ямку вертлужной впадины, fossa acetabuli, и вырезку вертлужной впадины, incisura acetabuli. Диаметр «ямки» составил 30 мм, глубина 5 мм. «Вырезка» – продольная канавка шириной 10 мм, длиной 30 мм, достигала края сферической оболочки. Продольная ось канавки имела ориентацию на 6 часов. Ширина контактной поверхности сферической оболочки – аналога полулунной поверхности вертлужной впадины, facies lunata, составила 25 мм.

Центральный угол ямки модели вертлужной впадины был равен 70°, а максимальная глубина полости – 33 мм. Толщина стенок сферической оболочки модели вертлужной впадины составила 8 мм. В торце наружного края модели вертлужной впадины выполнено семь глухих отверстий с резьбой М3 на 2, 4, 5, 7, 8, 10 и 12 часах. Фасонная выточка внутри сферической оболочки напоминала по форме теннисную ракетку. Ее образовали: расположенное в центре круглое углубление с ямкой и канавкой. Означенная фасонная выточка, по нашей мысли, имитировала ямку вертлужной впадины, fossa acetabuli, и вырезку вертлужной впадины, incisura acetabuli.

В ямке фасонной выточки сферической оболочки выполнено два сквозных отверстия. «Центральное» располагалось на расстоянии 8 мм от центра ямки, а другое – на границе ямки и продольной канавки. Кроме этого, выполнены два «периферических» отверстия, располагавшихся в продольной канавке: одно на расстоянии 25 мм от наружного края модели, а второе – на расстоянии 8 мм. Локализация отверстий приблизительно соответствовала возможным вариантам крепления проксимального конца связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris (Архипов С.В., 2013).

При установке модели вертлужной впадины на головку бедренной части модели, фасонная выточка напоминала слепо заканчивающуюся полость, обозначенную нами как «вертлужный канал модели». Его аналогом является вертлужный канал, canalis acetabularis, реального тазобедренного сустава, articulatio coxae, в котором располагается и функционирует связка головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris (Архипов-Балтийский С.В., 2004).

К торцу наружного края модели вертлужной впадины прикреплены три металлических уголка для фиксации аналогов внесуставных (наружных) связок, ligamentum extracapsularia: седалищно-бедренная, ligamentum ischiofemorale, подвздошно-бедренная, ligamentum iliofemorale, лобково-бедренная, ligamentum pubofemorale, круговая зона, zona orbicularis.

Тазовая часть трехмерной механической модели тазобедренного сустава человека имела массу 0.9 кг. При проведении экспериментальных исследований на поверхность головки бедренной части модели и контактирующую с ней поверхность модели вертлужной впадины наносилось масло смазочное бытовое. Оно, по нашему замыслу, выполняло функцию синовии в тазобедренном суставе, articulatio coxae. Значение смазки мы установили ранее при выполнении экспериментов на механической модели тазобедренного сустава первой генерации. 

Смотри также:

Механическая модель тазобедренного сустава (первая генерация)

                                                                     

Критика

Описанная конструкция модели имитировала естественный тазобедренный сустав и содержала аналоги всех связок, вертлужной губы и отводящей группы мышц. Нами воспроизводилось действие веса тела приблизительно также, как в одноопорном ортостатическом положении. Конструкция позволяла изменять положение нагрузки как во фронтальной, так и сагиттальной плоскости. Причем нагрузка прикладывалась к области, приблизительно совпадающей с реальным положением общего центра масс тела. Во второй генерации механической модели нами воспроизведено приведение бедренной кости и ее поворот вперед в горизонтальной плоскости. Главным недочетом описанной конструкции, по нашему мнению, являлось недостаточная упругость аналогов связок. Несомненно, что эластичность использованного аналога вертлужной губы также не в полной мере соответствовала нативному элементу.

Примечания

Впервые эксперименты на трехмерной механической модели тазобедренного сустава второй генерации нами описаны в статье Роль связки головки бедренной кости в поддержании разных типов вертикальной позы (2008). Полную версия представленного выше экспериментального материала мы опубликовали в двенадцатой главе третьего тома монографии с юмором названой «Биомеханика пингвинов» (2018) [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. 3. Главы 12-16. Напечатано Автором во граде Королев при попечении его супруги Людмилы Николаевны, ММXVIII A.D. [2018], bonum factum! [на благо и счастье], 518 с. [academia.edu]

Ключевые слова

ligamentum capitis femoris, ligamentum teres, связка головки бедра, функция, наружные связки, вертлужная губа, эксперимент, механическая модель, отводящая группа мышц 

 СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

Эксперименты и наблюдения

1991-2021АрхиповСВ