Имитация действия веса тела при наличии всех связок, вертлужной губы и отводящей группы мышц
С
целью изучения взаимодействия отводящей группы мышц, всех связок и вертлужной
губы, labrum acetabulare,
- имеющаяся трехмерная механическая модель тазобедренного сустава человека с
аналогами наружных связок, аналогом связки головки бедренной кости и аналогом
вертлужной губы, дополнена аналогом отводящей группы мышц.
Изначально
тазовой части модели придавалось положение, при котором планка, воспроизводящая
крыло подвздошной кости, была обращена вверх. Отмечено, что без постороннего
вмешательства тазовая часть модели стремилась повернуться в сагиттальной плоскости
вперед. Для стабилизации тазовой части модели крайнее отверстие планки,
воспроизводящей крыло подвздошной кости, ala ossis ilii,
соединялось аналогом отводящей группы мышц с верхним отверстием планки,
воспроизводящей большой вертел бедренной кости, trochanter
major. Длина аналога отводящей группы
мышц подбиралась так, чтобы величина приведения была максимальной, а динамометр
не регистрировал нагрузки.
Дополнение
модели аналогом отводящей группы мышц повысило стабильность тазовой части на
головке бедренной части модели. Отведение, сгибание, пронацию и супинацию
аналог отводящей группы мышц не ограничивал, но лимитировал поступательное
смещение тазовой части модели в медиальную сторону и вверх (в краниальном
направлении). Приведение и разгибание ограничивали натянутые аналоги связок.
Для
воспроизведения действия веса тела в одноопорной ортостатической позе к кронштейну
грузовой планки тазовой части модели подвешена нагрузка массой 1 кг (Рис. 1).
 |
| Рис. 1. Трехмерная механическая модель тазобедренного сустава человека с аналогами наружных связок, аналогом отводящей группы мышц и аналогом вертлужной губы, воспроизводящая положение общего центра масс тела позади и выше от центра опорного тазобедренного сустава (действует нагрузка 1 кг); вверху – вид спереди; внизу – вид с медиальной стороны. |
После этого к крайнему
отверстию грузовой планки была подвешена нагрузка 2 кг (Рис. 2).
 |
| Рис. 2. Трехмерная механическая модель тазобедренного сустава человека с аналогами наружных связок и аналогом вертлужной губы, воспроизводящая положение общего центра масс тела позади и выше от центра опорного тазобедренного сустава (действует нагрузка 2 кг); вверху – вид спереди, внизу – вид с медиальной стороны. |
По
результатам опытов отмечено, что больший вес нагрузки увеличил силу прижатия
модели вертлужной впадины к головке бедренной части модели. Действие нагрузки
обусловило большую выраженность эффекта автолатерализации в шарнире модели. Нагрузка
приводила систему в движение: тазовая часть модели отклонялась назад, вниз в
медиальную сторону и поворачивалась вперед. В шарнире модели спонтанно воспроизводилась
пронация, разгибание и приведение. Также, как и в случае отсутствия аналога
отводящей группы мышц, аналог вертлужной губы не участвовал в ограничении
движений тазовой части модели.
После
стабилизации модели наблюдалось существенное натяжение: аналога
лобково-бедренной связки, аналога вертикальной части подвздошно-бедренной
связки, аналога седалищно-бедренной связки, аналога круговой зоны и аналога
связки головки бедренной кости. Натяжение, не достигшее своего предела, отмечено
у аналога горизонтальной части подвздошно-бедренной связки.
Движения
во фронтальной и сагиттальной плоскости шунтировались аналогами связок. По этой
причине динамометр аналога отводящей группы мышц не регистрировал никакого
усилия при действии нагрузки 1 и 2 кг. Тазовая часть модели оставалась
стабильна во всех плоскостях без тенденции к разобщению пары трения шарнира. Увеличение
устойчивости тазовой части модели отмечалось при подвешивании нагрузки большей
массы.
Описанные
опыты показали, что связки без отводящей группы мышц способны поддерживать таз, pelvis, в
одноопорной ортостатической позе и одноопорном периоде шага. Вне зависимости от
наличия аналога отводящей группы мышц, шарнир модели стопорился во фронтальной
и сагиттальной плоскости, а также стабилизировался в горизонтальной плоскости.
Выявлялись эффекты автостабилизации, авторотации и автолатерализации в
тазобедренном суставе, articulatio coxae.
Замечено, что после авторотации в шарнире модели и автостабилизации ее тазовой части
она останавливалась с поворотом вперед. На данную величину была повернута вперед
бедренная часть модели, а значит, и дистальная область крепления аналога связки
головки бедренной кости. Означенное свидетельствует в пользу связи эффекта
авторотации с наличием связки головки бедренной кости, ligamentum
capitis
femoris, и отвергает участие при этом отводящей
группы мышц.
Эксперименты
показали, что натянутые связки могут спонтанно зафиксировать тазобедренный
сустав одновременно во всех трех плоскостях. Это происходило при имитации расположения
общего центра масс тела позади, медиальнее и выше центра опорного
тазобедренного сустава, articulatio
coxae, и наклона таза, pelvis, вниз
в медиальную сторону и назад. В случае размещения нагрузки в точке, лежащей в одной
фронтальной плоскости с центром шарнира натяжения аналогов наружных связок, не
наблюдалось. Стопорения узла подвижности в сагиттальной плоскости не происходило.
Описанные
эксперименты были первыми попытками моделирования ортостатических поз при
воспроизведении функции всех связок и вертлужной губы, labrum
acetabulare. Условие равновесия таза, pelvis,
воссозданное нами на нашей трехмерной механической модели тазобедренного
сустава человека, воспроизводило одноопорную ортостатическую позу человека без
значимого напряжения отводящей группы мышц. Между тем аналогичное положение
также наблюдается в конце одноопорного периода шага, когда биоэлектрическая
активность отводящей группы мышц, прежде всего, средней ягодичной мышцы, musculus gluteus medius,
снижается (Winter D.A., 1990).
Данные,
полученные в обсужденных опытах, свидетельствуют, что при отсутствии сокращения
аналогов мышц, но при натяжении всех аналогов связок результирующая сила,
действующая на головку бедренной части, лежит приблизительно в горизонтальной
плоскости и направлена в латеральную сторону. Горизонтальная результирующая
сила имеет два основных компонента: «верхнего» и «нижнего». Верхний компонент генерировала
нагрузка, расположенная выше, медиальнее и позади центра шарнира модели.
Компонент результирующей силы, действующей на головку бедренной части модели
снизу, создавал натянутый аналог связки головки бедренной. Натяжение комплекса аналогов
наружных связок (кроме горизонтальной части подвздошно-бедренной связки и
круговой зоны) порождало силу, действующую в латеральном направлении перпендикулярно
плоскости торца модели вертлужной впадины. С учетом длины плеч действующих сил
результирующая сила, равная приблизительно утроенному весу нагрузки,
распределялась по всей поверхности головки бедренной части модели, контактирующей
с моделью вертлужной впадины. Мы имитировали условия функционирования тазобедренного
сустава, articulatio coxae,
при которых отводящая группа мышц не задействована, как и ее антагонист –
комплекс приводящих мышц. Соответственно, вклад аналогов мышц в результирующую
силу, действующую в области шарнира, отсутствовал.
Основываясь
на поставленных экспериментах, мы полагаем, что сохранение равновесия таза, pelvis, в
одноопорной ортостатической позе возможно без участия мышц, но при натяжении связок
тазобедренного сустава, articulatio
coxae. Силы реакции связок стопорят
тазобедренный сустав, articulatio coxae,
в сагиттальной и фронтальной плоскости. Стабилизация таза, pelvis, в горизонтальной плоскости обеспечивается
натяжением наружных связок и связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris.
Таз, pelvis,
находится в покое благодаря эффекту автостабилизации. Он появляется в
ортостатической позе прежде всего благодаря натяжению связки головки бедренной
кости, ligamentum capitis femoris,
а также, по нашим данным, вертикальной части подвздошно-бедренной связки, ligamentum iliofemorale.
Величина
сил реакции связок может быть уменьшена за счет напряжения мышц, окружающих
тазобедренный сустав, articulatio coxae.
В частности, сила реакции связки головки бедренной кости, ligamentum
capitis
femoris, может быть уменьшена при
напряжении отводящей группы мышц. Вместе с тем увеличение силы реакции связки
головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris,
может шунтировать нагрузку на отводящую группу мышц. Важнейшими условиями одновременного
натяжения всех связок тазобедренного сустава являются: предельное приведение и
разгибание. Означенное достижимо спонтанно при локализации общего центра масс
тела выше, позади и медиальнее опорного тазобедренного сустава, articulatio coxae.
При этом он стопорится натянутыми связками, что шунтирует нагрузку на мышцы.
При воспроизведении
в эксперименте одноопорной ортостатической позы отмечено то, что тазовая часть
модели, под нагрузкой, отклоняется в сторону воздействующей нагрузки и
поворачивается вперед, воспроизводя пронацию. Угол поворота тазовой части во
фронтальной, горизонтальной и сагиттальной плоскости зависел от величины
нагрузки и эластичности аналогов связок. Следовательно, при высоком модуле
упругости наружных связок поворот таза, pelvis,
вниз, в медиальную сторону, назад и вперед под действием одинакового веса тела
будет постоянным. Изменение модуля упругости связок, их длины или смещения точек
крепления, например, вследствие патологических процессов, травм или врожденных
дефектов соединительной ткани может привести к изменению позиции таза, pelvis, в
ортостатических позах и при ходьбе.
У стоящего
на одной ноге человека в норме нами обращено внимание на наклон таза, pelvis, в
медиальную сторону и его поворот вперед. Крайняя из названых тенденций заметна
при наблюдениях за процессом перехода из двухопорной к одноопорной ортостатической
позе. Казалось бы, для более устойчивого положения тела в одноопорной позе таз, pelvis,
должен отклоняться в опорную сторону, туда выгоднее отклонить и корпус тела. За
счет указанного можно приблизить общий центр масс тела к центру вращения
опорного тазобедренного сустава, articulatio
coxae, что уменьшит плечо веса тела,
нагрузку на отводящую группу мышц, а значит, и результирующую силу, действующую
на головку бедренной кости, capitis femoris.
В реальности у здоровых лиц это не происходит. Тело человека в одноопорной
ортостатической позе располагается практически вертикально. Таз, pelvis,
поступательно смещается в сторону опорной ноги. Связки тазобедренного сустава, articulatio coxae,
натягиваются и стабилизируют таз, pelvis,
в трех плоскостях, одновременно разгружая мышцы.
Одноопорная
ортостатическая поза, в которой главную роль в поддержании устойчивого равновесия
играют отводящие мышцы, сопряжена с затратой значительного количества энергии.
При натяжении связок тазобедренного сустава,
articulatio
coxae, поддержание одноопорной позы
требует мышечного напряжения только для поддержания устойчивого равновесия, контроля
за должным расположением общего центра масс тела и его коррекции при
возникновении возмущающих воздействий.
Благодаря строго определенному пространственному положению таза, pelvis, и бедренной кости, os femur, происходит должное натяжение связок тазобедренного сустава, articulatio coxae, что уменьшает напряжение мышц. В результате одноопорная ортостатическая поза человека оказывается субъективно комфортной. Ее поддержание требует значительно меньших затрат ресурсов головного мозга, мышечной энергии и вещества, необходимого для ее выработки, чем поддержание означенной позы только за счет напряжении мышц. При натяжении связок одноопорная поза оказывается и более устойчивой. Снижение величины действующих сил уменьшает уровень механических напряжения как в области опорного тазобедренного сустава, articulatio coxae, так и близлежащих сочленениях таза, pelvis.
Смотри также:
Конструкция трехмерной механической модели тазобедренного сустава
Имитация взаимодействия суставных поверхностей
Имитация функции отводящей группы мышц
Имитация взаимодействия отводящей группы мышц и LCF
Имитация взаимодействия LCF с отводящей группой мышц разной длины
Имитация функции отводящей группы мышц в отсутствии LCF
Имитация взаимодействия вертлужной губы и LCF
Имитация действия веса тела при нормальной длине LCF
Взаимодействие LCF нормальной длины и вертлужной губы
Взаимодействие удлиненной LCF и вертлужной губы
Имитация патологически удлиненной LCF
Взаимодействие патологически удлиненной LCF и вертлужной губы
Имитация функции наружных связок
Имитация взаимодействия всех связок, вертлужной губы и отводящей группы мышц
Имитация действия веса тела при наличии всех связок и вертлужной губы
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, эластичность использованного аналога вертлужной губы также не в полной мере соответствовала нативному элементу.
Примечания
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, удлинение, наружные связки, вертлужная губа, эксперимент, механическая модель, отводящая группа мышц, синовия
Эксперименты и наблюдения