Моделирование взаимодействия наружных связок и отводящей группы мышц
На следующем этапе экспериментальных
исследований нами уточнена роль внесуставных связок, ligamentum extracapsularia, в поддержании таза, pelvis, в одноопорной
позе и в период одноопорного периода шага.
Изначально трехмерная механическая модель
тазобедренного сустава, имеющая аналог вертлужной губы, и дополнена аналогами
лобково-бедренной связки, седалищно-бедренной связки, и обеими частями
(горизонтальной и вертикальной) подвздошно-бедренной связки. Для моделирования
действия веса тела, к крайнему отверстию грузового кронштейна тазовой части
модели, подвешена нагрузка массой 2 кг (Рис. 1).
Рис. 1. Механическая модель тазобедренного сустава с аналогами наружных связок и аналогом вертлужной губы с подвешенной нагрузкой – 2 кг, воспроизводящей действие веса тела в одноопорной ортостатической позе и одноопорном периоде шага.
Под действием нагрузки тазовая часть модели отклонялась вниз, удерживаемая натянутыми частями аналога подвздошно-бедренной связки – горизонтальной и вертикальной. Приведение в шарнире модели достигало своего максимума. В положении покоя тазовая часть модели была относительно стабильна в горизонтальной плоскости. В сагиттальной плоскости тазовая часть модели легко выводилась из равновесного состояния.
С целью изучения взаимодействия отводящей
группы мышц, внесуставных связок, ligamentum
extracapsularia, и вертлужной губы, labrum acetabulare, имеющаяся
трехмерная механическая модель тазобедренного сустава дополнена аналогом отводящей
группы мышц в соответствие с ранее описанной методикой.
Обсуждаемая механическая модель
тазобедренного сустава сконструирован в 2001 г. Тогда же был впервые поставлен
эксперимент по изучению функции внесуставных связок, ligamentum extracapsularia, вертлужной губы, labrum acetabulare, и их
взаимодействие с отводящей группой мышц (Рис. 2).
Рис. 2. Первый вариант механической модели тазобедренного сустава с аналогом отводящей группы мышц, аналогом вертлужной губы и аналогами внесуставных связок; в данном случае к грузовому кронштейну подвешена нагрузка 2 кг, воспроизводящая действие веса тела в одноопорной ортостатической позе (фотография выполнена в 2001 г.).
В обсуждаемой версии модели для изготовления аналогов наружных связок использованы шнуры из капрона несколько большего диаметра чем в модификации 2001 г. Означенное было обусловлено тем, что при действии нагрузки аналоги наружных связок избыточно растягивались. После сборки модели к для имитации действия веса тела к крайнему отверстию грузового кронштейна тазовой части модели подвешивалась нагрузка массой 2 кг (Рис. 3).
Рис. 3. Механическая модель тазобедренного сустава с аналогом отводящей группы мышц (бытовой динамометр), аналогом вертлужной губы и аналогами внесуставных связок с нагрузкой 2 кг, воспроизводящей действие веса тела в одноопорной ортостатической позе и одноопорном периоде шага (фотография выполнена в 2006 г.).
Нагрузка
приводила систему в движение. Тазовая часть модели отклонялась вниз, пружинная
часть бытового динамометра растягивалась, а горизонтальная и вертикальная части
аналога подвздошно-бедренной связки натягивались. После прекращения возникшего
движения и стабилизации модели производилось считывание показаний измерительного
прибора. Они составили 3.4 кг, что оказалось меньше чем в опытах при наличии
только аналога вертлужной губы без аналогов наружных связок – 3.7 кг. Описанный
эксперимент показал, что внесуставные связки, ligamentum
extracapsularia, способны уменьшить нагрузку на отводящую группу мышц
в напряженной одноопорной ортостатической позе. Следовательно, внесуставные связки,
ligamentum extracapsularia, способны участвовать в стабилизации таза
одноопорном периоде шага и одноопорной ортостатической позе при отсутствии
связки головки бедренной кости, ligamentum
capitis femoris.
Условие
равновесия, воспроизведенное на механической модели тазобедренного сустава,
повторяет схему одноопорного положения человека, которую приводят в разных
вариациях другие авторы изучавшие биомеханику тазобедренного сустава (Pauwels F., 1973, 1965; Schoberth H.,
1972; Lehmkuhl L., Smith L.K., 1984; Charnley J., 1979; Bombelli R., 1993).
В
поставленном нами эксперименте на головку модели действовала сила равная
утроенному весу груза, то есть около 6 кг, с учетом собственной массы тазовой
части модели. Полученные нами результаты согласуются с данными полученными
предыдущими исследователями биомеханики тазобедренного сустава. Их главный
выводом: сохранение устойчивого равновесия таза, pelvis, достижимо только мышцами без участия каких-либо
связок. С точки зрения абсолютного большинства авторов, напряжения отводящей
группы мышц, достаточно для стабилизации таза, pelvis, во фронтальной плоскости. В
горизонтальной и сагиттальной плоскости отводящая группа мышц значимого влияния
не оказывает. Для стабилизации таза, pelvis, сила, развиваемая отводящими мышцами,
должна превышать усилие веса тела пропорционально длине плеч возникающих рычагов.
В
напряженной одноопорной ортостатической позе и одноопорном периоде шага
соотношение сил постоянно и зависит от анатомического строения. Силы, действующие
по обе стороны рычага тазобедренного сустава, articulatio
coxae,
могут быть предсказаны. Зная габариты бедренной кости, os femur, и таза, pelvis, возможно рассчитать нагрузку,
действующую на головку бедренной кости, caput femoris. Вместе с тем нами установлено, что
вертлужная губа, labrum acetabulare, и подвздошно-бедренная связка, ligamentum iliofemorale, может частично разгрузить отводящую группу
мышц. Более того, натяжение изолированной подвздошно-бедренной связки, ligamentum iliofemorale, теоретически способно стабилизировать
таз, pelvis,
во фронтальной плоскости и без участия отводящей группы мышц.
При
моделировании напряженной одноопорной ортостатической позы тазовая часть модели
под нагрузкой отклонялась вниз в медиальную сторону. Угол поворота тазовой
части во фронтальной плоскости зависел от величины нагрузки и эластичности
аналогов связок. Соответственно, следует ожидать наличие вращения таза, pelvis, в неопорную
сторону под действием веса тела у стоящего на одной ноге человека или хотя бы
тенденции к этому. Представляется рациональным для более устойчивого положения
тела в одноопорной позе, таз, pelvis, отклонить в опорную сторону. В том же
направлении биомеханически выгодно отклонить и корпус тела. За счет указанного
возможно приблизить общий центр масс тела к центру вращения тазобедренного
сустава, articulatio coxae. Это уменьшит
плечо веса тела, нагрузку на отводящую группу мышц, а значит и результирующую
силу, действующую на головку бедренной кости, caput femoris.
Одноопорная
ортостатическая поза, в которой главную роль в поддержании устойчивого равновесия
играют отводящие мышцы сопряжена с затратой значительного количества энергии.
Причем необходимо отметить, что для полноценной работы, какой-либо группы мышц
необходимо подключение их антагонистов. Поэтому наряду с отводящими мышцами в
поддержании напряженной одноопорной ортостатической позы обязательно участвуют
и приводящие мышцы. Следовательно, в условие равновесия тела во фронтальной
плоскости необходимо ввести еще один значимый компонент – силу сокращения
приводящих мышц бедра. Данные мышцы действуют медиальнее от центра вращения
тазобедренного сустава, articulatio coxae, а значит их вектор сонаправлен вектору
силы тяжести. Кроме этого, следует учесть еще и тот факт, что дополнительная сила
приложенная медиальнее от центра вращения опорного тазобедренного сустава, articulatio
coxae,
неизбежно должна привести к увеличению усилия отводящих мышцы. Вследствие этого
возрастает величина расчетной результирующей силы, воздействующей на головку
бедренной кости, caput femoris.
В
работах, посвященных вопросам механики тазобедренного сустава человека,
принимается, что таз, pelvis, в одноопорной ортостатической позе горизонтален.
Однако простой анализ позы свидетельствует, что для более устойчивого положения
тела, таз, pelvis,
должен быть наклонен наоборот – в опорную сторону. В этой позиции общий центр
масс смещается ближе к центру вращения тазобедренного сустава, articulatio
coxae,
и даже может занять положение над ним. Подобная поза оптимальна, так как нагрузка
на головку бедренной кости, caput femoris, оказывается равной только весу тела, а
мышечная составляющая практически исключается. Подобная позиция тела наблюдается
при ходьбе… у лиц с коксартрозм (Архипов С.В., 2013). За счет дислокации общего
центра масс в сторону опорной конечности уменьшается плечо веса тела и плечо
приводящих мышц, а плечо отводящих мышц увеличивается.
Известно,
что при опоре на ногу со значительным наклоном туловища в сторону опорной
конечности линия действия силы тяжести располагается кнаружи от центра вращения
тазобедренного сустава, articulatio coxae. При этом противодействовать силе тяжести
уже будут не отводящие, а приводящие мышцы (Майстренко А.К., 1959). Уместно
отметить, что являющиеся основными отводящими мышцами у человека – средняя и
малая ягодичные, способны отвести бедро только до определенного угла. Его
величина определяется положением, при котором наиболее латеральная точка крыла подвздошной
кости, ala ossis ilii, устанавливается над большим вертелом, trochanter major. Дальнейшее отведение приводит к смещению
верхушки большого вертела, trochanter
major,
медиальнее вертикали, опущенной из крайне-латеральной точки крыла подвздошной кости,
ala ossis ilii. Это заведомо
исключает участие средней и малой ягодичных мышц, а также мышцы, напрягающей
широкую фасцию бедра в обеспечении данного движения у человека. В обсуждаемом случае
отведение может быть реализовано короткими мышцами тазобедренного сустава, articulatio
coxae,
и большой ягодичной мышцей. Думается, что средняя и малая ягодичная мышцы
«работают» как отводящие преимущественно при наклоне таза, pelvis, в неопорную
сторону в ортостатических позах, а также при ходьбе, но в уступающем режиме.
Смещение
общего центра масс в опорную сторону может обеспечить наклон таза, pelvis, и отклонение
корпуса тела в этом же направлении. За счет избыточного отклонения позвоночника
возможна ситуация, когда общий центр масс устанавливается над центром вращения
тазобедренного сустава, articulatio coxae. Это положение следует считать идеальным.
Плечо веса тела уменьшается до «0», а функция отводящих и приводящих мышц
сводится к поддержанию достигнутого равновесия. В такой позиции нагрузка на
головку бедренной кости, caput femoris, равна весу тела без веса опорной конечности.
Если быть точным, то несколько больше вследствие тонуса отводящей и приводящей
мускулатуры.
Общеизвестно,
что ортостатическая одноопорная поза с выраженным наклоном таза, pelvis, и корпуса в
опорную сторону, в обыденной жизни человека не используется. Исключение
составляют позы в спорте, цирке, балете. При патологии тазобедренного сустава, articulatio
coxae,
отклонение корпуса и таза, pelvis, в опорную сторону частое явление. У
здоровых лиц это рассматривается как один из признаков нарушения биомеханики
тазобедренного сустава, articulatio coxae.
Наши
предварительные рассуждения показывают, что одноопорная ортостатическая поза
человека с горизонтально расположенным тазом, pelvis, и даже его наклоном в неопорную сторону
энергетически невыгодно. Она требует значительных затрат мышечной энергии и
вещества необходимого для ее выработки. Более того, данная поза оказывается неустойчивой
и увеличивающей действующие напряжения в тазобедренном суставе, articulatio
coxae,
сочленениях таза, pelvis, и сухожильно-мышечных комплексах
тазобедренной области.
Ранее
отмечалось, что у человека в одноопорной ортостатической позе таз, pelvis, одной из вертлужных
впадин, acetabulum,
опирается на головку бедренной кости, caput femoris. В норме переход человека к одноопорной
позе сопровождается креном таза, pelvis, вниз в медиальную сторону (Архипов С.В.,
2013). Этот наклон обусловлен вращением таза, pelvis, относительно головки бедренной кости, caput femoris, во фронтальной
плоскости. Нами замечено то, что угол поворота таза, pelvis, всегда приблизительно
одинаков. Вместе с этим движением происходит и поступательное смещение таза, pelvis, во фронтальной
плоскости в сторону опорной конечности. Указанное обеспечивается приведением конечности
в тазобедренном суставе, articulatio coxae, и пронацией в подтаранном суставе, articulatio
subtalaris.
Принимаемое телом положение является наименее напряженным и наиболее устойчивым.
Соответственно, главный смысл означенных движений таза, pelvis:
-
смещение проекции общего центра масс тела в пределы уменьшившейся площади
опоры, с целью сохранения положения равновесия;
-
понижение высоты расположения общего центра масс тела, что способствует
повышению устойчивости;
- стопорение тазобедренного сустава, articulatio coxae, во фронтальной плоскости за счет натяжения связок.
Смотри также:
Механическая модель тазобедренного сустава
Моделирование взаимодействия суставных поверхностей
Моделирование функции синовиальной жидкости
Моделирование функции вертлужной губы
Моделирование функции внесуставных связок
Механическая модель с аналогом связки головки бедренной кости
Моделирование движений с аналогом связки головки бедренной кости
Моделирование крепления у края ямки вертлужной впадины
Моделирование крепления в вырезке вертлужной впадины
Моделирование крепления на периферии вертлужной впадины
Анализ изменения проксимальной области крепления
Моделирование взаимодействия связок тазобедренного сустава
Моделирование функции комплекса наружных связок
Моделирование функции отводящей группы мышц
Критика
Описанная конструкция модели имитировала нативный тазобедренный сустав без связок, но содержала аналог вертлужной губы и отводящей группы мышц. Нами воспроизводилось действие веса тела приблизительно также, как в одноопорном ортостатическом положении. Конструкция позволяла подвешивать нагрузку исключительно во фронтальной плоскости. Причем нагрузка прикладывалась к точке, лежащей приблизительно на одном уровне с центром шарнира, что не соответствует реальному положению общего центра масс тела.
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. 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
отводящая группа мышц, вертлужная губа, роль, функция, эксперимент, механическая модель
Эксперименты и наблюдения