Имитация взаимодействия отводящей группы мышц и связки головки бедренной кости
Известные
методики моделирования одноопорной ортостатической позы, казалось бы, наглядно
доказывают правильность имеющихся представлений о взаимодействии сил,
поддерживающих тело в равновесии. Рассматривая силы, действующие во фронтальной
плоскости в области опорного тазобедренного сустава, articulatio
coxae, обычно принимают в расчет силу
тяжести и противодействующую ей силу напряжения отводящих мышц. Как показывают
эксперименты, их учет вполне достаточен для сохранения равновесия модели (Pauwels F., 1965; Гиммельфарб А.Л., Акбердина Д.Л.,
1983; Беленький В.Е., 1962; Martin
R.B. et al., 1998).
Для
фиксации сложной кинематической цепи необходимо закрепить связями каждую из
имеющихся у нее степеней свободы (Бернштейн Н.А., 1966; Бернштейн Н.А.,
1990). Считается, что
роль этих связей в опорно-двигательной системе человека исполняют «…мышечные сокращения и внешние силы, из
которых наиболее важной является сила тяжести тела» (Корж А.А.
и соавт., 1984). По
всей видимости, именно данные представления о кинематике ортостатического
положения объясняют то, что при изучении одноопорной ортостатической позы обычно
не принимаются в расчет связки тазобедренного сустава, articulatio
coxae, и силы их реакции. Здесь необходимо
напомнить, что в теоретической механике связью называют тело, ограничивающее
перемещение. При этом сила реакции связи, направленная вдоль нее, является
пассивной силой (Бутенин Н.В. и соавт., 1985).
По
аксиоме связей, всякую связь можно отобразить или заменить силой ее реакции.
Сила реакции связи направлена в сторону, противоположную направлению, в котором
связь препятствует перемещению рассматриваемого тела (Никитин
Н.Н., 1990). Соответственно,
в опорно-двигательной системе внутренними связями в том числе являются связки и
суставные поверхности. Мышцы, скорее являются активными силами, не зависящими
от связей. Следует отметить, что ни одна из известных до 2024 года моделей
тазобедренного сустава, articulatio coxae,
предложенных иными авторами, не учитывает влияние связки головки бедренной
кости, ligamentum
capitis
femoris, и силы ее реакции на поддержание
устойчивого равновесия в одноопорной ортостатической позы.
Вместе
с тем отдельные исследователи обращали внимание на связку головки бедренной
кости, ligamentum
capitis
femoris, при ортостатической позе. В
частности, М.Ф. Иваницкий (1948) писал: «…при
ассиметричном положении тела, когда таз располагается косо, круглая связка
бедра на стороне опорной, обычно выпрямленной ноги натягивается и способствует
укреплению тазобедренного сустава этой ноги». Н.И. Пирогов (1810-1881)
сравнивал связку головки бедренной кости, ligamentum
capitis
femoris, «…со стальной пружиной, на которой подвешен таз к головке» (Юрчак
В.Ф., Евтушенко В.А., 1972). Подобное представление о связке
головки бедренной кости,
ligamentum
capitis
femoris, вполне понятно, так как было
известно, что ее «наружный» конец лежит выше ее «внутреннего» конца (Наранович
П.А., 1850). Одним из литературных свидетельств в пользу того, что связка
головки бедренной кости поддерживает таз, является
наличие синонимов, включающих термин «suspensum»: «ligamentum suspensorium pelvis» и «ligamentum suspensorium femoris» (Воробьев
В.П., 1932). Известен и другой синоним связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris,
включающий
термин «suspensum» – «suspensory ligament»
(Savory
W.S., 1874; Turner W., 1857).
Для
проверки и уточнения существующих представлений об условиях поддержания
устойчивости в одноопорной ортостатической позе нами использована трехмерная
механическая модель тазобедренного сустава человека, подробно описанная выше. С
целью дальнейшего изучения биомеханики тазобедренного сустава, articulatio coxae,
трехмерную механическую модель тазобедренного сустава человека мы дополнили
аналогом отводящей группы мышц и воспроизвели нагрузку весом тела. Аналогом
отводящей группы мышц явился бытовой динамометр безмен пружинный циферблатный
БПЦ-10-01, ТУ РБ 02566668, 019-94, и его элементы крепления: кольца и
проволочные крючки различного размера. Для воспроизведения действия веса тела в
данной серии экспериментов использована нагрузка массой 1 и 2 кг (Рис. 1).
 |
| Рис. 1. Нагрузки, использованные для воспроизведения действия веса тела, подвешенные на динамометре; слева – 1 кг; справа – 2 кг. |
С
целью снижения трения в шарнире модели на поверхность головки бедренной части
модели и ответную ей поверхность модели вертлужной впадины наносилось масло
смазочное бытовое обычно по ТУ 1–15–691–77.
Ранее нами
показано, что одной из функций связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris,
является ограничение приведения бедренной кости, os femur. Мы полагаем, что приведение конечности связка головки
бедренной кости, ligamentum
capitis
femoris, натягивается, что стопорит
тазобедренный сустав, articulatio coxae,
во фронтальной плоскости.
С
целью дальнейшего изучения роли связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris,
в биомеханике тазобедренного сустава, articulatio coxae,
нами смоделированы условия нагрузки тазобедренного сустава, articulatio
coxae, человека в одноопорной
ортостатической позе при наличии аналога связки головки бедренной кости без
напряжения отводящей группы мышц, при отсутствии наружных (внесуставных)
связок, ligamentum extracapsularia, и вертлужной губы, labrum acetabulare.
В
первой серии экспериментов аналог связки головки бедренной кости имел наименьшую
длину, закрепляясь в центральном отверстии фасонной выточки модели вертлужной
впадины. Отмечено, что тазовая часть модели располагалась на головке
бедренной части модели в положении устойчивого равновесия. Затем к крайнему
отверстию грузовой планки подвешивалась нагрузка 1 кг (Рис. 2).
 |
| Рис. 2. Трехмерная механическая модель тазобедренного сустава человека с аналогом связки головки бедренной кости, пропущенным через центральное отверстие в фасонной выточке (вид спереди); вверху – без нагрузки; внизу – с нагрузкой весом 1 кг. |
Несмотря на
действие нагрузки, положение тазовой части модели не менялось. В шарнире модели
наблюдалось положение крайнего приведения среднее положение между пронацией и
супинацией без разгибания или сгибания в сагиттальной плоскости. Более того, тазовая
часть модели, расположенная на сферической головке бедренной части модели, становилась
более устойчива во всех трех плоскостях. Подвешивание нагрузки натягивало
аналог связки головки бедренной кости и стопорило шарнир модели, что приводило
к увеличению стабильности тазовой части во фронтальной и горизонтальной плоскости.
В положении устойчивого равновесия общий центр масс модели занимал самое низкое
из возможных положений. Тенденции к спонтанному вращательному или
поступательному движению во всех плоскостях не отмечалось. Поверхности шарнира
находились в соприкосновении во всех отделах (Рис. 3).
 |
| a |
 |
| b |
 |
| c |
 |
| d Рис. 3. Трехмерная механическая модель тазобедренного сустава человека с аналогом связки головки бедренной кости, пропущенным через центральное отверстие в фасонной выточке, подвешена нагрузка весом 1 кг; a – вид на модель сзади, b – вид с латеральной стороны, c – вид с медиальной стороны, d - вид сверху. |
Далее к крайнему отверстию грузовой планки подвешивалась нагрузка массой 2 кг (Рис. 4).
 |
| a |
 |
| b |
 |
| c |
 |
| d Рис. 4. Трехмерная механическая модель тазобедренного сустава человека с аналогом связки головки бедренной кости, закрепленным в центральном отверстии фасонной выточки (нагрузка 2 кг); a – вид сзади; b – вид спереди; c – вид снаружи; d - вид сверху. |
При действии большей нагрузки
положение тазовой части модели существенно не изменилось. В шарнире модели
величина угла приведения незначительно увеличилась с сохранением среднего
положения между пронацией и супинацией без разгибания или сгибания в
сагиттальной плоскости. Увеличение угла приведения было обусловлено растяжением
аналога связки головки бедренной кости. Несмотря на это, тазовая часть модели,
расположенная на сферической головке бедренной части модели, сохранила
устойчивость во всех трех плоскостях. Тенденции к спонтанному вращательному или
поступательному движению не отмечалось. Субъективно тазовая часть модели стала
даже более стабильна, чем при подвешивании нагрузки массой 1 кг. Разобщения
поверхностей пары трения шарнира не наблюдалось. Обращено внимание на увеличение
силы прижимающей модель вертлужной впадины к головке бедренной части модели. Соответственно,
действие нагрузки обусловило появление более выраженного эффекта
автолатерализации.
Возникновение силы, прижимающей
модель вертлужной впадины к головке бедренной части модели при наличии натянутого
аналога связки головки бедренной кости, отклоненного от вертикали, мы объясняем
действием силы его реакции, имеющей горизонтальный компонент. В описываемой сборке
модели дистальная область крепления аналога связки головки бедренной кости
располагалась латеральнее, чем проксимальная область крепления, к которой прилагалась
сила, генерируемая нагрузкой, подвешенной к модели вертлужной впадины. По означенной
причине при натяжении аналога связки головки бедренной кости появлялась сила
реакции, горизонтальный компонент которой прижимал модель вертлужной впадины к
головке бедренной части модели (Рис. 5).
 |
| Рис. 5. Схематичное изображение шарнира трехмерной механической модели тазобедренного сустава человека с аналогом связки головки бедренной кости, пропущенным через центральное отверстие в фасонной выточке и действующей нагрузкой; условные обозначения: mg – вес подвешенной нагрузки, 1 – головка бедренной части модели, 2 – шейка бедренной части модели, 3 – модель вертлужной впадины, 4 – аналог связки головки бедренной кости, черной стрелкой обозначено направление действующего веса нагрузки, зеленой стрелкой обозначено направление силы реакции аналога связки головки бедренной кости, красной стрелкой обозначена горизонтальная составляющая силы реакции аналога связки головки бедренной кости, прижимающая модель вертлужной впадины к головке бедренной части модели. |
При увеличении угла отклонения аналога связки головки бедренной кости от вертикали закономерно должна увеличиваться горизонтальная составляющая ее силы реакции. Данное предположение несложно проверить экспериментально. На гибком нерастяжимом полимерном шнуре нами подвешена нагрузка массой 1 кг. В области ее крепления к полимерному шнуру присоединен динамометр (Рис. 6).
 |
| Рис. 6. Нагрузка массой 1 кг подвешенная на полимерном шнуре; вверху – шнур расположен отвесно под действием подвешенной нагрузки, динамометр не регистрирует никакого усилия; внизу – тягой за динамометр шнур с подвешенной нагрузкой отклонился, при этом динамометр зарегистрировал усилие, которое стремиться сместить нагрузку до отвесного положения шнура. |
Изначально шнур располагался
отвесно под действием подвешенной к нему нагрузки, при этом динамометр не
регистрировал никакого усилия. Затем тягой за динамометр шнур с подвешенной
нагрузкой мы отклоняли в сторону. Явственно возникала сила, стремящаяся вернуть
шнур и нагрузку в исходное положение. Динамометр регистрировал данное усилие,
которое увеличивалось соразмерно увеличению угла отклонения шнура от вертикали
и, наоборот, уменьшалось при приближении шнура к отвесному положению.
При наблюдении за моделью замечено,
что тазовая часть имеет заметную стабильность в горизонтальной плоскости. При повороте
тазовой части модели в горизонтальной плоскости, то есть воспроизведении
супинации или пронации, тазовая часть модели возвращалась в исходное положение
(Рис. 7).
 |
| Рис. 7. Трехмерная механическая модель тазобедренного сустава человека с аналогом связки головки бедренной кости, пропущенным через центральное отверстие в фасонной выточке (вид с медиальной стороны); вверху – в шарнире модели воспроизведена супинация, справа – исходное положение, к которому вернулась тазовая часть модели после автоматического поворота в горизонтальной плоскости. |
Замечено,
что при воспроизведении супинации и пронации в шарнире модели уменьшался угол
приведения. Это было обусловлено реализацией ранее выявленного нами эффекта
автоотведения. В связи с этим при воспроизведении супинации или пронации высота
расположения нагрузки над плоскостью опоры увеличивалась. В отсутствие
удержания рукой из крайнего положения ротации под действием силы тяжести тазовая
часть модели спонтанно наклонялась вниз и поворачивалась к средней линии,
перемещаясь по дуге. В заключении тазовая часть модели останавливалась, а
длинная ее ось оказывалась сонаправлена оси шейки бедренной части модели, то
есть под углом 10° вперед. При достижении исходного положения угол приведения в
шарнире модели был минимальным.
Описанное
явление ранее нами названо «эффект авторотации» в тазобедренном суставе, articulatio coxae.
Он появлялся при натяжении за счет приведения аналога связки головки бедренной
кости, отклоненного от вертикального положения при воспроизведении супинации
или пронации в шарнире модели. В завершении спонтанного движения в
горизонтальной плоскости тазовая часть модели останавливалась в исходном
положении, что мы ранее назвали эффектом автостабилизации в тазобедренном
суставе, articulatio coxae.
Он наблюдался только при натяжении аналога связки головки бедренной кости под
действием собственного веса тазовой части модели и прикрепленной к ней
нагрузки.
Подвешенная
к грузовому кронштейну нагрузка обеспечивала дополнительное прижатие модели
вертлужной впадины к головке бедренной части модели. Разобщения контактирующих
поверхностей шарнира не наблюдалось. Тазовая часть модели оставалась стабильной
во всех трех плоскостях. Снятие нагрузки не изменяло положения тазовой части
модели.
Для уточнения значения отводящей группы мышц тазобедренного сустава, articulatio coxae, на головку бедренной части модели установлена тазовая часть модели. Ей придавалось положение, при котором планка, воспроизводящая крыло подвздошной кости, была обращена вверх. При этом отмечено, что без постороннего вмешательства тазовая часть модели стремилась повернуться в сагиттальной плоскости вперед или назад. Для стабилизации тазовой части модели крайнее отверстие планки, воспроизводящей крыло подвздошной кости, trochanter major, соединено аналогом отводящей группы мышц с верхним отверстием планки, имитирующей большой вертел бедренной кости, trochanter major (Рис. 8).
 |
| Рис. 8. Трехмерная механическая модель тазобедренного сустава человека с аналогом отводящей группы мышц и аналогом связки головки бедренной кости (вид спереди). |
Введение в конструкцию трехмерной
механической модели тазобедренного сустава человека элемента аналога отводящей
группы мышц практически не отразилось на положении тазовой части модели.
Динамометр аналога отводящей группы мышц не регистрировал какого-либо усилия.
При воспроизведении движений в горизонтальной плоскости пронации и супинации
крайнее отверстие планки, воспроизводящей крыло подвздошной кости, и крайнее
отверстие планки, воспроизводящей большой вертел бедренной кости, сближались за
счет эффекта автоотведения, что не меняло показания динамометра. При имитации
движений в сагиттальной плоскости разгибания и сгибания крайнее отверстие планки,
воспроизводящей крыло подвздошной кости, и крайнее отверстие планки,
воспроизводящей большой вертел бедренной кости, удалялись друг от друга. Пружина
динамометра натягивалась, и он регистрировал появление усилия, дополнительно
прижимающего тазовую часть модели к головке бедренной части модели.
Затем для имитации действия веса
тела к крайнему отверстию грузовой планки тазовой части модели последовательно
подвешивалась нагрузка массой 1 и 2 кг (Рис. 9).
 |
| Рис. 9. Трехмерная механическая модель тазобедренного сустава человека с аналогом отводящей группы мышц и аналогом связки головки бедренной кости (вид спереди); вверху – подвешена нагрузка 1 кг, внизу – подвешена нагрузка 2 кг. |
Несмотря
на нагрузку разной массы, положение тазовой части модели не изменилось, а
динамометр аналога отводящей группы мышц не регистрировал появления усилия.
Натянутый аналог связки головки бедренной кости шунтировал действие нагрузки,
подвешенной к тазовой части модели. Нагрузка дополнительно натягивала аналог
связки головки бедренной кости, что стопорило шарнир модели во фронтальной
плоскости. Кроме этого, нагрузка увеличивала стабильность тазовой части модели
в горизонтальной плоскости за счет более явственного эффекта автостабилизации.
При расположении тазовой части модели в исходном положении подвешенная нагрузка,
воспроизводящая действие веса тела, не влияла на положение тазовой части модели
в горизонтальной плоскости (Рис. 10).
 |
| Рис. 10. Трехмерная механическая модель тазобедренного сустава человека с аналогом связки головки бедренной кости (вид сверху); вверху – исходное положение модели без нагрузки и аналога отводящей группы мышц, внизу – модель дополнена аналогом отводящей группы мышц с подвешенной нагрузкой 1 кг. |
После авторотации в шарнире модели и автостабилизации ее тазовой части она останавливалась с поворотом вперед на 10°. На данную величину была повернута кпереди бедренная часть модели, а значит, и дистальная область крепления аналога связки головки бедренной кости. Это доказывает связь эффекта авторотации в тазобедренном суставе, articulatio coxae, с наличием связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, и позволяет прогнозировать положение устойчивого равновесия таза, pelvis, и его разворота в горизонтальной плоскости у человека, стоящего с опорной на одну ногу. При данном варианте нагрузки без учета отводящей группы мышц тазобедренный сустав, articulatio coxae, функционирует как аналог рычага третьего рода.
Выше обсужденный эксперимент доказывает, что связка головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, может стопорить тазобедренный сустав, articulatio coxae, во фронтальной плоскости при приведении бедренной кости, os femur, а также при наклоне таза, pelvis, вниз в медиальную сторону. Ранее в опытах на плоскостной и упрощенной модели мы показали, что в тазобедренном суставе, articulatio coxae, застопоренном натянутой связкой головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, преимущественно прижимаются нижние сектора суставных поверхностей головки бедренной кости, capitis femoris, и вертлужной впадины, acetabulum. Однако, так как тазовая часть модели располагается не вертикально, а под углом к горизонту, в реальном тазобедренном суставе, articulatio coxae, и в шарнире модели присутствует прижатие и верхних секторов пары трения.
Смотри также:
Конструкция трехмерной механической модели тазобедренного сустава
Имитация взаимодействия суставных поверхностей
Имитация функции отводящей группы мышц
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
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, синовия
Эксперименты и наблюдения