Плоскостная тазовая часть комбинированной модели тазобедренного сустава
С целью дальнейшего изучения перемещения связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, при движениях в тазобедренном суставе, articulatio coxae, мы изготовили плоскостную тазовую часть. Она стала дополнением трехмерной бедренной части модели. Объединение обеих частей образовало комбинированную механическую модель тазобедренного сустава человека.
Прототипом плоскостной тазовой части избрано реалистичное изображение таза, pelvis, человека в переднезадней проекции из анатомического атласа. Иллюстрация нами изменена посредством компьютерной графики. Правая вертлужная впадина схематично изображена в сечении фронтальной плоскостью. Полученное модифицированное изображение наклеено на жесткий картон, после чего вырезано по контуру (Рис. 1).
 |
| Рис. 1. Плоскостная тазовая часть комбинированной механической модели тазобедренного сустава человека (вид спереди). |
Таким образом, мы изготовили плоскостную тазовую часть, на которой был показан, вырыв костного вещества, образующего переднюю и верхнюю часть правой вертлужной впадины, acetabulum. На обратной стороне плоскостной тазовой части, в области внутреннего края изображения правой вертлужной впадины, acetabulum, приклеена полу-циркулярная опорная поверхность (Рис. 2).
 |
| Рис. 2. Плоскостная тазовая часть комбинированной механической модели тазобедренного сустава человека (вид сзади). |
Опорная поверхность ориентирована перпендикулярно основной плоскости изображения таза, pelvis (Рис. 3).
 |
| Рис. 3. Вид на опорную поверхность вертлужной впадины плоскостной тазовой части комбинированной механической модели тазобедренного сустава человека; вверху – вид спереди с латеральной стороны, внизу – вид сзади с латеральной стороны. |
При размещении плоскостной тазовой части на сферической головке бедренной части комбинированной механической модели тазобедренного сустава человека она была крайне неустойчива и стремилась опрокинуться в медиальном направлении. Для ее стабилизации мы изготовили аналог отводящей группы мышц из резиновой нити диаметром 1 мм с элементами крепления в виде крючков из мягкой проволоки (Рис. 4).
 |
| Рис. 4. Плоскостная тазовая часть комбинированной механической модели тазобедренного сустава человека с аналогом отводящей группы мышц (указан стрелкой). |
Верхний конец аналога отводящей группы мышц посредством элемента крепления присоединялся к изображению крыла подвздошной кости плоскостной тазовой части модели. Нижний конец аналога отводящей группы мышц посредством элемента крепления фиксировался к бедренной части комбинированной механической модели тазобедренного сустава человека. После указанных действий опорная поверхность плоскостной тазовой части модели в вертикальном положении устанавливалась на сферической головке (Рис. 5).
 |
| Рис. 5. Комбинированная механическая модель тазобедренного сустава человека, плоскостная тазовая часть опирается на сферическую головку бедренной части и удерживается аналогом отводящей группы мышц; вверху – вид на модель с латеральной стороны (стрелкой указана опорная поверхность), внизу – укрупненный вид на образованный шарнир модели. |
В шарнире модели удовлетворительно воспроизводилось приведение и отведение в тазобедренном суставе, articulatio coxae. Фиксация в требуемом положении во фронтальной плоскости достигалась соответствующим изменением длины аналога отводящей группы мышц (Рис. 6).
 |
| Рис. 6. Комбинированная механическая модель тазобедренного сустава человека, плоскостная тазовая часть удерживается в положении равновесия аналогом отводящей группы мышц; вверху – в шарнире модели воспроизведено отведение в тазобедренном суставе, внизу – в шарнире модели воспроизведено приведения в тазобедренном суставе. |
Для фиксации наклона плоскостной тазовой части модели в латеральную сторону (отведение в шарнире) аналог отводящей группы мышц укорачивался. Для фиксации наклона плоскостной тазовой части модели в медиальную сторону (приведение в шарнире) аналог отводящей группы мышц укорачивался. Наклон плоскостной тазовой части модели медиально во фронтальной плоскости ограничивался ее контактом с бедренной частью модели. При этом сымитированное приведение превышало таковое у стоящего или идущего человека в норме.
Ранее в экспериментах на плоскостной модели тазобедренного сустава и трехмерной механической модели тазобедренного сустава человека установлено, что связка головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, ограничивает как наклон таза, pelvis, вниз в медиальную сторону, так и приведение бедра, os femur. Основываясь на указанном, комбинированную механическую модель тазобедренного сустава человека, имеющую плоскостную тазовую часть, бедренную часть и аналог отводящей групп мышц, мы дополнили аналогом связки головки бедренной кости. Он представлял собой гибкий стальной проволочный трос диаметром 2 мм. Дистальный конец аналога связки головки бедренной кости вводился в нижнее отверстие сферической головки и прикреплялся к бедренной части внутри металлического корпуса.
При воспроизведении приведения в шарнире модели путем наклона плоскостной тазовой части модели вниз в медиальную сторону дистальная область крепления аналога связки головки бедренной кости приближалась к изображению верхневнутреннего края полулунной поверхности вертлужной впадины (Рис. 7).
 |
| Рис. 7. Комбинированная механическая модель тазобедренного сустава человека с плоскостной тазовой частью (имитация приведения); вверху – вид модели спереди, внизу – укрупненный вид сферической головки в указанной позиции. |
Как выше указано, плоскостная тазовая часть модели находилась в положении устойчивого равновесия только благодаря усилию аналога отводящей группы мышц. Участия аналога связки головки бедренной кости в поддержании в покое плоскостной тазовой части модели не требовалось.
Затем мы воспроизвели отведение в шарнире модели путем отклонения плоскостной тазовой части модели вверх в латеральную сторону (Рис. 8).
 |
| Рис. 8. Комбинированная механическая модель тазобедренного сустава человека с плоскостной тазовой частью (имитация отведения); вверху – вид модели спереди, внизу – укрупненный вид сферической головки в указанной позиции. |
При имитации отведения дистальная область крепления аналога связки головки бедренной кости удалялась от изображения верхневнутреннего края полулунной поверхности вертлужной впадины. Плоскостная тазовая часть модели удерживалась в положении устойчивого равновесия только усилием аналога отводящей группы мышц. В обоих случаях плоскостная тазовая часть модели имела умеренную нестабильность в горизонтальной и сагиттальной плоскости. Под влиянием силы упругости аналога отводящей группы мышц плоскостная тазовая часть модели располагалась приблизительно во фронтальной плоскости (Рис. 9).
 |
| Рис. 9. Комбинированная механическая модель тазобедренного сустава человека с плоскостной тазовой частью и аналогом отводящей группы мышц (вид сверху). |
При воспроизведении отведения и приведения в шарнире модели опорная поверхность плоскостной тазовой части модели преимущественно опиралась на верхний сектор сферической головки бедренной части модели. Данное наблюдение объясняется тем, что вес плоскостной тазовой части действует сверху вниз, также как и главной усилие натянутого аналога отводящей группы мышц. В означенном случае условие равновесия плоскостной тазовой части модели аналогично условию равновесия рычага первого рода.
Однако так как аналог отводящей группы мышц при наклоне плоскостной тазовой части модели в латеральную, а также медиальную сторону отклонялся от вертикального положения, возникало горизонтально усилие. Оно прижимало опорную поверхность к медиальному сектору сферической головки. Предпосылок к прижатию нижнего сектора опорной поверхности к нижнему сектору сферической головки бедренной части модели не отмечено. Доминирующие силы, уравновешивающие плоскостную тазовую часть, действовали сверху вниз. С учетом горизонтальной компоненты результирующая нагрузка приходилась на верхнемедиальный участок сектору сферической головки бедренной части модели.
Затем мы отсоединили аналог отводящей группы мышц от частей модели. После чего проксимальный конец аналога связки головки бедренной кости прикрепили канцелярским зажимом к плоскостной тазовой части модели в центре изображения ямки вертлужной впадины. Максимальная величина угла наклона плоскостной тазовой части вниз в медиальную сторону выбиралась такой, чтобы дистальный конец аналога связки головки бедренной не пересекал изображение верхневнутреннего края полулунной поверхности вертлужной впадины (Рис. 10).
 |
| Рис. 10. Комбинированная механическая модель тазобедренного сустава человека с плоскостной тазовой частью, соединенной с бедренной частью модели аналогом связки головки бедренной кости; вверху – вид модели спереди, внизу – вид модели с латеральной стороны. |
Под действием силы тяжести плоскостная тазовая часть модели наклонялась вниз в медиальную сторону. Означенное воспроизводило в шарнире модели приведения, а аналог связки головки бедренной кости натягивался. Обратное движение – наклон плоскостной тазовой части модели в верх в латеральную сторону рукой экспериментатора вызывал расслабление аналога связки головки бедренной кости. При имитации в шарнире модели ограниченного сгибания (до 10°) проксимальная область крепления аналога связки головки бедренной кости смещалась назад. Воспроизведение ограниченного разгибания (до 10°) смещало проксимальную область крепления аналога связки головки бедренной кости вперед. При достижении максимального приведения плоскостная модель таза удерживалась в положении устойчивого равновесия только благодаря натяжению аналога связки головки бедренной кости. Участие экспериментатора не требовалось, как и силы упругости аналога отводящей группы мышц. Сила реакции аналога связки головки бедренной кости препятствовала опрокидыванию плоскостной тазовой части модели вниз в медиальную сторону. Эта же сила способствовала тому, что плоскостная тазовая часть модели располагалась приблизительно во фронтальной плоскости (Рис. 11).
 |
| Рис. 11. Комбинированная механическая модель тазобедренного сустава человека с плоскостной тазовой частью и аналогом связки головки бедренной кости (вид сверху). |
Стремление натянутого аналога связки головки бедренной кости принять отвесное положение обуславливало стабилизацию плоскостной тазовой части модели в горизонтальной плоскости. Это явилось очередным доказательством эффекта автостабилизации в тазобедренном суставе, articulatio coxae, с натянутой связкой головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris. Длина аналога связки головки бедренной кости определяла предельную величину наклона плоскостной тазовой части модели вниз в медиальную сторону. Гибкий элемент спонтанно не удлинялся под нагрузкой весом плоскостной тазовой части модели. В связи с чем дистальный конец аналога связки головки бедренной не контактировал с изображением верхневнутреннего края полулунной поверхности вертлужной впадины и ее верхним сектором. Подмечено, что верхний сектор сферической головки бедренной части и верхняя часть опорной площадки плоскостной тазовой части разобщались (Рис. 12).
 |
| Рис. 12. Вид на шарнир комбинированной механической модели тазобедренного сустава человека с плоскостной тазовой частью, соединенной с бедренной частью модели аналогом связки головки бедренной кости (вид спереди); верхний сектор сферической головки бедренной части и опорная поверхность плоскостной модели таза не контактируют, а смыкаются только нижние сектора пары трения. |
Между верхним сектором сферической головки бедренной части и верхней частью опорной поверхностью плоскостной тазовой частью модели имелся хорошо различимый щелевидный зазор. Контакт сферической головки бедренной части с опорной поверхностью плоскостной тазовой части модели наблюдался только в нижнем секторе шарнира. Эксперимент наглядно продемонстрировал, что аналог связки головки бедренной кости способен стопорить шарнир модели во фронтальной плоскости при воспроизведении приведения. При этом друг к другу прижимались нижние сектора пары трения шарнира. Положение равновесия плоскостной тазовой частью модели в данном случае аналогично условию равновесия рычага третьего рода. Аналог связки головки бедренной кости располагается во фронтальной плоскости, стремиться принять отвесное положение, но отклоняется, образуя угол, открытый в латеральном направлении. Это обуславливает появление горизонтальной составляющей силы реакции аналога связки головки бедренной кости. Она обеспечивает дополнительное прижатие опорной поверхности плоскостной модели таза к сферической головке бедренной части в медиальном отдели. Указанное ранее нами обозначено как эффект автолатерализации.
В проекции на сагиттальную плоскость аналог связки головки бедренной кости располагался вертикально. Его проксимальная область крепления находилась ниже дистальной области крепления (Рис. 13).
 |
| Рис. 13. Комбинированная механическая модель тазобедренного сустава человека с плоскостной тазовой частью, соединенной с бедренной частью модели аналогом связки головки бедренной кости (имитация привидения); вверху – вид модели с медиальной стороны, внизу – укрупненный вид на шарнир модели и аналог связки головки бедренной кости. |
Подобное расположение областей крепления аналога связки головки бедренной кости предопределяло устойчивость плоскостной тазовой части модели в горизонтальной и сагиттальной плоскости, что являлось компонентом эффекта автостабилизации.
С нашей точки зрения, одним из важнейших эффектов функционирования связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, является эффект авторотации. Экспериментируя на трехмерной механической модели тазобедренного сустава человека, выяснено, что для реализации указанного эффекта было необходимо развернуть тазовую часть модели в горизонтальной плоскости. Иными словами, воспроизвести супинацию или пронацию. На использованной нами трехмерной механической модели тазобедренного сустава человека более выраженный эффект авторотации наблюдался при супинации. При увеличении угла вращения в горизонтальной плоскости в шарнире модели увеличивался угол отведения. Данное явление нами обозначено как эффект автоотведения. По причине особенностей конструкции трехмерной механической модели тазобедренного сустава человека, при реализации эффекта автоотведения и авторотации невозможно проследить за изменением положения аналога связки головки бедренной кости и областей его крепления.
Для уточнения этих аспектов мы произвели эксперимент на комбинированной механической модели тазобедренного сустава человека с плоскостной тазовой частью, соединенной с бедренной частью аналогом связки головки бедренной кости. В исходном положении плоскостная тазовая часть опиралась на сферическую головку бедренной части. Плоскостная тазовая часть устанавливалась вертикально во фронтальной и сагиттальной плоскости без отклонения в горизонтальной плоскости. В шарнире модели спонтанно воспроизводилось положение приведения, при котором аналог связки головки бедренной кости оказывался натянут и обеспечивал положение устойчивого равновесия плоскостной тазовой части модели. Затем экспериментатор воспроизводил в шарнире модели супинацию, сохраняя максимально возможное приведение. В шарнире модели спонтанно воспроизводилось отведение. Край плоскостной тазовой части, противоположный шарниру, приподнимался над основанием модели. После этого совершалось обратное движение, что имитировало эффекта авторотации. Плоскостная тазовая часть поворачивалась вперед, что воспроизводило в шарнире модели пронацию. Процесс изменения положения плоскостной тазовой части, аналога связки головки бедренной кости и областей его крепления запечатлен фотокамерой. Последовательные кадры изменения положения плоскостной тазовой части в сагиттальной плоскости представлены в следующей серии изображений (Рис. 14).
 |
| Рис. 14. Этапы воспроизведения эффекта авторотации на комбинированной механической модели тазобедренного сустава человека с плоскостной тазовой частью, соединенной с бедренной частью модели аналогом связки головки бедренной кости (вид с медиальной стороны); справа – общий вид модели, слева – укрупненный вид на шарнир модели и аналог связки головки бедренной кости. |
Последовательные кадры изменения положения плоскостной тазовой части во фронтальной плоскости представлены на следующей серии фотографии (Рис. 15).
 |
| Рис. 15. Этапы воспроизведения эффекта авторотации на комбинированной механической модели тазобедренного сустава человека с плоскостной тазовой частью, соединенной с бедренной частью модели аналогом связки головки бедренной кости (вид спереди); справа – общий вид модели, слева – укрупненный вид на шарнир модели и аналог связки головки бедренной кости. |
Замечено, что при максимально возможной супинации аналог связки головки бедренной кости принимал горизонтальное положение. Проксимальная область его крепления максимально приподнималась над основанием модели, смещалась назад и в латеральном направлении (Рис. 16).
 |
| Рис. 16. Первый этап воспроизведения эффекта авторотации на комбинированной механической модели тазобедренного сустава человека с плоскостной тазовой частью, соединенной с бедренной частью модели аналогом связки головки бедренной кости в шарнире воспроизведено супинации (вид сверху); вверху – общий вид модели, внизу – укрупненный вид на шарнир модели и аналог связки головки бедренной кости. |
При воспроизведении эффекта авторотации величина приведения в шарнире модели увеличивалась, а край плоскостной тазовой части модели, противоположный шарниру, опускался. Проксимальная область крепления аналога связки головки бедренной кости смещалась вниз, вперед и в медиальном направлении. Аналог связки головки бедренной кости постепенно принимал вертикальное положение в сагиттальной плоскости. Перемещение аналога связки головки бедренной кости напоминало движение подвеса трехмерного маятника, так как совершалось сразу в трех плоскостях. Дистальная область крепления аналога связки головки бедренной кости оставалась неподвижной и являлась точкой подвеса системы, состоящей из аналога связки головки бедренной кости и плоскостной тазовой части модели.
Смотри также:
Бедренная часть комбинированной модели тазобедренного сустава
Плоскостная модель правой половины таза человека
Критика
Главным недочетом описанных ранее конструкций, по нашему мнению, являлась недостаточная упругость аналогов связок. В описанной конструкции мы использовали гибкий элемент - аналог LCF, выполненный из металла и усоврешенствовали способ его крепления. В норме LCF присоединяется к вертлужной впадине в нескольких точках, что нам воспроизвести не удалось. Кроме этого, основой бедренной части модели явился субтотальный эндопротез тазобедренного сустава. Мы согласны с тем, что данное медицинское изделие лишь отчасти воспроизводит проксимальный отдел нативной бедренной кости.
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, эксперимент, механическая модель
Эксперименты и наблюдения