Моделирование
эффекта авторотации
В
экспериментах на механической модели тазобедренного сустава человека с аналогом связки головки бедренной кости нами зарегистрирован эффект авторотации. Он проявлялся при имитации пронации, но особенно энергично из крайнего положения супинации. На настоящем этапе экспериментальных исследований мы поставили цель воспроизвести эффект авторотации на электромеханической модели
тазобедренного сустава человека с объемной тазовой частью,
имеющей аналог связки головки бедренной кости и присоединенной нагрузкой.
Изначально
нами зафиксирована объемная тазовая часть модели в позиции с максимальным поворотом назад в горизонтальной плоскости, то есть с имитацией супинации в шарнире. Для этого аналог комплекса коротких
мышц, вращающих бедро наружу, был укорочен до минимума. Реализация эффекта
автоотведения привела к максимальному подъему края объемной тазовой части
модели, противоположного шарниру. В означенном положении в шарнире модели
наблюдалось разгибание, максимальная супинация и отведение. Объемная тазовая часть модели находилась в устойчивом равновесии. Она
удерживалась усилием аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и
силой реакции натянутого аналога связки головки бедренной кости. После этого нами
произведено удлинение аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу с
использованием электропривода. Изменение положения объемной тазовой части мы регистрировали видеокамерой,
расположенной спереди от модели. Опыт нами воспроизводился более трех раз.
Полученные видеозаписи обрабатывались и изучались на персональном компьютере. Кадры
одной из видеозаписей с интервалом в 1 с представлены на серии фотографий
(Рис. 1).
 |
| Рис. 1. Воспроизведение эффекта авторотации на электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, соединенной с бедренной частью аналогом связки головки бедренной кости и аналогом комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу; кадры видеозаписи эксперимента с интервалом в 1 секунду (вид спереди). |
Удлинение аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, происходило с постоянной скоростью, которая определялась вращением электропривода. Кроме указанного, никаких иных воздействий на электромеханическую модель тазобедренного сустава человека с объемной тазовой частью не оказывалось.
В результате удлинения аналога комплекса коротких
мышц, вращающих бедро наружу, объемная тазовая часть модели спонтанно поворачивалась
вперед в горизонтальной плоскости и наклонялась вниз в медиальную сторону во
фронтальной плоскости. В горизонтальной плоскости в шарнире модели сначала
уменьшался угол супинации, которая затем сменилась пронацией. Во фронтальной
плоскости в шарнире модели изначально уменьшался угол отведения, а затем началось
приведение. В сагиттальной плоскости в шарнире модели исходно наблюдалось умеренное
разгибание, которое затем сменилось незначительным сгибанием.
При ускоренном вращении электропривода изменение
положения объемной тазовой части модели происходили быстрее. Низкая скорость вращения
электропривода обуславливала замедленное изменение положения объемной тазовой части
модели. Поворот объемной тазовой части вперед в горизонтальной плоскости
совершался только до пронации 15°. Во фронтальной плоскости приведение
возрастало до 7°, а в сагиттальной плоскости – до 5° сгибания. После достижения
указанных значений поворота объемной тазовой части модели ее движение прекращалось,
несмотря на продолжающееся удлинение аналога комплекса коротких мышц, вращающих
бедро наружу.
Замечено, что пронация, приведение и сгибание в шарнире
модели происходило благодаря действию веса объемной тазовой части модели с
прикрепленной нагрузкой. Аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу,
регулировал лишь скорость движения объемной тазовой части модели и ее положение
в горизонтальной плоскости в конкретный момент времени. Позиция объемной
тазовой части модели во фронтальной плоскости определялась длиной аналога
связки головки бедренной кости. В результате происходящих в шарнире модели
движений объемная тазовая часть модели перемещалась в горизонтальной, сагиттальной
и фронтальной плоскости вокруг центра шарнира. При этом подвешенная нагрузка смещалась
в медиальную сторону, вниз и вперед. В конечный момент нагрузка принимала
положение с наименьшей высотой расположения над плоскостью опоры. Остановка движения
объемной тазовой части модели и смещения нагрузки были обусловлены эффектом
автостабилизации и стопорения шарнира во фронтальной плоскости. Их проявление мы
связываем с натяжением аналога связки головки бедренной кости.
В описанном эксперименте аналог комплекса коротких
мышц, вращающих бедро наружу, функционировал в уступающем режиме. Однако это приводило
к перемещению объемной тазовой части модели и нагрузки во всех трех плоскостях.
Мы не отметили принципиальных отличий в перемещении объемной тазовой части
модели при этапном и непрерывном удлинении аналога комплекса коротких мышц,
вращающих бедро наружу. Означенное движение объемной тазовой части модели происходил
и при удлинении аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, без использования
электропривода.
Наблюдения, сделанные в эксперименте, позволяют выдвинуть
предположение: при ходьбе комплекс коротких мышц, вращающих бедро наружу, функционирует
в уступающем режиме. Мы полагаем, названые мышцы, координируя свою длину и усилие
с мышцами, обеспечивающие пронацию в тазобедренном суставе, articulatio coxae, определяют скорость
и амплитуду перемещения таза, pelvis, в горизонтальной плоскости в середине одноопорного периода шага. У
человека отсутствуют мышцы, ответственные только за пронацию в тазобедренном
суставе,
articulatio coxae. Соответственно, нет мышц, предназначенные
лишь для поворота таза, pelvis, вперед в латеральную сторону в горизонтальной плоскости в ортостатическом
положении и при ходьбе. К мышцам, факультативно способных вызвать пронацию, относят:
среднюю ягодичную мышцу (передние волокна), musculus gluteus medius, малую ягодичную
мышцу, musculus gluteus minimus, и мышцу, напрягающую
широкую фасцию бедра,
musculus tensor fascia lata. Их суммарное
усилие эквивалентно 54 кг, что в три раза меньше, чем супинаторов 146 кг (Капанджи А.И., 2010).
Нами проанализированы графики движений таза, pelvis, при ходьбе, которые получены с использованием Оптической системы анализа движений (захвата) компании Qualisys в обработке программой компании C-Motion (Рис. 2).
 |
| Рис. 2. Фрагмент отчета Оптической системы анализа движений при исследовании закономерностей ходьбы человека в норме, иллюстрирующий движения таза; слева – график движения таза в сагиттальной плоскости, в центре – график движения таза во фронтальной плоскости, справа – график движения таза в горизонтальной плоскости; условные обозначения: зеленая кривая – изменение угла поворота левой половины таза, красная кривя – изменение угла поворота правой половины таза, черная кривая – среднестатистическое изменение угла поворота таза (норма по данным разработчиков Оптической системы анализа движений), вертикальные красные и зеленые прямые указывают начало и конец двухопорного периода шага. |
Замечено, что после начала одноопорного периода
шага таз, pelvis, наклоняется
вниз в медиальную сторону и поворачивается вперед в латеральную сторону. Нами переосмыслены
данные вышеописанного эксперимента, графики движения таза, pelvis, полученные с использованием Оптической системы анализа движений, а
также принято во внимание малое число и мощность мышц пронаторов. С нашей точки
зрения, в начале одноопорного периода шага поворот таза, pelvis, в
горизонтальной плоскости вперед происходит спонтанно, благодаря эффекту
авторотации в опорном тазобедренном суставе, articulatio
coxae. Мышцы супинаторы в одноопорном периоде шага
функционируют в уступающем режиме, удлиняясь постепенно. Участие их антагонистов
мышц, обеспечивающих пронацию, позволяют более точно поддерживать необходимую
скорость спонтанного поворота таза, pelvis. При скоротечном, неконтролируемом мышцами повороте вперед и наклоне
вниз таза, pelvis, в конечной
фазе движения возникла бы значительная динамическая нагрузка на связку головки
бедренной кости,
ligamentum capitis femoris. В норме ее гасят мышцы абдукторы, пронаторы и супинаторы.
По нашему мнению, комплекс коротких мышц, вращающих
бедро наружу, активно функционирует в переносной период шага. Переносная нога поворачивается
наружу, что сопровождается супинацией в тазобедренном суставе, articulatio coxae. Цель движения – достичь максимума супинации
к началу опорного периода. При этом проксимальная
область крепления связки головки бедренной кости, ligamentum
capitis femoris, смещается назад, латерально и вверх. Связка головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, принимает положение, близкое к горизонтальному. Для поворота наружу
переносимой конечности нет необходимости в значительном усилии мышц супинаторов.
При спонтанном повороте таза, pelvis, вперед и наружу в одноопорном периоде шага практически не требуется участие
мышц пронаторов. Этим мы объясняем малые размеры мышц супинаторов и
незначительное число мышц пронаторов тазобедренного сустава, articulatio coxae.
Для проверки высказанных предположений мы провели
эксперимент с принудительным обратным поворотом объемной тазовой части модели в
горизонтальной плоскости. Она размещалась в исходном положении с поворотом
вперед в горизонтальной плоскости до угла пронации 15° и наклоном во
фронтальной плоскости до 7° приведения. После этого мы производили укорочение
аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, используя
электропривод. Изменение положения объемной тазовой части электромеханической
модели тазобедренного сустава человека нами регистрировалось видеокамерой,
расположенной позади модели. Кроме этого, мы включили узконаправленный источник
света, прикрепленный к нагрузке, и проследили перемещение луча по
масштабно-координатной сетке, лежащей на основании модели. Данный эксперимент нами воспроизводился не
менее трех раз. Полученные видеозаписи обрабатывались и изучались на персональном
компьютере. Кадры одной из видеозаписей с интервалом в 1 секунду представлены на
серии фотографий (Рис. 3).
 |
| Рис. 3. Имитация поворота таза назад в горизонтальной плоскости в одноопорной ортостатической позе с использованием электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, соединенной с бедренной частью аналогом связки головки бедренной кости и аналогом комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, включен узконаправленный источник света, обращенный вертикально вниз; кадры видеозаписи эксперимента с интервалом в 1 секунду (вид сзади). |
В начальном положении объемная тазовая часть модели
в сагиттальной плоскости имела наклон вперед на угол 5-6°, что воспроизводило в
шарнире модели сгибание. Это было обусловлено тем, что при максимальной
пронации в шарнире модели область прикрепления нагрузки к объемной тазовой части
смещалась вперед по отношению к центру шарнира. Аналог комплекса коротких мышц,
вращающих бедро
наружу, располагался позади и выше центра шарнира.
Означенное позволяло ему принять участие в ограничении сгибания в шарнире
модели. В связи с этим динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих
бедро наружу, регистрировал нагрузку, эквивалентную 0.5 кг. Данное усилие
препятствовало наклону объемной тазовой части вперед в сагиттальной плоскости.
Укорочение аналога комплекса коротких мышц,
вращающих бедро
наружу, осуществлялось с постоянной скоростью,
которая определялась частотой вращения электропривода. Кроме указанного,
никаких других воздействий на электромеханическую модель тазобедренного сустава
человека с объемной тазовой частью мы не оказывали. В
результате укорочения аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу,
объемная тазовая часть модели поворачивалась назад в горизонтальной плоскости.
Одновременно она спонтанно поднималась во фронтальной плоскости и отклонялась
назад в сагиттальной плоскости. В горизонтальной плоскости в шарнире модели
сначала уменьшался угол пронации, которая затем сменилась супинацией. Во
фронтальной плоскости в шарнире модели на первом этапе уменьшался угол приведения,
а потом началось отведение. В сагиттальной плоскости в шарнире модели
изначально наблюдалось сгибание, которое в конце сменилось разгибанием.
По мере отклонения объемной тазовой части назад в
горизонтальной плоскости и ее подъема вверх значение усилия, которое регистрировал
динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, нарастало.
При достижении предельного укорочения аналога комплекса коротких мышц,
вращающих бедро наружу, достижения максимального отведения и супинации в шарнире
модели динамометр зарегистрировал усилие, эквивалентное 3.0 кг. В завершении
опыта высота расположения нагрузки над плоскостью опоры и ее смещение назад достигла
максимума.
В описанном эксперименте мы воспроизвели активный поворот таза, pelvis, назад в горизонтальной плоскости посредством мышц в одноопорном ортостатическом положении. Эксперимент показал, что чем больше угол поворота таза, pelvis, назад, тем большее усилие необходимо создать мышцам супинаторам. Лично нам осуществить поворот таза, pelvis, назад в горизонтальной плоскости не удалось. Данное движение не характерно для обыденной жизни и не происходит при локомоциях. Возможно также, что наши мышцы супинаторы тазобедренного сустава, articulatio coxae, недостаточно тренированы.
Смотри также:
Бедренная часть комбинированной модели тазобедренного сустава
Элементы электромеханической модели тазобедренного сустава человека
Электромеханическая модель без аналогов связок
Упрощение электромеханической модели тазобедренного сустава
Моделирование движений аналога LCF
Упрощенная модель вертлужной впадины
Модель как аналог рычага третьего рода
Моделирование действия веса тела
Имитация взаимодействия средней ягодичной мышцы и LCF
Анализ взаимодействия средней ягодичной мышцы и LCF
Моделирование движений в горизонтальной плоскости
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, электромеханическая модель, средняя ягодичная мышца, короткие ротаторы
Эксперименты и наблюдения