Обсуждение эффекта авторотации
В эксперименте по изучению эффекта авторотации на электромеханической модели тазобедренного сустава усилие аналога комплекса коротких
мышц, вращающих бедро наружу, нарастало соразмерно отклонению объемной тазовой
части назад и латерально в горизонтальной плоскости с одновременным смещением
ее вверх во фронтальной плоскости. В крайнем положении объемной тазовой части величина
усилия, зарегистрированная динамометром аналога комплекса коротких мышц,
вращающих бедро наружу, достигала максимальной. При этом плечо веса объемной
тазовой части модели было минимальным по причине наибольшего отведения в
шарнире. Парадокс возможно объяснить тем, что при максимальной супинации и
отведения возникает некая сила, направленная вперед, которой противодействовал
аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу. После завершения спонтанной
ротации объемная тазовая часть останавливалась с поворотом вперед. В этот
момент сила, перемещавшая ее, прекращала свое действие. Иными словами, в
положении крайней пронации в шарнире модели она оказывалась равна нулю.
Мы проанализировали эксперименты на трехмерной модели головки бедренной кости, а также колебательные движения аналога связки головки бедренной кости, в том числе нагруженного на бедренной части электромеханической модели, а также с использованием упрощенной модели вертлужной впадины, и электромеханической модели тазобедренного сустава с объемной тазовой частью. По нашему мнению, перемещение объемной
тазовой части модели при реализации эффекта авторотации происходило благодаря
изначальному отклонению аналога связки головки бедренной кости от вертикального
положения.
В наших экспериментах дистальный конец аналога
связки головки бедренной кости прикреплялся к головке модели в конкретной точке
и был неподвижен. Относительно дистальной области крепления перемещался проксимальный
конец аналога связки головки бедренной кости. В отдельных случаях к нему
подвешивалась нагрузка, в других он присоединялся к аналогу вертлужной впадины.
При моделировании движений аналога связки головки бедренной кости обязательным
условием являлось его натяжение. В реальном тазобедренном суставе, articulatio coxae, натяжение
связки головки бедренной кости, ligamentum
capitis femoris, достижимо при супинации, пронации и приведении бедра, os femur. То же самое возможно в ортостатической
позе при наклоне таза, pelvis, вниз в медиальную сторону, его повороте назад или вперед в
горизонтальной плоскости. В экспериментах натяжение аналога связки головки
бедренной кости воспроизводилось путем подвешивания к нему нагрузки, а также
при изменении положения тазовой части модели. В обоих случаях к проксимальному
концу аналога связки головки бедренной кости прикладывалась сила, эквивалентная
весу тазовой части модели с нагрузкой либо изолированного груза.
В экспериментах на муляже тазобедренного сустава
нам удалось выяснить, что в положении приведения муляжа бедра с пронацией 10-15°
и наклоне муляжа таза вниз в медиальную сторону с его поворотом вперед в
горизонтальной плоскости и отклонением назад в сагиттальной плоскости аналог связки головки бедренной кости располагался вертикально. Воспроизведение
пронации или супинации из данного положения путем поворота муляжа таза в
горизонтальной плоскости приводило к смещению аналога
связки головки бедренной кости и его проксимальной области крепления. При пронации проксимальная
область крепления перемещалась вперед, вверх и в латеральном направлении, при
супинации – назад, вверх и в латеральном направлении (Рис. 1).
 |
| Рис. 1. Схематичное изображение головки бедренной кости правой нижней конечности (вид с медиальной стороны); условные обозначения: О – центр ямки головки бедренной кости, отрезок ОА – натянутая связка головки бедренной кости в положении приведения без пронации или супинации, А – проксимальная область крепления связки головки бедренной кости в положении приведения без пронации или супинации, С – локализация проксимальной области крепления связки головки бедренной кости в крайнем положении пронации и отведения, отрезок ОС – положение натянутой связки головки бедренной кости при пронации и отведении, В – локализация проксимальной области крепления связки головки бедренной кости в крайнем положении супинации и отведения, отрезок ОВ – положение натянутой связки головки бедренной кости при супинации и отведении. |
Соответственно, при пронации и супинации в сагиттальной
плоскости натянутая связка головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, совершает движения напоминающие движения, математического маятника. Это
позволяет распространить на нее закономерности колебаний маятника с верхней
точкой подвеса.
В ортостатическом положении и при ходьбе верхней
точкой подвеса связки головки бедренной кости, ligamentum
capitis femoris, является ямка головки бедренной кости, fovea capitis femoris. Длина связки
головки бедренной кости,
ligamentum capitis femoris, которую мы рассматриваем как маятник, есть расстояние между ближайшей
дистальной и проксимальной областью крепления. Это оговорка объясняется тем,
что отдельные волокна связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, проникают в костное вещество головки бедренной кости, caput femoris, и
вертлужной впадины,
acetabulum, а также вплетаются поперечную связку вертлужной впадины, ligamentum
transversum acetabuli, и даже запирательную перепонку, membrane obturatoria. Закономерно, что в означенных анатомических образованиях
связка головки бедренной кости, ligamentum
capitis femoris, не может перемещаться подобно маятнику.
При смене одноопорных и двухопорных поз бедро, os femur, изменяет свое
положение в пространстве, а значит, и дистальная область крепления связки
головки бедренной кости,
ligamentum capitis femoris. Это существенно усложняет расчеты усилий, действующих в области
тазобедренного сустава,
articulatio coxae, и связки
головки бедренной кости,
ligamentum capitis femoris. Поэтому, в упрощенном виде, который мы будем далее обсуждать, принято,
что дистальная область крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, неподвижна, а перемещается только ее проксимальная область крепления.
В норме связка головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, в положении максимального приведения без пронации и супинации отклонена
от вертикали во фронтальной плоскости. Указанное связано с тем, что ее дистальная
область крепления располагается латеральнее проксимальной. Означенное можно наблюдать
на рентгенограмме таза, pelvis, стоящего
человека. Это обуславливает появление усилия, прижимающего вертлужную впадину, acetabulum, таза, pelvis, к головке
опорной бедренной кости, caput femoris.
В данном разделе для упрощения расчетов мы не будем
учитывать усилия, действующие на связку головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, во фронтальной плоскости. Кроме этого, принято, что максимально возможный
угол приведения в тазобедренном суставе, articulatio
coxae,
наблюдается в исходном положении при пронации 15°. Мы
также условились, что в указанной позиции связка головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, располагается отвесно.
Нагрузка, действующая на связку головки бедренной
кости,
ligamentum capitis femoris, у вертикально стоящего человека, приложена к ее проксимальной области
крепления. При этом величина действующей силы, зависит
от веса тела, усилия отводящей группы мышц и величины плеча: момента связки головки
бедренной кости,
ligamentum capitis femoris, отводящей группы мышц и веса тела. Расчет нагрузки, действующей на
связку головки бедренной кости, ligamentum
capitis femoris, может быть произведен из формулы для условия равновесия рычага первого
рода.
При ходьбе в условиях гравитационного поля Земли к
проксимальному концу связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, приложена сила, направленная к центру планеты. В упрощенном виде она отвесна.
Указанное возможно при натяжении связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, за счет наклона таза, pelvis, вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости и предельного приведения
в тазобедренном суставе,
articulatio coxae. В свою очередь,
его угол зависит от величины пронации или супинации, которые обуславливают отклонение
связки головки бедренной кости, ligamentum
capitis femoris, в сагиттальной плоскости (Рис. 2).
 |
| Рис. 2. Схематичное изображение головки бедренной кости правой нижней конечности (вид с медиальной стороны); условные обозначения: mg – нормальная составляющая силы тяжести приложенная, к проксимальному концу связки головки бедренной кости, красная стрелка – направление действия усилия, приложенного к проксимальному концу связки головки бедренной кости, О – центр ямки головки бедренной кости, отрезок ОА – связка головки бедренной кости в положении приведения без пронации и супинации, А – проксимальная область крепления связки головки бедренной кости в положении приведения без пронации и супинации, С – локализация проксимальной области крепления связки головки бедренной кости в крайнем положении пронации и отведения, отрезок ОС – положение связки головки бедренной кости при пронации и отведении, В – локализация проксимальной области крепления связки головки бедренной кости в крайнем положении супинации и отведения, отрезок ОB – положение связки головки бедренной кости при супинации и отведении. |
В связи с тем, что плечо веса тела и плечо
отводящей группы мышц при движениях таза, pelvis, изменяется, усилие, приложенное к проксимальному концу связки головки бедренной
кости, ligamentum capitis femoris, отличается от усилия при отвесном положении.
В случае пронации и супинации с отведением в тазобедренном суставе, articulatio coxae, усилие, приложенное к проксимальному
концу связки головки бедренной кости, ligamentum
capitis femoris, будет меньше,
чем при отвесном ее положении. Напряжение приводящей группы мышц его увеличит,
а напряжение отводящей группы мышц, наоборот, уменьшит.
В
начале одноопорного периода шага в тазобедренном суставе, articulatio coxae, наблюдается сгибание, супинация и отведение.
В связи с этим связка головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, отклоняется от исходного положения назад, наружу и вверх. Проксимальная
область крепления связки головки бедренной кости, ligamentum
capitis femoris, по отношению к дистальной находится ниже, позади и латеральнее. Связка
головки бедренной кости,
ligamentum capitis femoris, в начале одноопорного периода шага в проекции на сагиттальную плоскость
отклонена от вертикали (Рис.
3).
 |
| Рис. 3. Схематичное изображение головки бедренной кости правой нижней конечности (вид с медиальной стороны); условные обозначения: α – угол отклонения связки головки бедренной кости в сагиттальной плоскости, mg – нормальная составляющая силы тяжести, приложенная к проксимальному концу связки головки бедренной кости, Ft – тангенциальная составляющая силы тяжести, Fе – сила реакции связки головки бедренной кости, О – центр ямки головки бедренной кости, отрезок ОВ – связка головки бедренной кости в положении супинации и отведения, А – локализация проксимальной области крепления связки головки бедренной кости в положении приведения без пронации и супинации. |
При отклонении связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, из исходного (отвесного) положения на определенный угол появляется тангенциальная
(касательная) составляющая силы тяжести. Она приложена к проксимальному концу
связки головки бедренной кости, ligamentum
capitis femoris. Ее направление совпадает с ускорением в данной точке. Под действием тангенциальной
составляющей силы тяжести проксимальный конец связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, начинает движение по дуге вниз, вперед в медиальном направлении. Связка
головки бедренной кости,
ligamentum capitis femoris, стремиться занять отвесное положение. В момент, когда она принимает
вертикальное положение, проксимальная область крепления находится в самой низкой
точки траектории. При этом ускорение оказывается направленным вертикально вверх,
как и нормальное ускорение математического маятника.
В соответствие со вторым законом Ньютона, в нижней
точке появляется сила, направленная вверх (Рис. 4).
 |
| Рис. 4. Схематичное изображение головки бедренной кости правой нижней конечности (вид с медиальной стороны); условные обозначения: mg – нормальная составляющая силы тяжести, приложенная к проксимальному концу связки головки бедренной кости, Fс – центростремительная сила, О – ямка головки бедренной кости, отрезок ОВ – связка головки бедренной кости в положении супинации и отведения, А – локализация проксимальной области крепления связки головки бедренной кости в положении приведения без ротации и супинации, отрезок ОА – связка головки бедренной кости в положении приведения без пронации и супинации. |
В нижней точке перемещения проксимальной области
крепления связки головки бедренной кости, ligamentum
capitis femoris, сила ее реакции направленна к центру вращения. Указанная центростремительная
сила Fс превышает нормальную составляющую силы тяжести mg. Их разность, которую мы назвали «подъемная сила» Fh разгружает связку головки
бедренной кости,
ligamentum capitis femoris, и кратковременно уменьшает вес тела. Подъемная сила Fh может быть найдена по формуле:
Fh = Fс - mg
Она максимальная, когда угол отклонения связки
головки бедренной кости,
ligamentum capitis femoris, от вертикали равен нулю. По нашему мнению, это является наиболее рациональным
объяснением причины снижения вертикальной реакции опоры в середине одноопорного
периода шага (Winter D.A., 1990; Скворцов Д.В., 2007) (Рис. 5).
 |
| Рис. 5. График изменения вертикальной составляющей реакции опоры при ходьбе в норме (фрагмент отчета Оптической системы анализа движений в обработке программой компании C-Motion); условные обозначения: синей стрелкой нами указан минимум, зеленая кривая – график изменения вертикальной составляющей реакции опоры для левой ноги; красная кривая – график изменения вертикальной составляющей реакции опоры для правой ноги, черная кривая – среднестатистическое изменение вертикальной составляющей реакции опоры (норма по данным разработчиков Оптической системы анализа движений). |
В случае, когда момент инерция движения оказывается
равным нулю, поворот таза, pelvis, в
горизонтальной и сагиттальной плоскости останавливается, что объясняет затухание
эффекта автостабилизации.
При коксартрозе график изменения вертикальной
составляющей реакции опоры при ходьбе имеет иной вид (Рис. 6).
 |
| Рис. 6. График изменения вертикальной составляющей реакции опоры при двухстороннем коксартрозе (фрагмент отчета Оптической системы анализа движений в обработке программой компании C-Motion); условные обозначения: синей стрелкой указан минимум; зеленая кривая - график изменения вертикальной составляющей реакции опоры для левой ноги, красная кривая - график изменения вертикальной составляющей реакции опоры для правой ноги; черная кривая – среднестатистическое изменение вертикальной составляющей реакции опоры (норма по данным разработчиков Оптической системы анализа движений). |
В середине одноопорного периода шага, у пациентов,
страдающих коксартрозом, вертикальная составляющая реакции опоры равна весу
тела или даже превышает его. Данное явление может мы объясняем тем, что при
коксартрозе нормальное функционирование связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, нарушается, по причине ее повреждения, дистрофического изменения,
удлинения или дислокации областей крепления (Архипов С.В., 2013). Это неизбежно отражается на закономерностях биомеханики ходьбы человека.
В частности, в середине одноопорного периода шага не возникает «подъемная сила»,
которая в норме снижает вертикальную составляющую реакции опоры.
С учетом закономерностей колебания тел, подобных
математическому маятнику, можно ожидать, что в позиции максимальной супинации и
отведения, когда угол отклонения связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, от вертикали максимален, усилие, поворачивающее таз, pelvis, вперед и вниз
и вызывающее эффект авторотации, также достигнет максимума. Чем длиннее связка
головки бедренной кости,
ligamentum capitis femoris, тем больше период возможных колебаний таза, pelvis, и меньше их
частота. Указанным возможно объяснить то, что более высокие субъекты зачастую
ходят с медленнее, чем лица с меньшим ростом. При этом масса субъекта не виляет
на период и частоту колебаний таза, pelvis, и скорость ходьбы, что видно из формулы:
ω2 = g/l,
где ω –
циклическая частота колебаний таза; g – ускорение свободного падения, м/с2; l – длина связки головки бедренной кости, м.
Период колебаний таза – Т, можно быть вычислить, используя выражение:
Т = 2π/ω
Изменение величины усилия, вызывающего авторотацию
таза, pelvis, доказывают
эксперименты по воспроизведению
активного поворота таза, pelvis, в одноопорном
ортостатическом положении на электромеханической модели тазобедренного сустава человека. В положении супинации и отведения в шарнире модели, когда объемная
тазовая часть была повернута назад и в латеральном направлении, а также
отклонена вверх, усилие, которое регистрировал динамометр аналога комплекса коротких
мышц, вращающих бедро наружу, достигало максимума. При повороте объемной
тазовой части вперед и вниз усилие, которое регистрировал динамометр аналога
комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, уменьшалось. Также уменьшалась
высота расположения объемной тазовой части, как и высота проксимальной области
крепления аналога связки головки бедренной кости. В положении покоя усилие,
которое регистрировал динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих
бедро наружу, было минимальным. В определенные моменты появлялось усилие,
которое регистрировал динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих
бедро наружу и в «исходном» положении объемной тазовой части. Оно оказалось обусловлено
нестабильностью в сагиттальной плоскости и наличием стремления объемной тазовой
части наклониться вперед или назад. При максимальном удлинении аналога
комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и наклоне объемной тазовой
части вперед за счет эффекта автостабилизации динамометр аналога комплекса коротких
мышц, вращающих бедро наружу, не регистрировал какого-либо усилия (Рис. 7).
 |
| Рис. 7. Объемная тазовая часть электромеханической модели тазобедренного сустава человека в положении устойчивого равновесия; несмотря на подвешенную нагрузку, динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, не регистрирует усилия. |
Проведенный анализ экспериментов свидетельствует, что даже при расположении общего центра масс выше центра опорного тазобедренного сустава, articulatio coxae, при условии натяжения связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, для поддержания таза, pelvis, в положении равновесия может не требоваться ни усилия отводящей группы мышц, ни усилия комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу.
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
Моделирование эффекта авторотации
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