Моделирование эффекта автостабилизации

Моделирование эффекта автостабилизации путем имитации действия веса тела при отсутствии мышц 

В ортостатической позе общий центр масс тела располагается выше, медиальнее и позади от центра опорного тазобедренного сустава, articulatio coxae. Мы воспроизвели означенную локализацию общего центра масс на электромеханической модели тазобедренного сустава человека с аналогами связок, а именно: аналог вертикальной части подвздошно-бедренной связки, аналог горизонтальной части подвздошно-бедренной связки, аналог седалищно-бедренной связки, аналог лобково-бедренной связки, аналог связки головки бедренной кости. С означенной целью к крайнему отверстию грузового кронштейна объемной тазовой части прикреплялась стандартная для наших экспериментов нагрузка массой 1 кг (Рис. 1).

Рис. 1. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека с аналогами связок и прикрепленной к грузовому кронштейну нагрузкой (вид сзади).

Присоединение нагрузки к грузовому кронштейну обусловило спонтанный наклон объемной тазовой части модели назад в сагиттальной плоскости. Тем самым в шарнире модели сымитировано разгибание. Во фронтальной плоскости объемная тазовая часть модели наклонилась вниз в медиальную сторону, что воспроизвело в шарнире модели приведение. Одновременно объемная тазовая часть модели повернулась вперед в горизонтальной плоскости. В результате в шарнире модели возникло положение пронации. Описанное комплексное вращательное движение объемной тазовой части модели явилось проявлением эффекта авторотации. Перемещение объемной тазовой части модели завершилось спонтанно. Она остановилась в устойчивой позиции, что ранее нами было обозначено как эффект автостабилизации (Рис. 2).

Рис. 2. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека с аналогами связок (воспроизведение эффекта автостабилизации); вверху – вид спереди, в центре – вид с латеральной стороны, внизу – вид сверху.

При указанном варианте прикрепления нагрузки объемная тазовая часть модели находилась в устойчивом положении одновременно в трех плоскостях. Тенденции к спонтанному поступательному или вращательному смещению не наблюдалось. После реализации эффекта автостабилизации объемная тазовая часть модели максимально наклонялась вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости, назад в сагиттальной плоскости и поворачивалась вперед в горизонтальной плоскости. Дополнительное внешнее усилия для стабилизации объемной тазовой части модели не требовалось. После обретения покоя объемной тазовой части модели проанализировано положение в шарнире, ориентация аналогов связок, наличие либо отсутствие их натяжения (Рис. 3).

a

b

c

d
Рис. 3. Аналоги связок электромеханической модели тазобедренного сустава человека с аналогами связок (воспроизведение эффекта автостабилизации); a – вид спереди, b – вид сзади, c – вид с латеральной стороны, d – вид сверху; условные обозначения: liv - вертикальная часть аналога подвздошно-бедренной связки, ligamentum iliofemorale, lih - горизонтальная часть аналога подвздошно-бедренной связки, ligamentum iliofemorale, li - аналог седалищно-бедренной связки, ligamentum ischiofemorale, lp - аналог лобково-бедренной связки, ligamentum pubofemorale, lcf – проксимальная часть аналога связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris.

По завершению реализации эффекта автостабилизации длинная ось вертлужного элемента объемной тазовой части модели была отклонена вперед, вверх и в медиальную сторону. Разобщения сферической головки шарнира и ответной сферической поверхности вертлужного элемента модели не наблюдалось. В горизонтальной плоскости длинная ось вертлужного элемента объемной тазовой части модели совпадала по направлению с продольной осью шейки-головки бедренной части модели. Ранее она нами развернута вперед на угол 15°.

Нагрузка, прикрепленная к объемной тазовой части, вызвала спонтанное натяжение аналогов всех связок. Вертикальная часть аналога подвздошно-бедренной связки, аналог лобково-бедренной связки и аналог седалищно-бедренной связки оказались «закручены» вокруг шейки бедренной части модели. Означенные аналоги наружных связок плавно огибали шейку бедренной части модели и прижимались к ней. Натянутая горизонтальная часть аналога подвздошно-бедренной связки имела направление сверху-вниз, изнутри-кнаружи, спереди-назад. Визуально уточнить наличие или отсутствие натяжения аналога связки головки бедренной кости не представлялось возможным ввиду его расположения внутри шарнира модели. Однако при попытке извлечения проксимального конца аналога связки головки бедренной кости из вертлужного элемента, он не смещался в медиальном направлении. Это указывало на наличие его натяжения. Натянутые аналоги связок препятствовали дальнейшему увеличению в шарнире модели приведения, пронации и разгибания. В шарнире модели возможно было воспроизвести сгибание, отведение и супинацию. При этом противодействие оказывал вес прикрепленной к объемной тазовой части модели нагрузки. В случае имитации супинации отмечалось появление силы, стремящегося вернуть объемную тазовую часть в первоначальное положение пронации. Данное усилие, вращающее объемную тазовую часть в горизонтальной плоскости вперед, порождал вес объемной тазовой части модели с прикрепленной нагрузкой. Натянутые и закрученные вокруг шейки бедренной части модели вертикальная часть аналога подвздошно-бедренной связки, аналог лобково-бедренной связки и аналог седалищно-бедренной связки, а также натянутый аналог связки головки бедренной кости обеспечили прижатие вертлужного элемента тазовой части модели к сферической головке бедренной части модели. Это препятствовало попытке медиального смещения объемной тазовой части модели и обуславливало эффект автолатерализации.

Соответственно, положение автостабилизации объемной тазовой части модели поддерживалось взаимодействием натянутых аналогов всех связок, циркулярным соприкосновением поверхностей пары трения шарнира модели, а также действием веса объемной тазовой части и нагрузки при локализации общего центра масс позади, выше и медиальнее от центра вращения шарнира.

При реализации эффекта автостабилизации во фронтальной плоскости шарнир модели стопорился натянутым аналогом связки головки бедренной кости и горизонтальной частью аналога подвздошно-бедренной связки. В описанном варианте нагрузки модель представляла собой аналог рычага первого рода. Объемной тазовой части с грузом во фронтальной плоскости противодействовали аналоги связок, располагающиеся как снаружи, так и внутри шарнира. Причем аналог связки головки бедренной кости находился медиальнее, а горизонтальная часть аналога подвздошно-бедренной связки – латеральнее центра шарнира (Рис. 4).

Рис. 4. Схема условия равновесия объемной тазовой части модели во фронтальной плоскости при реализации эффекта автостабилизации; условные обозначения: О – центр шарнира модели, ОЦМ – положение общего центра масс объемной тазовой части модели, зеленая стрелка – направление вектора силы реакции горизонтальной части аналога подвздошно-бедренной связки, синяя стрелка mg – вектор действия веса объемной тазовой части модели с нагрузкой (медиальнее центра вращения системы), отрезок АО – плечо силы реакции горизонтальной части аналога подвздошно-бедренной связки, отрезок ОВ – плечо веса объемной тазовой части модели с нагрузкой, оранжевая стрелка F_lcf – вектор силы реакции аналога связки головки бедренной кости, ОС – плечо силы реакции аналога связки головки бедренной кости.

Натяжение аналога связки головки бедренной кости и горизонтальной части аналога подвздошно-бедренной связки стопорило шарнир модели во фронтальной плоскости и стабилизировало в ней объемную тазовую часть модели.

Эксперимент продемонстрировал, что в стабилизации тазобедренного сустава, articulatio coxae, во фронтальной плоскости может участвовать связка головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, и горизонтальная часть подвздошно-бедренной связки, ligamentum iliofemorale. Расчет усилий, действующих во фронтальной плоскости в области шарнира модели, и нагрузка, воздействующая на сферическую головку шарнира, возможно произвести из формулы условия равновесия рычага первого рода.

В сагиттальной плоскости объемная тазовая часть модели также оказалась подобной рычагу первого рода. Весу объемной тазовой части с нагрузкой противодействовали аналоги связок, располагающиеся снаружи шарнира, а именно: вертикальная часть аналога подвздошно-бедренной связки, аналог лобково-бедренной связки и аналог седалищно-бедренной связки (Рис. 5).

Рис. 5. Схема условия равновесия объемной тазовой части модели во фронтальной плоскости при реализации эффекта автостабилизации; условные обозначения: О – центр шарнира модели, ОЦМ – положение общего центра масс объемной тазовой части модели, зеленая стрелка – направление вектора силы реакции вертикальной части аналога подвздошно-бедренной связки, синяя стрелка mg – вектор действия веса объемной тазовой части модели с нагрузкой (позади центра вращения системы); отрезок АО – плечо силы реакции вертикальной части аналога подвздошно-бедренной связки, отрезок ОВ – плечо веса объемной тазовой части модели с нагрузкой, оранжевая стрелка F_li+lp – вектор силы реакции аналога седалищно-бедренной и лобково-бедренной связки, СО – плечо силы реакции аналога седалищно-бедренной и лобково-бедренной связки.

Натянутые и закрученные вокруг шейки бедренной части модели вертикальная часть аналога подвздошно-бедренной связки, аналог лобково-бедренной связки и аналог седалищно-бедренной связки стопорили шарнир модели в сагиттальной плоскости и стабилизировали в ней объемную тазовую часть модели. Аналог связки головки бедренной кости в сагиттальной плоскости находился в проекции центра вращения шарнира. В связи с чем сила его реакции не влияла на устойчивость объемной тазовой части модели в сагиттальной плоскости.

В современной литературе обычно указывается, что в сагиттальной плоскости таз, pelvis, стабилизируется только подвздошно-бедренной связкой, ligamentum iliofemorale (Скворцов Д.В., 2007). Поставленный нами эксперимент показал, что в стабилизации тазобедренного сустава, articulatio coxae, в сагиттальной плоскости, кроме подвздошно-бедренной связки, ligamentum iliofemorale, могут участвовать лобково-бедренная связка, ligamentum pubofemorale, и седалищно-бедренная связка, ligamentum ischiofemorale. Расчет усилий, действующих во фронтальной плоскости в области шарнира модели, а также нагрузка, действующая на сферическую головку шарнира, могут быть найдены из формулы для условия равновесия рычага первого рода.

Таким образом, эффект автостабилизации является результатом одновременного натяжения всех связок тазобедренного сустава, articulatio coxae. Его реализация возможна в одноопорной ортостатической позе при локализации общего центра масс тела выше, медиальнее и позади опорного тазобедренного сустава, articulatio coxae. Теоретически комплексное натяжение связок означенного сустава может обеспечить стабильность таза, pelvis, без участия мышц. 

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 функции LCF 

Моделирование действия веса тела 

Имитация взаимодействия средней ягодичной мышцы и LCF 

Анализ взаимодействия средней ягодичной мышцы и LCF

Моделирование движений в горизонтальной плоскости 

Моделирование супинации 

Моделирование эффекта авторотации  

Обсуждение эффекта авторотации 

Моделирование перемещения общего центра масс тела 

Моделирование взаимодействия наружных связок и LCF 

                                                                     

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 усовершенствовали 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

Экспериментальные исследования на обсуждаемой модели начались в 2009 году. Полная сборка конструкции описана в заявка на изобретение RU2009124926A. Впервые полную версию представленного выше экспериментального материала мы опубликовали в пятнадцатой главе третьего тома монографии с юмором названой «Биомеханика пингвинов» (2018) [academia.edu]. Данная работа написана для личного использования и узкого круга лиц. В книге собраны, систематизированы и проанализированы результаты 25-ти лет изучения ligamentum capitis femoris и смежных тем. 

Расшифровку цитированных источников смотри в Списке литературы.

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

 СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

Эксперименты и наблюдения

1991-2021АрхиповСВ