Обсуждение регулируемого эффекта авторотации

 

Обсуждение регулируемого эффекта авторотации

В ранее поставленном эксперименте при увеличении длины аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, реализовывался эффект авторотации. Он обеспечивал поворот вперед и наклон вниз в медиальную сторону объемной тазовой части модели. Аналогичное явление наблюдалось и при увеличении длины аналога средней ягодичной мышцы. В обоих случаях движение начиналось из положения с максимально возможной супинацией и отведения в шарнире модели. Заканчивалось перемещение объемной тазовой части после достижения максимально возможной пронации и приведения в шарнире модели. В крайнем положении воспроизводился эффект автостабилизации объемной тазовой части. При этом в шарнире модели воспроизводилось максимальное разгибание.

Для уточнения динамики изменения положения объемной тазовой части при увеличении длины аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, мы произвели его удлинение, используя электропривод с гибким валом. Собранная для эксперимента модель содержала объемную тазовую часть, соединенную с бедренной частью аналогами всех связок. Их перечень включал: аналог вертикальной части подвздошно-бедренной связки, аналог горизонтальной части подвздошно-бедренной связки, аналог седалищно-бедренной связки, аналог лобково-бедренной связки и аналог связки головки бедренной кости. К грузовому кронштейну объемной тазовой части подвешивалась стандартная в наших экспериментах нагрузка массой 1 кг. Указанное воспроизводило положение общего центра масс тела выше, медиальнее и позади от центра опорного тазобедренного сустава, articulatio coxae. Кроме этого, модель дополнялась аналогом комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу.

Изменение положения объемной тазовой части электромеханической модели тазобедренного сустава человека с аналогами всех связок и нагруженной объемной тазовой частью регистрировалось с помощью видеокамеры, расположенной с латеральной стороны от модели. 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 регулируемого эффекта авторотации на электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, аналогами связок и аналогом комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу; кадры видеозаписи эксперимента с интервалом в 1 секунду (вид с латеральной стороны).

Удлинение аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, происходило с постоянной скоростью. Она определялась скоростью вращения электропривода. Кроме указанного, никаких других воздействий на электромеханическую модель тазобедренного сустава 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 уменьшалась величина угла супинации, которая сменялась пронацией. Во фронтальной плоскости в шарнире модели сначала уменьшался угол отведения, которое сменялось приведением. В сагиттальной плоскости в шарнире модели изначально наблюдалось сгибание, которое сменялось разгибанием.

При ускоренном вращении электропривода перемещение объемной тазовой части модели происходили быстрее и наоборот, снижение скорости вращение электропривода обуславливало замедленное изменение ее положения. Движение объемной тазовой части вперед в горизонтальной плоскости совершался до угла пронации 15°. Во фронтальной плоскости наклон вниз в медиальную сторону достигал 7° приведения. В крайнем положении в сагиттальной плоскости наблюдался угол разгибания, равный 15°. После достижения означенных значений движение объемной тазовой части модели прекращалось. Оно не возобновлялось, несмотря на продолжающееся удлинение аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу.

В крайней позиции шарнир модели стопорился одновременно во фронтальной, сагиттальной и горизонтальной плоскости натянутыми аналогами связок. Стабилизацию объемной тазовой части обеспечивали силы реакции поверхностей пары трения и аналогов связок, возникавших при действии веса объемной тазовой части модели с нагрузкой. Причем на первом этапе результирующая сила порождала движение, а на втором его прекращала.  Пронация, приведение и разгибание происходили благодаря трансформации потенциальной энергии силы тяжести в кинетическую. Аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, регулировал скорость перемещения объемной тазовой части модели и ее позицию в горизонтальной плоскости в конкретный момент времени. Положение объемной тазовой части модели во фронтальной плоскости определялось ориентацией аналога связки головки бедренной кости. В сагиттальной плоскости ориентация объемной тазовой части модели зависела от натяжения аналогов наружных связок.

В результате взаимодействия аналогов связок, аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и веса объемной тазовой части модели она вращалась одновременно в горизонтальной, сагиттальной и фронтальной плоскости. При этом нагрузка, подвешенная к ней, смещалась в медиальную сторону, вниз и вперед благодаря эффекту авторотации. В итоге общий центр масс объемной тазовой части модели оказывался в положении с наименьшей высотой расположения над плоскостью опоры. Остановка объемной тазовой части были обусловлены эффектом автостабилизации и стопорения шарнира модели. Мы не отметили принципиальных отличий в перемещении объемной тазовой части модели при этапном и непрерывном удлинении аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу.

Усилие, которое регистрировал динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, изменялось в зависимости от поворота объемной тазовой части вперед в горизонтальной плоскости. Оно было максимальным в крайней позиции с максимальным отведением и супинацией шарнира. По мере реализации эффекта авторотации, приводившего к спонтанной пронации, усилие, регистрируемое динамометром, уменьшалось и становилось равным нулю после реализации эффекта автостабилизации.

Для фиксации изменений показаний динамометра, а значит, и усилия, удерживающего объемную тазовую часть от спонтанного смещения вперед, мы использовали видеокамеру. Она располагалась сзади модели и регистрировала одновременно положение объемной тазовой части модели во фронтальной плоскости и показания динамометра. Полученные видеозаписи обрабатывались и изучались на персональном компьютере. Кадры одной из видеозаписей с интервалом в 1 с представлены на серии рисунков (Рис. 2).

Рис. 2. Воспроизведение регулируемого эффекта авторотации на электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, аналогами связок и аналогом комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу; кадры видеозаписи эксперимента с интервалом в 1 секунду (вид сзади).

В начальном положении объемной тазовой части модели с максимальной супинацией и отведением в шарнире показания динамометра составили 2.6 кг. По мере реализации эффекта авторотации усилие, которое регистрировал динамометр, уменьшалось постепенно. Оно полностью исчезало в конечной позиции объемной тазовой части модели с максимальной пронацией и приведением в шарнире при реализации эффекта автостабилизации.

Таким образом, максимальным показаниям динамометра соответствовали: наибольшая высота расположения общего центра масс объемной тазовой части модели над плоскостью опоры и наибольшая величина супинации и отведения в шарнире. Минимальным показаниям динамометра соответствовали: наименьшая высота расположения общего центра масс объемной тазовой части над плоскостью опоры и наибольшая величина угла пронации, приведения и разгибания в шарнире модели. Соответственно, в начальной позиции перед началом реализации эффекта авторотации потенциальная энергия объемной тазовой части модели была максимальна. При реализации эффекта авторотации потенциальная энергия объемной тазовой части модели трансформировалась в кинетическую энергию движения ее общего центра масс вперед и в медиальном направлении. В конечной позиции уменьшающаяся сила, перемещавшая объемную тазовую часть вперед, вниз и медиально, уравнивалась с результирующей силой реакции аналогов связок и поверхностей пары трения. Шарнир модели стопорился одновременно в трех плоскостях, а объемная тазовая часть стабилизировалась в предсказуемом положении. Причем блокировались как вращательные, так и поступательные движения объемной тазовой части модели. Конфигурация пары трения препятствовала ее смещению вверх, вниз, вперед, назад и латерально. Комплексное натяжение аналогов связок прижимало объемную тазовую часть к сферической головке бедренной части модели. Указанное блокировало поступательное смещение в шарнире модели в медиальном направлении. Эффект автолатерализации, реализующийся благодаря натяжению аналога связки головки бедренной кости, усиливался за счет специфического натяжения аналогов наружных связок. Последние закручивались относительно длинной оси шейки бедренной части модели, а их противоположенные области крепления сближались.

В описанном эксперименте аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, функционировал в уступающем режиме. Перемещение объемной тазовой части модели с нагрузкой происходило в результате действия силы тяжести. Ее вектор изменяли силы реакции контактирующих поверхностей пары трения шарнира и силы реакции аналогов связок. В опытах с воспроизведением эффекта авторотации при наличии аналога средней ягодичной мышцы мы наблюдали подобное явление.

Эксперименты на электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью и аналогами связок доказывают, что при ходьбе комплекс коротких мышц, вращающих бедро наружу, и средняя ягодичная мышца, musculus gluteus medius, функционируют в уступающем режиме. Координируя свою длину и усилие, взаимодействуя со связочным аппаратом в гравитационном поле Земли, мышцы обеспечивают контролируемую плавную пронацию, разгибание и приведение в тазобедренном суставе, articulatio coxae. С нашей точки зрения означенное определяет скорость и амплитуду перемещения таза, pelvis, в середине одноопорного периода шага. У человека отсутствуют мышцы, вызывающие исключительно пронацию в тазобедренном суставе, articulatio coxae, и поворот таза, pelvis, вперед в горизонтальной плоскости. Имеются лишь мышцы факультативно способные повернуть бедро, os femur, наружу в горизонтальной плоскости. К ним относят: передние волокна средней ягодичной мышцы, musculus gluteus medius, малую ягодичную мышцу, musculus gluteus minimus, и мышцу, напрягающую широкую фасцию бедра, musculus tensor fascia lata.  Суммарная мощность данных мышц эквивалентна 54 кг, что в три раза меньше, чем супинаторов – 146 кг (Капанджи А.И., 2010).

Нами проанализированы графики движений таза, pelvis, в разных плоскостях при ходьбе, получены с использованием Оптической системы анализа движений (Рис. 3).

Рис. 3. 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 программы), вертикальные красные и зеленые линии отмечают соответствующие периоды шага.

После перехода к одноопорному периоду шага таз, pelvis, наклоняется вниз в медиальную сторону и поворачивается вперед в латеральную сторону. Принимая во внимание данные экспериментов, мы полагаем, что в начале одноопорного периода шага разворот таза, pelvis, в горизонтальной плоскости происходит спонтанно под действием веса тела благодаря эффекту авторотации в опорном тазобедренном суставе, articulatio coxae. Суммарно более мощные мышцы супинаторы в одноопорном периоде шага функционируют в уступающем режиме и постепенно удлиняются. Их антагонисты мышцы пронаторы позволяют более точно поддерживать необходимую скорость спонтанного вращения таза, pelvis., а также должный угол его поворота. При скоротечном неконтролируемом перемещении таза, pelvis, в конечной фазе его движения возникали бы значительные динамические нагрузки на связку головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, и наружные связки, ligamentum extracapsularia, тазобедренного сустава, articulatio coxae. Во время ходьбы натяжение связок происходит постепенно и согласованно. Нагрузки на них гасятся мышцами отводящей группы и супинаторами, которые, в свою очередь, контролируются своими антагонистами: пронаторами и аддукторами.

По нашему мнению, комплекс коротких мышц, вращающих бедро наружу, и отводящая группа мышц активно функционируют в переносной период шага. В означенный интервал переносная нога разворачивается наружу, отводится и сгибается в тазобедренном суставе, articulatio coxae. В результате достигается необходимая величина супинации и отведения к моменту начала опорного периода шага. При этом проксимальная область крепления связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, смещается назад, вверх и в латеральном направлении. Непосредственно связка головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, принимает положение, близкое к горизонтальному. Одновременно наружные связки, ligamentum extracapsularia, расслабляются.  В момент начала одноопорного периода шага связка головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, натягивается. Ее проксимальная область крепления перемещается вперед, вниз и в медиальную сторону. Связка головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, остается натянутой до конца одноопорного периода шага. При этом происходит постепенное натяжение наружных связок, ligamentum extracapsularia. К концу одноопорного периода шага нагрузка на указанные структуры достигает максимума, а следовательно, и их сила реакции.

Для поворота кнаружи переносимой конечности нет необходимости в значительном усилии мышц супинаторов, а при спонтанном повороте таза, pelvis, вперед и кнаружи в одноопорном периоде шага практически не требуется участие мышц пронаторов. Этим мы можем объяснить малые размеры коротких мышц тазобедренного сустава, articulatio coxae, вращающих бедро, os femur, наружу, и незначительное число мышц пронаторов. Сложно организованный, прочный связочный аппарат тазобедренного сустава, articulatio coxae, также объясняет незначительную суммарную силу отводящей группы мышц, особенно его средней и передней части. Большая ягодичная мышца, musculus gluteus maximus, как известно, лишь частично способна участвовать в отведении бедра, os femur (Капанджи А.И., 2010).

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 

Моделирование эффекта автостабилизации

Моделирование взаимодействия веса тела и отводящей группы мышц 

Эффект авторотации с аналогом отводящей группы мышц 

Измерение силы, вызывающей авторотацию 

Воспроизведение спонтанной авторотации

Воспроизведение управляемой 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 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