Моделирование взаимодействия аналогов связок и мышц

 

Моделирование взаимодействия аналогов связок и мышц

На настоящем этапе экспериментальных исследований нами изучено взаимодействие комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, средней ягодичной мышцы, musculus gluteus medius, и связок тазобедренного сустава, articulatio coxae, в условиях его нагрузки весом тела.

Нами использована электромеханическая модель тазобедренного сустава, содержащая аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и аналог средней ягодичной мышцы. Кроме этого, объемная тазовая часть соединялась 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.

Изначально мы зафиксировали объемную тазовую часть модели в положении с максимальным поворотом вперед в горизонтальной плоскости (Рис. 1).

Рис. 1. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, содержащая аналог средней ягодичной мышцы, аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и аналоги всех связок (максимальная пронация); вверху – вид сверху, внизу – вид с латеральной стороны.

Аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и аналог средней ягодичной мышцы, максимально удлинялись. Под действием собственного веса объемная тазовая часть с нагрузкой спонтанно поворачивалась вперед в горизонтальной плоскости благодаря эффекту авторотации. Одновременно она наклонялась вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости и отклонялась назад в сагиттальной плоскости. Край объемной тазовой части модели, противоположный шарниру, опускался. В шарнире модели наблюдалось максимально возможное разгибание, приведение и пронация (Рис. 2).

Рис. 2. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, содержащая аналог средней ягодичной мышцы, аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и аналоги всех связок (максимальная пронация); вверху – вид спереди, внизу – вид сзади.

Объемная тазовая часть модели находилась в положении устойчивого равновесия, которое поддерживалось силой реакции аналогов связок (Рис. 3).

Рис. 3. Аналоги связок и аналоги мышц электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью (максимальная пронация); вверху – вид спереди на аналог средней ягодичной мышцы, вертикальную и горизонтальную часть аналога подвздошно-бедренной связки, аналог лобково-бедренной связки, в центре – вид с латеральной стороны на пару трения шарнира, вертикальную и горизонтальную часть аналога подвздошно-бедренной связки, внизу – вид сзади на аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу.

В положении покоя после реализации эффекта автостабилизации длинная ось вертлужного элемента объемной тазовой части модели была отклонена вверх, вперед и в медиальную сторону. Отмечено натяжение аналогов всех наружных связок, на что указывало их прижатие к элементам бедренной части модели. При попытке извлечения проксимального конца аналога связки головки бедренной кости из вертлужного элемента он не смещался в медиальном направлении. Это указывало на его натяжение. Динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и динамометр аналога средней ягодичной мышцы не регистрировали нагрузки. Соответственно, аналоги мышц при максимальном удлинении не влияли на стабильность объемной тазовой части модели. В положении устойчивого равновесия ее поддерживали силы реакции аналогов связок. Они стопорили шарнир в сагиттальной и фронтальной плоскости, а также способствовали стабилизации объемной тазовой части модели в горизонтальной плоскости. Разобщения сферической головки и ответной сферической поверхности вертлужного элемента модели не наблюдалось.

Затем мы зафиксировали объемную тазовую часть модели в положении с максимальным поворотом назад в горизонтальной плоскости (Рис. 4).

Рис. 4. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, содержащая аналог средней ягодичной мышцы, аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и аналоги всех связок (максимальная супинация и отведение при укороченном аналоге средней ягодичной мышцы); вверху – вид сверху, внизу – вид с латеральной стороны.

Для фиксации в избранном положении аналог средней ягодичной мышцы укорачивался до минимума. Это привело к максимальному подъему края объемной тазовой части модели, противоположного шарниру (Рис. 5).

Рис. 5. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, содержащая аналог средней ягодичной мышцы, аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и аналоги всех связок (максимальная супинация и отведение при укороченном аналоге средней ягодичной мышцы); вверху – вид спереди, внизу – вид сзади.

В шарнире модели наблюдалось сгибание, отведение и максимально возможная супинация. Объемная тазовая часть модели находилась в положении устойчивого равновесия. Оно поддерживалось только усилием аналога средней ягодичной мышц и силой реакции отдельных аналогов связок (Рис. 6).

Рис. 6. Аналоги связок и аналоги мышц электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью (максимальная супинация и отведение при укороченном аналоге средней ягодичной мышцы); вверху – вид спереди на аналог средней ягодичной мышцы, вертикальную и горизонтальную часть аналога подвздошно-бедренной связки, аналог лобково-бедренной связки, внизу – вид сзади на аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу и аналог лобково-бедренной связки.

В шарнире имитировано умеренное сгибание, максимальное отведение и супинация. Длинная ось вертлужного элемента объемной тазовой части модели была отклонена назад, вверх и в медиальную сторону. Отмечено натяжение только аналога лобково-бедренной связки. Прочие аналоги наружных связок оказались не натянуты. Об этом свидетельствовал их плавный изгиб без прижатия к элементам бедренной части модели. Визуально уточнить наличие или отсутствие натяжения аналога связки головки бедренной кости не представлялось возможным ввиду его расположения внутри шарнира модели. 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. Динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, не регистрировал какой-либо нагрузки. Динамометр аналога средней ягодичной мышцы зафиксировал усилие, эквивалентное 2.8 кг.

Соответственно, объемная тазовая часть модели стабилизировалась аналогом средней ягодичной мышцы, укороченным до минимума натяжением аналога связки головки бедренной кости и аналогом лобково-бедренной связки. В процессе опыта замечено, что величина сгибания в шарнире модели определялась длиной аналога лобково-бедренной связки. Разобщения сферической головки и ответной сферической поверхности вертлужного элемента модели не наблюдалось.

Далее мы укоротили до минимума аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, а аналог средней ягодичной мышцы удлинили. Объемная тазовая часть модели повернулась назад в горизонтальной плоскости (Рис. 7).

Рис. 7. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, содержащая аналог средней ягодичной мышцы, аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и аналоги всех связок (супинация с укороченным аналогом комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу); вверху – вид сверху, внизу – вид с латеральной стороны.

Край объемной тазовой части модели, противоположный шарниру, незначительно поднялся. Объемная тазовая часть модели умеренно отклонилась назад в сагиттальной плоскости (Рис. 8).

Рис. 8. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, содержащая аналог средней ягодичной мышцы, аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и аналоги всех связок (супинация с укороченным аналогом комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу); вверху – вид спереди, внизу – вид сзади.

В шарнире модели наблюдалась максимальная супинация, умеренное разгибание и отведение. Величина супинации оказалась меньше, чем в предыдущем эксперименте, но появилось разгибание. Объемная тазовая часть модели находилась в устойчивом равновесии. Оно поддерживалось усилием аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и силой реакции отдельных аналогов связок (Рис. 9).

Рис. 9. Аналоги связок и аналоги мышц электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью (супинация с укороченным аналогом комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу); вверху – вид спереди на аналог средней ягодичной мышцы, вертикальную и горизонтальную часть аналога подвздошно-бедренной связки, аналог лобково-бедренной связки, в центре – вид с латеральной стороны на пару трения шарнира, вертикальную и горизонтальную часть аналога подвздошно-бедренной связки, внизу – вид сзади на аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу.

Подмечена связь между разгибанием и супинацией. Она была обусловлена фиксированной длиной аналога лобково-бедренной связки. Данный элемент натягивался при повороте объемной тазовой части модели назад в горизонтальной плоскости. В конечном положении длинная ось вертлужного элемента объемной тазовой части модели отклонялась назад, вверх и в медиальную сторону. Мы не наблюдали натяжение аналогов наружных связок, за исключением аналога лобково-бедренной связки. Об этом свидетельствовал их плавный изгиб без прижатия к элементам бедренной части модели. При попытке извлечения проксимального конца аналога связки головки бедренной кости из вертлужного элемента он не смещался в медиальном направлении. Это указывало на его натяжение. Динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, зафиксировал нагрузку 2.0 кг. Динамометр аналога средней ягодичной мышцы, наоборот, не регистрировал усилия.

Соответственно, укороченный аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, натяжение аналога связки головки бедренной кости и аналога лобково-бедренной связки определяли имеющееся в шарнире отведение, супинацию и разгибание. Разобщения сферической головки и ответной сферической поверхности вертлужного элемента модели не наблюдалось.

Эксперименты продемонстрировали, что после завершения авторотации в позиции автостабилизации объемная тазовая часть модели находилась в устойчивом равновесии благодаря натяжению аналогов связок тазобедренного сустава. Они стопорили шарнир модели одновременно в трех плоскостях без аналогов мышц. В позиции супинации, сочетающейся с максимальным отведением и умеренным сгибанием, объемная тазовая часть модели находилась в положении устойчивого равновесия благодаря натяжению аналога связки головки бедренной кости и аналога лобково-бедренной связки при участии аналога средней ягодичной мышцы. В позиции супинации, сочетающейся с умеренным отведением и разгибанием, объемная тазовая часть модели находилась в устойчивом равновесии благодаря натяжению аналога связки головки бедренной кости и аналога лобково-бедренной связки при участии аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу. Описанные опыты показали, что наряду с короткими мышцами, вращающими бедро наружу, средняя ягодичная мышца, musculus gluteus medius, также может являться супинатором в тазобедренном суставе, articulatio coxae.

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  

Обсуждение регулируемого 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 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