Имитация перемещения общего центра масс тела при наличии аналогов связок
и мышц
При изучении эффекта авторотации мы отметили, что
объемная тазовая часть электромеханической модели перемещается вперед в
горизонтальной плоскости, наклоняется вниз в медиальную сторону во фронтальной
плоскости и отклоняется назад в сагиттальной плоскости. Визуально в каждой из
плоскостей объемная тазовая часть модели перемещалась по дуге. Примерно также
перемещается таз, pelvis, человека при ходьбе.
Наш анализ результатов исследования походки с
использованием Оптической системы анализа движений позволил выдвинуть гипотезу: в
середине одноопорного периода шага реализуется эффект авторотации. Для
дальнейшего изучения данного эффекта и уточнения пространственной кривой
перемещения общего центра масс тела в середине одноопорного периода шага мы
воспроизвели эффект авторотации с одновременной регистрацией изменения
положения объемной тазовой части модели и общего центра масс.
В экспериментах использовалась электромеханическая модель
тазобедренного сустава человека с объемной тазовой частью, снабженной
аналогом комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу,
аналогом средней ягодичной мышцы и аналогами связок. В частности, нами
воспроизведены: 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. Для имитации локализации общего центра
масс тела, свойственного для одноопорной позы и одноопорного периода шага, к
крайнему отверстию грузового кронштейна объемной
тазовой части модели присоединялась нагрузка массой 1 кг.
Конструкция модели не позволяла нам непосредственно
зафиксировать изменение положения воспроизведенного положения общего центра
масс тела. В связи с указанным нагрузка, подвешенная к объемной тазовой части,
была снабжена тремя источниками света – лазерными указками, ориентированными
перпендикулярно друг другу в трех плоскостях. Источники света находились ниже,
но на одной вертикальной линии с виртуальным расположением общего центра масс. При
смещении объемной тазовой части модели в этом же направлении перемещалась
нагрузка с источниками света, но ниже воспроизведенного естественного положения
общего центра масс тела.
Для
регистрации перемещения нагрузки на основании модели и двух вертикальных
плоскостях мы закрепили масштабно-координатные сетки. После сборки приспособления
для регистрации движения, воспроизведенного на модели естественного положения общего
центра масс тела, выполнено тестирование модели.
Изначально
путем уменьшения длины аналога средней ягодичной мышцы мы зафиксировали объемную тазовую часть модели в положении, при котором она была максимально
повернута назад 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, сзади и справа от основания модели с масштабно-координатной сеткой расположены две вертикальные плоскости с прикрепленными к ним масштабно-координатными сетками (супинация и отведение); вверху – вид сверху, внизу – вид с латеральной стороны. |
В
шарнире модели воспроизведена супинация, отведение и среднее положение между
разгибанием и сгибанием. Объемную тазовую часть модели в устойчивом равновесии
удерживали: аналог средней ягодичной мышцы, укороченный до минимума, а также натянутый
аналог связки головки бедренной кости и аналог лобково-бедренной
связки. На горизонтально расположенной масштабно-координатной сетке мы отметили
проекцию центра шарнира модели. После этого был включен вертикальный источник света,
прикрепленный к нагрузке. Луч лазерной указки, направленный вниз, световым
пятном указал проекцию общего центра масс на горизонтальную плоскость (Рис. 2).
 |
| Рис. 2. Световое пятно на горизонтально расположенной масштабно-координатной сетке; в шарнире электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, аналогами связок, аналогами мышц воспроизведена супинация и отведение (слева под бедренной частью модели обозначена проекция центра шарнира). |
В
месте расположения светового пятна на горизонтальной масштабно-координатной
сетке маркером наносилась отметка. Она представляла собой исходную локализацию
проекции общего центра масс на горизонтальную плоскость в позиции отведения и
супинации.
Затем
нами увеличена длина аналога средней ягодичной мышцы.
Благодаря эффекту авторотации объемная тазовая часть модели повернулась вперед
в горизонтальной плоскости и наклонилась вниз в медиальную сторону во
фронтальной плоскости. Мы зафиксировали объемную тазовую часть модели в среднем положении между пронацией и супинацией (Рис. 3).
 |
| Рис. 3. 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, сзади и справа от основания модели с масштабно-координатной сеткой расположены две вертикальные плоскости с прикрепленными к ним масштабно-координатными сетками (среднее положение между пронацией и супинацией); вид сверху. |
Одновременно
в шарнире модели возникло среднее положение между приведением и отведением, а
также среднее положение между разгибанием и сгибанием. Объемную тазовую часть модели в устойчивом равновесии удерживали удлиненный
аналог средней ягодичной мышцы и натяжение аналога связки головки бедренной
кости.
После
этого нами вновь включен вертикальный источник света, прикрепленный к нагрузке.
Луч лазерной указки, направленный вниз, световым пятном указал проекцию общего
центра масс на горизонтальную плоскость (Рис. 4).
 |
| Рис. 4. Световое пятно на горизонтально расположенной масштабно-координатной сетке; в шарнире электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, аналогами связок, аналогами мышц воспроизведено среднее положение между супинацией и пронацией, разгибанием и сгибанием, отведением и приведением (слева под бедренной частью модели обозначена проекция центра шарнира, позади видна предыдущая отметка). |
В
области расположения светового пятна на горизонтальной масштабно-координатной
сетке маркером нанесена вторая отметка. Она показала промежуточную позицию проекции
на горизонтальную плоскость общего центра масс при среднем положении между
пронацией и супинацией, разгибанием и сгибанием, отведением и приведением.
Далее
мы максимально увеличили длину аналога средней
ягодичной мышцы. Благодаря эффекту авторотации объемная тазовая часть модели
максимально повернулась вперед в горизонтальной плоскости, наклонилась вниз в
медиальную сторону и отклонилась назад в сагиттальной плоскости. В итоге она остановилась
благодаря реализации эффекта автостабилизации (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, сзади и справа от основания модели с масштабно-координатной сеткой расположены две вертикальные плоскости с прикрепленными к ним масштабно-координатными сетками (пронация, приведение, разгибание); вверху – вид сверху, внизу – вид с латеральной стороны. |
В
шарнире модели имитирована максимальная пронация, приведение и разгибание. Объемную тазовую часть модели в устойчивом равновесии удерживали только
натянутые аналоги связок, которые стопорили шарнир модели в трех плоскостях. Динамометры
аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и аналога
средней ягодичной мышцы не регистрировали усилия.
Затем
нами вновь включен вертикальный источник света, прикрепленный к нагрузке. Луч
лазерной указки, направленный вниз, световым пятном указал проекцию общего
центра масс в крайней позиции спонтанного перемещения объемной тазовой части
(Рис. 6).
 |
| Рис. 6. Световое пятно на горизонтально расположенной масштабно-координатной сетке; в шарнире электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, аналогами связок, аналогами мышц воспроизведена максимальная пронация, приведение и разгибание (слева под бедренной частью модели обозначена проекция центра шарнира, позади видны предыдущие отметки). |
В
области расположения светового пятна на горизонтальной масштабно-координатной сетке
маркером нанесена третья отметка. Она зафиксировала положение проекции общего
центра масс на горизонтальную плоскость в позиции автостабилизации.
Таким
образом, мы получили три отметки проекции на горизонтальную плоскость общего
центра масс в позиции супинации, пронации и среднем положении (Рис. 7).
 |
| Рис. 7. Вид на три проекции на горизонтальную плоскость положения общего центра масс при воспроизведении авторотации; в шарнире электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, аналогами связок, аналогами мышц воспроизведена максимальная пронация, приведение и разгибание (слева под бедренной частью модели обозначена проекция центра шарнира). |
Тестирование модели при воспроизведении эффекта
авторотации позволило проследить перемещение проекции общего центра масс на
горизонтальную плоскость. Она смещалась по дуге вперед и в медиальном направлении.
Одновременно проекция общего центра масс на горизонтальную плоскость удалялась
от центра шарнира.
Обращено
внимание, что плечо веса объемной тазовой части модели увеличивалось (Рис. 8).
 |
| Рис. 8. Вид горизонтально расположенной масштабно-координатной сетки после воспроизведения авторотации на электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, аналогами связок, аналогами мышц; условные обозначения: О – проекция центра шарнира, А – исходное положение проекции общего центра масс, В – промежуточное положение проекции общего центра масс, С – конечное положение проекции общего центра масс, отрезок ОА – плечо веса объемной тазовой части модели в исходном положении, отрезок ОВ – плечо веса объемной тазовой части модели в промежуточном положении, отрезок ОС – плечо веса объемной тазовой части модели в конечном положении, расстояние АD – величина поступательного смещения общего центра масс вперед, отрезок DС – величина поступательного смещения общего центра масс в медиальном направлении, отрезок АС – расстояние, пройденное в горизонтальной плоскости проекцией общего центра масс. |
Смещение общего центра масс в медиальном направлении оказалось больше, чем вперед. Зафиксированное в эксперименте увеличение плеча веса объемной тазовой части модели подтверждает ранее сделанные наблюдения. Графическое построение удовлетворительно объясняет причину увеличения усилия аналога средней ягодичной мышцы, musculus gluteus medius, необходимого для стабилизации объемной тазовой части модели при наклоне вниз в медиальнуюсторону во фронтальной плоскости (так же см. график и соответствующий раздел).
В предыдущем опыте нами установлено, что
аналог лобково-бедренной связки может участвовать в ограничении супинации в шарнире
модели. Соответственно, он способен влиять на величину переднезаднего смещения
общего центра масс объемной тазовой части модели. Означенное послужило поводом
уточнить зависимость между длиной аналога лобково-бедренной связки и величиной переднезаднего
смещения общего центра масс объемной тазовой части модели.
В
исходном положении объемная тазовая часть модели с подвешенной
нагрузкой, снабженная вертикально расположенным источником света,
разворачивалась назад в горизонтальной плоскости и приподнималась над
плоскостью опоры. Путем удлинения аналога средней ягодичной мышцы посредством электропривода
воспроизводился эффект авторотации. Наблюдая за перемещением светового пятна
луча лазерной указки по масштабно-координатной сетке, мы отслеживали движение проекции
нагрузки в горизонтальной плоскости. Маркером отмечалось начальное и конечное положение
светового пятна после завершения движения объемной
тазовой части модели.
Длина аналога лобково-бедренной связки ступенчато укорачивалась
и фиксировалась в протоколе эксперимента. Координаты полученных точек
определены по масштабно-координатной сетке, а расстояние по прямой между ними измерены
линейкой. Все данные занесены в таблицу 1.
Таблица
1.
Зависимость длины пути, пройденного нагрузкой, от длины аналога лобково-бедренной связки
|
Длина аналога
лобково-бедренной связки (см) |
Длина пути, пройденного нагрузкой модели
(см) |
|
8.0 |
7.0 |
|
7.8 |
6.4 |
|
7.3 |
6.2 |
|
6.9 |
6.9 |
|
6.6 |
12.4 |
Анализ полученных данных показал, что при уменьшении аналога лобково-бедренной связки до 6.6 см амплитуда движения объемной тазовой части модели в горизонтальной плоскости аномально существенно увеличивается. Однако в конечном положении объемная тазовая часть модели избыточно наклонялась вперед, что воспроизводило в шарнире модели спонтанное сгибание. Указанное происходило в связи с тем, что объемная тазовая часть модели останавливалась в конечном положении натянутым аналогом лобково-бедренной связки. При этом область закрепления нагрузки перемещалось вперед от центра шарнира, приводя к опрокидыванию объемной тазовой части модели.
При вышеописанном тестировании нами опробована
методика визуализации изменения положения проекции общего центра масс модели. На заключительном
этапе мы поставили цель уточнить траекторию перемещения общего центра масс объемной
тазовой части модели при реализации эффекта авторотации.
Вначале
путем уменьшения длины аналога средней ягодичной мышцы нами зафиксирована объемная тазовая часть модели в исходной позиции. В нем она была
максимально повернута назад в горизонтальной плоскости и приподнята над
основанием.
В шарнире модели воспроизведено отведение, супинация и среднее положение между
разгибанием и сгибанием. В эксперименте мы удлиняли электроприводом аналог средней ягодичной мышцы. Нагрузка, снабженная тремя включенными лазерными
источниками света, перемещалась благодаря эффекту авторотации. Световые пятна
лучей, проецировавшихся на соответствующие масштабно-координатные сетки, показывали
перемещение нагрузки в трех плоскостях.
В
опытах длина аналога средней ягодичной мышцы увеличивалась дробно. Мы производили
3 оборота
электропривода, что соответствовало удлинению аналога средней ягодичной мышцы на 3 мм. После каждого
этапа
на масштабно-координатных сетках маркером отмечалось положение светового пятна.
Используя разметку, нами определена координата каждой из точек в проекции на
сагиттальную, горизонтальную и фронтальную плоскость. Найденные значения изменения
координат нагрузки объемной тазовой части модели при
воспроизведении эффекта авторотации приведены в таблице 2.
Таблица
2.
Координаты
нагрузки объемной тазовую часть модели
|
Порядковый номер
точки |
Координата по
оси Х |
Координата по
оси Y |
Координата по
оси Z |
|
1 |
5 |
44 |
7 |
|
2 |
11 |
35 |
5 |
|
3 |
20 |
26 |
6 |
|
4 |
30 |
20 |
9 |
|
5 |
37 |
17 |
15 |
|
6 |
48 |
12 |
24 |
|
7 |
54 |
10 |
31 |
|
8 |
56 |
8 |
35 |
По полученным точкам построены графики движения нагрузки объемной тазовой части модели для сагиттальной, фронтальной и горизонтальной плоскости (Рис. 9).
 |
| Рис. 9. Графики движения нагрузки объемной тазовой части модели при воспроизведении авторотации обозначены зеленым цветом; вверху – график для горизонтальной плоскости, в центре – график для сагиттальной плоскости, внизу – график для фронтальной (подробнее см в тексте). |
Черным
маркером на графике движения нагрузки в горизонтальной плоскости мы начертили
участок окружности (рис. 9). Ее центр совпадал с проекцией центра шарнира. По
нашей мысли, указанная дуга могла быть одним из вариантов движения проекции нагрузки
в горизонтальной плоскости при отсутствии аналогов связок.
Затем
по координатам из таблицы 2 построена пространственная кривая движения нагрузки
объемной тазовой части модели при воспроизведении
эффекта авторотации. Она представляла собой плавную кривую,
напоминающую часть нисходящей спирали, огибающей конус. Движение по указанной
траектории происходило в автоматическом режиме. Перемещение инициировало
действие общего веса объемной тазовой части модели. Перемещение
начиналось из исходной позиции до крайнего положения и лишь контролировалось
удлинением аналога средней ягодичной мышцы. Построенная траектория
движения нагрузки напоминала движение проксимальной области крепления аналога
связки головки бедренной кости, которое мы наблюдали на модели головкибедренной кости. Замечено, что возмущение привносило натяжение аналога
лобково-бедренной связки на начальном этапе авторотации. Это обуславливало этап
отклонения кривой назад в горизонтальной плоскости (Рис. 10).
 |
| Рис. 10. Пространственная кривая движения нагрузки при воспроизведении авторотации объемной тазовой части модели (обозначена красным цветом) и ее проекция на горизонтальную плоскость (обозначена зеленым цветом). |
В эксперименте перемещение нагрузки воспроизводило движение общего центра масс объемной тазовой части модели. Анализируя полученные данные, мы полагаем, что по подобной траектории, направляемый силами реакции связок, движется общий центр масс тела в одноопорном периоде шага.
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
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
Моделирование взаимодействия аналогов связок и мышц
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