Моделирование начала первого двухопорного периода шага

Моделирование начала первого двухопорного периода шага

Перемещение наружных связок, ligamentum extracapsularia, при ходьбе обусловлено: вращением бедренной кости, os femur, в тазобедренном суставе, articulatio coxae, и вращательными движениями таза, pelvis. Принято полагать, что перемещение сегментов тела есть результат сокращения мышечных групп.

Для уточнения взаимодействия связок тазобедренного сустава, articulatio coxae, средней ягодичной мышцы, musculus gluteus medius, и комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу при ходьбе, нами поставлена серия экспериментов на электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью. Конструкция модели содержала аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, аналог средней ягодичной мышцы и аналоги связок тазобедренного сустава: 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. С целью моделирования действия веса тела к крайнему отверстию грузового кронштейна объемной тазовой части прикреплялась нагрузка массой 1 кг.

Основную опорную конечность имитировала бедренная часть модели. В качестве контралатеральной опорной нижней конечности в отдельных случаях использован подъемник, снабженный колесами. Верхняя часть его вертикального стержня упиралась снизу в опорный кронштейн объемной тазовой части модели, что препятствовало ее отклонению во фронтальной и сагиттальной плоскости. Соответственно, при воспроизведении двухопорной позиции объемная тазовая часть модели опиралась на бедренную часть модели и подъемник. При моделировании опоры на одну ногу объемная тазовая часть покоилась лишь на бедренной части модели.

В настоящей серии опытов нами воспроизводились положения таза, pelvis, и бедра, os femur, в одиночном шаге при ходьбе в норме. Исходные параметры взаимоотношения сегментов тела зарегистрированы оборудованием компании Qualisys, проанализированы программным обеспечением C-Motion и были доступны для беспрепятственного изучения по адресу: http://www2.c-motion.com/free.

В качестве маркеров положения таза, pelvis, в горизонтальной и фронтальной плоскости нами использовались изображения виртуальных моделей головок бедренных костей, caput femoris. В соответствие с многоплоскостным поворотом таза, pelvis, изменялось положение линии, соединяющей центры головок бедренных костей, caput femoris, опорной и переносной ноги. С нашей точки зрения, это позволяет точнее воспроизвести положение таза, pelvis, в горизонтальной и фронтальной плоскости, чем по маркерам, закрепленным на коже или костюме. При стандартном закреплении маркеры на костюме неизбежно смещаются относительно кожи. Она, в свою очередь, подвижна относительно подлежащей кости ввиду наличия рыхлой подкожно-жировой клетчатки. Погрешность определения положения костных образований, особенно таза, pelvis, наряду с массивом жировой и мышечной ткани, увеличивают неточность размещения маркеров.

Изначально мы смоделировали начало первого двухопорного периода шага, а именно переднего толчка, первого одиночного шага. Для стабилизации объемной тазовой части модели использован подъемник объемной тазовой части, снабженный колесами. Он располагался позади основания модели на стороне, противоположной шарниру. Наконечник его вертикального стержня упирался снизу в опорный кронштейн объемной тазовой части модели и препятствовал ее отклонению во фронтальной и сагиттальной плоскости.

Изменяя высоту подъемника, мы регулировали положение объемной тазовой части модели. В данном опыте изображения крыльев подвздошных костей, ala ossis ilii, тазового элемента модели установлены на различных уровнях. Со стороны шарнира модели высота крыла подвздошной кости, ala ossis ilii, тазового элемента модели была ниже, чем с противоположенной стороны. Во фронтальной плоскости объемная тазовая часть модели имел отклонение вверх (Рис. 1).

Рис. 1. Моделирование начала первого двухопорного периода шага, а именно переднего толчка на электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, с аналогами связок и мышц; вверху – вид спереди, внизу – вид сзади.

Для переднего толчка начала двухопорного периода шага характерно сгибание в тазобедренном суставе, articulatio coxae, впереди расположенной ноги, при отклонении длинной оси бедренной кости, os femur, в сагиттальной плоскости назад. С целью воспроизведения означенной позиции, бедренная часть модели отклонялась назад на 15° в сагиттальной плоскости в карданном шарнире. В горизонтальной плоскости тазовый элемент объемной тазовой части модели был повернут в латеральную сторону, а в сагиттальной плоскости отклонен назад (Рис. 2).

Рис. 2. Моделирование начала первого двухопорного периода шага, а именно переднего толчка на электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, с аналогами связок и мышц; вверху – вид сверху, внизу – вид с латеральной стороны.

В созданном соотношении частей модели длинная ось вертлужного элемента объемной тазовой была отклонена назад, вверх и в медиальную сторону. В шарнире модели присутствовало сгибание, отведение и супинация. Динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и аналога средней ягодичной мышцы не регистрировали усилия (Рис. 3).

a

b

c

d
Рис. 3. Аналоги связок и динамометры электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью (моделирование начала первого двухопорного периода шага, а именно переднего толчка); 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.

После стабилизации объемной тазовой части модели проанализирована ориентация аналогов связок и степень их натяжения. Замечено отсутствие натяжения аналога седалищно-бедренной связки и обеих частей аналога подвздошно-бедренной связки. Об этом свидетельствовал их плавный изгиб и отсутствие прижатия к элементам бедренной части модели. В противоположность им аналог лобково-бедренной связки оказался натянутым. 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 смещался в медиальном направлении. Это указывало на отсутствие его натяжения. Разобщения сферической головки шарнира и ответной сферической поверхности вертлужного элемента модели не наблюдалось. Поверхности пары трения шарнира плотно смыкались между собой во всех отделах.

По причине расположения общего центра масс системы выше и позади от оси вращения объемная тазовая часть модели имела тенденцию к отклонению назад в сагиттальной плоскости. Вращение в означенном направлении ограничивалось натянутым аналогом лобково-бедренной связки. Стабилизация объемной тазовой части модели в сагиттальной плоскости обеспечивалась подъемником объемной тазовой части, который выполнял роль контралатеральной позади расположенной опорной нижней конечности. Он также препятствовал отклонению объемной тазовой части модели назад в сагиттальной плоскости и вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости. Кроме силы реакции натянутого аналога лобково-бедренной связки и подъемника объемной тазовой части, для поддержания ее в положении покоя не требовалось дополнительного внешнего усилия.

Эксперимент продемонстрировал важную роль лобково-бедренной связки, ligamentum pubofemorale, в обеспечении стабильности таза, pelvis, в начале двухопорного периода шага. В этот момент на стороне впереди расположенной опорной ноги тазобедренные мышцы могут не участвовать в поддержании равновесия тела.

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  

Моделирование взаимодействия аналогов связок и мышц 

Имитация перемещения общего центра масс тела при наличии аналогов связок и мышц 

Моделирование напряженной одноопорной позы с участием средней ягодичной мышцы 

Моделирование напряженной одноопорной ортостатической позы с участием средней ягодичной мышцы и коротких ротаторов бедра 

Моделирование напряженной одноопорной ортостатической позы с участием коротких ротаторов бедра 

Моделирование ненапряженной одноопорной ортостатической позы 

Моделирование симметричной двухоопорной ортостатической позы  

Моделирование асимметричной двухоопорной ортостатической позы

                                                                     

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

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 шестнадцатой 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, ходьба, эксперимент, электромеханическая модель, средняя ягодичная мышца, короткие ротаторы

 СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

Эксперименты и наблюдения

1991-2021АрхиповСВ