Моделирование завершения первого двухопорного периода шага

 

Моделирование завершения 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.

На данном этапе мы смоделировали завершение первого двухопорного периода шага, а именно момент заднего толчка первого одиночного шага. Для стабилизации объемной тазовой части модели использован подъемник объемной тазовой части, снабженный колесами. Он располагался позади бедренной части 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.

В конце двухопорного периода шага таз, pelvis, принимает горизонтальное положение. В связи с этим, высота подъемника отрегулирована так, что изображения крыльев подвздошных костей, ala ossis ilii, тазового элемента модели находились на одном уровне (Рис. 1).

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

Для периода заднего толчка характерно сгибание в тазобедренном суставе, articulatio coxae, передней ноги, с наклоном длинной оси бедренной кости, os femur, в сагиттальной плоскости назад. При движении тела вперед величина сгибания в указанном тазобедренном суставе, articulatio coxae, уменьшается. С целью воспроизведения данной позиции бедренная часть модели отклонялась назад на 10° в сагиттальной плоскости в карданном шарнире. Наклон объемной тазовой части модели вниз до горизонтального положения вызвал спонтанное пронационное движение в шарнире. В результате объемная тазовая часть модели несколько повернулась вперед в горизонтальной плоскости по сравнению с воспроизведенной ранее позиции, соответствующей началу двухопорного периода шага. Вместе с тем в горизонтальной плоскости и в сагиттальной плоскости сохранилось отклонение объемной тазовой части модели (Рис. 2).

Рис. 2. Моделирование завершения первого двухопорного периода шага, а именно заднего 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.

Длинная ось вертлужного элемента объемной тазовой части модели имела отклонение назад, вверх и в медиальную сторону. В шарнире присутствовало сгибание, супинация, среднее положение между приведением и отведением. Динамометры аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и аналога средней ягодичной мышцы не регистрировали усилия. Как и при моделировании начала двухопорного периода шага, отсутствовало натяжение аналога седалищно-бедренной связки и обеих частей аналога подвздошно-бедренной связки. Означенное отмечалось по их плавному изгибу и без прижатия к элементам бедренной части модели. Аналог лобково-бедренной связки сохранил натяжение. 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 значимого натяжения. Разобщения сферической головки шарнира и ответной сферической поверхности вертлужного элемента модели не наблюдалось. Поверхности пары трения шарнира плотно смыкались между собой (Рис. 3).

a

b

c

d
Рис. 3. Аналоги связок и динамометры электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью (моделирование завершения 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.

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 препятствовал отклонению объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости. Роль впереди расположенной опорной нижней конечности выполняла бедренная часть модели. Поддержание модели в положении покоя обеспечивалось натянутым аналогом лобково-бедренной связки и подъемником объемной тазовой части. При этом не требовалось дополнительного внешнего усилия. Отмеченный в эксперименте спонтанный ограниченный поворот объемной тазовой части вперед в горизонтальной плоскости мы связываем с действием силы реакции натянутой лобково-бедренной связки.

Опыт продемонстрировал важную роль лобково-бедренной связки, ligamentum pubofemorale, в обеспечении стабильности таза, pelvis, в завершении двухопорного периода шага. В означенные 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 

Моделирование начала первого двухопорного периода шага

                                                                     

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 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