Анализ взаимодействия средней ягодичной мышцы и LCF

 

Анализ взаимодействия средней ягодичной мышцы и связки головки бедренной кости

В ранее нами поставлен эксперимент, в котором имитировано постепенное удлинение аналога средней ягодичной мышцы. В результате мы получили ряд значений наклона объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону и соответствующие им показания динамометра (таблица 1).

Таблица 1.

Показания динамометра при наклоне объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону

Угол наклона тазовой части модели (град.)	Показания динамометра (кг)
6 (приведение)	0
4 (приведение)	0.8
2 (приведение)	1.4
0	1.9
5 (отведение)	2.1
11 (отведение)	1.7
18 (отведение)	1.3

В соответствии с вышеуказанными значениями нами начерчена кривая изменения усилия динамометра аналога средней ягодичной мышцы при наклоне объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону (Рис. 1).

Рис. 1. График изменения величины усилия динамометра аналога средней ягодичной мышцы при моделировании приведения в шарнире электромеханической модели тазобедренного сустава человека с аналогом связки головки бедренной кости.

Представленный график построен с использованием средств программы MS Excel. Он демонстрирует, что при величине угла наклона объемной тазовой части модели в латеральную сторону 5° начало снижаться усилие, необходимое для удержания объемной тазовой части модели. В итоге означенная тенденция привела к снижению до нуля усилия динамометра. При этом наклон объемной тазовой части модели в медиальную сторону достигает предела. Это продемонстрировало, что шарнир модели в конечной фазе движения объемной тазовой части модели оказался застопоренным натянутым аналогом связки головки бедренной кости. Именно с его натяжением мы связываем появление эффекта автостабилизации и авторотации. Изначально при уменьшении угла отведения в шарнире модели усилие, которое регистрировал динамометр, возрастало. Данная закономерность объяснима тем, что величина плеча веса нагрузки увеличивалась, а натяжение аналога связки головки бедренной кости еще не началось.

При наклоне объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону общий центр масс смещался вниз и в медиальную сторону. Вес объемной тазовой части с нагрузкой закономерно действовал в направлении сверху-вниз. Ему противодействовало усилие аналога средней ягодичной мышцы. В исходном положении вектор усилия аналога средней ягодичной мышцы был направлен снаружи-внутрь и сверху-вниз. В конечном положении вектор усилия аналога средней ягодичной мышцы изменил ориентацию. Он оказался направлен также сверху-вниз, но изнутри-наружу. На начальном этапе движения объемной тазовой части модели ее шарнир функционировал как аналог рычага первого рода. По мере наклона объемной тазовой части модели плечо ее веса увеличивалось, а плечо усилия аналога средней ягодичной мышцы, наоборот, уменьшалось (Рис. 2).

Рис. 2. Схема условий равновесия объемной тазовой части модели; слева – на начальном этапе наклона вниз в медиальную сторону, справа – на завершающем этапе наклона вниз в медиальную сторону; условные обозначения: О – центр шарнира модели, ОЦМ – общий центр масс объемной тазовой части модели, зеленая стрелка (mgm) – направление вектора усилия аналога средней ягодичной мышцы, синяя стрелка (mg) – вектор действия веса объемной тазовой части модели, АО – плечо усилия аналога средней ягодичной мышцы, ОВ – плечо веса объемной тазовой части модели, розовая стрелка – направление смещения общего центра масс объемной тазовой части модели.

Вектор действия веса объемной тазовой части удалялся от центра вращения шарнира модели, а вектор усилия аналога средней ягодичной мышцы приближался. Вес объемной тазовой части модели на протяжении всего эксперимента оставался постоянным. Однако усилие аналога средней ягодичной мышцы, которое было необходимое для удержания в положении равновесия объемной тазовой части, возрастало (Рис. 3).

Рис. 3. Схемы условий равновесия объемной тазовой части модели при наклоне вниз в медиальную сторону; условные обозначения: О – центр шарнира модели, ОЦМ₁ – положение общего центра масс объемной тазовой части модели на начальном этапе наклона, ОЦМ₂ – положение общего центра масс объемной тазовой части модели на завершающем этапе наклона, зеленые стрелки – направления векторов усилий аналога средней ягодичной мышцы, причем mgm₁ – на начальном этапе наклона, mgm₂ – на завершающем этапе наклона, где mgm₁ ˂ mgm₂, синие стрелки – mg, вектора действия веса объемной тазовой части модели, отрезок А₁О – плечо усилия аналога средней ягодичной мышцы на начальном этапе наклона, отрезок А₂О – плечо усилия аналога средней ягодичной мышцы на завершающем этапе наклона, отрезок ОВ₁ - плечо веса объемной тазовой части модели на начальном этапе наклона, отрезок ОВ₂ – плечо веса объемной тазовой части модели на завершающем этапе наклона, розовая стрелка – указывает направление смещения общего центра масс объемной тазовой части модели, коричневая стрелка – указывает направление смещения плеча усилия аналога средней ягодичной мышцы, отрезок В₁В₂ – приращение плеча веса объемной тазовой части модели.

Наклон объемной тазовой части обуславливал смещение общего центра масс по дуге с центром, совпадающим с центром вращения шарнира модели. Сравнение схем условий равновесия объемной тазовой части модели при ее наклоне вниз в медиальную сторону показало: увеличение плеча веса объемной тазовой части модели происходит на большую величину, чем уменьшение плеча усилия аналога средней ягодичной мышцы. Анализ схем свидетельствует, что при наклоне объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону увеличение усилия аналога средней ягодичной мышцы обусловлено как уменьшением его плеча, так и увеличением момента веса объемной тазовой части модели. Расстояние между областями крепления аналога средней ягодичной мышцы увеличивалось, а сам он удлинялся. При сохранении устойчивого равновесия объемной тазовой части модель функционировала как аналога рычага первого рода.

Дальнейший наклон объемной тазовой части вниз в медиальную сторону теоретически должен приводить к увеличению момента ее веса. Параллельно мы ожидаем и увеличение усилия, необходимого для ее удержания в положении равновесия. Предположительно оно должно возрастать до момента, когда вектор веса объемной тазовой части максимально удалится от центра вращения шарнира модели.

Тем не менее, на конечном этапе наклона объемной тазовой части модели в медиальную сторону отмечено парадоксальное уменьшение усилия, которое регистрировал динамометр аналога средней ягодичной мышцы. В нашем эксперименте уменьшение усилия аналога средней ягодичной мышцы началось, когда угол наклона объемной тазовой части модели в латеральную сторону достиг 5°. Одновременно с этим мы отметили начало поворота объемной тазовой части модели вперед в горизонтальной плоскости. Означенное движение в шарнире модели воспроизводило пронацию. Параллельно объемная тазовая часть модели отклонилась назад в сагиттальной плоскости. Это имитировало разгибание. Единственным объяснением перечисленных явлений может быть натяжение аналога связки головки бедренной кости. При этом закономерно появилась сила реакции аналога связки головки бедренной кости. Она действовала в направлении, противоположному наклону объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону (Рис. 4).

Рис. 4. Схема условия равновесия объемной тазовой части модели на конечном этапе наклона вниз в медиальную сторону; условные обозначения: О – центр шарнира модели, ОЦМ₃ – положение общего центра масс объемной тазовой части модели, зеленая стрелка – направление вектора усилия аналога средней ягодичной мышцы (mgm₃), синяя стрелка – вектор действия веса объемной тазовой части модели (mg), отрезок А₃О – плечо усилия аналога средней ягодичной мышцы, отрезок ОВ₃ – плечо веса объемной тазовой части модели, оранжевая стрелка – вектор силы реакции аналога связки головки бедренной кости (F_lcf), отрезок ОС – плечо силы реакции аналога связки головки бедренной кости.

К моменту начала натяжения аналога связки головки бедренной кости плечо веса объемной тазовой части модели еще больше увеличилось, а плечо усилия аналога средней ягодичной мышцы уменьшилось. В означенный период сила реакции натягиваемого аналога связки головки бедренной кости начала противодействовать действию веса объемной тазовой части модели. Аналог связки головки бедренной кости стал разгружать аналог средней ягодичной мышцы, шунтируя нагрузку веса объемной тазовой части модели. Постепенное приближение аналога связки головки бедренной кости к отвесному положению, а также поворот объемной тазовой части модели обусловило плавное снижение усилия аналога средней ягодичной мышцы на конечном этапе наклона объемной тазовой части модели. При достижении аналогом связки головки бедренной кости отвесного положения поворот объемной тазовой части модели в горизонтальной плоскости завершился. Пронация и приведение в шарнире модели достигли максимального значения. В описанной позиции эффект авторотации сменился эффектом автостабилизации. Шарнир модели оказался застопорен натянутым аналогом связки головки бедренной кости в положении приведения, пронации и незначительного разгибания. Участие аналога средней ягодичной мышцы в удержании объемной тазовой части модели нивелировалось. На завершающем этапе эксперимента модель функционировала как аналог рычага третьего рода (Рис. 5).

Рис. 5. Схема условия равновесия объемной тазовой части модели после окончания наклона вниз в медиальную сторону; условные обозначения: О – центр шарнира модели, ОЦМ₄ – положение общего центра масс объемной тазовой части модели, синяя стрелка – вектор действия веса объемной тазовой части модели (mg), отрезок ОВ₄ – плечо веса объемной тазовой части модели, оранжевая стрелка – вектор силы реакции аналога связки головки бедренной кости (F_lcf), отрезок ОС – плечо силы реакции аналога связки головки бедренной кости.

В описанном положении тенденции к какому-либо движению объемной тазовой части модели не наблюдалось даже при дальнейшем уменьшении длины аналога средней ягодичной мышцы. При повторении опытов объемная тазовая часть модели останавливалась в положении с поворотом вперед и в латеральную сторону на угол 15°. Динамометр аналога средней ягодичной мышцы не регистрировал какого-либо усилия. Действию веса объемной тазовой части противодействовала только сила реакции аналога связки головки бедренной кости. Она стопорила шарнир и полностью шунтировала нагрузку веса объемной тазовой части модели. Все это наблюдалось при максимальной длине плеча веса объемной тазовой части, а следовательно, максимальном его вращательном моменте. При достижении объемной тазовой части положения покоя высота расположения общего центра масс максимально приблизилась к основанию модели. Мы полагаем, что это до определенной степени повысило стабильность за счет уменьшения опрокидывающего момента в сагиттальной и фронтальной плоскости. Означенный негативный вращающий момент во фронтальной плоскости нивелировался натянутым аналогом связки головки бедренной кости. В сагиттальной плоскости опрокидывающему моменту противодействовал эффект автостабилизации, связанный со стремлением аналога связки головки бедренной кости принять отвесное положение.

На начальном этапе наклона объемной тазовой части вниз в медиальную сторону, когда условия равновесия были аналогичны равновесию рычага первого рода, нагрузка, действующая на головку бедренной части модели, увеличивалась. Указанное было связано с увеличением момента веса объемной тазовой части и усилия аналога средней ягодичной мышцы. После начала натяжения аналога связки головки бедренной кости нагрузка, действующая на сферическую головку шарнира, начала уменьшаться. Одновременно появилась и начала возрастать сила, действующая на сферическую головку шарнира снизу. Это закономерно привело к более равномерному распределению напряжений по всей поверхности сферической головки шарнира. После стопорения шарнира модели аналогом связки головки бедренной кости превалирующая нагрузка, действующая на сферическую головку шарнира, имела направление снизу-вверх. Мы полагаем, нагрузка, действующая сверху вниз на сферическую головку шарнира, была минимальна.

Парадоксальное снижение усилия, которое требовалось создать аналогу средней ягодичной мышцы для удержания в положении равновесия объемной тазовой части, можно удовлетворительно объяснить преобразованием модели из аналога рычага первого рода в аналог рычага третьего рода. Участие аналога связки головки бедренной кости в стабилизации объемной тазовой части нивелировало уменьшение плеча аналога средней ягодичной мышцы и увеличение момента веса объемной тазовой части. Доказательствами натяжения аналога связки головки бедренной кости явились: поворот объемной тазовой части модели вперед и снижение усилия аналога средней ягодичной мышцы при уменьшении его плеча. Это подтвердило результаты ранее оставленных аналогичных экспериментов на механической модели человека. Кроме этого, эксперименты на муляже тазобедренного сустава человека позволили непосредственно наблюдать натяжение аналога связки головки бедренной кости при воспроизведении приведения в шарнире модели и имитации наклона таза вниз в медиальную сторону. Общие представления перемещения аналога связки головки бедренной кости нами получены в экспериментах с упрощенной моделью вертлужной впадины.

 

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

                                                                     

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 четырнадцатой 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

 СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

Эксперименты и наблюдения

1991-2021АрхиповСВ