Моделирование функции LCF

Моделирование функции связки головки бедренной кости

С целью уточнения функции связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, ее аналогом дополнена электромеханическая модель тазобедренного сустава человека с объемной тазовой частью. Ранее описанный аналог связки головки бедренной кости проксимальным концом соединялся с вертлужным элементом будучи пропущенным, через отверстие, расположенное на границе ямки и канавки фасонной выточки. Дистальный конец аналога связки головки бедренной кости пропускался через верхнее отверстие сферической головки бедренной части модели (Рис. 1).

Рис. 1. Области крепления аналога связки головки бедренной кости к электромеханической модели тазобедренного сустава человека (вид сверху с медиальной стороны); синей стрелкой указана область крепления дистального конца аналога связки головки бедренной кости к сферической головке, красной стрелкой указана область крепления проксимального конца аналога связки головки бедренной кости в отверстии вертлужного элемента объемной тазовой части модели.

Дистальный конец аналога связки головки бедренной кости непосредственно прикреплялась к бедренной части модели винтовым зажимом. Проксимальный конец аналога связки головки бедренной кости присоединялся винтовым зажимом к цилиндрическому стержню вертлужного элемента объемной тазовой части модели (Рис. 2).

Рис. 2. Область крепления проксимального конца аналога связки головки бедренной кости к объемной тазовой части (вид сзади); красной стрелкой указана непосредственное место соединения проксимального конца аналога связки головки бедренной кости с цилиндрическим стержнем вертлужного элемента объемной тазовой части модели.

Аналог связки головки бедренной кости натягивался после установки объемной тазовой части модели на сферическую головку бедренной части модели. Ориентируясь на метки, нанесенные на аналоге связки головки бедренной кости, длина его части, расположенной в фасонной выточке, устанавливалась равной 20 мм. Мы следили за тем, чтобы при полном соприкосновении трущихся поверхностей и максимальном наклоне тазовой части вниз в медиальную сторону (воспроизведение приведения) аналог связки головки бедренной кости не ущемлялся. Для снижения трения в шарнире модели на поверхность сферической головки наносилась смазка.

Основные движения, совершающиеся в тазобедренном суставе, articulatio coxae, человека, – вращательные. Литературные данные о максимальной амплитуде вращательных видов движений в тазобедренном суставе, articulatio coxae, человека порой широко разнятся (Табл. 1).

Таблица 1.

Амплитуда вращательных движений в тазобедренном суставе (по данным литературы)

Источники	Сгибание	Разгибание	Приведение	Отведение	Пронация	Супинация
Гурьев В.Н. (1975).	60-70°	180°	40-50°	50-60°	20-30°	30-40°
Доэрти М., Доэрти Д. (1993)	около 120°	около 15°	около 30°	около 45°	около 45°	около 45°
Кованов В.В., Травин А.А. (1963)	20°	20°		70–75°	60°	60°
Краснов А.Ф. и соавт. (1995)	40°	15-20°		70-75°	40-60°	40-60°
Корнилов Н.В. и соавт. (1997)	70°	195°	40°	50°	30°	40°
Соков Л.П., Романов М.Ф. (1991)	60-70°	180° иногда 10-15°	40–50°	50–60°	20–30°	30–40°
Ревенко Т.А. (1968)	105°	15°	10°	40°	36°	13°
Ryf Chr., Weymann A. (1996)	130°	10°	20-50°	30-50°	30-40°	40-50°
Иваницкий М.Ф. (1948; 1985)	105°	15°	15-30°	40-60°	35°	15°
Chapchal G. (1965)	120°	15°	40°	30°	35°	15°

 

Установив требуемую длину аналога связки головки бедренной кости, мы на модели воспроизвели движения в тазобедренном суставе, articulatio coxae, во фронтальной плоскости: отведение и приведение. Без участия экспериментатора в шарнире модели спонтанно воспроизводилась позиция максимального приведения с поворотом вперед на 15° (Рис. 3).

Рис. 3. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека, объемная тазовая часть соединена с бедренной частью аналогом связки головки бедренной кости (вид спереди); в шарнире модели воспроизведено приведение.

Наклон объемной тазовой часть модели вниз в медиальную сторону происходил спонтанно под действием силы тяжести. Ограничителем приведения являлся натянутый аналог связки головки бедренной кости. Его натяжение определялось при воздействии рукой сверху на объемную тазовую часть модели. При этом разобщения вертлужного элемента и сферической головки бедренной части модели не происходило (Рис. 4).

Рис. 4. Шарнир электромеханической модели тазобедренного сустава человека, тазовая и бедренная часть, которой соединены аналогом связки головки бедренной кости (вид с латеральной стороны).

Внутренняя поверхность вертлужного элемента соприкасалась со сферической головкой бедренной части модели во всех отделах. Аналог связки головки бедренной кости при воспроизведении приведения ограничивал данное движение и стопорил шарнир модели во фронтальной плоскости. Одновременно объемная тазовая часть модели спонтанно поворачивалась вперед в горизонтальной плоскости.

Отведение в шарнире модели ограничивалось контактом верхненаружного края вертлужного элемента и шейки бедренной части модели. По причине смазки, находящейся на трущихся поверхностях шарнира, в позиции отведения объемная тазовая часть модели опрокидывалась, но не падала, а спонтанно поворачивалась в сагиттальной плоскости. В позиции отведения у объемной тазовой части модели имелось лишь одно положение устойчивого равновесия, когда наружный край вертлужного элемента располагался почти параллельно основанию модели (Рис. 5).

Рис. 5. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека, тазовая и бедренная часть которой соединены аналогом связки головки бедренной кости (вид спереди); в шарнире модели воспроизведено отведения (положение устойчивого равновесия объемной тазовой части модели).

В шарнире модели удовлетворительно воспроизводились движения в сагиттальной плоскости в обе стороны. Аналог связки головки бедренной кости сгибание и разгибание в шарнире модели не ограничивал. При указанных движениях под действием силы тяжести в шарнире модели сохранялось приведение, а разобщения вертлужного элемента и сферической головки бедренной части модели не наблюдалось. Затем мы воспроизвели разгибание в шарнире модели до угла 60° (Рис. 6).

Рис. 6. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека, тазовая и бедренная часть которой соединены аналогом связки головки бедренной кости, а в шарнире модели воспроизведено разгибание до угла 60°; вверху – вид с латеральной стороны, внизу – вид сверху.

Выяснено, что в данной позиции объемная тазовая часть модели обретала устойчивость. 

Следом в шарнире модели мы воспроизвели сгибание до угла 50° (Рис. 7).

Рис. 7. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека, тазовая и бедренная часть которой соединены аналогом связки головки бедренной кости, а в шарнире модели воспроизведено сгибание до угла 50°; вверху – вид с латеральной стороны, внизу – вид спереди.

После этого в шарнире модели нами сымитировано сгибание до угла 90° (Рис. 8).

Рис. 8. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека, тазовая и бедренная часть которой соединены аналогом связки головки бедренной кости, а в шарнире модели воспроизведено сгибание до угла 90°; вверху – вид с латеральной стороны, внизу – вид спереди.

Отмечено, что при сгибании в диапазоне 50°-90° объемная тазовая часть модели обретала устойчивость. Выяснено, что при увеличении как сгибания, так и разгибания происходило увеличение максимально возможного угла приведения. В случае уменьшения угла сгибания и разгибания уменьшало максимально возможный угол приведения в шарнире модели. Происходившее при этом закономерное скручивание аналога связки головки бедренной кости и, следовательно, его относительное укорочение никак не определялось. Изменение максимально возможного угла приведения в шарнире модели при движениях в сагиттальной плоскости было связано с особенностями функционирования шарнира модели с аналогом связки головки бедренной кости. При имитации сгибания и разгибания смещалось положение проксимальной области крепления аналога связки головки бедренной кости. Это и явилось причиной увеличения максимального угла приведения в шарнире модели.

Далее на электромеханической модели тазобедренного сустава человека мы воспроизвели движения в тазобедренном суставе, articulatio coxae, в горизонтальной плоскости: супинацию и пронацию. По причине наличия смазки и особенностей конструкции шарнира объемная тазовая часть модели самостоятельно не удерживалась в крайних положениях. Она стремилась перейти в исходную позицию в горизонтальной плоскости и одновременно повернуться вперед или назад в сагиттальной плоскости.

Для фиксации объемной тазовой части модели в горизонтальной плоскости потребовалось воспроизведение функции мышц. Нами проанализированы области крепления мышц, обеспечивающих движения в тазобедренном суставе, articulatio coxae. Выяснено, что большинство мышц обеспечивают супинацию, и значительно меньшая их часть способна вызвать пронацию (Табл. 2). 

Таблица 2.

Виды движений в тазобедренном суставе, вызываемые мышцами

Мышца	Сагиттальная плоскость	Фронтальная плоскость	Горизонтальная плоскость
Большая поясничная мышца, m. psoas major	сгибание	приведение	супинация
Подвздошная мышца, m. iliopsoas	сгибание	приведение	супинация
Внутренняя запирающая мышца, m. obturatorius internus	сгибание	отведение	супинация
Грушевидная мышца, m. piriformis	сгибание	отведение	супинация
Большая ягодичная мышца, m. gluteus maximus	разгибание	приведение	супинация
Средняя ягодичная мышца,  m. gluteus medius	-	отведение	пронация (передний пучок)
Малая ягодичная мышца, m. minimus	сгибание	отведение	пронация
Квадратная мышца бедра, m. quadratus femoris	-	приведение	супинация
Верхняя близнецовая мышца, m. gemellus superior	сгибание	отведение	супинация
Нижняя близнецовая мышца, m. gemellus inferior	сгибание	отведение	супинация
Наружная запирающая мышца, m. obturatorius externus	сгибание	отведение	супинация
Мышца, натягивающая широкую фасцию бедра, m. tensor fascia lata	сгибание	отведение	пронация
Портняжная мышца, m. sartorius	сгибание	приведение	супинация
Четырехглавая мышца бедра, m. rectus femoris	сгибание	приведение	-
Тонкая мышца, m. gracilus	сгибание	приведение	супинация
Длинная приводящая мышца, m. abductor longus	сгибание	приведение	супинация
Короткая приводящая мышца, m. abductor brevis	сгибание	приведение	супинация
Большая приводящая мышца, m. abductor magnus	-	приведение	супинация
Гребешковая мышца, m. pectineus	сгибание	приведение	супинация
Полусухожильная мышца, m. semitendinosus	разгибание	приведение	пронация
полуперепончатая мышца, m. semimembranosus	разгибание	приведение	пронация
Двуглавая мышца бедра, m. biceps femoris	разгибание	приведение	супинация

С целью фиксации положения супинации в шарнире модели вершина кронштейна коротких ротаторов бедра объемной тазовой части модели соединялся резиновой лентой с задне-верхней поверхностью аналога большого вертела бедренной части модели. Указанное по нашему замыслу воспроизводило сокращение коротких мышц, вращающих бедро наружу (Рис. 9).

Рис. 9. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека, тазовая и бедренная часть которой соединены аналогом связки головки бедренной кости с воспроизведенной супинацией, устойчивость в данном положение обеспечивает резиновая лента, соединенная с вершиной кронштейна коротких ротаторов бедра объемной тазовой части модели и задне-верхней поверхностью аналога большого вертела бедренной части модели; вверху – вид спереди, внизу – вид сверху.

При имитации супинации в шарнире противоположная ему сторона объемной тазовой части модели отводилась назад и поднималась, что воспроизводило отведение. Затем мы уменьшили натяжение резиновой ленты, прикрепив ее к основанию кронштейна коротких ротаторов бедра объемной тазовой части модели. Другой ее конец по-прежнему соединялся с задне-верхней поверхностью аналога большого вертела бедренной части модели. Тем самым мы воспроизвели удлинение и меньшее напряжение коротких мышц, вращающих бедро наружу (Рис. 10).

Рис. 10. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека, тазовая и бедренная часть которой соединены аналогом связки головки бедренной кости, а в шарнире модели воспроизведена супинация, зафиксированная резиновой лентой, соединенной с основанием кронштейна коротких ротаторов бедра объемной тазовой части модели и задне-верхней поверхностью аналога большого вертела бедренной части модели; вверху – вид спереди, внизу – вид сверху.

В результате уменьшения натяжения резиновой ленты, воспроизводившей расслабление коротких мышц, вращающих бедро наружу, объемная тазовая часть модели устанавливалась во фронтальной плоскости. Усилия, развиваемого резиновой лентой, было недостаточно для удержания объемной тазовой части модели в прежней позиции супинации с приподнятой вверх объемной тазовой частью модели. В связи с указанным в шарнире модели спонтанно воспроизводилась пронация, а приведение автоматически увеличивалось. При этом наблюдался наклон вниз объемной тазовой частью модели.

Для фиксации положения пронации в шарнире модели кронштейн коротких ротаторов бедра объемной тазовой части модели соединялся резиновой лентой с передней поверхностью бедренной части модели (Рис. 11).

Рис. 11. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека, тазовая и бедренная часть которой соединены аналогом связки головки бедренной кости, а в шарнире модели воспроизведена пронация, зафиксированная резиновой лентой, соединяющей кронштейн коротких ротаторов бедра объемной тазовой части модели и переднюю поверхностью бедренной части модели; вверху – вид спереди, в центре – вид сверху, внизу – вид спереди с латеральной стороны.

При воспроизведении движений в горизонтальной плоскости разобщения модели вертлужной впадины и сферической головки бедренной части модели не происходило. В крайних позициях супинации и пронации явственно натягивался аналог связки головки бедренной кости, ограничивая указанные выше движения. Обращено внимание на то, что при имитации как супинации, так и пронации в шарнире спонтанно возникало спонтанное отведение. Угол приведения был максимален в исходном положении, когда объемная тазовая часть модели находилась с позиции с поворотом вперед на 15°, как и бедренная часть модели. Минимальное приведение наблюдалось в крайних положениях супинации и пронации. Объемная тазовая часть модели приподнималась над плоскостью опоры, а в шарнире модели воспроизводилось отведение. Соответственно, на электромеханической модели тазобедренного сустава человека с объемной тазовой частью и аналогом связки головки бедренной кости нами воспроизводился «эффект автоотведения» в тазобедренном суставе, articulatio coxae. Он наблюдался как при пронации, так и супинации, но при условии натяжения аналога связки головки бедренной кости за счет наклона объемной тазовой части модели вниз и достижения предельного приведения в шарнире модели в означенной позиции. При вращении объемной тазовой части в горизонтальной плоскости тазовая часть модели описывала дугообразную кривую. Нижняя ее точка находилась при повороте объемной тазовой части модели вперед в горизонтальной плоскости на 15°. Верхняя точка траектории достигалась при крайней пронации и супинации.

Далее на электромеханической модели тазобедренного сустава человека мы воспроизвели поступательные движения в тазобедренном суставе, articulatio coxae, во фронтальной плоскости. Резиновая лента, упомянутая выше, отсоединялась. Усилием руки экспериментатора нами смещалась тазовая часть модели в медиальную сторону. Только в указанном направлении имелся продольный люфт. При данном поступательном смещении одновременном воспроизводилось отведение, а объемная тазовая часть модели спонтанно смещалась вверх (Рис. 12).

Рис. 12. Вид на шарнир электромеханической модели тазобедренного сустава человека, тазовая и бедренная часть которой соединены аналогом связки головки бедренной кости, в шарнире модели воспроизведено поступательное движение во фронтальной плоскости с одновременным воспроизведением отведения и поступательным смещением объемной тазовой части модели в краниомедиальном направлении.

Максимальная амплитуда поступательного смещения объемной тазовой части модели в краниомедиальном направлении оказалась ограничена длиной аналога связки головки бедренной кости. Величина продольного поступательного смещения объемной тазовой части модели в краниомедиальном направлении была максимальна при воспроизведении в шарнире модели отведения. В результате поступательного смещения объемный тазовой части модели в краниомедиальном направлении между внутренней поверхностью вертлужного элемента и медиальной поверхностью сферической головки бедренной части модели появлялся зазор. Поступательное перемещение объемной тазовой части модели в медиальную сторону сочеталось с отведением в шарнире и спонтанным смещением вверх.

Замечено, что краниомедиальное смещение объемной тазовой части модели вызывало появление силы, стремящейся переместить ее в обратном направлении. Данную силу генерировал аналог связки головки бедренной кости, натянутый собственным весом объемный тазовой части модели.

После прекращения удержания рукой объемный тазовой части модели она спонтанно смещалась в латеральном направлении, а вертлужный элемент прижимался к сферической головке бедренной части модели. При этом величина отведения в шарнире модели уменьшалась, а приведение достигало максимума, что ранее нами было обозначено как эффект автолатерализации. Он наблюдался при натяжении аналога связки головки бедренной кости путем воспроизведения приведения в шарнире механической модели тазобедренного сустава человека.

Аналог связки головки бедренной кости препятствовал воспроизведению полного вывиха в шарнире модели. В позиции максимального приведения вызвать медиальное смещение объемной тазовой части модели достичь не удавалось. Объемную тазовую часть модели невозможно было полностью снять со сферической головки бедренной части модели без повреждения аналога связки головки бедренной кости. Это демонстрировало соединительную функцию связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, в реальном тазобедренном суставе, articulatio coxae.

В покое объемная тазовая часть модели находилась в устойчивом положении на головке бедренной части. Она была достаточно стабильна во фронтальной и горизонтальной плоскости. В сагиттальной плоскости отмечалась неустойчивость. При воспроизведении вращательных и поступательных движений в шарнире модели во фронтальной, горизонтальной и сагиттальной плоскости аналог связки головки бедренной кости никогда не попадал между сферической головкой бедренной части модели и вертлужным элементом модели. Гибкий элемент не заклинивал шарнир модели. При целостности аналога связки головки бедренной кости воспроизвести какой-либо из известных видов вывихов тазобедренного сустава, articulatio coxae, в шарнире модели не удавалось.

 

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

                                                                     

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 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

 СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

Эксперименты и наблюдения

1991-2021АрхиповСВ