Имитация взаимодействия средней ягодичной мышцы и LCF

Имитация взаимодействия средней ягодичной мышцы и связки головки бедренной кости

На следующем этапе экспериментальных исследований мы уточнили взаимодействие средней ягодичной мышцы, musculus gluteus medius, и связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris. Нами использована электромеханическая модель тазобедренного сустава человека с подвешенной нагрузкой. Груз прикреплялся к отверстию грузового кронштейна в непосредственной близости от тазового элемента объемной тазовой части модели. Тазовая и бедренная части модели были соединены аналогом связки головки бедренной кости и аналогом средней ягодичной мышцы. Верхний элемент крепления аналога средней ягодичной мышцы прикреплялся к объемной тазовой части в области изображения крыла правой подвздошной кости, ala ossis ilii. Резьбовая втулка указанного элемента прикреплялась к передней поверхностью аналога большого вертела бедра бедренной частью модели (Рис. 1).

Рис. 1. Аналог средней ягодичной мышцы электромеханической модели тазобедренного сустава человека (вид спереди).

Введение в конструкцию модели аналога средней ягодичной мышцы не отражалось на положении объемной тазовой части модели. В исходном положении объемная тазовая часть была повернута вперед на 15°, наклонена в низ в медиальную сторону. В шарнире модели спонтанно воспроизводилось приведение и пронация. Узел подвижности модели стопорился во фронтальной плоскости аналогом связки головки бедренной кости, натянутым подвешенным грузом. При этом динамометр аналога средней ягодичной мышцы не регистрировал какого-либо усилия (Рис. 2).

Рис. 2. Исходное положение электромеханической модели тазобедренного сустава человека с подвешенной нагрузкой, тазовая и бедренная часть которой соединены аналогом связки головки бедренной кости и аналогом средней ягодичной мышцы; вверху - вид спереди, внизу – вид сверху.

Натянутый аналог связки головки бедренной кости шунтировал действие подвешенной нагрузки и разгружал аналог средней ягодичной мышцы. Вместе с тем груз, прикрепленный к объемной тазовой части модели, заметно увеличил ее стабильность в горизонтальной плоскости. Эффект автостабилизации был хорошо выражен. Несмотря на введение аналога средней ягодичной мышцы, модель функционировала как аналог рычага третьего рода.

Далее посредством электропривода мы уменьшили длину аналога средней ягодичной мышцы. В результате области крепления аналога средней ягодичной мышцы сблизились, в шарнире было воспроизведено отведение. Верхняя часть тазового элемента модели сместилась в латеральном направлении и приблизилась к аналогу большого вертела бедренной части. Край объемной тазовой части модели, противоположный шарниру, приподнялся над основанием. Высота расположения нагрузки и грузового кронштейна объемной тазовой части модели увеличилась. Эффект автостабилизации в указанной позиции не проявлялся. В связи с этим объемную тазовую часть модели можно было повернуть в горизонтальной плоскости. Тенденции к ее возвращению в исходное положение не отмечалось. Наклон объемной тазовой части модели в латеральную сторону поддерживался аналогом средней ягодичной мышцы. Аналог средней ягодичной мышцы препятствовал приведению в шарнире модели и наклону объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону, но не ограничивал амплитуду ее движений в горизонтальной плоскости. Объемная тазовая часть модели нами располагалась приблизительно во фронтальной плоскости. Аналог средней ягодичной мышцы разгружал аналог связки головки бедренной кости и вместо него стопорил узел подвижности модели во фронтальной плоскости. Отмечено, что проксимальная область крепления аналога связки головки бедренной кости, а именно отверстие вертлужного элемента, через которое он выходил из полости шарнира, сместилось вверх. Означенное косвенно указывало на отсутствие натяжения аналога связки головки бедренной кости. При воспроизведении в шарнире модели отведения динамометр аналога средней ягодичной мышцы зарегистрировал появившуюся нагрузку. После завершения этапа укорочения аналога средней ягодичной мышцы объемная тазовая часть модели пребывала в устойчивом равновесии (Рис. 3).

Рис. 3. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека с подвешенной нагрузкой, тазовая и бедренная часть которой соединены аналогом связки головки бедренной кости и аналогом средней ягодичной мышцы (имитация отведения с наклоном объемной тазовой части модели в латеральную сторону 18°); вверху – вид спереди, в центре – показания динамометра, внизу – вид сверху.

При воспроизведении в шарнире модели отведения с наклоном объемной тазовой части модели в латеральную сторону на 18° показания динамометра составили 1.3 кг. В данном случае модель функционировала как аналог рычага первого рода. Действию подвешенной к объемной тазовой части модели нагрузки противодействовала сила реакции пружины аналога средней ягодичной мышцы.

Затем, используя электропривод, мы несколько увеличили длину аналога средней ягодичной мышцы. В результате удлинения аналога средней ягодичной мышцы области крепления аналога средней ягодичной мышцы удалились друг от друга. Верхняя часть тазового элемента модели сместилась в медиальную сторону и удалилась от аналога большого вертела бедренной части модели. Край объемной тазовой части модели, противоположный шарниру, опустился, приблизившись к основанию. Высота расположения нагрузки и грузового кронштейна объемной тазовой части модели уменьшилась. При этом грузовой кронштейн, к которому прикреплялась нагрузка, сместился в медиальную сторону. Объемная тазовая часть модели располагалась приблизительно во фронтальной плоскости.

Наклон объемной тазовой части модели в латеральную сторону составил 11°, а в шарнире модели воспроизводилось отведение. Эффект автостабилизации в означенном положении не проявлялся. Объемная тазовая часть модели находилась в устойчивом равновесии. Аналог средней ягодичной мышцы ограничивал дальнейшее приведение в шарнире модели и наклон объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону. Однако он не препятствовал движениям объемной тазовой части модели в горизонтальной плоскости. Аналог средней ягодичной мышцы продолжал разгружать аналог связки головки бедренной кости и вместо него стопорил шарнир модели во фронтальной плоскости. Это подтверждалось также тем, что динамометр аналога средней ягодичной мышцы регистрировал определенное усилие (Рис. 4).

Рис. 4. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека с подвешенной нагрузкой, тазовая и бедренная часть которой соединены аналогом связки головки бедренной кости и аналогом средней ягодичной мышцы (имитация отведения с наклоном объемной тазовой части модели в латеральную сторону 11°); вверху – вид спереди, в центре – показания динамометра, внизу – вид сверху.

При воспроизведении в шарнире модели отведения с наклоном объемной тазовой части модели в латеральную сторону на угол 11° показания динамометра составили 1.7 кг. В данном случае модель продолжала функционировать как аналог рычага первого рода. Действию подвешенной к объемной тазовой части модели нагрузки противодействовала сила реакции пружины аналога средней ягодичной мышцы. Уменьшение отклонения объемной тазовой части модели в латеральную сторону обусловило увеличение усилия, которое регистрировал динамометр. Объяснение тому – увеличение плеча веса объемной тазовой части модели с прикрепленной нагрузкой.

Следующим этапом посредством электропривода мы еще увеличили длину аналога средней ягодичной мышцы. В результате области крепления аналога средней ягодичной мышцы дополнительно удалились друг от друга. Объемная тазовая часть модели больше наклонилась в медиальную сторону. Ее край, противоположный шарниру, еще опустился вниз, приблизившись к основанию модели. Высота расположения нагрузки и грузового кронштейна объемной тазовой части модели над основанием уменьшилась. Объемная тазовая часть модели располагалась вблизи фронтальной плоскости. Грузовой кронштейн, к которому прикреплялась нагрузка, дальше сместился в медиальную сторону. Наклон объемной тазовой части модели в латеральную сторону составил 5°. Соотношение в шарнире модели соответствовало отведению. Эффект автостабилизации не проявлялся. В означенной позиции объемная тазовая часть модели находилась в устойчивом равновесии. Аналог средней ягодичной мышцы продолжал ограничивать приведение в шарнире модели и наклон объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону, но не препятствовал движениям в горизонтальной плоскости. Аналог средней ягодичной мышцы разгружал аналог связки головки бедренной кости и стопорил шарнир модели во фронтальной плоскости. Динамометр аналога средней ягодичной мышцы продолжал регистрировать усилие, которое удерживало объемную тазовую часть модели (Рис. 5).

Рис. 5. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека с подвешенной нагрузкой, тазовая и бедренная часть которой соединены аналогом связки головки бедренной кости и аналогом средней ягодичной мышцы (имитация отведения с наклоном объемной тазовой части модели в латеральную сторону 5°); вверху – вид спереди, в центре – показания динамометра, внизу – вид сверху.

При воспроизведении в шарнире модели отведения с наклоном объемной тазовой части модели в латеральную сторону на угол 5° показания динамометра составили 2.1 кг. Модель продолжала функционировать как аналог рычага первого рода. Действию подвешенной к объемной тазовой части модели нагрузки противодействовала сила реакции пружины аналога средней ягодичной мышцы. Дальнейшее уменьшение отклонения объемной тазовой части модели в латеральную сторону увеличило плечо веса объемной тазовой части модели. Закономерно возросло усилие, которое регистрировал динамометр.

Далее посредством электропривода длина аналога средней ягодичной мышцы была дополнительно увеличена. В результате удлинения аналога средней ягодичной мышцы область его крепления к тазовому элементу продолжила удаляться от аналога большого вертела бедренной части. Край объемной тазовой части модели, противоположный шарниру, еще больше опустился вниз. Высота расположения нагрузки и грузового кронштейна объемной тазовой части модели над основанием уменьшилась. Грузовой кронштейн и прикрепленная к нему нагрузка дальше сместились в медиальную сторону. Вращение электропривода остановлено, когда виртуальная линия, соединяющая изображения крыльев тазовых костей, приняли горизонтальную позицию. Тем самым в шарнире модели мы воспроизвели среднее положение между отведением и приведением. Объемная тазовая часть модели оставалась в положении устойчивого равновесия. Ее можно было беспрепятственно повернуть вперед и назад в горизонтальной плоскости. Замечено, что аналог средней ягодичной мышцы приблизился к шарниру модели. Следовательно, уменьшилось плечо усилия данного элемента модели. Аналог средней ягодичной мышцы продолжал ограничивать приведение в шарнире модели и наклон объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону. Он стопорил шарнир модели во фронтальной плоскости и препятствовал натяжению аналога связки головки бедренной кости. Динамометр аналога средней ягодичной мышцы продолжал регистрировать усилие (Рис. 6).

Рис. 6. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека с подвешенной нагрузкой, тазовая и бедренная часть которой соединены аналогом связки головки бедренной кости и аналогом средней ягодичной мышцы (горизонтальная позиция объемной тазовой части модели, в шарнире среднее положение между отведением и приведением); вверху – вид спереди, в центре – показания динамометра, внизу – вид сверху.

При воспроизведении в шарнире модели среднего положения между отведением и приведением с наклоном объемной тазовой части модели 0° показания динамометра составили 1.9 кг. Наклон объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону с переводом ее в «нулевую» позицию вызвал парадоксальное уменьшение усилия, которое регистрировал динамометр. Кроме этого, объемная тазовая часть модели незначительно повернулась вперед в горизонтальной плоскости. Это указывало на начало реализации эффекта авторотации. Субъективно устойчивость объемной тазовой части модели к повороту в горизонтальной плоскости увеличилась. Вместе с тем модель продолжала функционировать как аналог рычага первого рода. Действию подвешенной к объемной тазовой части модели нагрузки противодействовала сила реакции пружины аналога средней ягодичной мышцы. Уменьшение усилия, которое регистрировал динамометр, а также поворот объемной тазовой части модели вперед свидетельствовало, что аналог связки головки бедренной кости начал натягиваться. Вследствие начала реализации эффекта авторотации в шарнире модели увеличился угол пронации.

На последующем этапе эксперимента посредством электропривода длина аналога средней ягодичной мышцы дополнительно увеличена. В результате удлинения аналога средней ягодичной мышцы область его крепления к тазовому элементу продолжила удаляться от аналога большого вертела бедренной части модели. Край объемной тазовой части модели, противоположный шарниру, еще больше опустился вниз. Визуально объемная тазовая часть модели наклонилась в медиальную сторону. Высота расположения нагрузки и грузового кронштейна объемной тазовой части модели над основанием уменьшилась. Грузовой кронштейн, к которому прикреплялась нагрузка, дополнительно сместился в медиальную сторону. Объемная тазовая часть модели наклонилась вниз в медиальную сторону на 2°. В шарнире модели возникла позиция приведения. Объемная тазовая часть модели пребывала в устойчивом равновесии. Аналог средней ягодичной мышцы ограничивал дальнейшее приведение в шарнире модели и наклон объемной тазовой части вниз в медиальную сторону. Аналог средней ягодичной мышцы стопорил шарнир модели во фронтальной плоскости, а динамометр аналога средней ягодичной мышцы зарегистрировал уменьшение усилия (Рис. 7).

Рис. 7. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека с подвешенной нагрузкой, тазовая и бедренная часть которой соединены аналогом связки головки бедренной кости и аналогом средней ягодичной мышцы (имитация приведения с наклоном объемной тазовой части модели в медиальную сторону 2°); вверху – вид спереди, в центре – показания динамометра, внизу – вид сверху.

При наклоне объемной тазовой части модели вниз на 2° в шарнире модели наблюдалось приведение, а показания динамометра составили 1.4 кг. За счет наклона объемной тазовой части модели в медиальную сторону натягивался аналог связки головки бедренной кости. Это приводило к уменьшению усилия, которое регистрировал динамометр. Объемная тазовая часть модели дополнительно повернулась вперед в горизонтальной плоскости. В шарнире модели наблюдалось положение пронации. Устойчивость объемной тазовой части модели к повороту в горизонтальной плоскости сохранилась. Модель продолжала функционировать как аналог рычага первого рода. Причем действию подвешенной к объемной тазовой части модели нагрузки противодействовала сила реакции пружины аналога средней ягодичной мышцы и сила реакции натягиваемого аналога связки головки бедренной кости.

Используя электропривод, мы еще больше увеличили длину аналога средней ягодичной мышцы. Аналог средней ягодичной мышцы продолжил приближаться к шарниру модели. Область крепления аналога средней ягодичной мышцы к объемной тазовой части модели дополнительно удалилась от аналога большого вертела бедренной части. Край объемной тазовой части модели, противоположный шарниру, опустился вниз. Высота расположения нагрузки и грузового кронштейна объемной тазовой части модели над основанием уменьшилась. Грузовой кронштейн, к которому прикреплялась нагрузка, сместился дальше в медиальную сторону. Объемная тазовая часть модели наклонена вниз в медиальную сторону на 4°. В шарнире модели имитировано приведение. Объемная тазовая часть модели в данной позиции находилась в положении устойчивого равновесия. Аналог средней ягодичной мышцы ограничивал приведение в шарнире модели и наклон объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону. Он продолжал стопорить шарнир модели во фронтальной плоскости. Динамометр аналога средней ягодичной мышцы зарегистрировал уменьшение усилия, требуемого для удержания объемной тазовой части (Рис. 8).

Рис. 8. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека с подвешенной нагрузкой, тазовая и бедренная часть которой соединены аналогом связки головки бедренной кости и аналогом средней ягодичной мышцы (имитация приведения с наклоном объемной тазовой части модели в медиальную сторону 4°); вверху – вид спереди, в центре – показания динамометра, внизу – вид сверху.

При наклоне объемной тазовой части модели в медиальную сторону 4° и приведении в шарнире модели показания динамометра составили 0.8 кг. Отклонение объемной тазовой части модели в медиальную сторону дополнительно натянуло аналог связки головки бедренной кости. Следствием стало уменьшение усилия, которое регистрировал динамометр. Это произошло несмотря на то, что плечо силы аналога средней ягодичной мышцы еще больше уменьшилось. Объемная тазовая часть модели повернулась вперед еще больше в горизонтальной плоскости. В шарнире модели увеличилась пронация. Субъективно устойчивость объемной тазовой части модели к повороту в горизонтальной плоскости заметно возросла. Означенное отмечалось при попытке отклонения объемной тазовой части модели назад, то есть при воспроизведении супинации. Модель продолжала функционировать как аналог рычага первого рода. Действию нагрузки, подвешенной к объемной тазовой части модели, противодействовала сила реакции пружины аналога средней ягодичной мышцы и сила реакции явно натягиваемого аналога связки головки бедренной кости.

На заключительном этапе описываемой серии экспериментов посредством электропривода нами максимально удлинен аналог средней ягодичной мышцы. В результате область крепления аналога средней ягодичной мышцы к тазовому элементу удалилась от аналога большого вертела бедренной части на максимальную величину. Край объемной тазовой части модели, противоположный шарниру, максимально опустился вниз. Высота расположения нагрузки и грузового кронштейна объемной тазовой части модели над основанием оказалась минимальной. Грузовой кронштейн, к которому прикреплялась нагрузка, максимально сместился в медиальную сторону. Объемная тазовая часть модели максимально наклонилась вниз в медиальную сторону до угла 6°. В шарнире модели сохранялось приведение. Объемная тазовая часть модели находилась в положении устойчивого равновесия. При попытке смещения объемной тазовой части модели в горизонтальной плоскости выявлялся эффект автостабилизации. Динамометр аналога средней ягодичной мышцы не регистрировал какого-либо усилия (Рис. 9).

Рис. 9. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека с подвешенной нагрузкой, тазовая и бедренная часть которой соединены аналогом связки головки бедренной кости и аналогом средней ягодичной мышцы (имитация приведения с наклоном объемной тазовой части модели в медиальную сторону 6°); вверху – вид спереди, в центре – показания динамометра, внизу – вид сверху.

При воспроизведении в шарнире модели приведения с наклоном объемной тазовой части модели на угол 6° показания динамометра составили 0.0 кг. Тем самым выяснено, что налог средней ягодичной мышцы не участвовал в ограничении приведения в шарнире модели и не участвовал в удержании объемной тазовой части. Шарнир модели во фронтальной плоскости стопорил только натянутый аналог связки головки бедренной кости. Дальнейшее приведение в шарнире модели было невозможно. Наклон объемной тазовой части модели в медиальную сторону достиг предела и был ограничен натяжением аналога связки головки бедренной кости. Указанное привело к полному шунтированию нагрузки, что и было зарегистрировано динамометром. Объемная тазовая часть модели максимально повернулась вперед. В шарнире модели наблюдалось соотношение, характерное для пронации. Модель начала функционировать как аналог рычага третьего рода. Действию нагрузки, подвешенной к объемной тазовой части модели, противодействовала только сила реакции до предела натянутого аналога связки головки бедренной кости. Таким образом, удлинение аналога средней ягодичной мышцы позволило существенным образом преобразовать схему нагрузки сферической головки бедренной части модели.

 

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

                                                                     

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, средняя ягодичная мышца

 СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

Эксперименты и наблюдения

1991-2021АрхиповСВ