Моделирование второго
двухопорного периода шага
[1]. Введение
[2]. Моделирование начала второго двухопорного
периода шага
[1]. Введение
В настоящей серии экспериментов
предпринято изучение взаимодействия связок и мышц тазобедренного сустава, articulatio
coxae,
в начале второго двухопорного периода шага, а именно в
момент переднего толчка. Для постановки опытов нами использована модифицированная механическая модель. Конструкция содержала бедренную
часть и объемную тазовую часть с прикрепленной к ней нагрузкой
1 кг. Последняя моделировала
действие веса тела и присоединялась к крайнему отверстию грузового кронштейна, находящемуся
на уровне изображения межпозвонкового диска L5-S1 позади плоскости объемной тазовой части. Точка расположения
груза воспроизводила общий центр масс тела,
локализующийся медиальнее, выше и позади от тазобедренного сустава, articulatio coxae.
Модель содержала аналог связки головки бедренной кости, аналог вертикальной
и горизонтальной части подвздошно-бедренной связки, аналог седалищно-бедренной
связки и аналог лобково-бедренной связки выполненные из металлического троса. Кроме
этого, конструкция имитировала три основные группы мышц тазобедренного сустава, articulatio
coxae.
С латеральной стороны от шарнира модели располагался аналог средней ягодичной мышцы, который воспроизводил одноименную мышцу –
musculus gluteus medius, ответственную за
отведение и пронацию. Позади, на уровне шарнира модели, находился аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу. Данный элемент имитировал
функцию квадратной мышцы бедра, musculus quadratus
femoris, верхней и нижней близнецовых мышц, musculus gemellus superior et musculus gemellus inferior, и наружной запирающей
мышцы, musculus obturatorius externus. Впереди, ниже уровня шарнира, локализовался
аналог прямой мышцы бедра, musculus rectus femoris, одной из крупнейших головок четырехглавой
мышцы бедра, musculus quadriceps
femoris,
ответственной за сгибание в тазобедренном суставе, articulatio coxae. Ввиду локализации нагрузки позади центра
вращения шарнира и тенденции к спонтанному отклонению объемной тазовой части
назад в сагиттальной плоскости, мы отказались от моделирования комплекса задней группы мышц бедра, который включает полусухожильную
мышцу, musculus semitendinosus, полуперепончатую мышцу, musculus semimembranosus, и длинную головку, caput longum, двуглавой мышцы бедра, musculus biceps femoris.
На собранной нами модели аналог прямой мышцы бедра, препятствовал наклону объемной тазовой части назад в
сагиттальной плоскости. Аналог коротких мышц, вращающих бедро наружу,
ограничивал поворот объемной тазовой части модели вперед в горизонтальной плоскости.
Аналог средней ягодичной мышцы ограничивал наклон объемной тазовой части модели
вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости. В сагиттальной плоскости
отклонению объемной тазовой части модели назад также препятствовали аналоги
наружных связок. В зависимости от угла поворота объемной тазовой части модели в
горизонтальной и фронтальной плоскости аналоги наружных связок по-разному ограничивали
разгибание, функционируя в содружестве с аналогами мышц. Аналоги наружных связок
участвовали в ограничении отклонения объемной тазовой части модели вперед
только при аномальных углах.
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.
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, 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.
[2]. Моделирование начала второго двухопорного
периода шага
В
завершении сессии экспериментального изучения взаимодействия связок и мышц тазобедренного сустава, articulatio
coxae,
при ходьбе нами воспроизведено начало второго двухопорного
периода шага, а именно момента переднего толчка второго одиночного шага. Для
данного периода шага характерно разгибание в тазобедренном суставе, articulatio coxae, позади
расположенной опорной ноги. При этом длинная ось бедренной кости, os femur, означенной
конечности направлена вверх, отклонена в сагиттальной плоскости вперед, а во
фронтальной плоскости – в латеральную сторону с поворотом вперед в горизонтальной
плоскости. В тазобедренном суставе, articulatio
coxae, позади расположенной опорной ноги присутствует пронация, разгибание и
приведение.
С целью воспроизведения означенного положения бедренная часть
модели, имитирующая позади расположенную нижнюю конечность, установлена с
наклоном вперед в сагиттальной плоскости на 15°, отклонена в латеральную
сторону во фронтальной плоскости на 10° и развернута вперед и наружу
относительно вертикальной оси на 10°. Объемная тазовая часть модели
фиксировалась подъемником, аналогами мышц, а также натяжением аналогов связок. Длины
аналога средней ягодичной мышцы, аналога прямой мышцы бедра и аналога комплекса
мышц коротких мышц, вращающих бедро наружу, не изменялись. Подъемник размещался
в передней части основания модели на стороне, противоположной шарниру.
В
связи с изменением положения бедренной части объемная тазовая часть модели
спонтанно наклонилась вниз в медиальную сторону и вперед. Высота подъемника
отрегулирована так, что изображения крыльев подвздошных костей, ala ossis ilii, тазового
элемента модели находились на различных уровнях. Со стороны шарнира высота изображения
крыла подвздошной кости, ala ossis ilium, на объемной тазовой части модели
была выше, чем с противоположенной стороны (Рис. 1).
 |
| Рис. 1. Моделирование начала второго двухопорного периода шага, а именно переднего толчка, на модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью с аналогами связок и мышц; вверху – вид спереди, внизу – вид сзади. |
Действие
подъемника несколько уменьшило наклон объемной тазовой части модели вниз в медиальную
сторону во фронтальной плоскости, а также вперед в сагиттальной плоскости в
сравнении с позицией, достигнутой при моделировании завершения одноопорного периода шага.
При наклоне бедренной части модели вперед в
сагиттальной плоскости под действием силы тяжести объемная тазовая
часть модели повернулась вперед в горизонтальной плоскости, а в сагиттальной
плоскости наклонилась вперед (Рис. 2).
 |
| Рис. 2. Моделирование начала второго двухопорного периода шага, а именно переднего толчка, на модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью с аналогами связок и мышц; вверху – вид сверху, внизу – вид с латеральной стороны. |
Спонтанное
движение объемной тазовой части обусловило максимальную пронацию в шарнире модели.
На поворот объемной тазовой части наружу в горизонтальной плоскости повлиял
наклон бедренной части модели вперед. В сагиттальной плоскости сохранилось положение
разгибания. Во фронтальной плоскости присутствовало приведение, которое ограничивалось
подъемником. В результате длинная ось
вертлужного элемента объемной тазовой части модели обрела отклонение вверх,
вперед и в медиальную сторону.
После
стабилизации модели проанализированы показания динамометров аналогов мышц (Рис.
3).
 |
| Рис. 3. Динамометры аналогов мышц модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью (моделирование начала второго двухопорного периода шага, а именно переднего толчка); вверху – динамометр аналога средней ягодичной мышцы, в центре – динамометр аналога прямой мышцы бедра, внизу – динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу. |
Динамометр
аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу,
аналога
прямой мышцы бедра и аналога средней ягодичной мышцы
не регистрировал усилия. Соответственно, аналоги мышц не участвовали в
стабилизации объемной тазовой части модели и не препятствовали ее перемещениям.
Затем нами проанализирована ориентация аналогов связок
и степень их натяжения (Рис. 4).
 |
| a |
 |
| b |
 |
| c |
 |
| d Рис. 4. Аналоги связок модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека (моделирование начала второго 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. |
Отсутствие усилий регистрируемых динамометрами аналогов мышц свидетельствовало о том, что в удержании объемной тазовой части
модели в положении покоя были задействованы аналоги связок и подъемник. При осмотре шарнира модели обнаружено натяжение аналога седалищно-бедренной
связки, аналога лобково-бедренной связки и вертикальной
части аналога подвздошно-бедренной
связки. Это отмечалось по их прижатию к элементам бедренной
части модели и спрямлению хода. Замечено отсутствие натяжения
горизонтальной части аналога подвздошно-бедренной связки. Означенное
подтверждалось ее плавными изгибами и отсутствием прижатия к
элементам бедренной части модели. Мы полагаем, уменьшение натяжения
горизонтальной части аналога подвздошно-бедренной связки обусловило действие подъемника. По причине
расположения общего центра масс системы выше и позади от оси вращения системы, объемная тазовая
часть модели имела тенденцию к отклонению назад в сагиттальной плоскости. Указанное
поддерживало положение разгибания в шарнире модели и натягивало вышеперечисленный
аналоги связок.
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 ограниченно
смещался в медиальном направлении. Это свидетельствовало об отсутствии 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. Натяжение аналогов наружных связок
стопорило шарнир в сагиттальной и горизонтальной плоскости без участия аналогов
мышц.
Наклону
объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону во фронтальной
плоскости препятствовал подъемник объемной тазовой части. Отклонению объемной
тазовой части модели
назад в сагиттальной плоскости противодействовали: аналог вертикальной части подвздошно-бедренной связки, аналог
лобково-бедренной связки и аналог седалищно-бедренной связки. В горизонтальной
плоскости повороту объемной тазовой части модели вперед препятствовали аналог
седалищно-бедренной связки, аналог лобково-бедренной связки и подъемник
объемной тазовой части. Для поддержания модели в положении покоя не
требовалось дополнительного внешнего воздействия.
Полученные в эксперименте данные свидетельствуют, что в начале второго двухопорного периода шага стабилизация таза, pelvis, в горизонтальной, фронтальной и сагиттальной плоскости может быть достигнута натяжением седалищно-бедренной связки, ligamentum ischiofemorale, лобково-бедренной связки, ligamentum pubofemorale, вертикальной части аналога подвздошно-бедренной связки, ligamentum iliofemorale, без напряжения мышц при условии опоры на обе нижние конечности.
Смотри также:
а) Базовые эксперименты на электромеханической модели
Бедренная часть комбинированной модели тазобедренного сустава
Элементы электромеханической модели тазобедренного сустава человека
Моделирование действия веса тела
Имитация взаимодействия средней ягодичной мышцы и LCF
Анализ взаимодействия средней ягодичной мышцы и LCF
б) Модифицированная механическая модель
Конструкция модифицированной механической модели тазобедренного сустава
Моделирование движений: исходное одноопорное положение
Моделирование отведения и приведения в тазобедренном суставе
Моделирование пронации и супинации в тазобедренном суставе
Моделирование разгибания и сгибания в тазобедренном суставе
Исходное положение при моделировании ортостатических поз
Моделирование симметричной двухопорной ортостатической позы
Моделирование напряженной одноопорной ортостатической позы
Переход от симметричной двухопорной к ненапряженной одноопорной ортостатической позе
Моделирование асимметричной двухопорной ортостатической позы
Моделирование первого двухопорного периода шага
Моделирование одноопорного 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 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
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. 4. Главы 17-21. Напечатано Автором во граде Королев при попечении его супруги Людмилы Николаевны, ММXVIII A.D. [2018], bonum factum! [на благо и счастье], 549 с. [academia.edu]
Ключевые слова
ligamentum teres, ligamentum capitis femoris, связка головки бедра, мышцы, эксперимент, механическая модель, ходьба
Эксперименты и наблюдения