Конструкция модифицированной механической модели тазобедренного сустава

Конструкция модифицированной механической модели тазобедренного сустава

На предыдущем этапе экспериментальных исследований нами воспроизводились важнейшие ортостатические позы и основные периоды шага на электромеханической модели тазобедренного сустава человека. Означенная конструкция имела бедренную часть и объемную тазовую часть. Они соединялись аналогами связок, а именно: аналогом связки головки бедренной кости, аналогом вертикальной и горизонтальной части подвздошно-бедренной связки, аналогом седалищно-бедренной связки, а также аналогом лобково-бедренной связки. Модель также содержала аналог средней ягодичной мышцы и аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу. С целью имитации действия веса тела к крайнему отверстию грузового кронштейна объемной тазовой части прикреплялась нагрузка массой 1 кг. При воссоздании двухопорных положений для стабилизации объемной тазовой части модели использовался специальный подъемник, снабженный колесами.

Опыты по моделированию ортостатических поз и основных периодов шага позволили установить роль при их реализации каждой связки и двух вышеуказанных групп мышц. Вместе с тем замечено, что в отдельных случаях объемная тазовая часть модели была неустойчива, либо занимала неестественное положение. По результатам анализа экспериментов мы пришли к выводу, что для стабилизации таза, pelvis, в некоторых ортостатических позах и периодах шага недостаточно моделированных нами связок и мышц. Несомненно, требовались дополнительные элементы, соединяющие бедренную и объемную тазовую часть модели.

При подготовке к настоящему этапу экспериментальных исследований мы модифицировали имеющуюся электромеханическую модель тазобедренного сустава человека. В конструкцию добавлены: аналог прямой мышцы бедра и аналог комплекса задней группы мышц бедра, а также отсоединены электроприводы.

Заднюю группу мышц бедра образуют: полусухожильная мышца, musculus semitendinosus, полуперепончатая мышца, musculus semimembranosus, и двуглавая мышца бедра, musculus biceps femoris. Одна из основных их функций – обеспечение разгибания в тазобедренном суставе, articulatio coxae. Прямая мышца бедра, musculus rectus femoris, является наиболее длинной головкой четырехглавой мышцы бедра, musculus quadriceps femoris. К тазу, pelvis, она прикрепляется в области передней нижней ости подвздошной кости, spina iliaca anterior inferior, и верхнего края, acetabulum. Прямая мышца бедра, musculus rectus femoris, принимает участие в сгибании бедра, os femur (Синельников Р.Д., Синельников Я.Р., 1996).

В качестве аналога прямой мышцы бедра, musculus rectus femoris, нами использован безмен пружинный циферблатный «Xiongying». Данный механический динамометр был рассчитан на максимальную нагрузку 10 кг и имел цену деления 0.1 кг (Рис. 1).

Рис. 1. Аналог прямой мышцы бедра – безмен пружинный циферблатный «Xiongying»; вверху – в исходном положении, внизу – в момент регистрации усилия.

При виртуальном моделировании прямой мышцы бедра, musculus rectus femоris, ее ось проводится впереди от центра головки бедренной кости (Seireg A., Arvikar R.J., 1975). В связи с указанным на передней поверхности тазового элемента объемной тазовой части модели на уровне верхней части шарнира нами прикреплен L-образный кронштейн с отверстиями. Его размеры подобраны так, что крайне отверстие располагалось в проекции изображения передней нижней ости подвздошной кости, spina iliaca anterior inferior, в передневерхней области вертлужного элемента модели (Рис. 2).

Рис. 2. Верхняя область крепления аналога прямой мышцы бедра (стрелкой указано изображение передней нижней ости подвздошной кости); вверху – вид спереди, внизу – вид с латеральной стороны.

Аналог прямой мышцы бедра содержал безмен пружинный циферблатный «Xiongying», а также верхний элемент крепления переменной длины и нижний элемент крепления постоянной длины. Верхний элемент крепления переменной длины имел винтовой стержень и гибкую тягу. Винтовой стержень верхней своей частью посредством барашковой гайки прикреплялся к L-образному кронштейну объемной тазовой части модели. С нижним концом винтового стержня соединялась гибкая тяга из металлического троса. Она прикреплялась к верхней части безмена пружинного циферблатного «Xiongying». Нижний элемент крепления постоянной длины в виде крючка присоединялся впереди от нижнего конца бедренной части модели (Рис. 3).

Рис. 3. Общий вид конструкции аналога прямой мышцы бедра (зеленой стрелкой указано место соединения верхнего элемент крепления переменной длины с L-образным кронштейном тазового элемента объемной части модели, красной стрелкой указана гибкая тяга из металлического троса, соединяющая винтовой стержень с безменом пружинным циферблатным «Xiongying», который указан синей стрелкой, желтой стрелкой указан нижний элемент крепления постоянной длины); вверху – вид спереди, внизу – вид с латеральной стороны.

Барашковая гайка имела возможность накручиваться на стержень с резьбой M6 и шагом 1 мм. Означенное позволяло изменять общую длину аналога прямой мышцы бедра. Если при сближении его точек крепления к частям модели действовала противоположно направленная сила, динамометр позволял ее зарегистрировать и измерить.

В качестве аналога комплекса задней группы мышц бедра использован аналогичный безмен пружинный циферблатный «Xiongying». Он также был рассчитан на максимальную нагрузку 10 кг и имел цену деления 0.1 кг (Рис. 4).

Рис. 4. Аналог комплекса задней группы мышц бедра – безмен пружинный циферблатный «Xiongying»; вверху – в исходном положении, внизу – в момент регистрации усилия.

Проксимальный конец полусухожильной мышцы, musculus semitendinosus, прикрепляется к седалищному бугру, tuber ischiadicum, и принимает участие в выпрямлении туловища. Проксимальный конец полуперепончатой мышцы, musculus semimembranosus, тоже прикрепляется к седалищному бугру, tuber ischiadicum, принимая участие в разгибании бедра. Также к седалищному бугру, tuber ischiadicum, прикрепляется длинная головка, caput longum, двуглавой мышцы бедра, musculus biceps femoris, которая принимает участие в разгибании бедра (Синельников Р.Д., Синельников Я.Р., 1996).

В связи с указанным внизу на задней поверхности тазового элемента объемной тазовой части модели мы присоединили второй кронштейн. Он располагался в проекции изображения седалищного бугра, tuber ischiadicum (Рис. 5).

Рис. 5. Верхняя область крепления аналога комплекса задней группы мышц бедра; вверху – вид спереди (стрелкой указано изображение седалищного бугра), внизу – вид сзади (стрелкой указан кронштейн, прикрепленный в проекции изображения седалищного бугра).

Аналог комплекса задней группы мышц бедра содержал безмен пружинный циферблатный «Xiongying», верхний элемент крепления переменной длины и нижний элемент крепления постоянной длины. Верхний элемент крепления переменной длины имел винтовой стержень, который верхней своей частью посредством барашковой гайки прикреплялся к нижнему кронштейну тазового элемента объемной тазовой части модели. Нижний конец винтового стержня соединялся посредством проволочной петли с верхней частью безмена пружинного циферблатного «Xiongying». Его нижняя часть через элемент крепления в виде крюка закреплялась позади нижнего конца бедренной части модели (Рис. 6).

Рис. 6. Общий вид конструкции аналога комплекса задней группы мышц бедра (зеленой стрелкой указано место соединения верхнего элемента крепления переменной длины с нижним кронштейном объемной части модели, красной стрелкой указана проволочная петля, соединяющая винтовой стержень с безменом пружинным циферблатным «Xiongying», который указан синей стрелкой, желтой стрелкой указан нижний элемент крепления); вверху – вид спереди, внизу – вид с латеральной стороны.

Барашковая гайка имела возможность накручиваться на стержень с резьбой M6 и шагом 1 мм. Означенное позволяло изменять общую длину аналога комплекса задней группы мышц бедра. Если при сближении его точек крепления к частям модели действовала противоположно направленная сила, динамометр позволял ее зарегистрировать и измерить.

В качестве аналога средней ягодичной мышцы использован безмен пружинный циферблатный «ВБ-10». Он был рассчитан на максимальную нагрузку 10 кг и имел цену деления 0.1 кг (Рис. 7).

Рис. 7. Аналог средней ягодичной мышцы – безмен пружинный циферблатный «ВБ-10»; вверху – в исходном положении, внизу – при регистрации усилия.

Средняя ягодичная мышца, musculus gluteus medius, прикрепляется к наружной поверхности крыла подвздошной кости, ala ossis ilii. Верхней ее границей является гребень подвздошной кости, crista iliaca. Известно, что средняя ягодичная мышца, musculus gluteus medius, принимает участие в отведении бедра, os femur, и выпрямлении согнутого вперед туловища, причем передние пучки вращают бедро, os femur, внутрь, а задние – наружу (Синельников Р.Д., Синельников Я.Р., 1996).

В связи с указанным верхняя часть аналога средней ягодичной мышцы прикреплялась к кронштейну на передней поверхности объемной тазовой части модели, расположенному вверху в проекции изображения гребня подвздошной кости, crista iliaca. Нижняя часть аналога средней ягодичной мышцы соединялась с кронштейном на наружной поверхности бедренной части модели в области, воспроизводящей большой вертел бедра, trochanter major.

Аналог средней ягодичной мышцы содержал безмен пружинный циферблатный «ВБ-10», верхний элемент крепления постоянной длины и нижний элемент крепления переменной длины. Верхний элемент крепления представлял собой S-образный крючок. Он верхней своей частью прикреплялся к кронштейну тазового элемента объемной тазовой части в проекции изображения гребня подвздошной кости, crista iliaca. Нижняя часть крюка соединялась с безменом пружинным циферблатным «ВБ-10». Нижний элемент крепления аналога средней ягодичной мышцы представлял собой винтовой стержень. Верхняя его часть подвижно соединялась с безменом пружинным циферблатным «ВБ-10». Нижняя часть посредством барашковой гайки соединялась с кронштейном на наружной поверхности вверху бедренной части модели в области, воспроизводящей большой вертел бедра, trochanter major (Рис. 8).

Рис. 8. Общий вид конструкции аналога средней ягодичной мышцы (зеленой стрелкой указано место соединения верхнего элемент крепления с кронштейном тазового элемента объемной части модели, красной стрелкой указан верхний элемент крепления постоянной длины, соединяющийся с безменом пружинным циферблатным «ВБ-10», который указан синей стрелкой, желтой стрелкой указано место соединения нижнего элемента крепления переменной длины с кронштейном на наружной поверхности вверху бедренной части модели в области, воспроизводящей большой вертел бедра); вверху – вид спереди, внизу – вид с латеральной стороны.

Барашковая гайка имела возможность накручиваться на стержень с резьбой M6 и шагом 1 мм. Означенное позволяло изменять общую длину аналога средней ягодичной мышцы. Если при сближении его точек крепления к частям модели действовала противоположно направленная сила, динамометр позволял ее зарегистрировать и измерить.

В качестве аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, использован безмен пружинный циферблатный «БПЦ-10-01». Он был рассчитан на максимальную нагрузку 10 кг и имел цену деления 0.1 кг (Рис. 9).

Рис. 9. Аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу – безмен пружинный циферблатный «БПЦ-10-01»; вверху – в исходном положении, внизу – при регистрации усилия.

В комплекс коротких мышц, вращающих бедро наружу входит четыре мышцы. Первая из них – квадратная мышца бедра, musculus quadratus femoris, прикрепленная к латеральной поверхности седалищного бугра, tuber ischiadicum, с одной стороны и к большому вертелу бедра, trochanter major, - с другой. При сокращении означенная мышца вращает бедро, os femur, наружу. Верхняя близнецовая мышца, musculus gemellus superior, прикрепляется к ости седалищной кости, spina ischiadica, и к ямке большого вертела бедра, trochanter major. Сокращаясь, она вращает бедро, os femur, наружу. Нижняя близнецовая мышца, musculus gemellus inferior, прикрепляется к седалищному бугру, tuber ischiadicum, и к ямке большого вертела бедра, trochanter major. Она при своем сокращении также вызывает вращение бедра наружу. Наружная запирающая мышца, musculus obturatorius externus, прикрепляется к краю запирательного отверстия, foramen obturatum, таза, pelvis, и запирательной перепонки, membrane obturatoria, внутри малого таза, pelvis, с одной стороны. С другой стороны, она крепится к ямке большого вертела бедра, trochanter major. При своем сокращении она вращает бедро, os femur, наружи (Синельников Р.Д., Синельников Я.Р., 1996).

Аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, мы снабдили двумя элементами крепления. Внутренний элемент посредством металлической серьги соединялся с кронштейном коротких ротаторов бедра объемной тазовой части модели. Наружный элемент крепления аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, соединялся с L-образным кронштейном на задней поверхности бедренной части модели. Он находился в ее верхней области, воспроизводящей большой вертел бедра, trochanter major (Рис. 10).

Рис. 10. Общий вид конструкции аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу (зеленой стрелкой указано место соединения внутреннего элемент крепления с кронштейном коротких ротаторов бедра объемной тазовой части модели, красной стрелкой указан наружный элемент крепления переменной длины, синей стрелкой указан безмен пружинный циферблатный «БПЦ-10-01», желтой стрелкой указано место соединения наружного элемента крепления с L-образным кронштейном вверху на задней поверхности бедренной части модели в области, воспроизводящей большой вертел бедра); вверху – вид спереди, внизу – вид с латеральной стороны.

Таким образом, аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, содержал безмен пружинный циферблатный «БПЦ-10-01», внутренний элемент крепления постоянной длины и наружный элемент крепления переменной длины. Наружный элемент крепления аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, представлял собой винтовой стержень. С одной стороны, он подвижно соединялся с безменом пружинным циферблатным «БПЦ-10-01». С другой стороны, посредством барашковой гайки он соединялся с L-образным кронштейном, закрепленным вверху на задней поверхности бедренной части модели в области, воспроизводящей большой вертел бедра, trochanter major.

Барашковая гайка имела возможность накручиваться на стержень с резьбой M6 и шагом 1 мм. Означенное позволяло изменять общую длину аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу. Если при сближении его точек крепления к частям модели действовала противоположно направленная сила, динамометр позволял ее зарегистрировать и измерить.

Аналоги связок нами не модернизировались. Их воспроизводили отрезки металлического троса. Точки крепления аналогов связок мы детально описали ранее.

Соответственно, модифицированная механическая модель тазобедренного сустава содержала бедренную часть и нагруженную объемную тазовую часть. Они соединялись аналогами связок, а именно: аналогом связки головки бедренной кости, аналогом вертикальной и горизонтальной части подвздошно-бедренной связки, аналогом седалищно-бедренной связки, а также аналогом лобково-бедренной связки. Кроме этого, части модели соединялись аналогом средней ягодичной мышцы, аналогом комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, аналогом прямой мышцы бедра и аналогом комплекса задней группы мышц бедра. Означенные аналоги мышц позволяли воспроизводить на модели отведение, супинацию, разгибание, сгибание. Укорочение аналога средней ягодичной мышцы, кроме отведения, факультативно имитировало пронацию. В свою очередь, одновременное укорочение аналога прямой мышцы бедра и аналога комплекса задней группы мышц бедра вызывало активное приведение в шарнире модели. В пассивном режиме приведение обеспечивало действие собственного веса объемной тазовой части модели с прикрепленной к ней нагрузкой. 

Смотри также:

а) Базовые эксперименты на электромеханической модели 

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 

Моделирование завершения первого двухопорного периода шага  

Моделирование начала одноопорного периода шага 

Моделирование середины одноопорного периода шага 

Моделирование завершения одноопорного периода шага 

Наблюдение: износ нижней поверхности головки бедренной части механической модели 

б) Электромеханическая модель без LCF 

Моделирование функции тазобедренного сустава без LCF

Моделирование первого двухопорного периода шага при отсутствии LCF 

Моделирование начала одноопорного периода шага при отсутствии LCF 

Моделирование середины одноопорного периода шага при отсутствии LCF 

Моделирование завершения одноопорного периода шага при отсутствии LCF 

Моделирование начала второго двухопорного периода шага при отсутствии LCF  

Моделирование симметричной двухопорной ортостатической позы при отсутствии LCF 

Моделирование напряженной одноопорной ортостатической позы с наклоном таза вперед при отсутствии LCF  

Моделирование одноопорной ортостатической позы с симптомом Тренделенбурга при отсутствии 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 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 двадцатой главе четвертого 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. 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 capitis femoris, ligamentum teres, связка головки бедра, эксперимент, механическая модель, средняя ягодичная мышца, короткие ротаторы, сгибатели, разгибатели

 СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

Эксперименты и наблюдения

1991-2021АрхиповСВ