Моделирование отведения и приведения в тазобедренном суставе

  

Моделирование отведения и приведения в тазобедренном суставе

Моделирование отведения в тазобедренном суставе

Для изучения взаимодействия связок и мышц при движениях в тазобедренном суставе, articulatio coxae, нами собрана модифицированная механическая модель. Конструкция содержала бедренную часть и объемную тазовую часть с нагрузкой 1 кг. Последняя моделировала действие веса тела и прикреплялась к крайнему отверстию грузового кронштейна, находящемуся на уровне изображения межпозвонкового диска L5-S1 позади плоскости объемной тазовой части. Точка крепления 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. Кроме этого, конструкция имитировала четыре 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 воспроизводил 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. Позади, ниже уровня шарнира модели прикреплялся аналог комплекса задней группы мышц бедра. Он моделировал функцию полусухожильной мышцы, musculus semitendinosus, полуперепончатой мышцы, musculus semimembranosus, и длинной головки, caput longum, двуглавой мышцы бедра, musculus biceps femoris. 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.  

На настоящем этапе на модифицированной механической модели мы воспроизвели максимальное отведение.  Особенностью эксперимента явилась имитация означенного движения в опорном тазобедренном суставе, articulatio coxae, в одноопорной ортостатической позе. Изначально нами смоделировано исходное положение – напряженная одноопорная ортостатическая поза. Для нее характерно приведение, среднее положение между сгибанием и разгибанием, а также среднее положение между пронацией и супинацией в тазобедренном суставе, articulatio coxae. С целью воссоздания означенной позиции бедренная часть модели была установлена вертикально в сагиттальной плоскости, а затем отклонена наружу во фронтальной плоскости на угол 10° без поворота в горизонтальной плоскости. В исходном положении объемная тазовая часть была вертикальна в сагиттальной плоскости, без поворота в горизонтальной плоскости, а изображения крыльев подвздошных костей, ala ossis ilii, тазового элемента модели располагалась приблизительно на одной высоте.

Затем длина аналогов мышц отрегулирована так, что изображения крыльев подвздошных костей, ala ossis ilii, тазового элемента модели находились на различных уровнях. Со стороны шарнира модели высота изображения крыла подвздошной кости, ala ossis ilium, на объемной тазовой части была ниже, чем с противоположенной стороны (Рис. 1).

Рис. 1. Моделирование отведения в одноопорной ортостатической позе на модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью с аналогами связок и мышц; вверху – вид спереди, внизу – вид сзади.

В шарнире модели воспроизведено максимально возможное отведение. В сравнении с исходным положением, имитировавшим напряженную одноопорную ортостатическую позу, объемная тазовая часть модели до предела наклонилась в латеральную сторону во фронтальной плоскости, приблизившись к бедренной части модели. При этом объемная тазовая часть модели спонтанно наклонилась вперед в сагиттальной плоскости и несколько повернулся вперед в горизонтальной плоскости (Рис. 2).

Рис. 2. Моделирование отведения в одноопорной ортостатической позе 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.

Длинная ось вертлужного элемента объемной тазовой части модели была направлена назад, вверх и в медиальную сторону. По сравнению с исходным положением, воспроизводящим напряженную одноопорную ортостатическую позу, длинная ось вертлужного элемента сместилась вперед и отклонилась вверх. В шарнире модели присутствовало отведение, сгибание и пронация.

Динамометр аналога средней ягодичной мышцы зафиксировал увеличение усилия, которое достигло 3.7 кг. Динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, не регистрировали усилия. В связи с перемещением объемной тазовой части модели точки крепления аналога прямой мышцы бедра и аналога комплекса задней группы мышц бедра равномерно удалились друг от друга. В результате их динамометры зарегистрировали приблизительно одинаковое усилие около 1.5 кг (Рис. 3).

a

b

c

d
Рис. 3. Динамометры аналогов мышц модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью (моделирование отведения в одноопорной ортостатической позе); a – динамометр аналога средней ягодичной мышцы, b – динамометр аналога прямой мышцы бедра, c – динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, d – динамометр аналога комплекса задней группы мышц бедра.

В стабилизации объемной тазовой части модели участвовал укороченный аналог средней ягодичной мышцы, удлиненный аналог прямой мышцы бедра и аналог комплекса задней группы мышц бедра. Аналог средней ягодичной мышцы стабилизировал объемную тазовую часть модели во фронтальной плоскости, препятствуя отклонению вниз в медиальную сторону. Аналог прямой мышцы бедра участвовал в стабилизации объемной тазовой части модели в сагиттальной плоскости, препятствуя опрокидыванию назад. Аналог комплекса задней группы мышц бедра также участвовал в стабилизации объемной тазовой части в сагиттальной плоскости, препятствуя наклону вперед. При повороте объемной тазовой части модели в горизонтальной плоскости назад показания динамометра аналога прямой мышцы бедра увеличивались, а аналога комплекса задней группы мышц бедра уменьшались. В случае поворота объемной тазовой части модели в горизонтальной плоскости вперед показания динамометра аналога прямой мышцы бедра уменьшались, а аналога комплекса задней группы мышц бедра и аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, увеличивались. Попытка наклона объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости увеличивала показания динамометра аналога средней ягодичной мышцы. Одновременно уменьшались показания аналога прямой мышцы бедра и аналога комплекса задней группы мышц бедра. Замечено, что при удлинении аналога прямой мышцы бедра и аналога комплекса задней группы мышц бедра усилие, которое регистрировал динамометр аналога средней ягодичной мышцы, уменьшалось.

После стабилизации объемной тазовой части модели проанализирована ориентация аналогов связок и степень их натяжения (Рис. 4).

a

b

c

d
Рис. 4. Аналоги связок модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью (моделирование отведения в одноопорной ортостатической позе); 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.

Мы наблюдали натяжение аналога лобково-бедренной связки и аналога седалищно-бедренной связки. Вертикальная и горизонтальная часть аналога подвздошно-бедренной связки оказались не натянуты. Это отмечалось по их плавным изгибам без прижатия к элементам бедренной части модели. Натянутый аналог лобково-бедренной связки и аналог седалищно-бедренной связки участвовали в ограничении отведения в шарнире модели. Они препятствовали дальнейшему наклону объемной тазовой части модели вверх в латеральную сторону во фронтальной плоскости.

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 смещался в медиальном направлении. Означенное указывало на отсутствие его натяжения. Разобщения сферической головки бедренной части модели и ответной сферической поверхности вертлужного элемента модели не наблюдалось.

Натяжение аналога лобково-бедренной связки и аналога седалищно-бедренной связки ограничивали отведение, разгибание и пронацию. Совместно с аналогом средней ягодичной мышцы они стабилизировали объемную тазовую часть модели во фронтальной плоскости. Наклону объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону препятствовал только аналог средней ягодичной мышцы. Аналог прямой мышцы бедра и аналог комплекса задней группы мышц бедра участвовали в стабилизации объемной тазовой части модели в сагиттальной плоскости. Для поддержания объемной тазовой части модели в положении покоя не требовалось дополнительного внешнего усилия.

Эксперимент продемонстрировал возможность обретения устойчивого положения таза, pelvis, при наклоне в латеральную сторону во фронтальной плоскости в одноопорной ортостатической позе. Равновесие в указанной позиции достижимо за счет максимального отведения с натяжением лобково-бедренной связки, ligamentum pubofemorale, и седалищно-бедренной связки, ligamentum ischiofemorale. Одновременно необходимо напряжение средней ягодичной мышцы, musculus gluteus medius, прямой мышцы бедра, musculus rectus femoris, и комплекса задней группы мышц бедра.

Моделирование приведения в тазобедренном суставе

На настоящем этапе на модифицированной механической модели с нагруженной объемной тазовой частью мы воспроизвели максимальное приведение.  Особенностью эксперимента явилась имитация означенного движения в опорном тазобедренном суставе, articulatio coxae, в одноопорной ортостатической позе. При клинических исследованиях нами установлено, что в положении лежа и стоя величины максимального приведения в тазобедренном суставе, articulatio coxae, отличаются. На основании указанного предположена определяющая роль связок (Архипов С.В., 2013). В зависимости от взаимной ориентации таза, pelvis, и бедра, os femur, связки тазобедренного сустава, articulatio coxae, натягиваются по-разному. Указанное обусловлено неодинаковым относительным смещением областей крепления связок в сагиттальной и горизонтальной плоскости стоя и лежа.

При имитации максимального приведения на модели положение бедренной части не изменялось. Длина элементов аналогов мышц отрегулирована так, что изображения крыльев подвздошных костей, ala ossis ilii, тазового элемента модели находились на различных уровнях. Со стороны шарнира модели высота изображения крыла подвздошной кости, ala ossis ilium, на объемной тазовой части установлена выше, чем с противоположенной стороны (Рис. 5).

Рис. 5. Моделирование приведения в одноопорной ортостатической позе на модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью с аналогами связок и мышц; вверху – вид спереди, внизу – вид сзади.

В шарнире модели воспроизведено максимально возможное приведение. В сравнении с исходным положением, воспроизводящим напряженную одноопорную ортостатическую позу, объемная тазовая часть модели до предела наклонена вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости. В сагиттальной плоскости объемной тазовой части модели придана вертикальная ориентация без поворота в горизонтальной плоскости (Рис. 6).

Рис. 6. Моделирование приведения в одноопорной ортостатической позе 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.

Длинная ось вертлужного элемента объемной тазовой части модели была направлена назад, вверх и в медиальную сторону. По сравнению с исходным положением, воспроизводящим напряженную одноопорную ортостатическую позу, длинная ось вертлужного элемента сместилась вниз. В шарнире модели присутствовало приведение, среднее положение между разгибанием и сгибанием, а также среднее положение между пронацией и супинацией.

Динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, зафиксировал усилие около 0.5 кг. Динамометр аналога средней ягодичной мышцы, аналога прямой мышцы бедра и аналога комплекса задней группы мышц бедра, не регистрировали усилие (Рис. 7).

a

b

c

d
Рис. 7. Динамометры аналогов мышц модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью (моделирование приведения в одноопорной ортостатической позе); a – динамометр аналога средней ягодичной мышцы, b – динамометр аналога прямой мышцы бедра, c – динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, d – динамометр аналога комплекса задней группы мышц бедра.

В стабилизации объемной тазовой части модели участвовал только аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу. При удлинении аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, усилие, которое регистрировал его динамометр, уменьшалось, а объемная тазовая часть модели поворачивалась вперед в горизонтальной плоскости. При наклоне объемной тазовой части модели вперед в сагиттальной плоскости динамометр аналога комплекса задней группы мышц бедра регистрировал появление усилия. При повороте объемной тазовой части модели назад в сагиттальной плоскости регистрировал усилие динамометр аналога прямой мышцы бедра. Попытка увеличения наклона объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону не изменяла показания динамометров.

После стабилизации объемной тазовой части модели проанализирована ориентация аналогов связок и степень их натяжения (Рис. 8).

a

b

c

d
Рис. 8. Аналоги связок модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью (моделирование приведения в одноопорной ортостатической позе); 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.c

Мы наблюдали натяжение аналога лобково-бедренной связки и горизонтальной части аналога подвздошно-бедренной связки. Вертикальная часть аналога подвздошно-бедренной связки и аналог седалищно-бедренной связки оказались не натянуты. Это подтверждалось их плавными изгибами без прижатия к элементам бедренной части модели. Отмечено, что натянутая горизонтальная часть аналога подвздошно-бедренной связки участвовала в ограничении приведения. При этом аналог лобково-бедренной связки ограничивал наклон объемной тазовой части модели назад в сагиттальной плоскости и дополнительно натягивался при повороте вперед в горизонтальной плоскости.

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 не смещался в медиальном направлении. Это указывало на наличие его натяжения. Разобщения сферической головки бедренной части модели и ответной сферической поверхности вертлужного элемента модели не наблюдалось.

Натянутый аналог лобково-бедренной связки, аналог связки головки бедренной кости и горизонтальная часть аналога подвздошно-бедренной связки спонтанно стабилизировали объемную тазовую часть модели во фронтальной и сагиттальной плоскости. Они стопорили шарнир, ограничивая приведение и разгибание. Наклону объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону препятствовал аналог связки головки бедренной кости и горизонтальная часть аналога подвздошно-бедренной связки. Аналог лобково-бедренной связки участвовал в стабилизации объемной тазовой части в сагиттальной плоскости, противодействуя ее весу. Аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, ограничивал поворот объемной тазовой части модели вперед в горизонтальной плоскости. При отклонении объемной тазовой части модели назад в горизонтальной плоскости аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, не регистрировал усилия, а натяжение аналога лобково-бедренной связки и горизонтальной части аналога подвздошно-бедренной связки уменьшалось. Для поддержания объемной тазовой части модели в положении покоя не требовалось дополнительного внешнего усилия.

Эксперимент продемонстрировал возможность обретения устойчивого положения таза, pelvis, при наклоне в медиальную сторону во фронтальной плоскости в одноопорной ортостатической позе. Равновесие в указанной позиции достижимо за счет максимального приведения с натяжением лобково-бедренной связки, ligamentum pubofemorale, связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, и горизонтальной части подвздошно-бедренной связки, ligamentum iliofemorale. Для поддержания таза, pelvis, без поворота в горизонтальной плоскости со средним положением между пронацией и супинацией в тазобедренном суставе, articulatio coxae, необходимо напряжение комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу. Участие иных мышц тазобедренной области в обеспечении стабильности позы нам видится в контроле за балансом тела. 

Смотри также:

а) Базовые эксперименты на электромеханической модели 

Бедренная часть комбинированной модели тазобедренного сустава 

Элементы электромеханической модели тазобедренного сустава человека

Моделирование функции LCF 

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

                                                                     

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 teres, ligamentum capitis femoris, связка головки бедра, эксперимент, механическая модель, средняя ягодичная мышца, короткие ротаторы, сгибатели, разгибатели

 СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

Эксперименты и наблюдения

1991-2021АрхиповСВ