Моделирование взаимодействия
связок и мышц в первом двухопорном периоде шага
[1]. О моделировании взаимодействия связок и мышц
при ходьбе
[2]. Моделирование начала первого
двухопорного периода шага
[3]. Моделирование завершения первого
двухопорного периода шага
[1]. О моделировании взаимодействия связок и мышц
при ходьбе
При
моделировании ходьбы в экспериментах на динамической механической модели тазобедренного сустава человека замечено, что в
отдельных моментах объемная тазовая часть модели принимала атипичное положение.
В частности, наблюдалось ее выраженное отклонение назад в сагиттальной
плоскости. Оно возникало спонтанно в связи с расположением общего центра масс
модели позади и выше центра головки бедренной части модели. Указанному повороту
объемной тазовой части модели не препятствовали ни аналоги связок, ни аналоги
ранее моделированных мышц: средней ягодичной мышцы, musculus gluteus medius, и комплекса коротких мышц, вращающих бедро
наружу. Неконтролируемого наклона объемной тазовой части
модели вперед не наблюдалось ни в одном из смоделированных периодов шага. Спонтанный
поворот объемной тазовой части модели назад в сагиттальной плоскости явился
одной из предпосылок к дополнению модели аналогом прямой мышцы бедра.
В настоящей серии экспериментов
предпринято изучение взаимодействия связок и мышц тазобедренного сустава, articulatio
coxae,
при ходьбе. 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, что соответствовало разгибанию в шарнире модели. 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.
При моделировании опоры на одну ногу объемная тазовая
часть покоилась лишь на бедренной части модели.
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. При
стандартном закреплении маркеры на костюме неизбежно смещаются относительно
кожи. Она, в свою очередь, подвижна относительно подлежащей кости ввиду наличия
рыхлой подкожно-жировой клетчатки. Погрешность определения положения костных
образований, особенно таза, pelvis, наряду с массивом жировой и мышечной
ткани увеличивают неточность размещения маркеров.
[2]. Моделирование начала первого двухопорного
периода шага
Изначально
нами воспроизведено начало первого двухопорного
периода шага, а именно фазы переднего толчка, первого одиночного шага. Для стабилизации объемной тазовой части модели использован подъемник объемной
тазовой части, снабженный колесами. Он располагался позади основания модели на
стороне, противоположной шарниру. Наконечник его вертикального стержня упирался
снизу в опорный кронштейн объемной тазовой части
модели и препятствовал ее отклонению во фронтальной вниз и сагиттальной
плоскости назад. Бедренный
элемент модели воспроизводил впереди расположенную ногу, а подъемник объемной
тазовой части – позади расположенную конечность.
Для периода переднего толчка характерно сгибание в
тазобедренном суставе,
articulatio coxae, впереди
расположенной ноги. При этом длинная ось бедренной кости, os femur, отклонена в
сагиттальной плоскости назад, а во фронтальной – в латеральную сторону без поворота
в горизонтальной плоскости. С целью воспроизведения означенной позиции бедренная
часть модели отклонена назад на 15° в сагиттальной плоскости и на 10° наружу во фронтальной плоскости без поворота вокруг вертикальной оси. 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 ниже, чем с противоположенной стороны (Рис. 1).
 |
| Рис. 1. Моделирование начала первого 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. |
Объемная тазовая часть модели имела отклонение во фронтальной плоскости
вверх в латеральную сторону. В горизонтальной плоскости объемная тазовая часть
модели была повернута назад в латеральную сторону, а в сагиттальной плоскости –
наклонена назад (Рис. 2).
 |
| Рис. 2. Моделирование начала первого 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. |
Длинная ось вертлужного элемента объемной тазовой
части модели была обращена назад, вверх и в медиальную сторону. В шарнире модели присутствовало
сгибание, супинация и отведение.
После
стабилизации модели проанализированы показания динамометров аналогов мышц.
Динамометры аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и аналога
средней ягодичной мышцы не регистрировали усилия. Динамометр аналога прямой мышцы бедра зафиксировал усилие 1.3 кг (Рис. 3).
 |
| Рис. 3. Динамометры аналогов мышц модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью (моделирование начала первого 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. |
Аналог прямой мышцы
бедра препятствовал избыточному наклону объемной тазовой части модели назад в
сагиттальной плоскости. Данная тенденция была обусловлена расположением общего
центра масс объемной тазовой части модели позади от аналогов опорных
тазобедренных суставов. В горизонтальной и фронтальной плоскости для
стабилизации объемной тазовой части модели участия аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и аналога средней
ягодичной мышцы не требовалось.
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 (моделирование начала первого 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. |
Замечено
отсутствие натяжения аналога седалищно-бедренной связки и обеих частей аналога подвздошно-бедренной связки. Это отмечалось по их плавному изгибу и без прижатия к элементам бедренной
части модели. В противоположность им аналог лобково-бедренной связки оказался
натянутым. 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
головки бедренной части модели и ответной сферической поверхности вертлужного
элемента модели не наблюдалось. Поверхности пары трения шарнира модели плотно
смыкались между собой во всех отделах.
Натяжение аналога лобково-бедренной связки
происходило ввиду поворота объемной тазовой части модели назад в
горизонтальной плоскости. Аналог лобково-бедренной связки стопорил шарнир в
горизонтальной плоскости, ограничивая супинацию. Кроме натянутого аналога
лобково-бедренной связки, в стабилизации объемной
тазовой части модели
участвовал аналог прямой мышцы бедра.
Он ограничивал отклонение объемной тазовой части модели назад в сагиттальной
плоскости. Стабилизация объемной тазовой части модели дополнительно
обеспечивалась подъемником объемной тазовой части. Подъемник объемной
тазовой части модели
препятствовал наклону объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону
во фронтальной плоскости, отклонению назад в сагиттальной плоскости и повороту в
горизонтальной плоскости.
В
поставленном опыте роль впереди расположенной опорной ноги выполняла бедренная
часть модели, а роль позади расположенной опорной нижней конечности – подъемник
объемной тазовой части. Стабилизация объемной тазовой части обеспечивалась натяжением аналога
лобково-бедренной связки, усилием аналога прямой мышцы бедра и действием подъемника. Нагрузка на аналог средней
ягодичной мышцы бедра, аналог комплекса коротких
мышц, вращающих бедро наружу, а также прочие аналоги связок отсутствовала. Для
поддержания модели в положении покоя не требовалось дополнительного внешнего
усилия.
Полученные в эксперименте данные свидетельствуют, что в
начале двухопорного периода шага, а именно в фазу
переднего толчка, стабилизация таза, pelvis, в горизонтальной, фронтальной и
сагиттальной плоскости может быть достигнута натяжением лобково-бедренной
связки, ligamentum pubofemorale, опорой на обе
головки бедренных костей, caput femoris, и напряжением прямой мышцы бедра,
musculus rectus femoris.
[3]. Моделирование завершения первого
двухопорного периода шага
Далее
на модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной
объемной тазовой частью воспроизведено завершение двухопорного
периода шага, а именно фазы заднего толчка первого одиночного шага. Для стабилизации объемной тазовой части модели также использован подъемник объемной
тазовой части, снабженный колесами. Он располагался позади основания модели на
стороне, противоположной шарниру, но дальше вперед, чем при моделировании
начала первого двухопорного периода шага. Бедренный элемент модели
воспроизводил впереди расположенную ногу, а подъемник объемной тазовой части – контралатеральную
позади расположенную конечность.
Для завершения двухопорного периода шага характерно
сгибание в тазобедренном суставе, articulatio
coxae, впереди расположенной ноги. При этом длинная ось бедренной кости, os femur, отклонена в
сагиттальной плоскости назад, а во фронтальной – в латеральную сторону без поворота
в горизонтальной плоскости. С целью воспроизведения этого положения бедренная
часть модели отклонена назад на 10° в сагиттальной плоскости и на 10° наружу во фронтальной плоскости без поворота вокруг вертикальной оси.
В
завершении двухопорного периода шага таз, pelvis, принимает горизонтальное положение. В
связи с этим высота подъемника отрегулирована так, что изображения крыльев
подвздошных костей, ala ossis ilii, тазового элемента модели находились на
одном уровне во фронтальной плоскости (Рис. 5).
 |
| Рис. 5. Моделирование завершения первого двухопорного периода шага, а именно заднего толчка, на модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью с аналогами связок и мышц; вверху – вид спереди, внизу – вид сзади. |
Мы обратили внимание, что наклон объемной тазовой
части модели вниз во фронтальной плоскости обусловил ее спонтанный поворот
вперед в горизонтальной плоскости. Вместе с тем в горизонтальной плоскости
тазовый элемент объемной тазовой части модели сохранился поворот назад. В сагиттальной
плоскости объемная тазовая часть модели принял вертикальное положение (Рис. 6).
 |
| Рис. 6. Моделирование завершения первого двухопорного периода шага, а именно заднего 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. |
Длинная ось вертлужного элемента объемной тазовой
части модели имела отклонение назад, вверх и в медиальную сторону. В шарнире модели присутствовала
супинация, сгибание и среднее положение между приведением и отведением.
После
стабилизации модели проанализированы показания динамометров аналогов мышц.
Динамометры аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и аналога
средней ягодичной мышцы не регистрировали усилия. Динамометр аналога прямой мышцы бедра зафиксировал усилие 1.4 кг (Рис. 7).
 |
| Рис. 7. Динамометры аналогов мышц модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью (моделирование завершения первого двухопорного периода шага, а именно заднего толчка); вверху – динамометр аналога средней ягодичной мышцы, в центре – динамометр аналога прямой мышцы бедра, внизу – динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу. |
Аналог прямой мышцы
бедра препятствовал наклону объемной тазовой части модели назад в сагиттальной
плоскости. Данная тенденция была обусловлена расположением общего центра масс
объемной тазовой части модели позади от аналогов опорных тазобедренных
суставов. В горизонтальной и фронтальной плоскости для стабилизации объемной
тазовой части модели участия аналога комплекса коротких
мышц, вращающих бедро наружу, и аналога средней ягодичной мышцы не требовалось.
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 (моделирование завершения первого двухопорного периода шага, а именно заднего 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. |
Наблюдалось
отсутствие натяжения аналогов всех наружных связок. Это отмечалось по их плавному изгибу и без прижатия к элементам бедренной
части модели. В связи с поворотом объемной тазовой части модели вперед в
горизонтальной плоскости и ее наклоном вперед до вертикального положения в
сагиттальной плоскости аналог лобково-бедренной связки оказался не натянутым. Обращено
внимание на то, что ход горизонтальной части аналога подвздошно-бедренной
связки стал более прямолинеен. 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
указывало на начало его натяжения. Разобщения головки бедренной части модели и
ответной сферической поверхности вертлужного элемента модели не наблюдалось. Поверхности
пары трения шарнира модели плотно смыкались между собой во всех отделах.
Натяжение аналога связки
головки бедренной кости
началось по причине наклона объемной тазовой части модели
вниз в медиальном направлении во фронтальной плоскости и наличия ее поворота в
горизонтальной плоскости назад. В связи с расположением общего центра масс системы
позади от центров аналогов опорных тазобедренных суставов, имелась тенденции к отклонению объемной
тазовой части модели назад в сагиттальной плоскости. Указанному повороту объемной
тазовой части модели препятствовал аналог прямой мышцы бедра. Он удерживал объемную тазовую часть модели в сагиттальной
плоскости. Стабилизация объемной тазовой части модели дополнительно
обеспечивалась подъемником объемной тазовой части. Подъемник объемной
тазовой части модели
препятствовал наклону объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону
во фронтальной плоскости, отклонению назад в сагиттальной плоскости и повороту в
горизонтальной плоскости.
В
поставленном опыте роль впереди расположенной опорной ноги выполняла бедренная
часть модели, а роль позади расположенной опорной нижней конечности – подъемник
объемной тазовой части. Стабилизация объемной тазовой части обеспечивалась усилием
аналога прямой мышцы
бедра и действием подъемника.
Нагрузка на аналог средней ягодичной мышцы бедра, аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, а также аналоги связок
отсутствовала. Для поддержания модели в положении покоя не требовалось
дополнительного внешнего усилия.
Полученные в эксперименте данные свидетельствуют, что в завершении двухопорного периода шага, а именно в фазу заднего толчка, стабилизация таза, pelvis, в горизонтальной, фронтальной и сагиттальной плоскости может быть достигнута опорой на обе головки бедренных костей, caput femoris, и напряжением прямой мышцы бедра, musculus rectus femoris.
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
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