Моделирование одноопорного
периода шага
[1]. Введение
[2]. Моделирование начала одноопорного
периода шага при сгибании 10°
[3]. Моделирование начала одноопорного
периода шага при сгибании 5°
[4]. Моделирование середины одноопорного
периода шага
[5]. Моделирование начала разгибания в
одноопорном периоде шага
[6]. Моделирование завершения одноопорного периода шага
[1]. Введение
В настоящей серии экспериментов
предпринято изучение взаимодействия связок и мышц тазобедренного сустава, articulatio
coxae,
в одноопорном периоде шага. 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 значительных 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.
[2]. Моделирование начала одноопорного периода
шага при сгибании 10°
Изначально
нами воспроизведено завершение первого двухопорного
периода шага,
а именно момента заднего 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. Изображения
крыльев подвздошных костей, ala ossis ilii, тазового элемента модели находились на
одном уровне во фронтальной плоскости. Динамометр
аналога
прямой мышцы бедра регистрировал усилие 1.4 кг. Другие
аналоги мышц были не нагружены. Бедренный элемент модели воспроизводил
впереди расположенную ногу, а подъемник объемной тазовой части – позади расположенную
конечность.
Для начала одноопорного периода шага характерно сгибание в тазобедренном
суставе,
articulatio coxae, с отклонением
длинной оси бедренной кости, os femur, в сагиттальной плоскости назад и в латеральную сторону поворота в
горизонтальной плоскости. При этом в тазобедренном суставе, articulatio coxae, опорной ноги наблюдается
сгибание, уменьшение угла супинации и начало приведения. С целью
воспроизведения этого положения бедренная часть модели отклонена назад на 10° в
сагиттальной плоскости, а также наклонена в латеральную сторону во фронтальной
плоскости на
10° без поворота вокруг вертикальной оси.
Затем
мы смоделировали начало одноопорного периода шага, а именно период, следующий
непосредственно после заднего толчка. Подъемник, ранее использовавшийся для стабилизации объемной тазовой части, удалялся. Тазовая часть
модели фиксировалась аналогами мышц, а также натяжением аналогов связок. При
этом длина аналогов мышц не изменялась. Объемная тазовая часть модели спонтанно
наклонилась вниз во фронтальной плоскости. Изображения крыльев подвздошных
костей, ala ossis ilii, тазового элемента модели оказались 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).
Непроизвольный наклон объемной тазовой
части модели вниз во фронтальной плоскости обусловил ее спонтанный поворот
вперед в горизонтальной плоскости. В результате в горизонтальной плоскости угол
поворота назад объемной тазовой части модели уменьшился. При этом в сагиттальной
плоскости объемная тазовая часть модели отклонилась назад (Рис. 2).
Отклонение объемной тазовой части модели назад в сагиттальной плоскости, вниз во фронтальной плоскости и поворот вперед в
горизонтальной плоскости произошли самопроизвольно за счет действия веса прикрепленной
нагрузки.
Данные спонтанные движения обусловили начало пронации и приведения в шарнире
модели. Величина угла сгибания уменьшилась в сравнении с
положением объемной тазовой части модели при моделировании завершения двухопорного
периода шага, а именно фазы заднего толчка. В данном положении длинная ось вертлужного элемента объемной тазовой
части модели имела отклонение назад, вверх и в медиальную сторону. В шарнире
модели присутствовало разгибание, приведение и супинация.
После
стабилизации модели проанализированы показания динамометров аналогов мышц. Показания динамометров всех аналогов мышц зарегистрировали изменение
усилий.
Динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, зафиксировал
усилие 0.4 кг. Динамометр
аналога средней ягодичной мышцы зарегистрировал усилие 1.6
кг. Динамометр аналога
прямой мышцы бедра зафиксировал увеличение усилия до
2.7 кг (Рис.
3).
Аналог прямой мышцы
бедра ограничивал наклон объемной тазовой части модели назад в сагиттальной
плоскости. Данную тенденцию определяло расположение общего центра масс объемной
тазовой части модели выше и позади от центра вращения системы. Действие аналога прямой мышцы бедра проявлялось преимущественно в сагиттальной плоскости.
Аналог
средней ягодичной мышцы ограничивал наклон объемной
тазовой части модели вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости.
Указанную тенденцию также обуславливало расположением общего центра масс объемной
тазовой части модели медиальнее от центра вращения системы. Действие аналога средней ягодичной мышцы проявлялось преимущественно во фронтальной
плоскости. Аналог
комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу,
препятствовал повороту объемной тазовой части модели вперед в горизонтальной
плоскости. Означенную тенденцию предопределил эффект авторотации. Действие
аналога
комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу,
проявлялось преимущественно в горизонтальной плоскости.
Далее мы проанализировали ориентацию аналогов связок
и степень их натяжения (Рис. 4).
![]() |
a |
![]() |
b |
![]() |
c |
Замечено
отсутствие значимого натяжения аналогов всех наружных связок. Это проявлялось их плавным изгибом без прижатия к элементам бедренной части
модели. Вместе
с тем ход горизонтальной части аналога подвздошно-бедренной связки и аналога лобково-бедренной
связки стал более прямолинейным. Указанное мы связываем
с поворотом объемной
тазовой части модели вперед в горизонтальной плоскости, отклонением назад в сагиттальной
плоскости и наклоном вниз в медиальную 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 не смещался в
медиальном направлении. Это указывало на его натяжение. Аналог связки головки
бедренной кости, участвовал в ограничении наклона тазовой части модели вниз во
фронтальной плоскости и прождал усилие, смещающее объемную тазовую часть модели
вперед в горизонтальной плоскости. 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.
При моделировании начала одноопорного периода шага
наблюдалось начало натяжения аналога связки головки
бедренной кости. Означенное произошло в связи с
наклоном объемной тазовой части модели вниз в медиальном направлении во
фронтальной плоскости и ее поворотом назад в горизонтальной плоскости. Расположение
общего центра масс системы позади от центра вращения шарнира определяло тенденцию
к отклонению
объемной тазовой части модели назад в сагиттальной плоскости. Это поддерживало положение
разгибания в шарнире. Избыточному отклонению объемной тазовой части модели
назад в сагиттальной плоскости препятствовал аналог прямой мышцы бедра. Он стабилизировал объемную тазовую часть модели в сагиттальной
плоскости. Чрезмерному наклону объемной тазовой части модели вниз в медиальную
сторону во фронтальной плоскости под действием силы тяжести препятствовал
аналог средней ягодичной мышцы и натянутый аналог связки
головки бедра. Повороту
объемной тазовой части модели вперед в горизонтальной плоскости
препятствовал аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу.
Натяжение аналога связки головки
бедренной кости,
усилие аналога прямой мышцы
бедра, аналога средней ягодичной мышцы и аналога комплекса коротких мышц,
вращающих бедро наружу обеспечивало стабилизацию объемной тазовой части модели. Для поддержания модели в положении покоя не требовалось
дополнительного внешнего воздействия.
Полученные в эксперименте данные свидетельствуют, что в
начале одноопорного периода шага, непосредственно после заднего толчка
стабилизация таза, pelvis, в горизонтальной, фронтальной и
сагиттальной плоскости может быть достигнута натяжением связки головки бедренной кости, ligamentum
capitis femoris, напряжением
прямой мышцы бедра, musculus rectus femoris, комплекса коротких
мышц, вращающих бедро наружу, и средней ягодичной мышцы, musculus gluteus medius. При этом натяжение связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, порождает усилие, способствующее перемещению таза, pelvis, вперед в горизонтальной плоскости.
[3]. Моделирование начала одноопорного периода
шага при сгибании 5°
Далее
на модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной
объемной тазовой частью продолжено воспроизведение
начала одноопорного
периода шага.
Для
означенного момента одноопорного периода шага характерно уменьшение
сгибания в тазобедренном суставе, articulatio
coxae, опорной ноги с отклонением длинной оси бедренной кости, os femur, в сагиттальной
плоскости назад и в латеральную сторону без поворота в горизонтальной
плоскости. В тазобедренном суставе, articulatio
coxae, опорной ноги наблюдается уменьшение угла сгибания, дальнейшее уменьшение
угла супинации и увеличение угла приведения. С целью воспроизведения этого
положения бедренная часть модели отклонена назад на угол 5° в сагиттальной
плоскости, наклонена в латеральную сторону во фронтальной плоскости на угол 10° без
поворота вокруг вертикальной оси.
Тазовая
часть модели фиксировалась аналогами мышц, а также натяжением аналогов связок.
Длина элементов крепления аналогов мышц была увеличена и отрегулирована так,
что изображения крыльев подвздошных костей, ala ossis ilii, тазового элемента модели во фронтальной
плоскости находились на различных уровнях. Со стороны шарнира модели высота расположения
изображения крыла подвздошной кости, ala ossis ilii, тазового элемента модели была выше, чем
с противоположенной стороны. При этом объемная
тазовая часть модели дополнительно наклонилась вниз в медиальную сторону во
фронтальной плоскости
(Рис. 5).
Наклон объемной тазовой части модели вниз во
фронтальной плоскости обусловил ее дальнейший спонтанный поворот вперед в
горизонтальной плоскости. В горизонтальной плоскости угол поворота назад объемной
тазовой части модели уменьшился. В сагиттальной плоскости объемная тазовая
часть модели осталась отклоненной назад, но угол наклона уменьшился (Рис. 6).
Наклон объемной тазовой части модели вниз во фронтальной плоскости и поворот вперед в горизонтальной плоскости произошли спонтанно под влиянием подвешенной нагрузки. Означенные
смещения обусловили продолжение пронации и приведения в шарнире модели. При
этом ввиду уменьшения наклона бедренной части модели назад в сагиттальной
плоскости, величина сгибания также уменьшилась по сравнению
с ранее воспроизведенной позицией непосредственного начала одноопорного периода шага.
В данном положении длинная ось вертлужного элемента
объемной тазовой части модели имела отклонение назад, вверх и в медиальную
сторону. В шарнире модели присутствовало разгибание, приведение и супинация
После
стабилизации модели проанализированы показания динамометров аналогов мышц (Рис.
7).
Динамометры всех аналогов мышц зарегистрировали
изменение усилий, что требовались для удержания объемной тазовой части модели в
положении покоя.
Динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, зафиксировал
уменьшение усилия в горизонтальной плоскости до ноля. Динамометр аналога средней ягодичной мышцы зарегистрировал уменьшение усилия во
фронтальной плоскости до 1.1 кг. Динамометр аналога прямой мышцы бедра показал уменьшение усилия до 1.8 кг.
Аналог прямой мышцы
бедра ограничивал наклон объемной тазовой части модели назад в сагиттальной
плоскости. Данную тенденцию определяло расположение общего центра масс объемной
тазовой части модели выше и позади от центра вращения системы. Действие аналога прямой мышцы бедра проявлялось преимущественно в сагиттальной плоскости.
Аналог
средней ягодичной мышцы ограничивал наклон объемной
тазовой части модели вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости.
Указанную тенденцию обуславливало расположением общего центра масс объемной
тазовой части модели медиальнее от центра вращения системы. Действие аналога средней ягодичной мышцы проявлялось преимущественно во фронтальной
плоскости. Аналог
комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, не
препятствовал повороту объемной тазовой части модели вперед в горизонтальной
плоскости. В описанном положении эффект авторотации в горизонтальной плоскости нивелировался
действием аналога
средней ягодичной мышцы, аналога прямой мышцы бедра и силами реакции аналогов связок. Для удержания объемной
тазовой части модели в описанной позиции потребовалось большее усилие во
фронтальной плоскости, чем в сагиттальной плоскости.
Далее мы проанализировали ориентацию аналогов
связок и степень их натяжения (Рис. 8).
![]() |
a |
![]() |
b |
![]() |
c |
Замечено
отсутствие натяжения аналога седалищно-бедренной связки и обеих частей аналога подвздошно-бедренной связки. Это проявлялось их плавным изгибом без прижатия к элементам бедренной части
модели. В противоположность им аналог лобково-бедренной связки оказался
натянут. Натяжение аналога лобково-бедренной связки произошло
по причине поворота объемной тазовой части модели вперед
в горизонтальной плоскости и наклона вниз во фронтальной плоскости, вызванных
действием силы тяжести в точке выше, позади и медиальнее центра вращения
системы. Аналог
лобково-бедренной связки участвовал в стабилизации объемной тазовой части
модели в сагиттальной плоскости, влияя на величину угла разгибания совместно с аналогом
прямой мышцы бедра.
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 его натяжение. Аналог связки головки
бедренной кости участвовал в ограничении наклона тазовой части модели вниз во
фронтальной плоскости и поддерживал усилие, смещающее объемную тазовую часть
модели вперед в горизонтальной плоскости. 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
продолжилось в связи с дальнейшим наклоном
объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости.
Дополнительному наклону
объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону во фронтальной
плоскости также препятствовал аналог средней
ягодичной мышцы. В ограничении поворота объемной тазовой части
модели
вперед в горизонтальной плоскости аналог комплекса коротких
мышц, вращающих бедро наружу, не участвовал. Объемная тазовая
часть модели стабилизировалась в сагиттальной плоскости аналогом лобково-бедренной
связки и аналогом прямой мышцы бедра. Во фронтальной плоскости объемная
тазовая часть модели стабилизировалась аналогом связки головки бедренной кости
наряду с аналогом средней ягодичной мышцы. Натяжения аналога
лобково-бедренной связки, аналога связки головки бедренной кости, усилия аналога прямой мышцы бедра и аналога средней ягодичной мышцы было достаточно для поддержания
объемной
тазовой части модели в покое. Дополнительного внешнего воздействия
не требовалось.
Полученные в эксперименте данные свидетельствуют, что в
начале одноопорного периода шага при уменьшении угла сгибания стабилизация
таза, pelvis,
в горизонтальной, фронтальной и сагиттальной плоскости может быть достигнута
натяжением связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, лобково-бедренной
связки, ligamentum pubofemorale, напряжением
прямой мышцы бедра, musculus rectus femoris, и средней
ягодичной мышцы,
musculus gluteus medius. При
этом эффект авторотации контролируется напряжением средней ягодичной мышцы, musculus gluteus medius.
[4]. Моделирование середины одноопорного
периода шага
Затем
на модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной
объемной тазовой частью воспроизведена середина
одноопорного
периода шага.
Для
середины одноопорного периода шага характерно среднее
положение между сгибанием и разгибанием в тазобедренном суставе, articulatio coxae, опорной ноги.
Длинная ось бедренной кости, os femur, в сагиттальной плоскости направлена вверх без отклонения в сагиттальной
плоскости и не повернута в горизонтальной плоскости. В тазобедренном суставе, articulatio coxae, опорной ноги наблюдается
пронация и увеличение угла приведения. При этом бедренная кость, os femur, дополнительно наклоняется
в латеральную сторону. С целью воспроизведения означенного положения бедренная часть
модели установлена вертикально в сагиттальной плоскости с отклонением в
латеральную сторону во фронтальной плоскости на 15° без поворота вокруг
вертикальной оси.
Тазовая
часть модели фиксировалась аналогами мышц, а также натяжением аналогов связок.
Длина аналогов мышц была увеличена. В связи с этим объемная тазовая часть
модели спонтанно наклонилась вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости.
Изображения крыльев подвздошных костей, ala ossis ilii, тазового элемента модели во фронтальной
плоскости находились на различных уровнях. Со стороны шарнира модели высота расположения
изображения крыла подвздошной кости, ala ossis ilii, тазового элемента модели была выше, чем
с противоположенной стороны (Рис. 9).
Действие силы тяжести и эффект авторотации
обусловил поворот объемной
тазовой части модели вперед в горизонтальной плоскости дальше средней линии. В
сагиттальной плоскости объемная тазовая часть модели заняла почти вертикальную позицию
с минимальным отклонением назад (Рис. 10).
Наклон объемной тазовой части модели вниз во фронтальной плоскости и поворот вперед в горизонтальной плоскости произошли спонтанно под влиянием подвешенной нагрузки. Означенные
смещения обусловили продолжение пронации и приведения в шарнире модели. В
сагиттальной плоскости угол сгибания в шарнире модели уменьшился до нуля. Длинная ось вертлужного элемента
объемной тазовой части модели имела отклонение назад, вверх и в медиальную
сторону. В шарнире модели присутствовало приведение, пронация, среднее
положение между разгибанием и сгибанием.
После
стабилизации модели проанализированы показания динамометров аналогов мышц.
Динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, регистрировал
отсутствие усилия в горизонтальной плоскости. Динамометр аналога средней ягодичной мышцы зафиксировал уменьшение усилия во фронтальной плоскости
до 0.5 кг. Динамометр аналога прямой мышцы бедра зарегистрировал
уменьшение усилия в сагиттальной плоскости до нуля (Рис. 11).
Аналог средней
ягодичной мышцы ограничивал наклон объемной тазовой части модели вниз в
медиальную сторону во фронтальной плоскости. Указанную тенденцию обуславливало
расположением общего центра масс объемной тазовой части модели медиальнее от центра
вращения системы. Действие аналога средней ягодичной
мышцы проявлялось преимущественно во фронтальной плоскости. Аналог прямой мышцы бедра ограничивал не влиял на положение объемной тазовой
части модели в сагиттальной плоскости. Аналог комплекса
коротких мышц, вращающих бедро наружу, не препятствовал повороту объемной
тазовой части модели вперед в горизонтальной плоскости. В описываемом положении
эффект авторотации в горизонтальной плоскости нивелировался действием аналога средней ягодичной мышцы и силами реакции аналогов связок. Для удержания
объемной тазовой части модели в описанной позиции потребовалось только усилие
аналога мышцы во фронтальной плоскости.
Следом мы проанализировали ориентацию аналогов
связок и степень их натяжения (Рис. 12).
![]() |
a |
![]() |
b |
![]() |
c |
Замечено
натяжение аналога седалищно-бедренной связки и обеих
частей аналога подвздошно-бедренной
связки. Вместе с тем отмечено, что ход горизонтальной и вертикальной части аналога подвздошно-бедренной
связки и аналога седалищно-бедренной связки стали более прямолинейны. Аналог
лобково-бедренной связки оставался натянут. Изменение в степени натяжения аналогов
связок мы связываем с поворотом объемной тазовой части модели вперед в
горизонтальной плоскости, наклоном вниз в медиальную сторону во фронтальной
плоскости и наличием тенденции к отклонению назад в сагиттальной плоскости.
Аналог лобково-бедренной связки стопорил аналог
опорного тазобедренного сустава в сагиттальной плоскости, ограничивая
разгибание. Натянутый аналог лобково-бедренной связки участвовал в стабилизации
объемной тазовой части модели в сагиттальной
плоскости наряду с аналогом средней ягодичной мышцы.
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 его натяжение. Аналог связки головки
бедренной кости участвовал в ограничении наклона тазовой части модели вниз во
фронтальной плоскости и поддерживал усилие, смещающее объемную тазовую часть
модели вперед в горизонтальной плоскости. Мы полагаем, что ему противодействовала
сила, порождаемая аналогом средней ягодичной мышцы. 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
сохранилось в связи с наклоном объемной тазовой части модели вниз в
медиальном направлении во фронтальной плоскости. Наклону объемной
тазовой части модели
вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости также препятствовал аналог средней ягодичной мышцы. Шарнир модели стопорился аналогом
лобково-бедренной связки в сагиттальной плоскости, а во фронтальной – аналогом связки головки бедренной кости и аналогом средней ягодичной мышцы. В связи с более выраженным натяжением аналога
связки головки бедренной кости, для удержания объемной тазовой части модели в
положении покоя требовалось меньшее усилие аналога средней
ягодичной мышцы. При этом данный аналог мышцы препятствовал дальнейшему спонтанному
повороту объемной тазовой части модели вперед и участвовал в стабилизации
объемной тазовой части модели в сагиттальной плоскости. Натяжения аналога лобково-бедренной
связки, аналога связки головки
бедренной кости и
усилия аналога средней ягодичной мышцы было достаточно для
стабилизации объемной
тазовой части модели. Для поддержания модели в положении покоя не
требовалось дополнительного внешнего воздействия.
Полученные в эксперименте данные свидетельствуют, что в середине
одноопорного периода шага при среднем положении между
разгибанием и сгибанием
стабилизация таза, pelvis, в горизонтальной, фронтальной и
сагиттальной плоскости может быть достигнута натяжением связки головки бедренной кости, ligamentum
capitis femoris, лобково-бедренной
связки, ligamentum pubofemorale, и напряжением
средней ягодичной мышцы, musculus gluteus medius. При
этом эффект авторотации продолжает контролироваться напряжением средней ягодичной мышцы, musculus gluteus medius.
[5]. Моделирование начала разгибания в
одноопорном периоде шага
Далее
на модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной
объемной тазовой частью воспроизведено начало
разгибания в одноопорном
периоде шага.
Для
данного момента одноопорного периода шага характерно начало
разгибания в тазобедренном суставе, articulatio
coxae, опорной ноги. Длинная ось бедренной кости, os femur, направлена вверх, отклонена в сагиттальной плоскости вперед, а во
фронтальной плоскости – в латеральном направлении. Наблюдается поворот бедренной
кости,
os femur, наружу вперед в горизонтальной плоскости и наклон в медиальную сторону. В тазобедренном
суставе,
articulatio coxae, опорной ноги продолжается
пронация и увеличивается приведение.
С целью воспроизведения описанного положения бедренная часть
модели установлена с наклоном вперед в сагиттальной плоскости на 5°, отклонена в
латеральном направлении во фронтальной плоскости на 10° и повернута вокруг
вертикальной оси на 5°. Тазовая часть модели фиксировалась аналогами мышц, а
также натяжением аналогов связок. Длина аналогов мышц была увеличена. В связи с
этим объемная тазовая часть модели спонтанно наклонилась вниз в медиальную
сторону во фронтальной плоскости. Изображения крыльев подвздошных костей, ala ossis ilii, тазового
элемента модели во фронтальной плоскости находились на различных уровнях. Со
стороны шарнира модели высота расположения изображения крыла подвздошной кости,
ala ossis ilii, тазового элемента
модели была выше, чем с противоположенной стороны (Рис. 13).
Действие силы тяжести и эффект авторотации обусловил дальнейший поворот объемной тазовой части модели вперед в горизонтальной плоскости. В сагиттальной плоскости объемная тазовая часть модели заняла почти вертикальную с минимальным наклоном вперед (Рис. 14).
Наклон объемной тазовой части модели вниз во фронтальной плоскости и поворот вперед в горизонтальной плоскости произошли спонтанно под влиянием подвешенной нагрузки. Означенные
смещения обусловили продолжение пронации и приведения в шарнире модели. Кроме эффекта
авторотации, на разворот объемной тазовой части вперед в горизонтальной
плоскости повлиял и поворот бедренной части модели в этом направлении. В
сагиттальной плоскости в шарнире модели наблюдалось разгибание, которое
поддерживалось спонтанным отклонением объемной тазовой части модели назад. Длинная ось вертлужного элемента объемной тазовой части модели имела
отклонение вверх и в медиальную сторону, располагаясь во фронтальной плоскости.
После
стабилизации модели проанализированы показания динамометров аналогов мышц. Динамометры
аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу,
аналога
прямой мышцы бедра и аналога средней ягодичной мышцы
не регистрировали усилия (Рис.
15).
Соответственно, аналоги мышц не участвовали в
стабилизации объемной тазовой части модели и не препятствовали ее смещению ни в
одной из плоскостей. В созданном положении эффект авторотации в горизонтальной
плоскости полностью реализовался. Препятствия со стороны аналога средней ягодичной мышцы и аналога комплекса
коротких мышц, вращающих бедро наружу, не наблюдалось. При отсутствии
функционирования аналогов мышц, благодаря расположению общего центра масс объемной
тазовой части модели выше, медиальнее и позади от центра шарнира, пронация,
разгибание и приведение достигли максимального значения.
Затем мы проанализировали ориентацию аналогов
связок и степень их натяжения (Рис. 16).
![]() |
a |
![]() |
b |
![]() |
c |
Отсутствие усилий, которые регистрировали динамометры аналогов мышц, свидетельствовало, что объемной тазовой части модели удерживали
только силы реакции аналогов связок. Обнаружено натяжение аналога лобково-бедренной
связки и обеих частей аналога подвздошно-бедренной
связки. Это отмечалось по их прижатию к элементам
бедренной части модели и спрямлению хода. Означенные аналоги связок стопорили
шарнир модели в сагиттальной плоскости. Аналог седалищно-бедренной связки приблизился
к бедренной части модели, но не был натянут. Произошедшее изменение было связано с поворотом объемной тазовой части модели вперед в горизонтальной
плоскости, наклоном вниз в медиальную сторону во фронтальной
плоскости при
сохранении отклонения назад в сагиттальной 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 его натяжение. Аналог связки головки
бедренной кости стопорил шарнир модели во фронтальной плоскости. 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.
Таким
образом, наклону объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону во фронтальной
плоскости препятствовал аналог связки головки бедренной кости
и аналог горизонтальной части подвздошно-бедренной связки. Отклонению объемной
тазовой части модели
назад в сагиттальной плоскости препятствовал аналог
вертикальной части подвздошно-бедренной
связки и аналог лобково-бедренной связки. В горизонтальной плоскости развороту объемной
тазовой части модели
вперед препятствовали аналог лобково-бедренной связки и противодействовал
аналог связки головки бедренной кости. Натяжение указанных аналогов связок стопорило шарнир модели в трех
плоскостях без участия аналогов мышц. Для поддержания
модели в положении покоя не требовалось дополнительного внешнего воздействия.
Полученные в эксперименте данные свидетельствуют, что при
начале разгибания в одноопорном периоде шага стабилизация таза, pelvis, в
горизонтальной, фронтальной и сагиттальной плоскости может быть достигнута
натяжением связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, лобково-бедренной
связки, ligamentum pubofemorale, а также обеих частей аналога подвздошно-бедренной связки, ligamentum iliofemorale, без напряжения мышц.
[6]. Моделирование завершения одноопорного
периода шага
На
заключительном этапе данной серии опытов на модифицированной механической модели
тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной
тазовой частью воспроизведено завершение одноопорного периода шага.
Для
данной фазы одноопорного периода шага характерно продолжение
разгибания в тазобедренном суставе, articulatio
coxae, опорной ноги. Длинная ось бедренной кости, os femur, направлена вверх, отклонена в сагиттальной плоскости вперед, во
фронтальной плоскости в латеральном направлении, с поворотом вперед в
горизонтальной плоскости. В тазобедренном суставе, articulatio
coxae, опорной ноги продолжается пронация и приведение. При этом бедренная кость, os femur, еще больше
разворачивается наружу в горизонтальной плоскости и наклоняется вперед.
С целью воспроизведения означенного положения, бедренная часть
модели, установлена с наклоном вперед в сагиттальной плоскости на 10°, отклонена
в латеральном направлении во фронтальной плоскости на 10°, и повернута наружу
вокруг вертикальной оси на 10°. Длина аналогов мышц дополнительно увеличена,
несмотря на то что данные элементы не функционировали. Указанное произведено для
исключения их потенциального участия в заключительной фазе одноопорного периода
шага. В связи с изменением положения бедренной части модели объемная тазовая
часть модели спонтанно наклонилась вниз в медиальную сторону и вперед (Рис. 17).
Изображения
крыльев подвздошных костей, ala ossis ilii, тазового элемента модели во фронтальной
плоскости находились на различных уровнях. Со стороны шарнира модели высота расположения
изображения крыла подвздошной кости, ala ossis ilii, тазового элемента модели была выше, чем
с противоположенной стороны. Указанное воспроизводило максимальное увеличение
наклона таза, pelvis,
вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости в момент завершения
одноопорного периода шага.
В результате действия силы тяжести объемная тазовая
часть модели максимально повернулась вперед и наружу в горизонтальной плоскости,
а в сагиттальной плоскости наклонилась вперед (Рис. 18).
Спонтанные
движения объемной тазовой части обусловили пронацию и приведение в шарнире
модели. В сагиттальной плоскости сохранилось прежнее положение разгибания
благодаря действию веса объемной тазовой части с нагрузкой.
На поворот объемной тазовой части вперед в горизонтальной плоскости существенное
влияние оказал поворот бедренной части модели наружу. Длинная ось вертлужного элемента объемной тазовой части модели имела
отклонение вверх, вперед и в медиальную сторону.
После
стабилизации модели проанализированы показания динамометров аналогов мышц (Рис.
19).
Динамометр
аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу,
аналога
прямой мышцы бедра и аналога средней ягодичной мышцы
не регистрировали усилия. Соответственно, аналоги мышц не участвовали в
стабилизации объемной тазовой части модели и не препятствовали ее смещению ни в
одной из плоскостей. В отсутствие действия аналогов мышц, благодаря изменению положения
бедренной части модели и расположению общего центра масс объемной тазовой части
модели медиальнее, позади и выше центра вращения шарнира приведение, пронация достигли
максимального значения с сохранением максимального разгибания.
Следом мы проанализировали ориентацию аналогов
связок и степень их натяжения (Рис. 20).
![]() |
a |
![]() |
b |
![]() |
c |
Отсутствие усилий, которые регистрировали динамометры аналогов мышц, свидетельствовало, что объемной тазовой части модели удерживали
только силы реакции аналогов связок. Мы наблюдали натяжение всех
аналогов наружных связок: аналога седалищно-бедренной связки, аналога лобково-бедренной
связки и обеих частей аналога подвздошно-бедренной
связки. Это отмечалось по их прижатию к элементам бедренной
части модели и спрямлению хода. Произошло окончательное натяжение аналога седалищно-бедренной
связки. На означенное повлиял поворот в горизонтальной
плоскости и наклон вперед в сагиттальной плоскости бедренной части модели с сохранением
тенденции к отклонению назад объемной тазовой части
модели в
сагиттальной плоскости и наклоном ее вниз в медиальную 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 не смещался в
медиальном направлении. Это указывало на его натяжение. Аналог связки головки
бедренной кости стопорил шарнир модели во фронтальной плоскости. 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.
Таким
образом, наклону объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону во фронтальной
плоскости препятствовал аналог связки головки бедренной кости
и аналог горизонтальной части подвздошно-бедренной связки. Отклонению объемной
тазовой части модели
назад в сагиттальной плоскости препятствовал аналог
вертикальной части подвздошно-бедренной
связки, аналог лобково-бедренной связки и аналог седалищно-бедренной связки. В
горизонтальной плоскости дальнейшему повороту объемной тазовой части
модели
вперед препятствовали аналог лобково-бедренной связки, аналог
седалищно-бедренной связки, а также противодействовал аналог связки головки бедренной кости. Натяжение всех аналогов связок
стопорило шарнир модели в трех плоскостях без участия аналогов мышц. Для поддержания модели в положении покоя не требовалось дополнительного
внешнего воздействия.
Полученные в эксперименте данные свидетельствуют, что в завершении одноопорного периода шага стабилизация таза, pelvis, в горизонтальной, фронтальной и сагиттальной плоскости может быть достигнута натяжением всех связок: связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, лобково-бедренной связки, ligamentum pubofemorale, седалищно-бедренной связки, ligamentum ischiofemorale, а также обеих частей аналога подвздошно-бедренной связки, ligamentum iliofemorale, без напряжения мышц.
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
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