Моделирование двухопорных поз при коксартрозе

 

Моделирование двухопорных поз при коксартрозе

[1]. Введение

[2]. Моделирование симметричной двухопорной ортостатической позы без напряжения мышц при коксартрозе

[3]. Моделирование симметричной двухопорной ортостатической позы с напряжением мышц при коксартрозе 

---

[1]. Введение

В настоящей серии экспериментальных исследований предпринято изучение взаимодействия связок и мышц тазобедренного сустава, articulatio coxae, при коксартрозе. Моделируя вертикальные позы на электромеханической модели тазобедренного сустава, замечено, что в отдельных случаях объемная тазовая часть модели принимала атипичное положение. В частности, наблюдалось ее выраженное отклонение назад в сагиттальной плоскости. Это происходило спонтанно в связи с расположением общего центра масс модели позади от центра головки бедренной части модели. Данному отклонению объемной тазовой части модели не препятствовали ни аналоги связок, ни аналоги моделированных мышц: средней ягодичной мышцы, musculus gluteus medius, и коротких мышц, вращающих бедро наружу. Означенное явилось предпосылкой к дополнению имеющейся электромеханической модели тазобедренного сустава человека аналогом прямой мышцы бедра.

Модифицированная модель тазобедренного сустава 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 модели. Точка расположения груза воспроизводила общий центр масс тела, локализующийся медиальнее, выше и позади от тазобедренного сустава, articulatio coxae.  

Собранная модель воспроизводила действие трех основных групп мышц тазобедренного сустава, articulatio coxae. С латеральной стороны от шарнира модели располагался аналог средней ягодичной мышцы, который имитировал 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. 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. Модель также содержала аналоги наружных связок: аналог вертикальной и горизонтальной части подвздошно-бедренной связки, аналог седалищно-бедренной связки и аналог лобково-бедренной связки, выполненные из металлического троса.

Наши интраоперационные наблюдения и сведения, почерпнутые в доступной литературе, свидетельствуют, что коксартроз всегда сопровождается патологией связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris. Анализ собственных данных, полученных при клинических обследованиях, показал, что изменение связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, может приводить к дисфункции тазобедренного сустава, articulatio coxae, а также нарушать биомеханику поддержания одноопорных поз и ходьбы (Архипов С.В., 2012, 2013; Архипов С.В. и соавт., 2013). По нашему мнению, для имитации тазобедренного сустава, пораженного коксартрозом, модель не должна содержать аналог связки головки бедренной кости. В связи с указанным связка головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, не воспроизводилась на модифицированной механической модели.

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.

Основную опорную конечность имитировала бедренная часть модели. В качестве контралатеральной опорной ноги в отдельных случаях использован подъемник, снабженный колесами. Верхняя часть его вертикального стержня упиралась снизу в опорный кронштейн объемной тазовой части модели, что препятствовало 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.

Таким образом, для уточнения особенностей взаимодействия мышц и связок тазобедренного сустава, articulatio coxae, при коксартрозе мы использовали модифицированную механическую модель, которая содержала: бедренную часть и нагруженную объемную тазовую часть, соединенных аналогами наружных связок, аналогом прямой мышцы бедра, аналогом средней ягодичной мышцы и аналогом коротких мышц, вращающих бедро наружу, но без аналога связки головки бедренной кости и аналога комплекса задней группы мышц бедра. 

[2]. Моделирование симметричной двухопорной ортостатической позы без напряжения мышц при коксартрозе

На данном этапе на модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с аналогами мышц и аналогами наружных связок, но без аналога связки головки бедренной кости воспроизведена симметричная двухопорная ортостатическая поза. Наша цель была выяснить: возможно ли поддержание означенной позы без участия мышцы.

Для стабилизации нагруженной объемной тазовой части модели использован подъемник объемной тазовой части, снабженный колесами. Наконечник его вертикального стержня упирался снизу в опорный кронштейн объемной тазовой части модели и препятствовал ее отклонению во фронтальной плоскости. Подъемник объемной тазовой части и бедренная часть модели воспроизводили две опорные нижние конечности. Бедренная часть модели располагалась вертикально в сагиттальной плоскости с отклонением в латеральную сторону во фронтальной плоскости на 10° и была обращена строго в медиальную сторону без поворота вокруг вертикальной оси.

Мы отрегулировали высоту подъемника так, что изображения крыльев подвздошных костей, ala ossis ilii, тазового элемента модели располагались на одном уровне (Рис. 1).

Рис. 1. Моделирование симметричной двухопорной ортостатической позы на модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, с аналогами мышц и аналогами наружных связок, но без аналога связки головки бедренной кости (отсутствие напряжения мышц); вверху – вид спереди, внизу – вид с латеральной стороны.

В сагиттальной плоскости тазовый элемент объемной тазовой части модели под действием прикрепленной нагрузки избыточно отклонялся назад до угла 32° от вертикали. В горизонтальной плоскости тазовый элемент объемной тазовой части модели располагался приблизительно перпендикулярно переднезадней оси и поддерживался подъемником. В данном положении объемная тазовая часть модели стремился спонтанно повернуться назад в горизонтальной плоскости, чему препятствовал подъемник.

Длинная ось вертлужного элемента объемной тазовой части модели была отклонена назад, вверх и в медиальную сторону. В шарнире модели присутствовало разгибание, незначительная супинация и среднее положение между приведением и отведением. Динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, аналога прямой мышцы бедра и аналога средней ягодичной мышцы не регистрировал усилия (Рис. 2).

Рис. 2. Динамометры и аналоги связок модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека (моделирование симметричной двухопорной ортостатической позы без связки головки бедренной кости при отсутствии напряжения мышц); вверху – вид с латеральной стороны, внизу – вид спереди; условные обозначения: liv - вертикальная часть аналога подвздошно-бедренной связки, ligamentum iliofemorale, lih – горизонтальная часть аналога подвздошно-бедренной связки, ligamentum iliofemorale, lp – аналог лобково-бедренной связки, ligamentum pubofemorale.

После стабилизации объемной тазовой части модели проанализирована ориентация аналогов связок и степень их натяжения. Отмечено натяжение аналога лобково-бедренной связки и вертикальной части аналога подвздошно-бедренной связки. Прочие аналоги наружных связок: аналог седалищно-бедренной связки и горизонтальная часть аналога подвздошно-бедренной связки оказались не натянуты. Это отмечалось по их плавным изгибам без прижатия к элементам бедренной части модели. Разобщения сферической головки шарнира и ответной сферической поверхности вертлужного элемента модели не наблюдалось.

В связи с расположением общего центра масс системы выше и позади от оси вращения, объемная тазовая часть модели стремилась отклониться назад в сагиттальной плоскости. Наклон назад в сагиттальной плоскости вызывал натяжение аналога лобково-бедренной связки и вертикальной части аналога подвздошно-бедренной связки. Означенные элементы стопорили шарнир модели, что стабилизировало объемную тазовую часть модели в сагиттальной плоскости. Отклонению объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости препятствовал подъемник. Он выполнял роль второй опорной нижней конечности, которая в симметричной двухопорной ортостатической позе в норме разогнута в тазобедренном, articulatio coxae, и коленном суставе, articulatio genum. Подъемник также противодействовал спонтанному повороту объемной тазовой части модели назад в горизонтальной плоскости. Кроме сил реакции натянутого аналога лобково-бедренной связки и вертикальной части аналога подвздошно-бедренной связки, а также подъемника, для поддержания объемной тазовой части модели в положении покоя не требовалось дополнительного внешнего воздействия.

На модели мы воспроизвели избыточное разгибание в тазобедренных суставах, articulatio coxae, при аномальном отклонении таза, pelvis, назад в сагиттальной плоскости. Полученные в эксперименте данные свидетельствуют, что при разгибании в обоих тазобедренных суставах, articulatio coxae, при отсутствии в них связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, возможна стабилизация таза, pelvis, в горизонтальной, фронтальной и сагиттальной плоскости без напряжения мышц. Гипотетически положение равновесия таза, pelvis, может быть достигнуто натяжением лобково-бедренной связки, ligamentum pubofemorale, и вертикальной части подвздошно-бедренной связки, ligamentum iliofemorale. Воспроизведенный в эксперименте вариант симметричной двухопорной ортостатической позы с избыточным наклоном таза, pelvis, назад в сагиттальной плоскости возможно компенсировать только наклоном тела вперед. Сгибание в поясничном отделе позвоночника позволяет сместить вперед общий центр масс тела вперед и избежать падения. В норме и при патологии тазобедренных суставов, articulatio coxae, столь значимого отклонения таза, pelvis, назад в сагиттальной плоскости нами не наблюдалось.

[3]. Моделирование симметричной двухопорной ортостатической позы с напряжением мышц при коксартрозе

При клиническом обследовании пациентов с коксартрозом в двухопорной позе мы наблюдали наклон таза, pelvis, вперед, либо его вертикальное положение в сагиттальной плоскости. В связи с указанным в настоящем эксперименте нами воспроизведена симметричная двухопорная ортостатическая поза при коксартрозе без отклонения таза, pelvis, в сагиттальной плоскости.

Для стабилизации нагруженной объемной тазовой части модели использован подъемник, снабженный колесами. Наконечник его вертикального стержня упирался снизу в опорный кронштейн объемной тазовой части модели и препятствовал ее наклону во фронтальной плоскости. Подъемник объемной тазовой части и бедренная часть модели воспроизводили две опорные нижние конечности. Бедренная часть модели располагалась вертикально в сагиттальной плоскости с отклонением в латеральную сторону на 10° и была обращена строго в медиальную сторону без поворота вокруг вертикальной оси. Высота подъемника отрегулирована так, что изображения крыльев подвздошных костей, ala ossis ilii, тазового элемента модели располагались приблизительно на одном уровне (Рис. 3).

Рис. 3. Моделирование симметричной двухопорной ортостатической позы на модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, с аналогами мышц и аналогами наружных связок, но без аналога связки головки бедренной кости (наличие напряжения мышц); вверху – вид спереди, внизу – вид сзади.

В сагиттальной плоскости объемная тазовая часть модели стремилась избыточно отклониться назад под действием собственного веса. Для достижения ее устойчивого положения потребовалось уменьшить длину аналога прямой мышцы бедра. В результате объемная тазовая часть модели нами установлена вертикально в сагиттальной плоскости. При этом в горизонтальной плоскости объемная тазовая часть модели спонтанно повернулась вперед на 2° (Рис. 4).

Рис. 4. Моделирование симметричной двухопорной ортостатической позы на модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, с аналогами мышц и аналогами наружных связок, но без аналога связки головки бедренной кости (наличие напряжения мышц); вверху – вид сверху, внизу – вид с латеральной стороны.

Длинная ось вертлужного элемента объемной тазовой части модели была отклонена назад, вверх и в медиальную сторону. В шарнире модели присутствовало среднее положение между сгибанием и разгибанием, пронация, а также среднее положение между приведением и отведением.

Динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и аналога средней ягодичной мышцы не регистрировал усилия (Рис. 5).

a

b

c

d
Рис. 5. Динамометры и аналоги связок модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека (моделирование симметричной двухопорной ортостатической позы без связки головки бедренной кости при наличии напряжения мышц); 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.

Динамометр аналога прямой мышцы бедра зарегистрировал усилие 1.7 кг (Рис. 6).

Рис. 6. Динамометр аналога прямой мышцы бедра, моделирование симметричной двухопорной ортостатической позы без связки головки бедренной кости при наличии напряжения мышц.

После стабилизации объемной тазовой части модели проанализирована ориентация аналогов связок и степень их натяжения. Отмечено отсутствие натяжение аналогов всех наружных связок. Это подтверждалось их плавными изгибами без прижатия к элементам бедренной части модели. Разобщения сферической головки шарнира и ответной сферической поверхности вертлужного элемента модели не наблюдалось.

По причине расположения общего центра масс системы выше и позади от центра вращения объемная тазовая часть модели стремилась отклониться назад в сагиттальной плоскости. Означенному препятствовал укороченный аналог прямой мышцы бедра. Он поддерживал объемную тазовую часть модели в вертикальном положении в сагиттальной плоскости. При этом общий центр масс системы приближался к линии, соединяющей центры аналогов тазобедренных суставов. Усилие аналога прямой мышцы бедра стопорило шарнир модели, что способствовало стабилизации объемной тазовой части модели в сагиттальной плоскости.

Отклонению объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости препятствовал подъемник объемной тазовой части. Данный элемент исполнял роль второй опорной нижней конечности, которая в симметричной двухопорной ортостатической позе в норме разогнута в тазобедренном суставе, articulatio coxae, и коленном суставе, articulatio genum. Кроме усилия аналога прямой мышцы бедра, а также действия подъемника, для поддержания объемной тазовой части модели в положении покоя не требовалось дополнительного внешнего воздействия.

Полученные в эксперименте данные свидетельствуют, что в симметричной двухопорной ортостатической позе при отсутствии в обоих тазобедренных суставах, articulatio coxae, связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, стабилизация таза, pelvis, в горизонтальной, фронтальной и сагиттальной плоскости возможна при напряжении прямой мышцы бедра, musculus rectus femoris. В данном варианте симметричной двухопорной ортостатической позы аномального наклона таза, pelvis, в сагиттальной плоскости не наблюдается.  

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  

Моделирование отведения и приведения в тазобедренном суставе   

Моделирование пронации и супинации в тазобедренном суставе 

Моделирование разгибания и сгибания в тазобедренном суставе  

Исходное положение при моделировании ортостатических поз   

Моделирование симметричной двухопорной ортостатической позы 

Моделирование напряженной одноопорной ортостатической позы  

Переход от симметричной двухопорной к ненапряженной одноопорной ортостатической позе    

Моделирование асимметричной двухопорной ортостатической позы  

Моделирование первого двухопорного периода шага  

Моделирование одноопорного периода шага  

Моделирование второго 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 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, мышцы, эксперимент, механическая модель, коксартроз, поза 

 СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

Эксперименты и наблюдения

1991-2021АрхиповСВ