Моделирование середины одноопорного периода шага

 

Моделирование середины одноопорного периода шага.

Моделирование середины одноопорного периода шага без супинации бедра.

Для уточнения взаимодействия связок тазобедренного сустава, articulatio coxae, средней ягодичной мышцы, musculus gluteus medius, и комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу при ходьбе, нами поставлена серия экспериментов на электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью. Конструкция модели содержала аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, аналог средней ягодичной мышцы и аналоги связок тазобедренного сустава: аналог вертикальной части подвздошно-бедренной связки, аналог горизонтальной части подвздошно-бедренной связки, аналог седалищно-бедренной связки, аналог лобково-бедренной связки и аналог связки головки бедренной кости. С целью моделирования действия веса тела к крайнему отверстию грузового кронштейна объемной тазовой части прикреплялась нагрузка массой 1 кг.

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.

В настоящей серии опытов 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, 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.

На данном этапе мы смоделировали середину одноопорного периода шага на электромеханической модели тазобедренного сустава человека. Для означенного периода шага характерно среднее положение в тазобедренном суставе, articulatio coxae, между сгибанием и разгибанием, а также отклонение бедренной кости, os femur, наружу.

Объемная тазовая часть модели стабилизировалась аналогом средней ягодичной мышцы, аналогом комплекса мышц, вращающих бедро наружу, и аналогами связок. Карданное соединение бедренной части модели с основанием деблокировано. Бедренная часть модели установлена вертикально в сагиттальной плоскости, а следом отклонена наружу во фронтальной плоскости на угол 15°. Отрегулирована длина аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и аналога средней ягодичной мышцы. Изображение крыльев подвздошных костей, ala ossis ilii, тазового элемента объемной тазовой части модели располагались на разных уровнях. Со стороны шарнира модели высота изображения крыла правой подвздошной кости, ala ossis ilii, тазового элемента модели была выше, чем с противоположенной стороны. В результате отклонения бедренной части модели наружу во фронтальной плоскости наклон объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону уменьшился в сравнении с моделированным ранее положением характерным для начала одноопорного периода шага (Рис. 1).

Рис. 1. Моделирование середины одноопорного периода шага без супинации бедра на электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью с аналогами связок и мышц; вверху – вид спереди, внизу – вид сзади.

В горизонтальной плоскости объемная тазовая часть модели спонтанно повернулся вперед. В сагиттальной плоскости отклонение уменьшилось, по сравнению с моделированным ранее положением характерным для начала одноопорного периода шага (Рис. 2).

Рис. 2. Моделирование середины одноопорного периода шага без супинации бедра на электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью с аналогами связок и мышц; вверху – вид сверху, внизу – вид с латеральной стороны.

В результате перемещения объемной тазовой части модели в шарнире уменьшилось приведение и супинация. При этом плоскость тазового элемента оказалась незначительно повернутой в горизонтальной плоскости вперед и наружу в сторону шарнира модели. Сагиттальной плоскости присутствовало незначительное отклонение назад. Длинная ось вертлужного элемента объемной тазовой части модели была отклонена назад, вверх и в медиальную сторону. В шарнире модели в сагиттальной плоскости установилось незначительное разгибание. Динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, не регистрировал нагрузки. Динамометр аналога средней ягодичной мышцы зафиксировал уменьшение усилия, требующегося для удержания объемной тазовой части модели в покое. Мы полагаем, причиной явилось уменьшение плеча веса объемной тазовой части модели за счет отклонения бедренной части модели наружу во фронтальной плоскости. Увеличение приведения в шарнире приблизило к его центру вектор веса объемной тазовой части модели (Рис. 3).

a

b

c

d
Рис. 3. Аналоги связок и динамометры электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью (моделирование середины одноопорного периода шага без супинации бедра); 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.

После стабилизации объемной тазовой части модели проанализирована ориентация аналогов связок и степень их натяжения. Замечено отсутствие натяжения аналога седалищно-бедренной связки и горизонтальной части аналога подвздошно-бедренной связки. Это подтверждалось их плавным изгибом без прижатия к элементам бедренной части модели. Произошло натяжение вертикальной части аналога подвздошно-бедренной связки. Сохранилось натяжение аналога лобково-бедренной связки. Визуально уточнить наличие или отсутствие натяжения аналога связки головки бедренной кости не представлялось возможным ввиду его расположения внутри шарнира модели. При попытке извлечения из вертлужного элемента он смещался в медиальном направлении. Это указывало на отсутствие натяжения аналога связки головки бедренной кости. Разобщения сферической головки шарнира и ответной сферической поверхности вертлужного элемента модели не наблюдалось. Поверхности пары трения шарнира плотно смыкались.

По причине расположения общего центра масс системы выше, медиальнее и позади от центра вращения шарнира объемная тазовая часть модели имела тенденцию к отклонению назад в сагиттальной плоскости, а также вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости. Стабилизация объемной тазовой части модели обеспечивалась аналогом средней ягодичной мышцы, а также силой реакции вертикальной части аналога подвздошно-бедренной связки и аналога лобково-бедренной связки. Для поддержания модели в положении покоя не требовалось дополнительного внешнего усилия. Отмеченное в опыте уменьшение усилия аналога средней ягодичной мышцы при увеличении приведения воспроизводит параметры нормальной ходьбы. В частности, нам замечено, что электрическая активность средней ягодичной мышцы, musculus gluteus medius, в середине одноопорного периода шага начинает парадоксальным образом уменьшаться при параллельном увеличении приведения в тазобедренном суставе, articulatio coxae (см. пример).

Моделирование середины одноопорного периода шага при супинации бедра.

Далее на электромеханической модели тазобедренного сустава мы воспроизвели поворот бедренной кости, os femur, наружу в середине одноопорного периода шага. При ходьбе он происходит одновременно с разгибанием в коленном суставе, articulatio genum.

Нами сохранено вертикальное положение бедренной части модели в сагиттальной плоскости. Во фронтальной плоскости отклонение наружу уменьшено до 10°. Кроме этого, произведен поворот бедренной части модели вперед в горизонтальной плоскости на угол 10°. По нашему замыслу, это воспроизводило поворот всей бедренной кости, os femur, наружу, в коленном суставе, articulatio genum. Произведено максимальное увеличение длины аналога средней ягодичной мышцы и аналога комплекса мышц, вращающих бедро наружу. При этом объемная тазовая часть модели наклонилась вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости (Рис. 4).

Рис. 4. Моделирование середины одноопорного периода шага при супинации бедра на электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью с аналогами связок и мышц; вверху – вид спереди, внизу – вид сзади.

Изображения крыльев подвздошных костей, ala ossis ilii, на тазовом элементе располагались на разных уровня. На стороне шарнира модели высота изображения крыла подвздошной кости была выше, чем с противоположенной стороны. Указанное воспроизводило наклон неопорной половины таза, pelvis, вниз в медиальную сторону, что наблюдается на исходе средины одноопорного периода шага.

В горизонтальной плоскости объемная тазовая часть модели повернулась вперед, а в сагиттальной плоскости спонтанное отклонилась назад (Рис. 5).

Рис. 5. Моделирование середины одноопорного периода шага при супинации бедра на электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью с аналогами связок и мышц; вверху – вид сверху, внизу – вид с латеральной стороны.

Замечено, что отчасти перемещение объемной тазовой части вперед и наружу в горизонтальной плоскости, а также поворот в сагиттальной плоскости назад происходил под действием веса нагрузки благодаря эффекту авторотации. В положении покоя длинная ось вертлужного элемента объемной тазовой части модели имела отклонение вверх, назад и в медиальную сторону. В шарнире модели наблюдалось разгибание, пронация и приведение. Таким образом, после максимального удлинения элементов крепления аналога средней ягодичной мышцы и аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, в шарнире модели продолжилось спонтанное приведение и пронация. В результате они достигли своей максимальной величины.

Динамометры аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и аналога средней ягодичной мышцы не регистрировали усилия. Соответственно, означенные аналоги мышц не участвовали в стабилизации объемной тазовой части модели (Рис. 6).

a

b

c

d
Рис. 6. Аналоги связок электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью с аналогами связок и мышц (моделирование середины одноопорного периода шага при супинации бедра); 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 проанализировали ориентацию аналогов связок и степень их натяжения. Замечено натяжение аналогов всех наружных связок: седалищно-бедренной связки, обеих частей аналога подвздошно-бедренной связки и аналога лобково-бедренной связки. Это отмечалось в том числе по их прижатию к элементам бедренной части модели и прямолинейностью хода. Визуально уточнить наличие или отсутствие натяжения аналога связки головки бедренной кости не представлялось возможным ввиду его расположения внутри шарнира модели. При попытке извлечения из вертлужного элемента он не смещался в медиальном направлении. Это указывало на натяжения аналога связки головки бедренной кости. Аналоги наружных связок и аналог связки головки бедренной кости в результате спонтанного перемещения объемной тазовой части модели натянулись. Произошло стопорение шарнира одновременно в трех плоскостях, что разгрузило аналоги мышц. Разобщения сферической головки шарнира и ответной сферической поверхности вертлужного элемента модели не наблюдалось. Поверхности пары трения шарнира плотно смыкались во всех отделах.

По причине расположения общего центра масс системы выше, медиальнее и позади от центра вращения шарнира объемная тазовая часть модели имела тенденцию к отклонению назад в сагиттальной плоскости и вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости. Стабилизация объемной тазовой части модели обеспечивалась только комплексом аналогов связок. Для удержания объемной тазовой части в положении равновесия не требовалось дополнительного внешнего усилия.

Моделирование середины одноопорного периода шага при супинации и разгибании бедра.

Следом на электромеханической модели тазобедренного сустава человека мы воспроизвели окончание середины одноопорного периода шага. Для него характерно начало разгибания в тазобедренном суставе, articulatio coxae, отклонения длинной оси бедра, os femur, вперед в сагиттальной плоскости и поворот таза, pelvis, вперед в горизонтальной плоскости.

Положение объемной тазовой части модели осталось прежним. Карданное соединение бедренной части модели с основанием деблокировано. Произведен поворот бедренной части модели вперед в горизонтальной плоскости дополнительно на 5°. В результате угол поворота вперед достиг 15°. Далее бедренная часть модели наклонена вперед в сагиттальной плоскости на 5°. Отклонение наружу во фронтальной плоскости 10°сохранено. После достижения означенного карданное соединение бедренной части модели с основанием зафиксировано вновь.

Положение бедренной части модели и объемной тазовой части модели изменило. При этом изображения крыльев подвздошных костей, ala ossis ilii, тазового элемента модели остались на разных уровнях. Со стороны шарнира модели высота расположения изображения крыла правой подвздошной кости была выше, чем с противоположенной стороны (Рис. 7).

Рис. 7. Моделирование середины одноопорного периода шага при супинации и разгибании бедра на электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью с аналогами связок и мышц; вверху – вид спереди, внизу – вид сзади.

Замечено, что во фронтальной плоскости наклон объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону увеличился по сравнению с предшествующим положением. Указанное воспроизводило еще больший наклон таза, pelvis, вниз в медиальную сторону, наблюдающийся в завершении середины одноопорного периода шага.

В горизонтальной плоскости объемная тазовая часть модели еще больше спонтанно повернулась вперед, а в сагиттальной плоскости дальше отклонилась назад (Рис. 8).

Рис. 8. Моделирование середины одноопорного периода шага при супинации и разгибании бедра на электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью с аналогами связок и мышц; вверху – вид сверху, внизу – вид с латеральной стороны.

Означенные вращательные движения объемной тазовой части происходили под действием веса нагрузки и благодаря эффекту авторотации. Длинная ось вертлужного элемента длинная ость объемной тазовой части модели имела отклонение вверх в медиальную сторону, располагаясь практически во фронтальной плоскости.

В шарнире модели наблюдалось разгибание, пронация и приведение, которые достигли предельных значений. Динамометр аналога средней ягодичной мышцы зарегистрировал незначительное усилие. Аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, не регистрировал действующей силы (Рис. 9).

a

b

c

d
Рис. 9. Аналоги связок электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью с аналогами связок и мышц (моделирование середины одноопорного периода шага при супинации и разгибании бедра); 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.

Незначительное усилие, зафиксированное аналогом средней ягодичной мышцы, и отсутствие нагрузки на аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, свидетельствовало, что объемную тазовую часть модели удерживали преимущественно аналоги связок. Мы проанализировали ориентацию аналогов связок и степень их натяжения. Присутствовало натяжение обеих частей аналога подвздошно-бедренной связки и аналога лобково-бедренной связки. Это отмечалось по их прижатию к элементам бедренной части модели и более прямолинейному ходу. Аналог седалищно-бедренной связки приблизился к бедренной части модели, но не был натянут. Визуально уточнить наличие или отсутствие натяжения аналога связки головки бедренной кости не представлялось возможным ввиду его расположения внутри шарнира модели. При попытке извлечения из вертлужного элемента он не смещался в медиальном направлении. Это указывало на натяжения аналога связки головки бедренной кости. Разобщения сферической головки шарнира и ответной сферической поверхности вертлужного элемента модели не наблюдалось. Поверхности пары трения шарнира плотно смыкались во всех отделах.

По причине расположения общего центра масс системы выше, медиальнее и позади от центра вращения шарнира объемная тазовая часть модели имела тенденцию к отклонению назад в сагиттальной плоскости и вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости.

Стабилизация объемной тазовой части модели обеспечивалась преимущественно комплексом всех аналогов связок. Незначительное усилие, зафиксированное аналогом средней ягодичной мышцы, сопровождалось расслаблением аналога седалищно-бедренной связки. Мы полагаем, что часть нагрузки на нее шунтировал аналог средней ягодичной мышцы. Силы реакции натянутых аналогов связок аналога средней ягодичной мышцы застопорили шарнир. Для удержания объемной тазовой части в положении равновесия не требовалось дополнительного внешнего усилия.

Смотри также:

Бедренная часть комбинированной модели тазобедренного сустава 

Элементы электромеханической модели тазобедренного сустава человека

Электромеханическая модель без аналогов связок

Упрощение электромеханической модели тазобедренного сустава

Моделирование движений аналога LCF 

Упрощенная модель вертлужной впадины 

Модель как аналог рычага третьего рода 

Моделирование функции LCF 

Моделирование действия веса тела 

Имитация взаимодействия средней ягодичной мышцы и LCF 

Анализ взаимодействия средней ягодичной мышцы и LCF

Моделирование движений в горизонтальной плоскости 

Моделирование супинации 

Моделирование эффекта авторотации  

Обсуждение эффекта авторотации 

Моделирование перемещения общего центра масс тела 

Моделирование взаимодействия наружных связок и LCF 

Моделирование эффекта автостабилизации

Моделирование взаимодействия веса тела и отводящей группы мышц 

Эффект авторотации с аналогом отводящей группы мышц 

Измерение силы, вызывающей авторотацию 

Воспроизведение спонтанной авторотации

Воспроизведение управляемой авторотации  

Обсуждение регулируемого эффекта авторотации  

Моделирование взаимодействия аналогов связок и мышц 

Имитация перемещения общего центра масс тела при наличии аналогов связок и мышц 

Моделирование напряженной одноопорной позы с участием средней ягодичной мышцы 

Моделирование напряженной одноопорной ортостатической позы с участием средней ягодичной мышцы и коротких ротаторов бедра 

Моделирование напряженной одноопорной ортостатической позы с участием коротких ротаторов бедра 

Моделирование ненапряженной одноопорной ортостатической позы 

Моделирование симметричной двухоопорной ортостатической позы  

Моделирование асимметричной двухоопорной ортостатической позы 

Моделирование начала первого двухопорного периода шага 

Моделирование завершения первого двухопорного периода шага  

Моделирование начала одноопорного периода шага

                                                                     

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

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 шестнадцатой главе третьего 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. 3. Главы 12-16. Напечатано Автором во граде Королев при попечении его супруги Людмилы Николаевны, ММXVIII A.D. [2018], bonum factum! [на благо и счастье], 518 с. [academia.edu]

Ключевые слова

ligamentum capitis femoris, ligamentum teres, связка головки бедра, функция, ходьба, эксперимент, электромеханическая модель, средняя ягодичная мышца, короткие ротаторы

 СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

Эксперименты и наблюдения

1991-2021АрхиповСВ