Моделирование завершения двухопорного периода шага при коксартрозе

 

Моделирование завершения двухопорного периода шага при коксартрозе

[1]. Введение

[2]. Моделирование завершения первого двухопорного периода шага при коксартрозе

---

[1]. Введение

В настоящей серии экспериментальных исследований предпринято изучение взаимодействия связок и мышц тазобедренного сустава, articulatio coxae, во время ходьбы при коксартрозе. Наши интраоперационные наблюдения и сведения, почерпнутые в доступной литературе, свидетельствуют, что коксартроз всегда сопровождается патологией, а главное – дисфункцией связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris (Архипов С.В., 2012, 2013; Архипов С.В. и соавт., 2013). Соответственно, воспроизведение периодов шага на модели аналога без связки головки бедренной кости является аналогией тазобедренного сустава, articulatio coxae, пораженного коксартрозом.

Для постановки опытов нами использована модифицированная модель тазобедренного сустава, которая 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.

Модель воспроизводила функцию 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.

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 воспроизводимые движения, 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 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. Модель не имела аналога связки головки бедренной кости и аналога комплекса задней группы мышц бедра.

В излагаемых далее эксперимента воспроизводились положения таза, pelvis, и бедра, os femur, в одиночном шаге при ходьбе пациентов с коксартрозом. Исходные параметры взаимоотношения сегментов тела зарегистрированы оборудованием компании Qualisys, проанализированы программным обеспечением компании C-Motion.

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 завершения первого двухопорного периода шага при коксартрозе

Изначально на вышеописанной модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью воспроизведено завершение первого двухопорного периода шага при коксартрозе, а именно момента заднего толчка.

Для стабилизации объемной тазовой части модели использован подъемник объемной тазовой части, снабженный колесами. Подъемник располагался позади основания на стороне противоположенной бедренной части модели. 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, которые находятся одна впереди, а другая позади.

Для момента заднего толчка характерно сгибание в тазобедренном суставе, articulatio coxae, передней ноги с наклоном длинной оси бедренной кости, os femur, в сагиттальной плоскости назад и в латеральном направлении. С целью воспроизведения этого положения бедренная часть модели отклонена назад на 15° в сагиттальной плоскости и в латеральную сторону во фронтальной плоскости на 10°. Головка бедренной части модели была обращена строго в медиальную сторону 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. 1).

Рис. 1. Моделирование завершения первого двухопорного периода шага, а именно заднего толчка на модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью с аналогами мышц и связок, без аналога связки головки бедренной кости; вверху – вид спереди, внизу – вид сзади.

В сагиттальной плоскости объемная тазовая часть модели стремилась избыточно отклониться назад. Для достижения ее устойчивости потребовалось уменьшить длину аналога прямой мышцы бедра. При этом объемная тазовая часть модели приняла положение близкое к вертикальному в сагиттальной плоскости с незначительным отклонением назад. В горизонтальной плоскости объемная тазовая часть модели нами повернута назад на угол 28° и удерживался подъемником (Рис. 2).

Рис. 2. Моделирование завершения первого двухопорного периода шага, а именно заднего толчка на модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью с аналогами мышц и связок; вверху – вид сверху, внизу – вид с латеральной стороны.

Положение, приданое объемной тазовой части модели, имело достаточную устойчивость. Тенденции к ее спонтанному отклонению назад в сагиттальной плоскости и в медиальную сторону во фронтальной плоскости не отмечено. Длинная ось вертлужного элемента объемной тазовой части модели была направлена назад, вверх и в медиальную сторону. В шарнире модели присутствовало сгибание, супинация, а также среднее положение между отведением и приведением.

Динамометры аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и аналога средней ягодичной мышцы не регистрировали усилия. Динамометр аналога прямой мышцы бедра зафиксировал усилие 1.7 кг (Рис. 3).

a

b

c

d

e
Рис. 3. Динамометры и аналоги связок модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека без связки головки бедренной кости (завершения первого двухопорного периода шага); a – вид спереди, b – вид сзади, c – вид латеральной стороны, d – вид сверху, e – динамометр аналога прямой мышцы бедра; 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.

После стабилизации объемной тазовой части модели проанализирована ориентация аналогов связок и степень их натяжения. Выяснено, что аналоги наружных связок оказались не натянуты. Это отмечалось по их плавному изгибу и без прижатия к бедренной части модели. Разобщения сферической головки шарнира и ответной сферической поверхности вертлужного элемента модели не наблюдалось. Поверхности пары трения шарнира плотно смыкались между собой.

Общий центр масс системы располагался позади от линии, соединяющей центр головки бедренной части модели и точку опор противоположной части объемной тазовой части модели на подъемник. В связи с этим объемная тазовая часть модели имела тенденцию к наклону назад в сагиттальной плоскости, который ограничивал аналог прямой мышцы бедра. Стабилизация объемной тазовой части модели в сагиттальной плоскости дополнительно обеспечивалась подъемником, выполнявшим роль контралатеральной позади расположенной нижней конечности. Он также препятствовал отклонению объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости и потенциальному повороту назад в горизонтальной плоскости. Роль впереди расположенной ноги выполняла бедренная часть модели. Соответственно, поддержание модели в положении покоя обеспечивалось усилием аналога прямой мышцы бедра и подъемником. Дополнительного внешнего воздействия для стабилизации системы не требовалось.

Полученные в эксперименте данные свидетельствуют, что в завершении двухопорного периода шага действию общего центра масс тела, расположенного позади от тазобедренных суставов, articulatio coxae, противодействует аналог прямой мышцы бедра, musculus rectus femoris, и позади расположенная нижняя конечность. Натяжение связок впереди расположенного тазобедренного сустава, articulatio coxae, не наблюдается.  Следовательно, при отсутствии в обоих тазобедренных суставах, articulatio coxae, связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, возможна стабилизация таза, pelvis, с напряжением прямой мышцы бедра, musculus rectus femoris. Положение равновесия таза, pelvis, может быть достигнуто без участия связок впереди расположенного тазобедренного сустава, articulatio coxae, отводящей группы мышц, комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и задней группы мышц бедра. В двухопорном периоде шага с положением таза, pelvis, близким к вертикальному, не требуется компенсации посредством аномального изгиба поясничного отдела позвоночника. 

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   

Моделирование двухопорных поз при коксартрозе   

Моделирование одноопорной ортостатической позы при коксартрозе с горизонтальным положением таза 

Моделирование одноопорной ортостатической позы при коксартрозе с негоризонтальным положением таза  

                                                                     

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