Моделирование
поступательного смещения таза при ходьбе
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 поступательное смещение
таза,
pelvis, в одноопорном
периоде шага. Оно наблюдается при отклонении в латеральном направлении опорной
ноги за счет пронации в подтаранном, articulatio
subtalaris,
суставе.
Изначально
на модели воспроизведено положение приведения бедренной кости, os femur, и наклон таза, pelvis,
вниз в медиальную сторону, что свойственно для середины одноопорного периода
шага. Затем бедренная часть отклонена в латеральном направлении в карданном
шарнире, соединяющем ее с основанием модели (Рис. 1).
 |
| Рис. 1. Моделирование поступательного смещения таза в одноопорном периоде на электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью с аналогами связок и мышц; вверху – наклон бедренной части модели 10° в латеральном направлении, внизу – наклон бедренной части модели 20° в латеральном направлении (отмечается смещение объемной тазовой части модели вверх при отсутствии нагрузки на аналог средней ягодичной мышцы). |
В исходном положении бедренная часть модели установлена
вертикально в сагиттальной плоскости, повернута вперед в горизонтальной плоскости на
10° и наклонена на 10° в латеральном направлении во
фронтальной плоскости. Нами максимально удлинены: аналог средней ягодичной
мышцы и аналог коротких мышц, вращающих бедро наружу. Объемная тазовая часть
модели спонтанно обрела наклон вниз в медиальную сторону во фронтальной
плоскости, повернулась вперед в горизонтальной плоскости и отклонилась назад в
сагиттальной плоскости. Все аналоги связок тазобедренного сустава оказались натянуты.
Они застопорили шарнир модели в трех плоскостях и стабилизировали объемную тазовую
часть модели. Динамометры имеющихся аналогов мышц не регистрировали усилий.
Далее мы деблокировали карданное соединение
бедренной части модели с основанием. После этого произведен наклон бедренной
части модели в латеральном направлении угол 20°, а карданное соединение зафиксировано.
По нашей мысли, этим воспроизводился наклон опорной нижней конечности в
латеральную сторону во фронтальной плоскости, что наблюдается в середине
одноопорного периода шага. В результате тазовая часть модели поступательно сместилась
вверх и наружу. Натяжение аналогов связок тазобедренного сустава сохранялось. Они
продолжали стопорить шарнир и стабилизировать тазовую часть модели одновременно
во всех плоскостях. Динамометр аналога средней ягодичной мышцы не зарегистрировал
появление усилия.
В
конце одноопорного периода шага биоэлектрическая активность средней ягодичной
мышцы снижается до минимума. Низкая биоэлектрическая активность средней
ягодичной мышцы, по нашему мнению, обусловлена тем, что опорный тазобедренный
сустав, articulatio coxae, в этот период
застопорен натянутыми связками. Означенный уровень активности мышцы сохраняется
в двухопорном периоде и большей части переносного периода шага. По сути, этот
уровень биоэлектрической активности средней ягодичной мышцы, musculus gluteus medius,
- ее тонус в покое. В конце переносного периода шага, начиная приблизительно с
периода 90% от времени целого шага, биоэлектрическая активность средней
ягодичной мышцы, musculus gluteus medius, возрастает. Это
связано с отведением в тазобедренном суставе, articulatio
coxae,
и подготовкой к началу фазы опоры.
Описанные выше закономерности движений бедренной кости, os femur, в тазобедренном суставе, articulatio coxae, и таза, pelvis, при ходьбе, а также изменения биоэлектрической активности средней ягодичной мышцы, musculus gluteus medius, мы связываем с натяжением связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, являющейся важной функциональной связью тазобедренного сустава, articulatio coxae.
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 действия веса тела
Имитация взаимодействия средней ягодичной мышцы и LCF
Анализ взаимодействия средней ягодичной мышцы и LCF
Моделирование движений в горизонтальной плоскости
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 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
Моделирование середины одноопорного периода шага
Моделирование завершения одноопорного периода шага
Наблюдение: износ нижней поверхности головки бедренной части механической модели
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 capitis femoris, ligamentum teres, связка головки бедра, функция, ходьба, эксперимент, электромеханическая модель, средняя ягодичная мышца, короткие ротаторы
Эксперименты и наблюдения