Моделирование разгибания и сгибания в тазобедренном суставе

  

Моделирование разгибания и сгибания в тазобедренном суставе

Моделирование разгибания в тазобедренном суставе

Для изучения взаимодействия связок и мышц при движениях в тазобедренном суставе, articulatio coxae, нами собрана модифицированная механическая модель. Конструкция содержала бедренную часть и объемную тазовую часть с нагрузкой 1 кг. Последняя моделировала действие веса тела и прикреплялась к крайнему отверстию грузового кронштейна, находящемуся на уровне изображения межпозвонкового диска L5-S1 позади плоскости объемной тазовой части. Точка крепления 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. Кроме этого, конструкция имитировала четыре 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 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. Позади, ниже уровня шарнира модели прикреплялся аналог комплекса задней группы мышц бедра. Он моделировал функцию полусухожильной мышцы, musculus semitendinosus, полуперепончатой мышцы, musculus semimembranosus, и длинной головки, caput longum, двуглавой мышцы бедра, musculus biceps femoris. 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.  

На настоящем этапе на модифицированной механической модели мы воспроизвели максимальное разгибание.  Особенностью эксперимента явилась имитация означенного движения в опорном тазобедренном суставе, articulatio coxae, в одноопорной ортостатической позе. Изначально нами смоделировано исходное положение – напряженная одноопорная ортостатическая поза. Для нее характерно приведение, среднее положение между сгибанием и разгибанием, а также среднее положение между пронацией и супинацией в тазобедренном суставе, articulatio coxae. С целью воссоздания означенной позиции бедренная часть модели была установлена вертикально в сагиттальной плоскости, а затем отклонена наружу во фронтальной плоскости на угол 10° без поворота в горизонтальной плоскости. В исходном положении объемная тазовая часть была вертикальна в сагиттальной плоскости, без поворота в горизонтальной плоскости, а изображения крыльев подвздошных костей, ala ossis ilii, тазового элемента модели располагалась приблизительно на одной высоте.

Максимального разгибания в шарнире модели удалось достичь путем удлинения всех аналогов мышц. Объемная тазовая часть спонтанно отклонилась назад в сагиттальной плоскости под действием прикрепленной к объемной тазовой части модели нагрузки. В означенном положении изображения крыльев подвздошных костей, ala ossis ilii, тазового элемента модели находились на различных уровнях. Со стороны шарнира модели высота изображения крыла подвздошной кости, ala ossis ilium, на объемной тазовой части установлена выше, чем с противоположенной стороны (Рис. 1).

Рис. 1. Моделирование разгибания в одноопорной ортостатической позе на модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью с аналогами связок и мышц; вверху – вид спереди, внизу – вид сзади.

Кроме поворота назад в сагиттальной плоскости, объемная тазовая часть наклонялась вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости и поворачивалась вперед в горизонтальной плоскости (Рис. 2).

Рис. 2. Моделирование разгибания в одноопорной ортостатической позе на модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью с аналогами связок и мышц; вверху – вид сверху, внизу – вид с латеральной стороны.

Длинная ось вертлужного элемента объемной тазовой части модели была направлена вверх, в медиальную сторону, почти без поворота в горизонтальной плоскости. По сравнению с исходным положением, воспроизводящим напряженную одноопорную ортостатическую позу, длинная ось вертлужного элемента сместилась вниз, вперед, вплотную приблизившись к фронтальной плоскости. В шарнире модели присутствовало разгибание, приведение и пронация. Для подержания вышеозначенной позиции объемной тазовой части оказалось достаточным только действия ее веса с прикрепленной нагрузкой.

Динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, аналога средней ягодичной мышцы, аналога прямой мышцы бедра и аналога комплекса задней группы мышц бедра, не регистрировали усилия (Рис. 3).

a

b

c

d
Рис. 3. Динамометры аналогов мышц модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью (моделирование разгибания в одноопорной ортостатической позе); a – динамометр аналога средней ягодичной мышцы, b – динамометр аналога прямой мышцы бедра, c – динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, d – динамометр аналога комплекса задней группы мышц бедра.

В данном варианте эксперимента в стабилизации объемной тазовой части модели происходила без участия аналогов мышц. Укорочение аналога прямой мышцы бедра динамометр аналога комплекса задней группы мышц бедра регистрировало появление усилия. При этом объемная тазовая часть модели наклонялась вперед в сагиттальной плоскости, что уменьшало угол достигнутого разгибания. При попытке отклонения объемной тазовой части модели назад в сагиттальной плоскости, повороте вперед в горизонтальной плоскости, а также при попытке наклона вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости динамометры аналогов мышц не регистрировали появления усилий. В результате поворота объемной тазовой части модели вперед в сагиттальной плоскости динамометр аналога комплекса задней группы мышц бедра фиксировал наличие усилия.

После стабилизации объемной тазовой части модели проанализирована ориентация аналогов связок и степень их натяжения (Рис. 4).

a

b

c

d
Рис. 4. Аналоги связок модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью (моделирование разгибания в одноопорной ортостатической позе); 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 наблюдали натяжение аналогов всех наружных связок: аналога лобково-бедренной связки, горизонтальной части аналога подвздошно-бедренной связки, вертикальной части аналога подвздошно-бедренной связки и аналога седалищно-бедренной связки. Это отмечалось по выпрямлению их хода и прижатию к элементам бедренной части модели. Опытным путем установлено, что натянутая горизонтальная часть аналога подвздошно-бедренной связки участвовала в ограничении приведения в шарнире модели. Аналог лобково-бедренной связки, аналог седалищно-бедренной связки и вертикальная часть аналога подвздошно-бедренной связки ограничивали наклон объемной тазовой части модели назад в сагиттальной плоскости, а также ее поворот вперед в горизонтальной 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 наличие его. Разобщения сферической головки бедренной части модели и ответной сферической поверхности вертлужного элемента модели не зафиксировано.

Натяжение аналогов связок происходило спонтанно по причине расположения общего центра масс системы позади, выше и медиальнее центра вращения шарнира. Аналоги мышц не препятствовали разгибанию, которое инициировал вес нагруженной объемной тазовой части модели. Натянутые аналоги наружных связок и аналог связки головки бедренной кости стабилизировали объемную тазовую часть модели во фронтальной, горизонтальной и сагиттальной плоскости. Данные гибкие элементы стопорили шарнир модели одновременно в трех плоскостях, ограничивая приведение, разгибание и пронацию в шарнире модели. Отведение, супинация и сгибание в шарнире модели приводило к уменьшению натяжения аналогов наружных связок. Для поддержания объемной тазовой части модели в положении покоя не требовалось дополнительного внешнего усилия.

Эксперимент продемонстрировал возможность поддержания положения устойчивого равновесия таза, pelvis, при максимальном разгибании в опорном тазобедренном суставе, articulatio coxae, при поддержании одноопорной ортостатической позы. Максимальное разгибание возможно при приведении и пронации. Означенное приводит к натяжению наружных связок, ligamentum extracapsularia, и связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris. В описанной позе мышцы в области опорного тазобедренного сустава, articulatio coxae, могут быть расслаблены, напрягаясь только для контроля баланса тела.

Моделирование сгибания в тазобедренном суставе

На данном этапе на модифицированной механической модели с нагруженной объемной тазовой частью мы воспроизвели максимальное сгибание. Особенностью эксперимента явилась имитация сгибания в опорном тазобедренном суставе, articulatio coxae, в одноопорной ортостатической позе.

При воссоздании максимального сгибания позиция бедренной части модели не изменялась. Положение объемной тазовой части модели фиксировалось путем коррекции длины элементов крепления аналогов мышц и спонтанным натяжением аналогов связок. Нами укорочен аналог средней ягодичной мышцы и аналог прямой мышцы бедра. Одновременно был удлинен аналог комплекса задней группы мышц бедра и аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу. Мы пытались установить длину аналогов мышц так, чтобы изображения крыльев подвздошных костей, ala ossis ilii, тазового элемента модели находились приблизительно на одинаковой высоте. Однако при воспроизведении максимально возможного сгибания на стороне шарнира высота изображения крыла подвздошной кости, ala ossis ilium, самопроизвольно оказалась выше, чем с противоположенной стороны (Рис. 5).

Рис. 5. Моделирование сгибания в одноопорной ортостатической позе на модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью с аналогами связок и мышц; вверху – вид спереди, внизу – вид сзади.

Объемная тазовая часть модели до предела наклонена вперед в сагиттальной плоскости. При достижении указанного положения объемная тазовая часть модели наклонилась вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости и несколько повернулся назад в горизонтальной плоскости (Рис. 6).

Рис. 6. Моделирование сгибания в одноопорной ортостатической позе на модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью с аналогами связок и мышц; вверху – вид сверху, внизу – вид с латеральной стороны.

Длинная ось вертлужного элемента объемной тазовой части модели была направлена назад, вверх и в медиальную сторону. По сравнению с исходным положением, воспроизводящим напряженную одноопорную ортостатическую позу, длинная ось вертлужного элемента сместилась вперед к фронтальной плоскости и больше отклонилась вверх. В шарнире модели во фронтальной плоскости присутствовало приведение, сгибание и супинация. Для удержания вышеозначенной позиции объемной тазовой части было достаточно усилия укороченного аналога средней ягодичной мышцы и укороченного аналога прямой мышцы бедра.

Динамометр аналога средней ягодичной мышцы зафиксировал усилие 2.0 кг, а динамометр аналога прямой мышцы бедра – 1.4 кг. Динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и аналога комплекса задней группы мышц бедра не регистрировали усилия (Рис. 7).

a

b

c

d
Рис. 7. Динамометры аналогов мышц модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью (моделирование сгибания в одноопорной ортостатической позе); a – динамометр аналога средней ягодичной мышцы, b – динамометр аналога прямой мышцы бедра, c – динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, d – динамометр аналога комплекса задней группы мышц бедра.

Расстояние между точками крепления аналога комплекса задней группы мышц бедра увеличилось, а расстояние между точками крепления аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, наоборот, уменьшилось. При попытке дополнительного укорочения аналога прямой мышцы бедра и аналога средней ягодичной мышцы объемная тазовая часть модели несколько наклонялась вперед, а усилия, которые регистрировали их динамометры, возрастали.

В данном варианте эксперимента в стабилизации объемной тазовой части модели из аналогов мышц участвовал укороченный аналог средней ягодичной мышцы и аналог прямой мышцы бедра. Аналог комплекса задней группы мышц бедра и аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, не принимали участие в стабилизации объемной тазовой части. Аналог средней ягодичной мышцы стабилизировал объемную тазовую часть модели во фронтальной плоскости, препятствуя его опрокидыванию вниз в медиальную сторону, а также отклонению назад в сагиттальной плоскости под действием нагрузки, прикрепленной к объемной тазовой части модели. Аналог прямой мышцы бедра стабилизировал объемную тазовую часть модели в сагиттальной плоскости, препятствуя ее отклонению назад в сагиттальной плоскости под действием нагрузки, закрепленной на объемной тазовой части модели.

После стабилизации объемной тазовой части модели проанализирована ориентация аналогов связок и степень их натяжения (Рис. 8).

a

b

c

d 
Рис. 8. Аналоги связок модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью (моделирование сгибания в одноопорной ортостатической позе); 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 наблюдали натяжение только аналога седалищно-бедренной связки. Аналог лобково-бедренной связки, вертикальная часть аналога подвздошно-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.

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 частично смещался в медиальном направлении. Это указывало на отсутствие его натяжения. Разобщения сферической головки бедренной части модели и ответной сферической поверхности вертлужного элемента модели не наблюдалось.

Натяжение аналога седалищно-бедренной связки произошло за счет наклона объемной тазовой части модели вперед. Оно поддерживалось укороченным аналогом средней ягодичной мышцы и аналогом прямой мышцы бедра. Натянутый аналог седалищно-бедренной связки стабилизировали объемную тазовую часть модели в сагиттальной плоскости и в горизонтальной плоскости. Данный гибкий элемент препятствовал ее повороту вперед в горизонтальной и сагиттальной плоскости. В достигнутой в опыте позиции модели аналог седалищно-бедренной связки стопорил шарнир, ограничивая разгибание и пронацию. Наклону объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону препятствовал только аналог средней ягодичной мышцы. Аналог прямой мышцы бедра участвовал в стабилизации объемной тазовой части модели в сагиттальной плоскости, противодействуя нагрузке. Для поддержания объемной тазовой части модели в положении покоя не требовалось дополнительного внешнего усилия.

Эксперимент продемонстрировал возможность достижения устойчивого положения таза, pelvis, при наклоне вперед в сагиттальной плоскости в одноопорной ортостатической позе. Равновесие в указанной позиции достижимо за счет натяжения седалищно-бедренной связки, ligamentum ischiofemorale, и напряжения средней ягодичной мышцы, musculus gluteus medius, прямой мышцы бедра, musculus rectus femoris. Усилия указанных мышц требуются для нейтрализации действия веса тела. 

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 

                                                                     

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, эксперимент, механическая модель, средняя ягодичная мышца, короткие ротаторы, сгибатели, разгибатели

 СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

Эксперименты и наблюдения

1991-2021АрхиповСВ