Моделирование начала
второго двухопорного периода шага
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 начало второго двухопорного периода
шага, а именно периода переднего толчка второго одиночного шага. Для стабилизации объемной тазовой части модели использован подъемник, снабженный
колесами. Наконечник его вертикального стержня упирался снизу в опорный
кронштейн объемной тазовой части модели и препятствовал ее
отклонению во фронтальной и сагиттальной плоскости (Рис. 1).
 |
| Рис. 1. Моделирование начала второго двухопорного периода шага, а именно переднего толчка на электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, с аналогами связок и мышц; вид сзади на нагрузку, прикрепленную к грузовому кронштейну объемной тазовой части и подъемник объемной тазовой части. |
В момент переднего толчка в тазобедренном суставе, articulatio coxae, для позади
расположенной ноги характерно разгибание в тазобедренном суставе, articulatio coxae. При этом длинная
ось бедренной кости,
os femur, наклонена вперед
в сагиттальной плоскости. С целью воспроизведения этого положения бедренная
часть модели в карданном шарнире повернута вперед на угол 15° в сагиттальной
плоскости. Высота
подъемника отрегулирована так, что изображения крыльев подвздошных костей, ala ossis ilii, на тазовом
элементе модели находились на различных уровнях. Со стороны шарнира модели высота
расположения изображения крыла правой подвздошной кости была выше, чем с
противоположенной. Объемная тазовая часть модели во фронтальной плоскости
имела наклон вниз и в медиальную сторону (Рис. 2).
 |
| Рис. 2. Моделирование начала второго двухопорного периода шага, а именно переднего толчка, 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 имела поворот вперед и наружу,
а в сагиттальной плоскости – наклонена вперед (Рис. 3).
 |
| Рис. 3. Моделирование начала второго двухопорного периода шага, а именно переднего толчка, 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 описанном положении длинная ось вертлужного элемента
объемной тазовой части модели была обращена вперед, вверх и в медиальную
сторону. В
шарнире модели присутствовало разгибание, пронация и приведение. Динамометры аналога
комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и аналога
средней ягодичной мышцы не регистрировали усилия (Рис. 4).
 |
| a |
 |
| b |
 |
| c |
 |
| d Рис. 4. Аналоги связок и динамометры электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью (моделирование начала первого двухопорного периода шага, а именно переднего толчка); 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. |
После стабилизации объемной тазовой части модели
проанализировано соотношение поверхностей пары трения шарнира, ориентация аналогов
связок и степень их натяжения. Замечено натяжение: аналога седалищно-бедренной
связки, аналога лобково-бедренной связки и обеих частей аналога подвздошно-бедренной связки. Указанное подтверждалось их прижатием 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 ограниченно смещался в медиальном направлении. Это указывало на отсутствие его
натяжения. 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. Указанное ограничивалось натянутыми аналогами наружных связок. Стабилизация объемной тазовой части модели в сагиттальной плоскости дополнительно обеспечивалась подъемником объемной тазовой части, который выполнял роль контралатеральной впереди расположенной опорной нижней конечности. Он же препятствовал отклонению объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости. Роль позади расположенной опорной нижней конечности выполняла бедренная часть модели. Кроме натянутых аналогов наружных связок и подъемника объемной тазовой части, для ее поддержания в равновесии 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 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
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. 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
Эксперименты и наблюдения