Моделирование напряженной одноопорной ортостатической позы

 

Моделирование напряженной одноопорной ортостатической позы

Введение

Одноопорные ортостатические позы принято подразделять на «сильный» и «слабый» тип стойки (Беленький В.Е., 1962). С нашей точки зрения их более уместно называть соответственно «напряженная» и «ненапряженная» одноопорная ортостатическая поза. Для напряженной одноопорной ортостатической позы характерна горизонтальная позиция таза, pelvis. В ненапряженной одноопорной ортостатической позе наблюдается меньшее напряжение мышц опорной ноги и наклон таза, pelvis, в неопорную сторону (Arkhipov S.V., 2008) (Рис. 1).

Рис. 1. Основные типы одноопорной ортостатической позы; слева – ненапряженная, справа – напряженная.

В одноопорной ортостатической позе опорная нога, как правило, выпрямлена. Она разогнута и приведена в тазобедренном суставе, articulatio coxae, а также разогнута в коленном суставе, articulatio genum. Вторая нога – неопорная. Она согнута в коленном суставе, articulatio genum, а также согнута, повернута наружу и отведена в тазобедренном суставе, articulatio coxae.

Данные типы вертикальной позы характеризуются наибольшей устойчивостью и комфортностью по сравнению с иными экзотическими одноопорными ортостатическими положениями. Вместе с тем для поддержания напряженной одноопорной ортостатической позы требуется заметно больше мышечное усилие опорной ноги. В ненапряженной одноопорной ортостатической позе отмечается меньшее напряжение мышц опорной ноги, но большее натяжение связок, прежде всего тазобедренного сустава, articulatio coxae. По нашему мнению, это происходит в связи со стопорением тазобедренного сустава, articulatio coxae, и коленного сустава, articulatio genum, ног посредством натянутых связок.

Согласно существующим представлениям о биомеханике тазобедренного сустава, articulatio coxae, считается, что поддержание ортостатических поз во фронтальной плоскости обеспечивается только мышцами (Беленький В.Е., 1962; Pauwels F., 1965; Янсон Х.А., 1975; Bombelli R., 1993; Шаповалов В.М. и соавт., 1998). При этом связка головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, не упоминается как функциональная связь тазобедренного сустава, articulatio coxae. Сила ее реакции не учитывается при расчетах нагрузки на головку бедренной кости, ligamentum capitis femoris.

Моделирование напряженной одноопорной ортостатической позы с натяжением связок

На данном этапе экспериментальных исследований предпринято изучение взаимодействия связок и мышц тазобедренного сустава, articulatio coxae, при поддержании напряженное одноопорной ортостатической позы. Для постановки опытов нами использована модифицированная механическая модель. Конструкция 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. Точка расположения 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, выполненные из металлического троса. 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 имитировал 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.  

Бедренная часть модели устанавливалась вертикально в сагиттальной плоскости в отсутствие поворота в горизонтальной плоскости, но с наклоном в латеральном направлении во фронтальной плоскости на 10°. Изначально для стабилизации объемной тазовой части модели со стороны, противоположной бедренной части модели использован специальный подъемник, снабженный колесами. Наконечник его вертикального стержня упирался снизу в опорный кронштейн объемной тазовой части модели. Указанное устройство препятствовало отклонению объемной тазовой части модели во фронтальной и сагиттальной плоскости. Подъемник объемной тазовой части модели являлся аналогом контралатеральной нижней конечности. Данное положение, воспроизводящее симметричную двухопорную ортостатическую позу, нами изучено и описано ранее.

Вначале настоящего эксперимента подъемник объемной тазовой части удалялся. Без подъемника объемная тазовая часть модели стремилась наклониться вниз в медиальную сторону и назад в сагиттальной плоскости. При этом мы не препятствовали реализации тенденции к отклонению объемной тазовой части модели назад в сагиттальной плоскости. Для имитации горизонтального положения таза, pelvis, мы откорректировали длину аналога средней ягодичной мышцы так, чтобы изображения крыльев подвздошных костей, ala ossis ilii, тазового элемента находились приблизительно на одной высоте (Рис. 2).

Рис. 2. Моделирование напряженной одноопорной ортостатической позы с натяжением связок на модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью с аналогами связок и мышц; вверху – вид спереди, внизу – вид сзади.

В сагиттальной плоскости тазовый элемент объемной тазовой части модели имел приблизительно вертикальное положение с незначительным наклоном назад. В горизонтальной плоскости тазовый элемент объемной тазовой части модели располагался без поворота вперед или назад относительно бедренной части модели (Рис. 3).

Рис. 3. Моделирование напряженной одноопорной ортостатической позы с натяжением связок 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. В шарнире модели присутствовало умеренное разгибание, среднее положение между пронацией и супинацией, а также среднее положение между приведением и отведением.

Для удержания описанного положения объемной тазовой части требовалось только усилие аналога средней ягодичной мышцы. Его динамометр зарегистрировал усилие 1.9 кг. При этом динамометры других аналогов мышц не регистрировали усилия (Рис. 4).

a

b

c

d
Рис. 4. Динамометры аналогов мышц модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью (моделирование напряженной одноопорной ортостатической позы с натяжением связок); 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.

После удаления подъемника появлялось усилие, которое стремилось повернуть объемную тазовую часть модели вниз, в медиальную сторону во фронтальной плоскости. Именно этому усилию противодействовал аналог средней ягодичной мышцы.

После стабилизации объемной тазовой части модели проанализирована ориентация аналогов связок и степень их натяжения (Рис. 5).

a

b

c

d
Рис. 5. Аналоги связок модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека (моделирование симметричной двухопорной ортостатической позы с натяжением связок); 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.

Визуально отмечено натяжение только аналога лобково-бедренной связки. Прочие аналоги наружных связок оказались не натянуты. Это подтверждалось их плавными изгибами без прижатия к элементам бедренной части модели. Натянутый аналог лобково-бедренной связки участвовал в ограничении отклонения назад в сагиттальной плоскости объемной тазовой 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 ограничено 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 лобково-бедренной связки происходило по причине расположения общего центра масс системы позади от центра вращения шарнира. Означенное обусловливало тенденцию к отклонению объемной тазовой части модели назад в сагиттальной плоскости. Вторым фактором, приведшим к натяжению аналога лобково-бедренной связки, явилась горизонтальная позиция объемной тазовой части модели. Натянутый аналог лобково-бедренной связки стабилизировал объемную тазовую часть модели в сагиттальной плоскости посредством стопорения шарнира модели в этой плоскости, что ограничивало разгибание.

Отсутствие значимого отклонения объемной тазовой части модели в сагиттальной плоскости вперед и назад, а также стопорение шарнира исключало нагрузку на аналог прямой мышцы бедра и аналог комплекса задней группы мышц бедра. Наклону объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону препятствовало усилие аналога средней ягодичной мышцы. Он стопорил шарнир модели во фронтальной плоскости. В стабилизации объемной тазовой части модели в горизонтальной плоскости участвовал натянутый аналог лобково-бедренной связки и аналог средней ягодичной мышцы. Указанное исключало нагрузку на комплекс коротких мышц, вращающих бедро наружу. Кроме силы реакции натянутого аналога лобково-бедренной связки и аналога средней ягодичной мышцы, для поддержания модели в положении покоя не требовалось дополнительного внешнего усилия.

При моделировании описанной напряженной одноопорной ортостатической позы шарнир модели стопорился одновременно во всех трех плоскостях: аналогом лобково-бедренной связки и аналогом средней ягодичной мышцы. Отсутствие значимых отклонений объемной тазовой части модели в сагиттальной плоскости и горизонтальной плоскости обеспечивалось стопорением шарнира аналогом лобково-бедренной связки и исключало нагрузку на аналог прямой мышцы бедра, аналог комплекса задней группы мышц бедра и аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу.

Экспериментальные данные свидетельствуют, что в напряженной одноопорной ортостатической позе, стабилизация таза, pelvis, с горизонтальным расположением во фронтальной плоскости может быть достигнута натяжением лобково-бедренной связки, ligamentum pubofemorale, и напряжением средней ягодичной мышцы, musculus gluteus medius. Прочие связки в данной позе не натянуты, а иные мышцы тазобедренного сустава, articulatio coxae, могут быть расслаблены, эпизодически напрягаясь для контроля баланса тела.

Моделирование напряженной одноопорной ортостатической позы без натяжения связок

Далее на модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, с аналогами связок и аналогами мышц воспроизведен вариант напряженной одноопорной ортостатической позы, при которой таз, pelvis, стабилизируется только мышцами без участия связок тазобедренного сустава, articulatio coxae.

Бедренная часть модели находилась в прежней позиции, будучи установленной вертикально в сагиттальной плоскости при отсутствии поворота в горизонтальной плоскости, но с наклоном в латеральном направлении во фронтальной плоскости на 10°. Вначале для стабилизации объемной тазовой части модели со стороны, противоположной бедренной части модели использован специальный подъемник, снабженный колесами. Наконечник его вертикального стержня упирался снизу в опорный кронштейн объемной тазовой части модели. Указанное устройство препятствовало отклонению объемной тазовой части модели во фронтальной и сагиттальной плоскости. Подъемник объемной тазовой части модели являлся аналогом контралатеральной нижней конечности. Данное положение, воспроизводящее симметричную двухопорную ортостатическую позу, нами изучено и описано ранее.

Начиная обсуждаемый эксперимент, мы удаляли подъемник объемной тазовой части модели. Без подъемника объемная тазовая часть модели стремилась наклониться вниз в медиальную сторону и назад в сагиттальной плоскости. В данном случае мы воспрепятствовали реализации тенденции к отклонению объемной тазовой части модели назад в сагиттальной плоскости посредством укорочения аналога прямой мышцы бедра. Длина аналога средней ягодичной мышцы откорректирована таким образом, чтобы изображения крыльев подвздошных костей, ala ossis ilii, тазового элемента находились приблизительно на одной высоте. В результате нам смоделирован вариант напряженной одноопорной ортостатической позы со стабилизацией таза, pelvis, только мышцами без участия связок (Рис. 6).

Рис. 6. Моделирование напряженной одноопорной ортостатической позы без натяжения связок на модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью с аналогами связок и мышц; вверху – вид спереди, внизу – вид сзади.

В сагиттальной плоскости тазовый элемент объемной тазовой части модели имел приблизительно вертикальное положение с незначительным наклоном вперед. В горизонтальной плоскости тазовый элемент объемной тазовой части модели располагался без поворота вперед или назад относительно бедренной части модели (Рис. 7).

Рис. 7. Моделирование напряженной одноопорной ортостатической позы без натяжения связок 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. В шарнире модели присутствовало умеренное сгибание, среднее положение между пронацией и супинацией, а также среднее положение между приведением и отведением.

Для удержания вышеозначенного положения объемной тазовой части потребовалось усилие аналога средней ягодичной мышцы и аналога прямой мышцы бедра (Рис. 8).

a

b

c

d
Рис. 8. Динамометры аналогов мышц модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью (моделирование напряженной одноопорной ортостатической позы без натяжения связок); 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.

Динамометр аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и динамометр аналога задней группы мышц не регистрировали усилия. Динамометр аналога средней ягодичной мышцы зафиксировал усилие 1.6 кг, а динамометр аналога прямой мышцы бедра – 1.5 кг. В сагиттальной плоскости объемная тазовая часть модели удерживалась прежде всего аналогом прямой мышцы бедра и в меньшей степени аналогом средней ягодичной мышцы. Во фронтальной плоскости объемная тазовая часть модели удерживалась прежде всего аналогом средней ягодичной мышцы и в меньшей степени аналогом прямой мышцы бедра.

После стабилизации объемной тазовой части модели проанализирована ориентация аналогов связок и степень их натяжения (Рис. 9).

a

b

c

d
Рис. 9. Аналоги связок модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека (моделирование симметричной двухопорной ортостатической позы без натяжения связок); 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.

Аналоги наружных связок были 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 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.

Аналог средней ягодичной мышцы стопорил шарнир модели во фронтальной плоскости и препятствовал наклону объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону. Аналог прямой мышцы бедра стопорил шарнир модели в сагиттальной плоскости и препятствовал отклонению объемной тазовой части модели назад и вниз. В горизонтальной плоскости объемная тазовая часть модели удерживалась аналогом средней ягодичной мышцы и аналогом прямой мышцы бедра. Аналоги связок не участвовали в стабилизации объемной тазовой части. Кроме усилия аналога прямой мышцы бедра и аналога средней ягодичной мышцы, для поддержания модели в положении покоя не требовалось дополнительного внешнего усилия.

При моделировании описанной напряженной одноопорной ортостатической позы нам удалось застопорить шарнир модели в трех плоскостях: аналогом прямой мышцы бедра и аналогом средней ягодичной мышцы. Умеренный наклон объемной тазовой части модели вперед позволил избежать натяжения аналогов наружных связок, прежде всего аналога лобково-бедренной связки.

Полученные в эксперименте данные свидетельствуют, что в напряженной одноопорной ортостатической позе стабилизация таза, pelvis, с горизонтальным расположением во фронтальной плоскости может быть достигнута напряжением средней ягодичной мышцы, musculus gluteus medius, и прямой мышцы бедра, musculus rectus femoris. Связки в данной позе могут быть не натянуты, а иные мышцы тазобедренного сустава, articulatio coxae, расслаблены, эпизодически напрягаясь для контроля баланса 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 

Моделирование разгибания и сгибания в тазобедренном суставе  

Исходное положение при моделировании ортостатических поз   

Моделирование симметричной двухопорной ортостатической позы

                                                                     

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

 СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

Эксперименты и наблюдения

1991-2021АрхиповСВ