Моделирование функции тазобедренного сустава без LCF

 

Моделирование функции тазобедренного сустава без связки головки бедренной кости

Конструкция имеющейся в нашем распоряжении электромеханической модели имела потенциал воспроизведения как нормы, так и патологии связочного аппарата. На новом этапе экспериментальных исследований мы поставили цель изучить взаимодействие связок тазобедренного сустава, articulatio coxae, и мышц при ходьбе в отсутствие связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris.

Наши интраоперационные наблюдения и сведения, почерпнутые в доступной литературе, свидетельствуют, что коксартроз всегда сопровождается патологией связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris. Анализ собственных данных, полученных при клинических обследованиях, показал, что изменение связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, может приводить к дисфункции тазобедренного сустава, articulatio coxae, а также нарушать биомеханику поддержания одноопорных поз и ходьбы (Архипов С.В., 2012, 2013; Архипов С.В. и соавт., 2013). Результаты изучения особенностей поддержания ортостатических поз и особенностей походки лиц страдающих коксартрозом мы сопоставили с результатами опытов на механических моделях. Особое внимание нами обращено на эксперименты, воспроизводящие патологию связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, а именно: удлинение, отсутствие и изменение локализации точек крепления гибкого элемента (см. Эксперименты 1991-2021).

Наши предшественники имитировали функцию тазобедренного сустава, articulatio coxae, на механических моделях без воспроизведения связок, в том числе связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris (Беленький В.Е., 1962; Pauwels F., 1965; Гиммельфарб А.Л., Акбердина Д.Л., 1983). По сути, в означенных экспериментах без аналогов связок изучалась патологическая механика тазобедренного сустава, articulatio coxae, при поддержании одноопорной ортостатической позы.

Функционирование тазобедренного сустава, articulatio coxae, при ходьбе без связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, на механических моделях до сих пор детально не исследована. Известны научные труды, посвященные изучению ходьбе in vivo с использованием механических имплантов. В частности, производилось замещение тазобедренного сустава, articulatio coxae, специально изготовленным эндопротезом с тензодатчиками. Авторами определен наиболее нагруженный сектор головки эндопротеза и профиль биоэлектрической активности средней ягодичной мышцы, musculus gluteus medius, при ходьбе (Krebs D.E. et al., 1998). Следует отметить, что все промышленно изготавливаемые искусственные тазобедренные суставы не имеют аналогов связочного аппарата. Поэтому современное эндопротезирование тазобедренного сустава, articulatio coxae, серийным эндопротезом мы рассматриваем, как пролонгированный эксперимент, воспроизводящий ситуацию, при которой отсутствует связка головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris. Один из эндопротезов тазобедренного сустава, articulatio coxae, применявшийся в клинической практике, явился прообразом наших механических моделей.

Для изучения функционирования тазобедренного сустава, articulatio coxae, при ходьбе при отсутствии связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, нами использована электромеханическая модель. Исходно 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.

Посредством удаления аналога связки головки бедренной кости, имеющаяся электромеханическая модель тазобедренного сустава нами модифицирована. В процессе подготовки к настоящим экспериментам мы отсоединили аналоги мышц от электромеханической модель тазобедренного сустава. Затем нами был отсоединен аналог связки головки бедренной кости от вертлужного элемента модели (Рис. 1).

Рис. 1. Отсоединение аналога связки головки бедренной кости от вертлужного элемента электромеханической модели тазобедренного сустава с объемной тазовой частью (вид сзади); обозначения: lcf – аналог связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris.

Далее, без повреждения аналогов наружных связок на модели мы воспроизвели вывих в тазобедренном суставе, articulatio coxae. В результате вертлужный элемент был снят с головки бедренной части модели (Рис. 2).

Рис. 2. Разобщение вертлужного элемента и головки бедренной части электромеханической модели тазобедренного сустава с объемной тазовой частью, визуализируется проксимальный конец аналога связки головки бедренной кости; обозначения: lcf – аналог связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris.

На следующем этапе проксимальный конец аналога связки головки бедренной кости нами введен внутрь головки бедренной части модели (Рис. 3).

Рис. 3. Разобщение вертлужного элемента и головки бедренной части электромеханической модели тазобедренного сустава с объемной тазовой частью, проксимальный конец аналога связки головки бедренной кости введен внутрь головки бедренной части модели; вверху – общий вид сверху, внизу – укрупненный вид головки бедренной части модели, обильно покрытой смазкой, в верхнем отверстии наблюдается часть утопленного аналога связки головки бедренной кости.

После отсоединения аналога связки головки бедренной кости, вертлужный элемент вновь установлен на головку бедренной части модели. Бедренная часть и объемная тазовая часть модели тазобедренного сустава человека опять соединены аналогом средней ягодичной мышцы и аналогом комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу. В модели сохранены аналоги наружных связок, а именно: аналог седалищно-бедренной связки, аналог лобково-бедренной связки, аналог вертикальной и горизонтальной части подвздошно-бедренной связки. Длина и области крепления аналогов наружных связок не изменялись.

Собранная электромеханическая модель тазобедренного сустава человека с объемной тазовой частью имитировала тазобедренный сустав, articulatio coxae, без связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris. Конструкция воссоздала функциональную и морфологическую ситуацию, свойственную для коксартроза, тазобедренного сустава, articulatio coxae, замещенного стандартным эндопротезом, а также полного повреждения связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris. Модель содержала бедренную часть, объемную тазовую часть с нагрузкой, аналоги наружных связок, аналог средней ягодичной мышцы и аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу.

Используя описанное устройство, мы смоделировали основные периоды одиночного шага человека при отсутствии связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris. В экспериментах нами воспроизводились положения таза, pelvis, и бедра, os femur, в одиночном шаге при ходьбе пациента, страдающего коксартрозом. Данные были получены при обследовании посредством Системы видеоанализа движений с программным обеспечением компании C-Motion. Эти сведения позволили воссоздать близкую к реальности смену положений таза, pelvis, и бедра, os femur, при ходьбе человека с пораженным тазобедренным суставом, articulatio coxae, явно без связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris.

Для определения ориентации таза, pelvis, в горизонтальной и фронтальной плоскости нами использованы изображения виртуальных моделей головок бедренных костей, caput femoris. В соответствие с многоплоскостным поворотом таза, pelvis, закономерно изменялось положение линии, соединяющей центры головки бедренной кости, caput femoris, опорной и переносной ноги. Это позволило воспроизвести позицию таза, pelvis, в горизонтальной и фронтальной плоскости. По нашему мнению, данная методика точнее, чем стандартная, использующая светоотражающие маркеры, закрепленные на коже или костюме. Маркеры, прикрепленные к костюму, неизбежно смещаются относительно кожи. Она, в свою очередь, подвижна относительно подлежащей кости ввиду наличия рыхлой подкожно-жировой клетчатки. Кроме этого, всегда имеется погрешность определения положения костных образований, особенно таза, pelvis, ввиду наличия массива жировой и мышечной ткани. Означенное увеличивает неточность размещения маркеров, а следовательно, и ориентацию виртуальных моделей костей пояса нижних конечностей при ходьбе. 

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 функции LCF 

Моделирование действия веса тела 

Имитация взаимодействия средней ягодичной мышцы и LCF 

Анализ взаимодействия средней ягодичной мышцы и LCF

Моделирование движений в горизонтальной плоскости 

Моделирование супинации 

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 средней ягодичной мышцы и коротких ротаторов бедра 

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

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 девятнадцатой 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 capitis femoris, ligamentum teres, связка головки бедра, отсутствие, дисфункция, ходьба, эксперимент, электромеханическая модель, средняя ягодичная мышца, короткие ротаторы

 СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

Эксперименты и наблюдения

1991-2021АрхиповСВ