Моделирование первого двухопорного периода шага при отсутствии LCF

 

Моделирование первого двухопорного периода шага при отсутствии LCF

Моделирование начала первого двухопорного периода шага при отсутствии связки головки бедренной кости

Для настоящих экспериментов нами собрана электромеханическая модель тазобедренного сустава человека с объемной тазовой частью, которая 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, аналог средней ягодичной мышцы и аналог комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, а также аналоги наружных связок: аналог седалищно-бедренной связки, аналог лобково-бедренной связки, аналог вертикальной и горизонтальной части подвздошно-бедренной связки. С целью моделирования действия веса тела к крайнему отверстию грузового кронштейна объемной тазовой части прикреплялась нагрузка массой 1 кг. В соответствующих случаях для стабилизации объемной тазовой части модели использован подъемник, снабженный колесами.

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. Исходные 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, предоставляемые в отчете Системы видеоанализа движений. В соответствие с многоплоскостным поворотом таза, pelvis, закономерно изменялось положение линии, соединяющей центры головки бедренной кости, caput femoris, опорной и переносной ноги. По нашему мнению, использование означенного ориентира позволило точнее воспроизвести позицию таза, pelvis, в горизонтальной и фронтальной плоскости.

На данном этапе экспериментальных исследований нами воспроизведено начало двухопорного периода шага, а именно момент переднего толчка. Для стабилизации объемной тазовой части модели применен подъемник, снабженный колесами. Наконечник его вертикального стержня упирался снизу в опорный кронштейн объемной тазовой части модели, что ограничивало ее отклонение во фронтальной и сагиттальной плоскости. При этом участия аналогов мышц в стабилизации объемной тазовой части модели не требовалось.

По нашим наблюдениям, в начале двухопорного периода шага таз, pelvis, имеет горизонтальное положение во фронтальной плоскости. В связи с этим высота подъемника отрегулирована так, что изображения крыльев подвздошных костей, ala ossis ilii, тазового элемента модели находились на одном уровне (Рис. 1).

Рис. 1. Моделирование начала двухопорного периода шага на электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, с аналогами мышц и наружных связок, но без аналога связки головки бедренной кости; вверху – вид спереди, внизу – вид сзади.

Для периода переднего толчка характерно сгибание в тазобедренном суставе, articulatio coxae, передней ноги с наклоном длинной оси бедренной кости, os femur, в сагиттальной плоскости назад. Далее за счет поступательного движения тела вперед величина сгибания в указанном тазобедренном суставе, articulatio coxae, динамично уменьшается. С целью воспроизведения указанной позиции бедренная часть модели отклонялась назад на 15° в сагиттальной плоскости. Избранное положение фиксировалось карданным шарниром. В тазобедренном суставе, articulatio coxae, позади расположенной ноги наблюдается разгибание. При этом натягиваются его наружные связки, что препятствует опрокидыванию таза, pelvis, назад и стабилизирует его разворот в означенном направлении в сагиттальной плоскости.

Объемная тазовая часть модели была нами повернута назад в горизонтальной плоскости. В сагиттальной плоскости она спонтанно отклонялась назад под влиянием тяжести прикрепленной нагрузки (Рис. 2).

Рис. 2. Моделирование начала двухопорного периода шага на электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, с аналогами мышц и наружных связок, но без аналога связки головки бедренной кости; вверху – вид сверху, внизу – вид с латеральной стороны.

Как уже выше отмечено, стабилизацию объемной тазовой части модели обеспечивал подъемник, снабженный колесами. Он располагался позади основания модели на стороне, противоположной шарниру.

Длинная ось вертлужного элемента объемной тазовой части модели была повернута назад, вверх и в медиальную сторону. В шарнире модели присутствовало сгибание, супинация, а также среднее положение между отведением и приведением. Динамометры аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и аналога средней ягодичной мышцы не регистрировали усилия. Натяжение аналога седалищно-бедренной связки и обеих частей аналога подвздошно-бедренной связки отсутствовало, что отмечалось по их плавному изгибу без прижатия к элементам бедренной части модели. В противоположность им аналог лобково-бедренной связки оказался натянут. Разобщения сферической головки шарнира и ответной сферической поверхности вертлужного элемента модели не наблюдалось. Поверхности пары трения шарнира плотно смыкались между собой (Рис. 3).

a

b

c

d
Рис. 3. Аналоги связок и динамометры электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью (моделирование начала двухопорного периода шага при отсутствии аналога связки головки бедренной кости); 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.

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, которое ограничивалось натянутым аналогом лобково-бедренной связки. Кроме этого, стабилизация объемной тазовой части модели обеспечивалась подъемником объемной тазовой части, который выполнял роль контралатеральной позади расположенной нижней конечности. Он препятствовал отклонению объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости и назад в сагиттальной плоскости. Роль впереди расположенной опорной нижней конечности исполняла бедренная часть модели. Аналоги мышц не участвовали в стабилизации объемной тазовой части модели. Для поддержания ее в покое не требовалось внешнего вмешательства.

Отмечено, что в отсутствие аналога связки головки бедренной кости объемная тазовая часть модели была менее стабильна, особенно в сагиттальной плоскости. Действие нагрузки, воспроизводящей общий центр масс тела, расположенный позади от тазобедренных суставов, articulatio coxae, приводил к избыточному отклонению назад объемной тазовой части модели.

Моделирование завершения первого двухопорного периода шага при отсутствии связки головки бедренной кости

В предыдущем эксперименте по изучению двухопорного периода шага тазовая часть модели стабилизировалась с наклоном назад в сагиттальной плоскости. Как нами выяснено, у пациентов, страдающих коксартрозом, таз, pelvis, наклонен вперед. Это в сочетании с наклоном всего корпуса тела вперед помогает перемещать в указанном направлении общий центр масс. Наклон тела и таза, pelvis, вперед при ходьбе у лиц с коксартрозом, отмечался нами визуально и при изучении походки посредством Системы видеоанализа движений.

В связи с указанным в настоящем эксперименте мы воспроизвели наклон таза, pelvis, вперед в сагиттальной плоскости. Одновременно произошло смещение вперед и общего центра масс. Тем самым нами смоделировано завершение первого двухопорного периода шага.

Вышеозначенное произведено путем наклона объемной тазовой части модели вперед в сагиттальной плоскости. Для стабилизации системы вновь использован подъемник объемной тазовой части, снабженный колесами (Рис. 4).

Рис. 4. Моделирование завершения двухопорного периода шага на электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, с аналогами мышц и наружных связок, но без аналога связки головки бедренной кости; вверху – вид спереди, внизу – вид сзади.

Подъемник несколько перемещен вперед и установлен на основание модели, но позади объемной тазовой части, на стороне, противоположной шарниру. Наконечник его вертикального стержня упирался снизу в опорный кронштейн объемной тазовой части модели и препятствовал ее дальнейшему отклонению во фронтальной и сагиттальной плоскости. Нами выяснено, что в завершении двухопорного периода шага таз, pelvis, расположен горизонтально во фронтальной плоскости. В связи с этим высота подъемника отрегулирована так, что изображения крыльев подвздошных костей, ala ossis ilii, тазового элемента модели находились на одном уровне.

Для завершения двухопорного периода шага также характерно сгибание в тазобедренном суставе, caput femoris, передней ноги при наклоне длинной оси бедренной кости, os femur, в сагиттальной плоскости назад. В связи с указанным сохранено отклонение бедренной часть модели назад в сагиттальной плоскости на 15°. Объемная тазовая часть модели была повернута назад в горизонтальной плоскости, а в сагиттальной плоскости мы ей придали наклон вперед (Рис. 5).

Рис. 5. Моделирование завершения двухопорного периода шага на электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, с аналогами мышц и наружных связок, но без аналога связки головки бедренной кости; вверху – вид сверху, внизу – вид с латеральной стороны.

Позиция объемной тазовой части модели в сагиттальной оказалась устойчива. Тенденции к опрокидыванию как вперед, так и назад не отмечено. Длинная ось вертлужного элемента объемной тазовой части модели была повернута назад, вверх и в медиальную сторону. В шарнире модели присутствовало сгибание, супинация, среднее положение между отведением и приведением. Участия аналогов мышц в стабилизации объемной тазовой части модели не требовалось. В связи с указанным динамометры аналога комплекса коротких мышц, вращающих бедро наружу, и аналога средней ягодичной мышцы не регистрировали усилия. Отмечено натяжение аналога седалищно-бедренной связки и горизонтальной части аналога подвздошно-бедренной связки. В противоположность им аналог лобково-бедренной связки и вертикальная часть аналога подвздошно-бедренной связки были не натянуты. Означенное подтверждалось их плавным изгибом без прижатия к элементам бедренной части модели (Рис. 6).

a

b

c

d
Рис. 6. Аналоги связок и динамометры электромеханической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью (моделирование завершения двухопорного периода шага при отсутствии аналога связки головки бедренной кости); 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.

Разобщения сферической головки шарнира и ответной сферической поверхности вертлужного элемента модели не наблюдалось. Поверхности пары трения шарнира плотно смыкались между собой.

Общий центр масс системы располагался впереди от линии, соединяющей центр головки бедренной части модели и точку опоры противоположной части объемной тазовой части модели на подъемник. В связи с этим объемная тазовая часть модели имела тенденцию к наклону вперед в сагиттальной плоскости. Его ограничивало натяжение аналога седалищно-бедренной связки и горизонтальной части аналога подвздошно-бедренной связки. Означенные аналоги связок явно участвовали и в стабилизации объемной тазовой части модели во фронтальной плоскости. В обеспечении устойчивого равновесия объемной тазовой части модели во фронтальной плоскости важнейшую роль играл подъемник. Он имитировал контралатеральную позади расположенную опорную нижнюю конечность и препятствовал дальнейшему отклонению объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону. Впереди расположенную опорную нижнюю конечность воспроизводила бедренная часть модели.

Соответственно, поддержание модели в положении покоя обеспечивалось подъемником, а также натянутым аналогом седалищно-бедренной связки и горизонтальной частью аналога подвздошно-бедренной связки. При этом для стабилизации объемной тазовой части не требовалось дополнительного внешнего усилия. В отсутствие аналога связки головки бедренной кости при наклоне вперед объемной тазовой части модели обрела устойчивость в сагиттальной плоскости. Нагрузка, воспроизводящая общий центр масс тела, расположенный впереди от тазобедренных суставов, articulatio coxae, натягивала аналог седалищно-бедренной связки и аналог горизонтальной части подвздошно-бедренной связки. Указанное элементы стабилизировали объемную тазовую часть модели. С нашей точки зрения, описанный механизм интуитивно используется отдельными пациентами с патологией связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, например, при удлинении, полном повреждении, дислокации областей крепления. Подобное нами наблюдалось и у лиц, страдающих коксартрозом, у которых связка головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, всегда изменена и не функционирует должным образом. 

Смотри также:

а) Базовые эксперименты на электромеханической модели 

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 

б) Электромеханическая модель без LCF 

Моделирование функции тазобедренного сустава без LCF

                                                                     

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