Моделирование начала
двухопорного периода шага при коксартрозе
[1]. Введение
[2]. Моделирование начала второго двухопорного
периода шага при коксартрозе
[1]. Введение
В настоящей серии экспериментов предпринято
изучение взаимодействия связок и мышц тазобедренного сустава, articulatio
coxae, в начале двухопорного периода шага при коксартрозе. 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 воспроизводила функцию трех основных групп мышц тазобедренного сустава, articulatio
coxae. С латеральной стороны от шарнира модели располагался аналог средней ягодичной мышцы,
который имитировал 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. 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. Ввиду локализации нагрузки позади центра вращения
шарнира и тенденции к спонтанному отклонению объемной тазовой части назад в
сагиттальной плоскости, мы отказались от моделирования комплекса задней группы мышц бедра,
который включает полусухожильную мышцу, musculus
semitendinosus, полуперепончатую мышцу, musculus
semimembranosus, и длинную головку, caput longum, двуглавой мышцы бедра, musculus biceps
femoris.
Модель также содержала аналоги
наружных связок: аналог вертикальной и горизонтальной части
подвздошно-бедренной связки, аналог седалищно-бедренной связки и аналог
лобково-бедренной связки, выполненные из металлического троса.
На собранной
нами модели аналог прямой мышцы бедра препятствовал наклону объемной
тазовой части назад в сагиттальной плоскости, что соответствовало разгибанию в
шарнире модели. Аналог коротких мышц, вращающих бедро наружу, ограничивал поворот
объемной тазовой части модели вперед в горизонтальной плоскости. Аналог средней
ягодичной мышцы ограничивал наклон объемной тазовой части модели вниз в медиальную
сторону во фронтальной плоскости. В сагиттальной плоскости отклонению объемной
тазовой части модели назад также препятствовали аналоги наружных связок. В
зависимости от угла поворота объемной тазовой части модели в горизонтальной и
фронтальной плоскости, аналоги наружных связок по-разному ограничивали воспроизводимые
движения, функционируя в содружестве с аналогами мышц.
Основную опорную конечность
имитировала бедренная часть модели. В качестве контралатеральной опорной ноги использован
подъемник, снабженный колесами.
Верхняя часть его вертикального стержня упиралась снизу в опорный кронштейн объемной тазовой части модели,
что препятствовало отклонению во фронтальной и сагиттальной плоскости. Соответственно,
при воспроизведении двухопорной позиции объемная тазовая часть модели опиралась
на бедренную часть модели и подъемник.
Таким образом, для уточнения
особенностей взаимодействия мышц и связок тазобедренного сустава, articulatio coxae, при коксартрозе мы использовали модифицированную модель,
которая содержала: бедренную часть и нагруженную объемную тазовую часть, соединенных аналогами
наружных связок, аналогом прямой мышцы бедра, аналогом средней ягодичной мышцы и аналогом коротких мышц, вращающих
бедро наружу. Модель не имела аналога связки головки бедренной кости и аналога комплекса задней
группы мышц бедра.
В излагаемых далее эксперимента воспроизводились
положения таза, pelvis, и бедра, os femur, в одиночном шаге при
ходьбе пациентов с коксартрозом. Исходные параметры взаимоотношения сегментов
тела зарегистрированы оборудованием компании Qualisys, проанализированы
программным обеспечением компании C-Motion.
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, 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.
[2]. Моделирование начала второго двухопорного периода шага при
коксартрозе
Далее, после моделирования
завершения одноопорного периода шага на модифицированной механической модели
тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью, мы воспроизвели начало
второго двухопорного периода шага, а
именно момента переднего толчка второго одиночного шага.
Для
стабилизации объемной тазовой части модели использован подъемник объемной тазовой части, снабженный колесами. Подъемник
располагался на плоскости основания впереди бедренной части модели на противоположенной
стороне. Наконечник его вертикального стержня упирался снизу в опорный кронштейн
объемной
тазовой части модели и препятствовал ее отклонению во фронтальной плоскости. Подъемник объемной тазовой части и бедренная часть модели
воспроизводили две опорные нижние конечности, которые находятся одна впереди, а
другая позади.
Для начала
двухопорного периода шага, фазы переднего толчка характерно разгибание в
тазобедренном суставе, articulatio
coxae, позади
расположенной ноги при наклоне длинной оси бедренной кости, os
femur, в
сагиттальной плоскости вперед. С целью воспроизведения этого положения
бедренная часть модели наклонена вперед на 15° в сагиттальной плоскости и в латеральную сторону во фронтальной плоскости на 10°.
Головка бедренной части модели была обращена строго в медиальную сторону без
поворота вокруг вертикальной оси.
В начале двухопорного периода
шага таз, pelvis, принимает горизонтальное положение и наклонен вперед в
сагиттальной плоскости. В связи с этим высота подъемника отрегулирована так, что
изображения крыльев подвздошных костей, ala
ossis
ilii, тазового элемента модели находились приблизительно на
одном уровне во фронтальной плоскости (Рис. 1).
 |
| Рис. 1. Моделирование начала второго двухопорного периода шага, а именно переднего толчка на модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью с аналогами мышц и связок, без аналога связки головки бедренной кости; вверху – вид спереди, внизу – вид сзади. |
В сагиттальной плоскости объемная
тазовая часть модели стремилась отклониться назад. Для достижения устойчивого
положения мы ее повернули максимально вперед в сагиттальной плоскости на 30°. В
горизонтальной плоскости объемную тазовую часть модели удалось развернуть
вперед на угол 5° и зафиксировать подъемником (Рис. 2).
 |
| Рис. 2. Моделирование начала второго двухопорного периода шага, а именно переднего толчка на модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека с нагруженной объемной тазовой частью с аналогами мышц и связок, без аналога связки головки бедренной кости; вверху – вид сверху, внизу – вид с латеральной стороны. |
Положение,
приданое объемной тазовой части модели, имело достаточную устойчивость. Тенденции
к ее спонтанному отклонению назад в сагиттальной плоскости и в медиальную
сторону во фронтальной плоскости не отмечено. Длинная ось вертлужного элемента
объемной тазовой части модели была направлена вперед, вверх и в медиальную
сторону. В шарнире модели присутствовало разгибание,
пронация, а также среднее положение между отведением и приведением.
Описанное
положение объемной тазовой части модели во фронтальной, сагиттальной и
горизонтальной плоскости было достаточно устойчивым. При таком положении
длинная ось вертлужного элемента объемной тазовой части модели была повернута
вперед, вверх и в медиальную сторону. В
шарнире модели присутствовало сгибание, пронация, среднее положение между
отведением и приведением.
Динамометры аналога комплекса коротких мышц, вращающих
бедро наружу, аналога прямой мышцы бедра и аналога средней
ягодичной мышцы не регистрировали усилия
(Рис. 3).
 |
| a |
 |
| b |
 |
| c |
 |
| d |
 |
| e Рис. 3. Динамометры и аналоги связок модифицированной механической модели тазобедренного сустава человека без связки головки бедренной кости (начала второго двухопорного периода шага); a – вид спереди, b – вид сзади, c – вид латеральной стороны, d – вид сверху, e – динамометр аналога прямой мышцы бедра; 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. |
Для
удержания объемной тазовой части модели в описанной позиции усилий аналогов
мышц не требовалось.
После
стабилизации объемной тазовой части модели проанализирована
ориентация аналогов связок и степень их натяжения. Отмечено натяжение аналога
седалищно-бедренной связки. Она участвовала в ограничении наклона объемной
тазовой части модели вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости, назад
в сагиттальной плоскости и препятствовала повороту вперед в горизонтальной
плоскости. С ее натяжением связывается отсутствие показаний динамометра аналога
прямой
мышцы бедра и аналога средней ягодичной мышцы. Прочие
аналоги наружных связок остались не натянуты. Это отмечалось по их плавному изгибу и без прижатия к бедренной
части модели. 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.
Этому противодействовал натянутый аналог седалищно-бедренной связки и стопорил шарнир
модели в означенной плоскости. Кроме этого, стабилизация объемной тазовой части
модели в сагиттальной плоскости дополнительно обеспечивалась подъемником объемной тазовой части. Он выполнял роль
контралатеральной впереди расположенной нижней конечности. Подъемник также препятствовал
отклонению объемной тазовой части модели вниз в медиальную сторону во
фронтальной плоскости и повороту вперед в горизонтальной плоскости. Роль позади
расположенной опорной нижней конечности выполняла бедренная часть модели. Соответственно,
поддержание
модели в положении покоя обеспечивалось силой
реакции аналога седалищно-бедренной связки и подъемником. Дополнительного внешнего воздействия
для стабилизации системы не требовалось.
Таким образом, при отсутствии в опорном тазобедренном суставе, articulatio coxae, связки головки бедренной кости, ligamentum capitis femoris, в начале двухопорного периода шага, а именно в момент переднего толчка, для стабилизации таза, pelvis, необходимо и достаточно только натяжения седалищно-бедренной связки, ligamentum ischiofemorale, без участия иных связок, а также напряжения мышц. Наклон таза, pelvis, вперед может быть компенсирован гиперлордозом в поясничном отделе позвоночника.
Смотри также:
а) Базовые эксперименты на электромеханической модели
Бедренная часть комбинированной модели тазобедренного сустава
Элементы электромеханической модели тазобедренного сустава человека
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
Моделирование напряженной одноопорной ортостатической позы
Переход от симметричной двухопорной к ненапряженной одноопорной ортостатической позе
Моделирование асимметричной двухопорной ортостатической позы
Моделирование первого двухопорного периода шага
Моделирование одноопорного периода шага
Моделирование второго двухопорного периода шага
Моделирование двухопорных поз при коксартрозе
Моделирование одноопорной ортостатической позы при коксартрозе с горизонтальным положением таза
Моделирование одноопорной ортостатической позы при коксартрозе с негоризонтальным положением таза
Моделирование завершения двухопорного периода шага при коксартрозе
Моделирование одноопорного периода шага при коксартрозе
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. 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, мышцы, эксперимент, механическая модель, коксартроз, поза
Эксперименты и наблюдения