2023АрхиповСВ. 4.2 Биомеханика с учетом связки головки бедренной кости

 

Монография: Архипов СВ. Связка головки бедренной кости: функция и роль в патогенезе коксартроза (2023).

---

4.2 Биомеханика тазобедренного сустава с учетом функции связки головки бедренной кости

С учетом выявленной роли ligamentum capitis femoris предложены коррективы в существующие представления о биомеханике ортостатических поз, ходьбы и расчеты усилий, возникающих в области тазобедренного сустава. Условие равновесия таза в напряженной одноопорной ортостатической позе и начале одноопорного периода шага изображено на рисунке 14. Используя средние данные о размерах элементов таза и тазобедренного сустава, а также соотношение плеч действующих сил, мы получаем возможность произвести расчет усилий в области тазобедренного сустава.

Масса нижней конечности составляет в среднем 18,1% [62] или 12,670 кг при общей массе тела 70 кг. Значит, масса тела, расположенная выше опорной головки бедренной кости, в одноопорной ортостатической позе равна 57,330 кг. При ускорении свободного падения 9,815 м/с², по формуле (1), действующий вес тела – 562,693 Н. Плечо веса тела равно половине расстояния между центрами тазобедренных суставов, таблица 15, и по нашим данным, в среднем составляет 0,105 м. При соотношении плеча средней ягодичной мышцы и плеча веса тела 1:2,40, таблица 16, плечо средней ягодичной мышцы оказывается равно 0,044 м. С учетом ведущей роли средней ягодичной мышцы в поддержании одноопорной ортостатической позы принято, что ее плечо равно плечу отводящей группы мышц. Тогда по формуле (3) получаем величину усилия отводящей группы мышц тазобедренного сустава, необходимого для поддержания таза в равновесии в напряженной одноопорной ортостатической позе и начале одноопорного периода шага 1342,790 Н или 136,809 кг, что в 2,38 раза превышает действующий вес тела. Полученное значительное усилие отводящей группы мышц необходимо для поддержания таза в равновесии во фронтальной плоскости.

По формуле (4) результирующая сила, действующая на верхний сектор головки бедренной кости в напряженной одноопорной ортостатической позе и начале одноопорного периода шага, равна 1905,483 Н или 194,139 кг, что в 3,38 раза больше веса тела. Если принять, что диаметр головки бедренной кости в среднем составляет 55,6 мм, таблица 15, площадь верхнего ее сектора по формуле (13) будет составлять 0,00485 м². Расчетное давление на верхний сектор головки бедренной кости по формуле (14) достигает 392,883 кПа. Нивелирование повышенной нагрузки на головку бедренной кости в норме достигается тем, что напряженная одноопорная ортостатическая поза поддерживается эпизодически, а продолжительность одноопорного периода шага с повышенным напряжением отводящей группы мышц составляет менее 10% от продолжительности целого шага.

Условие равновесия таза в ненапряженной одноопорной ортостатической позе и середине одноопорного периода шага изображено на рисунке 15. Для данного случая действующий вес тела его плечо и плечо отводящей группы мышц, как и для напряженной одноопорной ортостатической позы, составляет соответственно: 562,693 Н, 0,105 м и 0,044 м. Согласно данным таблицы 16, соотношение плеча веса тела и плеча силы реакции ligamentum capitis femoris 1:0,35. Значит, длина ее плеча составляет в нашем случае 0,037 м. При снижении усилия отводящей группы мышц на 50% в ненапряженной одноопорной ортостатической позе и одноопорном периоде шага до 671,395 Н, часть нагрузки будет шунтироваться натяжением ligamentum capitis femoris.

Используя формулу (6), получаем величину вертикальной составляющей силы реакции ligamentum capitis femoris – 798,405 Н. Эта величина соответствует нагрузке на ligamentum capitis femoris, эквивалентной 81,345 кг, что меньше ее прочности на разрыв, которая по нашим расчетам в норме колеблется в пределах 143,0-640,8 кг. По формуле (7) получаем величину результирующей силы, действующей на головку бедренной кости в ненапряженной одноопорной ортостатической позе и середине одноопорного периода шага 435,683 Н или 44,389 кг. Она обусловлена тем, что часть нагрузки шунтируется ligamentum capitis femoris. В рассматриваемом случае нагрузка воздействует на весь медиальный сектор головки бедренной кости в соответствии с рисунком 15. Его площадь по формуле (13) будет равна 0,00485 м², а давление по формуле (14) составит 89,831 кПа.

Максимальная нагрузка на шаровую пяту приходится на часть, где располагается пятно контакта [60]. В ненапряженной одноопорной ортостатической позе и одноопорном периоде шага пятно контакта на головке бедренной кости имеет вид поверхности шарового слоя и располагается по периферии ямки вертлужной впадины. Соответственно, концентрация напряжений на малой площадке исключается. Медиальная часть головки бедренной кости, где можно было бы ожидать максимальное давление, располагается напротив ямки вертлужной впадины и выведено из-под критической нагрузки, что исключает концентрацию механических напряжений.

При анализе биоэлектрической активности мышц тазобедренного сустава отмечено, что в конце одноопорного периода шага активность отводящей группы мышц существенно снижается [10, 82, 99]. Это позволяет не учитывать ее усилие при расчете нагрузок в области тазобедренного сустава. В данном случае таз в равновесии поддерживается только силой реакции натянутых связок, и прежде всего, ligamentum capitis femoris, формула (8), рисунок 16, а тазобедренный сустав функционирует как аналог рычага второго рода. Сила реакции ligamentum capitis femoris, удерживающая таз в конце одноопорного периода шага, рассчитанная по формуле (9), составляет 1596,831 Н или 162,692 кг. По формуле (10) результирующая сила, действующая при этом на головку бедренной кости, равна 1034,138 Н или 105,363 кг, что больше веса тела в 1,83 раза. Данная нагрузка преимущественно воздействует на нижний сектор головки бедренной кости в соответствии с рисунком 16. Величина давления на нижний сектор головки бедренной кости по формуле (14) составит 213,224 кПа. Компенсация данной нагрузки, приложенной к головке бедренной кости, в норме достигается тем, что низкая активность отводящей группы мышц в конце одноопорного периода шага наблюдается приблизительно 15% от продолжительности целого шага.

Принципиальную возможность поддержания таза в ненапряженной одноопорной ортостатической позе только за счет натяжения ligamentum capitis femoris продемонстрировали наши эксперименты на модели тазобедренного сустава. Натяжение в ненапряженной одноопорной ортостатической позе и одноопорном периоде шага ligamentum capitis femoris и наружных связок обеспечивает равномерное распределение нагрузки по суставным поверхностям тазобедренного сустава. Выполненные расчеты показывают, что неизмененная ligamentum capitis femoris способна выдержать вычисленные нагрузки в ненапряженной одноопорной ортостатической позе, а также одноопорном периоде шага, и в норме имеет достаточный запас прочности.

Горизонтальная составляющая силы реакции ligamentum capitis femoris действует в соответствии с рисунком 17. По данным рентгенометрии, средний угол наклона ligamentum capitis femoris во фронтальной плоскости равен 61,1±3,2°, таблица 16. В ненапряженной одноопорной ортостатической позе и средней фазе одноопорного периода шага, по формуле (11), горизонтальная составляющая силы реакции ligamentum capitis femoris находится в пределах 384,246-500,838 Н или 39,148-51,027 кг. В конце одноопорного периода шага, по формуле (11), горизонтальная составляющая силы реакции ligamentum capitis femoris равна 768,502-1001,690 Н или 78,298-102,057 кг. При уменьшении угла наклона ligamentum capitis femoris горизонтальная составляющая увеличивается.

Горизонтальная составляющая усилия отводящей группы мышц действует в соответствии с рисунком 18. Средний угол отклонения линии действия средней ягодичной мышцы, основной в отводящей группы мышц тазобедренного сустава, – 8,6±2,7°, таблица 16. Из формулы (12), горизонтальная составляющая усилия средней ягодичной мышцы равна 384,246-500,838 Н или 16,664-31,878 кг. Угол между вертикалью и равнодействующей мышечных усилий отводящей группы мышц тазобедренного сустава составляет 21° [91]. Тогда горизонтальная составляющая отводящей группы мышц равняется 481,212 Н или 49,028 кг. В ненапряженной одноопорной ортостатической позе и средней фазе одноопорного периода шага горизонтальная составляющая ее усилия уменьшается до 69,014-131,557 Н или 7,031-13,403 кг. Горизонтальная составляющая общего усилия отводящей группы мышц оказывается равна 240,606 Н или 24,514 кг.

Кроме экспериментальных и клинических доказательств участия ligamentum capitis femoris в перераспределении нагрузки в тазобедренном суставе, выявляются морфологические и рентгенологические. Одним из таковых является медиальная часть второй системы трабекул. С нашей точки зрения, это материальное свидетельство присутствия нагрузки на нижнюю полусферу головки бедренной кости, рисунки 14, 15. Данная система противодействует давлению, возникающему при стопорении тазобедренного сустава в ненапряженной одноопорной ортостатической позе, середине и конце одноопорного периода шага, а также в асимметричном двуопорном ортостатическом положении.

Измерения, выполненные по рентгенограммам, таблица 15, показали, что в норме имеется отличие между шириной рентгеновской суставной щели в верхнем и нижнем секторе тазобедренного сустава. Ширина рентгеновской суставной щели обусловлена толщиной суставных хрящей сопряженных суставных поверхностей. При интраоперационных исследованиях отмечено, что толщина хрящевого покрова в верхнем секторе головки бедренной кости была больше, чем в нижнем, приблизительно на 0,5 мм. С нашей точки зрения это является морфологическим доказательством наличия эпизодов интенсивного сжатия нижних секторов суставных поверхностей, прежде всего в конце одноопорного периода шага.

««назад || СОДЕРЖАНИЕ КНИГИ || вперед»»

---

Автор

Архипов С.В. – кандидат медицинских наук, врач-хирург, травматолог-ортопед.

Цитирование

Архипов С.В. Связка головки бедренной кости: функция и роль в патогенезе коксартроза; 2-ое изд., испр. и доп. Йоэнсуу: Издание Автора, 2023. (Arkhipov S.V. Ligament of head of femur: function and role in the pathogenesis of coxarthrosis. 2nd rev. ed. Joensuu: Author's Edition, 2023. [In Russian])

 

Примечание

В отличии от печатной версии в настоящем электронном варианте произведена замена научных аббревиатур на полные термины. 

Автореферат и презентация диссертации на нашем ресурсе:

• Архипов СВ. Роль связки головки бедренной кости в патогенезе коксартроза: автореферат диссертации кандидата медицинских наук. Москва, 2012. 19 с. researchgate.net  
• Доклад соискателя ученой степени и презентация (2013)

Приобретение

PDF версия размещена на платформах GooglePlay и Google Books

 

Ключевые слова

ligamentum capitis femoris, ligamentum teres, связка головки бедра, биомеханика, тазобедренный сустав, коксартроз, патогенез, вертикальная поза, ходьба, механическая модель

---

NB! Добросовестная практика использования: копирование для целей критики, обзора, комментариев, исследований и частного изучения в соответствии с Законами об авторском праве: Copyright Laws of the US: 17 U.S.C. §107; Copyright Law of the EU: Dir. 2001/29/EC, art.5/3a,d; Copyright Law of the RU: ГК РФ ст.1274/1.1-2,7.

СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

Этиология и патогенез