УЛУЧШЕНИЕ ПОСЛЕОПЕРАЦИОННОГО КОМФОРТА...

 

Улучшение послеоперационного комфорта и повышение надежности тазобедренного протеза путем дополнения искусственными связками: Демонстрация концепции и прототип

Архипов С.В. 

Содержание [i] Аннотация [ii] Введение [iii] Материал и методы [iv] Результаты и обсуждение [v] Статические испытания [vi] Динамические испытания [vii] Изготовление и тестирование прототипа [viii] Заключение [ix] Список литературы [x] Приложение

---

[i] Аннотация

Продемонстрирован принцип функционирования экспериментального тотального эндопротеза тазобедренного сустава с аналогами связок в одноопорных вертикальных позах и в середине одноопорного периода шага. Опыты проводились на специально сконструированном мехатронном испытательном стенде. Концепция важной роли связочного аппарата дополнительно проиллюстрирована набором демонстрационных механических моделей. Данные, полученные в экспериментах, позволили изготовить прототип тотального эндопротеза тазобедренного сустава с аналогом связки головки бедра, имеющего ярко выраженные антилюксационные свойства. Вывод: использование аналогов связок существенно повысит надежность тотального эндопротеза тазобедренного сустава и улучшит послеоперационный комфорт пациентов. 

---

[ii] Введение

Проблемы артропластики тазобедренного сустава общеизвестны: вывих, нарушение походки, неустойчивость, истирание пары трения и накопление продуктов износа (Рисунок 1). Образующаяся вследствие трения черная металло-полимерная паста, загрязняет внутрисуставную среду, становится предпосылкой асептического и гнойного воспаления. Уверенность в надежности импланта подрывается относительно высокой вероятностью вывиха эндопротеза. Согласно литературным данным, частота вывиха в 70-80-х годах прошлого века достигала 15% (1985BinnsM). В настоящее время при первичном эндопротезировании вывихи встречаются в 0.2-10% случаев, особенно часто после перелома шейки бедренной кости (1999FenderD_GreggP; 2005BerryDJ_HarmsenWS; 2006MeekRM_HowieCR; 2007PatelPD_FroimsonMI; 2008ParviziJ_SharkeyPF; 2014DargelJ_EyselP). При ревизионной артропластике дислокация может достигать 25-31% (1997HedlundhU_FredinH; 2007PatelPD_FroimsonMI; 2014DargelJ_EyselP). С течением времени вероятность вывиха эндопротеза неуклонно увеличивается, вне зависимости от доступа, каким он был установлен и невзирая на тщательность ушивания мягких тканей (2004BerryDJ_HarmsenWS; 2006KwonMS_SalehKJ).

 

Рисунок 1. Иллюстрации износа трущихся поверхностей эндопротезов тазобедренного сустава; слева – субтотальный эндопротез с полиэтиленовой головкой; справа – полиэтиленовый вкладыш вертлужного компонента тотального эндопротеза (наблюдения автора).

 

С нашей точки зрения, главная причина этих негативных явлений – отсутствие в конструкции искусственных суставов аналога связочного аппарата. В частности, без связки головки бедра существенно увеличивается давление головки бедра на верхний сектор вертлужной впадины. Это было подмечено еще в 17-ом столетии и подтверждено авторитетными исследователями последующих веков (1672GengaB; 1698CowperW; 1728WaltherAF; 1801BellJ; 1836WeberW_WeberE; 1845ArnoldF; 1856MeyerGH; 1857TurnerW; 1874SavoryWS). Сведения, обосновывающие важность связок тазобедренного сустава, и прежде всего связки головки бедра, собраны нами в рамках русско-английского библиографического проекта (https://roundligament.blogspot.com [En]; https://kruglayasvyazka.blogspot.com [Ru]). Статьи и цитаты на перечисленных интернет-ресурсах мы предлагаем использовать в качестве дополнительного литературного обзора к этой публикации.

Первый однополюсной эндопротез тазобедренного сустава с аналогом связки головки бедра в 1954 году описал L.L. Pellet (1956PelletLL; Рисунок 2). Г.Е. Дудко в 1984 году впервые установил оригинальный однополюсной искусственный сустав, снабженный аналогом связки головки бедра (1990DudkoGE). В 1994 году нами предложены собственные конструкции тотального и субтотального эндопротеза тазобедренного сустава, с интегрированными наружными и внутренними связками (1996ArkhipovSV(a); 1996ArkhipovSV(b); Рисунок 3). Наряду с теоретическими разработками, весомые доказательства жизненности концепции предоставляет экспериментальный метод. Наши первые эксперименты на моделях тазобедренного сустава с аналогами связок впервые описаны в 2004 году (2004Архипов-БалтийскийСВ). В 2008 году пояснена наша концепция значения связки головки бедра для поддержания вертикальных поз (2008ArkhipovSV). В диссертационном экспериментально-клиническом исследовании, защищенной в 2013 году, нами показана значимая роль патологии связки головки бедра в патогенезе остеоартрита тазобедренного сустава (2012АрхиповСВ). В 2019 году опубликованы результаты пилотного экспериментального исследования изучения роли связки головки бедра на электромеханической модели, ставшей прообразом эндопротеза с искусственными связками (2019ArkhipovSV_SkvortsovDV). Обзор запатентованных конструкций эндопротезов со связкой головки бедра подготовлен нами в 2021 году (2021ArkhipovSV_SkvortsovDV). Расширенный критический анализ всех известных конструкций подобного рода и синтез актуальной информации по этой теме завершен в 2025 году (2025АрхиповСВ, Часть 1-3).

 

Рисунок 2. Бедренный эндопротез, предложенный в 1954 году L.L. Pellet (фрагмент иллюстрации из 1956PelletLL, изображение повернуто по часовой стрелке).

 

Собственные исследования убедили нас в пользе артропластики тазобедренного сустава со связочным аппаратом. Мы полагаем, в этой симфонии первая скрипка – связка головки бедра. В уходящем году важная роль данной структуры подтверждена авторами нескольких разноплановых статей. В эксперименте показано, что искусственный сустав со связкой головки бедра точно имитирует движения человеческого тазобедренного сустава (2025TengJ_RenL). Использование конечно-элементного анализа помогло подтвердить роль связки головки бедра как вращательного стабилизатора во фронтальной и поперечной плоскостях (2025ZhangY_MartinRL). Получено экспериментальное доказательство разгрузки верхней части вертлужной впадины при натяжении связки головки бедра (2025ChenJH_AcklandD). Описано использование аналога связки головки бедра в шарнире зооморфного робота (2025ItoH_SuzumoriK). Это придало новый импульс нашим разработкам эндопротезов тазобедренного сустава с аналогами связок, начатых в 1994 году (Рисунок 3).

  

Рисунок 3. Искусственный тазобедренный сустав конструкции С.В. Архипова (иллюстрация к заявке на изобретение №94040447 от 04.11.1994); обозначения: А – вид искусственного сустава сбоку с прикрепленными искусственными связками; В – искусственный сустав в продольном разрезе; С – поперечное сечение вертлужного компонента (из 1996ArkhipovSV(b), изменено расположение рисунков).

 

Здесь мы кратко расскажем об основных результатах тестирования экспериментального тотального эндопротеза тазобедренного сустава с аналогами связок, а также о прототипе тотального эндопротеза тазобедренного сустава с аналогом связки головки бедра. Фундаментом представляемой работы стали наши клинические исследования, изучение специальной литературы, а также эксперименты на механических моделях и муляжах (подробнее смотри соответствующий раздел сайта kruglayasvyazka.blogspot.com).

---

[iii] Материал и методы

Для настоящего исследования нами изготовлен экспериментальный тотальный эндопротез тазобедренного сустава с аналогами связок. В качестве основы использован однополюсной эндопротез тазобедренного сустава, разработанный в 1950 году F. Thompson (1952ThompsonFR; 1983WaggonerWH). Полированная пустотелая головка конструкции имела диаметр 54 мм. Шейка эллипсовидной формы соединялась с ножкой длиной 108 мм и максимальной толщине 10 мм. В ножке мы выполнили два сквозных поперечных отверстия для элементов крепления. В центре медиального сектора головки просверлено сквозное отверстие диаметром 6 мм по направлению к торцу шейки (Рисунок 4).

Рисунок 4. Субтотальный эндопротез конструкции F.R. Thompson в нашей модификации; стрелкой указано отверстие в медиальной части головки, рядом размещена фотография ярлыка изделия.

  

В соответствии с диаметром головки выполнена модель вертлужного компонента экспериментального тотального эндопротеза тазобедренного сустава. Вертлужный компонент изготовлен из нержавеющей стали методом резания. Он представлял собой 1/2 часть толстостенной сферической оболочки с внешним диаметром 70 мм. В области вершины оболочки с ней заодно выточен цилиндрический стержень длиной 55 мм диаметром 15 мм. В стержне выполнены три поперечных сквозных отверстия диаметром 6 мм для крепления. Внутренняя часть сферической оболочки диаметром 54 мм имела допуск на скользящую посадку сферической головки модели. Толщина вертлужного компонента составила 8 мм. В торце его наружного края выполнено семь глухих отверстий с резьбой М3 на 2, 4, 5, 7, 8, 10 и 12 часах. Внутри сферической оболочки выбрано фасонное углубление, напоминающее по форме теннисную ракетку. Данную фасонную выточку образовали: расположенное в центре круглое углубление (ямка) и канавка. Последняя простиралась до края чаши, а длинная ось канавки была ориентирована на 6 часов. Описанная фасонная выточка по нашему замыслу имитировала ямку вертлужной впадины и вырезку вертлужной впадины (Рисунок 5).

 

Рисунок 5. Вертлужный компонент экспериментального тотального эндопротеза тазобедренного сустава; вид на внутреннюю полость, воспроизводящую ямку вертлужной впадины и вырезку вертлужной впадины, в одно из сквозных отверстий введен полимерный трос, имитирующий связку головки бедра.

 

Диаметр центральной части фасонной выточки составил 30 мм, ширина продольной канавки – 10 мм, длина – 30 мм. Глубина фасонной выточки во всех участках не превышала 5 мм. Ширина контактной поверхности сферической оболочки, ставшей аналогом полулунной поверхности вертлужной впадины, равнялась 25 мм. Центральный угол ямки вертлужного компонента составил 70°, а максимальная глубина полости – 33 мм. В фасонной выточке сферической оболочки выполнено несколько сквозных отверстий для крепления аналога связки головки бедра.

В качестве искусственных связок экспериментального тотального эндопротеза тазобедренного сустава использованы гибкие стальные тросы диаметром 1.5 мм с полимерной оболочкой (Рисунок 6). Снаружи бедренный и вертлужный компонент соединялись четырьмя гибкими элементами: верхним, нижним, передним и задним. Они воспроизводили наружные связки тазобедренного сустава: седалищно-бедренную связку, лобково-бедренную связку и две порции подвздошно-бедренной связки. Их ориентация, крепление и длина приблизительно соответствовали естественным аналогам.

 

Рисунок 6. Гибкие элементы из стального троса диаметром 1.5 мм, использованные для воспроизведения связок экспериментального тотального эндопротеза тазобедренного сустава.

 

Нами воспроизведена связка головки бедра из гибкого стального проволочного троса диаметром 1.5 мм с полимерной оболочкой. Дистальный конец аналога связки головки бедра пропускался через сквозное отверстие в сферической головке бедренного компонента и прикреплялся винтовым зажимом к его ножке. Проксимальный конец аналога связки головки бедра вводился в отверстие фасонной выточки вертлужного компонента, находившееся на границе ямки и продольной канавки. Далее вертлужный компонент устанавливался на сферическую головку с нанесенным на нее жидким маслом смазочным бытовым по ТУ 1-15-691-77. После этого аналог связки головки бедренной кости натягивался и закреплялся винтовым зажимом снаружи вертлужного компонента. Длина аналога связки головки бедра, расположенного внутри шарнира экспериментального эндопротеза, выбиралась таким образом, чтобы при движениях не происходило повреждение дистального конца гибкого элемента (Рисунок 7).

 

Рисунок 7. Вид на вертлужный компонент и головку бедренного компонента экспериментального тотального эндопротеза тазобедренного сустава; показан принцип их соединения аналогом связки головки бедра.

 

Для тестирования экспериментального тотального эндопротеза тазобедренного сустава с искусственными связками нами сконструирован мехатронный испытательный стенд. Бедренный компонент закреплялся в естественной для опорного бедра позиции в верхней части механического аналога нижней конечности. Ее воспроизводила металлическая труба диаметром 30 мм, нижняя часть которой посредством шарового шарнира соединялась с горизонтальной массивной платформой 100 х 80 см.  Для удержания и корректировки положения аналога нижней конечности использованы четыре растяжки с талрепами (Рисунок 8).

 

Рисунок 8. Испытательный стенд для тестирования экспериментального тотального эндопротеза тазобедренного сустава с аналогами связок, до размещения мехатронных компонентов; аналоги связок не закреплены, а аналог таза удерживается пружинным динамометром, который имитирует действие отводящей группы мышц.

 

Вертлужный компонент закреплялся в аналоге таза. Он был собран из перфорированных пластин и элементов крепления с резьбой М6. Размер аналога таза примерно соответствовал габаритам таза взрослого человека. Ориентиром для размеров послужила реальная переднезадняя обзорная рентгенограмма таза мужчины возрастом 27 лет без признаков патологии. Вертлужный компонент соединялся с аналогом таза в положении, соответствующим норме: наклон вниз в латеральную сторону под углом 45°, поворот вперед в горизонтальной плоскости на 25°. Для удержания аналога таза в покое на предварительном этапе использован пружинный динамометр с регулируемой длиной. Вес аналога таза без дополнительного оснащения не превышал двух килограммов. Положение общего центра масс аналога таза отрегулировано так, чтобы его проекция совпадала с шаровым шарниром в нижней части аналога нижней конечности. Общая высота испытательного стенда составила ориентировочно 90 см.

Испытательный стенд мы дополнили аналогом средней ягодичной мышцы и аналогом коротких тазобедренных мышц, вращающих бедро наружу (Рисунок 9).

 

Рисунок 9. Испытательный стенд для тестирования экспериментального тотального эндопротеза тазобедренного сустава с аналогами связок; аналог таза снабжен дополнительной нагрузкой и мехатронными компонентами, подключенными к персональному компьютеру.

 

Аналог средней ягодичной мышцы, по нашему замыслу имитировал действие комплекса отводящей группы мышц тазобедренного сустава. Аналог коротких тазобедренных мышц воспроизводил усредненное направление усилия означенных мышц, создаваемое при супинации бедра. Аналоги мышц изготовлены из гибких металлических тросов, соединенных с вращательными цифровыми сервоприводами постоянного тока. Для управления ими собрана программируемая платформа на основе платы Arduino с питанием от аккумулятора. Гибкие металлические тросы аналогов мышц соединялись с аналогом нижней конечности, а управляющие ими сервоприводы закреплялись внутри аналога таза. Для приближенного измерения величины усилия, аналог средней ягодичной мышцы был снабжен пружинным динамометром с максимальной нагрузкой 10 кг и ценой деления 0.1 кг. Сверху и сзади аналога таза прикреплена перемещаемая нагрузка весом 1 кг для корректировки положения общего центра масс (Рисунок 10).

 

Рисунок 10. Вид сверху на аналог таза и мехатронные компоненты испытательного стенда для тестирования экспериментального тотального эндопротеза тазобедренного сустава с аналогами связок.

 

На испытательном стенде проверена принципиальная возможность адекватного функционирования экспериментального тотального эндопротеза тазобедренного сустава с аналогами связками. В первой серии опытов мы воспроизвели два основных типа вертикальной стойки с опорой на одну ногу. «Напряженный» тип характеризуется горизонтальным положением таза, а «ненапряженный» – его наклоном в сторону неопорной ноги (Рисунок 11).

 

Рисунок 11. Схематичное изображение основных типов вертикальной стойки с опорой на одну ногу; слева – ненапряженная одноопорная ортостатическая поза; справа – напряженная одноопорная ортостатическая поза.

 

Во второй серии опытов нами воспроизведено движение таза в середине одноопорного периода шага. В обеих сериях экспериментов дополнительная нагрузка аналога таза закреплялась в позиции, соответствующей расположению общего центра масс в стойке на одной ноге и в одноопорном периоде шага. Ориентиром послужили доступные данные обследования здоровых субъектов с применением Оптической системы регистрации движений. При тестировании экспериментального эндопротеза, отмечались изменения показаний динамометра аналога средней ягодичной мышцы в зависимости от положения аналога таза. Также обращалось внимание на степень натяжения аналогов связок как наружных, так и аналога связки головки бедра. Посредством видеокамеры зарегистрированы перемещения аналога таза при воспроизведении движений в середине одноопорного периода шага.

В экспериментальном тотальном эндопротезе тазобедренного сустава с аналогами связок было невозможно непосредственно наблюдать изменение положения аналога связки головки бедра. Для того чтобы получить представление о его движениях в экспериментах, нами изготовлена серия демонстрационных моделей. Плоскостная модель таза с тазобедренными суставами выполнена из фанеры. В качестве аналогов связки головки бедра использованы гибкие элементы из капрона, а аналоги средней ягодичной мышцы изготовлены из резинового шнура. Объемный макет «таз – бедро» собран из анатомических моделей костей, произведенных компанией «Synbone». Макет дополнен суставными поверхностями из полимера и аналогом связки головки бедра из капронового шнура. Для визуализации аналога связки головки бедра выполнено сквозное отверстие в проекции ямки вертлужной впадины.

Нами проанализировано взаимодействие аналогов мышц и аналогов связок экспериментального тотального эндопротеза тазобедренного сустава с аналогами связок при имитации вертикальных поз и ходьбы. Определено оптимальное положение точек крепления и длина искусственных связок. По результатам экспериментов нами изготовлен прототип тотального эндопротеза тазобедренного сустава с аналогом связки головки бедра. Произведено его предварительное тестирование с целью выявления отдельных положительных и отрицательных свойства. Перемещение аналога связки головки бедра не представлялось возможным наблюдать ввиду его расположения внутри вертлужного компонента прототипа тотального эндопротеза. Для формирования общего представления о движениях в нем аналога связки головки бедра, нами изготовлена демонстрационная механическая модель тазобедренного сустава. За основу принят доступный субтотальный эндопротез тазобедренного сустава. В соответствие с его сферической головкой из полимера выполнен вертлужный компонент, имеющий сквозное отверстие в области дна. После этого оба компонента соединены полимерным шнуром, воспроизводящим связку головки бедра. Для стабилизации бедренной и тазовой части модели использован модифицированный пружинный динамометр.

---

[iv] Результаты и обсуждение

[v] Статические испытания

В первой серии опытов произведено тестирование экспериментального тотального эндопротеза тазобедренного сустава с аналогами связок в вертикальных позах с опорой на одну ногу. Изначально на испытательном стенде воспроизведен напряженный тип стойки с горизонтальным положением таза (Рисунок 11, 12).

 

Рисунок 12. Приблизительное соотношение между бедром и тазом в напряженной одноопорной позе воспроизведено на макете «таз – бедро»; на врезке справа-внизу показан вид на отверстие в вертлужной впадине модели таза, через которое виден ненатянутый аналог связки головки бедра.

 

Для поддержания горизонтальной позиции аналога таза испытательного стенда потребовалось укорочение аналога средней ягодичной мышцы. Тем самым сымитировано напряжение данной мышцы, что подтверждалось показаниями динамометра (Рисунок 13).

 

Рисунок 13. Воспроизведение на испытательном стенде напряженной одноопорной позы; аналог таза удерживается в горизонтальном положении усилием аналога средней ягодичной мышцы (подробнее в тексте).

 

Аналог средней ягодичной мышцы действовал только во фронтальной плоскости, препятствуя наклону аналога таза в медиальную сторону. В шарнире экспериментального тотального эндопротеза тазобедренного сустава с аналогами связок возникла позиция, близкая к среднему положению между отведением и приведением. В сагиттальной плоскости аналог таза стремился повернуться назад относительно горизонтальной оси, преимущественно под действием дополнительной нагрузки. Препятствием к опрокидыванию аналога таза назад явилось натяжение аналога лобково-бедренной связки. Прочие аналоги связок оказались не натянуты. Расслабление аналога связки головки бедра определялось по провисанию его части, выходящей из вертлужного компонента.

Норме свойственно отсутствие натяжения связки головки бедра в положении отличным от максимального приведения в тазобедренном суставе. Означенное наглядно демонстрирует плоскостная модель таза с тазобедренными суставами снабженными аналогами связок головки бедра (Рисунок 14).  

 

Рисунок 14. Плоскостная модель таза с тазобедренными суставами; воспроизведение среднего положения между отведением и приведением в обоих тазобедренных суставах; справа – общий вид модели; слева – вид на правый тазобедренный сустав с расслабленным аналогом связки головки бедра.

 

Замечено, что кроме наклона аналога таза испытательного стенда назад в сагиттальной плоскости, он автоматически повернулся назад в горизонтальной плоскости. Это воспроизвело супинацию в шарнире экспериментального тотального эндопротеза тазобедренного сустава с аналогами связок. Ограничением горизонтального вращения аналога таза было натяжение аналога лобково-бедренной связки. Для поддержания стабильности аналога таза не требовалось натяжения аналога коротких тазобедренных мышц, вращающих бедро наружу. Он оказался расслаблен.

В опыте продемонстрировано, что для обеспечения устойчивости в напряженной одноопорной позе с опорой на тотальный эндопротез тазобедренного сустава с аналогами связок будет необходимо и достаточно усилия отводящей группы мышц и натяжения аналога лобково-бедренной связки. В обсуждаемой позе подобный эндопротез не имеет преимуществ перед существующими конструкциями.

Далее на испытательном стенде нами воспроизведен ненапряженный тип стойки с горизонтальным положением таза (Рисунок 11). В исследованиях, касающихся биомеханики тазобедренного сустава, как правило, не дифференцируются напряженная и ненапряженная вертикальная поза с опорой на одну ногу. Между тем они различаются не только внешне, но и в отношении функционирования связок тазобедренного сустава. В ненапряженной вертикальной позе с опорой на одну ногу за счет приведения бедра, как минимум происходит натяжение аналога связки головки бедра. Указанное наглядно демонстрируется на макете «таз – бедро» (Рисунок 15).

 

Рисунок 15. Приблизительное соотношение между бедром и тазом в ненапряженной одноопорной позе воспроизведено на макете «таз – бедро»; на врезке справа-внизу показан вид на отверстие в вертлужной впадине модели таза, через которое виден натянутый аналог связки головки бедра.

 

При воспроизведении на испытательном стенде ненапряженного типа стойки аналог таза наклонялся во фронтальной плоскости в медиальную сторону. Для перевода аналога таза из горизонтальной позиции потребовалось удлинение аналога средней ягодичной мышцы. Тем самим нами имитировано расслабление данной мышцы, что подтверждалось показаниями динамометра. Усилие в системе аналога средней ягодичной мышцы уменьшилось до ноля. Однако аналог таза находился в положении устойчивого равновесия. В шарнире экспериментального тотального эндопротеза тазобедренного сустава с аналогами связок, возникла позиция, соответствующая приведению бедра. Дальнейшему наклону аналога таза в медиальную сторону препятствовали только натянутые аналоги связок (Рисунок 16).

Рисунок 16. Воспроизведение на испытательном стенде ненапряженной одноопорной позы; аналог таза с наклоном 5° в медиальную сторону удерживается натянутыми аналогами связок (подробнее в тексте).

 

Натянутые аналоги связок также ограничивали отклонение аналога таза назад в сагиттальной плоскости, обусловленного действием дополнительной нагрузки. Обращено внимание на то, что аналог таза автоматически повернулся вперед в горизонтальной плоскости. Это воспроизвело пронацию в шарнире эндопротеза. Одновременно произошло умеренное удлинение аналога коротких тазобедренных мышц, вращающих бедро наружу. Ограничение горизонтального вращения аналога таза вперед было обусловлено комплексным натяжением аналогов связок.

Кроме аналогов наружных связок, зафиксировано натяжение аналога связки головки бедра. Это отмечалось по натяжению части означенного элемента, выходящего из вертлужного компонента. Непосредственно наблюдать натяжение аналога связки головки бедра в шарнире тестируемого экспериментального тотального эндопротеза не представлялось возможным. Визуализировать поведение аналога связки головки бедра при приведении бедра доступно на демонстрационной плоскостной модели таза. На ней нами воспроизведена ненапряженная одноопорная вертикальная поза, при которой в опорном тазобедренном суставе натягивается связка головки бедра (Рисунок 17).

 

Рисунок 17. Плоскостная модель таза с тазобедренными суставами; воспроизведение ненапряженной одноопорной вертикальной позы с приведением в одном тазобедренном суставе и отведением в другом; справа – общий вид модели; слева – вид на правый тазобедренный сустав с натянутым аналогом связки головки бедра

 

Плоскостная модель продемонстрировала, что при натяжении аналога связки головки бедра нормальной длины головка бедренной кости прижимается к нижней части вертлужной впадины. Одновременно между верхними поверхностями сустава возникает тенденция к появлению щелевидного зазора. Иными словами, нагрузка на верхнюю часть опорной головки бедра уменьшается, а на нижнюю – увеличивается. Это косвенное подтверждено результатами наших предыдущих экспериментов на механических и электромеханических моделях тазобедренного сустава с аналогом связки головки бедра (2008ArkhipovSV; 2009ArkhipovSV; 2019ArkhipovSV_SkvortsovDV). После многократных движений с нагрузкой, наблюдалось заметное истирание нижнего сектора головки бедренной части модели (Рисунок 18).

 

Рисунок 18. Вид на нижнюю полусферу головки бедренной части электромеханической модели тазобедренного сустава с аналогами связок; слева – до начала экспериментальных исследований; справа – после завершения серии экспериментальных исследований, появились признаки износа.

 

После спонтанного натяжения аналогов связок экспериментального тотального эндопротеза тазобедренного сустава аналог таза находился в стабильном положении. Его не удавалось наклонить вниз в медиальную сторону, повернуть назад в сагиттальной плоскости, а также переместить вперед в горизонтальной плоскости. Обратные движения осуществлялись практически беспрепятственно с небольшим, но преодолимым противодействием в виде веса аналога таза. 

Опыт показал, что для обеспечения устойчивости в ненапряженной одноопорной позе с опорой на тотальный эндопротез тазобедренного сустава с аналогами связок будет необходимо и достаточно сил их реакции при соответствующей прочности. Для поддержания стабильности таза теоретически не потребуется напряжения средней ягодичной мышцы, а также коротких тазобедренных мышц, вращающих бедро наружу. В ненапряженной одноопорной позе мышцы, прежде всего необходимы для поддержания равновесия и соразмерного натяжения связок. Тотальный эндопротез тазобедренного сустава с аналогами связок будет иметь ряд преимуществ перед существующими конструкциями. Он позволит в ненапряженной одноопорной позе снизить нагрузку на отводящую группу мышц и уменьшить давление верхнего сектора вертлужного компонента на головку эндопротеза. Кроме этого, повысится общая устойчивость тела за счет стабилизации таза комплексным натяжением аналогов связок.

[vi] Динамические испытания

На заключительном этапе экспериментов на испытательном стенде нами воспроизведено движение таза в середине одноопорного периода шага. В указанную фазу наблюдается перемещение таза сверху – вниз и вперед – наружу по дуге при одновременном наклоне вперед в сагиттальной плоскости (Рисунок 19).

 

Рисунок 19. Фрагмент отчета Оптической системы анализа движений при исследовании закономерностей ходьбы человека в норме, графики иллюстрируют движения таза в трех плоскостях; слева – график движения таза в сагиттальной плоскости, в центре – график движения таза во фронтальной плоскости, справа – график движения таза в горизонтальной плоскости; условные обозначения: зеленая кривая – изменение угла поворота левой половины таза, красная кривая – изменение угла поворота правой половины таза, черная кривая – среднестатистическое изменение угла поворота таза (норма по данным разработчиков программы), вертикальные красные и зеленые линии отмечают соответствующие периоды шага (отчет создан программой компании C-Motion, а данные любезно предоставлены О. Кудряшовым, Национальный реабилитационный центр «Vaivari», Латвия).

 

В естественном тазобедренном суставе в середине одноопорного периода шага происходит приведение из положения отведения и супинация из положения пронации. Означенные движения сопровождаются перманентным разгибанием. Указанные закономерности нами наблюдались при анализе видеозаписей походки здоровых субъектов, обследованных в рамках диссертационного исследования (2012АрхиповСВ). Отмечено, что в норме в одноопорном периоде шага происходит приведение опорного бедра и наклон таза в медиальную сторону (Рисунок 20). Описанная позиция напоминает ненапряженную вертикальную позу с опорой на одну ногу.

 

Рисунок 20. Кадр кинограммы ходьбы в норме; середина одноопорного периода шага (из 2012АрхиповСВ, добавлена желтая линия, обозначающая величину наклона таза в неопорную сторону).

 

Данные полученные в предыдущих, приняты во внимание при экспериментах на испытательном стенде. На первом этапе нами воспроизводилось положение таза, свойственное началу середины одноопорного периода шага. Аналог таз поворачивался назад в горизонтальной плоскости и приподнимался над плоскостью опоры во фронтальной плоскости. Достигнутое положение фиксировалось уменьшением длины аналога средней ягодичной мышцы и аналога коротких тазобедренных мышц, вращающих бедро наружу. В системе аналога средней ягодичной мышцы появлялось усилие, подтверждаемое отклонением стрелки динамометра.

Движение аналога таза инициировалось включением сервоприводов. По нашему замыслу они одновременно удлиняли аналог средней ягодичной мышцы и аналог коротких тазобедренных мышц, вращающих бедро наружу (см. Видеозапись).

 

Динамические испытания на мехатронном испытательном стенде. Демонстрируется принцип функционирования экспериментального тотального эндопротеза тазобедренного сустава с аналогами связок в середине одноопорного периода шага.

 

В шарнире тестируемого экспериментального тотального эндопротеза наблюдалось: приведение, супинация и сгибание. Аналог таза спонтанно поворачивался вперед в горизонтальной плоскости, наклонялся вниз в медиальную сторону во фронтальной плоскости, а также наклонялся вперед в сагиттальной плоскости. Перемещение аналога таза происходило под действием силы тяжести. Снижение усилия сервоприводов обеспечивало плавность движения аналога таза, но не порождало его.

Тестируя экспериментальный тотальный эндопротез тазобедренного сустава с аналогами связок, нами не отмечено тенденции к вывиху в шарнире как при изучении статических положений, так и при имитации ходьбы. При воспроизведении ненапряженного типа вертикальной позы и середины одноопорного периода шага антилюксационный эффект создавала результирующая сила, возникающая при натяжении аналога связки головки бедра (Рисунок 21).

 

 

Рисунок 21. Схематичное изображение шарнира тотального эндопротеза с аналогом связки головки бедра при приведении опорного бедра;  обозначения: 1 – головка бедренного компонента; 2 – шейка бедренного компонента; 3 – вертлужный компонент; 4 – аналог связки головки бедра, зеленой стрелкой обозначена сила реакции аналога связки головки бедра, красной стрелкой обозначена результирующая сила, прижимающая вертлужный компонент к головке эндопротеза.

 

Воспроизведение на испытательном стенде движений таза в середине одноопорного периода шага продемонстрировало, что оно может происходить спонтанно. Достаточно, чтобы средняя ягодичная мышца и короткие тазобедренные мышцы, вращающие бедро наружу, функционировали в уступающем режиме. Предсказуемый поворот таза и трансляция вперед общего центра масс обусловлены поэтапным натяжением наружных связок и связки головки бедра.

Таким образом, тотальный эндопротез тазобедренного сустава с аналогами связок будет иметь существенные преимущества перед известными конструкциями. Он позволит: снизить нагрузку на отводящую группу мышц при ходьбе, сохранить естественный стереотип походки, а также исключит вывих при приведении бедра. Учитывая особенности распределения нагрузки по поверхностям пары трения эндопротеза с аналогами связок, ожидается низкая скорость истирания верхних отделов головки и вертлужного компонента. В свою очередь это уменьшит количество продуктов износа, а значит, снизит вероятность развития асептического и гнойного воспаления.

[vii] Изготовление и тестирование прототипа

Анализ результатов тестирования тотального эндопротеза тазобедренного сустава с аналогами связок на испытательном стенде показал целесообразность изготовления прототипа подобной конструкции. В качестве основы взяты имеющиеся в наличии бедренные и вертлужные компоненты тотальных эндопротезов. Нами выполнен из полимера специальный кольцевидный вкладыш для вертлужного компонента. К головке бедренного компонента прикреплен дистальный конец аналога связки головки бедра, изготовленный из полимерного троса. Противоположный конец аналога связки головки бедра прикреплен к оболочке вертлужного компонента. Длина аналога связки головки бедра отрегулирована таким образом, чтобы он не ущемлялся в шарнире при приведении на заданный угол.

При мануальном тестировании собранного прототип эндопротеза выяснено, что амплитуда вращения горизонтальной плоскости (пронации, супинации), а также отведения во фронтальной плоскости, определяется размером отверстия во вкладыше вертлужного компонента. Вращение в сагиттальной плоскости вперед и назад (сгибание, разгибание) на 180°, осуществлялись без ограничений. При имитации приведения в шарнире прототипа тотального эндопротеза тазобедренного сустава с аналогом связки головки бедра, головка бедренного компонента явственно прижималась ко вкладышу вертлужного компонента (Рисунок 22).

 

Рисунок 22. Прототип тотального эндопротеза тазобедренного сустава с аналогом связки головки бедра; слева – общий вид закрепленного зажимом вертлужного компонента; справа – вид на эндопротез, демонстрирующий спонтанное прижатие головки бедренного компонента ко вкладышу вертлужного компонента, предотвращающее вывих в шарнире.

 

Сила, препятствующая вывиху в шарнире эндопротеза, появлялась при имитации приведения. У закрепленного в штативе эндопротеза антилюксационный эффект был обусловлен результирующим усилием, возникающим вследствие сложения силы реакции натянутого аналога связки головки бедра и силы тяжести, стремящейся повернуть бедренный компонент в направлении вертикальной линии.  Подобный эффект, но выраженный в меньшей степени, возникал при имитации крайней степени супинации и пронации с одновременным умеренным приведением.

Отведение в шарнире прототипа тотального эндопротеза тазобедренного сустава расслабляло аналог связки головки бедра и деблокировало шарнир. Головка бедренного компонента беспрепятственно смещалась в латеральном направлении на длину аналога связки головки бедра. Аналогичное явление наблюдалось при наклоне в латеральном направлении вертлужного компонента, закрепленного в штативе (Рисунок 23).

 

Рисунок 23. Прототип тотального эндопротеза тазобедренного сустава с аналогом связки головки бедра; слева – общий вид закрепленного зажимом вертлужного компонента, наклоненного в латеральном направлении; справа – вид снаружи и сверху на эндопротез, показывающий, как головка бедренного компонента спонтанно сместилась вниз из вкладыша вертлужного компонента. 

 

В отсутствие силы, прижимающей головку эндопротеза ко вкладышу вертлужного компонента, происходил вывих в шарнире.  Головка бедренного компонента спонтанно смещалась наружу и вниз, зависая на натянутом аналоге связки головки бедра. Соответственно, в специально созданных условиях антилюксационный эффект прототипа эндопротеза нивелировался.

В изготовленном прототипе тотального эндопротеза тазобедренного сустава с аналогом связки головки бедра последний был закрыт оболочкой вертлужного компонента. Это не позволяло наблюдать перемещение гибкого элемента при артикуляциях. Для визуализации изменения положения аналога связки головки бедра в эндопротезе нами сконструирована специальная демонстрационная механическая модель тазобедренного сустава. Основной ее особенностью явилось создание сквозного отверстия в вертлужном компоненте (Рисунок 24).

 

Рисунок 24. Демонстрационная механическая модель тазобедренного сустава с отверстием в вертлужном компоненте; справа – общий вид; слева – вид на отверстие в вертлужном компоненте и аналог связки головки бедра.

 

При имитации приведения в шарнире модели аналог связки головки бедра стремился принять вертикальное положение. В случае воспроизведения пронации и супинации проксимальный конец аналога связки головки бедра соответственно смещался вперед или назад. При поступательном перемещении головки бедра в латеральном направлении аналог связки головки бедра стремился принять горизонтальное положение. Аналогичные движения следует ожидать в реальном тотальном эндопротезе с аналогом связки головки бедра.

---

[viii] Заключение 

На мехатронном испытательном стенде нами продемонстрирован общий принцип функционирования экспериментального тотального эндопротеза тазобедренного сустава с аналогами связок в одноопорных вертикальных позах и в середине одноопорного периода шага. Полученные в опытах данные позволили изготовить прототип тотального эндопротеза тазобедренного сустава с аналогом связки головки бедра.

Результаты тестирования показали, что введение аналогов связок в конструкцию способно повысить надежность тотального эндопротеза тазобедренного сустава и улучшить послеоперационный комфорт пациента. В частности, надежность изделия увеличится благодаря: снижению вероятности вывиха, уменьшению скорости истирания пары трения, меньшему накоплению продуктов износа, а также понижению риска развития асептического и гнойного воспаления. Комфорт пациента повысится посредством: уменьшения риска вывиха в раннем послеоперационном периоде, снижения нагрузки на отводящую группу мышц, восстановления естественной походки и увеличения стабильности тела в ненапряженной вертикальной позе при ходьбе.

Описанный нами прототип тотального эндопротеза тазобедренного сустава с аналогом связки головки бедра продемонстрировал ярко выраженные антилюксационные свойства. Подобный искусственный сустав может стать основой серии имплантов для лабораторных испытаний и экспериментов на животных. Внедрение тотального эндопротеза тазобедренного сустава, как минимум с аналогом связки головки бедра, в клиническую практику нам видится перспективным направлением. Артропластика с использованием таких изделий при сохранении наружных связок позволит: исключить вывих в послеоперационном периоде, увеличить срок безотказного функционирования и улучшит походку пациентов. 

---

[ix] Список литературы

Arkhipov SV, Skvortsov DV. Ligamentum Teres and its Analog in the Hip Endoprosthesis–Necessary or Superfluous? A Systematic Review. MLTJ. 2021:11(2)301-10. DOI: 10.32098/mltj.02.2021.13

Arkhipov SV, Zagorodny NV, Skvortsov DV. Ligamentum capitis femoris a pilot an experimental study. Am J Biomed Sci & Res. 2019;5(2)92-4. DOI: 10.34297/AJBSR.2019.05.000884

Arkhipov SV. Artificial hip joint (Архипов СВ. Искусственный тазобедренный сустав конструкции С.В. Архипова). RU94040447A November 4, 1994. 1996.

Arkhipov SV. Dynamic hip joint model (Архипов СВ. Динамическая модель тазобедренного сустава). RU2009124926A June 29, 2009. 2011.

Arkhipov SV. On the role of the ligamentum capitis femoris in the maintenance of different types of erect posture. Human Physiology. 2008;34(1)79-85.

Arkhipov SV. Unipolar endoprosthesis of hip joint (Архипов СВ. Однополюсной эндопротез тазобедренного сустава конструкции С.В.Архипова). RU94038343A October 11, 1994. 1996.

Arnold F. Handbuch der Anatomie des Menschen: mit besonderer Rucksicht auf Physiologie und praktische Medicin. Erster Band. Freiburg im Breisgau:Herder'sche Verlagshandlung, 1845.

Bell J. The Principles of Surgery: In Two Volumes: Volume First; Of the ordinary duties of the surgeon, containing the principles of surgery, as they relate to wounds, ulcers, and fistulas, aneurisms, and wounded arteries, fractures of the linbs, and the duties of the military and hospital surgeon. Edinburgh: Printed for T. Cadell, jun. [and others], 1801.

Berry DJ, Von Knoch M, Schleck CD, Harmsen WS. Effect of femoral head diameter and operative approach on risk of dislocation after primary total hip arthroplasty. J Bone Jt Surg. 2005;87(11)2456-63.    

Binns M. Thompson hemi-arthroplasty through a trochanteric osteotomy approach. Injury. 1985;16(9)595-8. 

Chen JH, Al’Khafaji I, Ernstbrunner L, O’Donnell J, Ackland D. Joint contact behavior in the native, ligamentum teres deficient and surgically reconstructed hip: A biomechanics study on the anatomically normal hip. Clinical Biomechanics. 2025;130:106666. DOI: 10.1016/j.clinbiomech.2025.106666

Cowper W. The anatomy of humane bodies: with figures drawn after the life by some of the best masters in Europe, and curiously engraven in one hundred and fourteen copper plates, illustrated with large explications, containing many new anatomical discoveries, and chirurgical observations: to which is added an introduction explaining the animal oeconomy, with a copious index. Oxford: Printed at the Theater, for Sam. Smith and Benj. Walford, printers to the Royal Society, at the Princes Arms in St. Paul's Church Yard, London, MDCXCVIII [1698].

Dargel J, Oppermann J, Brüggemann GP, Eysel P. Dislocation Following Total Hip Replacement. Dtsch Arztebl Int. 2014;111(51-52)884-90.   

Dudko GE. Method of endoprosthetics of proximal end of femur (Дудко ГЕ Способ эндопротезирования проксимального конца бедра). SU1551366A1 October 29, 1986. 1990.

Fender D, Harper WM, Gregg PJ. Outcome of Charnley total hip replacement across a single health region in England: the results at five years from a regional hip register. J Bone Jt Surg Br. 1999;88(4)577-81.

Genga B. Anatomia chirurgica cioe Istoria anatomica dell'ossa, e muscoli del corpo humano, con la descrittione de vasi piu riguardeuoli che scorrono per le parti esterne, & un breue trattato del moto, che chiamano circolatione del sangue di Bernardino Genga da Mondolfo. Roma: per Nicolò Angelo Tinassi, 1672.

Hedlundh U, Sanzen L, Fredin H. The prognosis and treatment of dislocated total hip arthroplasties with a 22 mm head. J Bone Jt Surg Br. 1997;79(3)374-8.   

Ito H, Tanaka S, Feng Y, Nabae H, Harada Y, Fukuhara A, Suzumori K. A Canine Musculoskeletal Robot for Investigating Biomechanical Functions During Locomotion. Advanced Robotics Research. 2025;e202500170. DOI: 10.1002/adrr.202500170

Kwon MS, Kuskowski M, Mulhall KJ, Macaulay W, Brown TE, Saleh KJ. Does surgical approach affect total hip arthroplasty dislocation rates? Clin Orthop Relat Res. 2006;447:34-8. 

Meek RM, Allan DB, McPhillips G, Kerr L, Howie CR: Epidemiology of dislocation after total hip arthroplasty. Clin Orthop Relat Res. 2006;447:9-18.  

Meyer GH. Lehrbuch der physiologischen Anatomie des Menschen. Leipzig: Verlag von Wilhelm Engelmann, 1856.

Parvizi J, Picinic E, Sharkey PF. Revision total hip arthroplasty for instability: surgical techniques and principles. J Bone Jt Surg. 2008;90(5)1134-42.

Patel PD, Potts A, Froimson MI. The dislocating hip arthroplasty: prevention and treatment. J Arthroplasty. 2007;22(4)86-90.  

Pellet LL. Hip arthroplasty with flexible securing means. US2765787A August 2, 1954. 1956.

Savory WS. On the use of the ligamentum teres of the hip joint. J Anat Physiol. 1874;8(2)291-6.

Teng J, Zhang S, Li J, Li B, Ren L, Wang K, Xie H, Lu X, Tang J, Ren L. Artificial Hip Joint Round Ligament with High Fidelity to Human Structures and Mechanics via Bioinspired 3D Braided Fibers. Journal of Bionic Engineering. 2025. DOI: 10.1007/s42235-025-00783-9

Thompson FR. Vitallium hip intramedullary prosthesis, preliminary report. NY State J Med. 1952;52(24)3011-20.

Turner W. Atlas and Handbook of Human Anatomy and Physiology. Edinburgh: W. & A.K. Johnston, 1857.

Waggoner WH. Dr. Frederick Thompson, 75, Developer an Artificial Hip. New York Times. April 15, 1983, Section D,18.

Walther AF. De articulis ligamentis et musculis hominis incessu statuque dirigendis in theatro anatomico Lipsiensi observationes fecit denuo recognovit et iconibus illustravit Augustinus Frid. Walther. Lipsiae: Apud Jon. Frid. Gleditschii B.Fil. MDCCXXVIII [1728].

Weber W, Weber E. Mechanik der menschlichen Gehwerkzeuge: eine anatomisch-physiologische Untersuchung. Gottingen: Dietrichsche Buchhandlung, 1836.

Zhang Y, Wang J, Gu L, Martin HD, Martin RL. A finite element analysis model to support ligamentum teres function. Journal of Hip Preservation Surgery. 18 April 2025;hnaf017. DOI: 10.1093/jhps/hnaf017

Архипов СВ. Роль связки головки бедренной кости в патогенезе коксартроза: дис. … канд. мед. наук. Москва, 2012.

Архипов СВ. Эндопротезы с аналогом ligamentum capitis femoris как свидетельства смены парадигмы в артропластике: Систематический обзор. Часть 1. История, материал и методы. О круглой связке бедра. 22.02.2025. kruglayasvyazka.blogspot.com

Архипов СВ. Эндопротезы с аналогом ligamentum capitis femoris как свидетельства смены парадигмы в артропластике: Систематический обзор. Часть 2. Результаты и списки. О круглой связке бедра. 22.02.2025. kruglayasvyazka.blogspot.com

Архипов СВ. Эндопротезы с аналогом ligamentum capitis femoris как свидетельства смены парадигмы в артропластике: Систематический обзор. Часть 3. Дискуссия и заключение. О круглой связке бедра. 22.02.2025. kruglayasvyazka.blogspot.com

Архипов-Балтийский СВ. Рассуждение о морфомеханике. Норма. В 2-х томах. Испр. и доп. изд. Калининград, 2004. 

---

[x] Приложение

Автор статьи

Архипов С.В. – независимый исследователь, кандидат медицинских наук, врач-хирург, травматолог-ортопед, медицинский писатель, Йоенсуу, Финляндия.

Адрес для переписки: Сергей Архипов, эл. почта: archipovsv @ gmail.com

 

История статьи

28.12.2025 - опубликована интернет-версия статьи. 

 

Рекомендуемое цитирование

Архипов СВ. Улучшение послеоперационного комфорта и повышение надежности тазобедренного протеза путем дополнения искусственными связками: Демонстрация концепции и прототип. О круглой связке бедра. 28.12.2025. https://kruglayasvyazka.blogspot.com/2025/12/blog-post.html

 

Примечание

Интернет-версия подразумевает периодические дополнения (см. Историю статьи).

 

Ключевые слова

ligamentum capitis femoris, ligamentum teres, связка головки бедра, круглая связка, связка головки бедренной кости, эндопротез, осложнение, вывих эндопротеза

---

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

Фиксаторы и эндопротезы

Хирургическое лечение