Войти

Биомеханика тазобедренного сустава

22.03.2025
91 просмотр
Вопросы и комментарии

Введение

Биомеханика, механика движения.

«Биомеханика — это просто физика (механика) движения, проявляемого или создаваемого биологическими системами. Более конкретно, биомеханика — это высоко интегрированная область изучения, которая исследует силы, действующие на тело и внутри него, а также силы, производимые телом».[1]

При обсуждении тазобедренного сустава биомеханики, необходимо учитывать, как кости, связки и мышцы передают вес тела от осевого скелета на нижнюю конечность.[2]

Статическая нагрузка

Модель Коха

Средняя ягодичная мышца

Кох впервые предложил статическую модель биомеханики тазобедренного сустава. Согласно его теории, соотношение рычагов тела и рычагов мышцы-отводки составляет 2:1. Это означает, что в положении на одной ноге средняя ягодичная мышца должна производить силу, равную двум массам тела, чтобы поддерживать баланс и предотвращать наклон тела в сторону не поддерживаемой ноги. В этой модели средняя ягодичная мышца является единственной мышцей, обеспечивающей сопротивление нагрузкам, воздействующим на бедренную кость. Кох предложил, что средняя ягодичная мышца преобразует эти нагрузки в растягивающие нагрузки на латеральной стороне бедренной кости ниже места прикрепления средней ягодичной мышцы и в сжимающие нагрузки на латеральной стороне дистальной трети бедренной кости. Однако было отмечено, что первоначальное заявление Коха не объясняет хорошо, как растягивающая нагрузка превращается в сжимательную нагрузку в дистальной части бедренной кости.[3]

Двусторонняя опора на конечности

У новорожденных и до четырехлетнего возраста угол между шеей и стержнем бедренной кости составляет примерно 160-165 градусов.[4] Прямая осанка постепенно уменьшает этот угол, пока он не достигнет 130-135 градусов. Затем он остается неизменным на протяжении всего процесса развития тела и роста кости несмотря на то, что человек все чаще находится в вертикальном положении, а масса тела продолжает увеличиваться.[5]

При двусторонней опоре центр тяжести расположен между двумя тазобедренными суставами, с равной силой, прикладываемой к каждому тазобедренному суставу. Сама точка центра тяжести тела расположена приблизительно на один сантиметр перед первой крестцовой частью.[5] Гравитация воздействует на нижние конечности в вертикальном направлении. В условиях таких нагрузок вес тела за вычетом веса обеих ног поддерживается одинаково на головках бедренной кости.[5]

[6]

Костная ткань реагирует на различные требования, в том числе на влияния окружающей среды. Специфические реакции включают развитие гипертрофической или атрофической кости либо изменение качества кости в зонах сжатия (кортикальная кость) или растягивающей нагрузки (губчатая кость).[5]

Стабильность суставов нижних конечностей зависит от:[5]

  • Геометрии суставов: стабильности в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах
  • Целостности мягких тканей: стабильности динамических (мышцы, сухожилия, фасция) и статических элементов (связки). В ответ на требования динамические структуры регулируют свою длину, а статические структуры натягиваются при разгибании на одной стороне и, соответственно, натягиваются при сгибании на другой.[5]

Упор на одной ноге

Статические и динамические модели производства силы отводящих мышц бедра (по данным Уорренера и др.)

Во время упора на одной ноге происходят следующие изменения:[7]

  • Центр тяжести перемещается дистально и отходит от поддерживающей ноги
  • Неподдерживающая нога становится частью массы тела, действующей на несущую бедренную часть
  • Нисходящая сила создает вращающий момент вокруг центра головки бедренной кости
  • Отводящие мышцы, включая верхние волокна большой ягодичной мышцы, напрягатель широкой фасции бедра, среднюю и малую ягодичные мышцы, грушевидную и внутреннюю запирательную мышцы, компенсируют действие мышц, сопротивляющихся вращению головки бедренной кости. Это создает момент вокруг центра головки бедра
  • Рычаг отводящих мышц короче рычага массы тела. Следовательно, комбинированная сила отводящих мышц должна составлять кратное массы тела (обычно втрое больше массы тела), что соответствует рычажному соотношению 2,5

Более значительные силы на бедро требуются для людей с широкой тазовой костью и короткими шейками бедра. У таких людей повышено соотношение рычага, и, следовательно, требуется увеличение силы отводящих мышц. Эти лица склонны к повышенному риску патологий бедра, включая артритные состояния.[5] Однако исследование Уорренера и др.[8] показало, что ширина таза не предсказывает механику отводящих мышц бедра или затраты на локомоцию ни у женщин, ни у мужчин.

Примеры поз, которые указывают на повышенное рычажное плечо и уменьшенную силу отведения бедра:[7]

  • В положении лежа на спине ноги "выпадают"
  • В положении сидя с перекрещенными лодыжками, большой живот пациента заставляет его бедра находиться в положении отведения и наружной ротации, а его колени "разбросаны"

Силы в суставе бедра

Средние нагрузки на тазобедренный сустав, измеренные у пациентов, которые перенесли полное замещение тазобедренного сустава, были следующими:

  • Ходьба: около 4 км/ч, 238% массы тела (МТ) (160 до 330% МТ)[9][10]
  • Спуск по лестнице: 108% до 260% МТ[11]
  • Подъем по лестнице: 251% МТ[10]
  • Во время подъема со стула и наклонов: 40% МТ[11]
  • Стоя: 32% МТ
  • Упор на одной ноге: 230 до 290% МТ[9]

Примечание: "спотыкания или периоды нестабильности во время упора на одной ноге могут вызывать результирующие силы свыше восьми раз массы тела"[12]

Приведенные выше цифры указывают на то, что наибольший стресс на тазобедренный сустав происходит во время ходьбы и спуска по лестнице. Развитие патологии тазобедренного сустава, например, остеоартрита может быть предсказано, когда данные действия выполняются повторно и/или в неблагоприятных условиях. [11]

Динамическая модель биомеханики бедра

По данным Коха,[3] для поддержания стабильности тазобедренного сустава средняя ягодичная мышца должна генерировать силу, вдвое превышающую массу тела, во время упора на одной ноге. Однако, на основе различных данных, связанных с динамикой бедра и полной моделью стабильности, было сделано заключение, что подвздошно-большеберцовый тракт (ПБТ) играет значительную роль в поддержании стабильности бедра. Следующие наблюдения подтверждают эту теорию:[5]

  • Средняя ягодичная мышца менее активна на стадии средней опоры ходьбы
  • Подвздошно-большеберцовый тракт служит как натяжная лента, уменьшает метаболический спрос и снижает электрическую активность средней ягодичной мышцы на стадии средней опоры ходьбы
  • У пациентов с ампутациями ниже колена наблюдается нарушенная функция подвздошно-большеберцового тракта как стабилизатора тазобедренного сустава из-за потери его дистального прикрепления[5]

Клиническая значимость

Болезненный тазобедренный сустав

Правильное использование трости снижает боль в тазобедренном суставе

Управление болями в тазобедренном суставе должно включать уменьшение реакции суставных сил. Это можно достичь с помощью следующих методов:

  • Снижение массы тела
  • Увеличение силы абдукторов
  • Снижение момента силы путем приближения центра тяжести к центру головки бедренной кости через:
    • Хромоту (анталгическая походка)
    • Использование трости в противоположной руке - это снижает силу реакции сустава на 50%, если приблизительно 15% массы тела приходится на трость.[13]

Когда человек использует трость для поддержки, сила реакции сустава уменьшается, потому что "сила реакции трости на землю действует на гораздо большем расстоянии от центра бедра, чем мышцы-абдукторы".[13] Даже когда через трость применяется небольшая нагрузка, пациент может снизить требуемую нагрузку на мышцы-абдукторы для поддержания стабильности сустава во время походки.[13] 

Подъем по лестнице

При подъеме по лестнице пациенты с остеоартритом демонстрируют:[14]

  • Ограниченный диапазон движений в тазобедренном суставе во всех трех плоскостях: сагиттальной, поперечной и лобной
  • Низкий пиковый момент внешней ротации бедра

При спуске с лестницы такие пациенты демонстрируют:

  • Увеличение наклона туловища в ипсилатеральную сторону
  • Снижение диапазона движений в сагиттальной плоскости
  • Низкий пиковый момент внешнего разгибания
  • Низкий пиковый момент внешней ротации
  • Высокий момент аддукции бедра
  • Высокий импульс момента аддукции бедра
  • Высокий импульс внутреннего момента ротации[14]

Физиотерапевтический подход к улучшению движения по лестнице для людей с остеоартритом может включать:

  • ТЭНС как способ снижения нагрузки на стадию раннего остеоартрита коленного сустава[15]
  • Силовые тренировки для улучшения массы мышц бедра. Это было положительно коррелировано с успехом в подъеме по лестнице и вставанием со стула[16]
  • Назначение тренировок на выносливость для пациентов с умеренным или тяжелым остеоартритом тазобедренного сустава. Это может улучшить выносливость разгибателей колена, которые играют важную роль в повседневной функции[17]

Ампутация нижней конечности

Ампутация выше колена

Пациенты с ампутацией выше колена демонстрируют положительную походку Тренделенбурга несмотря на сохранение функции абдукторов бедра. Тем не менее, в этой группе пациентов средняя ягодичная мышца не способна обеспечивать достаточную стабильность бедра во время походки из-за потери функции подвздошно-большеберцового тракта в обеспечении дополнительной стабильности сустава.

Лечение может включать хирургическую технику тенодеза ПБТ и латеральных мягкотканых структур к дистальному отделу бедра.[5]

Ресурсы

  1. Zaghloul A, Elalfy MM. Тазобедренный сустав: эмбриология, анатомия и биомеханика. Biomed J Sci & Tech Res, 2018 12(3).
  2. Биомеханика тазобедренного сустава https://www.orthobullets.com/recon/9064/hip-biomechanics

Ссылки

  1. ↑ McLester J, Pierre PS. Прикладная биомеханика. Jones & Bartlett Learning; 2019 Mar 8.
  2. ↑ Van Houcke J, Khanduja V, Pattyn C, Audenaert E. История биомеханики в тотальном эндопротезировании тазобедренного сустава. Indian Journal of Orthopaedics. 2017 Aug;51(4):359-67.
  3. ↑ 3.0 3.1 Fetto J, Leali A, Moroz A. Эволюция модели Коха биомеханики тазобедренного сустава: клиническая перспектива. J Orthop Sci. 2002;7(6):724-30.
  4. ↑ Feger J. Угол шейки-дистального конца бедра. Справочный статья, Radiopaedia.org. (обращение 07 Mar 2022) https://doi.org/10.53347/rID-81120
  5. ↑ 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 Fetto JF. Динамическая модель биомеханики тазобедренного сустава: вклад мягких тканей. Advances in Orthopedics. 2019 Jun 4;2019.
  6. ↑ Mock FRCS Cardiff. Схема свободного тела для тазобедренного сустава. 2016. Доступно по ссылке: https://www.youtube.com/watch?v=H0SoMQ_L7-k [последний доступ 27/02/2022]
  7. ↑ 7.0 7.1 Pandya R. Курс биомеханики тазобедренного сустава. Plus. 2022.
  8. ↑ Warrener AG, Lewton KL, Pontzer H, Lieberman DE. Широкий таз не увеличивает стоимость передвижения у людей, что имеет значение для эволюции родов. PLoS One. 2015 Mar 11;10(3):e0118903.
  9. ↑ 9.0 9.1 Rydell NW. Силы, действующие на протез головки бедренной кости. Исследование с использованием протезов, снабженных тензодатчиками, у живых людей. Acta Orthop Scand. 1966;37:Suppl 88:1-132.
  10. ↑ 10.0 10.1 Bergmann G, Deuretzbacher G, Heller M, Graichen F, Rohlmann A, Strauss J, Duda GN. Контактные силы в тазобедренном суставе и параметры походки при рутинных действиях. J Biomech. 2001 Jul;34(7):859-71.
  11. ↑ 11.0 11.1 11.2 Luepongsak N, Amin S, Krebs DE, McGibbon CA, Felson D. Вклад типа ежедневной активности в нагрузку на тазобедренные и коленные суставы у пожилых людей. Osteoarthritis Cartilage. 2002 May;10(5):353-9.
  12. ↑ Bergmann G, Deuretzbacher G, Heller M, Graichen F, Rohlmann A, Strauss J, Duda GN. Контактные силы в тазобедренном суставе и параметры походки при рутинных действиях. J Biomech. 2001 Jul;34(7):859-71.
  13. ↑ 13.0 13.1 13.2 Lim LA, Carmichael SW, Cabanela ME. Биомеханика тотального эндопротезирования тазобедренного сустава. The Anatomical Record: An Official Publication of the American Association of Anatomists. 1999 Jun 15;257(3):110-6.
  14. ↑ 14.0 14.1 Hall M, Wrigley TV, Kean CO, Metcalf BR, Bennell KL. Биомеханика тазобедренного сустава при подъеме и спуске по лестнице у людей с остеоартритом тазобедренного сустава и без него. Journal of Orthopaedic Research. 2017 Jul;35(7):1505-14.
  15. ↑ Iijima H, Eguchi R, Shimoura K, Yamada K, Aoyama T, Takahashi M. Транскутанная электрическая стимуляция нервов улучшает способность к подъему по лестнице у людей с остеоартритом колена. Scientific reports. 2020 Apr 29;10(1):1-9.
  16. ↑ Bieler T, Kristensen AL, Nyberg M, Magnusson SP, Kjaer M, Beyer N. Упражнения у пациентов с остеоартритом тазобедренного сустава - влияние на мышечную и функциональную производительность: рандомизированное исследование. Physiotherapy Theory and Practice. 2021 May 8:1-2.
  17. ↑ Burgess LC, Taylor P, Wainwright TW, Swain ID. Дефицит силы и выносливости у взрослых с умеренным и тяжелым остеоартритом тазобедренного сустава по сравнению со здоровыми пожилыми людьми. Disability and Rehabilitation. 2021 Jun 20:1-8.

Вопросы и комментарии