Модель нижней конечности для изучения торсионного развития

Биомеханика нижней конечности и крупных суставов у взрослых изучена рядом авторов довольно полно (В. Е. Беленький, 1962; X. А. Янсон, 1976; И. П. Шуляк, 1980; В. С. Шаргородский и Г. И. Герцен, 1982; Ducrquet, 1977), однако у детей — явно недостаточно.

Раскрыть биомеханику торсионного развития сегментов нижней конечности в норме и при ее деформациях при жизни человека почти невозможно ввиду отсутствия визуального контроля в динамике над функцией глубоколежащих мышц. Следовательно, более достоверным методом изучения этого процесса в норме и патологии, на наш взгляд, является способ объемного моделирования нижней конечности в целом.

На основании полученных результатов антропометрических и анатомических исследований мы создали объемную модель нижней конечности с целью раскрытия механизма ее торсионного развития (рис. 35). Величина модели соответствует размерам нижней конечности 2—3-летнего ребенка и позволяет наглядно воспроизвести механизм тор-сии сегментов в статике и динамике. На рис. 36 изображены дистальные сегменты модели нижней конечности (вид сбоку, изнутри, справа), блоки, установленные на местах начала имитаторов мышц.

Модель состоит из имитатора тазовой кости (1), который посредством шарового шарнира (2) установлен на вершине углообразно изогнутой стойки (3). К имитатору тазовой кости (1) на оси прикреплен металлический имитатор верт-лужной впадины в виде полусферы (5), который можно перемешать в сагиттальной плоскости за счет винта (6). Имитатор головки бедра (7), установленный в полусфере (5), выполнен из ригидного материала (органическое стекло марки 10292-74), который жестко посажен на Рис. 35. Схема модели левой нижней конечности, общий вид спереди.

Рис. 36 Схема модели дисталь-ных сегментов нижней конечности, вид изнутри.

имитатор шейки бедра (8). Имитатор шейки (8) и диафиз бедренной кости (9) выполнены из упругоэластичного материала (резина марки СКУ-6). Угол антеторсии бедренной кости без нагрузки составляет 35°, что соответствует средней величине антеторсии новорожденного. Внутри диафиза имитатора бедренной кости (9) по всей длине просверлен канал и заполнен смазочным материалом. В этот канал вставлен стержень с полированной поверхностью (10), который исключает возможность изгиба имитатора бедренной кости (9) при воздействии различных сил на его концы. В то же время благодаря стержню (10) имитатор может скручиваться вокруг продольной оси под действием торсионных сил. Имитатор болыиеберцовой кости (11) выполнен также из упругоэластичного материала ((резина марки 52-336). Угол торсии имитатора без нагрузки составляет 0°. Имитатор большеберцовой кости (11) на две трети снизу армирован стержнем (12) с винтовой нарезкой, который включает скручивание имитатора в этой области. Имитатор малоберцовой кости (13) выполнен из ригидного материала (текстолит марки 5-78). Скручивание имитатора большеберцовой кости (11) вокруг своей продольной оси происходит в области верхней трети, свободной от винтовощ стержня (12). Изгиб его в этой зоне (под действием скручивающих сил) на концах исключается ри-гидными свойствами имитатора малоберцовой кости (13), а также за счет местного соединения берцовых костей в проксимальном отделе.

Имитаторы бедренной (9) и берцовых (11, 13) костей в коленном суставе соединены за счет имитаторов крестообразных (14) и боковых (15) связок. Имитаторы, связок выполнены из цилиндрических пружин диаметром 3—5 мм. Жесткое соединение берцовых костей осуществляется винтом (16).

Имитаторы берцовых костей (11, 13) подвижно соединены между собой пружиной (17), а также с костями стопы (18). Пружина (17) имитирует нижнюю межберцовую, дельтовидную, таранно-пяточную и таранно-малоберцовые связки.

Имитаторы костей стопы изготовлены из ригидного материала (древесина), передний отдел имитаторов костей стопы — из того же материала одним блоком. Движения сохранены в голеностопном (19) подтаранном (20) и шо-паровом (21) суставах. Пружины выступают в роли связок суставов.

Имитаторами основных мышц, участвующих в механизме торсионного развития бедра и голени, являются демпфированные в середине тяги за счет тарированных пружин (22), растяжение которых при нагрузке 200 г составляет 1 мм. Роль приводящих и отводящих мышц (23, 24) бедра, пояснично-подвздошной мышцы (25), наружных ротаторов (26) бедра, а также сгибателей (27) и разгибателей (28) голени, сгибателей стопы (29), малоберцовых мышц (30), мышц задней большеберцовой (31) и передней большеберцовой (32) выполняют демпфированные тяги, подвижно прикрепленные к соответствующим местам анатомического прикрепления сухожилий мышц на имитатоpax сегментов нижней конечности- Подвижность прикрепления тяг обеспечена за счет колец (33), установленных на винтах (34), ввернутых в имитаторы костей нижней конечности. Проксимальные концы тяг — имитаторов мышц перекинуты через блоки (35) одинаковой величины, но различной конструкции. Блоки установлены соответственно местам начала мышц на имитаторах мыщелков бедренной кости (36), большеберцовой кости (37). Перекинутые концы тяг снабжены грузами (38) различной величины.

Модель используется следующим образом. Для воспроизведения и изучения механизма уменьшения угла анте-торсии бедренной кости создают равновесие между имитаторами приводящих (23) и отводящих (24) мышц бедра. Поперечную ось мыщелков имитатора бедренной кости (9) устанавливают под углом 15° относительно фронтальной плоскости, а продольную ось имитатора шейки бедра (8) — под углом 45° (такое расположение концов бедренной кости в пространстве относительно фронтальной плоскости соответствует положению бедренной кости новорожденного). Для этого приводят в действие имитатор мышцы наружного ротатора (26) бедра (грушевидная мышца) путем увеличения груза на конце тяги. Наклон плоскости входа в вертлужную впадину устанавливают под углом 34—40°, а наклон таза — под углом 55—60° поворотом имитатора тазовой кости (1) в шаровом шарнире (2). Фронтальную инклинацию имитатора вертлужной впадины (5) устанавливают также за счет шарового шарнира (2) в пределах 40—45°. Создают равновесие между сгибателями (27) и разгибателями (28) голени. Нагружают тяги, имитирующие пояснично-подвздошную мышцу (25), переднюю порцию отводящей мышцы (24) бедра и большую приводящую мышцу (23) бедра. Величину груза при этом подбирают эмпирически.

Под воздействием приложенных сил происходит внутренняя ротация бедренной кости на 20—22°, поэтому поперечную ось мыщелков имитатора бедренной кости (9) устанавливают под углом 6—8°, открытым кнутри относительно фронтальной плоскости. Уменьшение имеющегося угла антеторсии в 30° производят увеличением угла фронтальной инклинации имитатора вертлужной впадины (5) от 70—80° завинчиванием винта (6). При этом имитатор вертлужной впадины (5) отклоняется спереди кнаружи, то есть ближе к сагиттальной плоскости за счет поворота на оси (4). Передним краем имитатора верлужной впадины (5) создают давление на имитатор головки бедра (7) спереди назад, и угол антеторсии имитатора бедренной кости (9) уменьшается с 30° до 10—12°, так как на его концах возникают скручивающие силы, как и при нагрузке на живую кость человека, что соответствует величине антеторсии бедра взрослого человека. Изменение же инкли-нации имитатора вертлужной впадины от 60 до 80° соответствует повороту костей таза при ходьбе во время заднего толчка и переносной фазы шага. В данных фазах шага происходит максимальное напряжение пояснично-под-вздошной мышцы (25) и мышц наружных ротаторов (26) бедра. Вследствие этого осуществляется внутреннее скручивание бедренной кости, то есть процесс торсионного развития указанного сегмента конечности человека в период роста. Таким образом, механизм внутреннего скручивания бедренной кости имитируется на модели как бы при ходьбе, что достигается изменением угла инклинации подвижного имитатора вертлужной впадины (5) на неподвижном имитаторе тазовой кости (1), а также созданием напряжения определенных имитаторов мышц Для воспроизведения наружного скручивания костей голени (которое происходит к 4—5 годам жизни ребенка от нулевого положения до + 18—25° кнаружи от фронтальной плоскости) параллельно устанавливают и стабилизируют мыщелки бедренной (9) и большеберцовой (И) костей во фронтальной плоскости, для этого увеличивают грузы на концах внутренней и наружной частей тяги (27). Внутренняя часть тяги (27) соответствует полусухожильной и полуперепончатой мышцам, а наружная — имитирует двуглавую мышцу бедра

Увеличивают натяжение и разгибателя (28) голени (четырехглавая мышца), а также сгибателя (29) стопы (икроножная мышца). Имитатор костей стопы (18) устанавливают под углом 100—110° относительно имитатора берцовых костей (11, 13), приводя в действие имитатор передней большеберцовой мышцы (32). Затем одинаковыми по величине грузами нагружают тяги, имитирующие заднюю большеберцовую мышцу (31) и длинную малоберцовую мышцу (30), что ведет к скручиванию имитаторов костей голени (11, 13) кнаружи, так как плечо силы задней большеберцовой мышцы (31) в 2— 2,5 раза больше, чем плечо силы длинной малоберцовой мышцы (30). Это соответствует анатомическому строению голени. При скручивании костей голени внутренняя лодыжка за счет подвижного соединения (17) смещается кпереди относительно наружной в голеностопном суставе (19). Поэтому внутренняя лодыжка оказывает давление на блок и шейку таранной кости изнутри кнаружи, а наружная лодыжка давит на блок таранной кости несколько сзади снаружи внутрь. В результате таранная кость поворачивается кнаружи на 8—10° в подтаранном (20) и шопаро-вом (21) суставах. Возможность искривления имитатора большеберцовой кости (11) в верхней трети при воспроизведении торсии исключается жестким соединением ригид-ного имитатора малоберцовой кости (13). Скручивание имитатора большеберцовой кости (11) происходит в верхней трети, где нет винтового стержня (12), что соответствует механизму торсии костей голени в норме, зависящей от особенностей прикрепления мышц к этой области. Смещение наружной лодыжки натягивает сухожилие малоберцовой мышцы, а в модели — его имитатор (30), в результате кость оказывает давление на передний отдел пяточной кости. Последняя, в свою очередь, также передним отделом поворачивается кнаружи, а задний ее отдел уходит кнутри на 10—12°, образуя нормальный разворот стопы1 от осевой линии.

Модель наглядно и с большой точностью воспроизводит механизм торсионного развития сегментов нижней конечности человека в период роста. Она позволяет продемонстрировать функции не только отдельных мышц, но и нескольких групп одновременно при изучении торсионного механизма, что повышает чистоту эксперимента, поскольку обеспечивается точное определение направления сил мышц и их моментов сил в любой плоскости. Совершаемая мышцами работа визуальна при скручивании костей в движениях сегментов в суставах, что делает изучение механизма торсионного развития объективным как в норме, так и при ортопедической патологии.