Penguin LCF. Pt. 3








Title
LCF Пингвина. Часть 3
Аннотация
Введение в биомеханику тазобедренного сустава пингвинов, уточнение ориентации ligamentum capitis femoris (LCF) в их тазобедренном суставе и ее перемещении при артикуляциях
Введение в биомеханику тазобедренного сустава пингвинов
Пингвины, как и люди, передвигаются по суше преимущественно посредством бипедальной ходьбы. При подобном виде локомоций, во время опоры на тазовую конечность и ее переносе, наиболее значимые движения совершаются в тазобедренном суставе. Можно предположить, что их стереотип схож у пингвина и человека, так как принципиальных отличий в строении тазобедренных суставов нет.
Таз пингвина при ходьбе и в ортостатических позах следует рассматривать в вертикальном положении (Penguin LCF. Pt. 1). В соответствие с этим должна описываться и вертлужная впадина. Отличительные особенности вертлужной впадины пингвина:
- расположена вертикально в сагиттальной плоскости;
- ширина суставной поверхности больше в вентральном отделе;
- дно вертлужной впадины образует перепонка,
- вырезка вертлужной впадины сустава редуцирована,
- содержит дополнительную костно-хрящевую часть – противовертел.
Бедренная кость с продольной осью крестца образует приблизительно прямой угол. У человека подобное соотношение описывается как позиция сгибания.
Биомеханика тазобедренного сустава пингвина и человека до конца не расшифрована. Также мало известна роль LCF в функционировании опорно-двигательной системы. По мнению В.А. Неверова, В.А. Шильникова (1993) у человека LCF играет важную роль в биомеханике тазобедренного сустава. Н.А. Воробьев (1960, 1962) указывал, что только при определенных условиях «биомеханическая функция» LCF значительна. Hamphry, Morris, Poirier et Gilis, Fick, Mayer полагали, что у взрослого LCF «…вообще не играет никакой роли», так как при ее пересечении указанные авторы не отмечали изменения амплитуды движений в тазобедренном суставе (1922НиколаевЛН). Вместе с тем, ранее рассматриваемая как атавизм без очевидной функции, LCF теперь признается в качестве важного стабилизатора бедра, существенного потенциального источника боли и причиной механических симптомов в тазобедренном суставе (1883SuttonJB; 1976BombelliR; 2009BardakosNV_VillarRN; 2010CerezalL_Pérez-CarroL).
Известно, что LCF натягивается при сгибании, приведении и супинации в тазобедренном суставе (2009LampertC; 2009BardakosNV_VillarRN). Обращает на себя внимание то, что указанные виды движений наблюдаются при ходьбе. Так в начале одноопорного периода шага присутствует супинация и сгибание бедра, а в его средине и конце имеет место наклон таза в неопорную сторону и приведение бедра (1993BombelliR; 1992PerryJ_BurnfieldJM; 2007СкворцовДВ). Согласно современным представлениям о биомеханике ходьбы, в одноопорном периоде шага таз во фронтальной плоскости удерживается усилием отводящей группы мышц, а тазобедренный сустав представляет собой аналог рычага первого рода, точкой опоры которого является центр головки бедренной кости (1984LehmkuhlL_SmithLK). Расчеты, в основу которых положена эта «классическая» концепция свидетельствуют, о том, что во время ходьбы нагрузка на головку бедренной кости может достигать, по данным J.P. Paul (1965), почти шестикратного веса тела (5.8). В связи с этим отдельные исследователи закономерно задают вопрос «…чем компенсируются огромные силы, приложенные к головке бедренной кости», и не находят на него однозначный ответ (1975ЯнсонХА).
Принятая в настоящее время концепция биомеханики бипедальной ходьбы указывает, что для удержания таза в равновесии при опоре на одну ногу отводящая группа мышц должна развивать усилие в три раза, превышающее вес тела (1980PauwelsF). Однако суммарное усилие мышц абдукторв составляет только 28.5 кг (2009КапанджиАИ). Кроме этого, электромиографическими исследованиями установлено, что биоэлектрическая активность отводящих мышц максимальна в начале одноопорного периода шага и снижается в его средине и конце (1975ЯнсонХА; 2007СкворцовДВ; 1990WinterDA). Логично предположить, что опора на одну ногу, инерция движения тела, действие приводящих мышц, наклон таза в неопорную сторону с увеличением плеча веса тела, наоборот должны вызывать увеличение усилия, развиваемого абдукторами. Приемлемого объяснения этой парадоксальной гипоактивности отводящих мышц тазобедренного сустава в публикациях иных авторов нами не найдено.
У человека суставные поверхности тазобедренного сустава в нормальных условиях соприкасаются между собой с минимальным щелевидным зазором лишь в нескольких областях (1991,1994НеверовВА_ШильниковВА). При этом LCF в норме явно не может, и не должна попадать в суставную щель. По нашим данным габариты дистального конца LCF у пингвинов составляют приблизительно около одного миллиметра толщина, и приблизительно три миллиметра ширина (Penguin LCF. Pt. 2). При таких размерах попадание ее между суставными поверхностями невозможно, в противном случае наблюдалось бы ее ущемление, повреждение или постепенное истирание. Кроме этого, длина LCF должна быть не больше расстояния от проксимальной области крепления до ближайшей точки, лежащей на противоположном внутреннем крае суставной поверхности вертлужной впадины.
Если учесть, что у человека центр проксимальной области крепления находится ниже центра ямки головки бедренной кости, то расстояние, лимитирующее длину LCF, по нашим данным равно 22.8±3.9 мм. В случае длины LCF больше указанного значения ее дистальный конец неизбежно должен вступать в контакт с краем полулунной поверхности. Из сказанного следует вывод - удлинение LCF увеличивает вероятность ее спонтанного повреждения при обычных движениях в тазобедренном суставе, что нельзя рассматривать как норму.
LCF прикрепленная к головке бедренной кости, естественно, совершает определенные движения при артикуляциях в тазобедренном суставе. Вместе с тем, если и наблюдается соприкосновение LCF с головкой бедренной кости, то только в области нижнемедиального сектора последней, и, наверняка, отсутствует ее контакт с полулунной поверхностью вертлужной впадины. Более того, суставные поверхности тазобедренного сустава, как правило, находятся в соприкосновении, с наличием лишь щелевидных зазоров в строго определенных секторах (1994НеверовВА_ШильниковВА). Попадание между ними относительно крупного образования, каковым является LCF, скорее относится к патологии, чем к норме.
С целью уточнения биомеханики тазобедренного сустава пингвинов и роли LCF при подержании вертикальных поз и ходьбе, мы предприняли ряд экспериментальных исследований с использованием костей скелета и моделей.
Ориентация LCF у пингвина
На суше пингвины преимущественно находятся в ортостатическом положении. С вертикальным расположением тела они стоят и ходят подобно человеку. Соответственно описание строения и положения частей тела пингвина следует осуществлять относительно указанного стандартного или «исходного» положения. Здесь необходимо отметить, что передвижение пингвинов по суше, напоминает походку человека, но с двусторонней патологией тазобедренных суставов. При этом, данная аналогия до настоящего времени еще не получила детального обсуждения.
Стандартное анатомическое положение тела пингвина – вертикальное. В нем голова обращена вперед, клюв закрыт и расположен горизонтально, грудные конечности (крылья) опущены вниз, прижаты к телу и выпрямлены, тазовые конечности находятся на ширине плеч, согнуты под прямым углом в тазобедренном, коленном и голеностопном суставе, кости стоп (ласт) веерообразно направлены вперед. В близком к стандартному анатомическому положению обычно располагают препараты полных скелетов пингвинов в музеях (Рис. 1).
У большинства птиц таз, pelvis, в ортостатических позах и при ходьбе находится приблизительно в горизонтальной позиции (Рис. 2).
В отличие от них, таз, pelvis, пингвина в ортостатических позах и при ходьбе занимает положение близкое к вертикальному (Рис. 3).
В связи с этим таз, pelvis, пингвина в стандартном анатомическом положении необходимо располагать вертикально, а бедренную кость, os femur, горизонтально. Бедренная кость, os femur, в стандартном анатомическом положении имеет нижний конец, extremitas distalis femoris, направленный вперед, а верхний конец, extremitas proximalis femoris, назад. При этом шейка бедренной кости, collum femoris, и головка бедренной кости, caput femoris, обращены во внутрь, вниз и назад. В стандартном анатомическом положении таза, pelvis, сложный крестец, os synsacrum, расположен вертикально, хвостовой конец которого направлен вниз. Внутренняя поверхность таза, pelvis, обращена вперед, а вершина лобковой кости, apex pubis, направлена вниз. Вход в вертлужную впадину, acetabulum, открыта в латеральном направлении, а наружный пограничный гребень вертлужной впадины, crista terminalis acetabuli externus, лежит в сагиттальной плоскости. Длинная ось противовертела, antitrochanter, повернута на 135° в сагиттальной плоскости и направлена вниз, назад и кнаружи (Рис. 4).
Вдавление вертлужной впадины, impressio acetabuli, находится в переднем отделе, суставной поверхности вертлужной впадины, facies articularis acetabuli. Луч, соединяющий центр вертлужного отверстия, foramen acetabuli, и вдавление вертлужной впадины, impressio acetabuli, повернут вперед в сагиттальной плоскости на 270° (Рис. 5).
Ранее нами установлено, что вдавление вертлужной впадины, impressio acetabuli, является областью прикрепления проксимального конца LCF, extremitas proximalis ligamentum capitis femoris. Вероятно, в данном месте начинается проксимальная часть ее порции именуемой округлая связка, ligamentum teres (1971CracraftJ; Struthio camelus). При наклоне тазовой кости, os coxae, вперед вдавление вертлужной впадины, impressio acetabuli, и область прикрепления проксимального конца LCF, extremitas proximalis ligamentum capitis femoris, закономерно смещаются вниз на величину угла поворота тазовой кости, os coxae. Обозревая тазовую кость, os coxae, изнутри, вдавление вертлужной впадины, impressio acetabuli, не видно, будучи скрыто внутренним пограничным гребнем вертлужной впадины, crista terminalis acetabuli internus. При этом о положении вдавления вертлужной впадины, impressio acetabuli, можно судить по расположению вырезки отверстия вертлужной впадины, incisura foraminis acetabularis, которая расположена кзади от вдавления вертлужной впадины, impressio acetabuli. Мы полагаем, что в области вырезки отверстия вертлужной впадины, incisura foraminis acetabularis, прикрепляется проксимальный конец другой части LCF, который носит название задняя вертлужная связка, ligamentum acetabularis posterior (1971CracraftJ; Struthio camelus). Угол между данной порцией LCF и второй порции - округлой связки, ligamentum teres, по нашим измерениям приблизительно составляет 5°.
При изучении экспозиции скелетов пингвинов в Зоологическом музее МГУ (Москва), мы уточнили положение таза, pelvis, и бедренной кости, os femur. В скелете королевского пингвин (Aptenodytes patagonica), зафиксированного в симметричной двухопорной ортостатической позе таз, pelvis, наклонен вперед 6°, а наклон бедренной кости, os femur, составляет 50°. Таз, pelvis, скелета очкового пингвина (Sheniscus demersus l.), зафиксированного в трехопорной ортостатической позе, располагается вертикально, а угол наклона бедренной кости, os femur, 71°. У скелета золотоволосого пингвина (Eudyptes chrysolophus Brandt), зафиксированного в двухопорном периоде шага таз, pelvis, имеет наклон вперед 17°, при наклоне левой бедренной кости, os femur, 80° позади расположенной ноги, а правой, впереди расположенной ноги - 75° (Рис. 3).
В соответствие с этим мы расположили правую тазовую кость, os coxae, очкового пингвина (Spheniscus sp.), из коллекции Зоологического музея МГУ, с наклоном наклон вперед 6°, как в симметричной двухопорной ортостатической позе, а также с наклоном 17°, как в двухопорном периоде шага (Рис. 6).
При наклоне тазовой кости, os coxae, вперед закономерно изменяется положение областей прикрепления проксимальных частей LCF, extremitas proximalis ligamentum capitis femoris. Они смещались вниз и назад, на угол поворота тазовой кости, os coxae, в сагиттальной плоскости.
Дистальный конец LCF, extremitas distais ligamentum capitis femoris, прикрепляется к ямке головки бедренной кости, fovea capitis femoris (Penguin LCF. Pt. 2). Соответственно, положение области прикрепления дистального конца LCF, extremitas distais ligamentum capitis femoris, зависит от ориентации в пространстве бедренной кости, os femur.
Округлой связка, ligamentum teres, является крупнейшей порцией LCF. С целью уточнения изменения положений областей ее крепления и ориентации, мы провели ряд графических экспериментов. Изначально мы расположили тазовую кость, os coxae, вертикально, а бедренную кость, os femur, горизонтально (Рис. 7). В стандартном анатомическом положении основная порция LCF, в сагиттальной плоскости относительно области прикрепления проксимального ее конца имеет направление вниз и назад. Для уточнения мест нахождения областей крепления и ориентации округлой связки, ligamentum teres, важнейшей части LCF, в симметричной двухопорной ортостатической позе, мы виртуально расположили тазовую кость, os coxae, и бедренную кость, os femur, с наклоном, на величину углов, которые нами установлены ранее (Рис. 7).
Отмечено, что в симметричной двухопорной ортостатической позе, ориентации округлой связки, ligamentum teres, в сагиттальной плоскости относительно области прикрепления проксимального ее конца направлена вниз и назад.
Для уточнения областей крепления и ориентации округлой связки, ligamentum teres, в двухопорном периоде шага, мы виртуально расположили тазовую кость, os coxae, и бедренную кость, os femur, с углами наклона, которые установлены ранее при изучении скелета золотоволосого пингвина (Eudyptes chrysolophus Brandt), в двухопорном периоде шага (экспозиция Зоологического музея МГУ, Москва; Рис. 8).
В двухопорном периоде шага, округлая связка, ligamentum teres, важнейшая часть LCF, колеблется в сагиттальной плоскости вблизи горизонтальной позиции. У впереди расположенной ноги, при наклоне бедренной кости, os femur, на угол 75°, направлена вниз и назад, а при наклоне бедренной кости, os femur, на угол 80°, и направлена вверх и назад. Осцилляции второй порции LCF - задней вертлужной связки, ligamentum acetabularis posterior, отличаются от первой на 5°.
На изученных нами частях скелета очкового пингвина (Spheniscus sp., R-1906), на бедренной кости, os femur, сохранился фрагмент дистального конца LCF, extremitas distais ligamentum capitis femoris. При расположении таза, pelvis, в вертикальном положении, а бедренной кости, os femur, в позиции сгибания, отмечено, что ямка головки бедренной кости, fovea capitis femoris, с фрагментом дистального конца LCF, extremitas distais ligamentum capitis femoris, располагалась в нижнем секторе вертлужной впадины, acetabulum (Рис. 9).
Анализируя полученные данные выяснено, что на положение LCF, влияет ориентация в пространстве как бедренной кости, os femur, так и тазовой кости, os coxae. Мы виртуально смоделировали перемещения ямки головки бедренной кости, fovea capitis femoris, и округлой связки, ligamentum teres, (передней порции LCF), при движениях в тазобедренном суставе, articulatio coxae (Рис. 10).
Выяснено, что при виртуальном разгибании в тазобедренном суставе, articulatio coxae, ямка головки бедренной кости, fovea capitis femoris, дистальная область крепления LCF перемещается вверх и в вентральном направлении, а при сгибании совершаются обратные движения. При супинации в тазобедренном суставе, articulatio coxae, дистальная область крепления LCF перемещается вверх. При приведении в тазобедренном суставе, articulatio coxae, дистальная область крепления LCF максимально удаляется от проксимальной области крепления, а при отведении наоборот приближается к ней. Соответственно LCF, а значит и обе ее порции, будут натягиваться при приведении, супинации и пронации. Минимальное натяжение будет наблюдаться, когда ямка головки бедренной кости, fovea capitis femoris, занимает позицию в центре отверстия вертлужной впадины, foramen acetabuli, то есть при отведении бедра.
Максимальное удаление дистальной области крепления LCF, от проксимальной области крепления, определяется длиной LCF. Вместе с тем, при движениях в тазобедренном суставе, articulatio coxae, область прикрепления дистального конца LCF, extremitas distais ligamentum capitis femoris, не может выходить за границы внутреннего пограничного гребня вертлужной впадины, crista terminalis acetabuli internus. В противном случае внутренний пограничный гребень вертлужной впадины, crista terminalis acetabuli internus, как гильотина отсечет LCF, от ямки головки бедренной кости, fovea capitis femoris. Ограничителями движений, которые могут привести к травме LCF, по всей видимости, являются суставная сумка тазобедренного сустава, articulatio coxae, наружные связки и мышцы. Движения в тазобедренном суставе, articulatio coxae, с максимально натянутой LCF, возможны только в пределах ограниченного сектора в дорсальной части отверстия вертлужной впадины, foramen acetabuli, а радиусом является длина LCF.
Для поддержания LCF в натянутом состоянии необходимо соразмерное сочетание либо приведения, разгибания и супинации, либо приведения, сгибания и пронации. В этих случаях ямка головки бедренной кости, fovea capitis femoris, будет перемещаться по дуге от верхнего края внутреннего пограничного гребня вертлужной впадины, crista terminalis acetabuli internus, до нижнего края внутреннего пограничного гребня вертлужной впадины, crista terminalis acetabuli internus. По данным проведенных нами измерений допустимое сгибание бедра при максимально натянутой LCF, возможно до угла 22° от стандартного анатомического положения, а допустимое разгибание бедра, возможно на величину угла до 28°. При соблюдении данных условий LCF, не будет повреждаться о внутренний пограничный гребень вертлужной впадины, crista terminalis acetabuli internus. При этом за счет увеличения отведения в тазобедренном суставе, articulatio coxae, можно увеличить безопасную амплитуду движений LCF.
В ортостатических позах и при ходьбе таз, pelvis, опирается на обе головки бедренных костей, caput femoris. При этом в тазобедренном суставе, articulatio coxae, наблюдается сгибание, отведение и супинация. У каждой головки бедренной кости, caput femoris, наиболее нагружена оказывается переднемедиальная суставная поверхность (Penguin LCF. Pt. 1). С противоположной стороны наиболее нагруженной является передняя часть суставной поверхности вертлужной впадины, facies articularis acetabuli, которая в этом месте имеет наибольшую ширину (Рис. 11; Penguin LCF. Pt. 2).
Notes
Основу материала статьи составили данные из монографии «Биомеханика пингвинов» (2018АрхиповСВ).
Authors & Affiliations
Sergey V Arkhipov - MD, PhD; Currently an Independent Scientist, Finland (ORCID: http://orcid.org/0000-0003-4977-7681 ; Website: https://www.ligteres.com/)
Author's will
- Use of the material (indicating the author) - allowed
- Editing (correction) of text and images - allowed
- Additions to the publication - allowed (text, tables, graphics, etc.)
References
- Bardakos NV, Villar RN. The ligamentum teres of the adult hip. The Journal of bone and joint surgery. British volume. 2009;91(1)8-15. 2009BardakosNV_VillarRN
- Bombelli R. Osteoarthritis of the hip. Berlin [etc.]: Springer-Verlag, 1976.
- Bombelli R. Structure and function in normal and abnormal hip: how to rescue mechanically jeopardized hip. Berlin, Heidelberg, New York: Springer Verlag, 1993. 1993BombelliR
- Cerezal L, Kassarjian A, Canga A, Dobado MC, Montero JA, Llopis E, Pérez-Carro L. Anatomy, biomechanics, imaging, and management of ligamentum teres injuries. Radiographics. 2010;30(6):1637-51. 2010CerezalL_Pérez-CarroL
- Cracraft J. The functional morphology of the hind limb of the domestic pigeon, Columba livia. Bull Am Mus Nat Hist. New York,1971;144(3)171-268. 1971CracraftJ , 1971CracraftJ PDF
- Lampert C. Laesionen des lig. Capitis femoris. Arthroskopie 2009;22:293–8. 2009LampertC
- Lehmkuhl L, Smith LK. Brunnstrom’s clinical kinesiology. Philadelphia: F.D. Davis company, 1984.
- Paul JP. Bio-engineering studies of the forces transmitted by joints: (II) Engineering analysis. In Kenedi RM (Ed) Biomechanics and Related Bio-Engineering Topics, Proceedings of a Symposium Held in Glasgow, September 1964; Oxford: Pergamon Press, 1965:369-80. PaulJP
- Pauwels F. Biomechanics of the locomotor apparatus: contributions on the functional anatomy of the locomotor apparatus. Berlin [etc.]; Springer-Verlag 1980.
- Perry J, Burnfield JM. Gait analysis. Normal and pathological function. NJ: SLACK Incorporated, 1992.
- Sutton JB. The Ligamentum Teres. J Anat Physiol. 1883;17(2):190.1-193. 1883SuttonJB
- Winter DA. Biomechanics and motor control of human movement. New York, Chichster, Toronto, Singapure: John Wiley & Sons, 1990. 1990WinterDA
- 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 т. Напечатано Автором во граде Королев при попечении его супруги Людмилы Николаевны, ММXVIII A.D. [2018], bonum factum! [на благо и счастье]. 2018АрхиповСВ
- Воробьев НА. Связка головки бедра и ее практическое значение. Вопросы травматологии и ортопедии. Киев, 1962:174-81.
- Воробьев НА. Связка головки бедра и ее практическое значение. Ортопед., травматол. 1960;7:87.
- Капанджи АИ. Нижняя конечность. Функциональная анатомия. Т. 2. Москва: Эксмо, 2009. 2009КапанджиАИ
- Неверов ВА, Шильников ВА. Колебания давления синовиальной жидкости в тазобедренном суставе. Вестн. хирург. 1994(3-4)60-2.
- Неверов ВА, Шильников ВА. Обеспечение сохранности суставного хряща вертлужной впадины при эндопротезировании головки бедра. Диагностика и лечение повреждений крупных суставов. Санкт Петербург, 1991:72-5.
- Неверов ВА, Шильников ВА. Способ формирования искусственной связки головки бедра при эндопротезировании. Вестн. хирург. 1993;7-12:81-3.
- Николаев ЛН. Роль круглой связки тазобедренного сустава. Мед журнал. 1922;3(1,2,3):10-2. 1922НиколаевЛН
- Скворцов ДВ. Диагностика двигательной патологии инструментальными методами: анализ походки, стабилометрия. Москва: Т.М.Андреева, 2007. 2007СкворцовДВ
- Янсон ХА. Биомеханика нижней конечности человека. Рига: Зинатне, 1975.
External links
Internal links