CC BY
34
I
Орипнальы дозддження
Original Researches
Травма
УДК 616.728.2-007.24-07:616.8-009.18:602.1:519.673 DOI: 10.22141/1608-1706.4.20.2019.178752
Фiщенко В.О.1, Бранщький О.Ю.1, Гоцул О.В.1, Карпнська О.Д.2
1В1нницький нац1ональний медичний ун1верситет 1м. М.1. Пирогова, м. В1нниця, Укра!на
2ДУ «1нститут патологи хребта та суглоб1в 1м. проф. М.1. Ситенка НАМН Укра!ни», м. Ки!в, Украина
Математичне моделювання ходьби людини при комбшовашй контрактурi кульшового суглоба
Резюме. Вступ. Р1зн1 вар1анти остеоартроз1в кульшового суглоба (коксартроз) в^грають ключову роль у зниженн рухово! активности. Основною скаргою при коксартрозi е бль, характер, нтенсивнсть, тривалсть та локализация якого залежать вд стад/дистрофiчного процесу. Мета роботи: провести математичне моделювання для оценки сили м'язiв нижньо! кщвки, необхдно! для зд}йснення нормального кроку, при контракктур кульшового суглоба, яка розвиваеться при III стад! коксартрозу. Матер'юли та методи. Моделювання ходьби проводили в програмнй систем'1 OpenSim. Як базова модель була взята модель gait2394. В базовiй моделi була змодельована комбнована контрактура кульшового суглоба шляхом обмеження рухiв у р'зних площи-нах: флекая — 0/20/70°, ротаця — 1/0/1°, абдук^я — 5/0/15°. Наведен пор'вняння сили м'язiв нижнхюнц^вок при ходьб нормализовано!моделi й моделiз контрактурою. Результати. Приходьбм'язи виконують переваж-но згинально-розгинальнрухи, амплтудаякихне перевищуе 50-60°примМмальномуприведенй/в'дведенн'!. При розвинених контрактурах кульшового суглоба на ходьбу повинна бльше впливати недостатнсть м'язiв, вдповдних за згинання та розгинання нижньо! юнцвки. Аналiзували роботу м'язiв за зонами !х розташуван-ня—задня та передня поверхня стегна, медiальнi м'язи стегна та сiдничнi. М'язи задньо!поверхн стегна для виконання нормального кроку повинн розвивати силу на 30 % бльшу, нiж при нормальному функцюнуванн суглоба, м'язи передньо!поверхн стегна працюють iз перевищенням сили на 30 %. Збльшуеться мiнiмальне зусиллям'язiв вд 10до 15 %, тобто не вдбуваеться повно!релаксацi!м'яз!в iвони перебувають у постйно на-пруженому стай. Бльш напружен м'язи задньо! поверхн стегна — m. biceps femoris short head (на 53 %) та m. semitendinosus (на 100 %) у момент вдриву п'ятки та передньо! поверхн стегна—rectus femoris (83,16 %) при перенос стопи. M. semitendinosus не мае пероду розслаблення, тобто мiнiмальне зусилля перевищуе норму на 70 %. Висновки. Контрактура кульшового суглоба призводить до змни анатом'чних снввдношень суглоба, що призводить до значного порушення роботи м'язiв. За даними, отриманими при моделюванн ком&новано! контрактури кульшового суглоба, було доведено, що страждають не тльки м'язи стегна, а й м'язи вае! нижньо! юнфки. Бльше за все страждають м'язи, вiдповiднi за згинання стегна при перенос стопи, — це м'язи передньо! та задньо!поверхонь стегна, i порушення в !хробот призводить до змни функцонування м'язiв на-вколо колiнного суглоба i нижче — навколо надп'ятково-гом'лкового суглоба та стопи. Вкорочення юнц^вки через згинальну контрактуру призводить до значного перенапруження м'язiв аднично! групи, вдповдних за п/'дтримку р/'вноваги. Отже, контрактура кульшового суглоба впливае на роботу м'язiв вае! нижньо!юнцвки. Ключовi слова: контрактура кульшового суглоба; ходьба; коксартроз
Вступ
Коксартроз, ревмато1дний артрит, остеонекроз головки стегново! ыстки е найбтьш поширеними формами захворювання кульшового суглоба. Щ захворювання можуть розглядатися як клМчний симптомокомп-лекс, що виникае на фош ураження суглобового хряща та субхондрально! ыстки головки стегново! истки та вертлюжно! западини. Маючи рiзнi етюлопчш та па-
тогенетичш основи, вш щ захворювання проявляються больовим синдромом та обмеженням амплпуди рух1в в ураженому суглоб^ що призводить до стшкого порушення статико-динамiчно1 функци уражено! ынщвки i, як наслщок, до зниження якост життя [8].
Рiзнi варiанти остеоартрозiв кульшового суглоба (коксартроз) вщграють ключову роль у зниженш рухово! активност населення. Хоча остеоартроз вва-
© «Травма» / «Травма» / «Trauma» («Travma»), 2019
© Видавець Заславський О.Ю. / Издатель Заславский А.Ю. / Publisher Zaslavsky O.Yu., 2019
Для кореспонденци: Каршнська Олена Дмитр1вна, науковий ствробгтник лаборатори бюмехашки, ДУ «1нститут патологи хребта та суглоб1в iMeHi професора М.1. Ситенка НацюнальноТ академи медичних наук Укра'ни», вул. Пушкшська, 80, м. Харш, 61024, Укра'на; e-mail: [email protected]
For correspondence: Olena Karpinska, Research Fellow at the Department of biomechanics laboratory, State Institution "Sytenko Institute of Spine and Joint Pathology of the National Academy of Medical Sciences of Ukraine'; Pushkinskaya st., 80, Kharkiv, 61024, Ukraine; e-mail: [email protected]
жають вiковою проблемою, за статистикою шсля 40 роыв такий дiагноз встановлюють одному з 10, шс-ля 60 роыв — одному з трьох пащентав, а у вщ пicля 70 роив коксартроз виявляють у 80 % випадкiв [4—6]. Основною скаргою при кокcартрозi е бть, характер, iнтенcивнicть, тривалicть та лок^защя якого залежать вiд стадй' диcтрофiчного процесу. Розглянемо бюмеха-шчш змiни у функцiонуваннi кульшового суглоба при рiзних cтадiях захворювання.
При I стадй' коксартрозу бiль виникае ттьки при тривалому навантаженнi i минае пicля вiдпочинку, амплiтуда руив та сила м'язiв не змшюються, ходьба не порушуеться.
При II стадй' бть мае бтьш iнтенcивний характер, виникае в споко''. Пicля тривало'' ходьби виникае куль-гавicть. Вiдмiчають першi порушення функцй' суглоба: по-перше, обмежуеться внутрiшня ротацiя та вщве-дення стегна, тобто формуеться згинально-привщна контрактура. Знижуеться сила м'язiв, вщповщальних за вiдведення та розгинання стегна, вiдмiчають !х гшо-тонiю та гшотрофш.
При III стадй' болi мають поcтiйний характер. При ходьбi хворi вимушенi користуватися тростиною. В!д-мiчаютьcя рiзке обмеження вciх рухiв у cуглобi (зги-нально-привiдна контрактура), гiпотрофiя ciдничних м'язiв, м'язiв стегна та гомшки. Згинально-привiдна контрактура викликае збiльшення нахилу таза та по-перекового лордозу. Нахил таза у фронтальнш пло-щинi, пов'язаний зi cлабкicтю вiдвiдних м'язiв стегна, призводить до функщонального скорочення кiнцiвки на бощ ураження. Хворий вимушений наступати на пальщ стопи, щоб дютатися опори, та нахилити тулуб в уражений бш при ходьбi для компенсацй' нахилу таза та вкорочення кшщвки. Такий механiзм компенсацй' призводить до перемщення центра ваги й переванта-ження суглоба [10].
Бюмехашчш змiни в cуглобi та загалом всього опо-рно-рухового апарату людини опиcанi багатьма авторами в медичних довщниках, але в численних джерелах ми не виявили особливостей змши м'язово! сили з роз-витком контрактур та вплив контрактур на параметри ходьби.
Мета роботи: провести математичне моделювання для оцшки сили м'язiв нижньо'' кiнцiвки, необидно'' для здiйcнення нормального кроку, при контрактурi кульшового суглоба, яка розвиваеться при III стадй' коксартрозу.
Матерiали та методи
Моделювання ходьби проводили в програмнш сис-темi OpenSim iз вiдкритим кодом для бюмехашчного моделювання та аналiзу. Система надае широкодос-тупнi iнcтрументи для проведення дослщжень бю-механiки й науки про рух. Програмне забезпечення дозволяе виконати анал1з моделювання ходьби в ди-намiцi [2].
Як базова модель для аналiзу роботи м'язiв була взята модель gait2394. Це 3D-комп'ютерна модель iз 23 ступенями вiльноcтi в cиcтемi скелетно-м'язово'' сис-
теми людини. Модель gait2392 мае 76 M'H3iB нижшх кiнцiвок та тулуба. Немасштабована вершя моделi ста-новить собою об'ект зросту 1,8 м i мае масу 75,16 кг [1, 2, 9]. В базовш моделi була змодельована комбшована контрактура кульшового суглоба шляхом обмеження рухiв у рiзних площинах: флексiя — 0/20/70°, ротащя — 1/0/1°, абдукцiя — 5/0/15°. Наведеш порiвняння сили м'язiв нижшх кшщвок при ходьбi нормалiзованоl мо-делi й моделi з контрактурою.
Результати та обговорення
Через те, що кульшовий суглоб е кулеподiбним та чашоподiбним, в ньому можливi рухи щодо сагггаль-но! ос — приведення та вiдведення, фронтально! — згинання та розгинання та вертикально! — внутрш-ня та зовшшня ротащя. При захворюваннях суглоба в ньому можуть розвиватися контрактури з рiзним ступенем обмеження рухiв у рiзних площинах. При-вщш контрактури формуються пiд дiею привщних м'язiв стегна (adductors): m. add. brevis, m. add. longus, m. add. magnus, gracilis, pectineus. Згинальш контрак-тури стегон виникають через натягування m. iliopsoas, m. add.longus та m. add. brevis, m. pectineus та m. rectus femoris. Найбiльший вплив на розвиток згинальних контрактур мають m. psoas та m. add. longus. Зовшш-ню ротацiю здшснюють m. iliopsoas, група аддукторiв, m. sartorius та заднi пучки m. gluteus medius, серед яких найбшьший внесок роблять m. iliopsoas та аддуктори. За внутрiшню ротацiю вщповщна передня порцiя m. gluteus medius, m. gluteus minimus, m. tensor fasciae latae [7, 11].
При ходьбi м'язи виконують переважно згинально-розгинальнi рухи, амплiтуда яких не перевищуе 50—60° при мiнiмальному приведенш/вщведенш Отже, на перший погляд при розвинених контрактурах кульшового суглоба на ходьбу повинна бшьше впливати недо-статнють м'язiв, вiдповiдних за згинання та розгинання нижньо! кшщвки.
Розглянемо функцш тазового поясу та стегна, вщ-повщних за функцш ходьби. Для узагальнення наших спостережень розгляд проводимо за зонами розташу-вання м'язiв, а саме м'язiв задньо! та передньо! поверх-нi стегна, медiальних м'язiв стегна та сщничних м'язiв (табл. 1).
М'язи задньо! поверхш стегна представленi трьома основними м'язами:
— двоголовий м'яз стегна (m. biceps femoris) розги-нае кшщвку в стегновому суглобi та ротуе Г! назовш, крiм того, цей м'яз е сильним згиначем колшного суглоба;
— нашвсухожилковий м'яз (m. semitendinosus) та нашвперетинчастий м'яз (m. semimembranosus) при ходьбi разом з iншими м'язами сидшчно-гомшко-во! групи викликають розгинання опорно! кшщвки в стегновому суглоб^ генеруючи товчок. У нозi, що переноситься, щ м'язи забезпечують згинання колшного суглоба.
Моделювання комбшовано! контрактури показало, що м'язи задньо! поверхш стегна для виконання
Таблиця 1. Максимально i мЫмальш зусилля м'язВ, вдповдних за розвитокконтрактур кульшового
суглоба при виконанш кроку
Група m^3îb М'язи Норма Контрактури кульшового суглоба
max min max % min %
m. gluteus medius 500,28 53,32 500,65 0,08 70,17 31,60
240,59 27,68 244,27 1,53 27,29 -1,41
329,32 23,12 347,19 5,43 15,25 -34,04
m. gluteus minimus 130,24 9,09 137,25 5,39 11,73 29,15
117,53 9,88 134,36 14,32 12,45 26,07
Сщничы м'язи 96,39 8,72 97,30 0,95 8,51 -2,43
m. gluteus maxsimus 96,76 4,18 86,60 -10,50 4,22 1,00
194,69 5,70 177,44 -8,86 5,73 0,50
105,21 2,21 130,59 24,12 2,18 -1,66
m. tensor fasciae latae 93,77 13,59 111,30 18,69 14,19 4,46
m. piriformis 189,30 5,60 157,19 -16,96 6,21 10,87
Усього 2094,08 163,08 2124,15 1,44 177,93 9,10
m. biceps femoris long head 304,61 8,59 315,31 3,51 8,99 4,63
Задня поверхня стегна m. biceps femoris short head 422,49 32,43 645,36 52,75 36,95 13,95
m. semimembranosus 419,10 19,23 431,70 3,01 17,57 -8,61
m. semitendinosus 79,90 8,61 159,92 100,16 14,69 70,50
Усього 1226,10 68,86 1552,29 26,60 78,20 13,56
m. rectus femoris 256,51 37,30 469,82 83,16 37,20 -0,27
m. vastus medialis 149,94 8,97 159,10 6,11 11,36 26,60
Передня по- m. vastus intermedius 174,41 9,52 184,53 5,81 12,10 27,12
верхня стегна m. vastus lateralis 304,51 15,50 313,34 2,90 19,07 23,01
Усього 885,36 71,29 1126,79 27,27 79,73 11,83
m. pectineus 19,61 3,72 20,48 4,39 5,18 39,44
m. gracilis 17,10 2,96 19,79 15,76 3,03 2,44
m. adductor longus 195,17 14,96 301,76 54,62 22,21 48,48
Медiальна група M^3iB m. adductor brevis 99,96 6,17 147,08 47,14 10,88 76,26
m. adductor magnus 57,53 2,90 74,00 28,64 3,16 8,88
48,19 2,51 67,35 39,74 3,81 51,46
140,80 4,46 141,39 0,42 8,39 88,19
Усього 578,36 37,68 771,84 33,45 56,66 50,37
m. soleus 1437,93 10,28 2059,80 43,25 13,42 30,58
m. tibialis anterior 725,30 63,70 813,19 12,12 91,79 44,10
m. flexor hallucis longus 145,13 2,89 215,02 48,16 3,06 5,59
М'язи гомшки та стопи m. flexor digitorum longus 109,61 2,07 196,42 79,20 3,58 73,29
m. tibialis posterior 975,33 51,97 1136,29 16,50 69,69 34,10
m. peroneus 1073,41 42,31 1076,69 0,31 129,62 206,34
Усього 4466,71 173,22 5497,41 199,23 311,16 394
нормального кроку повинш розвивати силу на 30 % бшьшу, нiж при нормальному функцюнуванш су-глоба.
М'язи передньо! поверхнi стегна повиннi працю-вати зi зменшеним навантаженням на згинання стегна через те, що юнуе первинне згинання, але при розгинаннi, тобто для опори та вшведення ноги, при ходьбi цим м'язам необхiдно розвинути додаткове зусилля.
Передня поверхня стегна представлена чотириго-ловим м'язом (m. guadriceps femoris) — найсильнiшим м'язом людини, який складаеться з прямого м'яза стегна (m. rectus femoris), внутршнього широкого м'яза (m. vastus medialis), зовнiшнього широкого м'яза (m. vastus lateralis) та середнього широкого м'яза (m. vastus intermedius). Прямий м'яз стегна згинае стегно та роз-гинае гомшку при перенос кiнцiвки вперед i е осно-вним згиначем при ходьбi. Скорочення цього м'яза визначають частоту та довжину кроив. Iншi складовi чотириголового м'яза виконують переважно розгинан-ня гомшки й утримання надколiнка.
Розраховане на моделi зусилля м'язiв передньо! по-верхнi стегна для здшснення нормального кроку при згинальнш контрактурi перевищуе норму на 30 %. При цьому треба вщмггити, що збшьшуеться мшмальне зусилля м'язiв вiд 10 до 15 %, тобто не вшбуваеться пов-но! релаксаци м'язiв i вони перебувають у постiйно на-пруженому стань
Найбшьш пiдлягають перенапруженню м'язи за-дньо! поверхнi стегна — m. biceps femoris long head (на 53 %) та m. semitendinosus (на 100 %) у момент вшриву п'ятки та передньо! поверхш стегна — m. rectus femoris (83,16 %) при перенош стопи. M. semitendinosus не мае перюду розслаблення, тобто мшмальне зусилля перевищуе норму на 70 %.
За приведення (аддукщю) стегна вщповщш переважно м'язи мед1ально! групи, до яко! належать: гребшчастий м'яз (m. pectineus), що виконуе згинання ноги в стегновому суглоб^ одночасно приво-дячи !! та ротуючи назовнi; тонкий м'яз (m. gracilis), що вiдповiдае за приведення вщведено! кiнцiвки та бере участь у згинанш колiна; довгий привщний м'яз (m. adductor longus), що приводить стегно та ротуе його назовш, згинае стегно; короткий привщний м'яз (m. adductor brevis), що також приводить стегно та ротуе його назовш, бере участь у згинанш стегна; великий привщний м'яз (m. adductor magnus), що приводить стегно, ротуе його назовш та бере участь у розгинанш стегна.
При згинальнш контрактурi м'язи медально! групи, яи в споко! розслаблеш, при ходьбi повиннi не тшьки вiдвести кiнцiвку в анатомiчно нормальну позицiю, а й для тдтримки рiвноваги додатково вiдвести Г! лате-рально. За даними, розрахованими моделюванням, установлено, що привiднi м'язи знаходяться в постш-ному напруженнi, причому мшмальний рiвень зусиль зростае на 50 % порiвняно з нормою.
За вщведення (абдукцiю) стегна вщповщш переважно сiдничнi м'язи: cереднiй сiдничний (m. gluteus
medius) та малий сщничний (m. gluteus minimus) м'язи вщграють головну роль у стабшзацп таза в поперечному напрямку при ходьбу чим забезпечують пiдтримку рiвноваги, крiм того, виконують абдук-цiю стегна. М'яз, що напружуе широку фасцiя стегна (m. tensor fasciae latae) — мщний абдуктор стегна при вертикальному стоянш, але при ходьбi вiдведення задiяне мало, бiльше цей м'яз вщповщае за стабш-зацiю таза.
Основна роль великого сщничного м'яза (m. gluteus maximus) полягае в приведенш стегна, i тiльки верхнi його волокна беруть участь у його вщведенш Грушо-подiбний м'яз (m. piriformis) вiдповiдае за зовнiшню ротацш стегна та його вiдведення при згинанш i при ходьбi мало задiяний.
При комбiнованiй контрактурi стегна для здшснення функцп ходьби м'язи сщнично! групи почина-ють працювати зовсiм iнакше, нiж при нормальному сташ кульшового суглоба, а саме вiдмiчаються пере-напруження m. gluteus medius та m. gluteus minimus для стабшзацп таза на 30 %, тобто не вщбуваеться розслаблення м'яза в перюд !х мiнiмальноi роботи, та надмiрне напруження m. tensor fasciae latae в перюд максимального навантаження, що припадае на перенос стопи.
Моделювання комбшовано! контрактури показало, що м'язи стегна для виконання кроку повинш розвивати бшьшу силу, шж при нормальних анатомiчних сшввщношеннях у кульшовому суглобi. З урахуванням того, що м'язи передньо! (m. rectus femoris) та задньо! (m. semitendinosus) поверхонь стегна вщповщають за згинання/розгинання колшного суглоба, взаемодш-чи при контрактурi кульшового суглоба з порушенням нормально! бiомеханiки, вони, вiдповiдно, змшюють функцiю колiнного суглоба. Надмiрне напруження m. semitendinosus може викликати контрактуру колшного суглоба, що призводить до порушення роботи м'язiв гомшки i, як наслiдок, !х перенапруження, що i показало моделювання. Моделювання виявило зна-чне збшьшення зусиль м'язiв гомiлки — m. soleus та m. tibialis anterior (до 45 %); надп'ятково-гомшкового суглоба — m. flexor hallucis longus (50 %), стопи — m. flexor digitorum longus (80 %) та m. рeroneus (бшьше шж на 200 %).
Висновки
Контрактура кульшового суглоба призводить до змши анатомiчних сшввщношень суглоба, що призводить до значного порушення роботи м'язiв. За даними, отриманими при моделюванш комбшовано! контрактури кульшового суглоба, було доведено, що страждають не тшьки м'язи стегна, а й м'язи вше! ниж-ньо! кiнцiвки. Понад усе страждають м'язи, вщповщ-ш за згинання стегна при перенош стопи — це м'язи передньо! та задньо! поверхонь стегна, i порушення в !х робот призводить до змши функцюнування м'язiв навколо колiнного суглоба i нижче — навколо надп'ятково-гомшкового суглоба та стопи. Вкорочен-ня иншвки через згинальну контрактуру призводить
до значного перенапруження M'H3iB сщнично! групи, вiдповiдних за пiдтримку рiвноваги. Отже, контрактура кульшового суглоба впливае на роботу M^3iB Bcie'l нижньо! кшщвки.
Конфлжт штересш. Автори заявляють про вщсут-нiсть конфлiкту штерешв та власно! фiнансово! защ-кавленост при пiдготовцi дано! статтi.
Список л^ератури
1. Carhart M.R. Biomechanical Analysis of Compensatory Stepping: Implications for Paraplegics Standing Via FNS (Ph.D. Dissertation). Arizona State University, 2000.
2. Delp S.L., Anderson F.C., ArnoldA.S., Loan P., Habib A., John C.T., Guendelman E, Thelen D.G. OpenSim: Open-Source Software to Create and Analyze Dynamic Simulations of Movement. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2007. 54(11).
3. Simulations of Movement. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 54(11).
4. Dunlop D.D., Manheim L.M., Song J. and Chang R.W. Arthritis prevalence and activity limitations in older adults. Arthritis Rheum. 2001. 44. 212-221.
5. Felson D. et al. 'Osteoarthritis: New Insights. Part 1: The Disease and Its Risk Factors'Ann. Intern. Med. 2000. 133. 635-646.
6. Guccione A.A., Felson D.T., Anderson J.J., Anthony J.M., Zhang Y, Wilson P.W. et al. The effects of specific medical conditions on the functional limitations of elders in the Framingham Study. Am. J. Public Health. 1994. 84. 351358.
7. Ikeda A.J. Quantification of cocontraction in spastic cerebral palsy. Electromyogr. Clin. Neurophysiol. 1998. 38(8). 497-504.
8. NCCCC — National Collaborating Centre for Chronic Conditions. Osteoarthritis: national clinical guideline for care and management in adults. London: Royal College of Physicians, 2008. Accessed at www.nice.org.
9. Thelen D.G. Adjustment of muscle mechanics model parameters to simulate dynamic contractions in older adults. ASME Journal of Biomechanical Engineering. 2003. 125(1). 70-77.
10. Большая медицинская энциклопедия. Под ред. Б.В. Петровского. Изд. третье, онлайн-версия. httpsZ/бмэ.орг/ index.php
11. Данилов А.А., Мартынюк В.Ю., Джихад Абдель Бари, Рыбальченко В.Ф. Перспективы применения операций на периферических нервах при лечении контрактур нижних конечностей у больных церебральным параличом: Зб. наук. пр. ствробтни^в КМАПО iм. Шупика. 2001. 10(1). 220-226.
Отримано/Received 30.06.2019 Рецензовано/Revised 08.07.2019 Прийнято до друку/Accepted 20.07.2019 ■
Фищенко В.А.1, Браницкий А.Ю.1, Гоцул А.В.1, Карпинская Е.Д.2
Винницкий национальный медицинский университет им. Н.И. Пирогова, г. Винница, Украина
2ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов им. проф. М.И. Ситенко НАМН Украины», г. Киев, Украина
Математическое моделирование ходьбы человека при комбинированной контрактуре
тазобедренного сустава
Резюме. Введение. Различные варианты остеоартрозов тазобедренного сустава (коксартроз) играют ключевую роль в снижении двигательной активности. Основной жалобой при коксартрозе является боль, характер, интенсивность, продолжительность и локализация которой зависят от стадии дистрофического процесса. Цель работы: провести математическое моделирование для оценки силы мышц нижней конечности, необходимой для осуществления нормального шага, при контрактуре тазобедренного сустава, которая развивается при III стадии коксартроза. Материалы и методы. Моделирование ходьбы проводили в программной системе OpenSim. В качестве базовой модели была взята модель gait2394. В базовой модели была смоделирована комбинированная контрактура тазобедренного сустава путем ограничения движений в разных плоскостях: флексия — 0/20/70°, ротация — 1/0/1°, абдукция — 5/0/15°. Приведены сравнения силы мышц нижних конечностей при ходьбе нормальной модели и модели с контрактурой. Результаты. При ходьбе мышцы выполняют преимущественно сгибательно-разгиба-тельные движения, амплитуда которых не превышает 50—60° при минимальном приведении/отведении. При сложных контрактурах тазобедренного сустава на ходьбу больше влияет недостаточность мышц, отвечающих за сгибание и разгибание нижней конечности. Анализировали работу мышц по зонам их расположения — задняя и передняя поверхность бедра, медиальные мышцы бедра и ягодичные. Мышцы задней поверхности бедра для выполнения нормального шага должны развивать силу на 30 % больше, чем при нормальном
функционировании сустава, мышцы передней поверхности бедра работают с превышением силы на 30 %. Увеличивается минимальное усилие мышц от 10 до 15 %, то есть не происходит полной релаксации мышц и они находятся в постоянном напряженном состоянии. Больше напряжены мышцы задней поверхности бедра — Biceps Femoris Short Head (на 53 %) и m. semitendinosus (на 100 %) в момент отрыва пятки и передней поверхности бедра — rectus femoris (83,16 %) при переносе стопы. M. semitendinosus не имеет периода расслабления, то есть минимальное усилие превышает норму на 70 %. Выводы. Контрактура тазобедренного сустава приводит к изменению анатомических соотношений сустава, что приводит к значительному нарушению работы мышц. По данным, полученным при моделировании комбинированной контрактуры тазобедренного сустава, было доказано, что страдают не только мышцы бедра, но и мышцы всей нижней конечности. Больше всего страдают мышцы, отвечающие за сгибание бедра при переносе стопы — это мышцы передней и задней поверхностей бедра, и нарушения в их работе ведут к изменению функционирования мышц вокруг коленного сустава и ниже — вокруг голеностопного сустава и стопы. Укорочение конечности через сгибательную контрактуру ведет к значительному перенапряжению мышц ягодичной группы, ответственных за поддержку равновесия. Таким образом, контрактура тазобедренного сустава влияет на работу мышц всей нижней конечности.
Ключевые слова: контрактура тазобедренного сустава; ходьба; коксартроз
V.A. Fishchenko1, A.Yu. Branitsky1, A.V. Gotsul1, E.D. Karpinskaya2 National Pirogov Memorial Medical University, Vinnytsia, Ukraine
2State Institution "Sytenko Institute of Spine and Joint Pathology of the National Academy of Medical Sciences of Ukraine", Kharkiv, Ukraine
Mathematical modeling of human walking under combined hip joint contracture
Abstract. Background. Different variants of osteoarthritis of the hip joint (coxarthrosis) play a key role in reducing motor activity. The main complaint with coxarthrosis is pain; its nature, intensity, duration and localization depend on the stage of the dystrophic process. The purpose was to perform mathematical modeling for assessing the strength of the lower limb muscles, necessary to take a normal step, with contracture of the hip joint, which develops in stage III coxarthrosis. Materials and methods. Walk simulation was performed using the OpenSim software system. The gait2394 model was taken as the basic one. In the basic model, a combined contracture of the hip joint was modeled by limiting movements in different planes: flexion — 0/20/70°, rotation — 1/0/1°, abduction — 5/0/15°. The strength of the lower extremity muscles is compared when a normal model is walking, as well as a model with contracture. Results. When walking, the muscles perform predominantly flexion and extension movements, the amplitude of which does not exceed 50—60° with minimal adduction/ abduction. In advanced contractures of the hip joint, walking should be mostly affected by insufficiency of the muscles responsible for flexion and extension of the lower limb. The work of the muscles has been analyzed depending on the areas of their location — posterior and anterior surface of the thigh, medial and gluteal muscles of the thigh. To take a normal step, posterior muscles of the thigh should develop strength 30 % higher than that with normal functioning of the joint,
anterior muscles of the thigh work exceeding the strength by 30 %. The minimum effort of the muscles increases from 10 to 15 %, that is, there is no complete relaxation of the muscles and they are in a constant stress state. More tight muscles are: in the posterior thigh — short head of biceps femoris (by 53 %) and m.semitendinosus (by 100 %) when lifting the heel, and in the anterior surface of the thigh — rectus femoris (83.16 %) when moving the foot. M.semitendinosus does not have a period of relaxation, that is, the minimum effort exceeds the norm by 70 %. Conclusions. Contracture of the hip joint leads to a change in the anatomical relationships of the joint causing a significant disruption of the muscles. According to the data obtained by modeling the combined contracture of the hip joint, it was proved that not only hip muscles, but also the muscles of the entire lower limb are affected. The muscles responsible for hip flexion when moving the foot are the most affected ones — these are the muscles of the anterior and posterior surfaces of the thigh, and disturbances in their work lead to a change in the functioning of the muscles around the knee joint and below — around the ankle joint and the foot. Shortening the limb due to flexion contracture leads to a significant overtension of gluteal muscles, which are responsible for maintaining balance. The contracture of the hip joint affects the work of the muscles of the entire lower limb.
Keywords: contracture of the hip joint; walking; coxarthrosis
