CC BY
156
УДК 681.5
И.П. Степанов
аспирант, кафедра мехатроники, ФГАОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», г. Санкт-Петербург
Ю.С. Монахов
канд. техн. наук, доцент, кафедра мехатроники, ФГАОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», г. Санкт-Петербург
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕХАНИКИ ДВИЖЕНИЯ ТАЗОБЕДРЕННОГО СУСТАВА НА ХОДЬБУ ЧЕЛОВЕКА ПРИ РАЗРАБОТКЕ ИМИТАТОРА ПОХОДКИ ЧЕЛОВЕКА
Аннотация. В данной статье рассматриваются строение тазобедренного сустава человека, со всеми налагаемыми ограничениями движения, общие принципы механики ходьбы человека, без знания которых невозможно было бы создание реабилитационных тренажеров и другого медицинского и спортивного оборудования. В данном случае эти данные применяются при создании модели имитатора человеческой походки, предназначенного для проведения исследования кинематики и динамики данного процесса.
Ключевые слова: имитатор походки, ходьба, медицина, биотехнологии, биомеханика, мехатроника, механотерапия.
I.P. Stepanov. Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, Saint Petersburg
Yu.S. Monakhov. Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, Saint Petersburg
RESEARCH OF EFFECT OF THE HIP JOINT MECHANICAL MOVEMENT ON THE PERSON'S GAIT IN
THE DEVELOPMENT OF HUMAN GAIT SIMULATOR
Abstract. This article discusses the structure of the human hip joint, with all the limitations imposed by the movement, the general principles of human walking, without the knowledge of which it would be impossible to create rehabilitation trainers and other medical and sports equipment. In this case, the data used to create the model of the human gait simulator, designed to study the kinematics and dynamics of this process.
Keywords: simulator gait, walking, medicine, biotechnology, biomechanics, mechatronics.
Ходьба человека
Ходьба человека - автоматизированный двигательный акт, осуществляющийся в результате сложной координированной деятельности скелетных мышц туловища и конечностей. Ходьба человека напрямую связана с функционированием отделов опорно-двигательного и мышечного аппаратов, центральной и периферической нервной системами. При нарушениях в функционировании ЦНС могут возникнуть различные двигательные расстройства: шаркающая, семенящая походка, толчкообразные движения.
Скелет человека выполняет локомоторную функцию. Пассивная часть аппарата движения включает в себя кости и их соединения. Механические функции скелета способны обеспечивать опору, защиту и движение. Опорная функция заключается в прикреплении к скелету мышц, связок и сухожилий. Движение осуществляется благодаря наличию костных рычагов, приводимых в действие мышцами [1].
Цикл ходьбы. Во время одного цикла ходьбы происходит смена нескольких фаз ходьбы. Цикл ходьбы для каждой отдельной ноги состоит из опорной фазы и переносной фазы. Во время фазы опоры человек опирается на ногу, а во время фазы переноса эта нога поднята в воздух. Для ходьбы со среднестатистической скоростью фаза опоры занимает примерно 60% цикла, а фаза переноса - 40%.
Первой стадией цикла ходьбы является так называемый передний толчок, начинающийся с момента удара пятки об опору. После переднего толчка нога становится опорной. При этом возникает сила реакции опоры, значение которой превышает вес человека. В этот момент нога выпрямлена в коленном суставе.
б
Рисунок 1 - Перемещение общего центра тяжести (ОЦТ) тела при обычной ходьбе (а). Графики межзвенных углов и опорных реакций при ходьбе в норме: ТБС, КС, ГСС, ПФС - соответственно, тазобедренный, коленный, голеностопный, плюснефаланговый суставы; Ку - вертикальная и продольная компоненты опорной реакции (б) [1]
Следующей после переднего толчка в фазе опоры можно выделить стадию опоры на всю стопу. Во время этой фазы нагрузка распределяется на переднюю и заднюю части стопы. Вторая нога, во время этой стадии, все еще находится в опорной фазе. Коленный сустав при этом сгибается, смягчая силу инерции тела, а затем полностью разгибается, тем самым пере-
мещая центр тяжести тела вперед.
Третьей стадией опорной фазы является, стадия опоры на передний отдел стопы. Сразу после опорной фазы нога совершает так называемый задний толчок, при котором происходит отрыв ноги, и цикл переходит в фазу переноса. В середине фазы переноса тазобедренный и коленный суставы максимально согнуты. Фаза переноса оканчивается в момент, когда пятка касается опоры, после чего начинается следующий цикл.
Период, при котором обе ноги человека находятся в опорной фазе (стоят на опоре, имеют с ней контакт), называется двухопорным периодом. Тот период, когда одна нога находится в фазе переноса, называется одноопорным. Можно примерно посчитать, что в цикле ходьбы человека присутствуют два двухопорных периода, каждый из которых длится около 10% от времени всего цикла. Естественно, это приближенные цифры, относящиеся к среднестатистической здоровой ходьбе в умеренном темпе. При увеличении темпа двухопорные периоды становятся короче. При переходе на бег этот период пропадает, так как одноопорный период чередуется с фазой полета.
В иностранной литературе [5, 6] зачастую применяется иное разделение цикла ходьбы на фазы. Как один из случаев подобного можно привести пример, в котором опорная фаза состоит из пяти различных фаз, а фаза переноса делится на три фазы. В этой системе после начального контакта (соприкосновения земли и пятки) происходит передний толчок, который завершается отрывом от опоры второй ноги. Данный этап идентичен первому двухопорному периоду цикла ходьбы.
Следующий этап в опорной фазе это - средняя опорная фаза. Она заканчивается в тот момент, когда центр тяжести тела находится ровно над ногой. Конечная опорная фаза длится до момента, когда вторая нога не вступит в контакт с опорой. Фаза начального переноса завершает опорную фазу и тем самым совпадает со вторым двухопорным периодом цикла ходьбы.
Фаза переноса разделяется на три стадии: начальная фаза переноса, средняя фаза переноса и конечная фаза переноса. Начальная фаза переноса прекращается в тот момент, когда нога максимально согнута в коленном суставе. Средняя фаза переноса заканчивается в тот момент, когда берцовая кость занимает вертикальное положение.
Тазобедренный сустав
Сустав называется простым, если в его образовании участвуют две кости, и сложным, если его образуют три кости и более. Сустав включает основные структурные элементы (хрящи, капсулу, суставную полость) и вспомогательные образования (синовиальные складки, внутрисуставные связки, внутрисуставные хрящи, суставные губы, сесамовидные кости) [1].
Тазобедренный сустав является типичным сложным шаровидным суставом. Он образован вертлужной впадиной тазовой кости и головкой бедренной кости. Глубина вертлужной впадины увеличивается за счет суставной губы, прикрепленной к краю вертлужной впадины. В капсулу тазобедренного сустава вплетен связочный аппарат, что придает ей очень высокую прочность.
Несмотря на значительную подвижность тазобедренного сустава, его главная функция -обеспечение стабильности положения тела. Целый ряд факторов обусловливают стабильность тазобедренного сустава и в конечном счете определяет его диапазон движения.
Вертлужная впадина. Вертлужная впадина представляет собой полусферическую полость, в которую входит головка бедра. Она (впадина) образуются тремя костями: подвздошной, седалищной и лобковой. При рассмотрении спереди она может быть обращена вперед, вниз и латерально.
Фактором, обуславливающим стабильность положения бедренной кости, является губа вертлужной впадины - фиброзно-хрящевая кайма, соединенная с краем вертлужной впадины, увеличивающая глубину сустава и являющаяся «воротником» головки бедра. Этот «воротник» предназначен для того, чтобы прочно удерживать головку бедра на своем месте.
Форма таза. Форма вертлужной впадины частично обусловлена общей формой таза, которая, в свою очередь, имеет значительные различия у мужчин и женщин. У женщин таз более мелкий и короткий, кости менее прочные, копчик более подвижный, а угол надлобковой дуги более тупой . Кроме того, женский таз шире - почти цилиндрической формы. Вследствие этого головки бедренных костей больше изолированы друг от друга. Поскольку бедра изгибаются к центральной линии тела, по мере приближения к коленям, последние располагаются, как правило, ближе друг к другу, чем у мужчин. Более широкие бедра обусловливают больший потенциал диапазона движений у женщин.
Угол наклона и отклонения бедра. Головка и шейка бедренной кости образуют со стержнем бедра угол в двух направлениях: угол наклона и угол отклонения. Угол наклона образован шейкой и стержнем во фронтальной плоскости. У новорожденных детей он достигает 150°. С возрастом, однако, он уменьшается, составляя в среднем около 135° у взрослого человека.
Угол отклонения представляет собой показатель степени переднего искривления головки бедра по отношению к стержню. Иными словами, это угол между осью шейки бедра и фронтальной плоскостью. У новорожденных он равен 40°, а с возрастом снижается до 12-15°. Угол отклонения иначе называют углом антеверсии. Уменьшение этого угла называется ретроверсией.
Увеличение угла антеверсии приводит к увеличению внутреннего сгибания или медиального вращения бедра и ноги. Ретроверсия, наоборот, приводит к внешнему сгибанию или латеральному вращению бедра и ноги. Идеальная структура для занятий балетом и некоторыми видами спорта следующая: длинная шейка бедра при небольшом угле отклонения, обеспечивающим максимальный диапазон движения [2].
Суставная капсула и связки. Несмотря на то что по большей части степень движения бедра обусловлена преимущественной костной структурой, определенную роль при этом играют и другие компоненты сустава. Наиболее важными из них являются суставная капсула и мощный связочный аппарат. Капсула тазобедренного сустава прочно прикреплена у основания шейки бедра и к гребню вертлужной впадины. Она заключает в себе суставные поверхности, образующих сустав костей и большую часть шейки бедра и связки (рис. 2, а).
Седалищио-бедренная связка
Рисунок 2 - Суставная капсула и связки [2]
Также у тазобедренного сустава имеются три главных связки: подвздошно-бедренная, се-далищно-бедренная, лобково-бедренная и круговая связка. Наиболее прочной из них является подвздошно-бедренная связка, имеющая У-образную форму и прикрепленая к межвертельной линии, соединяющей большой и малый вертел, и выше - к переднему нижнему подвздошному позвонку. Вблизи малого вертела располагается подвздошно-лонное возвышение, от которого идет более слабая лобково-бедренная связка (рис. 2, б). Седалищно-бедренная связка проходит от седалищной кости (ниже вертлужной впадины) к тыльной части шейки бедра (рис. 2, в).
Мышечная сила и координация. Среди прочих факторов, увеличивающих стабильность тазобедренного сустава, необходимо упомянуть мышцы, проходящие почти параллельно шейке бедра. Они обеспечивают соприкосновение головки бедра с вертлужной впадиной. Этими мышцами являются: большая и малая ягодичные мышцы, грушевидная мышца, внешний запиратель.
Для диапазона движения весьма важной является роль, которую играют эти мышцы во время активного растягивания, в отличие от связанной с ними тугоподвижностью при пассивном растягивании. Например, при активном отведении ног ограничительным фактором может быть недостаточная сила или координация агонистов (т.е. отводящих мышц), производящих данное движение.
Наконец, не следует забывать, что сопротивление группы мышц-антагонистов и оболочек их соединительной ткани также является одним из ключевых факторов, определяющих диапазон движения.
Анатомия и гибкость свободной нижней конечности и тазового пояса. Диапазон движения ограничивается сократительной недостаточностью разгибателей бедра, пассивным напряжением мышц-сгибателей бедра, «запиранием» спины, которое предотвращает переднее приподнимание таза, и напряжением всех связок.
Отведение тазобедренного сустава представляет собой движение нижней конечности латерально от средней линии тела. Оно осуществляется преимущественно средней и малой ягодичными мышцами, которым помогают напрягатель широкой фасции и портняжная мышца. Диапазон отведения одного тазобедренного сустава колеблется от 0 до 45°. Вместе с тем на практике отведение одного тазобедренного сустава автоматически сопровождается таким же отведением другого. Это движение другого тазобедренного сустава становится очевидным после 30° отведения в положении стоя, когда можно ясно видеть латеральное приподнимание таза от движущейся ноги. Чтобы осуществить 30° отведение движущейся ноги, таз приподнимается на 15°, и тазобедренный сустав неподвижной ноги отводится на 15°. Таким образом, чтобы осуществить 30° отведение, степень отведения каждого тазобедренного сустава должна составить всего 15°. Отмечается, что по мере продолжения отведения позвоночный столб в целом компенсирует приподнимание таза путем латерального сгибания по направлению к опорной стороне. Следовательно, позвоночный столб также принимает участие в движениях тазобедренного сустава [2].
Отведение бедра в тазобедренном суставе ограничивает ряд элементов: сократительная недостаточность отводящей мышцы, пассивное напряжение приводящих мышц бедра, пассивное напряжение лобково-бедренной и подвздошно-бедренной связки и соприкосновение кости с шейкой бедра на краю вертлужной впадины. Позвоночный столб и таз могут также выполнять роль ограничивающих движение факторов, так как позвоночный столб участвует в движениях тазобедренного сустава.
Внутреннее, или медиальное, вращение (пронация) бедра определяют как направленное вовнутрь вращение бедра в вертлужной впадине по направлению к средней линии. Это движение выполняется напрягателем широкой фасции, большой, малой и средней ягодичными мышцами. При согнутой в коленном суставе ноге диапазон движения составляет 0-45°, а при выпрямленной -несколько меньше. Внутреннее вращение ограничивается сократительной недостаточностью, напряжением латеральных вращателей бедра и седалищно-бедренной связки при согнутом тазобедренном суставе и подвздошно-бедренной связки - при суставе выпрямленном.
Считается, что растягивание бедренных мышц посредством внутреннего вращения является важным, так как нередко позволяет устранить болевые ощущения в коленях, вызванные бегом. Так, например, ограниченное вращение бедра, таза или спины приводит к увеличению момента вращения, действующего на колено, ногу и лодыжку во время бега. Кроме того, при
наличии внешней вращательной деформации тазобедренного сустава на колено действует больший вращающий момент по мере увеличения скорости и при попытке внутреннего вращения нижней конечности.
Внешнее, или латеральное, вращение (супинация) бедра осуществляется запиратель-ными мышцами близнецовой и квадратной мышцей бедра, которым помогают грушевидная, большая ягодичная, портняжная и приводящие мышцы. При согнутой в коленном суставе ноге диапазон движения составляет примерно 0-45°. Движение ограничивают сократительная недостаточность, пассивное напряжение медиальных вращателей бедра и напряжение под-вздошно-бедренной связки. При согнутом тазобедренном суставе диапазон движения выше, так как подвздошно-бедренная связка «провисает». Имеется теория, что потеря внешнего вращения бедра у артистов балета может быть результатом тугоподвижных, сильно развитых внешних вращателей, таких как ягодичные мышцы [2].
Теоретически большая часть внешнего вращения ноги (66-70°) имеет место в тазобедренном суставе, тогда как остальные 20-30° образуются в результате сочетания наружного наклона ступни, голеностопного и коленного суставов 60-70° внешнем вращении от верха колена и 20-30° - снизу от колена. В качестве негативных факторов можно отметить, что у тех, кто не способен должным образом выполнить латеральное вращение бедра, в результате «выворота» нередко возникает нагрузка на колени и ступни. Подобная попытка компенсирования приводит к повышению нагрузки на коленные суставы и может вызвать растяжение медиальной части колена, а также подвывих надколенной чашечки.
«Выворот» в тазобедренном суставе определяется главным образом костной структурой, окружающей тазобедренный сустав капсулой и соединительной тканью. В медицинской литературе отмечается, что спонтанные изменения в антеверсии быстрее всего протекают в период от рождения и до 8 лет; этот процесс близится к завершению к 10 годам, однако полностью завершается к 16-летнему возрасту.
Попытки откорректировать антеверсию после этого возраста оказываются неудачными.
Имитатор походки человека
Анализ ходьбы в медицинской сфере используется в следующих направлениях: неврология, ортопедия, ревматология, эндокринология, определение нарушений центральной нервной системы, опорно-двигательного аппарата. В частности, анализ ходьбы является способом диагностирования и оценки тяжести болезни Паркинсона. Оценка производится по длительности шага, опорной и переносной фаз, одноопорного и двухопорного периодов.
Одним из направлений исследования походки предполагается создание измерительного стенда, перемещение частей которого можно будет измерять с помощью инерциальных датчиков (акселерометров). Подобные данные применяются в медицине, а также при проектировании устройств, использующих данные о сложных динамических движениях человека, таких как походка [3].
Имитатор походки человека предназначен для моделирования движений человека при разработке биомехатронных реабилитационных устройств. Предлагаемый имитатор походки является развитием методов механотерапии, основоположником которой считается Густав Цандер, который в середине 19 века разработал специальные аппараты, которые давали возможность точно дозировать движения и сопротивления на суставы.
На данном этапе разработки имитатор походки предназначен для моделирования движения бедер и таза человека на основе траектории движения колен. Устройство механизма предполагает рассмотрение схемы, по строению приближенной к тазобедренному суставу и осуществляющей движение, подобное походке человека. Получение данных с датчиков, установленных на системе, позволит получить законы движения, максимально схожие с законами движения ног человека при ходьбе.
Заключение
В данной статье рассмотрены сведения о походке человека и устройстве его тазобедренного сустава, на основе которых разрабатывается биомехатронное медицинское устройство - имитатор походки человека.
Список литературы:
1. Дубровский В.И. Биомеханика: учебник для вузов / В.И. Дубровский, В.Н. Федорова. Москва: Владос-пресс, 2003. 545 с.
2. Майкл Дж А. Наука о гибкости. Киев: Олимп. лит., 2001. 422 с.
3. Inertial Measurement System for Human Gait Analysis // Korotkin D., Kuznetcov A. Proceedings of the 8th International Conference on Body Area Networks 2013. Boston USA. P. 414-419.
4. Иваницкий М.Ф. Анатомия человека: учебник для высших учебных заведений физической культуры. М.: Олимпия, 2008.
5. Adkins H.V. Normal and pathological gait syllabus. Downey, Calif.: Professional Staff Association of Rancho Los Amigos Hospital, 1981.
6. Uustal H., Baerga E. Gait Analysis. New York: Demos Medical Publishing, 2004.
