Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.

Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.



СІМЕЙНІ ЛІКАРІ ТА ТЕРАПЕВТИ

НЕВРОЛОГИ, НЕЙРОХІРУРГИ, ЛІКАРІ ЗАГАЛЬНОЇ ПРАКТИКИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ

КАРДІОЛОГИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ, РЕВМАТОЛОГИ, НЕВРОЛОГИ, ЕНДОКРИНОЛОГИ

СТОМАТОЛОГИ

ІНФЕКЦІОНІСТИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ, ПЕДІАТРИ, ГАСТРОЕНТЕРОЛОГИ, ГЕПАТОЛОГИ

ТРАВМАТОЛОГИ

ОНКОЛОГИ, (ОНКО-ГЕМАТОЛОГИ, ХІМІОТЕРАПЕВТИ, МАМОЛОГИ, ОНКО-ХІРУРГИ)

ЕНДОКРИНОЛОГИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ, ПЕДІАТРИ, КАРДІОЛОГИ ТА ІНШІ СПЕЦІАЛІСТИ

ПЕДІАТРИ ТА СІМЕЙНІ ЛІКАРІ

АНЕСТЕЗІОЛОГИ, ХІРУРГИ

"Тrauma" Том 22, №5, 2021

Back to issue

Simulation of double-leg stance in conditions of limited hip mobility

Authors: Тяжелов О.А. (1), Карпінська О.Д. (1), Юрченко Д.О. (2), Браніцький О.Ю. (3)
(1) — ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна
(2) — Науково-дослідний інститут травматології та ортопедії Донецького національного медичного університету, м. Лиман, Україна
(3) — Вінницький національний медичний університет ім. М.І. Пирогова, м. Вінниця, Україна

Categories: Traumatology and orthopedics

Sections: Specialist manual

print version


Summary

Актуальність. Остеоартроз кульшового суглоба (ОА) є одним із найбільш поширених та інвалідизуючих станів, що вражають людей похилого віку. Коксартроз супроводжується порушенням амортизаційних властивостей хряща, його потоншенням і руйнацією, появою больового синдрому, порушенням рухових функцій внаслідок зменшення сили м’язів і розвитку стійких згинально-привідних контрактур, які змінюють вроджені рухові програми, а при тривалому перебігу дегенеративного захворювання призводять до формування патологічних звичок. Мета роботи: визначити необхідну силу м’язів нижньої кінцівки в умовах обмеження рухів у кульшовому суглобі для підтримки вертикальної пози при двохопорному стоянні. Матеріали та методи. Моделювання роботи м’язів нижніх кінцівок в умовах обмеження рухів у кульшовому суглобі проводили в програмі OpenSim 4.0. В основу покладена модель ToyLandingModel, яка має об’єкти контактної геометрії для фіксування моделі на площі опори. Було створено 4 моделі: норма (без обмеження рухливості суглобів), модель 2 — привідна установка 5°, модель 3 — привідна установка 7°, згинальна установка — 10°, модель 4 — привідна установка 10°, згинальна — 20°, вкорочення стегнової кістки 2 см. Результати. Було визначено, що при незначних привідних контрактурах кульшового суглоба робота м’язів нижньої кінцівки при двохопорному стоянні змінюється мало. При згинально-привідних контрактурах спостерігаються зміни практично в усіх м’язах нижньої кінцівки. Є деякі особливості в роботі м’язів в умовах контрактур. Усі м’язи навколо стегна зменшують необхідну силу для підтримки рівноваги, а м’язи гомілки, навпаки, збільшують необхідну силу в декілька раз. Наприклад, m.medial gastrocnemius при згинально-привідній контрактурі з вкороченням кінцівки розвиває компенсаторну силу в 10 раз більше (200 Н), ніж в нормі (20 Н), і хоча ресурси м’яза становлять 1500 Н, для підтримки вертикальної пози це дуже затратно. Аналогічно потребують збільшення сили m.tibialis posterior (збільшення втричі), але м’яз-антагоніст m.tibialis anterior, навпаки, зменшує силу скорочення в середньому на 100 Н. Висновки. За даними проведеного моделювання двохопорного стояння з обмеженням рухів у кульшовому суглобі було доведено, що збільшення обмеження рухів змінює характер скорочення м’язів усієї нижньої кінцівки та таза. Аналіз отриманих результатів показав, що обмеження рухів зменшує необхідну силу стабілізації м’язів навколокульшового суглоба і збільшує необхідну силу скорочення м’язів гомілки. Тобто спостерігається порушення балансу м’язів.

Hip osteoarthritis is one of the most common and disabling conditions affecting the elderly. Coxarthrosis is accompanied by impairment of the amortization properties of cartilage, its thinning and destruction, the appearance of pain syndrome, impaired motor functions due to a decrease in muscle strength and the development of stable flexion-adduction contractures, which change congenital motor programs, and, with a prolonged course of degenerative disease, lead to the formation of pathological habits. Objective: to determine the required strength of the muscles of the lower limb in conditions of limited hip mobility to support an upright posture in double-leg stance. Materials and methods. The work of the muscles of the lower extremities under conditions of restricted hip mobility was simulated using the OpenSim 4.0 software. It is based on the ToyLandingModel, which has contact geometry objects to fix the model on the support area. Four models were created: norm (without limitation of joint mobility), model 2 — adduction of 5°, model 3 — adduction of 7°, flexion of 10°, model 4 — adduction of 10°, flexion of 20°, shortening of the femur bones by 2 cm. Results. It was found that with insignificant adduction contractures of the hip joint, the work of the muscles of the lower limb changes slightly during double-leg stance. With flexion-adduction contractures, changes are observed in almost all muscles of the lower limb. There are some peculiarities in the work of muscles under contractures. All the muscles around the thigh reduce the strength necessary to maintain balance, while the lower leg muscles, on the contrary, increase the required strength several times. For example, m.medial gastrocnemius with flexion-adduction contracture and limb shortening develops10 times higher compensatory force (200 N) than in normal conditions (20 N), and although muscle resources are 1500 N, it is very demanding to maintain an upright posture. Similarly, m.tibialis posterior require an increase in strength (threefold), but the antagonist muscle m.tibialis anterior, on the contrary, reduces the force of contraction by an average of 100 N. Conclusions. According to the data of the conducted modeling of double-leg stance with limited hip mobility, it was proved that an increase in limited movements changes the nature of muscle contraction of the entire lower limb and pelvis. The analysis of the obtained results showed that restriction of movements reduces the required force of muscle stabilization around the hip joint, and increases the required force of contraction of the leg muscles. That is, there is an imbalance in the muscles.


Keywords

остеоартроз кульшового суглоба; м’язи нижньої кінцівки; математичне моделювання

hip osteoarthritis; muscles of the lower limb; mathematical modeling


For the full article you need to subscribe to the magazine.


Bibliography

1. Страфун С.С., Фіщенко О.В., Карпінська О.Д. Моделювання ходьби хворих на коксартроз зі зменшеною довжиною плеча дії абдукторів стегна. Травма. 2018. Т. 19. № 3. С. 39-48. DOI: 10.22141/1608-1706.3.19.2018.136405.
2. Тяжелов А.А., Карпинская Е.Д., Карпинский М.Ю., Браницкий А.Ю. Влияние контрактур тазобедренного сустава на силу мышц бедра. Georgian Medical News. 2020. № 9(306). С. 10-18. PMID: 33130638.
3. Тяжелов О.А. Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д., Браніцький О.Ю., Обейдат Халед. Патологічні постураль-ні патерни за умов тривалого перебігу остеоартрозу суглобів нижніх кінцівок. Ортопедия, травматология и протезирование. 2020. № 1. С. 26-32. DOI: 10.15674/0030-59872020126-32.
4. Фіщенко В.О., Браніцький О.Ю., Гоцул О.В., Карпінська О.Д. Математичне моделювання ходьби людини при комбінованій контрактурі кульшового суглоба. Травма. 2019. Т. 20. № 4. С. 100-105. DOI: 10.22141/1608-1706.4.20.2019.178752.
5. Arbanas J., Starcevic Klasan G., Nikolic M., Jerkovic R., Miljanovic I., Malnar D. Fibre type composition of the human psoas major muscle with regard to the level of its origin. Journal of anatomy. 2009. Vol. 215(6). Р. 636-41.
6. Delp S.L., Anderson F.C., Arnold A.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. Vol. 54(11).
7. Eskelinen A., Remes V., Helenius I., Pulkkinen P., Nevalainen J., Paavolainen P. Uncemented total hip arthroplasty for primary osteoarthritis in young patients: a mid-to long-term follow-up study from the Finnish Arthroplasty Register. Acta Orthop. 2006. Vol. 77(1). Р. 57-70. doi: 10.1080/17453670610045704.
8. Hasegawa K., Okamoto M., Hatsushikano S., Shimoda H., Ono M., Homma T., Watanabe K. Standing sagittal alignment of the whole axial skeleton with reference to the gra-vity line in humans. Journal of Anatomy. 2017. Vol. 230(5). Р. 619-630. doi: 10.1111/joa.12586. 
9. Jeon H., Lee S.U., Lim J.Y., Chung S.G., Lee S.J., Lee S.Y. Low skeletal muscle mass and radiographic osteoarthritis in knee, hip, and lumbar spine: a cross-sectional study. Aging Clin. Exp. Res. 2019. Vol. 31(11). Р. 1557-1562. doi: 10.1007/s40520-018-1108-5.
10. Kendall F.B., McCreary E.K., Provance P.G. Muscles: Testing and Function, with Posture and Pain (Kendall, Muscles) 5-North American Edition. Philadelphia. Lippincott Williams & Wilkins, 2005.
11. Kenneth S.S. Anatomy & Physiology: The Unity of Form and Function. 6th ed. McGraw-Hill, 2010. 
12. Moore K.L., Dalley A.F., Agur A.M.R. Clinial oriented anatomy. Philadelphia: Wolters Kluwer, 2010.
13. Murphy L.B., Helmick C.G., Schwartz T.A. et al. One in four people may develop symptomatic hip osteoarthritis in his or her lifetime. Osteoarthr. Cartil. 2010. Vol. 18(11). Р. 1372-9. doi: 10.1016/j.joca.2010.08.005.
14. Wheeless C.R., Nunley J.A., Urbaniak J.R. Orthopaedic References and Discussions for Physicians. https://www.wheelessonline.com/
15. Seth A., Hicks J.L., Uchida T.K., Habib A., Dembia C.L., Dunne J.J., Ong C.F., DeMers M.S., Rajagopal A., Millard M., Hamner S.R., Arnold E.M., Yong J.R., Lakshmikanth S.K., Shermann M.A., Delp S.L. OpenSim: Simulating musculoskeletal dynamics and neuromuscular control to study human and animal movement. Plos Computational Biology. 2018. Vol. 14(7). 
16. Sharkey P.F., Austin M.S., Hozack W. Total hip arthroplasty in the young patient. Instr. Course Lect. 2006. Vol. 55. Р. 173-6. PMID: 16958450. 
17. Vleeming A., Mooney V. Movement, Stability & Lumbopelvic Pain. 2nd Edition. Philadelphia, Churchill Livingstone. 1st March 2007.
18. Zacharias A., Green R., Semciw A., English D.J., Kapakoulakis T., Pizzari T. Atrophy of hip abductor muscles is related to clinical severity in a hip osteoarthritis population. Clinical anatomy. 2018. Vol. 31(4). Р. 507-513. https://doi.org/10.1002/ca.23064

Back to issue