Моделирование поведения оси вертлужной впадины и оси седалищных бугров при переходе из положения стоя в положение сидя

Введение. Успех лечения пациентов с дегенеративно-дистрофическими заболеваниями позвоночника, а также с сопутствующим поражением тазобедренного сустава зависит от понимания биомеханики движений в позвоночно-тазовом сегменте. При тщательном анализе биомеханических процессов, происходящих в системе позвоночник-таз при переходе из положения стоя в положение сидя, становится ясно, что ацетабулярная ось вращения таза в пространстве не является единственной.

Цель. Отработать и апробировать виртуальную модель таза для изучения кинематики движения позвоночно-тазового комплекса с описанием возникновения седалищной оси вращения при изменении исходного положения стоя на положение сидя.

Материалы и методы. Задача решалась с помощью метода конечных элементов. Кости моделировались абсолютно жесткими телами. Основные связки и мышцы моделировались с помощью конечно-элементных пружин: упругих фрагментов с заданными реологическими характеристиками. Исследование контактного взаимодействия реализовывалось для пар «головка бедренной кости – вертлужная впадина» и «седалищные бугры – поверхность стула».

Результаты. Выявлена новая ось вращения – седалищная ось, которая соответствовала точкам начального контакта седалищных бугров с поверхностью стула. Ось вертлужной впадины повернулась на 7,1° относительно седалищной оси и в конечный момент времени сместилась в горизонтальном направлении относительно ацетабулярной оси на 8,83 мм. Величина зазора между поверхностями головки бедренной кости и вертлужной впадины составила порядка 8 мм.

Обсуждение. В исследовании показано, что таз вращается в зависимости от положения вокруг двух осей: ацетабулярной и седалищной, отсюда следует, что ацетабулярная ось совершает колебательные движения взад и вперед при анте- и ретроверсии, то есть является нестатичной. Недостатки модели: 1) мышцы и связки моделировались с помощью КЭ-пружин, конец и начало которых задавались двумя точками, а мышцы и связки в реальном теле прикреплены вдоль всей поверхности костей; 2) не моделируются мягкие ткани в реальном объёме. Преимуществом исследования является учёт контактного взаимодействия таза со стулом и описание его поворота относительно седалищной оси, в то время как в других исследованиях рассматривается поворот таза только относительно ацетабулярной оси.

Заключение. В результате контактного взаимодействия тазовой кости с поверхностью стула при переходе скелета из положения стоя в положение сидя возникает новая ось вращения – седалищная ось. В дальнейшем целесообразно проведение клинического исследования.

1. Dubousset J. Three-dimensional analysis of the scoliotic deformity. In: Weinstein SL, editor. The pediatric spine: principles and practice. New York: Raven Press Ltd. 1994:479-496.

2. Шнайдер Л.С., Павлов В.В., Крутько А.В., Базлов В.А., Мамуладзе Т.З., Пелеганчук А.В. Изменения позвоночно-тазового баланса после эндопротезирования тазобедренного сустава у пациентов с врожденным вывихом бедра. Хирургия позвоночника. 2018;15(4):80-86. doi: 10.14531.2018.4.80-86

3. Buckland AJ, Steinmetz L, Zhou P, et al. Spinopelvic Compensatory Mechanisms for Reduced Hip Motion (ROM) in the Setting of Hip Osteoarthritis. Spine Deform. 2019;7(6):923-928. doi: 10.1016/j.jspd.2019.03.007

4. Heckmann N, Trasolini NA, Stefl M, Dorr L. The effect of spinopelvic motion on implant positioning and hip stability using the functional safe zone of THR. 2020. In: Rivière C, Vendittoli PA, editors. Personalized Hip and Knee Joint Replacement [Internet]. Cham (CH): Springer; 2020. Chapter 12. doi: 10.1007/978-3-030-24243-5_12

5. Lafage V, Schwab F, Patel A, et al. Pelvic tilt and truncal inclination: two key radiographic parameters in the setting of adults with spinal deformity. Spine (Phila Pa 1976). 2009;34(17):E599-606. doi: 10.1097/BRS.0b013e3181aad219

6. Heckmann ND, Lieberman JR. Spinopelvic biomechanics and total hip arthroplasty: a primer for clinical practice. J Am Acad Orthop Surg. 2021;29(18):e888-e903. doi: 10.5435/JAAOS-D-20-00953

7. Sharma AK, Vigdorchik JM. The hip-spine relationship in total hip arthroplasty: how to execute the plan. J Arthroplasty. 2021;36(7S):S111-S120. doi: 10.1016/j.arth.2021.01.008

8. Mac-Thiong JM, Berthonnaud E, Dimar JR 2nd, et al. Sagittal alignment of the spine and pelvis during growth. Spine (Phila Pa 1976). 2004;29(15):1642-7. doi: 10.1097/01.brs.0000132312.78469.7b

9. Капанджи А.И. Нижняя конечность. Функциональная анатомия; предисл. Тьерри Жюдэ; [пер. с фр. Г. М. Абелевой и др.]. Москва: Эксмо, 2020. 352 с.

10. Nishihara S, Sugano N, Nishii T, et al. Measurements of pelvic flexion angle using three-dimensional computed tomography. Clin Orthop Relat Res. 2003;(411):140-51. doi: 10.1097/01.blo.0000069891.31220.fd

11. Кизилова Н. Н. Метод конечных элементов в современной биомеханике. Современные проблемы естественных наук. 2014;1(2):18-34.

12. Zhang Z, Li Y, Liao Z, Liu W. Research Progress and prospect of applications of finite element method in lumbar spine biomechanics. Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi. 2016;33(6):1196-1202. (In Chinese)

13. MacLeod AR, Pankaj P, Simpson AH. Does screw-bone interface modelling matter in finite element analyses? J Biomech. 2012;45(9):1712-1716. doi: 10.1016/j.jbiomech.2012.04.008

14. Chegini S, Beck M, Ferguson SJ. The effects of impingement and dysplasia on stress distributions in the hip joint during sitting and walking: a finite element analysis. J Orthop Res. 2009;27(2):195-201. doi: 10.1002/jor.20747

15. Karunratanakul K, Kerckhofs G, Lammens J, et al. Validation of a finite element model of a unilateral external fixator in a rabbit tibia defect model. Med Eng Phys. 2013;35(7):1037-1043. doi: 10.1016/j.medengphy.2012.10.006

16. Misch CE, Qu Z, Bidez MW. Mechanical properties of trabecular bone in the human mandible: implications for dental implant treatment planning and surgical placement. J Oral Maxillofac Surg. 1999;57(6):700-706; discussion 706-8. doi: 10.1016/s0278-2391(99)90437-8

17. Nobakhti S, Shefelbine SJ. On the Relation of Bone Mineral Density and the Elastic Modulus in Healthy and Pathologic Bone. Curr Osteoporos Rep. 2018;16(4):404-410. doi: 10.1007/s11914-018-0449-5

18. Wall A, Board T. The compressive behavior of bone as a two-phase porous structure. Classic papers in orthopaedics. London: Springer. 2014:457-460.

19. Martin R.B., Burr D.B., Sharkey N.A., Fyhrie D.P. Mechanical Properties of Bone. In: Martin R.B., Burr D.B., Sharkey N.A. (Eds.). Skeletal Tissue Mechanics. New York: Springer. 2015:355-422.

20. Kubo K, Ikebukuro T, Yata H. Mechanical properties of muscles and tendon structures in middle-aged and young men. Sci Rep. 2022;12(1):1702. doi: 10.1038/s41598-022-05795-7

21. Kubo K, Miyazaki D, Yata H, Tsunoda N. Mechanical properties of muscle and tendon at high strain rate in sprinters. Physiol Rep. 2020;8(19):e14583. doi: 10.14814/phy2.14583

22. Gervasi M, Sisti D, Benelli P, et al. The effect of topical thiocolchicoside in preventing and reducing the increase of muscle tone, stiffness, and soreness: A real-life study on top-level road cyclists during stage competition. Medicine (Baltimore). 2017;96(30):e7659. doi: 10.1097/MD.0000000000007659

23. Cowin S.C. Bone Mechanics Handbook. Chapter 6. СRС Press. 2001:184-207. doi: 10.1201/b14263

24. Miura T, Miyakoshi N, Saito K, et al. Association between global sagittal malalignment and increasing hip joint contact force, analyzed by a novel musculoskeletal modeling system. PLoS One. 2021;16(10):e0259049. doi: 10.1371/journal.pone.0259049

25. Li J. Development and validation of a finite-element musculoskeletal model incorporating a deformable contact model of the hip joint during gait. J Mech Behav Biomed Mater. 2021;113:104136. doi: 10.1016/j.jmbbm.2020.104136

26. Galbusera F, Innocenti B. Biomechanics of the hip joint. Chapter 12. In: Human Orthopaedic Biomechanics. Academic Press; 2022:221-237. doi: 10.1016/B978-0-12-824481-4.00013-5

27. Tomasi M, Artoni A, Mattei L, Di Puccio F. On the estimation of hip joint loads through musculoskeletal modeling. Biomech Model Mechanobiol. 2023;22(2):379-400. doi: 10.1007/s10237-022-01668-0

28. Nishiyama D, Iwasaki H, Kozaki T, et al. Prediction of Pelvic Inclination in the Sitting Position after Corrective Surgery for Adult Spinal Deformity. Spine Surg Relat Res. 2020;4(3):242-246. doi: 10.22603/ssrr.2019-0119

29. Lazennec JY, Kim Y, Folinais D, Pour AE. Sagittal Spinopelvic Translation Is Combined With Pelvic Tilt During the Standing to Sitting Position: Pelvic Incidence Is a Key Factor in Patients Who Underwent THA. Arthroplast Today. 20203;6(4):672-681. doi: 10.1016/j.artd.2020.07.002

30. Kanawade V, Dorr LD, Wan Z. Predictability of Acetabular Component Angular Change with Postural Shift from Standing to Sitting Position. J Bone Joint Surg Am. 2014;96(12):978-986. doi: 10.2106/JBJS.M.00765

31. Wera GD, Ting NT, Moric M, et al. Classification and management of the unstable total hip arthroplasty. J Arthroplasty. 2012;27(5):710-5. doi: 10.1016/j.arth.2011.09.010