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.

"Тrauma" Том 20, №4, 2019

Back to issue

Mathematical modeling of human walking under combined hip joint contracture

Authors: Фіщенко В.О.(1), Браніцький О.Ю.(1), Гоцул О.В.(1), Карпінська О.Д.(2)
(1) — Вінницький національний медичний університет ім. М.І. Пирогова, м. Вінниця, Україна
(2) — ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Київ, Україна

Categories: Traumatology and orthopedics

Sections: Clinical researches

print version


Summary

Вступ. Різні варіанти остеоартрозів кульшового суглоба (коксартроз) відіграють ключову роль у зниженні рухової активності. Основною скаргою при коксартрозі є біль, характер, інтенсивність, тривалість та локалізація якого залежать від стадії дистрофічного процесу. Мета роботи: провести математичне моделювання для оцінки сили м’язів нижньої кінцівки, необхідної для здійснення нормального кроку, при контрактурі кульшового суглоба, яка розвивається при ІІІ стадії коксартрозу. Матеріали та методи. Моделювання ходьби проводили в програмній системі OpenSim. Як базова модель була взята модель gait2394. В базовій моделі була змодельована комбінована контрактура кульшового суглоба шляхом обмеження рухів у різних площинах: флексія — 0/20/70°, ротація — 1/0/1°, абдукція — 5/0/15°. Наведені порівняння сили м’язів нижніх кінцівок при ходьбі нормалізованої моделі й моделі з контрактурою. Результати. При ходьбі м’язи виконують переважно згинально-розгинальні рухи, амплітуда яких не перевищує 50–60° при мінімальному приведенні/відведенні. При розвинених контрактурах кульшового суглоба на ходьбу повинна більше впливати недостатність м’язів, відповідних за згинання та розгинання нижньої кінцівки. Аналізували роботу м’язів за зонами їх розташування — задня та передня поверхня стегна, медіальні м’язи стегна та сідничні. М’язи задньої поверхні стегна для виконання нормального кроку повинні розвивати силу на 30 % більшу, ніж при нормальному функціонуванні суглоба, м’язи передньої поверхні стегна працюють із перевищенням сили на 30 %. Збільшується мінімальне зусилля м’язів від 10 до 15 %, тобто не відбувається повної релаксації м’язів і вони перебувають у постійно напруженому стані. Більш напружені м’язи задньої поверхні стегна — m. biceps femoris short head (на 53 %) та m. semitendinosus (на 100 %) у момент відриву п’ятки та передньої поверхні стегна — rectus femoris (83,16 %) при переносі стопи. M. semitendinosus не має періоду розслаблення, тобто мінімальне зусилля перевищує норму на 70 %. Висновки. Контрактура кульшового суглоба призводить до зміни анатомічних співвідношень суглоба, що призводить до значного порушення роботи м’язів. За даними, отриманими при моделюванні комбінованої контрактури кульшового суглоба, було доведено, що страждають не тільки м’язи стегна, а й м’язи всієї нижньої кінцівки. Більше за все страждають м’язи, відповідні за згинання стегна при переносі стопи, — це м’язи передньої та задньої поверхонь стегна, і порушення в їх роботі призводить до зміни функціонування м’язів навколо колінного суглоба і нижче — навколо надп’ятково-гомілкового суглоба та стопи. Вкорочення кінцівки через згинальну контрактуру призводить до значного перенапруження м’язів сідничної групи, відповідних за підтримку рівноваги. Отже, контрактура кульшового суглоба впливає на роботу м’язів всієї нижньої кінцівки.

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-разгибательные 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.

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

контрактура кульшового суглоба; ходьба; коксартроз

контрактура тазобедренного сустава; ходьба; коксартроз

contracture of the hip joint; walking; coxarthrosis


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


Bibliography

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., 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. 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. Аccessed 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. https://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. співробітників КМАПО ім. Шупика. 2001. 10(1). 220-226.

Similar articles

Walking simulation with reduced hip abductor moment arm
Authors: Страфун С.С.(1), Фіщенко О.В.(2), Карпінська О.Д.(3)
1 - ДУ «Інститут травматології та ортопедії НАМН України», м. Київ, Україна
2 - Вінницький національний медичний університет ім. М.І. Пирогова МОЗ України, м. Вінниця, Україна
3 - ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна

"Тrauma" Том 19, №3, 2018
Date: 2018.07.18
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
Hip osteoarthritis. Clinical and social aspects of disease. Analytical review of the literature. Part I
Authors: Фіщенко В.О.(1), Кириченко В.І.(1), Яремин С.Ю.(1), Браніцький О.Ю.(1), Карпінська О.Д.(2)
1 - Вінницький національний медичний університет ім. М.І. Пирогова, м. Вінниця, Україна
2 - ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна

"Тrauma" Том 20, №1, 2019
Date: 2019.03.27
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Specialist manual
Динаміка біомеханічних та електроміографічних даних у випадках деформацій великого вертлюга стегнової кістки
Authors: Громов А.Б., Корольков О.І., Карпінська О.Д., Ісаєва Н.П.
ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків

"Тrauma" Том 16, №4, 2015
Date: 2015.10.27
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
View of the sport traumatologist on the biomechanics of the hip
Authors: Зазірний І.М., Рижков Б.С.
Центр ортопедії, травматології та спортивної медицини клінічної лікарні «Феофанія» ДУС, м. Київ, Україна

"Тrauma" Том 20, №1, 2019
Date: 2019.03.27
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Specialist manual

Back to issue