Мышцы человека нижних конечностей: Мышцы нижних конечностей | Анатомия человека

Полезная информация о перекосе (смещении) костей таза

Полезная информация о перекосе (смещении) костей таза

Признаки возможного наличия перекоса таза

1. Боль, возникающая преимущественно во время движений.
2. Скованность движений.
3. Шаткость при ходьбе, частые падения – симптомы умеренного перекоса таза.
4. Боль в спине, плечах и шее, особенно часто возникает боль в области поясницы с иррадиацией в нижнюю конечность.
5. Боль в области бедра.
6. Боли в проекции крестцово- подвздошных сочленений.
7. Боль в паховой области.
8. Боли в области коленного сустава, лодыжки, стопы или в ахилловом сухожилии.
9. Появление разницы в длине нижних конечностей.
10. Нарушения функции мочевого пузыря.
11. Нарушения функции кишечника.
12. Нарушения функции половых органов.
13. Дисбаланс мышц. Отсутствие адекватной физической нагрузки, малоподвижный образ жизни, «сидячая» работа зачастую приводят к тому, что некоторые группы мышц человеческого тела постепенно ослабевают и даже атрофируются, а другие находятся в постоянном напряжении, состоянии повышенного тонуса. Нарушается баланс мышечной ткани, которая в норме должна образовывать своего рода поддерживающий корсет для всей костно-мышечной системы. Как следствие напряжения некоторых групп мышц на фоне ослабления других, может смещаться таз.
14. Травмы костей таза (следствие механического воздействия — падения или удара). К наиболее серьезным травмам относятся переломы костей таза и, особенно, переломы, сопровождающиеся разрывом тазового кольца. Неправильное сращение данных переломов может привести к нарушению формы и последующему смещению таза.
15. Физическое перенапряжение (резкий подъем тяжестей, длительное ношение тяжелых предметов на одной стороне тела и прочее). Нередко перекос таза возникает у людей, занимающихся пауэрлифтингом и тяжелой атлетикой, особенно, если эти занятия проводятся без контроля опытного и грамотного инструктора.
16. Беременность. Женский таз достаточно гибкий и эластичный от природы, что предусмотрено для того, чтобы женщина впоследствии могла родить ребенка. Поэтому во время беременности, особенно, при вынашивании крупного плода, женский таз вполне может сместиться. Также у женщины может произойти нарушение (смещение) таза во время родов.
17. Повреждение мышц таза и прилегающих к нему областей тела. Как правило, поврежденные мышцы менее эластичные, более плотные и напряженные, чем здоровые. Если поврежден участок мышечной ткани в районе таза, напряжение и уплотнение волокон этого участка будет вызывать натяжение связок и смещение относительно другу друга костей, образующих суставы и неподвижные сочленения. Если мышцы не восстановятся полностью и останутся в повышенном тонусе, кости таза со временем сместятся относительно друг друга и изменят положение таза по отношению к другим частям костного скелета. В зависимости от того, какая мышца повреждена в данном случае, таз будет смещаться в разных направлениях. Так, например:
    — повреждение поясничной мышцы вызывает смещение таза вперед;
    — повреждение четырехглавой мышцы приводит к флексии бедра;
    — повреждение приводящих мышц бедра приведет к наклону таза вперед и повороту бедра внутрь.
18. Разница в длине нижних конечностей, которая является проявлением анатомических особенностей или последствием заболевания. Наиболее часто разная длина ног вызывает смещение таза справа налево, но иногда в таких случаях таз смещается спереди назад или сзади наперед. Также может произойти скручивание таза.
19. Наличие грыжи межпозвоночного диска. Смещение таза в таких случаях происходит вследствие возникающего длительного спазма мышц, и перекос носит функциональный характер. Механизм образования перекоса таза в данном случае подобен таковому при повреждении мышц.
20. Оперативные вмешательства в области костей, формирующих таз, а также в области тазобедренных суставов.
21. Наличие сколиотических изменений в позвоночнике (врожденных или приобретенных), особенно в поясничном отделе.

Причины возникновения перекоса костей таза

Последствия неправильного расположения (перекоса) таза

Изменение расположения таза может вызывать достаточно неприятные последствия:

1. Искривление позвоночника и нарушение его функции. При смещении таза происходит смещение позвоночной оси, что часто приводит к неравномерному распределению нагрузки внутри позвоночного столба, избыточному давлению на некоторые точки, вследствие чего в этих местах постепенно разрушаются костные структуры. Впоследствии это может стать причиной возникновения дегенеративных изменений позвонков, образования межпозвоночных грыж, развития деформирующего остеоартроза, стеноза спинального канала, радикулита и множества других заболеваний позвоночника.
2. Как следствие смещения и нарушения функций позвоночника, у человека появляются боли в различных отделах спины, плечах, шее и конечностях. Могут нарушаться функции конечностей, развиваться синдром запястного канала.
3. Усиление нагрузки на одну из нижних конечностей. Когда таз расположен правильно, нагрузка делится равномерно между обеими конечностями. При его перекосе происходит смещение центра тяжести, и сила тяжести действует больше на одну ногу.

Лечение

Лечение назначается после установления причины, вызвавшей смещение таза, и должно быть направлено, в первую очередь, на устранение этой причины. Эффективными признаны следующие методы:

• мануальная терапия;
• лечебно физкультурный комплекс;
• выполнение комплекса специальных гимнастических упражнений;
• специальный массаж;
• физиотерапия;
• при необходимости производится оперативное вмешательство.

Облитерирующий атеросклероз артерий нижних конечностей

Облитерирующий атеросклероз – болезнь, возникающая при утолщении стенок артериальных сосудов из-за отложений липидов и холестерина, которые формируют атеросклеротические бляшки, вызывающие постепенное сужение просвета артерии и приводящие к ее полному перекрытию.

Атеросклеротическое поражение артерий в каждом отдельном случае проявляется в виде сужения (стеноза) или полного перекрытия (окклюзии) на конкретном участке артерии, что препятствует нормальному приливу крови к тканям. В результате ткани не получают питательных веществ и кислорода, необходимых для их нормального функционирования.

Вначале развивается состояние под названием ишемия. Оно сигнализирует о том, что ткани страдают от недостатка питания, и если это состояние не устранить, произойдет отмирание ткани (некроз или гангрена ног).

Особенностью атеросклероза является то, что эта болезнь способна поразить одновременно сосуды нескольких бассейнов. При поражении сосудов конечностей возникает гангрена, поражение сосудов головного мозга приводит к инсульту, поражение сосудов сердца чревато инфарктом.

Атеросклеротические изменения сосудов нижних конечностей и аорты присутствуют у большинства людей средней возрастной группы, однако, на первом этапе, болезнь никак себя не проявляет. Симптомами, свидетельствующими об артериальной недостаточности, являются болезненные ощущения в ногах при ходьбе. Постепенно интенсивность симптомов увеличивается и приводит к необратимым изменениям в виде гангрены ноги. Среди мужчин заболевание встречается в 8 раз чаще, чем среди женщин.

Дополнительные факторы риска, приводящие к более раннему и тяжелому течению болезни: сахарный диабет, курение, чрезмерное увлечение жирной пищей.

Для атеросклероза сосудов характерно постоянное прогрессирование, ведущее к гангрене нижней конечности, что влечет за собой ампутацию ноги, необходимую для спасения жизни больного. Предотвратить развитие гангрены может только своевременное лечение и вовремя предпринятые меры по нормализации кровотока.

Признаки заболевания

Основной симптом, характерный для закупорки артерий ног, это так называемая «перемежающаяся хромота» — боль в мышцах ног, появляющаяся при ходьбе и проходящая после небольшого отдыха. Чаще всего эти ощущения пациенты описывают словами «сковывает», «сжимает», «деревянеет». В большинстве случаев боль чувствуется в икроножных мышцах, но иногда, при закупорке крупных сосудов (подвздошных артерий, брюшного отдела аорты), может ощущаться в ягодичной области и мышцах бедер. Характерным является усиление боли при беге, быстрой ходьбе, подъеме по лестнице.

Степень нарушения циркуляции крови в ногах можно определить по расстоянию, которое пациент способен пройти без болевых ощущений. На начальном этапе развития болезни пациент в силах преодолеть около 500-1000 м до появления боли в нижних конечностях. Признаками заболевания могут быть также ощущения холода и онемения в пальцах ног. Кожный покров стопы и голени становится бледным, волосяной покров на ноге уменьшается, а затем исчезает полностью, рост ногтей замедляется.

С течением времени дистанция безболевой ходьбы становится все меньше, боль возникает уже через каждые 50-100 м, кожа на нижних конечностях может стать багрово-синюшного цвета, замедляется скорость заживления небольших ран на ногах.

 Для следующей стадии характерно появление болей в покое, которые ощущаются особенно сильно при горизонтальном положении ног. Если больной опускает ноги вниз, то наступает временное облегчение. Подобная зависимость болевых ощущений от положения ног часто приводит к тому, что пациенты пытаются спать сидя, но вскоре сон полностью нарушается из-за сильных болей. На кожном покрове голени, стопы и пальцев возникают некрозы и почернения из-за омертвения тканей, появляется отек стопы и незаживающие, часто инфицирующиеся раны – трофические язвы. На заключительном этапе развивается гангрена ноги, и спасти жизнь пациента может только оперативное лечение — ампутация конечности.

Все эти стадии обычно развиваются постепенно, помимо случаев, когда на фоне атеросклероза возникает острый артериальный тромбоз. Тогда в месте сужения артерии появляется тромб и мгновенно полностью перекрывает просвет артерии. Так как это происходит внезапно, то пациент чувствует резкое ухудшение своего состояния, его нога бледнеет и становится холодной. В этом случае следует срочно обратиться за помощью к специалисту – сосудистому хирургу, потому что счет идет на часы и промедление с лечением может завершиться потерей конечности.

Атеросклероз на фоне сахарного диабета имеет свои особенности. Болезнь развивается очень стремительно и приводит к некрозу или гангрене ноги за несколько дней или даже часов. При таком развитии заболевания избежать ампутации, а иногда и просто спасти жизнь пациента возможно лишь при немедленной квалифицированной помощи хирурга.

Инструментальные методы диагностики заболевания

• Диагностика сосудов проводится при помощи ультразвукового дуплексного сканирования артерий (УЗДС) или ультразвуковая доплерография (УЗДГ).Этот метод дает возможность увидеть стенки сосуда и ткани, которые его окружают, скорость и направление движения крови в сосуде, а также препятствия, нарушающие нормальную циркуляцию крови (тромбы, бляшки). Этот метод исследования сосудов, так же, как и обычное УЗИ, совершенно безболезнен для человека. При доплерографии, в отличие от артериографии, человек не подвергается воздействию рентгеновского излучения, поэтому его можно делать множество раз безо всяких побочных эффектов. Правильно выполненное УЗДС даст полную информацию врачу о состоянии сосудов пациента, поможет установить причину болезни, и самое важное – адекватно и грамотно составить план дальнейшего лечения.
• Артериография сосудов ног – метод, при котором рентгенконтрастный состав вводят в просвет артериального сосуда и делают рентгеновские снимки, позволяющие запечатлеть просвет артерии на всем протяжении. Данное обследование требует помещения пациента в стационарное отделение и соблюдения им постельного режима в течение 12 часов после прохождения процедуры. Этот диагностический метод, как и любое другое рентгеновское обследование, оказывает на организм лучевое воздействие. Артериография имеет решающее значение перед проведением оперативного вмешательства.
• При помощи измерения парциального давления кислорода в тканях получают информацию о степени насыщения тканей кровью. Этот метод используют как дополнительный в случаях сложностей с постановкой диагноза.

Лечение атеросклероза нижних конечностей

Атеросклероз сосудов требует составления индивидуальной схемы лечения в каждом конкретном случае. Тактика лечения зависит от протяженности, степени и уровня поражения артерий, а также от наличия у пациента сопутствующих болезней. При атеросклерозе сосудов нижних конечностей чаще всего применяют следующие методы:

• Консервативный;
• Оперативный;
• Эндоваскулярный (малоинвазивный).

При атеросклерозе нижних конечностей начальной стадии (на этапе перемежающейся хромоты) лечение может быть консервативным. Консервативный метод также применяют для лечения ослабленных пациентов, состояние которых осложнено сопутствующей патологией, что делает невозможным оперативное вмешательство по восстановлению тока крови в ногах. Консервативное лечение состоит из медикаментозного и физиотерапевтического, включает в себя дозированную ходьбу и лечебную физкультуру.

Медикаментозное лечение заключается в применении препаратов, которые снимают спазм с периферических мелких артериальных сосудов, разжижают и уменьшают вязкость крови, помогают защитить стенки артерий от дальнейших повреждений, оказывают стимулирующее влияние на развитие коллатеральных ветвей. Курс медикаментозного лечения нужно проводить несколько раз в год, некоторые лекарства необходимо принимать постоянно.

Следует понимать, что, пока, не существует медикаментозного препарата, который мог бы восстановить нормальную циркуляцию крови по закупоренной артерии. Вышеупомянутые лекарства оказывают лишь действие на мелкие сосуды, по которым кровь движется в обход перекрытого участка артерии. Данное лечение направлено на расширение этих обходных путей, чтобы за их счет компенсировать недостаточность циркуляции крови.

При сегментарном сужении участка артерии применяют эндоваскулярный метод лечения. Через прокол пораженной артерии в ее просвет вводится катетер с баллоном, который подводят к месту сужения артерии. Просвет суженного сегмента расширяют путем раздувания баллона, в результате чего кровоток восстанавливается.

Если требуется, в этот сегмент артерии устанавливают специальное устройство (стент), препятствующее сужению данного участка артерии в будущем. Это называется баллонная дилятация со стентированием. Стентирование артерий, баллонная дилятация, ангиопластика – эти эндоваскулярные методы лечения, наиболее распространенные при атеросклерозе нижних конечностей. Такие методы позволяют восстановить циркуляцию крови по сосуду без оперативного вмешательства. Эти процедуры проводят в рентгеноперационной, оснащенной специальным оборудованием.

При очень длинных участках закупорки (окклюзии) чаще используют хирургические методы, направленные на восстановление кровотока в ногах.

Это такие методы, как:

• Протезирование участка закупоренной артерии искусственным сосудом (аллопротезом).
• Шунтирование – метод, при котором кровоток восстанавливают, направляя движение крови в обход закупоренного участка артерии через искусственный сосуд (шунт). В качестве шунта иногда применяют сегмент подкожной вены больного.
• Тромбэндартерэктомия — удаление из пораженной артерии атеросклеротической бляшки.

Эти хирургические методы могут комбинироваться или быть дополнены другими видами операций – выбор зависит от степени, характера и протяженности поражения, и назначают их с учетом индивидуальных особенностей пациента, после детального обследования сосудистым хирургом.

В случаях многоуровневого атеросклероза сосудов нижних конечностей применяют лечение, сочетающее шунтирование перекрытого участка артерии и расширение (дилатацию) суженного.

Когда операцию по восстановлению кровообращения проводят уже при появившихся некрозах или трофических язвах, может потребоваться еще одно хирургическое вмешательство, которое выполняют либо одновременно с данной операцией, либо через некоторое время после нее. Дополнительная операция нужна для удаления гангренозных омертвевших тканей и закрытия трофических язв лоскутом кожи.

Появление язв или гангрены – признак протяженных артериальных окклюзий, многоуровневого атеросклероза сосудов со слабым коллатеральным кровообращением. Возможности хирургии в этом случае уменьшаются. При гангрене и множественных некрозах тканей нижней конечности, и невозможности сделать операцию по восстановлению кровотока, проводится ампутация ноги. Если гангрена охватывает большие участки конечности и в мягких тканях произошли необратимые изменения, то ампутация является единственным способом спасти жизнь пациента.

Как предотвратить развитие гангрены?

Современная сосудистая хирургия на сегодняшний день достигла многого, однако возможности ее не безграничны. Поэтому, если вам поставили диагноз «атеросклероз сосудов нижних конечностей», лечение следует начинать немедленно. Уже при первых признаках болезни необходимо пройти ультразвуковое дуплексное сканирование артерий и получить консультацию сосудистого хирурга, который составит схему дальнейшего лечения. Чем раньше будут приняты меры по излечению заболевания, тем больше шансов, что можно будет обойтись без ампутации конечности. Чтобы достичь положительных результатов, лечение должен осуществлять квалифицированный хирург, в клинике, оснащенной специальным оборудованием. Только в этом случае вам не будет грозить гангрена нижних конечностей, и вы сможете избежать ампутации.

Профилактика заболевания

Процесс развития атеросклеротического поражения артерий может привести к повторной необходимости хирургического и эндоваскулярного вмешательства. Для профилактики прогрессирования болезни в будущем пациентам рекомендуется: контролировать уровень холестерина в крови и свое артериальное давление, соблюдать необходимую диету и режим двигательной активности, бросить курить — то есть исключить все факторы риска, которые могут спровоцировать дальнейшее развитие заболевания. Помимо этого, следует обязательно принимать медикаменты, которые назначил вам лечащий врач, особенно если вы перенесли операцию на артериях конечностей. Советуем вам заранее согласовать с врачом график плановых контрольных обследований. Только при соблюдении всех этих мер результат лечения атеросклероза ног будет долговременным.

 

 Пелькин К.Я.

врач- хирург отделения гнойной хирургии УЗ «2-я ГКБ»

Игольчатая ЭМГ нижних и верхних конечностей — МЦ «Нейродиагноз»

Игольчатая ЭМГ — метод регистрации спонтанной и произвольной активности мышечных волокон, применяемый для диагностики нервно-мышечных заболеваний

Игольчатая электромиография является одним их самых адекватных ЭМГ методов, дающих наиболее полную информацию и состоянии периферической нервно-мышечной системы. Основоположником метола игольчатой электромиографии является Ф. Бухтал (Вuchthal F., 1957). В нашей стране игольчатая электромиография получила использование и стала развиваться в 60-е годы XX века под руководством профессора Б.М. Гехта. В основе метода игольчатой электромиографии лежит исследование двигательных единиц скелетных мышц. На сегодняшний день игольчатая электромиография (ЭМГ) является неотъемлемым методом исследования не только в неврологии, но и в ревматологии и других областях медицины.

Мышца человека является функциональным целым, но подразделяется на структурно-функциональные элементы – двигательные единицы. Любое, даже минимальное напряжение мышцы связано с активностью двигательных единиц, определяющих все многообразие выполняемых человеком движений. Оценить состояние двигательных единиц скелетных мышц человека можно анализируя параметры генерируемых ими потенциалов (длительность, амплитуду, форму). Регистрация потенциалов двигательных единиц (ПДЕ) производится при минимальном произвольном сокращении мышцы с помощью одноразового игольчатого электрода, введенного в двигательную точку мышцы.

На определении параметров ПДЕ базируется игольчатая электромиография. Параметры ПДЕ отражают размеры и количество двигательных единиц, взаимное расположение мышечных волокон и плотность их распределения в каждой конкретной двигательной единице. Для оценки степени изменения длительности пользуются специальными таблицами, где полученная величина сравнивается со средней величиной соответствующей мышцы здорового человека такого же возраста.

Игольчатая электромиография (ИЭМГ) проводится одноразовыми электродами. Метод ИЭМГ наиболее информативен в диагностике первично-мышечных заболеваний (миопатии, миотонические расстройства, полимиозит, дерматомиозит, миопатические синдромы при эндокринной патологии и др.)

Судороги конечностей – симптомы, причины, лечение, первая помощь, что делать при судорогах

Судороги знакомы большинству людей, это неприятное ощущение, которое вызвано непроизвольным сокращением мышц. Длится оно, как правило, недолго, однако доставляет массу негативных эмоций.

Что такое судороги?

Это резкое сокращение мышц, которое неподвластно простому расслабляющему усилию. Судорога сопровождается болью, может длиться от нескольких секунд до десятка минут. При сильном сокращении мышц выделяется большое количество продуктов распада, в этом кроется биологический механизм судороги.

В чем причины судорог

Это состояние может возникать как у больных, так и у абсолютно здоровых людей. Сокращение мышц может быть локальным либо генерализованным, когда затрагиваются целые группы мышц. У детей такие судороги бывают при высоких температурах, а у взрослых подобное состояние – признак тяжелого заболевания нервной системы.

Среди причин, вызывающих судороги:

• Дефицит определенных витаминов и микроэлементов, чаще всего кальция или магния;
• Малоподвижный образ жизни либо слишком интенсивные нагрузки;
• Беременность и сопутствующие изменения в женском организме;
• Прием определенных медицинских препаратов, которые выводят из организма соли калия;
• Различные заболевания, в том числе сахарный диабет, варикозная болезнь вен, избыточная масса тела и плоскостопие.

Если вас беспокоят частые судороги конечностей, обратитесь к специалисту, который выяснит причину неприятных явлений.

Что делать при ночных судорогах?

Если свело мышцу судорогой, сознательно расслабить ее будет невозможно. Единственный способ – применить физическое усилие: выпрямить пальцы стопы руками или потянуть носок ноги на себя. После того, как судорога прошла, конечность можно помассировать, это поможет восстановить нормальное кровообращение.

Как предотвратить судороги?

Профилактика судорог существует, если понимать риск их появления и причину, которая может к этому привести. Например, при плоскостопии важно подбирать правильную обувь и использовать ортопедические стельки. При варикозе – избегать чрезмерной физической нагрузки. Во время беременности – соблюдать режим и принимать необходимые витамины. В любом случае, если хотите избежать ночных судорог, необходимо скорректировать рацион питания, включить в него продукты, богатые калием, кальцием и магнием. Вместо сладостей отдавайте предпочтение кураге и финикам.

Диагностика причины судорог

При неприятном состоянии в первую очередь рекомендуется обратиться к терапевту, который назначит ряд анализов и проведет необходимую диагностику. Это анализы крови и мочи, которые покажут наличие сопутствующих патологий, а также УЗИ вен нижних конечностей. После того, как причина судорог будет найдена, пациенту рекомендуют обследование у профильного узкого специалиста либо прием витаминов и диету, которые способны помочь при банальном недостатке микроэлементов.

Лечение ночных судорог

Судороги могут быть признаком развития серьезных заболеваний, крайне важно своевременно их диагностировать. В зависимости от причины, подбирается и соответствующее лечение. В любом случае снизить риск появления болезненных судорог ног можно, практикуя ежедневный контрастный душ. Кроме того, важно изменить рацион питания. Включите в него продукты, богатые калием, кальцием и магнием, снизьте количество углеводов и жиров, которые препятствуют усвоению полезных микроэлементов.

В большинстве случаев частые икроножные судороги отступают, если сбалансировать свое питание и начать вести умеренную физическую активность.

Проконсультироваться о причинах судорог и записаться к специалисту вы можете, позвонив в нашу клинику или через форму на сайте.

УЗНАТЬ ЦЕНЫ

Сравнительное исследование тонуса мышц нижних конечностей при применении различных режимов электромиостимуляции в условиях 5-суточной опорной разгрузки

ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА том 46 № 4 2020

СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНУСА МЫШЦ 53

импульсации. Так, частота импульсации “мед-

ленных” мотонейронов составляет 10–15 Гц,

“быстрых” – 40–50 Гц [9, 10]. Именно этот факт

и позволил предположить, что частота импульса-

ции и соответственно паттерн сократительной

активности мышечных волокон определяет их

миозиновый фенотип и другие свойства [11]. Это

предположение послужило толчком к развитию

экспериментальных моделей ВЧ (выше 50 Гц) и

НЧ (5–25 Гц) ЭМС мышц, которые затем послу-

жили основой для разработки соответствующих

тренировочных и реабилитационных средств и

методов [12].

Особое внимание стоит уделить рассмотрению

ЭМС в медицине, где метод имеет большие пер-

спективы. К примеру, применение ЭМС у паци-

ентов с хронической сердечной недостаточно-

стью имеет жизненно важное значение, так как

физическая активность при данной патологии

либо противопоказана, либо затруднена из-за их

общего состояния. Таким пациентам, как прави-

ло, назначают НЧ низкоинтенсивную стимуля-

цию мышечной ткани в хроническом режиме с

целью подготовки к кардиомиопластической

операции и в качестве реабилитации после нее.

Показано, что курс ЭМС улучшает показатели

выживаемости, уровень и качество жизни и со-

кращает время реабилитации [13].

Интересно отметить, что авторы исследований

в большей массе отдают предпочтения в изуче-

нии НЧ ЭМС, оставляя без внимания стимуля-

цию ВЧ, что имеет под собой некоторые основа-

ния: ВЧ ЭМС более болезненна и быстрее вызывает

утомление. Одним из методических подходов к

проведению ВЧ ЭМС являются так называемые

“русские токи”, разработанные группой Я.М. Ко-

ца для тренировки мышечной силы [14]. Суть этого

вида стимуляции заключается в том, что благода-

ря параметрам импульсов, вызываемые ею сокра-

щения мышц максимально близки к физиологи-

ческим, уменьшая, таким образом, дискомфорт и

быструю утомляемость стимулируемого.

Несмотря на то, что ЭМС не является редким

методом, применяемые протоколы сильно раз-

нятся по частоте и амплитуде тока, а также по

продолжительности процедуры и курса стимуля-

ции [13, 15–17]. Поэтому, данных сравнительных

исследований эффектов применения ВЧ и НЧ

ЭМС для поддержания и тренировки мышечных

свойств в литературе крайне мало [18].

В данном исследовании мы сравниваем про-

филактическое влияние НЧ и ВЧ ЭМС в условиях

искусственного декондиционирования мышечной

системы у здоровых добровольцев. Оптимальным

протоколом по обратимому декондиционирова-

нию мышечной системы человека является клас-

сическая модель микрогравитации – “сухая” им-

мерсия (СИ) [19, 20], выгодно отличающаяся от

других подобных моделей достижением глубоко-

го эффекта в короткие сроки [21–24]. Исследова-

ние в моделях имеет ряд преимуществ, таких как

постоянный контроль и одинаковые условия экс-

перимента для всех участников. Данная работа

сосредоточена на изучении мышц голени, так как

известно, что они наиболее подвержены негатив-

ным эффектами двигательной и опорной разгруз-

ки [7].

Единого подхода к оценке эффективности

ЭМС в настоящее время не существует. В клини-

ческой практике при работе с пожилыми и/или

ослабленными пациентами часто используют дви-

гательные тесты и опросники качества жизни [13].

В данной работе такой подход был бы неэффек-

тивен, и в качестве более точного количественно-

го метода оценки эффективности ЭМС была вы-

брана миотонометрия [25], которая регистрирует

поперечный мышечный тонус и позволяет неин-

вазивно исследовать свойства всего миофасци-

ального комплекса.

Для сравнительного анализа были выбраны

три мышцы голени: камбаловидная, икроножная

и передняя большеберцовая. Камбаловидная

мышца голени, расположенная на задней поверх-

ности, являясь позно-тонической, состоит пре-

имущественно из медленных волокон [26]. Реги-

страцию тонуса проводили на ее латеральной

части, непокрытой сухожилием. Две головки ик-

роножной мышцы расположены поверх камбало-

видной. В отличие от камбаловидной мышцы,

икроножная отвечает за быстрые движения и на-

половину состоит из быстрых волокон [27]. Пе-

редняя большеберцовая мышца активна при от-

рывании стопы от земли и при наступании на

пятку при ходьбе и состоит преимущественно из

быстрых волокон [28]. Она антагонистична кам-

баловидной мышце и вместе с ней регулирует

угол в голеностопном суставе, что важно для под-

держания равновесия [29, 30].

МЕТОДИКА

В исследовании принимали участие 34 мужчи-

ны-добровольца без выявленных неврологиче-

ских заболеваний и нарушений функции опорно-

двигательного аппарата. Сравнительные данные

по трем группам – контрольной, НЧ и ВЧ ЭМС –

приведены в табл. 1.

Модельные условия. Для моделирования опорной

разгрузки применяли горизонтальную “сухую”

иммерсию [31] – погружение в ванну, наполнен-

ную термонейтральной (31–32°С) водой и покры-

тую водонепроницаемой пленкой большой пло-

щади (рис. 1, А). Процедура проведения СИ была

стандартной [20] и одинаковой во всех трех груп-

пах. Длительность воздействия составляла 5 сут,

на протяжении которых испытуемые находились

Что такое парез и как его лечить: причины и лечение

Парез — это симптом, проявление которого связано с патологиями в организме, такими как опухоль головного или спинного мозга, инсульт, энцефалит, полиомиелит, а также процессами, вызывающими разрушение белка, отвечающего за передачу нервных импульсов. Парезы могут быть следствием энцефалита, рассеянного склероза, черепно-мозговой травмы и травмы позвоночника.

Парезы бывают центральные (на уровне головного и спинного мозга) и периферические (на уровне периферических нервов). Для центрального пареза характерно повышение тонуса пораженных мышц. Периферический парез развивается в группе мышц, связанных с поврежденным нервом, и выражается в мышечной слабости и непроизвольных подергиваниях мышц.

Парезы могут поражать либо одну сторону тела (парез руки и ноги с одной стороны), либо обе конечности (руки или ноги одновременно, например, парез / парапарез нижних конечностей), либо одну руку или ногу (парез руки или парез ноги). Наиболее часто пациенты сталкиваются с проявлением гемипареза — пареза одной половины тела. При гемипарезе пациента беспокоит снижение кожной чувствительности, болезненность и отечность мышц, слабость, нарушение сгибания и разгибания сустава, тремор, шаткость походки, раскоординированность движений. Правосторонний гемипарез встречается у пациентов значительно чаще, чем левосторонний. У таких пациентов часто возникают сложности во время чтения, письма, счета.

У пациентов после травмы гортани, операции на органах шеи (щитовидной железе, сонной артерии, шейном отделе позвоночника), при онкологических заболеваниях может возникнуть парез гортани — временное нарушение подвижности мышц гортани. Этот диагноз устанавливается пациентам с длительностью заболевания до 6 месяцев. В клинических рекомендациях Минздрава сказано, что восстановить подвижность мышц гортани возможно в срок от нескольких месяцев до двух лет.

После инсульта может возникнуть парез лицевого нерва. При парезе наблюдается: опущение угла рта, нарушение акта глотания, ограничение подвижности брови, невозможность полного закрытия глаза, нарушение лицевой мимики. По данным ВОЗ, поражение лицевого нерва занимает второе место по частоте среди заболеваний периферической нервной системы. Парез мимических мышц приводит не только к косметическим недостаткам и тягостным переживаниям пациента, но и к нарушению функций глотания и жевания, нарушению произношения и даже потере зрения (при выявлении нейропаралитического кератита).

Опорно-двигательная система человека

Опорно-двигательную систему человека образуют скелет, связки и мышцы.

СТРОЕНИЕ СКЕЛЕТА ЧЕЛОВЕКА

Скелет является опорой всего организма. Костная ткань состоит из плотных твердых пластинок. Между клетками этой ткани имеются тонкие каналы с межклеточным веществом. Это вещество обеспечивает питание и дыхание костных клеток. В состав костной ткани входят органические вещества, придающие костям некоторую гибкостью и упругостью, неорганические вещества, отвечающие за твердость и прочность кости, а также вода.

В организме человека кости могут быть соединены неподвижно, полуподвижно и подвижно. Неподвижные соединения образуются при срастании костей, примером такого соединения может быть соединение костей черепа.

Полуподвижные соединения образуются благодаря наличию хрящевых промежутков, которые могут сжиматься и растягиваться, обеспечивая таким образом некоторую амортизацию при движении, прыжках. Такой тип соединения имеют позвонки.

Подвижные соединения костей называются суставами. Поверхности костей в суставе покрыты слоем гладкого хряща, весь сустав окружен суставной сумкой, из стенки которой выделяется суставная жидкость, выполняющая роль смазки. Все эти особенности подвижного соединения обеспечивают значительное уменьшение трения в суставе.

1. СКЕЛЕТ ГОЛОВЫ

Состоит из двух отделов: мозгового и лицевого. К костям мозгового отдела относятся затылочная, лобная, теменная и височная кости. Лицевой отдел состоит из скуловой, носовой, верхнечелюстной и нижнечелюстной костей.

2. СКЕЛЕТ ТУЛОВИЩА

Состоит из позвоночника и грудной клетки. Позвоночник является главной осью и опорой тела. В позвоночнике насчитывают 33–34 позвонка. Отверстия внутри позвонков образуют позвоночный канал, который является опорой для спинного мозга.

Грудная клетка состоит из грудных позвонков, плоской грудной кости (грудины) и ребер. Задние концы ребер соединены с позвонками грудного отдела позвоночника, а передние концы десяти верхних пар соединены хрящами с грудиной. Две нижние пары ребер к грудине не подсоединяются. Такие особенности строения грудной позволяют человеку делать вдох и выдох.

3. СКЕЛЕТ КОНЕЧНОСТЕЙ

В скелете конечностей выделяют скелет пояса конечности и скелет свободных конечностей.

Пояс верхних конечностей образуют лопатки и соединенные с ними ключицы. Скелет свободной верхней конечности состоит из плеча, предплечья и кисти, которая в свою чередь подразделяется на запястье, пястье и фаланги пальцев. Кости плеча и предплечья образуют локтевой сустав, кости предплечья и запястья — лучезапястный сустав.

Пояс нижних конечностей состоит из тазовых костей и крестцовой кости. Скелет свободной нижней конечности состоит из бедренной кости, к которой крепится небольшая кость — надколенник, большеберцовой, малоберцовой и костей стопы. В скелете нижней конечности имеются следующие суставы: тазобедренный, коленный, голеностопный.

Стопа подразделяется на три отдела: предплюсну, плюсну и кости пальцев. Стопа служит преимущественно для опоры и амортизации тела.

СКЕЛЕТНЫЕ МЫШЦЫ

Основу мышечной ткани составляют сократительные волокна. Они состоят из двух видов тканей сократимых белков: актина и миозина. Сокращение мышц заключается в том, что нити актина с помощью поперечных мостиков втягиваются внутрь нитей миозина под действием нервных импульсов, поступающих от нервной системы.

По расположению на теле человека мышцы разделяют на мышцы головы, туловища, верхних и нижних конечностей. Скелетных мышц насчитывается около 600.

1. МЫШЦЫ ГОЛОВЫ

Наиболее заметна для нас деятельность жевательных и мимических мышц. Жевательные мышцы поднимают и двигают нижнюю челюсть для осуществления акта жевания. Мимические мышцы определяют выражение лица человека, к ним относятся круговые мышцы глаз и рта.

2. МЫШЦЫ ТУЛОВИЩА

К мышцам туловища относятся мышцы грудной клетки, живота и спины.

Мышцы грудной клетки принимают участие в дыхании и движении верхних конечностей.

Мышцы живота защищают и удерживают внутренние органы от опускания и выпадения. Они также принимают участие в сгибании тела вперед.

Мышцы спины удерживают позвоночник в вертикальном положении и обеспечивают его движения назад и в стороны. Кроме того, поверхностные мышцы спины участвуют в движении верхних конечностей и грудной клетки.

3. МЫШЦЫ ВЕРХНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ

Мышцы верхних конечностей принято делить на мышцы верхнего пояса и мышцы свободной конечности. Наиболее важной мышцей пояса верхних конечностей является дельтовидная мышца.

4. МЫШЦЫ НИЖНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ

Скелет нижних конечностей массивнее верхних. Мышцы нижних конечностей делятся на мышцы тазового пояса, мышцы бедра, мышцы голени и мышцы стопы.

Мышцы постоянно находятся в состоянии некоторого тонуса, который поддерживается за счет поступления нервных импульсов. Понижение тонуса мышц отрицательно влияет на состояние всего организма.

Мышцы нижней конечности

Мышцы, вызывающие движения в тазобедренном суставе

Четыре основные группы мышц бедра — это ягодичные, приводящие, подвздошно-поясничные мышцы и латеральный ротатор, определяемые типом движения, которое они опосредуют.

Цели обучения

Различать мышцы, участвующие в движении тазобедренного сустава

Основные выводы

Ключевые моменты

• Большая ягодичная мышца разгибает бедро, в то время как средняя и минимальная ягодичные мышцы участвуют в вращении и отведении бедра (перемещении бедра от средней линии).
• Группа приводящих мышц (короткая приводящая мышца, длинная и большая мышца, а также петинеус и тонкая мышца) перемещает бедренную кость по направлению к средней линии из отведенного положения.
• Подвздошно-поясничная группа мышц (подвздошная и большая поясничная мышца) отвечает за сгибание бедра.
• Группа латеральных вращающих мышц (наружная и внутренняя запирательные, грушевидная, верхняя и нижняя гемелли и квадратная мышца бедра) поворачивает переднюю поверхность бедренной кости наружу. Этому движению помогают большая ягодичная мышца и большая приводящая мышца.

Ключевые термины

• Группа приводящих мышц : Короткая приводящая мышца, длинная приводящая мышца, большая приводящая мышца, пектинус и тонкая мышца.
• боковая группа ротаторов : внешняя и внутренняя запирательные мышцы, грушевидная мышца, верхняя и нижняя гемелли и квадратная мышца бедра.
• Ягодичная группа : Большая ягодичная мышца, средняя ягодичная мышца, малая ягодичная мышца и растягивающая широкая фасция.
• Подвздошно-поясничная группа : Подвздошная и большая поясничная мышца.

В анатомии человека мышцы тазобедренного сустава — это те мышцы, которые вызывают движение в бедре. Мышцы тазобедренного сустава делятся на четыре группы в зависимости от их ориентации и функции. Движение в бедре аналогично движению в плечевом суставе, но из-за повышенных требований к весу диапазон возможных движений сокращается.

Ягодичная группа

Ключевые мышцы бедра : Вверху видна большая ягодичная мышца, срезанная, чтобы обнажить нижележащие мышцы.

Мышцы ягодичной группы расположены поверхностно и в основном отводят и разгибают бедро у бедра.

• Gluteus Maximus : Большая ягодичная мышца является самой большой из ягодичных мышц и придает структуру ягодицам.
  • Прикрепления: берет начало в задней части таза и копчике (копчике) и прикрепляется к бедренной кости.
  • Действия: Разгибает бедро и помогает вращению. Используется только тогда, когда требуется создание силы (например,грамм. при лазании).
• Средняя ягодичная мышца : веерообразная средняя ягодичная мышца расположена между большой и малой ягодичными мышцами и выполняет ту же функцию, что и минимальная ягодичная мышца.
  • Прикрепления: берет начало в задней части таза и прикрепляется к бедренной кости.
  • Действия: Отводит бедро, вращает кнутри и фиксирует таз во время ходьбы.
• Минимальная ягодичная мышца : Минимальная ягодичная мышца является самой глубокой и самой маленькой из поверхностных ягодичных мышц и выполняет те же функции, что и средняя ягодичная мышца.
  • Насадки: берет начало в тазу и прикрепляется к бедренной кости.
  • Действия: Отводит бедро, вращает кнутри и фиксирует таз во время ходьбы.

Группа боковых ротаторов

Мышцы группы боковых вращателей расположены глубоко и, как следует из названия, действуют, чтобы поворачивать бедро в боковом направлении. Все мышцы группы боковых ротаторов берут начало от таза и прикрепляются к бедренной кости.

• Грушевидная мышца : Грушевидная мышца является самой верхней из мышц латеральной вращательной группы.
  • Действия: Боковое вращение и отведение бедра в тазобедренном суставе.
• Внутренний обтуратор : Внутренний обтуратор выстилает внутреннюю стенку таза.
  • Действия: Боковое вращение и отведение бедра в тазобедренном суставе.
• Gemelli : Gemelli — это две (верхняя и нижняя) узкие и треугольные мышцы, разделенные сухожилием внутренней запирательной мышцы.
  • Действия: Боковое вращение и отведение бедра в тазобедренном суставе.
• Quadratus Femoris : quadratus femoris — плоская мышца квадратной формы (фактически состоящая из четырех отдельных мышц). Это самая нижняя из мышц боковой вращающей группы, расположенная ниже gemelli и внутренней запирательной мышцы.
  • Действия: Боковое вращение бедра в тазобедренном суставе также играет важную роль в разгибании голени в коленях.

Группа приводящих мышц

(a) Мышцы приводящей группы и (b) Ключевые мышцы, связанные с движением в бедре: Глубоко расположенные мышцы приводящей группы берут начало от лобка и прикрепляются к бедренной кости по длине.Подвздошная и большая поясничная мышца составляют группу подвздошно-поясничной мышцы и видны в тазу и нижней части позвоночника.

Пять мышц приводящей группы отвечают за приведение бедра, хотя некоторые из них имеют дополнительные функции.

• Длинная приводящая мышца : Длинная приводящая мышца — это большая плоская мышца, покрывающая большую и короткую приводящую мышцу.
  • Прикрепления: берет начало от лобка и широко прикрепляется к бедренной кости.
  • Действия: Приведение и вращение бедра кнутри.
• Большая приводящая мышца : Большая приводящая мышца — самая большая и самая задняя из мышц приводящей группы.
  • Насадки: берет начало от лобка и прикрепляется к бедренной кости.
  • Действия: Приводит, сгибает и разгибает бедро.
• Adductor Brevis : Короткая приводящая мышца — это короткая мышца, лежащая под длинной приводящей мышцей.
  • Насадки: берет начало от лобка и прикрепляется к бедренной кости.
  • Действия: Приведение бедра.
• Externus Obturator : Это одна из самых маленьких мышц медиальной части бедра, расположенная наиболее высоко.
  • Насадки: берет начало от лобка и прикрепляется к бедренной кости.
  • Действия: Боковое вращение бедра.
• Gracilis : gracilis — самая поверхностная и медиальная из мышц приводящей группы. Пересекая тазобедренный и коленный суставы, он может вызывать движение как в тазобедренном, так и в коленном суставах.
  • Насадки: берет начало от лобка и прикрепляется к большеберцовой кости.
  • Действия: Приведение бедра к бедру и сгибание бедра в колене.

Другие мышцы

Есть несколько других мышц, которые вызывают движение вокруг тазобедренного сустава.

• Большая поясничная мышца : Большая поясничная мышца расположена глубоко в спине, рядом со средней линией, непосредственно прилегающей к позвоночнику. Подвздошная и большая поясничная мышца составляют группу подвздошно-поясничной мышцы.
  • Прикрепления: берет начало от основания позвоночника, соединяется с подвздошной костью для прикрепления к бедренной кости.
  • Действия: Сгибание бедра в тазобедренном суставе.
• Подвздошная мышца : подвздошная мышца — это большая веерообразная мышца, выстилающая внутреннюю часть таза. Подвздошная и большая поясничная мышца составляют группу подвздошно-поясничной мышцы.
  • Прикрепления: берет начало от таза и основания позвоночника, соединяется с большой поясничной мышцей и прикрепляется к бедренной кости.
  • Действия: Сгибание бедра в тазобедренном суставе.
• Sartorius : портняжная мышца — это длинная тонкая мышца бедра, самая длинная мышца в теле.
  • Насадки: берет начало от таза и прикрепляется к большеберцовой кости.
  • Действия: Сгибание, отведение и вращение бедра в тазобедренном суставе.
• Pectineus : Грудная мышца — это большая плоская мышца бедра.
  • Насадки: берет начало в тазу и прикрепляется к бедренной кости.
  • Действия: Приведение и сгибание бедра в тазобедренном суставе.
• Двуглавая мышца бедра : мышца, аналогичная двуглавой мышце плеча, также двуглавой. Две синергические мышцы связаны с двуглавой мышцей бедра, полусухожильной и полуперепончатой.
  • Прикрепления: берет начало от таза и бедра и прикрепляется к малоберцовой кости.
  • Действия: Разгибается и поворачивается в сторону бедра. Основное действие — сгибание голени в коленях.

Ключевые движения

• Разгибание (приведение бедра за корпус) Производится большой ягодичной мышцей, большой приводящей мышцей и двуглавой мышцей бедра. Сгибание (распространение бедра на переднюю часть тела): производится тонкой мышцей, большой поясничной мышцей, подвздошной и грудной мышцами.
• Отведение (смещение бедра в сторону от таза): Производится за счет средней и малой ягодичных мышц, наружной запирательной мышцы, gemelli и портняжной мышцы.
• Приведение (возвращение бедра к средней линии): Производится приводящей группой мышц.
• Вращение (вращение бедра вокруг тазобедренного сустава): производится группой латеральных вращающих мышц и двуглавой мышцы бедра, портняжной, средней и малой ягодичных мышц.

Мышцы, вызывающие движения в коленном суставе

Три набора мышц (подколенная, четырехглавая и подколенные сухожилия) обеспечивают движение, равновесие и стабильность в коленном суставе.

Цели обучения

Различают мышцы, которые позволяют коленному суставу двигаться

Основные выводы

Ключевые моменты

• При полном разгибании большеберцовая и бедренная кость «фиксируются» в нужном положении, обеспечивая устойчивость ноги и улучшая несущую способность.Подколенная мышца в задней части ноги разблокирует колено, вращая бедро на большеберцовой кости, позволяя сгибать сустав.
• Группа четырехглавой мышцы бедра (прямая мышца бедра, латеральная широкая мышца бедра, средняя широкая мышца бедра и средняя широкая мышца бедра) пересекает колено через надколенник и действует для разгибания ноги.
• Мышцы группы подколенного сухожилия (полусухожильная, полуперепончатая и двуглавая бедра) сгибают колено и разгибают бедро.

Ключевые термины

• группа подколенного сухожилия : группа из трех мышц в задней части бедра, отвечающая за сгибание голени в колене.
• quadriceps femoris : Группа из четырех мышц в передней части бедра, отвечающая за разгибание голени до колена.
• popliteus : Мышцы, расположенные за коленом, «разблокируют» полностью разогнутый коленный сустав, позволяя сгибаться.

Коленный сустав позволяет движение голени относительно бедра через коленный сустав. Коленный сустав на самом деле состоит из двух суставов: бедренно-большеберцового сустава между бедренной и большеберцовой костью, который является опорным коленным суставом, и пателлофеморального сустава, который соединяет надколенник (коленную чашечку) с бедренной костью.

Бедренно-большеберцовый сустав относительно слаб и легко повреждается, поэтому для обеспечения устойчивости он полагается на мышцы и связки. Когда колено полностью выпрямлено, бедро слегка поворачивается на большеберцовой кости, чтобы зафиксировать сустав на месте, обеспечивая эффективную нагрузку.

Надколенник является точкой прикрепления четырехглавой мышцы бедра и прикрепляется связкой к большеберцовой кости. Это увеличивает нагрузку на четырехглавую мышцу бедра, тем самым повышая ее эффективность при разгибании голени.Коленная чашечка дополнительно защищает коленный сустав от повреждений.

Пателлофеморальный сустав выполняет две ключевые функции: увеличивает нагрузку на сухожилие четырехглавой мышцы для улучшения стабильности мышц и защищает коленный сустав от повреждений.

Мышцы, генерирующие движение в колене, в основном расположены в бедре и могут быть разделены на передний и задний отделы. Подколенная мышца, расположенная в голени, отвечает за «разблокировку» коленного сустава после разгибания.

Передние мышцы бедра

(a) Задние мышцы бедра и (b) задняя область голени: Двуглавая мышца бедра, синергетическая полусухожильная и полуперепончатая мышцы отвечают за сгибание голени в колене.Вид сзади мышц голени, вверху видна подколенная мышца, расположенная за коленом.

В передней части бедра четыре мышцы. Грудная и подвздошно-поясничная мышцы отвечают за движения в бедре и обсуждаются в другом месте.

• Sartorius : портняжная мышца, тонкая мышца бедра, самая длинная мышца тела.
  • Насадки: берет начало от таза и прикрепляется к большеберцовой кости.
  • Действия: Сгибание голени в коленном суставе.
• Quadriceps Femoris : Quadriceps femoris на самом деле состоит из четырех мышц, составляющих переднюю часть бедра: трех глубоко лежащих мышц бедра (латеральной, средней и медиальной) и покрывающей их прямой мышцы бедра. Все четыре мышцы являются ключевыми разгибателями голени в коленном суставе, а также стабилизируют и защищают надколенник.
  • Прикрепления: латеральная, промежуточная и медиальная широкая мышца бедра берут начало от бедренной кости и прикрепляются к надколеннику.Прямая мышца бедра берет начало от таза и прикрепляется к надколеннику.
  • Действия: Разгибает голень в коленном суставе и стабилизирует надколенник. Прямая мышца бедра дополнительно облегчает вращение в бедре.

Задние мышцы бедра

В заднем отделе бедра есть три мышцы: двуглавая мышца бедра и две синергические мышцы (полусухожильная и полуперепончатая). Эти мышцы иногда называют группой подколенного сухожилия.Задний отдел бедра имеет сходство с передним отделом плеча как по структуре, так и по функциям.

• Двуглавая мышца бедра : Мышца, аналогичная двуглавой мышце плеча в верхней части руки, а также двуглавая. Две синергические мышцы связаны с двуглавой мышцей бедра, полусухожильной и полуперепончатой.
  • Прикрепления: берет начало от таза и бедра и прикрепляется к малоберцовой кости.
  • Действия: Разгибается и вращается в стороны в бедре, основное действие — сгибание голени в коленях.

Другие мышцы

• Подколенный сустав : Подколенный сустав расположен за коленным суставом и действует, чтобы «разблокировать» колено, вращая бедренную кость на большеберцовой кости, позволяя сгибать голень.
  • Прикрепления: берет начало в задней части большеберцовой кости и прикрепляется к бедренной кости.
  • Действия: Боковое вращение бедренной кости на большеберцовой кости, «разблокирование» коленного сустава, так что может произойти сгибание.

Ключевые движения

• Расширение: Производится группой мышц портняжной и четырехглавой мышцы бедра.
• Сгибание: Производится двуглавой, полусухожильной и полуперепончатой ​​мышцами. Подколенная мышца облегчает это движение, отпирая полностью разогнутый коленный сустав.
• Вращение: Коленный сустав допускает небольшое вращение при сгибании, которое создается двуглавой мышью бедра, полусухожильной, полуперепончатой, тонкой и портняжной мышцами.

Мышцы, вызывающие движения в голеностопном суставе

Мышцы голени вставляются в кости голеностопного сустава и стопы для облегчения движения голеностопного сустава.

Цели обучения

Опишите мышцы, вызывающие движение голеностопного сустава

Основные выводы

Ключевые моменты

• Голеностопный сустав состоит из двух суставов, которые обеспечивают тыльное сгибание, подошвенное сгибание, инверсию и выворот стопы.
• Крепкие связки удерживают голеностопный сустав на месте, хотя он подвержен повреждениям.
• Мышцы, контролирующие движения в голеностопном суставе, находятся в ноге и могут быть разделены на переднюю, заднюю и боковую части.

Ключевые термины

• подошвенное сгибание : Движение стопы вниз от голени.
• выворот : Наклон ступни таким образом, чтобы подошва смотрела в сторону от средней линии.
• инверсия : Наклон ступни так, чтобы подошва была обращена к средней линии.
• тыльное сгибание : Движение стопы вверх по направлению к голени.

Движение в голеностопном суставе контролируется двумя суставами. Голеностопный или голеностопный сустав образуется из большеберцовой и малоберцовой костей голени и таранной кости стопы.Функционально он действует как шарнир, обеспечивая тыльное сгибание (подтягивание стопы вверх к голени) и подошвенное сгибание (оттягивание стопы вниз от голени). Эверсия (наклон подошвы стопы от средней линии) и инверсия (наклон подошвы стопы внутрь к средней линии) контролируются подтаранным суставом, образованным между таранной и пяточной костями стопы.

Голеностопный сустав удерживается на месте многочисленными прочными связками, которые можно легко повредить, если приложить чрезмерную силу к лодыжке, особенно во время напряженного выворачивания и выворота.Движение в голеностопном суставе является ключевым для поддержания осанки и равновесия, но наиболее важно для передвижения. Изменения в активации мышц могут контролировать движение голеностопного сустава, позволяя ступне создавать постепенное усилие.

Мышцы, вызывающие движение в голеностопном суставе, обычно находятся в голени и могут быть разделены на три категории.

Передний отсек

(a) Передний отдел ноги и (b) Задний отдел ноги: Вид ноги спереди, демонстрирующий мышцы и сухожилия, участвующие в движении голеностопного сустава.: Задний вид ноги, демонстрирующий мышцы и сухожилия, участвующие в движении голеностопного сустава.

Три мышцы в переднем отделе голени действуют на тыльное сгибание и переворачивают стопу в голеностопном суставе.

• Передняя большеберцовая мышца : Передняя большеберцовая мышца расположена рядом с боковой поверхностью большеберцовой кости и является самым сильным тыльным сгибателем стопы.
  • Насадки: берут начало на боковой поверхности большеберцовой кости и прикрепляются к основанию большого пальца ноги.
  • Действия: Тыльное сгибание и инверсия стопы.
• Extensor Digitorum Longus : Длинный разгибатель пальцев — это глубоко расположенная внешняя мышца, которая проходит по длине большеберцовой кости.
  • Прикрепления: берет начало от большеберцовой кости и переходит в сухожилие, переходит в стопу, разделяется на четыре и прикрепляется к пальцам ноги.
  • Действия: Разгибание пальцев стопы и тыльное сгибание стопы.
• Extensor Hallucis Longus : Длинный разгибатель большого пальца — это глубоко расположенная внешняя мышца под длинным разгибателем пальцев.
  • Прикрепления: берет начало от малоберцовой кости и прикрепляется к большому пальцу ноги.
  • Действия: Разгибание большого пальца стопы и тыльное сгибание стопы.

Задний отсек

Несколько мышц расположены в заднем отделе ноги, обычно сгруппированы в поверхностные и базальные группы. Большинство этих мышц работают на подошвенное сгибание стопы в голеностопном суставе.

Поверхностные мышцы

Поверхностные мышцы придают голени характерную форму.

• Gastrocnemius : икроножная мышца, двуглавая мышца, самая поверхностная из мышц заднего отдела.
  • Прикрепления: Обе головки берут начало от бедренной кости. Волокна сходятся, образуя пяточное сухожилие, которое прикрепляется к пятке.
  • Действия: Подошвенное сгибание стопы, также может сгибать голень в колене, но не является ключевым в этом движении.
• Подошвенная мышца : Подошвенная мышца — это небольшая мышца, расположенная между икроножной и камбаловидной мышцами. Его нет у 10% людей.
  • Прикрепления: берет начало от бедренной кости и прикрепляется к пятке через пяточное сухожилие.
  • Действия: Подошвенное сгибание стопы, также может сгибать голень в колене, но не является ключевым в этом движении.
• Soleus : камбаловидная мышца — это большая плоская мышца, которая находится наиболее глубоко из поверхностных мышц.
  • Прикрепления: берет начало от большеберцовой и малоберцовой костей и прикрепляется к пятке через пяточное сухожилие.
  • Действия: Подошвенное сгибание стопы.

Глубокие мышцы

• Задняя большеберцовая мышца : Задняя большеберцовая мышца — это самая глубокая из мышц заднего отдела.
  • Прикрепления: берет начало от большеберцовой и малоберцовой костей и прикрепляется к подошвенным поверхностям пальцев стопы.
  • Действия: Выворачивает и сгибает стопу, поддерживает свод стопы.

Боковое отделение

Две мышцы в боковом отделе контролируют выворот стопы.С физиологической точки зрения предпочтение отдается перевернутой стопе, поэтому эти мышцы также предотвращают чрезмерное перевертывание.

• Fibularis Longus : Длинная малоберцовая мышца является более длинной и более поверхностной из двух мышц.
  • Вложения: происходит от малоберцовой и большеберцовой костей. Волокна сходятся в сухожилие, которое проходит под стопой и прикрепляется к внутренней стороне стопы.
  • Действия: Выворот и подошвенное сгибание стопы.
• Fibularis Brevis : Короткая малоберцовая мышца является более глубокой и короткой из двух мышц.
  • Прикрепления: берет начало на боковой поверхности малоберцовой кости и прикрепляется к мизинцу пальца ноги.
  • Действия: Выворот стопы.

Ключевые движения

• Выворот стопы (наклон подошвы стопы от средней линии): выполняется малоберцовой и длинной малоберцовой мышцами.
• Инверсия стопы (наклон подошвы стопы внутрь по направлению к средней линии ) : Выполняется задней и передней большеберцовой мышцами.
• Тыльное сгибание стопы (вытягивание стопы вверх по направлению к ноге): выполняется передней большеберцовой мышцей, длинным разгибателем большого пальца и длинным разгибателем пальцев.
• Подошвенное сгибание стопы (вытягивание стопы вниз от голени): выполняется икроножной, подошвенной, камбаловидной и длинной малоберцовой мышцами.

Мышцы, вызывающие движения стопы

Движение стопы и пальцев ног требует работы многих мышц.

Цели обучения

Различать мышцы, которые заставляют ступни двигаться

Основные выводы

Ключевые моменты

• Большой палец стопы или большой палец разгибается коротким разгибателем большого пальца стопы на вершине стопы.
• Короткий сгибатель большого пальца стопы и отводящий палец большого пальца стопы сгибают и отводят большой палец ноги. Приводящая мышца большого пальца стопы приводит к большому пальцу стопы.
• Остальные пальцы стопы сгибаются длинным сгибателем пальцев стопы, поясничными связками, коротким сгибателем пальцев и квадратной мышцей подошвы.
• Мизинец также контролируется минимальным сгибателем пальцев и минимальным отводящим пальцем.
• Пальцы стопы (кроме большого пальца стопы) вытянуты коротким разгибателем пальцев.
• Дорсальная и подошвенная межкостные мышцы — это мышцы между плюсневыми костями, которые помогают поддерживать свод стопы. Также помогает в сгибании и разгибании.

Ключевые термины

• подошвенный : подошва стопы.
• дорсальный : верхняя поверхность стопы.

Стопа играет фундаментальную роль в поддержании вертикальной позы и равновесия при ходьбе, поэтому она должна обеспечивать прочную основу, позволяя при этом совершать небольшие точные движения. Стопу можно разделить на дорсальный и подошвенный отделы, последний из которых содержит значительно больше мышц.

Спинной отсек

Хотя многие внешние мышцы прикрепляются к спинному отделу, есть только три внутренних мышцы, которые действуют на стопу, и две внешние мышцы, которые действуют на стопу, а не на лодыжку.

• Extensor Digitorum Longus : Длинный разгибатель пальцев — это глубоко расположенная внешняя мышца, которая проходит по длине большеберцовой кости.
  • Прикрепления: берет начало от большеберцовой кости и переходит в сухожилие, переходит в стопу, разделяется на четыре и прикрепляется к пальцам ноги.
  • Действия: Разгибание пальцев ног.
• Extensor Digitorum Brevis : Короткий разгибатель пальцев — это глубоко расположенная внутренняя мышца, лежащая под сухожилием длинного разгибателя пальцев.
  • Насадки: берет начало от пятки и прикрепляется к пальцам ног.
  • Действия: Разгибание пальцев ног.
• Extensor Hallucis Longus : Длинный разгибатель большого пальца — это глубоко расположенная внешняя мышца, расположенная под длинным разгибателем пальцев.
  • Прикрепления: берет начало от малоберцовой кости и прикрепляется к большому пальцу ноги.
  • Действия: Разгибание большого пальца стопы.
• Extensor Hallucis Brevis : Большой разгибатель большого пальца стопы — это внутренняя мышца стопы, расположенная между длинным разгибателем пальцев и латеральнее длинного разгибателя большого пальца стопы.
  • Насадки: берет начало от пятки и прикрепляется к большому пальцу ноги.
  • Действия: Разгибание большого пальца стопы.
• Dorsal Interossei : Между плюсневыми костей расположены четыре спинных межкостных суставов. Каждая возникает из двух плюсневых костей.
  • Прикрепления: Отходит от сторон от первой до пятой плюсневых костей (от большого пальца к мизинцу). Первая мышца прикрепляется к медиальной стороне фаланги второго пальца стопы. Вторая-четвертая межкостные мышцы прикрепляются к боковым сторонам фаланг пальцев второй-четвертой.
  • Действия: Отведите и согните пальцы со второго по четвертый.

Подошвенное отделение

Мышцы подошвенного отдела играют ключевую роль в стабилизации свода стопы и контроле пальцев, обеспечивая необходимую силу и точные движения для поддержания равновесия и осанки и способствуя ходьбе.

Подошвенный вид стопы : Мышцы, сухожилия и связки подошвы стопы с коротким сгибателем пальцев показаны красным.

• Отводящая мышца большого пальца стопы : Отводящая мышца большого пальца стопы расположена на медиальной стороне подошвы.
  • Насадки: берет начало от пятки и прикрепляется к основанию большого пальца ноги.
  • Действия: Отводит и сгибает большой палец ноги.
• Flexor Digitorum Brevis : Короткий сгибатель пальцев стопы расположен латеральнее отводящего большого пальца стопы и находится в середине подошвы стопы.
  • Насадки: берет начало от пятки и прикрепляется ко всем пальцам ноги, кроме мизинца.
  • Действия: Сгибает пальцы ног в проксимальных межфаланговых (между preoxmales фалангах и средними фалангами) суставах.
• Отводящая мышца Digiti Minimi : Отводящая мышца минимального пальца расположена на боковой стороне стопы.
  • Насадки: берет начало от пятки и прикрепляется к мизинцу ноги.
  • Действия: Отводит и сгибает мизинец ноги.
• Quadratus Plantae : квадратная мышца plantae расположена выше сухожилий длинного сгибателя пальцев.
  • Прикрепления: берет начало от пятки и прикрепляется к сухожилиям длинного сгибателя пальцев.
  • Действия: Помогает длинному сгибателю пальцев сгибать четыре боковых пальца стопы.
• Lumbricals : Lumbricals — это четыре небольших скелетных мускулатуры, принадлежащих сухожилиям длинного сгибателя пальцев и пронумерованных с медиальной стороны стопы.
  • Прикрепления: происходит от сухожилий длинного сгибателя пальцев. Крепится к пальцам ног.
  • Действия: Сгибает плюсневые фаланги (между плюсневыми и проксимальными фалангами) суставов, разгибая межфаланговые суставы (между проксимальными фалангами и средними фалангами).
• Flexor Hallucis Brevis : Короткий сгибатель большого пальца стопы расположен на медиальной стороне стопы.
  • Насадки: берут начало на подошвенных поверхностях кубовидной и латеральной клинописных костей на подошве стопы и прикрепляются к большому пальцу стопы.
  • Действия: Сгибает большой палец ноги.
• Приводящая мышца большого пальца стопы : Приводящая мышца большого пальца стопы расположена латеральнее короткого сгибателя большого пальца.
  • Прикрепления: Приводящая мышца большого пальца стопы берет начало от оснований первых четырех плюсневых костей, а также от подошвенных связок до прикрепления к большому пальцу стопы.
  • Действия: Приводит большой палец ноги и поддерживает свод стопы.
• Межкостная подошва : Три подошвенной межкостной кости лежат скорее под плюсневыми костями, чем между ними.Каждый связан с одной плюсневой костью.
  • Прикрепления: берет начало на медиальной стороне третьей-пятой плюсневых костей. Крепится к медиальным сторонам фаланг пальцев от трех до пяти.
  • Действия: Приводит и сгибает пальцы от трех до пяти.
• Flexor Digiti Minimi Brevis : Подобно межкостному суставу по структуре, flexor digiti minimi brevis находится на боковой стороне стопы под плюсневой костью мизинца.
  • Прикрепления: берет начало от основания пятой плюсневой кости и прикрепляется к основанию фаланги мизинца
  • Действия: Сгибает мизинец ноги.

Человеческая нога — wikidoc

Боковой аспект правой ноги

Главный редактор: C. Майкл Гибсон, M.S., M. D. [1]

Обзор

Обычно используется человеческая нога . — это нижняя конечность тела, простирающаяся от бедра до щиколотки, включая бедро, колено и голень. ^[1] Самая большая кость в человеческом теле, бедренная кость, находится в ноге.

Терминология

С точки зрения анатомии человека, нога — это часть нижней конечности ^[2] , которая находится между коленом и лодыжкой. ^{[3] [4]} Эта статья в целом соответствует общепринятому использованию.

Нога от колена до щиколотки называется cnemis (nee’mis) или crus ^[5] . Икры — это задняя часть, а голень — передняя.

Ноги во многих культурах часто используются метафорически для обозначения силы или подвижности. Опорные колонны объекта могут называться как ножками, так и ножками стула.

Функциональные и культурные аспекты

Ноги часто используются для стояния, ходьбы, прыжков, бега, ударов ногами и т. Д. И составляют значительную часть массы человека.

Подростки и взрослые женщины во многих западных культурах часто удаляют волосы со своих ног.Тонированные, загорелые, бритые ноги иногда воспринимаются как признак молодости и часто считаются привлекательными в этих культурах.

Анатомия

Мышцы голени человека

Длинные кости нижней конечности

Мышцы нижней конечности человека

Мышцы бедра

Передний отдел бедра

Медиальный отдел бедра

Задний отсек бедра

Мышцы нижней челюсти

Передний отсек

Задний отсек

(все эти мышцы на дистальном конце прикреплены к пяточной кости ахилловым сухожилием)

Глубокий задний отсек

Боковой отсек

Сосудистая сеть голени

Артерии

Жилы

См. Также

Список литературы

Внешние ссылки

Шаблон: Анатомические особенности человека Шаблон: Кости нижних конечностей. Шаблон: Суставы нижних конечностей Шаблон: Мышцы нижней конечности Шаблон: Артерии нижних конечностей Шаблон: Вены нижней конечности Шаблон: пояснично-крестцовое сплетение Шаблон: Лимфатические сосуды нижних конечностей Шаблон: Нижняя конечность в целом

Шаблон: Jb1 Шаблон: WH Шаблон: WS

Набор данных об архитектуре мышц нижней конечности человека in vivo, полученный с помощью визуализации тензора диффузии

Abstract

«Золотой стандарт» эталонных наборов архитектуры мускулов человека основан на образцах трупов пожилых людей, которые вряд ли будут репрезентативными для значительной части человеческой популяции.Это очень важно для опорно-двигательного аппарата моделирования, где мышечные силогенерирующую свойства типичных моделей определяются этими данными, но не может быть действительным, когда применяется к моделям молодых, здоровых людей. Получение индивидуализированных данных об архитектуре мышц in vivo затруднительно, однако недавно появилась возможность использовать диффузионную тензорную магнитно-резонансную томографию (DTI) как действенный метод достижения этого. Министерство торговля и промышленность была здесь использовано, чтобы обеспечить набор данных архитектуры 20 мышц нижних конечностей у 10 здоровых взрослых, в том числе длины волокна мышц, которые являются важными входами для моделей мышечных Хилл-типа, обычно используемых в моделировании опорно-двигательном аппарат.Было обнаружено, что максимальная изометрическая сила и длина мышечных волокон не соотносятся с антропометрией объекта, что позволяет предположить, что эти факторы может быть трудно предсказать с использованием алгоритмов масштабирования или оптимизации. Эти данные также указывают на высокий уровень анатомической изменчивости, которая существует между людьми с точки зрения нижних конечностей мышечной архитектуры, которая поддерживает необходимость включения предметные конкретных силогенерирующую свойств в костно-мышечной системы моделей для оптимизации точности для клинической оценки.

Образец цитирования: Charles JP, Suntaxi F, Anderst WJ (2019) In vivo Набор данных об архитектуре мышц нижней конечности человека, полученный с использованием тензорной диффузионной визуализации. PLoS ONE 14 (10): e0223531. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0223531

Редактор: Джулия Мольнар, Нью-Йоркский технологический институт, США

Поступила: 17 марта 2019 г .; Одобрена: 23 сентября 2019 г .; Опубликован: 15 октября 2019 г.

Авторские права: © 2019 Charles et al.Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в документе и его файлах с вспомогательной информацией. Скрипт MATLAB, использованный в этом исследовании, находится в свободном доступе по адресу DOI: 10.6084 / m9.figshare.96.

Финансирование: Эта работа финансировалась отделением ортопедической хирургии Питтсбургского университета.Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Введение

Скелетно-мышечная архитектура ( и . и . Макроскопическое расположение мышечных волокон [1]) нижней конечности человека хорошо определена, и опубликовано несколько обширных наборов данных [2, 3]. Однако эти наборы справочных данных «золотого стандарта» основаны на образцах трупов пожилых людей, которые по разным причинам, таким как возможные изменения в архитектуре мышц из-за старения [4], вряд ли будут репрезентативными для молодых, активных и здоровых взрослых [5 ].Эти различия были подчеркнуты в отношении объемов мышц [5, 6], хотя степень вариации свойств архитектуры мышц, таких как длина мышечных волокон, угол перистости и максимальная изометрическая сила, в значительной степени неизвестна. Это особенно важно в контексте опорно-двигательного аппарата моделирования с помощью безразмерных моделей мышц Хилл типа [7], которые определяются этими свойствами. Важно отметить, что различные анализы чувствительности показали, что эти модели особенно чувствительны даже к небольшим изменениям в мышечных волокнах и, в частности, длине провисания сухожилий [8–14].Более того, насколько хорошо эти параметры масштабируются по отношению к антропометрическим факторам тела, таким как масса тела или конечностей, также подробно не сообщалось, хотя было высказано предположение, что длина волокон может не особенно сильно зависеть от длины кости [15]. В то время как параметры мышечной архитектуры можно оценить с помощью оптимизации [16–19], прямое измерение этих in vivo может повысить точность вычислительных моделей.

Используя ранее установленную основу диффузионной тензорной визуализации (DTI) и волоконной трактографии, в сочетании с другими последовательностями магнитно-резонансной томографии [20], это исследование направлено на развитие предыдущей литературы и предоставление подробного описания нижней конечности человека in vivo мышечной архитектуры набор данных.Это также подчеркнет уровень межсубъектной изменчивости параметров мышечной архитектуры, которая существует у молодых здоровых взрослых, а также масштабные отношения между мышечной архитектурой и пропорциями тела.

Методы

Для настоящего исследования данные были собраны по 20 мышцам правых нижних конечностей 10 здоровых, непрофессионально атлетически подготовленных взрослых (5 мужчин, 5 женщин; возраст 27 ± 4 года. Масса тела 76 ± 12) кг; Таблица 1), которые подписали документы об информированном согласии до участия в этом исследовании, одобренном IRB.Анализируемые мышцы были разделены на 5 отдельных функциональных групп на основе основных функций (таблица 2), которые были основаны на предыдущих исследованиях архитектуры мышц человека [3]. Длина мышечных волокон, угол перистости волокон и объемы мышц оценивались для каждой из этих мышц с использованием проверенных методик магнитно-резонансной томографии (МРТ) и DTI [20]; Смотри ниже).

Таблица 1. Информация об участниках исследования.

Длина бедра — расстояние между самой проксимальной стороной большого вертела бедренной кости и самой дистальной стороной латерального мыщелка бедренной кости.Длина ноги — расстояние от большеберцового плато до центра голеностопного (тибиоталарного) сустава. L _L — Полная длина нижней конечности. V _LM — Общий объем мышц нижней конечности (сумма объемов исследуемых мышц). V _L — Общий объем нижней конечности (сумма объемов мышц плюс жир, фасция и кожа).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0223531.t001

Получение МРТ и DTI

Все МРТ-изображения были получены от гребня подвздошной кости до голеностопного сустава с использованием сканера 3 Т (Biograph mMR, Siemens, Мюнхен, Германия), при этом каждый субъект находился в положении лежа на спине, а нижние конечности — в анатомическом положении.Визуализация состояла из двух последовательностей (рис. 1A и 1B): T1-взвешенное анатомическое турбо спин-эхо (TSE) (размер вокселя 0,47 × 0,47 × 6,5 мм ³ , время повторения [TR] — 650 мс, время эхо [TE] — 23 мс, количество срезов — 35 на сегмент, количество средних сигналов (NSA) — 1, коэффициент ускорения — 2), и планарное спин-эхо с однократным повторным фокусом и двойным перефокусированием (размер вокселя 2,96 × 2,96 × 6,5 мм). ³ , TR / TE 7900/65 мс, градиенты диффузии в 12 направлениях, значение b — 0 и 400 с / мм ² , сильное подавление жира — восстановление спектральной ослабленной инверсии [SPAIR], количество срезов — 35 на сегмент, NSA — 2, коэффициент ускорения — 2, полоса пропускания — 2440 Гц / пиксель).Advanced B ₀ регулирование шиммирования было выполнено для каждого сегмента, чтобы уменьшить пространственное искажение и минимизировать химический сдвиг остаточного жира в изображениях, взвешенных по диффузии, в направлении фазового кодирования (от переднего к заднему). Для каждого субъекта изображения были получены в аксиальной ориентации срезов и повторены в общей сложности от пяти до шести сегментов, которые были объединены во время постобработки с использованием плагина Stitching для Fiji / ImageJ [21, 22]. Общее время получения изображения составляло ~ 37 минут на одного человека.

Рис 1.

Типичное Т1-взвешенное МРТ анатомическое изображение (A) и изображение тензора диффузии (B) сегмента бедра одного пациента. Мышцы и кости были сегментированы в цифровом виде из изображений T1 для создания трехмерных представлений нижних конечностей (C) (определения сокращений мышц см. В таблице 2). Мышечные пучки (волокна) отслеживались по диффузионно-взвешенным МР-изображениям (D). С помощью этих трехмерных моделей на основе облака точек можно было измерить длину волокна (L _f ) и угол перистости поверхностных волокон (θ, угол волокон относительно линии действия мышцы (синяя линия)).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0223531.g001

МРТ-изображения, взвешенные по T1, были сегментированы в цифровой форме в Mimics (Materialise, Левен, Бельгия) для создания трехмерных сеток каждой мышцы (рис. 1C). , что позволило определить объем отдельных мышц (живота) ( ³ мм).

Предварительная обработка DTI и волоконная трактография

Изображения тензора диффузии были предварительно обработаны для уменьшения артефактов изображения и улучшения отношения сигнал / шум.Чтобы уменьшить артефакты изображения, вызванные возможным движением объектов или пространственным искажением (вихревые токи и / или неоднородность магнитного поля), каждое взвешенное по диффузии изображение было зарегистрировано в недиффузионно-взвешенное изображение (со значением b 0) с использованием аффинного преобразования. в DTI-studio [23].

Чтобы уменьшить отношение сигнал / шум изображений, алгоритм подавления шума Rician был применен к изображениям DTI [24] в MedINRIA (www.med.inria.fr), где тензоры диффузии для каждого объекта были оценены и сглажены.Ручная установка пороговых значений удалила фоновые пиксели из оценки тензора. Мышечные пучки для каждой мышцы оценивались на основе этих тензоров с помощью трактографии в программном обеспечении Camino [25], создавая тракты волокон из областей интереса (ROI), построенных на основе анатомических изображений T1 MR (рис. 1D). Эти тракты отслеживались в двух направлениях (размер шага 1 мм) от интересующих областей засева (ROI) и продолжались до тех пор, пока не прекращались на основании определенных критериев остановки кривизны волокна (изменение угла> 10 градусов на 5 мм).Эти параметры трактографии были одинаковыми для мышц и испытуемых.

Хотя мышечные волокна не обязательно могут проходить по всей длине мышечного пучка (пучки из ~ 5–10 волокон), а вместо этого могут быть соединены последовательно, было показано, что волокна в таком расположении могут активироваться одновременно, чтобы действовать как единое целое. волокно [26]. Поэтому здесь предполагалось, что длина волокна функционально эквивалентна длине пучка, и эти термины используются как синонимы. Исходя из этого предположения, пользовательский код MATLAB (доступен на www.figshare.com — DOI: 10.6084 / m9.figshare.96) был использован для измерения L _f из этих волоконных трактов (эквивалентных мышечным пучкам), и приведенные здесь значения являются средними для всего диапазона длин волоконных трактов в каждой мышце. [20]. Это стандартная практика при измерении архитектуры мышц для входных данных в модели мышц типа Хилла [3, 27], и в этом контексте было показано, что средняя точность L _f составляет <1-7 мм [20].

Угол перистости этих волокон измерялся здесь как угол волокон относительно линии действия мышцы.Линия действия каждой мышцы оценивалась с использованием функции «подгонки центральной линии» на каждой трехмерной мышечной сетке в Mimics (из T1-взвешенных МРТ-изображений), которая оценивает линию, проходящую через осевые центроиды каждой сетки, и, следовательно, учитывает их часто -изогнутые формы. Предположение, что эта линия эквивалентна анатомической линии действия, было высказано ранее [6]. Пять поверхностных (2D) измерений угла перистости были записаны вручную в проксимальной, средней и дистальной областях каждой мышцы с помощью ImageJ [28] для получения репрезентативного среднего значения.Это также стандартная практика для оценки этого параметра для моделей опорно-двигательного аппарата, и было показано, чтобы оценить углы поверхности pennation к средней точности 4 ± 1 ° [20].

Все эти методы были выполнены одним и тем же исследователем для каждого субъекта, что обеспечило согласованность представленных данных по архитектуре мышц.

Прогнозирование оптимальной длины волокна

Ранее признанное ограничение измерения длины волокон от тензора диффузии изображений является то, что оценки оптимальных длин волокон (важный вклад в опорно-двигательный аппарате модели) нельзя получить с помощью этого метода в одиночку.Это связано с тем, что длины саркомеров, которые нормированы на стандартизованную оптимальную длину саркомеров в состоянии покоя для оценки оптимальной длины волокон, не могут быть непосредственно измерены по отслеживаемым волокнам. Поэтому оптимальные длины волокон были оценены с использованием длин саркомеров, указанных в [3], с использованием следующего уравнения [29]: где L _f — оптимальная длина волокна, L _f ’- длина сырого волокна (измеренная по DTI), L _s — длина саркомера, а 2,7 мкм — общее значение для оптимальной длины саркомера [29].Значения L _s были получены от Ward et al. [3], которые измерили L _s в фиксированных мышцах, отсеченных от конечностей с большинством суставов (кроме голеностопного сустава) в анатомическом положении, как в настоящем исследовании.

Затем эти параметры использовались для расчета физиологической площади поперечного сечения (PCSA, мм ² ), основного определяющего фактора выходной мышечной силы, с использованием уравнения (из [30]): где V _m — объем мышцы (живота) ( ³ мм), L _f — оптимальная длина мышечного волокна (мм), θ — угол перистости мышечного волокна.Чтобы оценить максимальную изометрическую силу (важный входной параметр для скелетно-мышечных моделей, F _max ), индивидуальные значения PCSA умножались на изометрическое напряжение скелетных мышц (или удельное напряжение; 0,3 Н · мм ^-2 ; [7]). Использование этого общего значения для изометрического напряжения хорошо известно в рамках исследования опорно-двигательного аппарат моделирования [13, 31], и было показано, не зависят от размера тела и сохраняются в пределах позвоночной филогении [32]. Учитывая, что оценка этого значения для каждой отдельной мышцы нижней конечности выходила за рамки данного исследования, здесь предполагалось, что оно будет постоянным для всех мышц.Однако признается, что в действительности это может быть не так, поскольку в литературе сообщается о широком диапазоне значений (0,04–0,6 Нмм ² ) для мышц нижних конечностей человека, в зависимости от функции или типа волокна [33, 34 ].

Специализаций в параметрах мышечных архитектуры внутри функциональных групп (т.е. определенных мышечных функциональных групп, такие, как колено разгибатели, показывают в целом аналогичные ориентации мышечных волокон и функциональные возможности расширения) была продемонстрированы ранее в опорно-двигательной системе позвоночных животных [27, 30, 35-41 ].Таким образом, данные об архитектуре мышц, полученные здесь для каждой мышцы, были усреднены по каждой функциональной группе в пределах каждого индивидуума, а также в пределах сгруппированных средних значений (таблицы 1, 2 и таблицы S1 – S10). Это дает общее представление о степени специализации этих функциональных групп мышц в нижних конечностях людей, участвовавших в этом исследовании, а также позволяет проводить сравнения со средними значениями аналогичных функциональных групп в предыдущих наборах данных по архитектуре (3).

Как эти переменные архитектуры мышц масштабируются в зависимости от массы тела, роста, общего объема конечности (V _L ) и длины конечности (L _L ) у разных людей в нашей исследуемой популяции, было протестировано с использованием линейной регрессии в GraphPad Prism (La Jolla). , Калифорния, США; www.graphpad.com). Длина конечности определялась как длина от самой проксимальной части большого вертела бедренной кости до самой дистальной части боковой лодыжки малоберцовой кости.

Результаты

Было определено среднее значение (± стандартное отклонение) in vivo архитектурных свойств для 20 мышц нижних конечностей, измеренных с помощью последовательностей DTI и T1 МРТ у 10 человек (таблица 3). Данные по архитектуре мышц для отдельных субъектов перечислены в таблицах S1 – S10.

Таблица 3.Средние (± стандартное отклонение) архитектурные характеристики 20 мышц нижних конечностей от 10 человек (5 мужчин, 5 женщин; возраст 27,3 ± 3,95 года.

Масса тела 76 ± 12,5 кг) плюс средние значения функциональной группы. L _F : L _м — Отношение длины мышечного волокна к длине мышцы. PCSA — физиологическая площадь поперечного сечения. F _max — расчетная максимальная изометрическая сила. Длины саркомеров, используемые для оценки оптимальной длины волокон, были получены от Ward et al., [3].

https: // doi.org / 10.1371 / journal.pone.0223531.t003

В среднем мышцами нижней конечности с наибольшим PCSA были латеральная широкая мышца бедра (3206 ± 1559 мм ² ), средняя широкая широкая мышца бедра (2938 ± 926 мм ² ) , и камбаловидной мышцы (3226 ± 1042 мм ² ). Мышцы с наименьшим PCSA у всех испытуемых: длинный разгибатель большого пальца стопы (196 ± 78 мм ² ), подколенная мышца (202 ± 76 мм ² ) и портняжная мышца (333 ± 84 мм ² ).

Мышцы с самой длинной L _f были в среднем; портняжная мышца (408 ± 30 мм), большая приводящая мышца (231 ± 61 мм) и двуглавая мышца бедра (длинная головка) (204 ± 38 мм).Самыми короткими мышцами L _f были подколенная мышца (74 ± 14 мм), короткая приводящая мышца (76 ± 22 мм) и медиальная икроножная мышца (97 ± 22 мм). Когда длина волокна была приведена к длине мышцы (L _f : L _м ), мышцы с самыми большими отношениями L _f : L _м были; sartorius (0,85 ± <0,01), длинная головка двуглавой мышцы бедра (0,74 ± 0,15), подколенная мышца (0,78 ± 0,17), большая приводящая мышца (0,74 ± 0,17) и латеральная широкая мышца бедра (0,59 ± 0,14). Мышцы с наименьшими L _f : L _m были камбаловидной (0.32 ± 0,07), медиальная икроножная мышца (0,39 ± 0,08) и прямая мышца бедра (0,39 ± 0,12).

Степень масштабирования объема мышц, длины волокон и максимальной изометрической силы в зависимости от общего объема конечности (V _LM ) и длины конечности (L _L ) значительно различалась между функциональными группами мышц (рисунки 2 и 3; таблица S11. ). Средний объем мышечных групп сильно масштабировался с помощью V _LM (рис. 2A и 2B), хотя только сгибатели колена и разгибатели колена показали статистически значимое масштабное соотношение между F _max и M _L (R ² > 0.5, р <0,05; Рис. 3C, таблица S11). Длина живота мышцы масштабировалась с помощью L _L (рис. 3A и 3B), однако L _f не особенно сильно масштабировалась с L _L ни в одной функциональной группе, при этом приводящие мышцы бедра показали самую сильную и только статистически значимую корреляцию (R ² = 0,49, p = 0,02; рис. 3C, таблица S11).

Рис. 2. Масштабные соотношения между: индивидуальным общим объемом мышц конечности и общим объемом мышц живота в (A) приводящих, сгибателях и разгибателях колена бедра; (B) тыльные сгибатели голеностопного сустава и подошвенные сгибатели голеностопного сустава; и максимальная изометрическая сила в (C) приводящих мышцах бедра, сгибателях колена и разгибателях колена; (D) тыльные сгибатели голеностопного сустава и подошвенные сгибатели голеностопного сустава.

Пунктирные линии представляют собой среднее значение стандартной ошибки ± 1.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0223531.g002

Рис. 3. Масштабные соотношения между: индивидуальной длиной конечности и длиной живота мышцы в (А) приводящих, сгибателях и разгибателях колена бедра; (B) тыльные сгибатели голеностопного сустава и подошвенные сгибатели голеностопного сустава; и длину мышечных волокон в приводящих, сгибателях и разгибателях коленного сустава (C); (D) тыльные сгибатели голеностопного сустава и подошвенные сгибатели голеностопного сустава.

Пунктирные линии представляют собой среднее значение стандартной ошибки ± 1.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0223531.g003

Обсуждение

В этом исследовании использовалась проверенная методика для создания обширного набора данных из in vivo данных архитектуры мышц нижней конечности человека исключительно из МРТ-изображений 10 молодых здоровых людей. Эти данные определяют объем мышц, длину, оптимальную длину волокна, угол перистости волокна, PCSA и максимальную изометрическую силу. Техника использования DTI и трактографии мышечных волокон для сбора подробных данных по архитектуре мышц была описана ранее и показала свою достоверность и повторяемость [20, 42–56].В исследовании, в действительности техники для сбора мышечной архитектуры специально для опорно-двигательного аппарата моделей, Чарльз и др., [20] обнаружили, что DTI может реплицировать мышечные массы, длины волокна и PCSA в пределах 4%, 1% и 6% от соответствующего переменные, измеренные при ручном вскрытии, соответственно. Точность этого метода повысила уверенность в нашей способности генерировать точный и надежный набор данных in vivo мышечной архитектуры нижних конечностей из популяции молодых здоровых взрослых людей (таблица 2; таблицы S1 – S10).Этот набор данных основан на предыдущих попытках количественной оценки анатомии мышц нижних конечностей с помощью МРТ [6], сосредоточив внимание на сборе данных об архитектуре, необходимых для построения скелетно-мышечных моделей и моделирования.

Степень, в которой эти данные об архитектуре мышц масштабируются с антропометрическими параметрами, такими как длина конечности, объем конечности и масса тела, а также возраст в функциональных группах мышц, может указывать на необходимость сбора такого обширного набора данных об архитектуре мышц in vivo на молодых, здоровых лицах.Объем мышц живота и длина живота достаточно хорошо соотносились с массой конечностей и длиной конечностей, соответственно, в большинстве функциональных групп. Эти соотношения масштабирования особенно очевидны в мышцах подошвенного сгиба лодыжки, где F _max и объем мышц показывают сильную корреляцию с ростом пациента, массой тела, объемом конечности и длиной конечности. Эти результаты согласуются с результатами Хэндсфилда и др. [6], которые сообщили о столь же сильных масштабных взаимосвязях между объемом / длиной живота и длиной конечностей и массой тела.Однако эти данные показывают, что длина мышечных волокон плохо согласуется с длиной конечностей в любой функциональной группе мышц, что согласуется с предыдущими исследованиями [15].

В контексте моделирования опорно-двигательного аппарата, это говорит о том, что соотношение между длиной мышечного волокна и длины конечности не обязательно может быть точно предсказаны при помощи алгоритмов масштабирования или оптимизации и может быть более сложным, чем другие переменные мышечной архитектуры. Таким образом, в то время как антропометрические масштабирование может быть использовано для оценки грубых анатомических свойств, таких как объем мышц и длины, с учетом конкретных визуализацией нижней анатомии конечностей, скорее всего, необходимо точно оценить более сложные параметры мышечной архитектуры, такие как длины мышечных волокон, в частности, для использования в опорно-двигательном аппарате моделирование.Отсутствие прямой корреляции между длиной волокон и длиной конечностей можно объяснить различиями у разных субъектов в длине внешней сухожильной части мышечно-сухожильного блока, которая, как было показано, связана с диапазоном движений сустава, особенно в дистальной части мышцы. группы нижней конечности [57].

Сбор тематических данных дополнительно оправдан различиями между этими данными и ранее опубликованными данными о трупной архитектуре, например, описанными Ward et al., [3]. В то время как общие тенденции в средних характеристиках архитектуры в наших данных во многом совпадают с ранее описанными (многие из тех же мышц имеют большие значения PCSA и большие оптимальные длины волокон), можно увидеть много различий в абсолютных значениях (см. Дополнительную информацию для более подробной информации). . Учитывая анатомические вариации, наблюдаемые в нашем наборе данных, эти различия, скорее всего, связаны с разной степенью масштабирования мышечной архитектуры между функциональными группами мышц, а также с потенциальными эффектами старения.В исследовании кинематических и кинетических эффектов старения ДеВита и Хортобаджи [58] предположили, что старение приводит к перераспределению крутящего момента в суставах и мышцах по всей нижней конечности, при относительно более низком голеностопном суставе, но большем крутящем моменте в тазобедренном суставе и силе мышц у пожилых людей по сравнению с молодым людям. Хотя это, вероятно, связано с изменениями кинематики походки с возрастом, это изменение крутящего момента в суставах может также возникать в результате изменений в сложной архитектуре мышц (т. Е. Уменьшения L _f : L _m ), которые были показаны здесь посредством сравнений. к архитектуре трупных мышц и были особенно очевидны в дистальных мышцах.

Это подтверждает точность наших данных, однако, поскольку объемы мышц и длина волокон, согласно прогнозам, уменьшатся только на 25% и 10% соответственно из-за эффектов старения [4], анатомических изменений, в дополнение к эффектам фиксации формалина или возможным патологиям образцы трупов в предыдущих исследованиях вскрытия [3], вероятно, является еще одной важной причиной различий между этими данными и данными о трупах. Такой высокий уровень анатомической вариации также поддерживает потенциальную потребность в предметно-специфическом опорно-двигательном аппарате моделирования для клинической оценки.Индивидуализированные модели стали более распространенными [11, 12, 59–62], и с новыми методами сбора архитектуры мышц in vivo эти модели потенциально могут обеспечить более точные и надежные оценки мышечной функции по сравнению с универсальными или масштабированными универсальными моделями.

Ограничения

Хотя этот метод сбора в естественных условиях мышечной архитектуры становится все более распространенным [20, 53-56], все еще существуют некоторые ограничения, которые должны быть преодолены до широкого использования в опорно-двигательном аппарате моделирования и моделирование сообщества.Многие из этих ограничений, такие как предположения о том, как оценивались углы перистости и длина волокон, аналогичны тем, которые обсуждались ранее [20]. Одним из важных недостатков этого метода, который особенно важен для его приложений для моделирования мышц, является то, что невозможно оценить оптимальную длину волокон. Это часто делается в исследованиях рассечения с использованием лазерной дифракции для измерения длины саркомера [29], однако этот параметр не может быть измерен напрямую по последовательностям DTI. Хотя оптимальные длины волокон были рассчитаны здесь на основе ранее опубликованных длин саркомеров [3], сочетание DTI с дальнейшей медицинской визуализацией, такой как микроэндоскопия [63, 64], для получения in vivo длин саркомеров из поверхностных мышц может обеспечить более точные оценки длины саркомера. оптимальная длина волокна в будущих исследованиях.Без специальной поправки на длину саркомера, представленные здесь данные о длине волокон требуют дальнейшего тестирования и оптимизации в рамках скелетно-мышечных моделей, чтобы гарантировать, что мышцы работают на правильной части кривой сила-длина [7].

Следует отметить, что ошибка измерения / наблюдателя могла способствовать отсутствию корреляции, наблюдаемой здесь между антропометрией объекта и архитектурой мышц. Это, скорее всего, имело эффект при сегментации ручной мышцы, чтобы определить объемы мышц (и расширение F _{стоимость не более} ) и измерение углами pennation (которые имеют незначительное влияние на опорно-двигательном аппарате модели output- см позже обсуждения).Однако, поскольку определение in vivo длин мышечных волокон было в основном автоматизировано и для каждой мышцы каждого испытуемого использовались одни и те же критерии остановки волоконной трактографии, любые ошибки в этом параметре, вероятно, связаны с различиями в качестве изображения тензора диффузии. изображения, а не человеческая ошибка. Поскольку ручная сегментация мышц позвоночных является часто используемым методом для измерения объема мышц [6], и все изображения тензора диффузии были предварительно обработаны с использованием того же метода (см. Методы) перед анализом, влияние этих потенциальных ошибок на общую представленные здесь результаты, вероятно, были небольшими.

Точность и ограничения используемой здесь структуры волоконной трактографии обсуждались ранее [20]. Однако это оказало прямое влияние на представленные здесь данные. В то время как средняя точность оценки длины мышечных волокон составляла <1-7 мм, она варьировалась между испытуемыми и между группами мышц (2 мм в приводящих мышцах бедра, но 17 мм в разгибателях колена). Эта вариабельность может быть связана с качеством изображения тензора диффузии или артефактами частичного объема от костей или подкожно-жировой клетчатки, которые будут иметь различные эффекты в зависимости от местоположения или размера анализируемой мышцы (подробное обсуждение возможных источников см. В [45]). вариации измерения в волоконной трактографии DTI).Несмотря на это изменение, даже большие средние расхождения в точности измерения длины волокон и углов перистости в основном оказываются ниже коэффициентов повторяемости, указанных Heemskerk et al. [45] (<50 мм для L _f , <10,2 ° для θ), предполагая, что этот каркас является относительно точным и воспроизводимым. Однако следует отметить, что валидация этого каркаса проводилась на трупах [20], которые не подвергались воздействию тех же физиологических факторов, которые могли повлиять на повторяемость, описанную Heemskerk et al.[45] (например, движение, артефакты дыхания или температура тела), что может объяснить относительно высокую точность, о которой сообщалось ранее. Тем не менее, хотя этот метод демонстрирует несомненный потенциал для области биомеханического моделирования, для его широкого применения необходимо улучшение согласованности трактографии волокон между мышцами и людьми.

Что касается углов перистости, это исследование сообщает о более низких углах, чем ограниченные трехмерные углы, полученные из трактографии DTI, которые в настоящее время доступны в литературе.Ранее сообщалось о значениях ~ 30 ° для камбаловидной и медиальной икроножных мышц [53, 56], по сравнению со средними значениями 12 ° и 9 ° соответственно, указанными здесь, которые больше похожи на углы, измеренные с помощью ультразвуковых или трупных данных [3, 65–67]. Хотя эти отличия от других исследований DTI кажутся существенными, известно, что угол перистости в значительной степени зависит от положения сустава, и, по оценкам, с помощью DTI он изменяется от 9 ° [56] до 46 ° [46] с поворотом на 30 ° в тыльном / подошвенном сгибании голеностопного сустава .Хотя субъектов в этом исследовании просили оставаться в анатомическом положении во время получения изображения (с тазобедренным, коленным и голеностопным суставами при 0 ° сгибания / разгибания), возможно, что голеностопный сустав не находился точно в этом положении для продолжительность каждого сканирования. Даже небольшие отклонения от нейтрального положения в голеностопном суставе могли вызвать большие изменения в углах перистости, особенно в тыльных или подошвенных мышцах голеностопного сустава, и, следовательно, могли объяснить эти различия.Однако, учитывая низкую чувствительность прогнозов мышечной функции в скелетно-мышечных моделях к вариациям входного параметра угла перистости [10, 13], двухмерные углы перистости поверхности, представленные здесь, могут быть достаточными для прогнозирования функций мышц, если эти данные будут использоваться в качестве входы в такие модели. Тем не менее, дальнейшее уточнение этой схемы для более точной оценки оптимальной длины волокон и углов перистости может оказаться полезным в будущих исследованиях.

Воздействие и будущее исследование

Данное исследование представляет собой первый экземпляр обширного набора данных в естественных условиях человека нижних конечностей мышечной архитектуры сгенерированного чисто с медицинской визуализации (DTI и МРТ), с особым акцентом на последствия для биомеханики и опорно-двигательного аппарата моделирования.Путем исследования масштабных соотношений между антропометрическими параметрами и важными свойствами генерирования мышечной силы, такими как длина мышечного волокна и максимальная изометрическая сила, эти данные показывают отсутствие корреляции между длиной мышечного волокна и антропометрией среди большинства функциональных групп мышц нижней конечности. Это означает, что оптимизация или масштабирование алгоритмы часто используются для оценки мышечной архитектуры для опорно-двигательного аппарата моделирования не может надежно сделать это, и что, как длины мышечных волокон связаны с пропорциями тела может быть более сложным по сравнению с аналогичными отношениями с другими переменными мышечной архитектуры.Тем не менее, учитывая различия между этими данными и ранее опубликованными данными об архитектуре трупа, возможно, что применение представленных здесь мышечных параметров к скелетно-мышечным моделям людей аналогичного возраста или антропометрии может дать более точные оценки мышечной функции, чем аналогичные данные из предыдущих исследований. . Кроме того, точные траектории мышечных волокон, реконструированные с помощью этого метода, также могут улучшить прогнозирование мышечной функции за счет более точного представления рук мышечного момента и могут быть включены в биомеханические модели с использованием таких методов, как описанные Chen et al., [68].

Хотя это исследование было сосредоточено на оценке мышечной архитектуры для молодых, здоровых людей, использующих DTI, эта структура может дополнительно принести пользу поле опорно-двигательного аппарата моделирования путем измерения аналогичных параметров в патологических популяциях (например, лиц с церебральным параличом [54], мышечной атрофии [69], мышечной дистрофия [70] и пожилые люди [71]), походка и функции мышц которых часто исследуются с помощью биомеханических моделей и симуляций [72, 73].

Кроме того, отличие от предыдущих данных, а также изменение в пределах нашего набора данных, также оказывает поддержку появления предметно-специфическое моделирование опорно-двигательного аппарат.Хотя общие и масштабно общие модели, как правило, эффективны при проверке общих предсказаний костно-мышечной функции, более детальное моделирование анализирует такие как предсказания реабилитации или послеоперационные результатов могут потребовать включения предметно-специфических данных мышц архитектуры для достижения максимальной эффективности. Дальнейшая работа будет сосредоточена на проверке этих предположений и дальнейшей валидации этой структуры. Несмотря на методы, используемых здесь, чтобы измерить мышечную архитектуру в естественных условиях будучи ранее подтверждено специально для использования в опорно-двигательном аппарате моделирования [20], до сих пор неясно, насколько точно данные будут имитировать функции мышц в этих моделях.Действительность этих методов может быть дополнительно оценена посредством сравнения мышечных сил, предсказанных конкретных тема опорно-двигательных аппарата моделей к экспериментально измерено, например, от изокинетического динамометра. Точные прогнозы мышечных сил на основе моделей для конкретных субъектов еще больше повысили бы уверенность в достоверности этой схемы при измерении архитектуры мышц in vivo и формировании основы индивидуализированных скелетно-мышечных моделей.

Вспомогательная информация

S1 Таблица.Архитектурные характеристики 20 мышц нижних конечностей субъекта 01 плюс средние значения функциональной группы (± стандартное отклонение).

Длины волокон и углы перистости выражены как средние значения (± стандартное отклонение) нескольких измерений, выполненных на разных участках каждой мышцы. L _f : L _м — отношение длины мышцы к длине волокна. PCSA — физиологическая площадь поперечного сечения. F _max — расчетная максимальная изометрическая сила. Длины саркомеров, используемые для оценки оптимальной длины волокон, были получены от Ward et al., [3].

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0223531.s001

(DOCX)

S2 Таблица. Архитектурные характеристики 20 мышц нижних конечностей субъекта 02 плюс средние значения функциональной группы (± стандартное отклонение).

Длины волокон и углы перистости выражены как средние значения (± стандартное отклонение) нескольких измерений, выполненных на разных участках каждой мышцы. L _f : L _м — отношение длины мышцы к длине волокна. PCSA — физиологическая площадь поперечного сечения.F _max — расчетная максимальная изометрическая сила. Длины саркомеров, используемые для оценки оптимальной длины волокон, были получены от Ward et al., [3].

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0223531.s002

(DOCX)

S3 Таблица. Архитектурные характеристики 20 мышц нижних конечностей Субъекта 03 плюс средние значения функциональной группы (± стандартное отклонение).

Длины волокон и углы перистости выражены как средние значения (± стандартное отклонение) нескольких измерений, выполненных на разных участках каждой мышцы.L _f : L _м — отношение длины мышцы к длине волокна. PCSA — физиологическая площадь поперечного сечения. F _max — расчетная максимальная изометрическая сила. Длины саркомеров, используемые для оценки оптимальной длины волокон, были получены от Ward et al., [3].

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0223531.s003

(DOCX)

S4 Таблица. Архитектурные характеристики 20 мышц нижних конечностей субъекта 04 плюс средние значения функциональной группы (± стандартное отклонение).

Длины волокон и углы перистости выражены как средние значения (± стандартное отклонение) нескольких измерений, выполненных на разных участках каждой мышцы.L _f : L _м — отношение длины мышцы к длине волокна. PCSA — физиологическая площадь поперечного сечения. F _max — расчетная максимальная изометрическая сила. Длины саркомеров, используемые для оценки оптимальной длины волокон, были получены от Ward et al., [3].

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0223531.s004

(DOCX)

S5 Таблица. Архитектурные характеристики 20 мышц нижних конечностей субъекта 05 плюс средние значения функциональной группы (± стандартное отклонение).

Длины волокон и углы перистости выражены как средние значения (± стандартное отклонение) нескольких измерений, выполненных на разных участках каждой мышцы.L _f : L _м — отношение длины мышцы к длине волокна. PCSA — физиологическая площадь поперечного сечения. F _max — расчетная максимальная изометрическая сила. Длины саркомеров, используемые для оценки оптимальной длины волокон, были получены от Ward et al., [3].

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0223531.s005

(DOCX)

S6 Таблица. Архитектурные характеристики 20 мышц нижних конечностей субъекта 06 плюс средние значения функциональной группы (± стандартное отклонение).

Длины волокон и углы перистости выражены как средние значения (± стандартное отклонение) нескольких измерений, выполненных на разных участках каждой мышцы.L _f : L _м — отношение длины мышцы к длине волокна. PCSA — физиологическая площадь поперечного сечения. F _max — расчетная максимальная изометрическая сила. Длины саркомеров, используемые для оценки оптимальной длины волокон, были получены от Ward et al., [3].

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0223531.s006

(DOCX)

S7 Таблица. Архитектурные характеристики 20 мышц нижних конечностей субъекта 07 плюс средние значения функциональной группы (± стандартное отклонение).

Длины волокон и углы перистости выражены как средние значения (± стандартное отклонение) нескольких измерений, выполненных на разных участках каждой мышцы.L _f : L _м — отношение длины мышцы к длине волокна. PCSA — физиологическая площадь поперечного сечения. F _max — расчетная максимальная изометрическая сила. Длины саркомеров, используемые для оценки оптимальной длины волокон, были получены от Ward et al., [3].

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0223531.s007

(DOCX)

S8 Таблица. Архитектурные характеристики 20 мышц нижних конечностей субъекта 08 плюс средние значения функциональной группы (± стандартное отклонение).

Длины волокон и углы перистости выражены как средние значения (± стандартное отклонение) нескольких измерений, выполненных на разных участках каждой мышцы.L _f : L _м — отношение длины мышцы к длине волокна. PCSA — физиологическая площадь поперечного сечения. F _max — расчетная максимальная изометрическая сила. Длины саркомеров, используемые для оценки оптимальной длины волокон, были получены от Ward et al., [3].

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0223531.s008

(DOCX)

S9 Таблица. Архитектурные характеристики 20 мышц нижних конечностей субъекта 09 плюс средние значения функциональной группы (± стандартное отклонение).

Длины волокон и углы перистости выражены как средние значения (± стандартное отклонение) нескольких измерений, выполненных на разных участках каждой мышцы.L _f : L _м — отношение длины мышцы к длине волокна. PCSA — физиологическая площадь поперечного сечения. F _max — расчетная максимальная изометрическая сила. Длины саркомеров, используемые для оценки оптимальной длины волокон, были получены от Ward et al., [3].

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0223531.s009

(DOCX)

S10 Стол. Архитектурные характеристики 20 мышц нижних конечностей испытуемого 10 плюс средние значения функциональной группы (± стандартное отклонение).

Длины волокон и углы перистости выражены как средние значения (± стандартное отклонение) нескольких измерений, выполненных на разных участках каждой мышцы.L _f : L _м — отношение длины мышцы к длине волокна. PCSA — физиологическая площадь поперечного сечения. F _max — расчетная максимальная изометрическая сила. Длины саркомеров, используемые для оценки оптимальной длины волокон, были получены от Ward et al., [3].

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0223531.s010

(DOCX)

S11 Таблица. Результаты линейной регрессии (значения R

² ) для проверки масштабных соотношений между параметрами архитектуры мышц (L _f- длина мышечного волокна; L _f : L _м — отношение длины волокна к длине мышцы; F _max- расчетная максимальная изометрическая сила; V _{м — объем мышц} ; L _м — длина мышцы) и возраст субъекта, рост, масса тела, общая масса конечности и длина нижней конечности.

Значения P указаны в скобках. Значения, выделенные курсивом и жирным шрифтом, указывают на статистическую значимость (p ≤ 0,05).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0223531.s011

(DOCX)

S12 Стол. Средние различия (% различий) между данными по архитектуре мышц нижних конечностей, полученными здесь из МРТ, и данными из предыдущего исследования трупов [3].

Мышечная масса по нашим данным оценивалась по объему мышц. L _f : L _m — Отношение длины мышечного волокна к длине мышцы.PCSA — физиологическая площадь поперечного сечения. F _max — расчетная максимальная изометрическая сила. Длины саркомеров, используемые для оценки оптимальной длины волокон, были получены от Ward et al., [3].

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0223531.s012

(DOCX)

S2 Рис. Средние расчетные значения максимальной изометрической силы (F

_max ; выражены в процентах массы тела) для каждой функциональной группы мышц для субъектов 1–10.

Классификацию мышечных функциональных групп см. В таблице 1.Горизонтальная пунктирная линия представляет собой среднее значение из Ward et al., [3].

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0223531.s014

(TIF)

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить Chan Hong Moon за помощь в создании протоколов МРТ, используемых здесь, и Tom Gale за написание сценария MATLAB, используемого для измерения длины волокон мышечных волокон, отслеживаемых DTI. Мы также хотели бы поблагодарить трех рецензентов первоначальных версий этой рукописи, чьи конструктивные комментарии помогли значительно улучшить окончательную версию.Работа выполнена при финансовой поддержке отделения ортопедической хирургии Питтсбургского университета.

Ссылки

1. 1. Либер Р.Л., Фриден Дж. Функциональное и клиническое значение архитектуры скелетных мышц. Мышечный нерв. 2000. 23 (11): 1647–66. pmid: 11054744.
2. 2. Вицкевич Т.Л., Рой Р.Р., Пауэлл П.Л., Эджертон В.Р. Мышечная архитектура нижней конечности человека. Clin Orthop Relat Res. 1983; (179): 275–83. pmid: 6617027.
3. 3.Ward SR, Eng CM, Smallwood LH, Lieber RL. Точны ли текущие измерения архитектуры мышц нижних конечностей? Clin Orthop Relat Res. 2009. 467 (4): 1074–82. pmid: 18972175.
4. 4. Наричи М.В., Маганарис С.Н., Ривз Н.Д., Каподаглио П. Влияние старения на архитектуру мышц человека. J. Appl Physiol (1985). 2003. 95 (6): 2229–34. Epub 2003/07/08. pmid: 12844499.
5. 5. Тейт CM, Уильямс GN, Барранс П.Дж., Бьюкенен Т.С. Морфология мышц нижних конечностей у юных спортсменов: анализ на основе МРТ.Медико-спортивные упражнения. 2006. 38 (1): 122–8. Epub 2006/01/06. pmid: 16394964.
6. 6. Хэндсфилд Г.Г., Мейер СН, Харт Дж.М., Абель М.Ф., Блемкер СС. Связь 35 мышц нижних конечностей с ростом и массой тела количественно определена с помощью МРТ. J Biomech. 2014; 47 (3): 631–8. Epub 2013/12/26. pmid: 24368144.
7. 7. Zajac FE. Мышцы и сухожилия: свойства, модели, масштабирование и применение в биомеханике и моторном управлении. Crit Rev Biomed Eng. 1989. 17 (4): 359–411. pmid: 2676342.
8. 8.Сковил CY, Ронски JL. Чувствительность модели мышц Хилла к отклонениям в параметрах модели. J Biomech. 2006. 39 (11): 2055–63. Epub 2005/08/09. pmid: 16084520.
9. 9. Акленд, округ Колумбия, Лин Ю.К., Панди М.Г. Чувствительность модельных прогнозов мышечной функции к изменениям в моментальных руках и свойствах мышц-сухожилий: анализ Монте-Карло. J Biomech. 2012. 45 (8): 1463–71. Epub 2012/04/14. pmid: 22507351.
10. 10. О’Нил М.С., Ли Л.Ф., Ларсон С.Г., Демес Б., Стерн Дж. Т., Умбергер Б.Р.Трехмерная модель опорно-двигательного аппарата шимпанзе ( Пан троглодитов ) таза и задней конечности. J Exp Biol. 2013; 216 (Pt 19): 3709–23. pmid: 24006347.
11. 11. Валенте Дж., Питто Л., Тести Д., Сет А., Делп С. Л., Стагни Р. и др. Существуют предметные специфические мышечно-скелетные модели устойчивы к неопределенности в идентификации параметров? PLoS One. 2014; 9 (11): e112625. Epub 2014/11/12. pmid: 253.
12. 12. Navacchia A, Myers CA, Rullkoetter PJ, Shelburne KB.Прогнозирование нагрузок на коленный сустав in vivo с помощью глобального вероятностного анализа. J Biomech Eng. 2016; 138 (3): 4032379. pmid: 26720096.
13. 13. Чарльз Дж. П., Каппеллари О., Спенс А. Дж., Уэллс Д. Д., Хатчинсон-младший. Мышечные момент руки и анализ чувствительности к задней конечности мыши опорно-двигательного аппарата модели. J Anat. 2016; 229 (4): 514–35. pmid: 27173448.
14. 14. Буяльски П., Мартинс Дж., Стирлинг Л. Анализ методом Монте-Карло оценки чувствительности оценки мышечной силы к свойствам мышцы-сухожилия с использованием модели мышц на основе Хилла.J Biomech. 2018. Epub 2018/08/28. pmid: 30146173.
15. 15. Уорд С.Р., Смоллвуд Л.Х., Либер Р.Л. Масштабирование архитектуры мышц нижних конечностей человека до размеров скелета. В: XX Конгресс ISB, Кливленд, Огайо. 2005.
16. 16. Modenese L, Ceseracciu E, Reggiani M, Lloyd DG. Оценка musculotendon параметров для масштабируемых и с учетом конкретных моделей опорно-двигательного аппарата с использованием методики оптимизации. J Biomech. 2016; 49 (2): 141–8. Epub 2015/11/18. pmid: 26776930.
17. 17. Манал К., Бьюкенен Т. Оценка длины провисания сухожилия по конкретным предметам: численный метод. Журнал прикладной биомеханики. 2004. 20 (2): 195–203.
18. 18. Винби ЧР, Ллойд Д.Г., Кирк ТБ. Оценка различных аналитических методов для масштабирования объекта для конкретного musculotendon параметров. J Biomech. 2008. 41 (8): 1682–8. Epub 2008/05/06. pmid: 18456272.
19. 19. Ву В., Ли П.В., Брайант А.Л., Галеа М., Окленд, округ Колумбия. С учетом конкретных опорно-двигательного аппарата моделирование в оценке плеча мышцы и функции суставов.J Biomech. 2016; 49 (15): 3626–34. Epub 2016/09/23. pmid: 28327299.
20. 20. Чарльз JP, Moon CH, Anderst В. Определение предметно-специфических нижних конечностей данных мышц архитектуры для опорно-двигательного аппарата с использованием моделей диффузии Тензор МРТ. J Biomech Eng. 2019; 141 (6): 060905–9. pmid: 30098157.
21. 21. Прейбиш С., Заальфельд С., Томанчак П. Оптимальное сшивание мозаичных трехмерных изображений при получении микроскопических изображений. Биоинформатика. 2009. 25 (11): 1463–5. Epub 2009/04/07. pmid: 19346324.
22. 22. Schindelin J, Arganda-Carreras I, Frize E, Kaynig V, Longair M, Pietzsch T. и др. Фиджи: платформа с открытым исходным кодом для анализа биологических изображений. Нат методы. 2012. 9 (7): 676–82. Epub 2012/06/30. pmid: 22743772.
23. 23. Jiang H, van Zijl PC, Kim J, Pearlson GD, Mori S. DtiStudio: ресурсная программа для вычисления тензора диффузии и отслеживания пучков волокон. Вычислительные методы Программы Biomed. 2006. 81 (2): 106–16. Epub 2006/01/18. pmid: 16413083.
24. 24.Аха-Фернандес С., Нитхаммер М., Кубики М., Шентон М.Э., Вестин С.Ф. Восстановление данных DWI с использованием оценщика Rician LMMSE. IEEE Trans Med Imaging. 2008. 27 (10): 1389–403. Epub 2008/09/26. pmid: 18815091.
25. 25. Cook P, Bai Y, Nedjati-Gilani S, Seunarine K, Hall M, Parker G, et al. Camino: Реконструкция и обработка диффузионной МРТ с открытым исходным кодом. 14-е научное собрание Международного общества магнитного резонанса в медицине, Сиэтл, Вашингтон, США, 2006 г. п. 2759.
26. 26.Бодин С.К., Рой Р.Р., Медоуз Д.А., Зернике Р.Ф., Сакс Р.Д., Фурнье М. и др. Архитектурные, гистохимические и сократительные характеристики уникальной двусуставной мышцы: полусухожильной мышцы кошки. J Neurophysiol. 1982; 48 (1): 192–201. pmid: 7119845.
27. 27. Чарльз Дж. П., Каппеллари О., Спенс А. Дж., Хатчинсон-младший, Уэллс Ди-джей. Скелетно-мышечная геометрия, архитектура мышц и функциональные особенности задней конечности мыши. PLoS One. 2016; 11 (4): e0147669. pmid: 27115354.
28. 28.Шнайдер CA, Rasband WS, Eliceiri KW. NIH Image to ImageJ: 25 лет анализа изображений. Нат методы. 2012; 9 (7): 671–5. pmid: 22
29. 4.
30. 29. Фельдер А., Уорд С.Р., Либер Р.Л. Измерение длины саркомера позволяет с высоким разрешением нормализовать длину мышечных волокон в архитектурных исследованиях. J Exp Biol. 2005; 208 (Pt 17): 3275–9. Epub 2005/08/20. pmid: 16109889.
31. 30. Мешки Р. Д., Рой Р. Р.. Архитектура мышц задних конечностей кошек: функциональное значение.J Morphol. 1982. 173 (2): 185–95. pmid: 7120421.
32. 31. Хатчинсон-младший. Биомеханическое моделирование и анализ чувствительности двуногого бега. I. Сохранившиеся таксоны. J Morphol. 2004. 262 (1): 421–40. pmid: 15352201.
33. 32. Медлер С. Сравнительные тенденции в сокращении скорости и производства силы в скелетных мышцах. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2002; 283 (2): R368–78. pmid: 12121850.
34. 33. Фукунага Т., Рой Р. Р., Шеллок Ф. Г., Ходжсон Дж. А., Эджертон В. Р..Удельное напряжение подошвенных сгибателей и дорсифлексоров человека. J. Appl Physiol (1985). 1996. 80 (1): 158–65. Epub 1996/01/01. pmid: 8847297.
35. 34. Maganaris CN, Baltzopoulos V, Ball D, Sargeant AJ. Специфическое напряжение скелетных мышц человека in vivo. J. Appl Physiol (1985). 2001; 90 (3): 865–72. Epub 2001/02/22. pmid: 11181594.
36. 35. Пауэлл П.Л., Рой Р.Р., Каним П., Белло М.А., Эджертон В.Р. Предсказуемость напряжения скелетных мышц на основе архитектурных определений задних конечностей морских свинок.J Appl Physiol Respir Environ Exerc Physiol. 1984. 57 (6): 1715–21. pmid: 6511546.
37. 36. Либер Р.Л., Блевинс Ф.Т. Архитектура скелетных мышц задней конечности кролика: функциональные последствия дизайна мышц. J Morphol. 1989; 199 (1): 93–101. pmid: 22.
38. 37. Пейн Р.К., Хатчинсон-младший, Робиллиард Дж. Дж., Смит, Северная Каролина, Уилсон А.М. Функциональная специализация анатомии тазовых конечностей у лошадей ( Equus caballus ). J Anat. 2005. 206 (6): 557–74. pmid: 15960766.
39. 38.Уильямс С.Б., Уилсон А.М., Родс Л., Эндрюс Дж., Пейн Р.С. Функциональная анатомия и мышечный момент рук тазовой конечности элитного спортсмена-спринтера: гоночной борзой ( Canis ownis ). J Anat. 2008. 213 (4): 361–72. pmid: 18657259.
40. 39. Уильямс С.Б., Пейн Р.С., Уилсон А.М. Функциональная специализация тазовой конечности зайца ( Lepus europeus ). J Anat. 2007. 210 (4): 472–90. pmid: 17362487.
41. 40. Аллен В., Элси Р.М., Джонс Н., Райт Дж., Хатчинсон-младший.Функциональная специализация и онтогенетическое масштабирование анатомии конечностей у животных Alligator mississippiensis . J Anat. 2010. 216 (4): 423–45. pmid: 20148991.
42. 41. Пакстон Х., Энтони Н.Б., Корр С.А., Хатчинсон-младший. Влияние селективного разведения на архитектурные свойства тазовой конечности у цыплят-бройлеров: сравнительное исследование современных и исконных популяций. J Anat. 2010. 217 (2): 153–66. pmid: 20557402.
43. 42. Хсу Э. У., Мори С. Аналитические выражения для коэффициентов кажущейся диффузии ЯМР в анизотропной системе и упрощенный метод определения ориентации волокна.Magn Reson Med. 1995. 34 (2): 194–200. pmid: 7476078.
44. 43. Дэймон Б.М., Динг З., Андерсон А.В., Фрейер А.С., Гор Дж. Подтверждение отслеживания мышечных волокон на основе тензора диффузии с помощью МРТ. Magn Reson Med. 2002. 48 (1): 97–104. pmid: 12111936.
45. 44. Deux JF, Malzy P, Paragios N, Bassez G, Luciani A, Zerbib P и др. Оценка сокращения икроножной мышцы с помощью тензорной диффузной визуализации. Eur Radiol. 2008. 18 (10): 2303–10. Epub 2008/05/09. pmid: 18463875.
46. 45. Heemskerk AM, Sinha TK, Wilson KJ, Ding Z, Damon BM.Повторяемость отслеживания волокон скелетных мышц на основе DTI. ЯМР Биомед. 2010. 23 (3): 294–303. pmid: 20099372.
47. 46. Sinha U, Sinha S, Hodgson JA, Edgerton RV. Архитектура камбаловидной мышцы человека под разными углами голеностопного сустава по данным магнитно-резонансной диффузной тензорной визуализации. J. Appl Physiol (1985). 2011; 110 (3): 807–19. pmid: 21164150.
48. 47. Froeling M, Nederveen AJ, Heijtel DF, Lataster A, Bos C, Nicolay K и др. Диффузионно-тензорная МРТ выявляет сложную мышечную архитектуру предплечья человека.J. Магнитно-резонансная томография. 2012. 36 (1): 237–48. pmid: 22334539.
49. 48. Соарес Дж. М., Маркес П., Алвес В., Соуза Н. Автостопом по визуализации диффузионного тензора. Front Neurosci. 2013; 7: 31. pmid: 23486659.
50. 49. Bolsterlee B, Veeger HE, van der Helm FC, Gandevia SC, Herbert RD. Сравнение измерений архитектурных параметров медиальной икроножной мышцы по ультразвуковым и диффузным тензорным изображениям. J Biomech. 2015; 48 (6): 1133–40. Epub 2015/02/16. pmid: 25682540.
51. 50. Froeling M, Oudeman J, Strijkers GJ, Maas M, Drost MR, Nicolay K и др. Изменения мышц, обнаруженные с помощью диффузионно-тензорной визуализации после бега на длинные дистанции. Радиология. 2015. 274 (2): 548–62. Epub 2014/10/03. pmid: 25279435.
52. 51. Дэймон Б.М., Фроилинг М., Бак А.К., Аудеман Дж., Динг З., Недервен А.Дж. и др. Отслеживание волокон с помощью тензорной диффузии скелетных мышц и МРТ: обоснование, методы сбора и анализа данных, приложения и будущие направления. ЯМР Биомед.2016. Epub 2016/06/03. pmid: 27257975.
53. 52. Sieben JM, van Otten I., Lataster A, Froeling M, Nederveen AJ, Strijkers GJ, et al. Реконструкция in vivo архитектуры поясничного эректора позвоночника с использованием диффузно-тензорной МРТ. Clin Spine Surg. 2016; 29 (3): E139–45. pmid: 27007789.
54. 53. Болстерли Б., Финни Т., Д’Суза А., Эгучи Дж., Кларк Е.К., Герберт Р.Д. Трехмерная архитектура всей камбаловидной мышцы человека in vivo. PeerJ. 2018; 6: e4610. Epub 2018/04/24.pmid: 29682414.
55. 54. Сарманн А.С., Стотт Н.С., Безье Т.Ф., Фернандес Дж.В., Хэндсфилд Г.Г. Слабость камбаловидной мышцы при церебральном параличе: архитектура мышц выявлена ​​с помощью диффузно-тензорной визуализации. PLoS One. 2019; 14 (2): e0205944. Epub 2019/02/26. pmid: 30802250.
56. 55. Bolsterlee B, D’Souza A, Herbert RD. Надежность и надежность измерений архитектуры мышц, полученных с помощью тензорной диффузионной визуализации с анатомически ограниченной трактографией. J Biomech. 2019; 86: 71–8.Epub 2019/02/12. pmid: 30739766.
57. 56. Bolsterlee B, D’Souza A, Gandevia SC, Herbert RD. Как пассивное удлинение меняет архитектуру медиальной икроножной мышцы человека? J. Appl Physiol (1985). 2017; 122 (4): 727–38. Epub 2017/01/21. pmid: 28104754.
58. 57. Мацукиё А., Гох А.С., Асагай Ю. Взаимосвязь между длиной мышечного сухожилия, диапазоном движений и сопротивлением пассивному движению у детей с нормальным и повышенным тонусом. J Phys Ther Sci.2017; 29 (2): 349–55. Epub 2017/03/08. pmid: 28265172.
59. 58. ДеВита П., Хортобадьи Т. Возраст вызывает перераспределение суставных моментов и сил во время ходьбы. J. Appl Physiol (1985). 2000. 88 (5): 1804–11. Epub 2000/05/08. pmid: 10797145.
60. 59. Scheys л, Spaepen А, Suetens Р, Jonkers И. Рассчитано момент-рука и мышцы-сухожилия длины во время походки отличаются, по существу, с использованием МР на основе по сравнению с перемасштабирована родовых нижних конечностей опорно-двигательного аппарата моделей. Поза походки. 2008. 28 (4): 640–8.Epub 2008/06/04. pmid: 18534855.
61. 60. Scheys L, Loeckx D, Spaepen A, Suetens P, Jonkers I. Нежесткая регистрация изображений на основе Атласа для автоматического определения моделей мышц линии действия: исследование для проверки. J Biomech. 2009. 42 (5): 565–72. Epub 2009/02/24. pmid: 1

    18.

62. 61. Scheys L, Desloovere K, Suetens P, Jonkers I. Уровень детализации предмета в скелетно-мышечных моделях влияет на расчет длины плеча тазобедренного сустава во время походки у детей с повышенной антеверсией бедренной кости.J Biomech. 2011; 44 (7): 1346–53. Epub 2011/02/03. pmid: 21295307.
63. 62. Prinold JA, Mazzà C, Di Marco R, Hannah I, Malattia C, Magni-Manzoni S, et al. Модель стопы для конкретного пациента для оценки силы голеностопного сустава у пациентов с ювенильным идиопатическим артритом. Энн Биомед Eng. 2016; 44 (1): 247–57. Epub 2015/09/15. pmid: 26374518.
64. 63. Чен Икс, Санчес Г.Н., Шнитцер М.Дж., Delp SL. Изменение длины саркомера латеральной широкой мышцы бедра человека при сгибании колена, измеренное с помощью микроэндоскопии in vivo.J Biomech. 2016; 49 (13): 2989–94. Epub 2016/08/03. pmid: 27481293.
65. 64. Чен X, Delp SL. Длина саркомера камбаловидной мышцы человека измерена с помощью микроэндоскопии in vivo при двух углах сгибания голеностопного сустава. J Biomech. 2016; 49 (16): 4164–7. Epub 2016/11/22. pmid: 27866676.
66. 65. Herbert RD, Heroux ME, Diong J, Bilston LE, Gandevia SC, Lichtwark GA. Изменения длины и трехмерной ориентации мышечных пучков и апоневрозов при пассивных изменениях длины икроножных мышц человека.J Physiol. 2015; 593 (2): 441–55. Epub 2015/01/30. pmid: 25630264.
67. 66. Maganaris CN, Baltzopoulos V, Sargeant AJ. Измерения in vivo сложной архитектуры трицепса surae у человека: последствия для мышечной функции. J Physiol. 1998; 512 (Pt 2): 603–14. Epub 1998/10/09. pmid: 9763648.
68. 67. Наричи М.В., Бинзони Т., Хильтбранд Э., Фазель Дж., Терьер Ф., Черретелли П. Архитектура икроножной мышцы человека in vivo с изменяющимся углом сустава в состоянии покоя и во время ступенчатого изометрического сокращения.J Physiol. 1996; 496 (Pt 1): 287–97. Epub 1996/10/01. pmid: 8_6.
69. 68. Чен Дж. С., Басава Р. Р., Чжан Ю., Чапо Р., Малис В., Синха Ю. и др. Пиксельное моделирование скелетных мышц без сетки. Comput Methods Biomech Biomed Eng Imaging Vis. 2016; 4 (2): 73–85. Epub 2016/01/01. pmid: 28748126.
70. 69. Малис В., Синха У., Чапо Р., Наричи М., Смитаман Э, Синха С. Визуализация тензора диффузии и моделирование диффузии: применение для мониторинга изменений в медиальной икроножной мышце при атрофии неиспользования, вызванной односторонним подвешиванием конечностей.J. Магнитно-резонансная томография. 2019; 49 (6): 1655–64. Epub 2018/12/21. pmid: 30569482.
71. 70. Ponrartana S, Ramos-Platt L, Wren TA, Hu HH, Perkins TG, Chia JM и др. Эффективность визуализации тензора диффузии в оценке тяжести заболевания при мышечной дистрофии Дюшенна: предварительное исследование. Pediatr Radiol. 2015; 45 (4): 582–9. Epub 24.09.2014. pmid: 25246097.
72. 71. Sinha U, Csapo R, Malis V, Xue Y, Sinha S. Возрастные различия в индексах тензора диффузии и архитектуре волокон в медиальной и латеральной икроножной мышце.J. Магнитно-резонансная томография. 2015; 41 (4): 941–53. Epub 2014/04/29. pmid: 24771672.
73. 72. Розенберг М, Стил К. Моделирование воздействия ортезов голеностопного сустава на потребность в мышцах и их набор у типично развивающихся детей и детей с церебральным параличом и походкой приседания. PLoS One. 2017; 12 (7): e0180219. Epub 2017/07/14. pmid: 28704464.
74. 73. Стил К.М., Сет А., Хикс Дж. Л., Шварц М. С., Дельп С. Л.. Вклад мышц в поддержку и прогресс во время ходьбы на одной конечности.J Biomech. 2010. 43 (11): 2099–105. Epub 2010/05/25. pmid: 20493489.

Аппендикулярные мышцы тазового пояса и нижних конечностей — анатомия и физиология

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определить аппендикулярные мышцы тазового пояса и нижней конечности
• Определить движение и функцию тазового пояса и нижней конечности

Аппендикулярные мышцы нижней части тела и стабилизируют тазовый пояс, который служит основой для нижних конечностей.Для сравнения, в грудном поясе движения гораздо больше, чем в тазовом. Движение тазового пояса очень мало из-за его соединения с крестцом в основании осевого скелета. Тазовый пояс имеет меньший диапазон движений, потому что он был разработан для стабилизации и поддержки тела.

Мышцы бедра

Что бы произошло, если бы тазовый пояс, соединяющий нижние конечности с туловищем, имел такой же диапазон движений, что и грудной пояс? Во-первых, ходьба потребовала бы больше энергии, если бы головки бедер не были закреплены в вертлужной впадине таза.Центр тяжести тела находится в области таза. Если бы центр тяжести не оставался неизменным, встать было бы также трудно. Таким образом, то, что мышцам ног не хватает диапазона движений и гибкости, они компенсируют размером и мощностью, облегчая стабилизацию, осанку и движения тела.

Ягодичные мышцы, двигающие бедро

Большинство мышц, которые входят в бедренную кость (бедренную кость) и перемещают ее, берут начало в тазовом поясе. Большая поясничная мышца и подвздошная мышца составляют группу подвздошно-поясничной мышцы.Одними из самых крупных и мощных мышц тела являются ягодичные мышцы или ягодичная группа. Большая ягодичная мышца самая большая; Глубоко от большой ягодичной мышцы находится средняя ягодичная мышца, а глубоко от средней ягодичной мышцы — минимальная ягодичная мышца, самая маленькая из трех ((Рисунок) и (Рисунок)).

Мышцы бедра и бедра

Большие и мощные мышцы бедра, которые двигают бедренную кость, обычно берут начало в тазовом поясе и переходят в бедренную кость. Мышцы, которые двигают голень, обычно берут начало на бедре и вставляются в кости коленного сустава.Передние мышцы бедра разгибают голень, но также помогают сгибать бедро. Задние мышцы бедра сгибают голень, но также помогают разгибать бедро. Комбинация ягодичных мышц и мышц бедра также приводит, отводит и вращает бедро и голень.

Ягодичные мышцы, двигающие бедро

Tenor fascia latae — толстая квадратная мышца в верхней части боковой поверхности бедра. Он действует как синергист средней ягодичной мышцы и подвздошно-поясничной мышцы при сгибании и отведении бедра.Это также помогает стабилизировать латеральную сторону колена, натягивая подвздошно-большеберцовый тракт (бандаж), делая его туго натянутым. Глубоко от большой ягодичной мышцы грушевидная мышца, внутренняя запирательная мышца, наружная запирательная мышца, верхний гемеллус, нижний гемеллюс и квадратная мышца бедра вращают бедренную кость в боковом направлении.

Длинная приводящая мышца, короткая приводящая мышца и большая приводящая мышца могут поворачивать бедро как медиально, так и латерально, в зависимости от положения стопы. Длинная приводящая мышца сгибает бедро, а большая приводящая мышца разгибает его.Грудная мышца приводит и сгибает бедренную кость в тазобедренном суставе. Грудная мышца расположена в бедренном треугольнике, который образуется на стыке бедра и голени, а также включает бедренный нерв, бедренную артерию, бедренную вену и глубокие паховые лимфатические узлы.

Мышцы бедра, двигающие бедренную, большеберцовую и малоберцовую кости

Глубокая фасция бедра разделяет его на медиальный, передний и задний отделы (см. (Рисунок) и (Рисунок)). Мышцы медиального отдела бедра отвечают за приведение бедра к бедру.Наряду с длинной приводящей мышцей, короткой приводящей мышцей, большой приводящей мышцей и пектинусом, тонкая мышца в виде ремня аддуктирует бедро в дополнение к сгибанию ноги в колене.

Мышцы бедра, двигающие бедренную, большеберцовую и малоберцовую кости

Мышцы переднего отдела бедра сгибают бедро и разгибают ногу. Этот отсек содержит группу четырехглавой мышцы бедра, которая на самом деле состоит из четырех мышц, которые разгибают и стабилизируют колено. Прямая мышца бедра находится на передней поверхности бедра, латеральная широкая мышца бедра находится на боковой поверхности бедра, медиальная широкая мышца бедра находится на медиальной стороне бедра, а средняя широкая мышца бедра находится между латеральной широкой мышцей бедра и медиальной широкой мышцей бедра и глубокой. к прямой мышце бедра.Общее для всех четырех сухожилий — это сухожилие четырехглавой мышцы (сухожилие надколенника), которое входит в надколенник и продолжается под ним как связка надколенника. Связка надколенника прикрепляется к бугристости большеберцовой кости. В дополнение к четырехглавой мышце бедра портняжная мышца представляет собой ленточноподобную мышцу, которая простирается от передней верхней подвздошной ости до медиальной стороны проксимального отдела большеберцовой кости. Эта универсальная мышца сгибает ногу в колене и сгибает, отводит и поворачивает ногу в сторону бедра. Эта мышца позволяет нам сидеть, скрестив ноги.

Задний отдел бедра включает мышцы, которые сгибают ногу и разгибают бедро. Три длинные мышцы задней части колена — это группа подколенного сухожилия, которая сгибает колено. Это двуглавая мышца бедра, полусухожильная и полуперепончатая мышца. Сухожилия этих мышц образуют подколенную ямку, ромбовидное пространство на задней стороне колена.

Мышцы, двигающие стопы и пальцы ног

Подобно мышцам бедра, мышцы ноги разделены глубокой фасцией на отсеки, хотя в ноге их три: передняя, ​​боковая и задняя ((Рисунок) и (Рисунок)).

Мышцы голени

Мышцы переднего отдела голени обычно отвечают за тыльное сгибание, а мышцы заднего отдела голени обычно отвечают за подошвенное сгибание. Боковые и медиальные мышцы в обоих отделах инвертируют, разворачивают и вращают стопу.

Мышцы, двигающие стопы и пальцы ног

Мышцы в переднем отделе голени: передняя большеберцовая мышца, длинная и толстая мышца на боковой поверхности большеберцовой кости, длинный разгибатель большого пальца стопы глубоко под ней и длинный разгибатель пальцев сбоку от нее — все они способствуют поднимать переднюю часть стопы при сокращении.Тертиус малоберцовой кости, небольшая мышца, которая берет начало на передней поверхности малоберцовой кости, связана с длинным разгибателем пальцев и иногда сливается с ним, но присутствует не у всех людей. Толстые связки соединительной ткани, называемые верхним удерживателем разгибателей (поперечная связка голеностопного сустава) и нижним удерживателем разгибателей, удерживают сухожилия этих мышц на месте во время тыльного сгибания.

Боковой отсек голени включает две мышцы: длинную малоберцовую мышцу (peroneus longus) и малоберцовую мышцу (малоберцовую мышцу).Все поверхностные мышцы в заднем отделе ноги вставляются в пяточное сухожилие (ахиллово сухожилие), сильное сухожилие, которое входит в пяточную кость голеностопного сустава. Мышцы в этом отсеке большие и сильные, они удерживают человека в вертикальном положении. Самая поверхностная и видимая мышца голени — икроножная мышца. Глубоко от икроножной мышцы проходит широкая плоская камбаловидная мышца. Плантарис проходит между ними наискось; у некоторых людей может быть две из этих мышц, в то время как подошва не наблюдается примерно в семи процентах других случаев вскрытия трупа.Сухожилие подошвенной мышцы является желательной заменой широкой фасции при герниопластике, трансплантации сухожилий и восстановлении связок. В заднем отделе голени также есть четыре глубоких мышцы: подколенная мышца, длинный сгибатель пальцев, длинный сгибатель большого пальца стопы и задняя большеберцовая мышца.

Стопа также имеет собственные мышцы, которые берут начало и вставляются в нее (аналогично внутренним мышцам руки). Эти мышцы в первую очередь обеспечивают поддержку стопы и ее свода, а также способствуют движениям пальцев ног ((Рисунок) и (Рисунок)).Основной опорой продольного свода стопы является глубокая фасция, называемая подошвенным апоневрозом, которая проходит от пяточной кости до пальцев стопы (воспаление этой ткани является причиной «подошвенного фасциита», который может поражать бегунов. Стопа состоит из двух групп. Дорсальная группа включает только одну мышцу, brevis Extensor digitorum. Вторая группа — подошвенная группа, которая состоит из четырех слоев, начиная с самого поверхностного.

Внутренние мышцы стопы

Мышцы тыльной стороны стопы (а) обычно разгибают пальцы ног, в то время как мышцы подошвенной стороны стопы (b, c, d) обычно сгибают пальцы ног.Подошвенные мышцы состоят из трех слоев, обеспечивая стопе силу, уравновешивающую вес тела. На этой диаграмме эти три слоя показаны с точки зрения подошвы, начиная с самого нижнего слоя непосредственно под подошвенной кожей стопы (b) и заканчивая самым верхним слоем (d), расположенным чуть ниже стопы и пальца ноги. кости.

Внутренние мышцы стопы

Обзор главы

Тазовый пояс прикрепляет ноги к осевому каркасу.В тазобедренном суставе тазовый пояс и нога соединяются. Бедро соединено с тазовым поясом множеством мышц. В ягодичной области большая поясничная мышца и подвздошная мышца образуют подвздошно-поясничную мышцу. Большая и сильная ягодичная мышца большая, средняя и минимальная ягодичные мышцы расширяют и отводят бедро. Наряду с большой ягодичной мышцей, напрягающая широкая фасция мышцы образует подвздошно-большеберцовый тракт. Латеральными вращающими элементами бедренной кости в области бедра являются грушевидная мышца, внутренняя запирательная мышца, внешняя запирательная мышца, верхний гемеллус, нижний гемеллус и квадратная мышца бедра.На медиальной части бедра длинная приводящая мышца, короткая приводящая мышца и большая приводящая мышца приводят бедро и вращают его кнутри. Грудная мышца приводит и сгибает бедро в области бедра.

Мышцы бедра, двигающие бедренную, большеберцовую и малоберцовую кости, делятся на медиальный, передний и задний отделы. Медиальный отсек включает аддукторы, грудную клетку и тонкую мышцу. Передний отдел включает четырехглавую мышцу бедра, сухожилие четырехглавой мышцы, связку надколенника и портняжную мышцу.Четырехглавая мышца бедра состоит из четырех мышц: прямой мышцы бедра, латеральной широкой мышцы бедра, средней широкой мышцы бедра и промежуточной широкой мышцы бедра, которые вместе расширяют колено. Задний отдел бедра включает подколенные сухожилия: двуглавая мышца бедра, полусухожильная и полуперепончатая мышцы, которые сгибают колено.

Мышцы ноги, двигающие стопы и пальцы ног, делятся на передний, боковой, поверхностный и глубокий задний отделы. Передний отдел включает переднюю большеберцовую мышцу, длинный разгибатель большого пальца стопы, длинный разгибатель пальцев и третичную малоберцовую мышцу (малоберцовая мышца).В боковом отделе находятся длинная малоберцовая мышца (малоберцовая мышца) и короткая малоберцовая мышца (малоберцовая мышца). Поверхностный задний отдел включает икроножную, камбаловидную и подошвенную мышцу; а в глубоком заднем отделе находятся подколенная мышца, задняя большеберцовая мышца, длинный сгибатель пальцев и длинный сгибатель большого пальца стопы.

Обзорные вопросы

Большая группа мышц, которая прикрепляет ногу к тазовому поясу и производит разгибание тазобедренного сустава, — это группа ________.

1. ягодичная
2. запорный элемент
3. приводящая мышца
4. похититель

Какая мышца производит движение, позволяющее скрестить ноги?

1. большая ягодичная мышца
2. грушевидная
3. грацилис
4. портняжник

Какая самая большая мышца голени?

1. камбаловидная
2. икроножная мышца
3. передняя большеберцовая мышца
4. Задняя большеберцовая мышца

До какой из следующих мышц глубина промежуточной широкой мышцы бедра?

1. двуглавая мышца бедра
2. прямая мышца бедра
3. медиальная широкая мышца бедра
4. Вастус латеральная

Вопросы критического мышления

Какие мышцы образуют подколенные сухожилия? Как они работают вместе?

Двуглавая, полуперепончатая и полусухожильная мышцы бедра образуют подколенные сухожилия.Подколенные сухожилия сгибают ногу в коленном суставе.

Какие мышцы образуют четырехглавую мышцу? Как они работают вместе?

Прямая мышца бедра, медиальная широкая мышца бедра, латеральная широкая мышца бедра и средняя широкая мышца бедра образуют четырехглавую мышцу. Четырехглавая мышца разгибает ногу в коленном суставе.

Глоссарий

приводящая мышца короткая

мышца, приводящая бедро и вращающая его кнутри

длинная приводящая мышца

мышца, приводящая, вращающая медиально и сгибающая бедро

большая приводящая мышца

мышца с передним пучком, который аддуктирует, медиально вращает и сгибает бедро, и задним пучком, который способствует разгибанию бедра

передний отдел голени

область, включающая мышцы, которые тыльно сгибает стопу

передний отдел бедра

область, включающая мышцы, сгибающие бедро и разгибающие ногу

двуглавая мышца бедра

мышца подколенного сухожилия

пяточное сухожилие

(также ахиллово сухожилие) сильное сухожилие, которое вставляется в пяточную кость голеностопного сустава

спинная группа

область, включающая короткий разгибатель пальцев

короткий разгибатель пальцев

мышца, разгибающая пальцы ног

длинный разгибатель пальцев

мышца латеральнее передней большеберцовой мышцы

длинный разгибатель большого пальца

мышца, которая частично проходит глубоко от передней большеберцовой мышцы и длинного разгибателя пальцев

бедренный треугольник

Область, образованная на стыке бедра и голени, включает грудную клетку, бедренный нерв, бедренную артерию, бедренную вену и глубокие паховые лимфатические узлы

fibularis brevis

(также, малоберцовая мышца) подошвенная мышца, сгибающая стопу в голеностопном суставе и выворачивающая ее в межплюсневых суставах

длинная малоберцовая мышца

(также длинная малоберцовая мышца), подошвенная мышца, сгибающая стопу в голеностопном суставе и выворачивающая ее в межплюсневых суставах

третичная малоберцовая мышца

маленькая мышца, связанная с длинным разгибателем пальцев

длинный сгибатель пальцев

мышца, сгибающая четыре мизинца

длинный сгибатель большого пальца стопы

Мышца, сгибающая большой палец ноги

икроножная мышца

Самая поверхностная мышца голени

ягодичная группа

группа мышц, которая разгибает, сгибает, вращает, аддукт и отводит бедро

большая ягодичная мышца

самая большая из ягодичных мышц, расширяющая бедро

средняя ягодичная мышца

мышца глубоко от большой ягодичной мышцы, которая отводит бедро у бедра

малая ягодичная мышца

наименьшая из ягодичных мышц и глубокая до средней ягодичной мышцы

грацилис

мышца, приводящая бедро и сгибающая ногу в колене

группа подколенного сухожилия

три длинные мышцы задней части голени

подвздошной кости

мышца, которая вместе с большой поясничной мышцей составляет подвздошно-поясничную мышцу

подвздошно-поясничная группа

Группа мышц, состоящая из подвздошной мышцы и большой поясничной мышцы, которая сгибает бедро в бедре, вращает его в стороны и сгибает туловище на бедре

подвздошно-большеберцовый тракт

мышца, прикрепляющаяся к большеберцовой кости; состоит из большой ягодичной мышцы и соединительной ткани растяжения широкой фасции

удерживатель нижнего разгибателя

крестообразная связка голеностопного сустава

нижний gemellus

мышца глубоко от большой ягодичной мышцы на боковой поверхности бедра, которая вращает бедро в боковом направлении

боковой отсек ноги

область, которая включает длинную малоберцовую мышцу (малоберцовую мышцу) и короткую малоберцовую мышцу (малоберцовую мышцу) и связанные с ними кровеносные сосуды и нервы

медиальный отдел бедра

область, которая включает длинную приводящую мышцу, короткую приводящую мышцу, большую приводящую мышцу, грудную клетку, тонкую мышцу и связанные с ними кровеносные сосуды и нервы

наружная запирательная часть

мышца глубоко от большой ягодичной мышцы на боковой поверхности бедра, которая вращает бедро в боковом направлении

внутренняя запирательная мышца

мышца глубоко от большой ягодичной мышцы на боковой поверхности бедра, которая вращает бедро в боковом направлении

связка надколенника

разгибание сухожилия четырехглавой мышцы ниже надколенника

грудная клетка

мышца, отводящая и сгибающая бедро в области бедра

тазовый пояс

бедра, основа для нижней конечности

грушевидная

мышца глубоко от большой ягодичной мышцы на боковой поверхности бедра, которая вращает бедро в боковом направлении

подошвенный апоневроз

мышца, поддерживающая продольный свод стопы

подошвенная группа

четырехслойная группа собственных мышц стопы

подошва

мышца, которая проходит наискось между икроножной и камбаловидной мышцами

подколенная ямка

ромбовидное пространство на тыльной стороне колена

подколенная

мышца, которая сгибает ногу в колене и образует дно подколенной ямки

задний отдел голени

область, которая включает поверхностную икроножную, камбаловидную и подошвенную мышцу, а также глубокую подколенную мышцу, длинный сгибатель пальцев, длинный сгибатель большого пальца и заднюю большеберцовую мышцу

задний отдел бедра

область, включающая мышцы, сгибающие ногу и разгибающие бедро

большая поясничная мышца

мышца, которая вместе с подвздошной костью составляет подвздошно-поясничную мышцу

квадратная мышца бедра

мышца глубоко от большой ягодичной мышцы на боковой поверхности бедра, которая вращает бедро в боковом направлении

четырехглавой мышцы бедра

четыре мышцы, которые разгибают и стабилизируют колено

Сухожилие четырехглавой мышцы

(также сухожилие надколенника) сухожилие, общее для всех четырех мышц четырехглавой мышцы, вставляется в надколенник

прямая мышца бедра

Четырехглавая мышца передней поверхности бедра

портной

ленточноподобная мышца, которая сгибает, отводит и поворачивает ногу в сторону бедра

полуперепончатая кость

мышца подколенного сухожилия

полусухожильная

мышца подколенного сухожилия

камбаловидная

широкая, плоская мышца глубоко до икроножной мышцы

удерживатель верхнего разгибателя

поперечная связка голеностопного сустава

превосходный gemellus

мышца глубоко от большой ягодичной мышцы на боковой поверхности бедра, которая вращает бедро в боковом направлении

тензор широкой фасции

мышца, сгибающая и отводящая бедро

передняя большеберцовая мышца

мышца, расположенная на боковой поверхности большеберцовой кости

задняя большеберцовая мышца

мышца, которая подошвенно сгибает и переворачивает стопу

вастус промежуточный

Четырехглавая мышца, которая находится между латеральной широкой мышцей бедра и медиальной широкой мышцей бедра и проходит глубоко в прямую мышцу бедра

Вастус латеральная

Четырехглавая мышца на боковой поверхности бедра

обширная медиальная мышца

Четырехглавая мышца на медиальной стороне бедра

Биомеханический анализ нижней конечности человека при ходьбе для дизайна экзоскелета

1.Введение

В последнее десятилетие особое внимание уделяется экзоскелетам нижних конечностей, которые носят снаружи нижней конечности человека и могут свободно следовать за движением человеческой ноги. Чтобы помочь парализованным пациентам снова ходить или усилить возможности пользователя, структура механизма экзоскелетных роботов всегда проектируется как антропоморфный тип или квазиантропоморфный, так что ось вращения сустава робота совпадает с осью вращения человеческого тела, например HULC , XOS-2 и HAL [1, 2].Антропоморфная / квазиантропоморфная структура имеет отличные преимущества. С одной стороны, гуманоидная структура позволяет роботу взаимодействовать с движением человека, уменьшая столкновения друг с другом; с другой стороны, изучение структуры и походки человека упрощает проектирование механизма и системы управления системы взаимодействия человека и робота [3]. Словом, видно, что метод бионики человека делает процесс проектирования системы экзоскелета более экономичным и научным [4, 5].

По мере развития оборудования для анализа походки мы могли более точно анализировать кинематику и динамику нижней конечности человека. В статье будет проанализирован механизм движения трех суставов нижних конечностей, например тазобедренный, коленный и голеностопный суставы, что важно для управления экзоскелетом [6, 7]. За исключением движения тела, мышцы могут сыграть важную роль в создании идеального исполнительного механизма экзоскелета. Как мы знаем, именно сокращение мускулов движет движением скелета вокруг сустава.Таким образом, биомеханика суставных мышц изучается для лучшего понимания движений человека, что свидетельствует в пользу дальнейшей оптимизации выбора исполнительного механизма экзоскелета и источника энергии.

Основное исследование организовано следующим образом. Раздел 2 представляет принцип эксперимента многокамерной системы захвата движения и связанный с ним метод эксперимента. Затем мы представим математическую модель ходьбы человека и принцип моделирования соответствующих мышц. В разделе 3 анализируются результаты экспериментов по клинической походке, включая кинематику и динамику.В разделе 4 рассматривается работа мышц с помощью моделирования. Раздел 5 завершает эту статью.

2. Математическая модель нижней конечности человека и имитационная модель соответствующих мышц

Как показано на рис. 1, чтобы показать взаимосвязь между походкой человека и мышцами, весь процесс разделен на две части. Во-первых, движение человека при ходьбе определяется системой захвата движения человека, после чего динамика каждого сустава, то есть крутящий момент сустава, изучается программным обеспечением для анализа походки.Во-вторых, силы мышц, приводящие в движение такую ​​ходьбу человека, вычисляются с помощью обратной динамики после того, как данные захвата движения, полученные с помощью вышеупомянутого эксперимента, вводятся в программное обеспечение для моделирования биомеханики мышц.

Рис. 1. Исследовательский процесс

2.1. Эксперимент по захвату движения человека

Эксперимент разделен на три этапа: подготовка к эксперименту, начало эксперимента и анализ экспериментальных данных.Подготовка к эксперименту заключается в выполнении ряда подготовительных мероприятий перед экспериментом, включая установку маркеров по методу Хелен Хейз. Начало эксперимента — войти в интерфейс управления, где пользователь может выполнить один раз получение движения походки. Анализ экспериментальных данных заключается в расчете крутящего момента в шарнире по внутреннему алгоритму.

2.1.1. Экспериментальное оборудование

Система захвата движения состоит из шести высокоскоростных камер, расположенных на сцене, двух опорных пластин на тротуаре (основные характеристики приведены в Табл.2), ряд отмеченных точек, наклеенных на правильные позиции человеческого тела, и компьютер для распознавания значений координат отмеченных точек и расчета динамики каждого сустава, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Система захвата движения человека

а)

б)

2.1.2. Установить маркеры

Одним из шагов в процессе подготовки эксперимента является установка маркеров по правилу и линии.Всего на кузов было установлено 16 маркеров. Маркеры 1-7 и маркеры 8-14 прикрепляли отдельно на левой и правой нижних конечностях. Маркер 15 присутствует крестцовый, а маркер 16 использовался для различения левого и правого (как показано на фиг. 3). Возьмем, к примеру, правую ногу, каждый сегмент тела был построен с помощью трех маркеров, как указано в таблице. 3.

Таблица 2. Основные характеристики

Высокоскоростная камера		Диски для ног
Производство	Point Grey Corp, Канада	Производство	сами по себе
Технические характеристики	С250э	Максимальное усилие по X / Y / Z	1600/1600/3200 н.
Максимальная скорость стрельбы	250 кадров в секунду	Максимальный момент вокруг X / Y / Z	960/640/800 Нм
точек на дюйм	832 (В) × 832 (В)	Номер	2 штуки
Номер	6 штук	Чувствительность	6.5634 кг / В
Время задержки стрельбы	4 мс	Степень нелинейности	1,5%
Точность стрельбы	5 мм	Ошибка гистериза	2.0%
Если собственный модуль предварительной обработки изображений	Есть	Выходное напряжение	–10-10 В

Рис. 3. Маркеры на теле человека

а)

б)

Таблица 3. Список маркеров правой нижней конечности

Создатели	1-2-3	3-4-5	4-5-6	5-6-7	6-7-15
Лимб	Голеностопный сустав	Хвостовик	Коленный сустав	Бедро	Тазобедренный сустав

2.1.3. Начать эксперимент

После подготовки эксперимента следует приступить к эксперименту. Подопытным является человек, параметры тела которого следует измерять с помощью линейки и линейки (как показано на рис. 4). Затем служащий (25 лет, мужчина, физическое здоровье) в черной одежде с несколькими маркерами прошел естественным путем по тротуару и поместил две пластины для измерения усилия на ногах (как показано на рис. 2). Шесть высокоскоростных камер записывают траекторию движения маркеров в пространстве с частотой захвата 100 Гц.При этом координаты движения траектории маркеров фиксировались в плоскости проекции каждой камеры в двух измерениях. Затем шесть групп двумерных массивов были сопоставлены с трехмерной координатой в декартовой системе координат с помощью внутреннего алгоритма. Трехмерная координата была реальным положением маркера в пространстве. В сочетании с силой реакции опоры (GRF), измеряемой пластиной силы стопы, крутящий момент в суставах человека во время каждой подфазы походки может быть рассчитан на основе модели динамики человека.

2.2. Кинематическая модель на основе кинематики мульти-твердого тела

В процессе анализа экспериментальных данных мы анализируем движение человека с помощью кинематической модели, основанной на кинематике мульти-твердого тела (см. Раздел 2.2) и динамической модели, основанной на механике Ньютона-Эйлера (см. Раздел 2.3).

Математическая модель человека реконструирована по кинематике мульти твердого тела. В качестве примера возьмем коленный сустав: треугольник, три вершины которого — p3, p4 и p5, представляет собой сегмент голени (как показано на рис.5). Координаты vuw определяются треугольником, где v — единичный вектор от точки 3 до точки 5; u — единичный вектор нормали к треугольной плоскости, w определяется по правилу правой руки. Выражения имеют вид (1-3).

Рис. 4. Реконструкция 3-D координат

Рис. 5. Реконструкция трехмерных координат

(2)

uShank = (p4-p5) × (p3-p5) (p4-p5) × (p3-p5),

(3)

wShank = uShank × vShank.

Согласно эмпирической формуле, координата центра колена человека определяется с использованием координат маркеров и единичного вектора uwv:

(4)

pKnee = p5 + 0.5⋅f1⋅uShank⋅wShank,

, где f1 — ширина коленного сустава (как показано на рис. 4). Точно так же координаты центра правого бедра и лодыжки — это Фип и Панкл.

Сегменты голени и бедра определяются единичным вектором оси i от центра тяжести бедра до центра тяжести голени:

(5)

iThigh = pHip-pKneepHip-pKnee,

(6)

iShank = pKnee-pAnklepKnee-pAnkle.

Наконец, угол коленного сустава выражается относительно двух единичных векторов с использованием тригонометрического уравнения:

(7)

αRKnee = arcsiniShank × iThigh.

Таким же образом можно получить αLKnee, αRAnkel, αLAnkel, αRHip, αLHip. Числовые значения шести углов меняются при ходьбе человека, закон которой показан в разделе 3.2. При анализе экспериментальных данных мы могли реконструировать процесс ходьбы человека, управляя трехмерным виртуальным человеком, используя данные угла суставов.В результате движение трехмерного виртуального человека очень плавное, почти такое же, как и реальная походка сотрудника. Следовательно, результат измерения может быть достоверным.

Рис. 6. Реконструированная походка трехмерного виртуального человека

2.3. Динамическая модель на основе механики Ньютона-Эйлера

На основе механики Ньютона-Эйлера, механическое уравнение было выведено на основе уравнения баланса силы и крутящего момента.Согласно теории мультижесткого тела, нижняя конечность человека была разделена на сегмент бедра, сегмент голени и сегмент стопы (как показано на рис. 7).

Рис. 7. Соотношение силы и крутящего момента на каждом шарнире

Для сегмента стопы сила и крутящий момент в голеностопном суставе следующие в соответствии со вторым законом Ньютона:

(8)

FAnkle + Fplate + mFootgk → = mFoota →,

(9)

MAnkle + Mplate + Fplatepplate-pFootCG + FAnklepAnkle-pFootCG = L˙Ankle,

где, k → = [0 0 –1] ^T , a → — ускорение PfootCG, который является центром тяжести правой ступни.Качество mFoot оценивается по анатомической эмпирической формуле, выражение которой mFoot = 0,0083 Weight + 254,5 g1h2i1 — 0,065 (Weight, g1, h2 и i1 показаны на рис. 4). И другие переменные следующие:

(10)

L˙Ankle = L˙iL˙jL˙kijk,

где, L˙i, L˙j, L˙k — три компонента L˙Ankle, которая является производной первого порядка от углового момента правой ступни. Решаются они следующим образом:

(11)

L˙i = Ikw˙i + Ik-Ijwkwj,

(12)

L˙j = Ijw˙j + Ii-Ikwiwk,

(13)

L˙k = Ikw˙k + Ij-Iiwjwi,

, где wi, wj, wk — скорость правой ноги относительно координатной оси i, j и k, значение которой автоматически обновляется компьютером как ходьба.Ii, Ij, Ik — инерция вращения правой стопы относительно координатных осей i, j и k, значение которой определяется анатомическим эмпирическим уравнением.

Согласно ур. (10) — (13), уравнение (9) может быть выражено как:

(14)

MAnkle = L˙Ankle-Mplate-Fplatepplate-pFootCG
-mFoota → -Fplate-mFootgk → pAnkle-pFootCG,

, где pplate — это точка нулевого момента (ZMP), то есть центр Fplate (как показано на рис. 8). Fplate и Mplate достигаются системой измерения усилия стопы (как показано на рис.9). Хотя Манкл — трехмерный вектор, нас беспокоит движение в сагиттальной плоскости, то есть в плоскости i-k. Следующее обсуждение основано на этом. Результаты эксперимента Манкл будут показаны в разделе 3.2.

Рис. 8. Траектория движения ЗМП (pplate)

Что касается коленного и тазобедренного суставов, метод тот же, который здесь повторяться не будет.

2.4. Имитационная модель биомеханики мышц

Мышцы, приводящие к движению суставов, помогают людям легко ходить и комфортно адаптироваться к сложным поверхностям, что является сложным и совершенным биоприводом, весьма полезным для проектирования и управления исполнительным механизмом экзоскелета.Однако силу мышц невозможно измерить непосредственно тестом, потому что мышцы сложно распределены в тканях тела. В результате моделирование становится эффектным способом [8]. Система моделирования любого тела (ABMS) — это программное обеспечение для моделирования и моделирования, которое может анализировать механику живого человеческого тела, работающего во взаимодействии с окружающей средой, с помощью компьютерной инженерии (CAE). Когда внешние силы и граничные условия окружающей среды определены, а поза или движение человеческого тела определяется из набора записанных данных о движении, ABMS затем запускает моделирование и вычисляет отдельные мышечные силы, суставные силы и моменты, метаболизм, упругую энергию в сухожилиях, антагонистические действия мышц и многое другое (как показано на рис.1).

Рис. 9. Fplate и Mplate

а)

б)

Имитационная модель показана на рис. 10. Шарики жадности заставляют симуляционную модель человека ходить, соответствуют маркерам при проведении эксперимента по захвату движения человека (как показано на рис. 3). Длина и качество имитационной модели определяются исходя из реальных ценностей сотрудника, так же, как на рис.4 и 2. 3. Когда модель ходит, все мышцы работают вместе, чтобы уравновесить внешние силы, включая силу окружающей среды и силу тяжести костей. В ABMS сила каждой мышцы получается путем решения оптимального решения целевой функции (как показывает уравнение (15)), что означает завершение работы с минимальной мышечной активностью.

, где p — число мощности, fi (M) — мышечная сила мышцы i, а Ni — ее площадь. n (M) — общее количество мышц.

Условие ограничения уравнения.(15) это:

(16)

Cfi (M) = d, fi (M) ≥0, i∈1, …, nM.

Ур. (16) определяет динамическое равновесие. Где, C — матрица коэффициентов мышечной силы, d — вектор внешних сил.

Из предыдущих исследований было установлено, что коленный сустав играет важную роль в снижении вибрации и качания во время ходьбы. Скрытое отображение других мышц, только основные мышцы, управляющие коленным суставом, сохранены для ясности, как показано на рис. 10 (b). Итак, статья посвящена анализу силы главной мышцы колена.Вокруг коленного сустава двуглавая мышца бедра и медиальная широкая мышца бедра представляют собой пару антагонистов, выраженных моделью Хилла [9] (как показано на рис. 10 (c)). Fm представляет силу, создаваемую сократительным элементом, отражающую активные свойства мышечных волокон. Fp — это сила, создаваемая параллельно-упругим элементом, представляющим пассивную жесткость мышечных волокон. Ft — сила, создаваемая последовательно-упругим элементом, отражающим упругость сухожилия. Lm — длина сократительного элемента, а Lt — длина сухожилия.

Рис. 10. Имитационная модель в ABMS

а)

б)

в)

Рис.11. Основные мышцы коленного сустава

а)

б)

в)

Когда все настройки выполнены, мы можем запустить моделирование, время моделирования которого представляет собой цикл всей ходьбы, как показано на рис.11. Закон изменения мышечной силы при ходьбе человека будет показан в Разделе 4.

4. Биомеханическое моделирование основных мышц коленного сустава

4.1. Широкая медиальная мышца

Во время фазы поддержки (0-0,8 с).

В этот период медиальная широкая мышца бедра генерировала активную силу сокращения для растяжения коленного сустава, а длина Lm мышцы поддерживалась примерно 0,08 м (как показано на рис. 15) для мышцы, находящейся в изометрическом сокращении, что приводит к тому, что Fp была близка к нулю (как показано на рис.16 (а)). В это время Ft≈Fm, поэтому колебания Ft были аналогичны Fm (как показано на Рис. 15 и Рис. 16 (b)). С точки зрения Fm, медиальная широкая мышца бедра испытывала сложную вибрацию во время подфаз I, II и III. Fm достиг максимального значения 280 Н или около того за 0,1 с во время подфазы I, когда нога только коснулась земли. Однако, когда нога вошла в фазу реальной опоры, то есть в подфазу II и III, сила мышцы быстро уменьшалась, потому что человеческая нога могла полагаться на собственный скелет, потому что он был вертикальным по отношению к земле.

Таблица 4. Угловой диапазон стыков

Подфаз	Совместное	Период (ы)	Диапазон углов (°)
			№1	№2	№ 3
Я	бедра	0-0,2	36-40	35-39	33-39
	Колено		2-14	1–16	2-15
	Голеностопный сустав		–3-8	0-7	0-11
II	бедра	0.2-0,8	–10-36	–12-35	–14-33
	Колено		7-18	1-21	4-17
	Голеностопный сустав		–2-20	–2–21	0–21
III	бедра	0.8-1	–10-13	–12-12	–12-10
	Колено		7-58	7-56	4-58
	Голеностопный сустав		-12-18	–15-20	–17-20

Рис.15. Кривая изменения активной силы мышцы Fm в зависимости от длины мышцы Lm (широкая медиальная мышца)

Во время фазы качания (0,8–1,2 с).

При переходе в фазу свинга медиальная широкая мышца бедра растягивалась пассивно, больше не как активная единица, во время которой Fm равнялся нулю, как показано на рис. 15. Итак, мы обратились к нашему исследованию Fp. В это время Lm достигла максимального значения 0,12 м. Fp изменился с малого на большой, а затем с большого на маленький.Во время процесса Fp достигло максимального значения 100 Н при максимальном угле изгиба коленного сустава (как показано на рис. 16 (а)).

4.2. Двуглавая мышца бедра

В отличие от медиальной широкой мышцы бедра, она была пассивной во время фазы поддержки и активной в фазе качания.

Во время фазы поддержки (0-0,8 с).

Lm сохранила исходную длину 0,16 м. Между тем, Fm оставался равным нулю, потому что двуглавая мышца бедра находилась в состоянии расслабления.Значение Fp было очень маленьким, поэтому им можно было пренебречь (как показано на рис. 18 (а)).

Во время фазы качания (0,8–1,2 с).

После перехода в фазу качания двуглавая мышца бедра начала выполнять активную функцию. По мере уменьшения угла наклона коленного сустава мышца сокращалась с 0,16 м до 0,13 м (как показано на рис. 17). После этого он медленно возвращается к исходной длине до конца фазы качания. Активная сила Fm достигла максимума 220 Н (как показано на рис.17). Однако, как мы знаем, в модели Хилла Fp должен значительно меняться при изменении Lm (поскольку параллельно-упругий элемент был параллелен активному блоку, Lm был не только длиной активного блока, но и длиной параллельно-упругий элемент), но из рис.18 (а) мы могли обнаружить, что дело обстоит не так. Почему? Разумным объяснением было то, что мышца была двухэлементной мышцей, а не трехэлементной мышцей, то есть в модели Хилла.

Рис.16. Кривая вариации Fp и Ft в зависимости от длины мышцы Lm (широкая медиальная мышца)

а) Пассивная сила мышц Fp

b) Сила сухожилий

Ft

Рис.17. Кривая изменения активной силы мышцы Fm в зависимости от длины мышцы Lm (двуглавая мышца бедра)

Рис.18. Кривая вариации Fp и Ft в зависимости от длины мышцы Lm (широкая медиальная мышца)

а) Пассивная сила мышц Fp

b) Сила сухожилий

Ft

5.Выводы

Исследование движений человека при ходьбе и активности соответствующих мышц может дать важное понимание конструкции экзоскелета. Для ходьбы человека были созданы многокамерная система захвата движения и система измерения силы стопы, с помощью которых были достигнуты кинематические и динамические характеристики трех суставов нижней конечности. Также важно выяснить свойства человеческих мышц, сложного и совершенного био-актуатора, который имеет довольно хорошее руководство по проектированию и управлению исполнительным механизмом экзоскелета.Во-первых, кинематические и динамические уравнения нижней конечности человека были выведены с помощью кинематики мульти-твердого тела и механики Ньютона-Эйлера. Кроме того, была представлена ​​трехэлементная модель мышц — модель Хилла. В-третьих, с помощью эксперимента по ходьбе человека угловые кривые трех суставов нижней конечности были получены с помощью системы захвата движения. Учитывая, что процесс фазы поддержки был более сложным, чем фаза свинга, в статье были выделены три подэтапа фазы поддержки.В-четвертых, биомеханика соответствующих мышц, управляющих коленным суставом, была смоделирована с помощью программного моделирования человека. Было обнаружено, что медиальная широкая мышца бедра была основной мышцей во время разгибания колена, которая могла обеспечить максимальную силу 280 Нм. Напротив, двуглавая мышца бедра была основной мышцей во время сгибания колена, которая могла обеспечить максимальную силу 220 Нм.

В заключение, человеческое тело является результатом естественной эволюции, имеющей хорошие формы движения и гибкий режим вождения.В данной статье не только экспериментально получены данные кинематики и динамики нижней конечности человека, но и исследована биомеханика основной мышцы коленного сустава при ходьбе. Во всей работе подробно исследуется функция привода сустава человека, то есть мышцы, которая полезна для бионического проектирования искусственных конечностей и экзоскелета робота.

Модель нижней конечности для анализа движений человека

1.

Андерсон Д. Э., М. Л. Мэдиган и М. А. Нуссбаум.Максимальный произвольный крутящий момент в суставе как функция угла в суставе и угловой скорости: разработка модели и приложение к нижней конечности. J. Biomech. 40: 3105–3113, 2007.

Статья PubMed Google ученый

2.

Арнольд А.С., Д. Дж. Асакава и С. Л. Делп. Способствуют ли подколенные сухожилия и приводящие мышцы чрезмерному внутреннему вращению бедра у людей с церебральным параличом? Походка 11: 181–190, 2000.

Артикул CAS PubMed Google ученый

3.

Арнольд А.С., С.С. Блемкер и С.Л. Делп. Оценка деформируемого опорно-двигательного аппарата модели для оценки длины мышц и сухожилий во Crouch походки. Ann. Биомед. Англ. 29: 263–274, 2001.

Статья CAS PubMed Google ученый

4.

Арнольд А. С., С. Салинас, Д. Дж. Асакава и С.L. Delp. Точность мышц момента оружия оцененного по МРТ на основе костно-мышечной модели нижней конечности. Comput. Aided Surg. 5: 108–119, 2000.

Статья CAS PubMed Google ученый

5.

Блемкер С.С. и С.Л. Делп. Экскурсии волокон прямой мышцы бедра и широкой мышцы бедра, спрогнозированные с помощью трехмерных моделей мышц. J. Biomech. 39: 1383–1391, 2006.

Статья PubMed Google ученый

6.

Бранд, Р. А., Р. Д. Крауниншилд, К. Э. Виттсток, Д. Р. Педерсен, К. Р. Кларк и Ф. М. ван Крикен. Модель мышечной анатомии нижних конечностей. J. Biomech. Англ. 104: 304–310, 1982.

Статья CAS PubMed Google ученый

7.

Буфорд, младший, У. Л., Ф. М. Айви, младший, Дж. Д. Мэлоун, Р. М. Паттерсон, Г. Л. Пир, Д. К. Нгуен и А. А. Стюарт. Мышечный баланс в колене — момент рук для нормального колена и колена без ACL. IEEE Trans. Rehabil. Англ. 5: 367–379, 1997.

Статья PubMed Google ученый

8.

Кахалан, Т. Д., М. Э. Джонсон, С. Лю и Э. Ю. Чао. Количественные измерения силы бедер в разных возрастных группах. Clin. Ортоп. Relat. Res. 246: 136–145, 1989.

PubMed Google ученый

9.

Крауниншилд Р. Д. и Р. А. Бранд.Физиологически обоснованный критерий прогноза мышечной силы при передвижении. J. Biomech. 14: 793–801, 1981.

Статья CAS PubMed Google ученый

10.

Делп, С. Л. Хирургическое моделирование: система компьютерной графики для анализа и проектирования костно-мышечных реконструкций нижней конечности. Кандидат технических наук, кафедра машиностроения. Стэнфорд, Калифорния: Стэнфордский университет, 1990.

Google ученый

11.

Делп, С. Л., Ф. К. Андерсон, А. С. Арнольд, П. Лоан, А. Хабиб, К. Т. Джон, Э. Гендельман и Д. Г. Телен. OpenSim: программное обеспечение с открытым исходным кодом для создания и анализа динамических симуляций движения. IEEE Trans. Биомед. Англ. 54: 1940–1950, 2007.

Статья PubMed Google ученый

12.

Delp, S. L., and J. P. Loan. Графический на основе системного программного обеспечения для разработки и анализа моделей скелетно-мышечных структур. Comput. Биол. Med. 25: 21–34, 1995.

Статья CAS PubMed Google ученый

13.

Delp, S. L., J. P. Loan, M. G. Hoy, F. E. Zajac, E. L. Topp, and J. M. Rosen. Интерактивная графическая модель нижней конечности для изучения ортопедических хирургических вмешательств. IEEE Trans. Биомед. Англ. 37: 757–767, 1990.

Статья CAS PubMed Google ученый

14.

Делп, С. Л., Д. А. Рингвельски и Н. К. Кэрролл. Перенос прямой мышцы бедра: влияние места переноса на положение рук вокруг колена и бедра. J. Biomech. 27: 1201–1211, 1994.

Статья CAS PubMed Google ученый

15.

Friederich, J. A., and R. A. Brand. Архитектура мышечных волокон нижней конечности человека. J. Biomech. 23: 91–95, 1990.

Статья CAS PubMed Google ученый

16.

Фукунага Т., Р. Р. Рой, Ф. Г. Шеллок, Дж. А. Ходжсон и В. Р. Эдгертон. Удельное напряжение подошвенных сгибателей и дорсифлексоров человека. J. Appl. Physiol. 80: 158–165, 1996.

CAS PubMed Google ученый

17.

Гордон, К. К., Т. Черчилль, К. Э. Клаузер, Б. Крэдтмилсер, Дж. Т. МакКонвилл, И. Теббетс и Р. А. Уокер. 1988 Антропометрическое обследование личного состава армии США: методы и сводная статистика.Натик, Массачусетс: Научно-исследовательский, опытно-конструкторский и инженерный центр армии США, 1989.

Google ученый

18.

Grood, E. S., W. J. Suntay, F. R. Noyes, and D. L. Butler. Биомеханика упражнения на разгибание колен. Эффект перерезания передней крестообразной связки. J. Bone Joint Surg. Являюсь. 66: 725–734, 1984.

CAS PubMed Google ученый

19.

Херцог В., Э. Хаслер и С. К. Абрахамс. Сравнение кривых силы разгибателей колена, полученных теоретически и экспериментально. Med. Sci. Спортивные упражнения. 23: 108–114, 1991.

CAS PubMed Google ученый

20. Хорсман, М. Д. К. Твенте нижних конечностей Модель: Последовательное динамическое моделирование аппарата человеческого опорно-двигательного. Кандидат технических наук, кафедра инженерных технологий. Энсхеде, Нидерланды: Университет Твенте, 2007.

Google ученый

21.

Хорсман, М. Д. К., Х. Ф. Дж. М. Купман, Ф. К. Т. ван дер Хельм, Л. П. Проз и Х. Э. Дж. Вигер. Морфологические мышечные и суставные параметры для моделирования опорно-двигательного аппарат нижней конечности. Clin. Биомех. 22: 239–247, 2007.

Статья Google ученый

22.

Инман В. Т. Суставы голеностопного сустава. Балтимор: Уильямс и Уилкинс, 1976.

Google ученый

23.

Инман В. Т., Х. Дж. Ральстон и Ф. Тодд. Ходьба человека. Балтимор: Уильямс и Уилкинс, 1981.

Google ученый

24.

Кляйн, К. С., К. Л. Райс и Г. Д. Марш. Нормализованная сила, активация и коактивация мышц рук молодых и пожилых мужчин. J. Appl. Physiol. 91: 1341–1349, 2001.

CAS PubMed Google ученый

25.

Lexell, J., C.C. Taylor, and M. Sjostrom. В чем причина атрофии старения? Общее количество, размер и пропорция различных типов волокон, изученных во всей широкой латеральной мышце широкой мышцы бедра, у мужчин в возрасте от 15 до 83 лет. J. Neurol. Sci. 84: 275–294, 1988.

Статья CAS PubMed Google ученый

26.

Либер Р. Л. и Дж. Фриден. Функциональное и клиническое значение архитектуры скелетных мышц. Мышечный нерв 23: 1647–1666, 2000.

Артикул CAS PubMed Google ученый

27.

Лю М.К., Ф. К. Андерсон, М. Г. Панди и С. Л. Делп. Мышцы, поддерживающие тело, также регулируют движение вперед во время ходьбы. J. Biomech. 39: 2623–2630, 2006.

Статья PubMed Google ученый

28.

Лу Т.-В., Дж. Дж. О’Коннор, С. Дж. Г. Тейлор и П. С. Уокер. Подтверждение модели нижней конечности с помощью телеметрии бедренной силы in vivo от двух субъектов. J. Biomech. 31: 63–69, 1998.

Статья CAS PubMed Google ученый

29.

Марш, Э., Д. Сейл, А. Дж. МакКомас и Дж. Куинлан. Влияние положения сустава на тыльное сгибание голеностопного сустава у человека. J. Appl. Physiol. 51: 160–167, 1981.

CAS PubMed Google ученый

30.

Морс, К. И., Дж. М. Том, К. М. Берч, М. В.Наричи. Изменения архитектуры трехглавой мышцы бедра при саркопении. Acta Physiol. Сканд. 183: 291–298, 2005.

Статья CAS PubMed Google ученый

31.

Мюррей М. П., Г. М. Гарднер, Л. А. Моллингер и С. Б. Сепик. Сила изометрических и изокинетических сокращений: мышцы колена у мужчин от 20 до 86 лет. Phys. Ther. 60: 412–419, 1980.

CAS PubMed Google ученый

32.

Нептун, Р. Р., С. А. Каутц и Ф. Э. Заяц. Вклад отдельных подошвенных сгибателей голеностопного сустава в поддержку, продвижение вперед и начало движения во время ходьбы. J. Biomech. 34: 1387–1398, 2001.

Статья CAS PubMed Google ученый

33.

Олсон, В. Л., Г. Л. Смидт и Р. К. Джонстон. Максимальный крутящий момент, создаваемый эксцентрическими, изометрическими и концентрическими сокращениями мышц, отводящих бедро. Phys. Ther. 52: 149–158, 1972 г.

CAS PubMed Google ученый

34.

Piazza, S. J., and S. L. Delp. Трехмерное динамическое моделирование движения полного эндопротезирования коленного сустава во время подъема. J. Biomech. Англ. 123: 599–606, 2001.

Статья CAS PubMed Google ученый

35.

Пауэлл, П. Л., Р. Р. Рой, П. Каним, М.А. Белло и В. Р. Эдгертон. Предсказуемость напряжения скелетных мышц на основе архитектурных определений задних конечностей морских свинок. J. Appl. Physiol. 57: 1715–1721, 1984.

CAS PubMed Google ученый

36.

Raasch, C.C., F. E. Zajac, B. Ma, and W. S. Levine. Мышечная координация при педалировании на максимальной скорости. J. Biomech. 30: 595–602, 1997.

Статья CAS PubMed Google ученый

37.

Riener, R., and T. Edrich. Выявление пассивно-упругих суставных моментов нижних конечностей. J. Biomech. 32: 539–544, 1999.

Статья CAS PubMed Google ученый

38.

Сейл Д., Дж. Куинлан, Э. Марш, А. Дж. МакКомас и А. Ю. Белэнджер. Влияние положения сустава на подошвенное сгибание голеностопного сустава у человека. J. Appl. Physiol. 52: 1636–1642, 1982.

CAS PubMed Google ученый

39.

Сейрег А. и Р. Дж. Арвикар. Разработана математическая модель для оценки сил в нижних конечностях мышечно-скелетной системы. J. Biomech. 6: 313–326, 1973.

Статья CAS PubMed Google ученый

40.

Spoor, C. W., and J. L. van Leeuwen. Момент мышц коленного сустава на основе МРТ и перемещения сухожилий. J. Biomech. 25: 201–206, 1992.

Статья CAS PubMed Google ученый

41.

ван ден Богерт, А. Дж., К. Г. Герритсен и Г. К. Коул. Моделирование мышц человека с точки зрения пользователя. J. Electromyogr. Кинезиол. 8: 119–124, 1998.

Статья PubMed Google ученый

42.

van Eijden, T. M., W. A. ​​Weijs, E. Kouwenhoven, and J. Verburg. Силы, действующие на надколенник при максимальном произвольном сокращении четырехглавой мышцы бедра при разных углах сгибания / разгибания колена. Acta Anat (Базель) 129: 310–314, 1987.

Артикул Google ученый

43.

Уокер П. С., Дж. С. Ровик и Д. Д. Робертсон. Влияние конструкции и размещения шарниров коленного бандажа на механику суставов. J. Biomech. 21: 965–974, 1988.

Статья CAS PubMed Google ученый

44.

Уорд, С. Р., К. М. Энг, Л. Х. Смоллвуд и Р. Л. Либер. Точны ли текущие измерения архитектуры мышц нижних конечностей? Clin.Ортоп. Relat. Res. 467: 1074–1082, 2009.

Статья PubMed Google ученый

45.

Уотерс, Р. Л., Дж. Перри, Дж. М. МакДэниелс и К. Хаус. Относительная сила подколенных сухожилий при разгибании бедра. J. Bone Joint Surg. Являюсь. 56: 1592–1597, 1974.

CAS PubMed Google ученый

46.

Вицкевич Т. Л., Р. Р. Рой, П. Л. Пауэлл и В.Р. Эдгертон. Мышечная архитектура нижней конечности человека. Clin. Ортоп. 179: 275–283, 1983.

PubMed Google ученый

47.

Янг, А., М. Стоукс и М. Кроу. Размер и сила четырехглавой мышцы пожилых и молодых женщин. Eur. J. Clin. Вкладывать деньги. 14: 282–287, 1984.

Статья CAS PubMed Google ученый

48.

Заяц, Ф.E. Мышцы и сухожилия: свойства, модели, масштабирование и применение в биомеханике и моторном управлении. Crit. Преподобный Биомед. Англ. 17: 359–411, 1989.

CAS PubMed Google ученый

49.

Заяц, Ф. Э. Мышечная координация движений: перспектива. J. Biomech. 26 (Приложение 1): 109–124, 1993.

Статья PubMed Google ученый

Параметры модели нижней конечности

Параметры модели нижней конечности

ПАРАМЕТРЫ МОДЕЛИ НИЖНЕЙ КОНЕЧНОСТИ

Скотт Л.Делп, канд.
Кафедры биомедицинской инженерии и физической медицины и Реабилитация, Северо-Западный университет, Программа сенсомоторной деятельности, Реабилитационный институт Чикаго.

ИСТОРИЯ

Этот набор данных обеспечивает параметры, необходимые для разработки компьютерной модели. нижней конечности человека. Он основан на модели, разработанной в VA Реабилитационный научно-исследовательский центр в Пало-Альто, Калифорния, 1987-1990 гг. Все данные могут быть использованы и скопированы в некоммерческих целях.Данные в комплект входят описания поверхностей костей, кинематики суставов, мышечных линий действия, и параметры создания мышечной силы. Эти данные позволяют рассчитать длины, силы момента, силы и моменты в суставах, создаваемые сорок три мышцы нижней конечности. Набор данных представлен в несколько файлов.

«Muscle_input_file» включает:
(1) безразмерная кривая сила-длина для сухожилия,
(2) безразмерные кривые сила-длина для мышцы,
(3) безразмерная кривая сила-скорость для мышцы,
(4) определение сорока трех мышц нижних конечностей.Определение каждого Muscle содержит список координат, описывающих его линию действия и параметры (пиковая изометрическая сила, оптимальная длина волокна, провисание сухожилия длина и угол перистости), необходимые для вычисления изометрической мышечной силы. Более читаемое резюме musculotendon параметров приведено в отдельной таблице.

«Joint_kinematic_file» включает кинематические описания бедра, коленный, голеностопный, подтаранный и плюснефаланговый суставы.

«Каталог костей» включает приблизительную геометрию поверхности костей нижняя конечность. Формат этих файлов описан в файле с именем «формат файла кости». Вы можете скачать геометрию поверхности для таз бедренная кость надколенник большеберцовая кость малоберцовая кость осыпь стопа и пальцы ног. Надколенник, большеберцовая кость, малоберцовая кость и кости стопы предоставил Дон Стредни из Университета штата Огайо.

ФОРМАТ НАБОРА ДАННЫХ

Набор данных организован в соответствии со структурой входных файлов для SIMM (программное обеспечение для интерактивного моделирования Musculoskeletal).Обзор это программное обеспечение и форматы файлов приведены в Delp, S.L. and Loan, J.P .: A системное программное обеспечение для разработки и анализа моделей опорно-двигательного аппарата структур, Компьютеры в биологии и медицине, т. 25, стр. 21-34, 1995.

ОГРАНИЧЕНИЯ МОДЕЛИ

Есть несколько важных ограничений компьютерной модели, описанной этот набор данных. Компьютерная модель представляет собой нормального взрослого мужчину и на основе параметров, которые были скомпилированы в нескольких различных экспериментальных исследования.Детали модели нижней конечности и некоторые ее ограничения описаны в публикациях, перечисленных ниже. ПОЛЬЗОВАТЕЛИ ЭТИХ ДАННЫХ ДОЛЖНЫ ПРИНИМАТЬ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ ЗА ТЕСТИРОВАНИЕ И ОЦЕНКУ ТОЧНОСТИ МОДЕЛИ В КОНТЕКСТ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ. ЗАГРУЗКА ДАННЫХ ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОГЛАШЕНИЕ СДЕЛАЙ ЭТО.

Delp, S.L., Loan, J.P., Hoy, M.G., Zajac, F.E., Topp E.L., Rosen, J.M .: An интерактивная графическая модель нижней конечности для изучения ортопедические хирургические процедуры, IEEE Transactions on Biomedical Инженерное дело, т.37, стр. 757-767, 1990.

Делп, С.Л .: Моделирование хирургии: система компьютерной графики для анализа и проектирование костно-мышечных реконструкций нижней конечности, канд. Диссертация, Стэнфордский университет, 1990.

Если вам нужна копия диссертации, пожалуйста, свяжитесь со Скоттом Делпом, Программа сенсорно-двигательной активности, Институт реабилитации Чикаго, Room 1406, 345 East Superior Street, Чикаго, Иллинойс 60611, США (delp @ nwu.эду).

ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛИ

Вариации этой модели использовались в анализах, представленных в количество публикаций, включая перечисленные ниже.

Арнольд, А.А., Коматту, А.В., Делп, С.Л .: Внутренняя ротационная походка: компенсаторный механизм для восстановления отведения ок. Переносимость снизилась из-за деформации кости? Медицина развития и детская неврология, т. 39, стр. 40-44, 1997.

Дебски, Р.Э., Вонг, Э.К., Уорнер, Дж.Дж.П., Фу, Ф.Х., Ву, С.Л-Й .: Транзакции капсульно-связочного фиксатора при трансляции плечевого сустава. Труды 42-го ежегодного собрания, ортопедические исследования So общество, стр. 230, 1996.

Delp, S.L. и займа, J.P .: Система программного обеспечения для разработки и анализа моделей скелетно-мышечных структур, Com компьютеры в биологии и медицине, т. 25, стр. 21-34, 1995.

Delp, S.L. и Мэлони, В.Дж .: Влияние расположения центра бедра на способность мышц генерировать момент. Журнал биомеханики. т. 26, стр. 485-499, 1993.

Delp, S.L. и Zajac, F.E .: Способность мышц нижних конечностей генерировать силу и момент до и после сухожилия. удлинение. Клиническая ортопедия и родственные исследования, т. 284, стр. 247-259, 1992.

Делп, С.Л., Арнольд А.А., Спирс, Р.А., Мур, К .: Длина подколенных сухожилий и поясничной мышцы при обычной походке и походке в приседе: значение для операции на мышцах и сухожилиях.Журнал ортопедических исследований, т. 14, стр. 144-151, 1996.

Делп С.Л., Коматту А.В., Виксон Р.Л .: Превосходное смещение бедра при полной замене сустава: эффекты профи длина шеи, угол шейки и ствола и угол антеверсии влияют на способность мышц генерировать момент, Журнал ортопедических исследований, т. 12. С. 860-870, 1994.

Delp, S.L., Loan, J.P., Hoy, M.G., Zajac, F.E., Topp E.L., Rosen, J.M .: интерактивная графическая модель нижняя конечность для изучения ортопедических хирургических вмешательств.IEEE Transactions по биомедицинской инженерии, vol. 37, С. 757-767, 1990.

Делп, С.Л., Рингвельски, Д., Кэрролл, Северная Каролина: Перенос прямой мышцы бедра: влияние места переноса на моментные рычаги около колена и бедра. Журнал биомеханики об. 27, стр. 1201-1211, 1994.

Делп, С.Л., Стэтлер, К., Кэрролл, Северная Каролина: Сохранение силы подошвенного сгибания после хирургического лечения контрактуры triceps surae: исследование с компьютерным моделированием, Journal of Orthopaedic Research, vol.13, стр. 96-104, 1995.

Фри, С.А. и Делп, С.Л .: Влияние вертельной передачи на руки, длину и силу, создающую силу. подвижности отводящих мышц бедра. Журнал ортопедических исследований, т. 14. С. 245-250, 1996.

Гонсалес, Р.В., Бьюкенен, Т.С., Делп, С.Л .: Как структура мышц и момент рук влияют на сгибание-разгибание запястья сионные моменты. Журнал биомеханики, вып. 30, стр. 705-712, 1997.

Кешнер, Э.А., Статлер, К.Д., Делп, С.Л .: Кинематика свободно движущихся головы и шеи у бдительного кота, Экспериментальная Исследование мозга, т. 115, стр. 257-266, 1997.

Ким, А.В., Розен, А.М., Брандер, В.А., Бьюкенен, Т.С.: Избирательная активация мышц после электростимуляции коллатеральных связок человеческого колена, Архивы физической медицины и реабилитации, вып. 76, с. 750-757, 1995 г.

Ллойд, Д. и Бьюкенен, Т.: Модель распределения нагрузки между мышцами и мягкими тканями в колене человека в течение статических задач, Журнал биомеханической инженерии, вып. 118, стр. 367-376, 1996.

Мюррей, В.А., Делп, С.Л., Бьюкенен, Т.С.: Варьирование мышечного момента рук с положением локтя и предплечья, Jour журнал биомеханики, т. 28, стр. 513-525, 1995.

Пьяцца, С.