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3 1 V o l u m e 5 9 O c t o b e r 1 9 6 6 9 4 3

S e c t i o n o f O r t h o p s e d i c sP r e s i d e n t F G S t C l a i r S t r a n g e F R C S

M e e t i n g F e b r u a r y 1 1 9 6 6

B i o m e c h a n i c sMrML a u r e n c e , MrMA R F r e e m a na n d Dr S A V S w a n s o n( I m p e r i a l C o l l e g e o f S c i e n c e &T e c h n o l o g y , L o n d o n )T h e I n t e r n a l F i x a t i o n o f L o n g B o n e S h a f tF r a c t u r e s : E n g i n e e r i n g C o n s i d e r a t i o n s[ S u m m a r y ]T h e s t r e n g t h a n d r i g i d i t y o f K u n t s c h e r n a i l s a n do n l a y p l a t e s , a p p l i e d t o t h e t i b i a , w e r e t e s t e d i nt h e l a b o r a t o r i e s o f t h e D e p a r t m e n t o f M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g , I m p e r i a l C o l l e g e .

I n b e n d i n g , 1 3 a n d 1 1 mm K u n t s c h e r n a i l s o fE n . 5 8 J p r o v e d s t r o n g e r t h a n a n y o f t h e s i n g l ep l a t e s t e s t e d . I n d e s c e n d i n g o r d e r o f s t r e n g t h t h ep l a t e s e x a m i n e d w e r e : 1 4 cm Stamm ( T 6 ) , 1 5 cmH i c k s ( T 6 ) , 1 1 cm D o w n ' s S w i s s t y p e ( T 6 ) , 1 3 cmC a m p b e l l ( T 6 ) , 9 cm V e n a b l e s ( E n . 5 8 J ) . Nod e v i c e w a s m o r e t h a n h a l f a s s t r o n g a s t h ew e a k e s t i n t a c t t i b i a e x a m i n e d i n b e n d i n g , b u t a1 3 mm K u n t s c h e r n a i l o r t w o V e n a b l e s p l a t e sa p p l i e d t o o p p o s i t e s u r f a c e s o f t h e b o n e w e r es t r o n g e r t h a n t h e w e a k e s t t i b i a c o n t a i n i n g o n ed r i l l h o l e .

I n t o r s i o n , t h e b o n d b e t w e e n a K u n t s c h e r n a i la n d t h e t i b i a p r o v e d t o b e much w e a k e r t h a n t h a tb e t w e e n a n o n l a y p l a t e a n d t h e t i b i a t o w h i c h i tw a s s c r e w e d , e v e n i f t h e n a i l w e r e j a m m e d . T h eH i c k s w a s t h e s t r o n g e s t p l a t e i n t o r s i o n f o l l o w e db y t h e D o w n ' s S w i s s t y p e , t h e Stamm a n d t h eV e n a b l e s . I n t o r s i o n , t h e w e a k e s t i n t a c t t i b i a w a sa p p r o x i m a t e l y t w i c e a s s t r o n g a s t h e H i c k s p l a t e( w h e n r o t a t e d t h r o u g h 5 d e g r e e s ) b u t w a s( t h e o r e t i c a l l y ) c o m p a r a b l e i n s t r e n g t h t o t w oV e n a b l e s p l a t e s a p p l i e d t o o p p o s i t e s u r f a c e s o ft h e b o n e .I n p l a t e s o f t h e V e n a b l e s t y p e , i t w a s f o u n d t h a tt h e s t r e n g t h w a s much r e d u c e d b y c o u n t e r s i n k so v e r m i n . ( 7 mm) i n d i a m e t e r a n d b y t h e p r e s e n c eo f a h o l e i n t h e s p a n o f t h e p l a t e b r i d g i n g t h ef r a c t u r e s i t e .When t h e p l a t e s w e r e b e n t s o a s t o o p e n t h ef r a c t u r e s i t e , i t w a s f o u n d t h a t a t e n s i l e l o a d w a s

a p p l i e d o n l y t o t h e t w o s c r e w s a d j a c e n t t o t h ef r a c t u r e s i t e . T h e maximum l o a d r e c o r d e d o ns u c h a s c r e w ( 7 3 k g f i n a D o w n ' s S w i s s t y p e p l a t ed e f l e c t e d t h r o u g h 1 0 d e g r e e s ) w a s l e s s t h a n h a l fa s g r e a t a s t h e minimum p u l l - o u t s t r e n g t h o f aBS S h e r m a n b o n e s c r e w e n g a g e d i n b o t h t i b i a lc o r t i c e s ( 1 6 5 k g f ) .I t i s c o n c l u d e d t h a t h e a v y K u n t s c h e r n a i l s maya p p r o a c h t h e s t r e n g t h o f t h e w e a k e s t i n t a c t t i b i ei n b e n d i n g b u t n o t i n t o r s i o n . H i c k s p l a t e sa p p r o a c h t h e s t r e n g t h o f t h e w e a k e s t i n t a c t t i b i ki n t o r s i o n b u t n o t i n b e n d i n g . From a n e n g i n e e r -i n g s t a n d p o i n t , t h e b e s t d e v i c e c o n s i s t s o f t w op l a t e s a p p l i e d t o o p p o s i t e s u r f a c e s o f t h e b o n e :t h i s may a p p r o a c h t h e s t r e n g t h o f t h e w e a k e s tt i b i v i n b o t h b e n d i n g a n d t o r s i o n .

Mr J P P a u l( B i o e n g i n e e r i n g U n i tU n i v e r s i t y o f S t r a t h c l y d e , G l a s g o w )T h e B i o m e c h a n i c s o f t h e H i p - j o i n t a n d i t sC l i n i c a l R e l e v a n c eOf t h e many j o i n t s i n t h e human b o d y t h e h i p -j o i n t h a s b e e n t h e o n e w h i c h h a s a t t r a c t e d t h em o s t a t t e n t i o n f r o m i n v e s t i g a t o r s . T h e r e a s o n sf o r t h i s a r e t w o f o l d : f i r s t , i n n o r m a l a c t i v i t y t h i sj o i n t c a r r i e s t h e g r e a t e s t l o a d , l o a d i n t e n s i t yf l u c t u a t i n g b e t w e e n z e r o a n d i t s maximum d u r i n ge a c h c y c l e o f a c t i v i t y ; s e c o n d l y , p r o b a b l y b e c a u s eo f t h i s l o a d i n g , m e c h a n i c a l f a i l u r e s o f t h e h i p -j o i n t a n d o f t h e n e i g h b o u r i n g b o n y s t r u c t u r e ,p a r t i c u l a r l y t h e u p p e r f e m o r a l r e g i o n , c o n s t i t u t ea l a r g e p r o p o r t i o n o f t h e p r o b l e m s c o n f r o n t i n gt h e o r t h o p a e d i c s u r g e o n .I n t h i s , a s i n many o t h e r f i e l d s , L e o n a r d o d aV i n c i ' s s k e t c h b o o k s i n d i c a t e a n a c q u a i n t a n c ew i t h t h e b a s i c p r i n c i p l e s o f t h e p r o b l e m , b u td e t a i l e d a n a l y t i c a l w o r k h a d t o a w a i t t h e d e v e l o p -m e n t s i n i n s t r u m e n t a t i o n o f t h e t w e n t i e t h

5 3

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9 4 4 P r o c e e d i n g s o J t h e R o y a l S o c i e t y o f M e d i c i n ec e n t u r y . F i s c h e r ( 1 8 9 5 - 1 9 0 4 ) c a l c u l a t e d m u s c l ef o r c e s f o r t h e s w i n g p h a s e o f w a l k i n g f r o m t h ee x p e r i m e n t a l c o n f i g u r a t i o n o f a t e s t s u b j e c t .S i m i l a r a n a l y s e s h a v e b e e n p e r f o r m e d t o o b t a i nt h e f o r c e s a n d m o m e n t s t r a n s m i t t e d t o t h e t r u n kb y t h e l e g b y B e r n s t e i n ( 1 9 3 5 ) , E l f t m a n ( 1 9 3 9 )a n d B r e s l e r & F r a n k e l ( 1 9 5 0 ) . H i r s c h & R y d e l l( 1 9 6 5 ) r e p o r t e d t h e r e s u l t s o f t e s t s o n a s u b j e c tw i t h g a u g e s m o u n t e d o n a m o d i f i e d A u s t i n -Moore t y p e p r o s t h e s i s , b u t t h i s t e c h n i q u e d o e sn o t a l l ow t e s t s o n n o r m a l s u b j e c t s .

C a l c u l a t i o n s h a v e b ee n p e r f o r m e d b y P a u w e l s( 1 9 3 5 ) , B l o u n t ( 1 9 5 6 ) a n d D enham ( 1 9 5 9 ) , t oo b t a i n t h e m a g n i t u d e o f t h e f o r c e t r a n s m i t t e db e t w e e n t h e f e m o r a l h e a d a n d t h e a c e t a b u l u m .E x p e r i m e n t s o n a n a t o m i c a l p r e p a r a t i o n s h a v eb e e n p e r f o r m e d b y Inman ( 1 9 4 7 ) , Backman( 1 9 5 7 ) , F r a n k e l ( 1 9 6 0 ) , H i r s c h & F r a n k e l ( 1 9 6 0 )a n d M e r c h a n t ( 1 9 6 5 ) , t o e s t i m a t e t h e m a g n i t u d eo f t h e f o r c e s i n t h e g r e a t m u s c l e s o f t h e h i p a n dt h e c o n s e q u e n t r e s u l t a n t f o r c e a t t h e h i p - j o i n t .

Of t h e a n a l y s e s i n t h e l i v i n g s u b j e c t , F i s c h e r ' si s t h e o n l y o n e w h e r e m u s c l e f o r c e s a r e c a l c u l a t e da n d , e v e n h e r e , t h e a n a l y s i s c a n n o t d e a l w i t h t h ed o u b l e s u p p o r t p h a s e s o f t h e m o v e m e n t . T h ea n a l y s e s o f B e r n s t e i n a n d E l f t m a n a r e i n c o m -p l e t e s i n c e t h e y c o n f i n e d t h e i r a t t e n t i o n t o f o r c ea c t i o n s i n p l a n e s p a r a l l e l t o t h e p l a n e o f p r o -g r e s s i o n . I n t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s e s a s s u m p t i o n sa r e made f o r : t h e d i r e c t i o n s o f t h e m u s c l e p u l l s ,t h e p o s i t i o n o f t h e c e n t r e o f g r a v i t y o f t h e c o m -b i n a t i o n o f t h e t r u n k , a r m s , h e a d a n d o n e l e g a n dt h e r e l a t i o n s h i p o f t h e s e t o t h e p o s i t i o n o f t h eh e a d o f t h e f e mu r .

I n t h e e x p e r i m e n t s o n a n a t o m i c a l p r e p a r a t i o n si n v i t r o , a s s u m p t i o n s a r e g e n e r a l l y made o f t h ef o l l o w i n g : ( 1 ) T h e p o s i t i o n o f t h e c e n t r e o fg r a v i t y o f t h e b o d y , m i n u s o n e l e g . ( 2 ) T h em u s c l e s a c t i v e i n t h e p o s i t i o n o f t h e t e s t . ( 3 ) T h a tt h e f o r c e s i n a s y s t e m o f m e c h a n i c a l l i n k s o f

ORIGIN ATC_ENTRE O F

v a r i o u s l e n g t h s a n d a r e a s i n t h e t e s t w i l l c o r r e s -p o n d t o t h e f o r c e s d e v e l o p e d i n t h e m u s c l e s o ft h e l i v i n g b o d y . W i t h r e g a r d t o ( 3 ) i t w o u l da p p e a r t h a t t h e s h a r i n g o f f o r c e s b e t w e e nm u s c l e s d e p e n d s o n t h e i n t e n s i t y o f e n e r g i z a t i o nr e c e i v e d f r o m t h e c e n t r a l n e r v o us s y s t e m r a t h e rt h a n o n t h e p a r t i c u l a r m e c h a n i c s o f a n e x p e r i -m e n t a l a s s e m b l y .T h e q u a n t i t i e s o f p r i n c i p a l i n t e r e s t i n t h e b i o -m e c h a n i c s o f t h e h i p a r e i l l u s t r a t e d i n F i g s 1 & 2 .F i g 1 s h o w s t h e f o r c e a c t i o n s t r a n s m i t t e d b e t w e e nt h e l e f t l e g a n d t h e t r u n k a t a n y i n s t a n t . T h e s ec o m p r i s e t h r e e c o m p o n e n t s o f f o r c e H x , H y , H z ,a n d t h r e e c o m p o n e n t s o f moment o r t u r n i n g

a c t i o n Mx, My, M z . T h e f o r c e c o m p o n e n t sc o r r e s p o n d t o g r a v i t y , a c c e l e r a t i o n a n d e x t e r n a lf o r c e a c t i o n s e x e r t e d o n t h e l e g . T h e momentsa r i s e f r o m t h e o f f s e t o f t h e s e f o r c e a c t i o n s f r o mt h e r e f e r e n c e a x e s t h r o u g h t h e h i p a n d f r o m t h ea n g u l a r a c c e l e r a t i o n s w h i c h t h e p a r t s o f t h e l e gu n d e r g o . T h e moments a r e t r a n s m i t t e d b yt e n s i o n i n m u s c l e o r l i g a m e n t s y s t e m s a c c o m -p a n i e d b y a c o r r es p o n di n g c o m p r e s s i v e f o r c e a tt h e h i p - j o i n t . T h e f o r c e t r a n s m i t t e d a t t h e h i p -j o i n t may b e r e p r e s e n t e d a s s h o w n i n F i g 2 b yt h r e e c o m p o n e n t s J x , J y , J z . D u r i n g n o r m a la c t i v i t y t h e q u a n t i t i e s i l l u s t r a t e d i n t h e s e d i a -g r a m s v a r y a c c o r d i n g t o a c o n t i n u o u s r e p e t i t i v ep a t t e r n . F i g s 3 a n d 4 s h o w t y p i c a l p a t t e r n s f o rt h e l e f t l e g o f a s u b j e c t , w e i g h i n g 6 5 k g d u r i n gn o r m a l l e v e l w a l k i n g . T h e s k e t c h e s i l l u s t r a t e t h ec o n f i g u r a t i o n o f t h e l i m b a t v a r i o u s i n s t a n t s i nt i m e a n d t h e s i g n i f i c a n t o c c u r r e n c e s a r e i n d i c a t e db y t h e f o l l o w i n g a b b r e v i a t i o n s : H S , h e e l s t r i k e ;T O , t o e o f f ; L F , l e f t f o o t ; R F , r i g h t f o o t .

I t w i l l b e n o t e d i n F i g 3 t h a t , d u r i n g t h e s w i n gp h a s e o f l e g m o t i o n , i . e . b e t w e e n t o e o f f a n d h e e ls t r i k e , t h e o n l y f o r c e a c t i o n b e t w e e n l e g a n dt r u n k o f s i g n i f i c a n t m a g n i t u d e i s M z , t h e momentc o r r e s p o n d i n g t o g r a v i t y a n d a c c e l e r a t i o n a c t i o n si n t h e p l a n e o f p r o g r e s s i o n . I t i s i n t e r e s t i n g t o

D I Q E C T I O N S OFL y J X P O S I T I V E F O R C EC O M P O N E N T S A C ' T I N GON ACETABULUM

F i g 1 F o r c e a c t i o n s t r a n s m i t t e d t o t r u n ka t a s e c t i o n t h r o u g h t h e l e f t h i p

3 2

F i g 2 C o m p o n e n t s o f f o r c e t r a n s m i t t e db e t w e e n f e m o r a l h e a d a n d a c e t a b i t l u m

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S e c t i o n o f O r t h o p a d i c s

,/

Tl ILACT I M E S E C I C0 0 - 2 04 0- 6 O - S o * . 0 1 - 2

I - I \I x / \I /-~

N\-_ _ _ , \

\ . S . L . F . y . R . F . 1 4 SS . R . F T.LF.F i g 3 V a r i a t i o n o f h i p m o m e n ta n d h i p f o r c e w i t h t i m e d u r i n go n e s t r i d e o f t h e l e f t l e g

n o t e t h a t t h e a c c e l e r a t i o n o f t h e f o o t a t n o r m a lw a l k i n g c a d e n c e i s s u r p r i s i n g l y h i g h . V a l u e s o ft h e o r d e r o f 4 g a r e t y p i c a l w h e r e g i s t h e r a t e o ff r e e a c c e l e r a t i o n o f a b o d y u n d e r g r a v i t y . A t h e e ls t r i k e t h e r e i s a p e a k o f Mz d u e t o t h e a d d i t i v ee f f e c t s o f t h e r a p i d d e c e l e r a t i o n o f t h e f o r w a r ds w i n g o f t h e l e g a n d t h e g r o u n d - t o - f o o t f o r c ew h i c h i s t h e n w e l l i n f r o n t o f t h e h i p - j o i n t . As t h ep e a k g r o u n d - t o - f o o t f o r c e i s d e v e l o p e d , t h e h i pm o v e s o v e r t h e h e e l a n d Mz d i m i n i s h e s t oz e r o . T h i s moment i n c r e a s e s t o a p e a k v a l u e o f

L iu0

o p p o s i t e s i g n a p p r o a c h i n g t o e o f f s i n c e t h eg r o u n d f o r c e i s now b e h i n d t h e h i p a n d t h e l i m bh a s a t t h i s s t a g e t o commence a c c e l e r a t i n gf o r w a r d s .T h e c u r v e o f M x , t h e moment c o r r e s p o n d i n g t oa d d u c t i o n / a b d u c t i o n r i s e s s h o r t l y a f t e r h e e ls t r i k e d u e t o t h e o f f s e t o f t h e h i p f r o m t h e a r e a o fs u p p o r t . T h i s may b e i n f e r r e d f r o m t h e o t h e r s i d eo f t h e t r u n k t o l e g c o n n e x i o n when t h e momentc a n b e s e e n t o b e d u e t o t h e o f f s e t o f t h e c e n t r e o f

i t

T . O L A I . S . L . F T O . R . F .. . T i b SEC.Il _ w I I

5 S . R . F TO XL . F

1 - 2

F i g 4 V a r i a t i o n of h i p - j o i n tf o r c e w i t h t i m e d u r i n g on es t r i d e of t h e l e f t l e g

3 31 , 0 0 0

5 0 0

9 4 5

U1 1 1 0' OzI

- . 1 0 0 0

, 5 0

o

d0LV . 0 . L , F

et ~ 0 .60 . 04 0 I 0 8 1 0

~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ - S - r -

I M _- k : - ; - - ~ ! - - a t _ _c i

..i

, - % Mx/ / N %%

-, -- II

1 - cl,

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9 4 6 P r o c e e d i n g s o f t h e R o y a l S o c i e t y o f M e d i c i n eg r a v i t y o f t h e t r u n k a n d r i g h t l e g f r o m t h e c e n t r eo f t h e l e f t h i p - j o i n t . T h e v a l u e o f t h i s moment h a sa t r o u g h a t t h e c e n t r e o f t h e s t a n c e p h a s e , i . e .b e t w e e n h e e l s t r i k e a n d t o e o f f . T h i s c o r r e s p o n d st o t h e d e c e l e r a t i o n o f v e r t i c a l m o v e m e n t o f t h et r u n k a s i t r e a c h e s i t s maximum h e i g h t . Mxr e t u r n s t o a l o w v a l u e a g a i n a s t h e w e i g h t i st r a n s f e r r e d t o t h e r i g h t f o o t .

T h e moment a b o u t t h e y a x i s , w h i c h i s v e r t i c a l ,c o r r e s p o n d s t o t h e a c t i o n o f t h e r o t a t o r s o f t h el e g a n d i s g e n e r a l l y o f s m a l l v a l u e b y c o m p a r i s o nw i t h t h e o t h e r t w o c o m p o n e n t s o f m o m e n t .T h e c o m p o n e n t s o f f o r c e b e t w e e n l e g a n dt r u n k a r e s h o w n i n t h e l o w e r p a r t o f F i g 3 . T h em o s t s i g n i f i c a n t v a l u e s o f t h e s e c o r r e s p o n d t o t h ee f f e c t o f g r a v i t y a n d t h e e x t e r n a l l y a p p l i e df o r c e s . F o r e x a m p l e , t h e c o m p o n e n t Hy i s n e g a -

t i v e i n t h e s w i n g p h a s e a n d c o r r e s p o n d s t o t h ew e i g h t o f t h e l e f t l e g . I n t h e s t a n c e p h a s e , Hy i se q u a l t o t h e v e r t i c a l g r o u n d r e a c t i o n l e s s t h ew e i g h t o f t h e l e f t l e g . S i m i l a r l y Hx i n t h e e a r l yp a r t o f t h e s t a n c e p h a s e i s n e g a t i v e a n d s u b s e -q u e n t l y p o s i t i v e , c o r r e s p o n d i n g t o t h e g r o u n d -t o - f o o t f o r c e w h i c h i s i n i t i a l l y c o n t r a r y t o t h ed i r e c t i o n o f b o d y m o t i o n a n d s u b s e q u e n t l y i n t h ed i r e c t i o n o f m o t i o n .

T h e f o r c e s a n d m o m e n t s t r a n s m i t t e d b e t w e e nl e g a n d t r u n k c o r r e s p o n d t o t e n s i o n i n m u s c l e a n dt e n d o n a n d p r e s s u r e a t t h e j o i n t s u r f a c e , b u t t h ep r e s s u r e a t t h e j o i n t s u r f a c e m u s t i n c l u d e t h ev a l u e s o f t h e m u s c l e t e n s i o n s a s w e l l a s t h e f o r c ev a l u e s H x , Hy a n d Hz s h o w n i n F i g 3 . To o b t a i nt h e t r u e v a l u e o f t h e j o i n t f o r c e c o m p o n e n t s J x ,J y , J z a t a n y i n s t a n t w o u l d r e q u i r e a k n o w l e d g eo f t h e d i r e c t i o n s o f p u l l o f t h e m u s c l e s a t t h a ti n s t a n t a n d t h e m a g n i t u d e o f t h e f o r c e e x e r t e d b ye a c h ; b u t t h e e q u a t i o n s o f m e c h a n i c s a l l o w o n l ya s o l u t i o n f o r t h r e e unknown m u s c l e f o r c e s a ts u c h a j o i n t w h e r e n a t u r e i n h e r w i s d o m h a se n d o w e d u s w i t h t w e n t y - t w o m u s c l e s . By ar a t i o n a l s y s t e m o f a p p r o x i m a t i o n o n e c a n , h o w -e v e r , s i m p l i f y t h e p i c t u r e . T h e r o t a t o r s o f t h e h i pa r e m u s c l e s o f s m a l l c r o s s - s e c t i o n w h o s e l i n e s o fa c t i o n p a s s c l o s e t o t h e c e n t r e o f t h e j o i n t . T h ef o r c e s t h e y e x e r t a n d t h e i r t u r n i n g a c t i o n s a r et h e r e f o r e s m a l l . A d d i t i o n a l l y , e l e c t r o m y o g r a p h i cs t u d i e s b y C l o s e & T o d d ( 1 9 5 9 ) , t h e U n i v e r s i t y o fC a l i f o r n i a ( 1 9 5 3 ) , a n d S o r b i e & Z a l t e r ( 1 9 6 5 )h a v e s h o w n t h a t s y n e r g i s t i c m u s c l e g r o u p s d i s p l a ye l e c t r i c a l a c t i v i t y a t t h e s a m e t i m e . One c a nt h e r e f o r e e v a l u a t e t h e l i m i t s w i t h i n w h i c h t h em u s c l e f o r c e a n d j o i n t p r e s s u r e m u s t l i e b y c o n -s i d e r i n g t h a t g r o u p t o b e m o s t a c t i v e w h o s e l i n eo f a c t i o n i s s i t u a t e d a t e i t h e r t h e l e a s t o r a t t h eg r e a t e s t d i s t a n c e f r o m t h e j o i n t a x e s ; t h i s p r o c e -d u r e i s o u t l i n e d b y P a u l ( 1 9 6 5 ) . F i g 4 i s d r a w n on

t h e m o s t o p t i m i s t i c b a s i s a n d s h o w s t h e l e a s tv a l u e o f j o i n t f o r c e c o m p o n e n t s o b t a i n e d i n t h i sw a y : t h e g r a p h s h o w s t h e c o m p o n e n t s i n t h ex a n d z d i r e c t i o n s a n d t h e r e s u l t a n t o f t h e x , ya n d z c o m p o n e n t s . T h e y c o m p o n e n t i s n o ts h o w n s i n c e i t s g r a p h f o l l o w s t h a t o f t h e r e s u l t a n tJ R v e r y c l o s e l y .F o r t h i s s u b j e c t t h e v a l u e o f t h e j o i n t f o r c e i s4 - 1 t i m e s t h e s u b j e c t ' s w e i g h t a n d i t w i l l b eo b v i o u s t h a t t h e j o i n t f o r c e h a s p e a k v a l u e sc o r r e s p o n d i n g t o t h e s u c c e s s i v e p e a k s o f t h emoment c u r v e s . T h e q u e s t i o n i m m e d i a t e l y a r i s e sw h e t h e r t h i s i s a t y p i c a l v a l u e . I n t h e s e i n v e s t i g a -t i o n s s o f a r , t h e r e c o r d s o f 1 2 s u b j e c t s h a v e b e e na n a l y s e d a n d t h e r a t i o o f p e a k j o i n t f o r c e t o b o d yw e i g h t v a r i e s f r o m 2 - 3 f o r a f e m a l e s u b j e c tw a l k i n g v e r y s l o w l y w i t h a s h o r t s t r i d e , t o 5 - 8 f o ra h e a v y m a l e s u b j e c t w a l k i n g v e r y e n e r g e t i c a l l y .

F o r t h e 1 2 s u b j e c t s , a g e d 1 8 t o 3 6 , w h e r e r e s u l t sa r e a v a i l a b l e a t p r e s e n t , t h e a v e r a g e v a l u e o f t h i sr a t i o i s 5 - 0 . T h e y a r e a l l y o u n g , w i t h n o d e t e c t a b l ea b n o r m a l i t i e s i n g a i t , a l t h o u g h , s i n c e t h e y w e r ee n c o u r a g e d t o w a l k i n a n a t u r a l f a s h i o n , t h e r e a r em a j o r d i f f e r e n c e s i n t h e i r g a i t , s u c h a s t h e a m o u n to f o v e r l a p o f t h e f e e t when v i e w e d f r o m t h ef r o n t . I t i s o f i n t e r e s t t o n o t e t h a t t e s t s s h o w t h a tt h e e f f e c t o f h i g h h e e l e d a s o p p o s e d t o l o w h e e l e ds h o e s , i n r e s p e c t o f moment a n d j o i n t f o r c e s , i sn e g l i g i b l y s m a l l .F i g 4 s h o w s t h e v a r i a t i o n i n t h e m a g n i t u d e o f

t h e r e s u l t a n t j o i n t f o r c e w i t h t i m e . I f t h e p o s i t i o no f t h e r e s u l t a n t j o i n t f o r c e a t s u c c e s s i v e i n s t a n t si s d r a w n o n a d i a g r a m r e p r e s e n t i n g t h e h e a d o ft h e f e m u r , i t w i l l t r a c e a p a t h c o r r e s p o n d i n g t ot h e l o c u s o f t h e c e n t r e o f t h e a r e a o f j o i n t p r e s -s u r e a s t h e l e g s w i n g s . A d i a g r a m f o r t h e s t a n c ep h a s e o f w a l k i n g i s s h o w n i n F i g 5 .

T h e q u e s t i o n a r i s e s o f t h e r e l e v a n c e o f t h e s es t u d i e s t o t h e c l i n i c i a n . T h e c u r v e s o f F i g 3 a r e o fp a r t i c u l a r i m p o r t a n c e i n t h e d e s i g n a n d f i t t i n g o fe x t e r n a l p r o s t h e s e s . T h e r e q u i r e m e n t s o f a na r t i f i c i a l l i m b a r e g e n e r a l l y s p e c i f i e d a s f u n c t i o n a la n d c o s m e t i c . F o r f u n c t i o n , t h e l i m b must e x e r to n t h e i n t e r f a c e f o r c e a c t i o n s s u f f i c i e n t t o m a i n -t a i n s t a b i l i t y . C o s m e s i s h a s t w o r e q u i r e m e n t sw h i c h may f r e q u e n t l y c o n f l i c t : ( I ) T h e a p p e a r a n c eo f t h e l i m b s h o u l d b e n a t u r a l . ( 2 ) T h e g a i t o f t h eu s e r s h o u l d a p p e a r n a t u r a l . I f f a c t o r ( 2 ) i s c o n -s i d e r e d , t h e p r o s t h e s i s s h o ul d b e a r r a n g e d t o b ea b l e t o t r a n s m i t t o t h e t r u n k t h e same f o r c ea c t i o n s a s w o u l d a n o r m a l l e g , f o r w i t h o u t t h e s et h e m o v e m e n t s o f t h e t r u n k w i l l b e a b n o r m a l .I n r e p a i r o f u p p e r f e m o r a l f r a c t u r e s a m u l t i -p l i c i t y o f d e v i c e s a r e i n u s e t o m a i n t a i n t h ef r a c t u r e s u r f a c e s i n a p p o s i t i o n a n d t o t r a n s m i t

3 4

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3 5 S e c t i o n o f O r t h o p w e d i c s 9 4

F i g 5 V a r i a t i o n o f f o r c e o n t h el e f t f e m u r d u r i n g t h e s t a n c ep h a s e o f w a l k i n gt h e a p p r o p r i a t e f o r c e a c t i o n s b e t w e e n t h ef r a c t u r e d p a r t s . F r a n k e l ( 1 9 6 0 ) t e s t e d t o d e s t r u c -t i o n a s e l e c t i o n o f h i p n a i l s i n a m a n n e r s i m u -l a t i n g c o n d i t i o n s i n n o r m a l u s e a n d f o u n d t h eh i g h e s t f a i l u r e l o a d t o b e 1 5 0 k g . W h e n t h i s i sc o m p a r e d w i t h t h e j o i n t f o r c e v a l u e s r e p o r t e dh e r e , i t s e e m s c l e a r t h a t t h e p i n s h o u l d o n l y b ea b l e t o t r a n s m i t f o r c e a c t i o n i n c o n j u n c t i o n w i t ht h e s u r r o u n d i n g b o n e . One w o u l d a n t i c i p a t e t h a t ,i n t h e a b s e n c e o f g o o d r e d u c t i o n o f t h e f r a c t u r e ,p e r m i t t i n g t h e b o n y s t r u c t u r e t o t r a n s m i t c o m -p r e s s i o n , f a i l u r e i s l i k e l y a s s o o n a s w e i g h t -b e a r i n g i s a t t e m p t e d , e v e n t a k i n g a c c o u n t o f t h ei n h i b i t e d g a i t a n d a t t e n t u a t e d m u s c u l a t u r e o f t h ea v e r a g e p a t i e n t s u f f e r i n g f r o m t h i s f r a c t u r e .T e s t s a r e i n p r e p a r a t i o n u s i n g g a u g e s m o u n t e do n a h i p n a i l t r a n s m i t t i n g t h e i r s i g n a l b y r a d i o -t e l e m e t r y . I n c o n j u n c t i on w i t h t h e a n a l y s i sd e s c r i b e d e a r l i e r i n t h e p a p er , t h e s e w i l l a l l o w t h ea s s e s s me n t o f t h e d e v e l o p m e n t o f l o a d - c a r r y i n gc a p a c i t y a s b o n e u n i o n p r o c e e d s .

W h e r e o s t e o a r t h r i t i c d e g e n e r a t i o n o f t h ef e m o r a l h e a d s u r f a c e h a s n e c e s s i t a t e d o p e r a t i v et r e a t m e n t ( P a u w e l s 1 9 6 1 ) , o s t e o t o m y i s f r e q u e n t l ye m p l o y e d . P a u w e l s c l a i m s t h a t : ( 1 ) An i m p r o v e dc o n g r u e n c y o f t h e f e m o r a l h e a d a n d a c e t a b u l u mr e s u l t s . ( 2 ) T h e e f f e c t i v e l e n g t h o f c e r t a i n h i pm u s c l e s i s i n c r e a s e d , l e a d i n g t o a r e d uc t i on i n t h e

f o r c e w h i c h t h e y c a n e x e r t a n d h e n c e t o a r e d u c e dj o i n t f o r c e . ( 3 ) T h e m a g n i t u d e o f t h e f o r c er e q u i r e d i n t h e a b d u c t o r s o f t h e h i p i s r e d u c e d b yr e l o c a t i o n o f t h e i r i n s e r t i o n t o p r o d u c e a g r e a t e rmoment a c t i o n a b o u t t h e h i p . C l e a r l y t h e s e t h r e ec l a i m s c a n b e i n v e s t i g a t e d b y a b i o m e c h a n i c a la n a l y s i s o f t h e t y p e d e s c r i b e d ; i n v e s t i g a t o r y t e s t sa r e i n p r o g r e s s , a l t h o u g h t h e a n a l y s i s o f t h er e c o r d s h a s n o t y e t s t a r t e d .

T h e r a n g e o f t h e t e s t s r e p o r t e d h e r e i s c o n f i n e dt o a c t i v e n o r m a l s u b j e c t s i n n a t u r a l , l e v e l w a l k i n gi n a s t r a i g h t l i n e ; f u r t h e r t e s t s o n t h e s e s u b j e c t si n w a l k i n g a t d i f f e r e n t g a i t s o n i n c l i n e s a n d s t a i r sa r e a b o u t t o s t a r t , p r i o r t o t e s t i n g t h e e l d e r l y , l e s sf i t s u b j e c t .

T h e r e s u l t s r e p o r t e d h e r e w e r e o b t a i n e d i ni n v e s t i g a t i o n s d o n e i n t h e D e p a r t m e n t o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a t t h e U n i v e r s i t y o fS t r a t h c l y d e s u p p o r t e d b y t h e M e d i c a l R e s e a r c hC o u n c i l .R E F E R E N C E SBackman S ( 1 95 7 ) A c t a . r a d i o l . , S t o c k h . S u p p l . 1 4 6B e r n s t e i n N A e d ( 1 9 3 5 ) I s s l e d o v a n i a po B i o d i n a m i k e L o k o -m o t i j . MoscowB l o u n t WP ( 1 9 5 6 ) J . B o n e J t . S u r g . 3 8 A , 6 9 5B r e s l e r B & F r a n k e l J P( 1 9 5 0 ) T r a n s . A m e r . S o c . m e c h . E n g r s 7 2 , 2 7C l o s e J R& T o d d F N( 1 9 5 9 ) J . B o n e J t . S u r g . 4 1 A , 1 8 9

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9 4 8 P r o c e e d i n g s o f t h e R o y a l S o c i e t y o f M e d i c i n e 3 6Denham RA ( 1 9 5 9 ) J . B o n e J t . S u r g . 4 1 B , 5 5 0E l f t m a n H( 1 9 3 9 ) A m e r . J . P h y s i o l . 1 2 5 , 3 3 9( 1 9 4 0 ) A m e r . J . P h y s i o l . 1 2 9 , 6 7 2F i s c h e r 0 ( 1 8 9 5 - 1 9 0 4 ) A b h . s d c h s . G e s . ( A k a d . ) W i s s . 2 1 , 1 5 3( P t . 1 w i t h W B r a u n e ) ; 2 5 , 1 ; 2 6 , 8 7 , 4 7 1 ; 2 8 , 3 2 1 , 5 3 3F r a n k e l V ( 1 9 6 0 ) Th e F e m o r a l N e c k . U p p s a l aH i r s c h C & F r a n k e l V( 1 9 6 0 ) J . Bone J t . S u r g . 4 2 B , 6 3 3H i r s c h C& R y d e l N( 1 9 6 5 ) I n K e n e d i ( 1 9 6 5 ) p 3 4 1I n m a n V T ( 1 9 4 7 ) J . B o n e J t . S u r g . 3 3 A , 4 8 5K e n e d i RMe d ( 1 9 6 5 ) B i o m e c h a n i c s a n d R e l a t e d T o p i c s . LondonM e r c h a n t A C ( 1 9 6 5 ) J . B o n e J t . S u r g . 4 7 A , 4 6 2O ' M a l l e y C D& S a u n d e r s J B d e C M( 1 9 5 2 ) L e o n a r d o d a V i n c i : ' O n t h e H u m a n B o d y ' . Ne w YorkP a u l J P ( 1 9 6 5 ) I n : K e n e d i ( 1 9 6 5 ) p 3 6 9P a u w e l s F( 1 9 3 5 ) Der S c h e n k e l h a l s b r u c h , e i n m e c h a n i s c h e s P r o b l e m .S t u t t g a r t( 1 9 6 1 ) V e r h . d t s c h . o r t h o p . G e s . 4 8 , 3 3 2S o r b i e C & Z a l t e r R ( 1 9 6 5 ) I n : K e n e d i ( 1 9 6 5 ) p 3 5 9U n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a ( 1 9 5 3 ) The P a t t e r n o f M u s c u l a r A c t i v i t yi n t h e Lower E x t r e m i t y d u r i n g W a l k i n g . P r o s t h e t i c D e v i c e s R e s .R e p . , I n s t . E n g i n e e r i n g R e s e a r c h , s e r . 1 1 , i s s u e 2 5 . B e r k e l e y , C a l .

Mr I D u f f - B a r c l a y , ' Dr J o h n T S c a l e s a n dMr J N W i l s o n( D e p a r t m e n t o f B i o m e c h a n i c s a n d S u r g i c a lM a t e r i a l s , I n s t i t u t e o f O r t h o p e d i c s , U n i v e r s i t y o fL o n d o n , a n d T h e R o y a l N a t i o n a l O r t h o p e d i cH o s p i t a l , S t a n m o r e )T h e D e v e l o p m e n t o f t h e S t a n m o r e T o t a l H i pR e p l a c e m e n tT h e r e a r e v a r i o u s d i s e a s e s a f f e c t i n g b o n e s a n dj o i n t s w h i c h c a n b e t r e a t e d b y e x c i s i n g t h ea f f e c t e d p a r t a n d r e p l a c i n g t h e d e f i c i e n c y b y ap r o s t h e s i s . Some o f t h e s e c o n d i t i o n s o c c u r e a r l yi n l i f e a n d t h e r e f o r e t h e p r o s t h e s i s may h a v e t of u n c t i o n f o r many y e a r s . T h e S t a n m o r e t o t a lh i p r e p l a c e m e n t ( F i g 1 ) i s p a r t o f a s t a n d a r d l i m bs k e l e t a l r e p l a c e m e n t s y s t e m a n d w a s d e s i g n e dp r i m a r i l y t o r e p l a c e t h e a c e t a b u l u m a n d f e m o r a lh e a d . I t c a n , h o w e v e r , b e u s e d a s p a r t o f m a j o rp r o s t h e s e s s u c h a s t h e r e p l a c e m e n t f o r t h ea c e t a b u l u m , f e m u r a n d k n e e - j o i n t made f o r ap a t i e n t who h a d a n o s t e o c l a s t o m a o f t h e f e m u r( F i g 2 ) .

S i n c e 1 8 9 4 t h e r e h a v e b e e n f i v e p h a s e s i np r o s t h e t i c a r t h r o p l a s t y o f t h e h i p : ( 1 ) M e t a lf o i l s c o v e r i n g t h e f e m o r a l h e a d . ( 2 ) T h e m e t a l l i cf l o a t i n g j o i n t i n t e r p o s i t i o n o f S m i t h - P e t e r s e n .( 3 ) T h e f i x e d m e t a l a n d p l a s t i c f e m o r a l h e a d s o fH a r m a n , J u d e t , M o o r e , T h o m p s o n , E i c h e r a n do t h e r s . ( 4 ) T h e f i x e d m e t a l l i c a c e t a b u l a r c u p s o f' S e c o n d e d t o t h e D e p a r t m e n t o f B i o m e c h a n i c s a n d S u r g i c a lM a t e r i a l s , I n s t i t u t e o f O r t h o p m d i c s , U n i v e r s i t y o f L o n d o n , b yTh e B r i t i s h P e t r o l e u m R e s e a r c h C e n t r e , S u n b u r y - o n - T h a m e s ,M i d d l e s e x

. . . . . . . . . . . . . . . . .

F i g 1 T h e S t a n m o r e t o t a l h i p r e p l a c e m e n t

F i g 2 M a j o r p r o s t h e s i si n c o r p o r a t i n g S t a n m o r eh i p r e p l a c e m e n tM c B r i d e , U r i s t , P o l i e t a l . a n d G a e n s l e n . ( 5 ) T h et o t a l h i p r e p l a c e m e n t s o f W i l e s , M c K e e , C h a r n l e ya n d o u r s e l v e s .

T h e r e s u l t s a c h i e v e d i n t h e f i r s t f o u r p h a s e sh a v e b e e n v a r i a b l e .