Статьи Вертебрология
|
|
|
|
Биомеханическая система «позвоночник»
… несмотря на то, что слово «биомеханика» часто звучит в среде врачей-ортопедов, реальное понимание этого раздела знаний, как правило, весьма ограничено.Позвоночник человека является сложной биомеханической системой и представляет собой многосегментарную конструкцию с большим количеством степеней свободы, что обеспечивает поддержание вертикального положения тела и координированные движения за счет управляемого состояния сухожильно-мышечного аппарата. Любая пара смежных позвонков может быть представлена кинематической парой, включенной в единую систему позвоночника.
Позвоночник обладает сложными статическими и локомоторными функциями. Так, при вертикальном положении на него приходится основная нагрузка за счет гравитационных сил. Позвоночник выполняет переднезадние, боковые наклоны и ротацию. Каждый отдел позвоночника в зависимости от строения по-разному выполняет эти функции.
В частности, в поясничном отделе максимальный объем движений имеется только в сагиттальной плоскости. В грудном отделе движения ограниченно возможны во всех плоскостях, в шейном – максимум в горизонтальной плоскости – вращение.
Особенностью поясничного отдела позвоночника является то, что наличие более выраженного лордоза и большей высоты межпозвонкового диска способствует смещению проекции центра тяжести тела к задним структурам позвонка, суставным отросткам.
Считается, что капсула межпозвонковых суставов, образованных суставными отростками двух смежных позвонков, и ее связки выполняют роль ограничителя подвижности в суставе, особенно экстензии, защищая заднюю часть диска при ротации и сгибании.
В статическом состоянии позвоночник представляется в виде гибкого предварительно деформированного стержня, закрепленного в двух точках – на уровне C7 и S1. В этих пунктах расположены площади опоры для вышележащих сегментов. Исходящая из центра тяжести тела вертикальная линия в этих местах пересекает позвоночник, обеспечивая тем самым максимальную устойчивость вышерасположенных сегментов.
Действие суммарной нагрузки, вызывающее сжатие костной ткани, направлено вдоль продольной оси позвоночника. Мышцы туловища корригируют равнодействующую силу вдоль продольной оси. Паравертебральные мышцы на всем протяжении позвоночника выполняют функцию растяжек спереди или сзади позвоночника, удерживая в равновесии сегменты туловища.
При движениях позвоночника, связанных с поднятием груза, давление на нижние поясничные позвонки может превышать массу груза в 7–10 раз. Эта сила распределяется между всеми структурами, на которые она воздействует. Значительная часть этой нагрузки приходится на тела позвонков и межпозвонковые диски.
Вертикальная нагрузка особенно возрастает в согнутом положении туловища, когда угол между горизонтальными плоскостями смежных позвонков открыт в сторону спины и ядро диска смещается в дорсальном направлении. Этим объясняется относительно частое образование задних и заднебоковых грыж дисков L4–L5, L5–S1.
При максимальном сгибании позвоночника передние края тел поясничных позвонков сближаются и возникают силы так называемого углового рычага первого рода с точкой опоры на передний край тел L5–S1. Длина одного плеча рычага совпадает с длиной грудного и поясничного отделов позвоночника (примерно 48 см), а длина другого плеча равна диаметру тела позвонка L5 (примерно 5 см). При таком соотношении плеч 1 : 9 капсулярно-связочный аппарат нижнепоясничных позвонков в задних отделах испытывает десятикратное увеличение силы по сравнению с приложенной нагрузкой. Эта сила уравновешивается разгибателями туловища.
В вертикальном положении центр тяжести тела находится в плоскости таза на уровне второго крестцового позвонка или непосредственно над ним в крестцовом канале, что делает его важной ключевой зоной опорно-двигательного аппарата.
В сагиттальной плоскости вертикаль, опущенная из общего центра тяжести тела, проходит впереди оси голеностопных суставов (40–50 мм), немного впереди оси коленных суставов (5–15 мм) и несколько позади оси тазобедренных суставов (10–30 мм). Голени отклонены от вертикали на 4–5 %, ноги согнуты в коленных суставах на 2–3 %. При вертикальном положении тела направление вектора веса способствует разгибанию в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах. Это обеспечивает оптимальное взаимодействие сухожильно-мышечного аппарата и костных структур.
Вертикальная нагрузка, приходящаяся на поясничный отдел позвоночника, может перераспределяться между элементами позвоночника за счет создания внутрибрюшного давления, особенно при подъеме тяжести. Поэтому нагрузка на поясничный отдел может быть снижена до 70 %. При слабости мышц передней брюшной стенки, обеспечивающих внутрибрюшное давление, вся нагрузка приходится на позвоночник.
Кроме рассмотренных мышц, на стабильность вертикальной оси действуют и выше расположенные мышцы, в частности косо направленные паравертебральные, которые создают усилие по вертикали и горизонтали. При одновременном напряжении их горизонтальные силы уравновешиваются и равнодействующая сила направлена вертикально через пульпозное ядро, являясь основной нагрузкой для нижележащего позвонка.
Прочность межпозвонкового диска и смежных позвонков в сегменте, наряду с состоятельностью суставно-связочного и нервно-мышечного аппаратов позвоночника, позволяет адекватно реализовывать фиксационную и амортизационную функции позвоночника, а также создает оптимальные условия для надежного функционирования позвоночного столба в режиме двигательной активности. Синхронное уменьшение прочности каждого сегмента является сущностью физиологического старения.
И.С. Коростылева с соавт. выявили определенную зависимость между степенью выраженности поясничного лордоза и рентгенологическими признаками остеохондроза, которую связывают с изменением условий статической нагрузки, направления оси позвоночника и траектории действия приложенных сил. Эти исследователи отмечают динамическую взаимозависимость между физиологической кривизной грудного и поясничного отделов позвоночника.
Усиление грудного кифоза ведет к увеличению поясничного лордоза и нарастани в дисках поясничного отдела дистрофических изменений. Сглаженность физиологической кривизны позвоночника ухудшает рессорно-амортизационные функции позвоночника.
Наличие у больного сколиоза резко изменяет характер статической нагрузки и ухудшает эластические свойства позвоночника, что способствует возникновению и развитию дистрофических изменений в дисках.
Устойчивость любой вертикальной системы обеспечивается площадью опоры, в пределах которой находится проекция центра тяжести. При смещении центра тяжести за ее пределы система теряет устойчивость. Позвоночник, являясь открытой стохастической системой, постоянно испытывает гравитационное влияние и внешние воздействия, поэтому постуральная мускулатура всегда активна, даже в строго вертикальном положении, когда она минимально нагружена.
Ее деятельность резко возрастает при отклонении вертикальной оси тела в любом направлении, особенно при смещении центра тяжести за пределы площади устойчивости. В этом случае дополнительно включается фазическая мускулатура, которая не может длительно пребывать в состоянии напряжения.
В статической позе большее усилие развивают экстензоры, в то время как в реализации движения, за счет перемещения дистальных отделов, – флексоры. Тоническое напряжение отдельных мышечных групп, обеспечивающих определенную позу, одновременно является исходным фоном для осуществления движения.
Чтобы удержать вертикальное положение, центр тяжести тела постоянно перемещается в трех плоскостях, распределяя вес на одну или две конечности. Чем выше расположен центр тяжести, тем больше должна быть площадь опоры, чтобы обеспечить устойчивость системы.
Даже самое спокойное положение стоя требует постоянной коррекции. Следовательно, процесс обеспечения вертикального положения является не стационарным, а динамичным, постоянно приспосабливающимся к меняющимся условиям. Чем больше диапазон компенсаторных механизмов, чем выше приспособляемость системы, тем проще ей подстраиваться к изменяющимся условиям.
Компенсаторные механизмы у всех различны. Если у здорового человека они достаточно велики, что позволяет выдержать значительные нагрузки, то при их ограничении у больного даже легкая нагрузка может вызвать срыв и привести к постуральныму дисбалансу на фоне которого формируются различные патологические вертебральные и экстравертебральные феномены (синдромы).